不同降水年型下休闲期耕作覆盖措施对马铃薯水分利用的影响

Effect of Tillage with Mulching During Fallow Period on Water Use of Potato under Different Precipitation Year Types

摘要

目的 为探究不同降水年型下耕作覆盖对土壤水分动态变化的影响机制，促进马铃薯水分高效利用。 方法 于2018—2021年连续3 a在宁夏南部旱作区开展不同耕作深度（翻耕15 cm、深松耕30 cm、深松耕 40 cm、深松耕50 cm）结合覆盖（燕麦秸秆、塑料地膜、不覆盖）大田定位试验研究。 结果 耕作、覆盖材料对丰水和平水年休闲末期土壤蓄水量和蓄水效率均有极显著影响，耕作深度对枯水年蓄水效率有极显著影响，覆盖材料对平水年和枯水年休闲初期土壤蓄水量有显著影响，二者交互对平水年蓄水效率影响极显著。丰水年，深松耕30 cm覆塑料地膜休闲期土壤蓄水量和蓄水效率较高，而平水和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆处理土壤蓄水效果最佳。不同降水年型下耕作覆盖可显著提高0~100 cm层土壤含水量，同一耕作深度下，不同降水年型以覆燕麦秸秆和塑料地膜处理土壤含水量提高最显著，同一覆盖材料下以深松30、40 cm较佳。丰水年，深松耕30 cm覆燕麦秸秆处理在90~120 d对耕层（0~40 cm）保水效果最佳；平水和枯水年，深松耕40 cm覆燕麦秸秆处理在各关键时期对0~100 cm土层整体含水量提升最明显。3 a均以耕作深度覆燕麦秸秆处理提高马铃薯生育期和年降水利用效率效果最佳，丰水、平水和枯水年均以深松耕30 cm和深松耕40 cm覆燕麦秸秆处理效果最佳。耕作、覆盖对不同降水年型下作物水分利用效率均有显著影响，而二者交互对平水年影响显著。丰水年作物水分利用效率均以深松耕30 cm覆燕麦秸秆最高，较翻耕不覆盖显著提高71.02%，平水和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆最高，分别较翻耕不覆盖显著提高51.99%和111.00%。通过对耕作深度与水分利用效率关系拟合发现，丰水年耕作深度在30~35 cm时，作物水分利用效率和降水利用效率较高，而平水和枯水年耕作深度在35~40 cm时较高。 结论 耕作深度结合覆盖可有效改善休闲期和生育期土壤水分状况，实现马铃薯对水分的高效利用，建议在宁南旱区丰水年采用深松耕30~35 cm覆燕麦秸秆处理、平水和枯水年采用深松耕35~40 cm覆燕麦秸秆处理效果最佳。

Abstract

Objective To explore the mechanism underlying the effects of tillage and mulching on the dynamic changes in soil water content under different precipitation year types and promote the efficient water utilization of potato. Methods From 2018 to 2021， a three-year field experiment was conducted in the dryland area of southern Ningxia， involving different tillage depths （plowing at 15 cm， subsoiling at 30， 40， and 50 cm） combined with mulching （oat straw， plastic film， and no mulching）. Results Tillage and mulching had highly significant effects on soil water storage and water storage efficiency at the end of the fallow period in both wet and normal years. Tillage depth exerted a highly significant influence on water storage efficiency in dry years. Mulching materials significantly affected the soil water storage at the beginning of the fallow period in normal and dry years. The interaction between tillage and mulching had a highly significant effect on water storage efficiency in normal years. In wet years， subsoiling at 30 cm combined with plastic film mulching during the fallow period resulted in higher soil water storage and water storage efficiency. In contrast， under normal and dry year conditions， subsoiling at 40 cm with oat straw mulching achieved the optimal soil water storage efficiency. Tillage combined with mulching significantly elevated soil water content in the 0-100 cm soil layer under different precipitation year types. At a consistent tillage depth， oat straw mulching and plastic film mulching exhibited the optimal performance in enhancing soil water content across various precipitation year types. For the same mulching material， subsoiling at 30 and 40 cm produced preferable effects. In wet years， the treatment of subsoiling to 30 cm and covering with oat straw had the best water retention effect in the deep layer （0-40 cm） during the period of 90-120 days. In normal and dry years， the treatment of subsoiling to 40 cm and covering with oat straw had the most significant effect on increasing the overall soil moisture content in the 0-100 cm layer at all critical periods. Over the three-year experimental period， oat straw mulching combined with tillage depth achieved the optimal effects in improving the water use efficiency （WUE） of potato during its growing season and the annual precipitation use efficiency （PUE）. Specifically， in the wet， normal rainfall and dry years， the treatments of 30 cm and 40 cm subsoiling combined with oat straw mulching consistently presented the best performance in this regard. Tillage and mulching both exerted a significant effect on crop water use efficiency （WUE） under different precipitation year types， while their interaction effect was only significant in the normal rainfall year. In the wet year， the highest crop WUE was obtained under 30 cm subsoiling combined with oat straw mulching， which was a significant increase of 71.02% compared with conventional tillage without mulching. In the normal rainfall and dry years， the maximum crop WUE was achieved under 40 cm subsoiling combined with oat straw mulching， with a significant increase of 51.99% and 111.00%， respectively， relative to conventional tillage without mulching. Fitting analysis of the relationship between tillage depth and water use efficiency revealed that crop water use efficiency （WUE） and precipitation use efficiency （PUE） were relatively high at a tillage depth of 30-35 cm in the wet year， whereas they peaked at a tillage depth of 35-40 cm in both the normal rainfall and dry years. Conclusion The combination of tillage depth and mulching can effectively improve the soil moisture status during both the fallow period and growing season， thereby enabling the efficient water utilization of potato. It is therefore recommended that in the dry farming region of southern Ningxia， the treatment of 30-35 cm subsoiling combined with oat straw mulching be adopted for wet years， while 35-40 cm subsoiling combined with oat straw mulching is optimal for both normal rainfall and dry years.

Graphical abstract

关键词

降水年型 / 耕作深度 / 降水利用效率 / 覆盖措施

Key words

precipitation year types / tillage depth / precipitation use efficiency / mulching treatments

宁夏南部旱作区（简称“宁南旱区”），是马铃薯重要的生产基地，素有“马铃薯之乡”的称号^［1］。该区农业生产高度依赖自然降水，但降水总量匮乏且时空分布不均，加之强烈的水分蒸发，致使土壤蓄水保墒能力较弱，制约旱作区作物生长及产量的提高^［2］。由于长期沿用传统耕作模式，该区耕层土壤结构遭受严重破坏。同时，作物秸秆多采用田间焚烧或直接清除的处理方式，导致地表大面积裸露，加剧水热资源的流失，进而影响马铃薯产业的可持续发展^［3-4］。因此，在充分利用有限降水的前提下，采取有效的耕作覆盖措施来降低传统耕作造成的不利影响，是提高宁南旱区马铃薯水分高效利用的关键。宁南旱区的降水具有高度的波动性和不稳定性，年际和年内降水分布不均，导致降水年型不同，作物产量大幅波动^［5］。而保护性耕作可优化土壤耕层构造，提升土壤对水分的渗透性能，从而达到作物提质增效的目的^［6］。在不同降水年型下，作物水分利用效率因耕作方式和覆盖材料的不同而有所差异^［7］，张凯等^［8］研究表明，深松耕40 cm可提高冬小麦生育期0~100 cm层土壤水分含量，有利于籽粒灌浆，提高水分利用效率。深旋松耕40 cm能够显著增强土壤供水能力，促进作物耗水，减少干旱胁迫危害，提高马铃薯水分利用效率，尤其以干旱年份效果最好，其次是平水年^［9］。休闲期深翻、深松耕作能够有效改善土壤结构，使土壤更易吸纳自然降水，通过增强蓄水保墒能力，进而实现作物增产。此耕作方式不仅可显著提升作物水分利用效率，还能充分发挥降水的资源效益，让有限降水得到更高效利用，在枯水和平水年份，休闲期深翻25~30 cm效果更好，在丰水年份，休闲期深松30~40 cm效果较好^［10］。覆盖材料可以调控土壤水温状况，有利于作物生长^［11］。休闲期覆盖塑料地膜可显著提高不同降水年型下小麦水分利用效率^［12］，而秸秆覆盖可改善土壤肥力^［13］。在研究干旱地区耕作深度或覆盖措施对土壤水分利用的影响时，还需综合考虑耕作深度与覆盖措施间的协同效应，结合干旱地区不同降水年型下的气候特征与环境变化，探究适配作物生长需求的高效耕作覆盖模式，以实现对水分资源的优化利用^［14］。已有研究^［15-16］发现，深松30~35 cm覆秸秆能够显著改善土壤水分条件，通过提升作物休闲期与关键生育期的土壤含水量，增强作物对水分的利用，从而实现作物增产，尤其在平水年和枯水年效果更好^［17］。目前有关不同降水年型下保护性耕作对土壤水分提高方面已有不少研究。然而，在宁南旱区开展不同降水年型下耕作深度结合覆盖材料对土壤水、降水和作物水协同高效利用方面的研究尚鲜见报道。本研究连续3 a在宁南旱作区秋作物收获后开展不同耕作深度结合覆盖材料大田定位试验研究，分析不同降水年型下耕作覆盖对土壤水分变化特征、降水利用效率及作物水分利用效率的影响，旨在为该区马铃薯实现高产栽培与水分高效利用提供一定的理论基础与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2018—2021年在宁夏海原县树台乡大坝台村马铃薯种植基地（36°06′N，105°31′E）开展。该基地位于宁夏南部旱作区，农业生产完全依赖自然降水，年降水量350~450 mm，降水主要集中在7—9月，年平均气温7.9 ℃，属雨养旱作区。试验期间各月降水量见图1。本试验期间降水年型划分标准划分依据国内通用标准^［18］，基于多年平均降水量（P， mm）、逐年降水量（P_i， mm）和均方差（W）。丰水年：当某年的降水量（P_i ）大于多年平均降水量（P）加上均方差（W）的0.33倍，即P_i >P+0.33W；枯水年：当某年的降水量（P_i ）小于多年平均降水量（P）减去均方差（W）的0.33倍，即P_i <P-0.33W。依据划分标准，试验期间2018—2019年（当年10月至翌年9月）、2019—2020年、2020—2021年分别为丰水（521.3 mm）、平水（376.2 mm）和枯水年（294.5 mm），生育期降水量分别为450.5、292.8、229.3 mm，休闲期降水量分别为70.8、83.4、65.2 mm，多年平均降水量为2006—2021年的降水量（410.3 mm）。试验前0~60 cm层平均土壤体积质量为1.34 g/cm³，土壤有机质质量分数为12.58 g/kg，全氮质量分数为0.81 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾质量分数分别为53.22、11.13、166.39 mg/kg，土壤肥力属于低等水平。

1.2 试验设计

试验采用双因素裂区试验设计，主处理设置4种不同耕作深度：翻耕15 cm处理（P₁₅）、深松耕30 cm处理（S₃₀）、深松耕40 cm处理（S₄₀）和深松耕50 cm处理（S₅₀）；副处理设置3种覆盖方式，分别为普通黑色聚乙烯塑料地膜覆盖（DM）、燕麦秸秆覆盖（JM）及不覆盖（BM），以翻耕15 cm不覆盖处理作为对照，共12个试验处理组合，各3次重复，小区面积32 m²（8 m×4 m），小区随机排列。设1 m宽保护行，防止水分相互影响。

耕作处理：深松耕和翻耕均于2018年、2019年、2020年10月前茬作物收获后进行，深松耕采用深松机（IS-230）进行，耕作深度分别为30、40、50 cm，翻耕采用铧犁拖拉机，深度为15 cm，耕后耙耱，覆盖不同材料进行休闲；各处理均于翌年4月中下旬穴播马铃薯。覆盖处理：燕麦秸秆采用整秆覆盖，厚度为3~5 cm；聚乙烯黑膜宽为1.0 m，厚为0.008 mm。

供试马铃薯品种为“青薯9号”，分别于2019年4月20日、2020年4月24日、2021年5月1日播种，分别于2019年10月12日、2020年10月15日和2021年11月5日收获。前茬作物为玉米，采用传统翻耕方式。种植方式为平作穴播，种植深度10~15 cm，穴深15 cm，播后覆土5 cm，宽窄行种植，宽行距60 cm，窄行距40 cm，株距40 cm，密度为5万株/hm²。秋耕时施纯氮、纯磷和纯钾分别为225、90、120 kg/hm²，开花期追施纯氮67.5 kg/hm²。试验期间进行人工除草，不进行灌溉。

1.3 测定项目及方法

分别在马铃薯播后0、30、60、90、120、150 d，采用土钻取土烘干法测定0~100 cm层土壤质量含水量（%），每层20 cm进行取样。

土壤蓄水量^［2］：\mathrm{W}\mathrm{S}=W_{\mathrm{i}}\times V_{\mathrm{i}}\times h\times \mathrm{10}

式中：WS为土壤蓄水量，mm；i为土层深度，cm；W为土壤质量含水量，%；V为土壤体积质量，g/cm³；h为各土层的厚度；cm。

土壤蓄水效率^［19］：PR=WS _i /P_b

式中：PR为土壤蓄水效率，%；WS _i 为休闲末期与休闲初期土壤蓄水量之差，mm；P_b为休闲期降水量，mm。

作物耗水量^［20］：\mathrm{E}\mathrm{T}=\mathrm{\Delta }W+I+P-D-R

式中：ET为作物耗水量，mm；ΔW为生育阶段土壤蓄水量变化量，mm；I为灌溉量，mm；P为作物生育期≥5 mm降雨量，mm；D为灌溉后土壤水向下层流动量，mm；R为地表径流，mm。

本试验地无灌溉，无地表径流产生，且地下水位较深（>50 m），因此，I、D和R可忽略不计。可简写为：

\mathrm{E}\mathrm{T}=\mathrm{\Delta }W+P

作物水分利用效率^［21］：WUE=Y/ET

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为产量，kg/hm²；ET为耗水量，mm。

降水利用效率^［10］：PUE₁=Y/（P_a+P_b）

PUE₂=Y/P_a

式中：PUE₁为年降水利用效率，kg/（hm²·mm）；PUE₂为生育期降水利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为作物产量，kg/hm²；P_a为生育期降水量，mm；P_b为休闲期降水量，mm。

克里格插值（Kriging）方法的选用原因：因其可一体化完成土壤属性数据预处理、变异函数拟合、插值计算及可视化绘图，内置的球状等变异函数模型与多种克里格插值类型能精准适配旱作区不同耕作措施下土壤属性的空间变异特征。插值参数设置：主要等值线的间隔为3。

1.4 数据处理

采用Excel 2019软件进行数据整理。采用DPS 15.1软件进行双因素裂区方差分析，结合最小显著差异法（LSD）进行显著性分析（α=0.05）。使用Surfer 15和Origin Pro 2024b软件绘图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 耕作覆盖对土壤水分及利用状况的影响

2.1.1 休闲期土壤水分

由表1可知，耕作深度、覆盖材料对丰水和平水年休闲末期土壤蓄水量和蓄水效率、耕作深度对枯水年蓄水效率有极显著影响，覆盖材料对平水和枯水年休闲初期土壤蓄水量有显著影响，耕作与覆盖的交互作用对平水年蓄水效率影响极显著。休闲初期，丰水年0~100 cm层土壤蓄水量均为315.78 mm；同一覆盖材料下，平水年各处理差异不显著，枯水年以S₄₀处理保水效果较好，各处理差异不显著；3种覆盖材料下，平水年和枯水年分别以DM和JM处理土壤蓄水量较高，较BM处理分别提高6.64%和5.43%；二者交互，平水和枯水年分别以S₄₀×DM和S₄₀×JM处理表现更优，较P₁₅×BM处理分别提高8.30%和12.88%。休闲末期，同一覆盖材料下，丰水年和平水年各处理无显著差异，枯水年以S₄₀处理表现最佳，较P₁₅处理提高5.74%，3种覆盖材料下，丰水年以DM和JM处理较BM处理分别提高11.13%和9.64%，平水和枯水年均以JM处理保水效果最优，平均较P₁₅处理显著提高12.39%；耕作与覆盖交互，在丰水年以S₃₀×DM处理表现最佳，较P₁₅×BM处理显著提高16.88%。平水和枯水年均以S₄₀×JM处理较佳，平均较P₁₅×BM处理显著提高24.64%。说明深松30~40 cm覆燕麦秸秆或塑料地膜可显著提高休闲期土壤蓄水量，丰水年以深松耕30 cm覆塑料地膜处理较好，而平水年和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆处理效果最佳。

土壤蓄水效率平水年最高，丰水年次之，枯水年最低；处理间丰水年以深松耕30 cm覆塑料地膜处理较高，而平水年和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆处理最高（表1）。同一覆盖材料下，丰水年以S₃₀处理最高，较P₁₅处理显著提高29.90%，平水年和枯水年均以S₄₀处理最高，平均较P₁₅处理显著提高53.08%；3种覆盖材料下，丰水年以DM处理最高，较BM处理显著提高1.34倍，平水年和枯水年均以JM处理最高，平均较BM处理显著提高1.25倍；耕作与覆盖交互，丰水年以S₃₀×DM处理最高，较P₁₅×BM处理显著提高2.77倍，平水和枯水年均以S₄₀×JM处理最高，平均较P₁₅×BM处理显著提高2.14倍。

2.1.2 马铃薯生育期土壤水分

克里格插值图（图2）的等值线分布可直观展现各处理下土壤水分时空变异动态特征。在马铃薯生育期各处理土壤含水量均出现“先降后升”的变化规律，而土壤含水量高低与土层深度呈负相关关系。丰水年，S₃₀×JM处理在90~120 d对耕层（0~40 cm）保水效果最佳；平水年和枯水年，S₄₀×JM处理在各关键时期对0~100 cm土层整体含水量提升最明显。

播后0~60 d，同一耕作深度下，丰水年以DM处理0~20、60~80 cm层土壤含水量最高，平均较BM处理提高17.49%；平水年和枯水年以JM处理0~20、40~60、80~100 cm层最高，平均较BM处理提高15.95%；同一覆盖材料下，丰水年以S₃₀处理0~80 cm层土壤含水量最高；平水年以（0 d）S₄₀处理0~100 cm层和（30~60 d）S₃₀处理40~80 cm层最佳；枯水年S₄₀处理40~60 cm层最佳，可能由于丰水年土壤水分含量过高，而平水年和枯水年水分亏缺，抵消耕作深度的调控差异。耕作与覆盖交互，丰水年（0 d）以S₃₀×DM处理平均0~100 cm层最佳、（30 d）以P15×DM处理20~100 cm层最佳、（60 d）以S₃₀×JM处理60~100 cm层最高，分别较P₁₅×BM显著增加16.88%、21.38%、19.26%；平水年以S₄₀×JM处理20~40 cm最佳，平均较P₁₅×BM显著增加34.94%；枯水年以S₄₀×JM处理40~60 cm层最佳，较P₁₅×BM显著增加28.26%。播后90~150 d，同一耕作深度下，丰水年和平水年以JM处理0~20 cm层土壤含水量最高，枯水年以JM处理0~100 cm层最高，分别较BM处理显著提高9.23%、6.74%和12.56%；同一覆盖材料下，丰水年以S₃₀处理0~100 cm层土壤含水量最高，较P₁₅处理提高5.13%；平水年以S₃₀处理平均0~100 cm层土壤含水量最高，枯水年以S₄₀处理20~40 cm层最高，各差异不显著，可能由于作物进入生育后期需水量大且根系吸水能力强，各处理根区土壤水分被大量消耗，含水量整体处于较低水平，弱化耕作与覆盖措施的调控差异。耕作与覆盖交互，丰水年（90~120 d）以S₃₀×JM处理0~40 cm层和（150 d）S₄₀×JM处理平均0~100 cm层最高，分别较P₁₅×BM显著增加22.81%和9.41%；平水年（90、150 d）以S₄₀×JM处理0~40 cm层最高，（120 d）以S₃₀×DM处理平均0~100 cm层最佳，分别较P₁₅×BM显著增加22.31%和18.99%；枯水年（90、150 d）以S₄₀×JM处理60~100 cm层最佳，（120 d）以S₃₀×JM处理60~100 cm层最高，分别较P₁₅×BM显著增加26.63%和34.75%。

2.2 水分利用效率

2.2.1 降水利用效率

由表2可知，3 a研究期间，生育期降水利用效率（PUE₂）随休闲期降水量的增加而增加。耕作深度、覆盖材料及二者交互均对3 a生育期降水利用效率影响显著。3 a均以JM处理提高生育期降水利用效率效果最佳，平均较BM处理显著提高52.26%，同一覆盖材料下，丰水年S₃₀处理生育期降水利用效率较P₁₅处理显著提高18.04%，平水和枯水年以S₄₀处理更佳，平均较P₁₅处理显著提高24.66%；耕作与覆盖交互，丰水年以S₃₀×JM处理最佳，较P₁₅×BM处理显著提高84.58%，平水和枯水年以S₄₀×JM处理最高，平均较P₁₅×BM处理显著提高89.95%。年降水利用效率（PUE₁）随生育期降雨量增加而增加。覆盖材料均以JM处理年降水利用效率最佳，耕作深度在丰水年以S₃₀处理效果显著，较P₁₅处理显著提高18.04%，平水和枯水年以S₄₀处理更佳，平均较P₁₅处理显著提高24.66%；耕作与覆盖交互，丰水年以S₃₀×JM处理最佳，较P₁₅×BM处理显著提高84.58%，平水年和枯水年以S₄₀×JM处理最高，平均较P₁₅×BM处理显著提高89.95%。可见，丰水年以深松耕30 cm覆燕麦秸秆、平水和枯水年均以深松耕40 cm覆燕麦秸秆对提高降水利用效率效果显著。

2.2.2 作物水分利用效率

由图3可知，3 a试验期，作物水分利用效率以平水年最高，丰水年次之，枯水年最低，而耕作深度和覆盖材料对作物水分利用效率的影响均达到极显著水平。耕作与覆盖的交互作用对作物水分利用效率的影响因降水年型而异，在平水年显著，丰水年和枯水年无显著影响。同一覆盖材料下，丰水年中S₃₀处理作物水分利用效率最高；平水与枯水年里，S₄₀处理更好；同一耕作深度下，均以JM处理较优。耕作与覆盖交互，丰水年以S₃₀×JM处理作物水分利用效率最高，较P₁₅×BM处理显著提高71.02%，平水年S₄₀×JM处理较P₁₅×BM处理显著提高51.99%，枯水年S₄₀×JM处理较P₁₅×BM处理显著提高111.00%。可见，丰水年以深松耕30 cm覆燕麦秸秆处理作物水分利用效率效果最佳，平水和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆处理最佳。

2.3 不同降水年型下耕作深度与水分利用效率的效应函数

由图4可知，对不同降水年型下耕作深度与水分利用效率关系进行曲线拟合发现，作物水分利用效率和降水利用效率均随耕作深度呈先上升后下降趋势，平水年最高，丰水年和枯水年次之。丰水年，作物水分利用效率与耕作深度拟合方程为：y₁=-0.027x²+1.878x+54.243，R²=0.929，当耕作深度为30~35 cm时，作物水分利用效率最高，为87.19~97.94 kg/（hm²·mm）；平水年，拟合方程为：y₂=-0.018x²+1.341x+61.005，R²=0.831，当耕作深度为35~40 cm时，作物水分利用效率最高，为85.57~108.31 kg/（hm²·mm）；枯水年，拟合方程为：y₃=-0.317x²+2.343x+13.911，R²=0.997，当耕作深度为35~40 cm时，作物水分利用效率最高，为57.26~66.32 kg/（hm²·mm）。丰水年，年降水利用效率与耕作深度拟合方程为：y₁=-0.029x²+2.027x+47.554，R²=0.908，当耕作深度为30~35 cm时，年降水利用效率最高，为82.69~94.88 kg/（hm²·mm）；平水年，拟合方程为：y₂=-0.026x²+1.856x+53.731，R²=0.720，当耕作深度为35~40 cm时，年降水利用效率最高，为86.51~117.9 kg/（hm²·mm）；枯水年，拟合方程为：y₃=-0.036x²+2.560x+12.183，R²=0.986，当耕作深度为35~40 cm时，年降水利用效率最高，为58.31~68.25 kg/（hm²·mm）。丰水年、平水年和枯水年生育期降水利用效率与耕作深度拟合方程分别为：y₁=-0.034x²+2.346x+55.028（R²=0.908）、y₂=-0.034x²+2.385x+69.036（R²=0.720）、y₃=-0.047x²+3.367x+16.025（R²=0.986），当耕作深度分别为30~35、35~40、35~40 cm时，生育期降水利用效率最高，分别为95.69~109.79、111.15~151.48、76.69~89.77 kg/（hm²·mm）。可见，丰水年耕作深度在30~35 cm时，作物水分利用效率和降水利用效率较高，而平水年和枯水年耕作深度在35~40 cm时较高。

3 讨 论

3.1 耕作覆盖对土壤水分的影响

土壤水分变化主要受耕作、覆盖及降水分布的影响。杨清山等^［22］研究表明，休闲期深松能蓄水保墒，提高播种期0~300 cm层土壤蓄水量，较传统耕作提高蓄水效率18%~24%；任爱霞等^［23］研究表明，休闲期深松土壤水分得到恢复，可提高0~300 cm层土壤蓄水量24~90 mm，蓄水效率提高20%~86%；高艳梅等^［12］研究发现，休闲期采用覆盖处理可提高播种期0~300 cm层土壤蓄水能力，在丰水、平水和枯水年分别为40~41、55~58、70 mm。此外，枯水年更有利于深层土壤水分的积累，且显著提高不同降水年型下休闲期土壤蓄水效率，丰水年提高20%，平水年提高51%~54%，枯水年提高175%~185%。本研究表明，休闲初期，以覆盖塑料地膜蓄水效果较好，而休闲末期覆盖秸秆蓄水最佳。丰水年，深松耕30 cm覆塑料地膜处理休闲期土壤蓄水量和蓄水效率效果最佳，平水和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆最佳，土壤蓄水量和蓄水效率分别较翻耕不覆盖显著提高16.88%~24.64%和2.14~2.77倍。分析原因：1）深松能打破犁底层，使土壤孔隙度增加，改善土壤通透性，降水时，使更多水分快速下渗到深层土壤，增加土壤的蓄水量，为作物生长提供更充足的水分储备^［2］，同时土壤水分高低还与休闲期降水量的多寡有关^［14］。2）在休闲初期，覆盖塑料地膜具有良好的不透水性，能有效减少土壤水分的蒸发，阻止水汽散发到空气中，让土壤保存更多的水分^［24］。3）土壤经过休闲期，覆盖在土壤表面的秸秆可增加土壤有机质，优化土壤耕层构造，提升土壤对水分的渗透性能，且秸秆间有缝隙，降水时能够让雨水更好地渗入土壤，蓄水保墒，防止土壤表面被雨水冲击而板结^［25-26］。

有研究^［27］表明，播后0~60 d深松30~35 cm覆燕麦秸秆对深层60~100 cm层土壤保水效果较好，播后60~120 d深松覆盖秸秆处理分别对枯水年和平水年0~60、140~200 cm层土壤含水量最高。耕作结合覆盖能有效改善马铃薯生育期0~200 cm层土壤水分状况，深松覆地膜对播后0~60 d土壤水分保蓄效果较好，深松覆秸秆对60~150 d土壤水分状况的改善效果最佳^［15］。本研究表明，同一耕作深度不同降水年型以覆燕麦秸秆或塑料地膜处理土壤含水量较高，同一覆盖材料下以深松30、40 cm较佳，耕作与覆盖交互以深松30~40 cm覆燕麦秸秆或者塑料地膜可提高0~100 cm层土壤含水量。究其原因：1）与不同生育阶段降水量和耕作措施有关。丰水年降水充足时，深松30 cm可打破犁底层，并形成连续孔隙，加速降雨入渗、减少径流，保障水分下渗，同时可避免耕作过深致使耕层稳定性破坏、养分淋溶加剧、作物根系“悬空”及能耗成本陡增等弊端；结合地膜覆盖可增强抑蒸锁水，可实现“促渗+保墒”协同，且与深松40 cm相比更能降低农机能耗及人工成本等，同时避免水分无效下渗，提升水肥吸收效率，结合覆膜可使土壤水分显著提升，产投比表现最优^［28-29］。2）平水/枯水年降水少且不均，需依赖深层储水，深松40 cm可构建深层连续孔隙、形成“土壤水库”，降低深层土壤体积质量以提升持水能力，与深松30 cm相比更利于调用深层水分；燕麦秸秆覆盖可通过反射、辐射降低土壤温度，秸秆腐解后通过改善土壤结构进而增强其持水能力，也可避免地膜在干旱期易导致根系缺氧、植株早衰等问题；深松40 cm结合秸秆覆盖可形成稳定的耕层孔隙网络，在少雨年份实现对降水的二次分配，将有限降水最大化储存于根层^［30-31］。

3.2 耕作覆盖对水分利用效率的影响

不同降水年型下深翻或深松可提高降水利用效率，丰水年，以深松30~40 cm最佳，平水年和枯水年以深翻25~30 cm效果较好^［10］。有研究^［19］表明，枯水年，深松-免耕-深松平均生育期和年降水利用效率分别较传统耕作提高9.93%和9.96%，在平水年较为显著。也有研究^［32］发现，平水年和欠水年生育期和年降水利用效率均以覆盖地膜最高，相对欠水年以覆秸秆效果最佳。本研究表明，耕作深度、覆盖材料均对不同降水年型下降水利用效率和水分利用效率有显著影响；二者交互对丰水年、平水年和枯水年降水利用效率影响显著。丰水年生育期和年降水利用效率以深松耕30 cm覆燕麦秸秆处理最高，平水和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆最佳。分析原因：1）平水年8月降雨量的增加，耕作覆盖可显著促进水分利用效率提高。2）深松耕30~40 cm覆燕麦秸秆可增加降水入渗，减少蒸发，增加土壤保水性，促进作物根系对土壤水分的吸收和利用，从而提高水分利用效率^［3］。

已有研究^［16］表明，作物水分利用效率随降水和干旱指数的变化有较大的年际差异，但与常规处理相比，塑料地膜与秸秆覆盖可显著提高小麦水分利用效率。不同降水年型深旋耕45 cm处理的冬小麦水分利用效率较传统浅耕15 cm处理显著提高19.0%^［33］；覆盖秸秆下小麦的土壤含水量增加23%，而水分利用效率提高33%^［34］。本研究表明，丰水年以深松耕30 cm覆燕麦秸秆处理作物水分利用效率最高，平水和枯水年均以深松耕40 cm覆燕麦秸秆处理最高，均较翻耕15 cm不覆盖显著增加，与前人^［33-34］研究结果相似。究其原因：深松可以改善土壤结构，提高作物水分利用效率，而适宜的耕作深度更有利于不同降水年型下作物水分利用效率的提高^［35-37］；同时，秸秆覆盖可蓄积土壤中的水分，进而促进作物生育期对土壤水分的利用^［15］。

3.3 耕作覆盖与水分利用的响应特征

本研究表明，粉垄耕作越深，越有利于降雨入渗和土壤水分调节，覆盖塑料薄膜后，能克服土壤水分流失的缺点，减少耗水量，进一步提高调节土壤储水能力及水分利用效率。耕作深度越深，水分利用效率的改善程度就越高^［38］。ZHOU等^［39］研究发现，在地膜覆盖与无覆盖处理相比，地膜覆盖对表层土壤水分的保蓄效果极为突出，显著提升水分利用效率。还有研究^［40］发现，深松30 cm能够打破犁底层，有利于水分储存，提高水分利用效率。通过对耕作深度与水分利用效率关系拟合发现，丰水年，耕作深度在30~35 cm，作物水分利用效率和降水利用效率最高，而平水年和枯水年耕作深度在35~40 cm最高。分析其原因：1）深松耕作与覆盖措施协同运用，能够有效调控土壤水分变化，为马铃薯生长发育提供良好土壤微环境条件^［41］；2）耕作结合覆盖模式可通过调控土壤水分利用过程，进而提高作物水分利用效率^［3］。未来研究可结合叶片光合生理和根际微生物组学，进一步揭示耕作覆盖措施如何通过影响根系活性和微生物功能，最终驱动水分利用效率的提升机制。

4 结 论

1）不同降水年型下耕作覆盖可提高休闲期土壤蓄水量和蓄水效率，丰水年，深松耕30 cm覆塑料地膜较好，而平水和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆最佳。不同降水年型下耕作覆盖可显著提高0~100 cm层土壤含水量，覆盖材料以覆燕麦秸秆或塑料地膜处理表现较好，耕作深度以深松耕30、40 cm较佳；二者交互作用下，以深松耕30~40 cm覆盖秸秆或塑料地膜对0~100 cm层土壤含水量效果最佳。

2）耕作、覆盖对水分利用效率有显著影响，二者交互对丰水和平水年影响显著，而对枯水年无显著影响。丰水年作物水分利用效率和降水利用效率均以深松耕30 cm覆燕麦秸秆最高，而平水年和枯水年以深松耕40 cm覆燕麦秸秆最高。通过对耕作深度与水分利用效率关系拟合发现，丰水年耕作深度在30~35 cm，作物水分利用效率和降水利用效率较高，而平水年和枯水年耕作深度在35~40 cm较高。

综上，建议在宁南旱作区马铃薯生产中，丰水年采用深松耕30~35 cm覆燕麦秸秆处理，平水年和枯水年采用深松耕35~40 cm覆燕麦秸秆处理对水分利用效率提高最显著。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32160515)

国家自然科学基金项目(31860362)

宁夏自然科学基金项目(2025AAC030184)

宁夏自然科学基金项目(2025AAC030238)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2022MS03070)