旱作马铃薯微垄覆膜侧播栽培模式的集雨效果

赵元霞，樊明寿，贾立国*，张子义

（1.内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特010019；2.内蒙古农业大学生命科学学院，内蒙古呼和浩特010018）

栽培生理

旱作马铃薯微垄覆膜侧播栽培模式的集雨效果

赵元霞1，樊明寿1，贾立国1*，张子义2

（1.内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特010019；2.内蒙古农业大学生命科学学院，内蒙古呼和浩特010018）

微垄覆膜侧播栽培模式是最近提出的旱作区马铃薯集雨栽培技术，研究的目的是通过设置5，10，15和20 mm 4个模拟降雨量水平，与传统平作模式进行比较以检验微垄覆膜侧播栽培模式在内蒙古阴山北麓地区的集雨效果。试验在马铃薯出苗后16 d进行模拟降水处理。结果表明，在微垄覆膜侧播栽培模式下，5 mm降雨即可显著提高马铃薯根际0～20 cm土层土壤含水量，10 mm时微垄覆膜侧播的贮水效果最好。随着模拟降雨量的增加，微垄覆膜侧播马铃薯的干物质积累速率、各器官干物质积累、叶面积指数及水分利用效率均呈现增加的趋势。

旱作；马铃薯；微垄覆膜侧播；集雨效果

沟垄集雨是雨养农业区一种重要集雨技术措施，主要是通过对地表进行起微小垄状突起，利用集雨垄面将降雨汇集至沟侧，之后水分向沟中聚集，随之被聚集的降水慢慢向沟中土壤渗入，进而使种在沟中的作物得到生长所需水分，并且使土壤中降水得到有效的贮存，进而在时间和空间上对农田水分进行有效的调控与利用[1,2]。将沟垄技术与地膜覆盖技术结合起来[3-6]，进而形成垄膜沟播技术，能够对雨水起到更好的收集利用效果[7]。韩娟等[8]通过2007~2010年间在黄土高原沟壑区的研究表明，垄上覆地膜沟内覆秸秆能显著提高冬小麦水分利用效率，且沟垄集雨种植的水分利用效率较对照高出33.6%~35.8%。李荣等[9]试验证明，垄覆地膜、沟覆地膜可显著提高作物水分利用效率和0~ 200 cm土壤蓄水量。吴育学等[10]证明，沟垄覆膜处理是一种耗水量相对较小，燕麦产量和水分利用效率最高的集雨种植模式，分别可达1 745.5 kg/hm2和9.1 kg/mm·hm2。王晓凌等[11]试验表明，在垄沟覆膜集雨处理下旱作马铃薯产量分别较在土垄集雨处理下和裸地平作处理下提高126.8%和277.2%，主要是由于垄沟覆膜集雨能够增加土壤水分含量，促进土壤矿质营养的积累，同时，该集雨模式能够起到集雨、保墒和增温的作用。任小龙等[12]研究发现，沟垄集雨技术因显著增加了功能叶片的叶绿素含量，从而提高了玉米叶片净光合速率。

内蒙古阴山北麓丘陵地区是典型的“雨养农业区”，年降雨量在400 mm以下，而且主要集中在6~8月，充分、合理、有效地利用好当地的有效降雨资源，提高水分利用效率对提高当地马铃薯产量起到关键性的作用。研究证明，沟垄覆膜侧播能够有效提高马铃薯产量，并且提高水分利用效率[13,14]，鉴于此，结合内蒙古阴山北麓丘陵地区实际气候特点，本课题组经过多年的实地调查研究，提出了适宜内蒙古阴山北麓丘陵地区的栽培模式-微垄覆膜侧播，目前生产中大多数沟垄种植模式垄高均在20 cm左右，垄宽在60 cm左右，而微垄覆膜侧播的特点是垄高为10 cm，垄宽在50 cm。这样的特点既起到了垄作覆膜汇集雨水的功能，又使植株根部保障良好的通气条件，有效避免当沟内播种单次雨水过大时，沟内雨水过多汇集，不利于马铃薯根部的生长发育。研究表明，微垄覆膜侧播较平地覆膜和露地平作的产量分别提高20.21%和30.70%[15,16]。但是这种模式在多少毫米降雨下开始发挥作用，又在多少毫米降雨量下集雨效果达到饱和状态？即微垄覆膜侧播模式下的集雨下限降雨量值与集雨上限降雨量值是未知的。本试验旨在确定微垄覆膜侧播能够发挥作用的降雨量下限值，以期进一步完善微垄覆膜侧播的技术规程，为雨养马铃薯的高产和水分高效利用提供更加充足的理论依据。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验于2014年在内蒙古呼和浩特市武川县厂汉木台乡（东经111°27'，北纬41°14'，海拔1 600 m）进行。该地区属于半干旱雨养农业区，年均降雨量约300 mm左右，全年日照时数为2 963 h，年光合有效辐射为2 858.1×106J/m2，无霜期100 d左右。试验地土质为沙壤土，耕层（0~20 cm）土壤有机质17.43 g/ kg，全氮1.21 g/kg，速效磷11.53 mg/kg，速效钾143.5 mg/kg，pH值8.3，容重1.3 g/cm3。播前土壤含水量：12.36%（0~20 cm），13.55%（20~40 cm）和14.17%（40~60cm）。

1.2材料与处理

供试马铃薯品种为‘克新1号’脱毒原种。试验采用微垄覆膜侧播（以下用W表示）和露地平作（以下用P表示）2种种植模式，在苗期设置4个模拟降雨量处理：5，10，15和20 mm。以下5W、5P、10W、10P、15W、15P、20W、20P分别代表5，10，15和20 mm模拟降雨量的微垄覆膜侧播和露地平作处理。小区面积均为60 m2，其中宽4 m、长15 m。行距0.5 m，株距0.38 m，种植密度为52 500株/hm2，试验设置3次重复，采用随机区组设计。

试验于2014年5月12日播种，9月14日收获。肥料用量为N 150 kg/hm2（氮源为尿素），P2O560 kg/hm2（磷源为重过磷酸钙），K2O 150 kg/hm2（钾源为硫酸钾）。肥料全部采用播前基施，其他管理措施均按常规方法进行。

模拟降雨：根据公式，降雨毫米数=降雨体积/土地面积，求得模拟降雨体积，利用人工喷雾进行模拟降雨处理，在出苗后16 d（6月25日）进行处理。

1.3取样及测定

1.3.1土壤含水量

取样时间及部位：露地平作和微垄覆膜侧播均从距离植株5 cm处取土，其中微垄覆膜侧播在偏沟部位置取土，取样深度为60 cm，每20 cm为1层，取样时间分别为出苗后15 d（模拟降雨前1 d）、17 d（处理后1 d）、19 d（处理后3 d）、22 d（处理后6 d）。用土钻取土后采用烘干法测定含水量，土壤含水量计算公式：Ws（%）=（W1-W2）/（W2-W3）×100%（I），其中W1为湿土和铝盒的重量（g），W2为干土和铝盒的重量（g），W3为空铝盒的重量（g）。

1.3.2植株生物量

取样时间：除处理后1 d不取样外，其余取样时间同土壤样本。

测定方法：将各个器官分开后，先称取鲜重，然后放入105℃烘箱中杀青30 min，之后放入80℃烘箱中烘48 h后称得干重。

1.3.3叶面积指数

取样时间：同植株生物量取样时间。

测定方法：打孔法。

计算公式：整株马铃薯叶面积（cm2）=30×（a+ b）/a，叶面积指数=整株马铃薯叶面积（m2）×公顷株数（株/10 000m2），其中a为30片小圆叶片的鲜重，b为其余叶片的总鲜重。

1.3.4水分利用效率

水分利用效率根据公式WUE[kg/（hm2·mm）]= Y块茎产量（kg/hm2）/ET总耗水量（mm）;其中，ET=P+I+△SWS-R-D；ET为作物总耗水量，P为马铃薯生长季节的降雨量，I为灌溉量，△SWS为模拟降雨前1 d土壤贮水量与取样时土壤贮水量之差，R为地表径流量，D为耕层土壤水的渗漏量。本试验由于R和D值太小，忽略不计，所以作物耗水量实际计算公式为ET=P+I+△SWS。

1.4数据处理

试验数据采用SPSS 18.0软件、Excel 2003进行统计分析。

土壤贮水量（mm）=土层厚度（mm）×土壤容重（g/ cm3）×土壤含水量（%）。

土壤水分利用率[kg/（hm2·mm）]=马铃薯生物量累积（kg/hm2）/[模拟降雨前1 d土壤贮水量（mm）+模拟降雨后到取样期间总降水量（mm）-取样时土壤贮水量（mm）]。

2　结果与分析

2.1土壤含水量

苗期不同处理0~60 cm各个土层土壤贮水量见表1。从表1可以看出，处理后1 d，不同处理的土壤含水量较处理前1 d都有不同程度的增加，但是微垄覆膜侧播模式（W）明显高于露地平作模式（P）。处理后3 d相比处理前1 d，0~20 cm土层土壤含水量的增加值W明显高于P，5，10，15和20 mm处理下，W模式较P模式分别多增加4.74，8.55，10.27和13.12 mm。随土层深度增加，W模式与P模式土壤含水量增加量差值逐渐减小。20~40 cm土层土壤含水量，在4个模拟降雨量下，W比P分别多增加1.01，4.19，7.10和2.81 mm，40~60 cm土层土壤含水量，4个模拟降雨量下，W比P分别多增加0.78，2.57，1.79和5.41 mm。

模拟降雨5 mm在处理后1 d微垄覆膜侧播的土壤含水量增加值明显高于露地平作，且随模拟降雨量的增加，微垄覆膜侧播的集雨效果越明显，2种栽培模式的土壤含水量增加值差值越大（图1）。说明从5 mm开始，微垄覆膜侧播较露地平作就有明显的收集雨水的作用。

处理后1 d和处理后3 d，2种模式的土壤含水量均减少，露地平作土壤含水量减小值随模拟降雨量增加差异不大，微垄覆膜侧播土壤含水量减小值则随模拟降雨量增加呈先减小后增加的趋势（图2）。

2.2干物质积累

2.2.1整株干物质积累

经测量，从播种到苗期模拟降雨处理前共有56.6 mm天然降雨。从表2看出处理前，不同模式的马铃薯干物质积累量在处理时已存在显著差异，W比P干物质积累量多44%。5，10，15和20 mm处理后3 d，2种栽培模式干物质增长率均随模拟降水量增加而呈增加趋势。微垄覆膜侧播（W）干物质量增长率较露地平作（P）多6~24个百分点，5~20 mm时2种栽培方式干物质量增长率都有显著差异。

处理后3 d内，随模拟降雨量增加干物质积累速率也随之增大，且微垄覆膜侧播干物质积累速率显著大于露地平作，5，10，15和20 mm处理下，微垄覆膜侧播分别比露地平作高0.25，0.73，0.91和0.96 g/株·d。

2.2.2各器官干物质积累

如表3所示，处理前1 d微垄覆膜侧播与露地平作在叶干重上有显著差异，而在茎及根上无显著差异。经过模拟降雨量处理后3 d，W与P在叶干重上依然有显著差异。W模式经5，10，15和20 mm降水处理后叶干重分别增加了23.88%，51.06%，87.23%和99.29%，而P模式在相应的降水处理下分别增加4.38%，37.85%，74.50%和138.65%。

表1　苗期不同处理0~60 cm土层土壤贮水量Table 1Water content at 0-60 cm depth soil under different treatments at seedling stage

图1　处理后1 d 60 cm土层土壤含水量的增加量Figure 1Increase of soil water content at 60 cm depth soil 1 d after treatment

图2　处理后1~3 d 60 cm土层土壤含水量的减小量Figure 2Decrease of soil water content at 60 cm depth soil 1-3 d after treatment

表2　苗期不同处理下马铃薯干物质积累及干物质积累速率Table 2Amount and percentage of dry matter accumulation of potato under different treatments at seedling stage

表3　苗期不同处理下马铃薯各器官干物质积累Table 3Dry matter accumulation in different organs of potato under different treatments at seedling stage

这一点同样可以通过各器官占总干重的比例来分析，处理后3 d，5，10，15和20 mm地上部干重的分配率，W分别为82.34%，80.25%，84.71%和84.52%，P分别为74.91%，76.71%，83.75%和85.90%。由此可见5和10 mm处理下，微垄覆膜侧播地上部分配率明显高于露地平作，而在15和20 mm作用下，二者无明显差异。处理后3 d，5，10，15和20 mm地下部干重的分配率，W分别为17.66%，19.75%，15.29%，15.48%，P分别为25.09%，23.29%，16.25%，14.10%。5和10 mm处理下，微垄覆膜侧播地下部分配率明显低于露地平作，而在15和20 mm作用下，二者无明显差异（表3）。

2.3叶面积指数

表4为苗期不同处理对叶面积指数的影响，叶面积指数变化规律与叶干重变化规律基本相同，随模拟降雨量增加，微垄覆膜侧播植株叶面积指数呈单峰型曲线变化，且微垄覆膜侧播与露地平作之间差异显著。

表4　苗期不同处理对马铃薯叶面积指数的影响Table 4Effect of different treatments on LAI of potato at seedling stage

2.4水分利用效率

由表5可以看出，5，10，15和20 mm处理后3 d，W模式的水分利用率较P分别高78到112个百分点，呈现随降水量增加而增加的趋势。

3　讨论

起垄覆膜在许多地区被证明可以起到增产和提高水分利用效率的作用，也有部分学者对其增产增效的生理机制进行了研究[1,7,15]。微垄覆膜侧播在马铃薯上证明也具有这样的效果，该模式设计时即考虑到内蒙古主产区干旱少雨，无效降雨频率高的降水特点而设计。但是，不同降雨条件下的集雨与保水效果还不清楚，这些指标的确立将为该模式的推广应用和创新提供必要的理论依据。课题组的统计数据显示，乌兰察布地区无效降雨（单次降雨小于5 mm）的频率高达近80%，如何将无效降雨有效化是急需解决的理论问题，该研究结果显示微垄覆膜侧播模式在至少5 mm时呈现出明显的集雨效果，在5~20 mm的降雨范围内，微垄覆膜侧播的干物质积累速率与露地平作相比呈现随降雨量增加而增加的趋势。在5和10 mm降雨量下，微垄覆膜侧播较露地平作能收集更多的雨水，进而有利于地上部生长。

微垄覆膜侧播不仅具有较好的集雨效果，而且还有很好的保水效果，且在降雨量为10 mm时的保水效果最好。原因可能是当模拟降雨量为5 mm时，大多数模拟降水被截留在膜上，水分损失较大，当模拟降雨量为10 mm，微垄覆膜侧播能更有效的收集雨水且所收集的雨水量没有达到导致大量土壤水分下渗的程度，所以在此模拟降雨量下，其损失的降雨最小。当模拟降雨量继续增加时，微垄覆膜侧播所收集的降雨较多导致雨水下渗。从5 mm起，微垄覆膜侧播开始表现出显著优于露地平作的保水优势，但到20 mm时，由于土壤含水量达到了饱和状态，2种栽培模式间的贮水能力没有显著差异，可以认为是该模式发挥作用上限值，但是在5~20 mm的降雨范围内，微垄覆膜侧播水分利用效率显著高于露地平作。

表5　苗期不同处理对马铃薯水分利用效率的影响（kg/hm2·mm）Table 5Water use efficiency of potato under different treatments at seedling stage(kg/ha·mm)

该研究结果为该模式的推广应用提供了较好的理论基础，但是该模式对最终产量的影响是整个生育期的累计效应，而且不同时期的集雨效果还受到植物生长状况的影响。因此，对集雨效果的数量化指标还需深入研究，为旱作马铃薯集雨模式的创新提供更加扎实的理论基础。

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Simulation Study on Rainwater Harvesting of Rainfed Potato Under the Cultivation Pattern of Micro Ridge Mulching with Side Planting

ZHAO Yuanxia1,FAN Mingshou1,JIA Liguo1*,ZHANG Ziyi2
(1.College of Agronomy,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,Inner Mongolia 010019,China；2.College of Life Sciences,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot,Inner Mongolia 010018,China)

ract:Micro ridge mulching with side planting is a rainwater harvesting cultivation pattern for the rainfed potato in arid area.This research aimed to quantify the rainwater harvesting effect of the micro ridge mulching with side planting by comparing with conventional flat planting under different simulated rainfall levels of 5,10,15 and 20 mm.Treatments were applied 16 days after emergence(DAE).The results showed that from 5 mm of rainfall level,the micro ridge mulching with side planting pattern began to significantly improve the soil moisture content of 0-20 cm,with the best effect on soil water storage at 10 mm under simulated conditions.As the amount of rainfall increasing,the potato dry matter accumulation percentage,dry matter accumulation in various organs,leaf area index and water use efficiency also had a tendency to increase under the cultivation mode.

rds:rainfed farming;potato;micro ridge mulching with side planting;effective rainwater

S532

A

1672－3635（2016）02-0080-07

2015-06-09

农业部公益性行业科研专项“黄土高原雨养农田水分高效利用技术研究与示范——内蒙古雨养农田马铃薯水分高效利用技术研究与示范”（201303104）；中国博士后科学基金“微垄覆膜侧播马铃薯集雨效果的数量化研究”（2015M572633XB）；内蒙古自然科学基金（2013MS0302）。

赵元霞（1991-），女，硕士，主要从事植物生理生态方面研究。

（Correspondingauthor）：贾立国，讲师，主要从事马铃薯水分及营养生理的研究，E-mail:nndjialiguo@163.com。