不同覆膜时期对宁南山区土壤水热环境及马铃薯产量的影响

孙娇，郭鑫年，梁锦秀，陈刚，张国辉，周涛*

(1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川750002；2.宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000)

不同覆膜时期对宁南山区土壤水热环境及马铃薯产量的影响

孙娇1，郭鑫年1，梁锦秀1，陈刚1，张国辉2，周涛1*

(1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川750002；2.宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000)

在宁南山区雨养条件下，以马铃薯庄薯3号为试验材料，研究了裸地平种、播前覆膜、早春覆膜、秋覆膜处理下2013-2015年间马铃薯产量及其全生育期土壤温度、土壤贮水量的差异。结果表明：与裸地平种相比，不同覆膜时期下尤其是秋覆膜可增加马铃薯地土壤表层温度，增加幅度可高达1.0 ℃。秋覆膜处理增加了早春时期土壤温度、降低马铃薯苗期土壤日温差。不同覆膜时期尤其是秋覆膜处理下马铃薯苗期土壤贮水量增加41.5 mm，马铃薯块茎膨大期后20～60 cm土层土壤水分消耗增加；且在平水年和欠水年不同覆膜时期对土壤水分的调控作用更为明显。秋覆膜处理下马铃薯产量可达34543 kg/hm2，增产40.8%。土壤水分利用效率达到77.5 kg/(hm2·mm)，增加23.5%。相关性分析发现马铃薯产量与早春时期土壤温度、土壤贮水量显著(P<0.05)正相关，与马铃薯播种时期土壤温度显著负相关。综上，秋覆膜可通过提高早春时期土壤温度、土壤贮水量，促进马铃薯块茎膨大期后土壤耗水量来增加马铃薯产量，秋覆膜是本研究区马铃薯获得高产的最佳覆膜时期。

不同覆膜时期；马铃薯；土壤水热环境；产量

宁南山区气候干旱、降水季节分布不均，降水和作物生长需求错位是限制该区农业发展的重要因素[1]。马铃薯(Solanumtuberosum)在宁南山区栽培面积近21万hm2，是该区农民增收和发展农村经济的特色优势产业[2]。马铃薯播前的土壤温度和底墒对于其出苗、齐苗至关重要，影响马铃薯的产量和水分利用效率[3]。地膜覆盖通过保墒和调节地表温度可显著提高作物产量，是促进宁南山区农业发展的关键技术[4]。但是在传统生产方法中多采用马铃薯播前覆膜，这造成在马铃薯播种期土壤含水量低，严重影响马铃薯出苗[5]。因此，研究不同时期覆膜种植马铃薯实现对土壤水分和温度等微环境的适时调控，对宁南山区稳粮保产具有重要的现实意义。地膜覆盖可改善耕层土壤水热状况，有效减轻干旱和春季低温对作物生长的危害，显著提高作物产量。采用秋覆膜的措施更能明显减小冬、春季土壤水分的无效蒸发，显著提高0～100 cm土层土壤含水量[6]。由于秋覆膜能提高自然降水利用率和作物水分生产效率，保证春播期间土壤能持续稳定地供应种子发芽所需的水分[7]。与传统的播前覆膜相比，早春覆膜可减少玉米地16.0%的土壤水分消耗[8]；秋覆膜条件下马铃薯的水分利用效率提高了27.3%[9]，产量提高了17.5%[10]。另外，不同时期覆膜对马铃薯生长性状有较大的影响[10]。目前对不同时期覆膜的产量效应和水分利用效率已有报道，但对不同时期覆膜的增产机制研究较少。

通过对宁南山区不同覆膜时期下不同年际间马铃薯全生育期土壤水热环境、马铃薯产量及土壤水热环境与马铃薯产量的相关性进行分析，旨在揭示不同覆膜时期对宁南山区马铃薯土壤水热环境及产量的影响，以期为宁南山区马铃薯高产高效栽培技术体系构建提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏南部山区固原市头营镇宁夏农林科学院宁南科研试验基地(106°44′ E，36°10′ N)，海拔1697～2633 m，属于中温带半干旱半湿润气候区。年均降水量为410.0 mm，年均蒸发量1500.0 mm左右，年总辐射量512.2 kJ/cm2，日照时数2322.3 h，平均气温8.3 ℃，无霜期145 d。地貌类型为典型丘陵沟壑区，土壤以黄绵土为主，耕层土壤pH值8.6，有机质14.2 g/kg，全氮0.9 g/kg，碱解氮45.3 mg/kg，速效磷15.7 mg/kg，速效钾142.5 mg/kg。3年试验期间降水量和气温变化如图1所示，2013年马铃薯全生育期内降水548.6 mm，为丰水年；2014年马铃薯全生育期降水400.1 mm，为平水年；2015年马铃薯全生育期降水287.0 mm，为欠水年。2013、2014、2015年马铃薯全生育期平均气温分别为16.2、13.4和13.9 ℃。

1.2 试验设计

以马铃薯庄薯3号为试验材料，采用完全随机区组设计，设裸地平作(CK)、早春覆膜(plastic film mulch applied in spring，SpF，3月20日)、播前覆膜(plastic film mulch applied before sowing，BF，4月25日)、秋覆膜(plastic film mulch applied in autumn，AuF，前茬作物收获后11月10日)4个处理，每个处理设4次重复，共计16个小区，每个小区面积为30 m2(10 m×3 m)。裸地平作为农户常规裸地栽培模式；覆膜采用宽80 cm、厚0.008 cm的农用地膜，覆盖后沿地膜带垂直方向每隔2 m压土带，防大风揭膜。各处理中马铃薯种植采用直接点播，种植行距50 cm，株距33 cm，密度60000 株/hm2。马铃薯于2013年5月4日播种，10月1日收获，生育期150 d，全生育期不灌溉。在播前一次性施肥，N、P2O5、K2O用肥量分别为150、70和90 kg/hm2，生育期不追肥。

图1 马铃薯生育期降水和气温变化Fig.1 Dynamic of precipitation and average air temperature during the growth stages of potato

1.3 样品采集与分析

于2013-2015年在早春期至马铃薯盛花期每隔10 d左右选择晴天，分别于8:00、12:00、16:00、20:00在各小区中央选择1个位点定点测定土壤温度，测定使用地温计在马铃薯株间0～20 cm土层进行，每隔5 cm土层设一个测定层。

分别在早春期、播前、马铃薯苗期、盛花期、块茎膨大期、淀粉积累期、收获期用烘干称重法测定0～120 cm土层土壤含水量，每隔20 cm土层设一测定层。另外，在成熟后分小区及时收获马铃薯，收获后每小区按实收鲜重计算马铃薯产量。

1.4 数据分析

土壤贮水量(soil water storage，SWS)、耗水量(evaportranspiration，ET)和水分利用效率(water use efficiency，WUE)的计算公式如下：

SWS=Ws×b×dET=SWSBF-SWSHA+PWUE=Y×ET

式中:Ws为土壤重量含水量；b为土壤容重；d为土壤深度；SWSBF为播前土壤贮水量；SWSHA为收获后土壤贮水量；P为生育期降水量；Y为作物单位面积产量。

利用Excel 2003和SPSS 19.0对实验数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验。图表的制作采用Origin 9.0和Excel 2003软件处理。

2 结果与分析

2.1 土壤温度的时空动态差异

2.1.1不同生育期内各土层土壤温度的差异 如图2所示，在2013-2015年期间，不同覆膜时期下马铃薯地土壤温度多表现为随土层深度增加而降低、随马铃薯生育期推进而增加的趋势。土壤温度可从早春时间的2.9 ℃增长至马铃薯盛花期的30.4 ℃。早春至播前，不同覆膜时期下土壤温度在0～20 cm土层土壤中变化从大到小顺序多表现为：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜、裸地平种。在2013-2015年期间，秋覆膜处理下0～20 cm土层土壤温度较裸地平种均有增加，最大增幅为1.0 ℃。在马铃薯出苗时期，0～20 cm土层土壤温度变化从大到小顺序为：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜>裸地平种。进入马铃薯盛花期，不同覆膜时期下0～20 cm土层土壤温度均高于裸地平种，而各覆膜处理之间无明显变化。

2.1.2不同生育期内土壤温度日变化的差异 不同覆膜时期下，马铃薯各生育期土壤平均温度的最小值均出现在8:00，最大值均出现在16:00(图3)。不同覆膜时期下平均日温差可高达6.5 ℃，比裸地平种处理下最高日温差低0.3 ℃；秋覆膜处理下平均日温差可达6.4 ℃，比裸地平种处理下最高日温差低0.4 ℃。早春至播前，8:00、12:00、16:00、20:00土壤温度变化从大到小的顺序均表现为：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜、裸地平种；且土壤温度最高日温差的最大值出现在秋覆膜处理。在马铃薯出苗时期，2013-2015年土壤温度日变化平均值从大到小的顺序为：裸地平种>播前覆膜>早春覆膜>秋覆膜；其中，土壤最高日温差出现在播前覆膜处理。进入马铃薯盛花期，不同覆膜时期下马铃薯各生育期土壤温度的日变化无明显差异。

图3 2013-2015年各生育期土壤温度日变化Fig.3 Average diurnal changes of soil temperature across the whole growth period in 2013-2015

2.2 土壤水分的时空动态差异

2.2.1不同生育期内0～120 cm土层土壤水分的差异 2013-2015年间，不同覆膜时期下0～120 cm土层土壤贮水高峰期出现在马铃薯盛花期(图4)；且马铃薯生育期0～120 cm土层土壤贮水量的变化表现为：2013年(丰水年)>2014年(平水年)>2015年(欠水年)。与裸地平种处理相比，丰水年秋覆膜、早春覆膜、播前覆膜处理的0～120 cm土层土壤贮水量最大增幅分别为41.5、29.3、7.4 mm。平水年时，从早春到马铃薯盛花期0～120 cm土层土壤贮水量的变化表现为：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜>裸地平种；而到马铃薯收获期秋覆膜处理下土壤贮水量低出裸地平种处理43.6 mm。在欠水年马铃薯全生育期内土壤贮水量变化从大到小的顺序为：入秋覆膜>早春覆膜>播种前覆膜>裸地平种。

图4 2013-2015年各生育期土壤贮水量变化Fig.4 Dynamic of soil water storage across the whole growth period in 2013-2015 TE: 块茎膨大期Tuber expanding stage; SA: 淀粉积累期 Starch accumulation stage; HT: 收获期 Harvest time. 下同 The same below.

2.2.2不同生育期内各土层土壤水分的差异 如图5所示为2013-2015年间马铃薯各生育期不同土层土壤贮水量的变化。在3年间，马铃薯各生育期0～120 cm土层土壤贮水量随着土层深度的增加呈先增加后降低的趋势，土壤贮水量的峰值多出现在20～60 cm土层中。在早春时期，秋覆膜处理与裸地平种相比明显增加了20～60 cm土层土壤贮水量，增幅可达到5.2 mm，土壤贮水量增幅变化表现为欠水年>平水年>丰水年；从马铃薯播前到块茎膨大期20～60 cm土层土壤贮水量变化从大到小的顺序为：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜>裸地平种；进入到淀粉积累期后，不同时期覆膜处理可明显增加20～60 cm土层土壤水分的消耗，秋覆膜、早春覆膜、播前覆膜处理下20～60 cm土层土壤贮水量与裸地平种处理相比分别降低了6.4、3.5、2.2 mm。

图5 2013-2015年不同生育期和土层土壤贮水量的变化Fig.5 Dynamic of soil water storage at different time and soil layer in 2013-2015

2.3 马铃薯产量、水分利用效率的年际变化

表1 2013-2015年马铃薯产量、水分利用效率的变化Table 1 Dynamic of potato yield and water use efficiency in 2013-2015

不同时期覆膜处理对马铃薯产量、耗水量及水分利用效率均产生了显著的影响(表1)。从2013-2015年间不同时期覆膜处理下马铃薯的产量均高于裸地平种处理，且产量变化表现为：平水年>丰水年>欠水年。马铃薯平均产量在秋覆膜、早春覆膜和播前覆膜处理下分别达到34543、31988、30657 kg/hm2，与裸地平种相比，增产率分别达到了40.8%、29.9%、24.5%。马铃薯土壤耗水量在2013-2015年总体表现为：丰水年>平水年>欠水年。且丰水年不同时期覆膜处理下土壤耗水量与裸地平种处理相比无显著差异，在平水年和欠水年间，与裸地平种处理相比，秋覆膜、早春覆膜和播前覆膜处理下土壤耗水量分别增加了22.2%、10.3%、4.9%。不同时期覆膜处理下，马铃薯土壤水分利用效率在2013-2015年总体变化趋势与土壤耗水量的相反。2013-2015年马铃薯水分利用效率在秋覆膜、早春覆膜和播前覆膜处理下分别达到77.5、76.0、76.9 kg/(hm2·mm)，与对照相比，增加了23.5%、21.1%、22.5%。

2.4 土壤温度、水分、产量的相关性分析

土壤温度影响土壤水分蒸发，土壤水热交换是同时进行的。通过相关性分析发现(图6)，土壤温度与土壤贮水量之间无显著相关性，这可能与地膜覆盖阻碍了土壤水分地表蒸发有关。2013-2015年间，马铃薯产量与其全生育期0～120 cm土层土壤贮水量及0～20 cm土层土壤温度均无显著相关性。但对马铃薯产量与各生育期0～120 cm土层土壤贮水量、0～20 cm土层土壤温度进行相关性分析，结果显示马铃薯产量与早春时期土壤温度呈极显著正相关，与播种时期土壤温度显著负相关；马铃薯产量与早春时期土壤贮水量显著正相关，与马铃薯播前至盛花期土壤贮水量正相关，与块茎膨大期后土壤贮水量负相关(表2)。

图6 2013-2015年马铃薯产量、土壤温度和土壤贮水量相关性Fig.6 Correlations between potato yield and soil water storage and soil temperature in 2013-2015

表2 2013-2015年马铃薯产量、土壤温度和土壤贮水量相关性Table 2 Correlations between potato yield and soil water storage and soil temperature in 2013-2015

Y: 产量 Yield; W: 土壤贮水量 Soil water storage; T: 土壤温度 Soil temperature;*:P<0.05；**P<0.01.

3 讨论与结论

土壤温度和土壤水分是影响作物生长发育、产量的重要因素，地膜覆盖具有显著的增温效果[11]。本研究中，不同覆膜时期下土壤温度高于裸地平种，且表现为随着土层深度的加深而降低、随着马铃薯生育期推进而增加的趋势。这与小麦的研究结果类似[12]。地膜覆盖主要通过增加0～10 cm土层土壤温度，促进马铃薯幼苗的生长[6]。在马铃薯生长前期冠层覆盖度低，地膜覆盖下土壤增温效果显著[13-14]。在马铃薯苗期地膜覆盖后土壤日均温度增加最为明显，盛花期后地膜覆盖的增温效果减弱[15]。本研究中，不同时期覆膜处理尤其是秋覆膜可明显提高早春至马铃薯播前土壤温度。地膜覆盖对马铃薯各生育期不同土层深度的地温和有效积温的影响表现为：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜[16]。另外，研究发现各覆膜处理下土壤日均温差变化从大到小的顺序为：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜，且秋覆膜能明显增加早春至播前土壤温度，明显降低马铃薯出苗期土壤温度。这可能是因为一方面秋覆膜处理在马铃薯播前稳定地温的作用为马铃薯的出苗创造了适宜的条件。另一方面，秋覆膜处理在出苗期降低土壤温度，减小了地膜覆盖对马铃薯关键生育期的高温胁迫，为提高马铃薯产量奠定了基础。

地膜覆盖可相对抑制土壤水分的无效蒸发，保证耕层土壤有较高的含水量，进而促进作物对土壤水分的有效利用[17-18]。与裸地平种处理相比，不同覆膜时期下马铃薯在盛花期之前对土壤水分的消耗较小，土壤贮水量随马铃薯生育期的推进呈上升趋势；而到了块茎膨大期之后，不同覆膜时期下马铃薯地土壤贮水量变化呈下降趋势。这是因为地膜覆盖可增大作物根系吸收面积、提高根活力，通过根系的各种纵向和横向运输进行水分再分配[19]。进入盛花期后马铃薯生长以地下生长为主，对土壤水分消耗大幅增加，且此阶段降水补充较少，导致土壤贮水量降低[20]。本研究中，秋覆膜处理下马铃薯播前土壤水分明显高于其他覆膜处理。秋覆膜处理可最大限度保蓄天然降水，提高播前土壤贮水量，另外，秋覆膜处理在一定范围内加快作物生育进程[21]。这一水分条件能够满足作物种子发芽的需要，使播前土壤墒情适宜[6]。秋覆膜处理明显增加了马铃薯盛花期前20～60 cm土层土壤贮水量，并促进马铃薯盛花期和薯块膨大期对土壤水分的消耗，在平水年和欠水年尤为如此。马铃薯根系分布集中在20～60 cm土层土壤中[22]，所以秋覆膜使得土壤水分分布更有利于马铃薯利用。另外，增加作物盛花期后的吸水能力是提高其产量的关键因素，可使马铃薯块茎重量显著提高[23]。秋覆膜处理能使土壤充分接纳降水，为下一年作物生长提供足够的水分[14]。在秋覆膜处理下，马铃薯生育期内土壤深层水分耗散，但由于具有抑制蒸发和保持秋季降水的特点，在生育期内消耗的水分可在休闲期内得到补充[24]。

土壤温度影响土壤水分蒸发，土壤水热交换是同时进行的，因此土壤温度和土壤水分间存在有必然的交互效应[25]。但本研究中马铃薯地土壤温度与土壤水分之间无显著相关性。这可能与地膜覆盖阻碍了土壤水分的无效蒸发，导致不同时期覆膜处理间土壤水分差异不大有关。本研究中，马铃薯产量与其全生育期土壤温度和土壤水分间均无显著相关性。地膜覆盖可通过提高土壤温度、抑制土壤水分无效蒸发提高作物产量。但土壤水热环境对马铃薯产量影响的机理复杂，只有在一定的水热环境下，地膜覆盖引起土壤水热环境的变化对马铃薯产量可产生关键影响[26]。马铃薯产量与早春时期土壤温度和水分显著正相关。

基于对土壤水热条件的优化和深层土壤水分的利用，不同时期覆膜处理尤其是秋覆膜可显著提高马铃薯产量和土壤水分利用效率[27]。本研究中，秋覆膜处理下，马铃薯产量可达34543 kg/hm2，增产40.8%。土壤水分利用效率达到77.5 kg/(hm2·mm)，增加23.5%，而这一增产效果在欠水年间更加显著。由于秋覆膜处理可以保蓄在冬、春季节马铃薯休闲期的水分，提高马铃薯播前土壤温度[28]，所以在马铃薯生育期内耗散的水分可以得到补充。秋覆膜对维持土壤水分的年际平衡有积极的作用。

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EffectsofmulchingtimeonsoiltemperatureandmoistureandpotatoyieldinthehillyareaofSouthernNingxia

SUN Jiao1, GUO Xin-Nian1, LIANG Jin-Xiu1, CHEN Gang1, ZHANG Guo-Hui2, ZHOU Tao1*

1.InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,AcademyofAgricultureandForestrySciencesofNingxia,Yinchuan750002,China; 2.GuyuanInstituteofAgriculturalSciences,AcademyofAgricultureandForestrySciencesofNingxia,Guyuan756000,China

This study determined the effects of mulching time on soil temperature in 0-20 cm soil layers and soil moisture storage in 0-120 cm soil layers, and on potato yield (Solanumtuberosum) in a rain-fed agricultural area of Southern Ningxia. The experiment was conducted at Touying County, Guyuan City (106°44′ E, 36°10′ N) from 2013 to 2015. The following 4 treatments were evaluated: no mulching, plastic film mulch applied before sowing, plastic film mulch applied in spring, and plastic film mulch applied in autumn. Results showed that, compared with no mulching, all the treatments increased soil temperature, especially the autumn treatment, which was 1.0 ℃ higher than no mulching. They can also increase soil temperature during early spring and decrease temperature differences at the initial stage of potato growth. All the mulching treatments increased soil moisture storage at the initial stage and promoted water consumption during the tuber expanding stage, especially the autumn treatment. This promoting effect was evident mainly in the 20-60 cm soil layers, especially in dry years and years with average rainfall. Mulching with plastic film in autumn significantly increased potato tuber yields to 34543 kg/ha, 40.8% higher than the no mulching treatment, and there was a 23.5% increment in potato water use efficiency to 77.5 kg/(ha·mm). There were highly positive correlations between tuber yield, soil temperature and soil moisture storage during early spring, but significantly negative correlations with soil temperature before the sowing stage. In conclusion, the autumn plastic film mulching treatment can increase soil temperature and moisture during the early spring period and accumulate soil water depleted after the potato tuber expansion period. Results showed that this is an appropriate treatment which has a significant impact on potato yield.

mulching time; potato; soil temperature and moisture; yield

10.11686/cyxb2017017http//cyxb.lzu.edu.cn

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SUN Jiao, GUO Xin-Nian, LIANG Jin-Xiu, CHEN Gang, ZHANG Guo-Hui, ZHOU Tao. Effects of mulching time on soil temperature and moisture and potato yield in the hilly area of Southern Ningxia. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(12): 24-34.

2017-01-18；改回日期：2017-06-14

公益性行业(农业)科研专项(201303104)，国家自然科学

基金项目(51269025)和一二三产业融合发展科技创新示范项目(NKYZ-16-0906)资助。

孙娇(1989-)，女，甘肃庆阳人，研究实习员，硕士。*通信作者Corresponding author. E-mail:zhoutao6084609@163.com