秸秆带状覆盖垄作种植对马铃薯耗水特性及产量的影响

Effects of strip mulching and ridge cropping on potato water comsumption characteristics and yield

摘要

目的 研究秸秆带状覆盖垄作种植对马铃薯不同生育时期的耗水特性及产量的影响，筛选适合西北半干旱雨养农业区马铃薯的高产覆盖栽培模式。 方法 设5个处理，分别为高垄秸秆带状覆盖（SHH）、低垄秸秆带状覆盖（SLH）、平作秸秆带状覆盖（PH）、地膜覆盖（HM），以传统露地平作为对照（CK）。 结果 覆盖能显著改善土壤水分状况。秸秆带状覆盖垄作种植能提高马铃薯生育后期0~180 cm土层土壤贮水量，平均较CK提高9.1%，SHH、SLH分别较CK提高11.7%、10.3%，降低苗期-块茎形成期阶段耗水量、日耗水强度和耗水模系数，平均较CK分别降低5.89%、5.95%和5.29%，增加中后期块茎形成期-淀粉积累期阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数，平均较CK分别增加2.93%、2.92%和3.73%。秸秆带状覆盖垄作薯块产量、水分利用效率（WUE）、大薯率、商品薯率较CK分别提高40.03%、41.15%、53.22%、23.77%（P<0.05），且薯块产量、WUE均表现为SHH>SLH>PH。马铃薯薯块产量与耗水量、耗水强度、耗水模系数相关性除播种-苗期、苗期-块茎形成期显著负相关关系外，其他时期均呈显著或极显著正相关关系。 结论 秸秆带状覆盖高垄（SHH）处理能够改善土壤水环境，调整马铃薯耗水结构，平衡马铃薯关键生长期供需水矛盾，从而达到增产提效目的，可作为西北雨养农业区马铃薯高产栽培的推荐模式。

Abstract

Objective To study the effects of strip mulching and ridge planting on the water consumption characteristics and yield of potato at different growth stages，and to establish the high yield mulching culture technology of potato in the semi-arid rain-fed agricultural area of northwest China. Method There were 5 treatments： high ridge straw strip mulching （SHH），low ridge straw strip mulching （SLH），plain straw strip mulching （PH），plastic film mulching （HM），and traditional open plain straw as control （CK）. Result Mulching could significantly improve soil water status.Compared to CK，strip mulching and ridge planting increased the soil water storage by 10.2% and 8.0% respectively.Straw strip mulching and ridge planting reduced water consumption，daily water consumption intensity and water consumption mode coefficient in the early growth stage from seedling stage to tuber formation stage by 5.89%，5.95% and 5.29%，respectively，compared with CK，and increased water consumption，daily water consumption intensity and water consumption mode coefficient in middle and late tuber formation stage to starch accumulation stage.Compared with CK，they increased by 2.93%，2.92% and 3.73% respectively.Compared with CK，the yield，WUE，large potato rate and commercial potato rate of rip-mulching culture with straw strips were significantly increased by 40.03%，41.15%，53.22% and 23.77%，respectively，and the yield and WUE of potato block were SHH>SLH>PH.There were significant or extremely significant positive correlations between potato block yield and water consumption，water consumption intensity and water consumption modulus，except for the significant negative correlations between sowing stage and seedling stage and seedling stage and tuber formation stage. Conclusion Straw strip mulching and high ridge （SHH） treatment can improve the soil water environment，adjust the water consumption structure of potatoes，balance the contradiction between supply and demand in the main growth period of potatoes，so as to achieve the purpose of increasing production and improving efficiency，and can be used as a recommended model for potato high-yield cultivation in rain-fed agricultural areas in northwest China.

Graphical abstract

关键词

秸秆带状覆盖垄作 / 土壤耗水特性 / 马铃薯 / 水分利用效率

Key words

straw strip mulching / soil water consumption characteristics / potato / water use efficiency

Author summay

胡亮亮，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是仅次于水稻的世界第四大粮食作物。定西市位于甘肃中部，为典型的半干旱雨养农业区，海拔较高，气候凉爽，耕地土层深厚，土质疏松，含钾丰富，光照充足，是马铃薯生长的最佳适宜区，也是全国三大马铃薯集中产区之一。然而由于该地区降水总量少、降水时间与作物需水期矛盾、有效降水入渗少等原因，严重影响作物的生长发育，导致产量低而不稳^［1-2］。

降水资源高效转化利用对于提高旱地农业生产综合效益具有重要作用。地表覆盖如地膜覆盖、秸秆覆盖等因具有抑制土壤水分无效蒸发的突出作用被证明是一种挖掘降水利用潜力、提高降水利用效率的重要措施，在我国北方广 泛应用^［3-4］。然而，经过长期研究发现，长期地膜覆盖不仅会引起环境污染问题，还会造成土壤肥力下降、土壤生态环境失衡^［5］。秸秆覆盖因保墒、培肥地力、增产的作用日益受到重视^［6-7］，同时也是循环农业的重要实现途径。但秸秆覆盖不总是增产，在气温较低时降温效应突出以致出苗不全也会引起减产^［8］。秸秆带状覆盖是将一定规格的种植带和覆盖带相间布置的一种新型秸秆覆盖方式，能显著提高小麦和马铃薯产量^［9-10］。而垄作种植通过改变田间微地形，加厚适宜作物生长的熟土层，扩大田间受光面积等也具有提高作物产量和水分利用效率的作用^［11-15］。目前，秸秆带状覆盖技术的节水效应和产量效应已用报道，但是，农田生态系统的复杂性和试验区域的差异性导致试验结果尚不统一，为此，本研究通过设置不同高度的沟垄结合覆盖模式，监测马铃薯不同生育期、不同土层土壤水分状况，研究马铃薯耗水特性及产量差异，以期筛选出适合黄土高原典型雨养农业区马铃薯种植的最佳秸秆带状覆盖垄作模式，同时为秸秆带状覆盖进一步推广及维持土地生产力提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年5月~2021年11月在甘肃省定西市西川灌溉试验站（N 35°33′35''，E 104°35′68''）进行，该区域海拔1 925 m，年日照时数2 500 h，无霜期141 d，年均太阳辐射量141.4 cal/cm²，年均气温6.3 ℃，多年平均降水量450 mm，属典型的雨养农业区，试验期间降水量、日平均最高、最低气温见图1。试验地土壤为黄绵土，土壤平均孔隙率为55%，田间持水量为24%，0~200 cm土层土壤平均容重为1.5 g/cm³。有机质含量平均为1.25%，气象资料通过试验基地的气象站获取。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，设高垄秸秆覆盖（SHH）、低垄秸秆覆盖（SLH）、平作秸秆覆盖（pH）、地膜覆盖（HM）、露地平植为对照（CK），共5个处理 ，3次重复，各小区面积均为28 m²（4 m×7 m）。供试马铃薯品种为青薯9号，各处理种植密度均为50 000株/hm²，株距为30 cm，行距60 cm，播前施基肥纯氮150 kg/hm²、P₂O₅ 105 kg/hm²，生育期内不追肥。各处理技术要求见表1。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分测定及相关计算

（1） 土壤含水率　在马铃薯播种期、苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期在各小区按0~20、20~40、40~60、60~90、90~120、120~150、150~180 cm，7个土层分别取样，采用烘干法测定土壤质量含水率。

（2） 土壤贮水量

计算公式为：

W= h×ρ×ω×10

式中：W为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；ρ为土壤容重（g/cm³），ω为土壤质量含水率（%）。

（3） 农田耗水量计算公式为：

WC =（W₁-W₂）+P

式中：WC为生育期总耗水量（mm）；W₁、W₂ 分别为播种时和该淀粉积累期结束时的土壤贮水量（mm）；P为整个生育期≥5 mm 有效降雨量（mm）。

（4） 生育阶段耗水量计算式为：

WC_i=ΔW_i ＋P_i

式中：WC_i 为第i个生育时期的耗水量（mm）；ΔW_i 为第i个生育时期的消耗水量（mm），即第i个生育期前与生育期后土壤贮水量的差值；P_i 为第i个生育时期内的有效降雨量（mm）。

（5） 日耗水强度计算式为：

WCI=WC_i/d

式中：WCI为日耗水强度（mm/d）；WC_i 为第i个各生育阶段耗水量（mm）；d为作物某个生育阶段持续天数（d）。

（6） 耗水模系数计算式为：

WCR= WCi /WC

式中：WCR为耗水模系数（无量纲单位）；WC_i 为第i个各生育阶段耗水量（mm）。

1.3.2 水分利用效率

计算公式为：

WUE =Y/WC

式中：WUE为籽粒产量水分利用效率（kg/hm²·mm），Y为薯块产量（kg/hm²），WC为马铃薯生育期总耗水量（mm）。

1.3.3 产量及产量要素测定

马铃薯成熟后按小区收获，从各小区随机挖取15株，统计单株结薯数、单株薯质量，并按单个鲜薯的质量分为3个等级：大薯（>150 g）、中薯（70~150 g）、小薯（<75 g）、计算商品薯率，然后将统计过的15株马铃薯鲜薯在105 ℃烘干，计算马铃薯的块茎含水率和干薯产量。

商品薯率（%）=单薯鲜质量75 g以上的产量/马铃薯总产量×100%

块茎含水率（%）=1-（马铃薯块茎干质量/马铃薯块茎鲜质量）×100%

干薯产量（kg/hm²）=小区实测鲜薯产量×（1-块茎含水率）

1.4 数据处理

数据采用Excel软件处理、SPSS 20.0 软件进行统计分析，采用 LSD 法进行差异显著性检验，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同生育时期土壤贮水量差异

覆盖对马铃薯不同生育时期0~180 cm土层土壤贮水量有显著影响（图2）。与CK相比，秸秆带状覆盖垄作处理在块茎形成期和块茎膨大期0~180 cm土层土壤贮水量增幅最大，分别为5.93%~13.37%、4.75%~10.00%，苗期和淀粉积累土壤贮水量增幅最小，分别为0.73%~1.83%、2.24%~4.60%。

覆盖材料间，秸秆带状覆盖垄作处理与覆膜处理相比，苗期、块茎膨大期0~180 cm土层土壤贮水量降低4.37%、2.75%（P<0.05），其余生育时期虽略低于地膜处理但差异不显著。

秸秆覆盖处理间，SHH处理在块茎形成期、块茎膨大期0~180 cm土层土壤贮水量较pH处理提高7.01%、5.00%（P<0.05），较SLH提高1.90%、0.56%，全生育期表现为SHH>SLH>PH。

2.2 马铃薯生育期耗水特性差异

覆盖对马铃薯不同生育期耗水特性均有显著影响（表2）。马铃薯阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数在全生育期均呈升高-降低-升高的趋势，且在播种期-苗期最低，块茎膨大期-淀粉积累期达最高。与CK相比，秸秆带状覆盖垄作处理降低苗期-块茎形成期阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数5.89%、5.95%、5.29%，提高块茎形成期-块茎膨大期、块茎膨大期-淀粉积累期的阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数4.17%、4.16%、5.00%及 1.69%、1.68%、2.45%。

覆盖材料间，与HM处理相比，秸秆覆盖处理提高马铃薯播种期-苗期、块茎形成期-块茎膨大期的阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数24.83%、23.02%、24.85%及2.14%、2.15%、2.21%，降低苗期-块茎形成期、块茎膨大期-淀粉积累期的阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数1.14%、1.00%、1.17%及3.11%、3.20%、3.10%。

秸秆覆盖处理间，播种-苗期、苗期-块茎形成期阶段耗水量、日耗水强度及耗水模系数SHH<SLH<PH，块茎形成期-块茎膨大期阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数SHH>SLH>PH。与PH相比，SHH处理降低播种-苗期、苗期-块茎形成期的阶段耗水量、日耗水强度及耗水模系数3.6 mm、0.11 mm/d、1.01%，提高块茎形成期-块茎膨大期阶段耗水量、日耗水强度及耗水模系数2.08 mm、0.05 mm/d、1.03%。

2.3 马铃薯产量及水分利用效率差异

覆盖处理对马铃薯产量有显著影响（表3）。与CK相比，覆盖处理平均提高马铃薯薯块产量、WUE、大薯率、商品薯率43.7%、44.83%、41.34%、21.96%（P<0.05），其中秸秆带状覆盖垄作处理平均提高薯块产量、WUE、大薯率、商品薯率40.03%、41.15%、53.22%、23.77%。覆盖材料间，与HM相比，秸秆带状覆盖垄作处理平均降低薯块产量、WUE 9.49%、9.42%，而商品薯率提高5.79%。秸秆覆盖处理间，薯块产量及WUE表现为SHH最高，SLH次之，PH最低。与PH相比，SHH薯块产量、WUE、大薯率、商品薯率提高22.54%、24.17%、6.76%、4.01%。

经相关分析可知（表4），马铃薯薯块产量与大薯率（r=0.741** ）、WUE（r=0.998**）、商品薯率（r=0.815**）均呈极显著正相关关系，与小薯率（r=-0.815**）呈极显著负相关关系。可见，覆盖通过改善马铃薯不同生育时期耗水特征，改变生育期耗水结构，从而影响马铃薯的经济性状，达到增产提效的效果。

2.4 马铃薯阶段耗水特征与产量指标的相关分析

相关分析表明（表4），马铃薯薯块产量、水分利用效率与播种-苗期（SW-SD）、苗期-块茎形成期（SD-TF）阶段耗水量、日耗水强度及耗水模系数呈显著或极显著负相关关系，与块茎形成期-块茎膨大期（TF-TB）、块茎膨大期-淀粉积累期（TB-SA）阶段耗水量（除TB-SA的WUE）、日耗水强度（除TB-SA的WUE）及耗水模系数呈显著或极显著正相关关系。马铃薯干薯产量、大薯率、商品薯率与苗期-块茎形成期（SD-TF）阶段耗水量、日耗水强度及耗水模系数呈显著或极显著负相关关系，而干薯产量与块茎形成期-块茎膨大期（TF-TB）阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数及商品薯率与块茎膨大期-淀粉积累期（TB-SA）阶段耗水量、日耗水强度、耗水模系数呈显著或极显著正相关关系。可见秸秆带状覆盖垄作通过调节马铃薯不同生育阶段的耗水特征，提高马铃薯关键生育期生长耗水，平衡生育期耗水需求，从而影响马铃薯的产量。

3 讨论

3.1 秸秆带状覆盖垄作对土壤贮水及耗水特性影响

秸秆带状覆盖垄作显著改善土壤水分状况，增加土壤贮水量。覆盖通过阻碍太阳直射，减少蒸发面积，抑制蒸发，垄沟种植配合覆盖能够改变田间径流形式，将汇集到垄沟的雨水更大程度的贮存在土壤中，提高作物生育期内土壤贮水量，从而增大对无效降水和微量降水的利用程度^［16-19］，有效调控马铃薯不同生育期耗水分配比例，降低马铃生育前期耗水比例，提高马铃薯生育后期耗水比例^［20-21］，以满足作物生长耗水需求，达到增产增效目的。这与本试验研究结果基本一致。本试验中，与CK相比，秸秆带状覆盖垄作处理降低了马铃薯播种-苗期、苗期-块茎形成期耗水量、耗水强度、耗水模系数，增加了马铃薯块茎形成期-块茎膨大期、块茎膨大期-淀粉积累期耗水量、日耗水强度、耗水模系数。分析原因可能是马铃薯生育前期植株较小，地表蒸散较大，水分无效消耗较大，而秸秆覆盖能抑制地表无效蒸发降低该生育阶段无效耗水，而马铃薯生育中后期，作物植株逐渐增大，气温逐渐升高，植株蒸腾增大，作物对水分需求也增加，同时秸秆带状覆盖垄作处理具有良好的蓄水保墒效果，土壤贮水高于无覆盖平作，能够最大程度的满足马铃薯生长需求，因此马铃薯生育后期秸秆带状覆盖垄作耗水耗水量、耗水强度、耗水模系数相较于露地呈增加效果。

3.2 秸秆带状覆盖垄作对马铃薯产量及产量要素的影响

研究表明，马铃薯生育前期一定程度上缺少水分，在生育中后期供水充足有利于薯块的形成及膨大，秸秆带状覆盖垄作处理能增进马铃薯生育后期的生长发育^［22-25］，显著提高马铃薯薯块产量及水分利用效率^［10］。本研究中，与CK相比，秸秆带状覆盖垄作处理增产25.07%~53.27%（P<0.05），提高水分利用效率25.26%~55.55%。这是由于马铃薯块茎形成期-淀粉积累期是决定马铃薯块茎体积大小、淀粉含量的重要时期，也是马铃薯生育期需水最多的时期，而秸秆带状覆盖垄作处理减少马铃薯生育前期播种-苗期、苗期-块茎形成期的无效耗水，增加中后期块茎形成-块茎膨大期的耗水，以保证马铃薯关键生育阶段的生长耗水需求，从而提高产量及水分利用效率，同时本试验研究发现马铃薯薯块产量、干薯产量、水分利用效率与垄高有着重要的关系，采用单垄双行秸秆垄沟覆盖种植，在0~30 cm垄高范围内，薯块产量、干薯产量、水分利用效率随垄高的增加而增加，这与贺锦红等^［26］的研究结果相似。

4 结论

与CK 相比，秸秆带状覆盖垄作具有良好的蓄水保墒、增产提效效果，能够改变马铃各生育阶段的耗水比例，减少马铃薯播种期-苗期、苗期-块茎形成期的无用水分消耗以将稀缺的降水贮存于土壤中，以供马铃薯关键生育期块茎形成期-块茎膨大期、块茎膨大期-淀粉积累期的生长需求。秸秆带状覆盖垄作处理均可显著提高马铃薯的薯块产量、水分利用效率，且SHH处理薯块产量、水分利用效率显著高于SLH、pH。因此，从解决降水不足、增产等方面综合考虑，高垄秸秆带状覆盖（SHH）处理可作为西北雨养农业区马铃薯高产覆盖栽培模式进行推广使用。

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基金资助

国家自然科学基金项目(31960380)