旱作区环保型材料覆盖对马铃薯生长的 影响及其降解特性

王兴文，侯贤清，李文芸，虎孝海，李向贵，杨 喆，李 荣

(宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021)

马铃薯粮、菜、饲兼用，抗逆性强而高产，使得马铃薯产业成为宁夏乃至西北干旱地区农民收入的主要来源[1]。近年来，宁夏马铃薯种植面积以年均26.4%的速度递增，种植总面积达27.4万hm2，已经成为宁夏第一大农作物，马铃薯的生产对稳定宁夏粮食安全起到了极其重要的作用[2]。宁夏南部山区土地肥力瘠薄，气候干旱少雨，年降雨量为450 mm左右，水分和温度不足严重限制了作物生长[3]，加之马铃薯对水分亏缺非常敏感[4]，导致该地区马铃薯单产水平很低。因此，农田覆盖已成为提高宁南马铃薯产量和发展马铃薯产业的重要技术措施。

覆盖技术具有显著的增温保墒、增产增收的作用[5]，在中国北方干旱半干旱地区广泛应用[6]。研究表明，地膜覆盖可增加土壤贮水量30%、降低蒸散量50%、减少水分亏缺15%以上[7]。目前应用于农业生产的环保型覆盖材料主要有生物降解膜、液体地膜和麻地膜等，在一定程度上可降低塑料地膜的用量，减小塑料地膜带来的污染，自然降解的同时还具有保湿、保温、增加产量的效应，经济效益可观。与覆盖普通膜相比，使用降解膜作物或者减产[8]，或者与之相差不大[9]，或者增产[10]。液态地膜是采用一种可成膜的特制溶液，通过稀释后直接喷洒于地表，能形成一层液膜的新型材料，可广泛应用于干旱、寒冷、丘陵地区农作物的早期覆盖[11]。中国农业科学院麻类研究所以麻类纤维为主要材料研制出的新型可降解麻地膜，具有可降解、保温、增产等多方面优点[12-13]。关于各种降解地膜的降解情况，主要和降解膜的主要成份有关，同时其降解快慢也与周围的生态环境关系密切。作物秸秆作为传统的覆盖材料，可抑制土壤蒸发，低温时有“增温效应”，高温时有“降温效应”的双重效应对作物生长十分有利[14]，且其成本较低，一直在覆盖材料中占有特殊重要的地位。本研究选用5种不同覆盖材料(普通地膜、生物降解膜、液体地膜、麻地膜及作物秸秆)，在宁夏南部山区进行沟垄覆盖模式下不同覆盖材料对比试验，研究不同覆盖材料的降解特性及其土壤水温效应对马铃薯生长的影响，以期为环保型覆盖材料的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年4—10月在宁夏彭阳县城阳乡长城村旱农试验站进行。试验区位于宁夏回族自治区南部边缘、六盘山东麓，介于东经106°32′～106°58′、北纬 35°41′～36°17′之间，海拔1 800 m左右，年蒸发量达1 000～1 100 mm，多年平均降水量450 mm，年均气温6.8℃，年日照时数2 518 h，≥10℃年积温2 690.4℃，全年无霜期145 d，60%以上的降雨主要集中在7—9月，同时，降雨的年际变化很大。试验期间马铃薯生育期降雨量为331.7 mm。试验地土壤类型为黄绵土，供试耕层(0～40 cm)土壤有机质含量12.8 g·kg-1，土壤速效氮、速效磷和速效钾含量分别为58.3 mg·kg-1、7.5 mg·kg-1和99.5 mg·kg-1，pH值8.4。

1.2 试验设计

A.田间覆盖试验：试验采用沟垄种植方式(沟宽60 cm，垄宽40 cm，垄高20 cm)，垄上覆盖普通地膜，设沟内覆盖普通地膜(DD)、生物降解膜(DS)，麻地膜(DM)、液体地膜(DY)、玉米秸秆(DJ)5种不同材料，以沟不覆盖为对照(CK)，共设6个处理。每处理3次重复，小区长8 m，宽4 m，随机排列。

B.填埋试验：将普通地膜、生物降解膜和麻地膜剪成100 cm×80 cm的片状，称重后展平埋入农田土壤中，埋土深度10 cm，埋土后30、60、90、120、150、180 d分别取样，观察其表面降解情况，然后利用超声波洗净，真空干燥，利用万分之一天平称重计算其失重率。每个处理各设置3个重复，随机排列。

播种前30天，在试验地修筑沟垄，沟宽60 cm，垄宽40 cm，垄高20 cm，马铃薯种于沟内膜垄两侧，起垄时要求垄面细绵平整、覆膜垄面呈拱型。沟垄覆盖与平作处理均按处理区总面积将农家肥(牛粪)30 t·hm-2，化肥纯N 150 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2整地后一次性施入，沟垄覆盖处理的肥料集中施入到种植沟中，翻入土壤，然后进行覆盖。垄上均覆盖塑料地膜(PE地膜80 cm宽，0.008 mm厚)，沟内分别覆盖不同材料，其中麻地膜80 cm宽，0.22～0.31 mm厚，液体地膜按产品∶水为1∶5稀释，以公司推荐的450 L·hm-2的总量，用手动喷雾器喷施于沟内土壤表面；玉米秸秆被切成15 cm长，以9 000 kg·hm-2的覆盖量，覆盖厚度为5～8 cm，均匀覆于沟内。

供试马铃薯品种为陇薯3号，按照沟垄宽度宽窄行种植，宽行距60 cm，窄行距40 cm，株距40 cm，种植密度为5万株·hm-2，播种深度10 cm，种薯点播后立即覆土。马铃薯分别于2015年5月2日播种，2015年10月3日进行收获。试验期间无灌水，定期进行人工除草。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤水温指标 土壤水分：在马铃薯播种后，每隔20天采用烘干法分别测定0～200 cm 土壤质量含水量，用土钻(直径0.08 m)每20 cm 取1个土样，3次重复。土壤贮水量(W)：W=h×a×b×10,其中W为土壤贮水量(mm)，h为土层深度(cm)，a是土壤容重(g·cm-3)，b是土壤质量含水量(%)，10为cm转化为mm的换算系数。

土壤温度：马铃薯苗期、现蕾期、块茎形成期、块茎膨大期、成熟期在作物种植沟内利用曲管水银温度计分别测定08∶00、14∶00和20∶00土壤5、10、15、20 cm和25 cm处的温度，3次读数的平均值作为土壤日均温，每次连续测定5d。

1.3.2 马铃薯生长指标 在马铃薯不同生育时期，每重复区随机选取10株测定株高、茎粗及地上部生物量。株高采用生理株高衡量，为地上茎基部到生长点的距离；主茎粗为近基部最粗处的直径。

1.3.3 马铃薯产量 在马铃薯收获期，每重复区以实产进行测产，分别记录大(单薯质量>150 g)、中(单薯质量150～75 g)、小薯(单薯质量<75 g)个数及重量，并计算马铃薯商品薯率。商品薯率(%)=单薯75 g以上的产量/马铃薯总产×100%。并结合投入与产出，分析不同覆盖材料下的经济效益。

1.3.4 降解膜降解强度 通过田间覆盖试验和土壤填埋试验来对降解地膜降解性能进行评价。田间覆盖试验评价采用目测法，将地膜降解过程分为4个阶段，第一阶段：开始覆膜到出现小裂缝的时间阶段为诱导期阶段；第二阶段：肉眼清楚看到大裂缝的时间为破裂期；第三阶段：地膜已经裂解成大碎块，没有完整的膜面，出现膜崩裂的时间，即为崩裂期；第四阶段：地面无大块残膜存在，虽仍有微小的碎片的时间阶段，但对土壤和作物已无影响，即为完全降解阶段。通过定期的人为肉眼观测，记录地膜颜色、形态以及表面完整情况的变化情况。填埋试验采用计算膜失重率法来评价：在试验布设覆膜前分别量取可降解地膜、普通地膜和麻地膜各1 m长、0.8 m宽称重，在马铃薯收获期收集地膜，洗净、晾干后称重，计算地膜质量损失率。失重率(%)=(填埋前膜重-填埋后膜重)/填埋前膜重×100%。

1.4 数据处理

Excel 2003作图，采用SAS 8.0分析软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖材料对土壤温度的影响

图1表明，随马铃薯生育期的推进，各处理不同土层土壤温度呈降低的趋势；因受气温及太阳辐射等状况的影响，不同处理下土壤温度随土层的加深而降低。在同一土层地膜覆盖处理的土壤温度最高；随土层深度的增加，秸秆覆盖处理下土壤温度变化较小。在马铃薯生育前期(苗期～现蕾期)，由于马铃薯植株较小，太阳辐射使沟内不同覆盖的土壤温度差异较大。5～10 cm土层，DD和DS处理的平均土壤温度较CK分别高2.8℃和0.7℃，DJ、DM和DY处理平均土壤温度较CK处理分别低1.9℃、0.3℃和1.2℃；15～20 cm土层，DD和DS处理的平均土壤温度较CK分别高1.1℃和0.2℃，DJ、DM和DY处理平均土壤温度较CK处理分别低1.4℃、0.5℃和0.6℃；25 cm土层，覆盖处理的土壤温度均低于CK，DD、DJ、DS、DM和DY处理的平均土壤温度较CK处理分别低3.5℃、3.5℃、3.7℃、1.0℃和1.2℃。

图1不同覆盖材料下马铃薯生育期0～25 cm土层土壤温度

Fig.1 Soil temperature (0～25 cm) under different mulch material during the growing season of potato

马铃薯生育中期(块茎形成～膨大期)，马铃薯植株较大，同时受不同覆盖材料的影响，不同处理下土壤温度均较苗期降低。5～10 cm土层，DD和DS处理的平均土壤温度分别较CK处理高1.9℃、1.1℃，DJ、DM和DY处理平均土壤温度分别较CK处理低3.3℃、1.1℃、0.3℃；15～20 cm土层，DD、DJ、DM和DY处理的平均土壤温度分别较CK处理低0.5℃、2.5℃、0.5℃、0.7℃，DS处理平均土壤温度较CK处理高0.1℃；25 cm土层，DD、DJ、DS、DM和DY处理的平均土壤温度分别较CK处理低1.7℃、2.6℃、1.4℃、0.4℃、0.7℃。

在马铃薯成熟期，气温较低，受气温的影响，不同处理下土壤温度降至最低。5～10 cm土层，DD、DS和DY处理的平均土壤温度分别较CK处理高1.5℃、0.2℃、0.1℃，DJ和DM处理平均土壤温度分别较CK处理低1.0℃、0.4℃；15～20 cm土层，DD和DS处理平均土壤温度分别较CK处理高0.8℃、0.3℃，DJ、DM和DY处理平均土壤温度分别较CK处理低0.6℃、0.6℃、1.2℃；25 cm土层，沟垄覆盖处理土壤温度均低于对照，DD、DJ、DS、DM和DY处理的平均土壤温度分别较CK处理低1.9℃、1.1℃、1.1℃、0.6℃、2.3℃。

可见，不同覆盖材料对马铃薯生长期土壤水温状况具有调节作用，地膜、生物降解膜覆盖处理0～25 cm土层平均土壤温度较对照明显提高1.4℃和0.2℃，而在整个生育期秸秆和液态地膜覆盖处理低于对照1.5℃和0.7℃，覆盖麻地膜的土壤温度与对照相比无明显变化。

2.2 不同覆盖材料对土壤水分的影响

表1为不同处理下马铃薯生长期土壤水分的动态变化特征，在马铃薯生长前期(苗期～现蕾期)，不同覆盖材料下土壤贮水量与对照相比均明显增加，且DD土壤贮水量相对较高，DJ处理下土壤贮水量次之。DD、DJ、DS、DM和DY处理0～200 cm土层平均土壤贮水量分别较CK处理提高5.4%、5.2%、2.4%、2.6%、1.7%。在马铃薯生长中期(块茎形成～块茎膨大期)，作物需水量较大，生长速度较快，由于气温升高，土壤水分蒸发强烈，降水偏少，各处理土壤贮水量均明显下降，不同覆盖材料下土壤贮水量降幅存在差异，其中DD处理降幅最大，其次为CK处理，DY处理下土壤贮水量降低幅度最小。DD、DJ、DS、DM和DY处理下平均土壤贮水量分别较CK处理分别增加4.6%、6.2%、3.6%、3.1%、4.2%。马铃薯进入生育后期(成熟期)，降雨量增加，补充了土壤水分使土壤贮水量明显增加。其中，DJ和DS处理土壤贮水量最高。DD、DJ、DS、DM和DY处理下的平均土壤贮水量分别较CK处理增加5.0%、8.4%、7.2%、4.2%、2.2%。可见，秸秆覆盖在马铃薯整个生长期0～200 cm土层土壤贮水量较高，其次为地膜覆盖处理，这有利于促进马铃薯的生长发育和产量的形成。

2.3 不同覆盖材料对马铃薯生育期生长指标的影响

在马铃薯关键生育期，不同覆盖材料能显著改善土壤的水温状况，从而促进马铃薯的生长发育。如图2，在马铃薯生长前期(苗期～现蕾期)，DJ和DS处理下马铃薯株高均高于CK处理1.3%、1.2%，其它覆盖处理与对照无明显差异；在马铃薯生长中期(块茎形成期到膨大期)，以DJ处理最高，DD、DS和DM处理次之，DY处理最低。DJ与DS处理分别显著较CK处理高11.0%、6.2%；在成熟期，不同覆盖模式下植株株高与对照处理存在差异，DJ处理显著高于CK处理13.7%，而其它处理与对照无差异。随生育期的推移马铃薯的生长发育从营养生长转化为生殖生长，不同处理下植株茎粗呈先升高后下降的趋势(图2)。在苗期，DD处理植株茎粗明显高于CK处理，而在现蕾期DJ和DM处理茎粗均高于CK，DJ与DM处理分别较CK处理高8.5%、7.6%。在马铃薯生长中期(块茎形成期到膨大期)，以DJ处理最高，其次是DD和DS，而其它覆盖处理与对照无明显差异；DJ与DD处理分别显著高于CK处理26.8%和23.1%。在成熟期，DJ和DS处理明显高于CK处理，其它覆盖处理植株茎粗与对照差异不大。DJ与DS处理分别显著较CK处理高15.7%、12.7%。

表1 不同覆盖材料下马铃薯生育期0～200 cm土层土壤贮水量/mm

注：同列不同小写字母表示不同处理下差异达显著水平(P<0.05)。下同。

Note: Different letters indicate significant differences (P<0.05) in same line. The same as below.

图2不同覆盖材料对马铃薯生长的影响

Fig.2 Effect of different mulch material on potato growth

2.4 不同覆盖材料对马铃薯产量及经济效益的影响

不同覆盖材料均能不同程度地提高马铃薯产量和商品薯率(表2)。除液态地膜覆盖外，不同覆盖材料下马铃薯产量均显著高于对照，而马铃薯商品薯率不同处理间无显著差异。马铃薯增产效果以DD、DJ、DS和DM处理最为显著，分别较CK处理增产34.3%、56.1%、8.6%、11.3%。马铃薯商品薯率DJ、DD和DY处理较CK处理分别提高4.7%、3.4%、3.0%。可见，地膜和秸秆覆盖下马铃薯增产效果较好，商品薯率较高。各处理下马铃薯纯收益高低顺序依次为DJ>DD>DM>CK>DY(表3)。由于DJ处理秸秆减少了地膜的使用量，使其投入低于DD、DM和DS处理；DS与DM处理在马铃薯收获后无需人工捡拾残膜，与DD处理相比减少了劳动力投入；各处理总投入成本依次为DS>DY>DM>DD>DJ=CK。DJ处理的净收入最高(19 676.1 元·hm-2)，DD处理次之(14 820.5 元·hm-2)。

2.5 不同覆盖材料的降解性能

在填埋试验中，不同覆盖材料经过马铃薯整个生育时期后其降解强度有所不同(表3)。液态地膜在马铃薯收获期已完全降解，秸秆覆盖处理有部分茎叶发生腐解。生物降解地膜较原始质量减少19.9 g，质量损失率35.6%；麻地膜较原始质量减少111.9 g，质量损失率73.5%。可见，可降解地膜的降解速度与材料类型密切相关，其中，麻地膜的质量损失率最高，这与其降解速度表现较高有关。而普通地膜仅较原始质量减少7.8 g，其质量损失率11.9%。

表2 不同处理下马铃薯产量及经济效益分析

注：投入包括种子、化肥、覆盖材料、耕作及人工费等；试验当年塑料地膜、生物降解膜、麻地膜及液态地膜的价格分别为13、14、8、10 元·kg-1，马铃薯市场价格为0.85 元·kg-1。

Note: Input includes the costs of seed, fertilizer, mulch material, tillage and labour, etc. The costs of plastic film, biodegradable film, bast fiber, and liquid film were 13, 14, 8, 10 yuan·kg-1, and the potato price was 0.85 yuan·kg-1during the study.

表3 不同地膜的降解强度

3 讨 论

3.1 不同覆盖材料对土壤水温环境的影响

农田覆盖可有效阻止土壤水分的蒸发，有助于土壤蓄水保墒，从而改善土壤的水分状况，不同覆盖措施对土壤温度的影响效果随覆盖材料的不同而不同[15]。王鑫等[16]研究表明，可降解膜能显著提高土壤水分和温度，李荣等[17]研究也表明，在玉米各生育期，普通地膜、生物降解膜和液态膜处理与不覆盖相较能改善土壤的水温效应，以覆盖普通地膜和生物降解膜的效果尤为明显。张杰等[18]在渭北旱塬区的研究发现，在玉米生育前期，覆盖普通地膜和生物降解膜能有效提高垄侧0～25 cm土壤温度。覆盖秸秆有利于充分利用天然降水增加水分的入渗，且秸秆覆盖后阻碍了光照直接到达地面，使覆盖后的土壤温度比不覆盖低[19]。本研究结果表明，在马铃薯生育前期，普通地膜和生物降解膜处理土壤水分和温度均较对照有显著提高，而秸秆和麻地膜处理则略低于对照。液体地膜对农田土壤水温状况略有改善，但与对照无差异，这与乔海军[20]研究结论一致，可能跟液体地膜喷施后成膜效果较差，且易受外界环境条件影响使其受损有关[21]。

3.2 不同覆盖材料对马铃薯生长及产量的影响

不同覆盖材料引起土壤水温环境的变化必然会影响作物的生长发育[22]。有研究表明，地膜和生物降解膜覆盖的蓄水保墒效果使作物的干物质积累量和株高较对照均有很大提高[23-24]；生物降解膜覆盖下的玉米生物性状均高于对照，且与普通地膜没有显著差异[18,24]。本研究也表明，在马铃薯生育前期，地膜、生物降解膜和秸秆覆盖处理植株株高及茎粗高于对照，生育中后期麻地膜和秸秆覆盖处理高于对照。垄覆地膜沟内覆盖不同材料的增温保墒效果不同，对作物产量的影响亦不同[15,17]。相关研究[25]表明，地膜具有显著的增温保水和增产作用，生物降解膜虽在早期有一定程度的降解但作物产量与普通地膜无差异，这与本研究结果相似。易永健等[26]研究结果表明，麻地膜覆盖可改善土壤环境条件，提高作物的产量。本研究发现，麻地膜覆盖可不同程度提高马铃薯产量，但增产效果不及地膜覆盖。秸秆覆盖对作物产量的影响受不同气候条件的限制，覆盖过早使土壤温度低于作物生长最适温度，造成作物减产[27]，而本试验发现，秸秆覆盖下土壤温度较对照降低，但并未影响其产量的提高。其原因一方面，秸秆覆盖处理下土壤水分较好[28]；另一方面，作物种于垄两侧，垄上覆盖地膜的增温效果可弥补低温效应对作物生长的影响[15]。有研究[29]表明，覆盖液体地膜比不覆盖显著增产。而在本研究中液体地膜覆盖处理下与不覆盖作物产量并未表现出明显差异。

3.3 不同覆盖材料降解情况

赵爱琴等[30]研究表明，生物降解地膜在成熟期地面无明显膜片存在。战勇等[31]研究表明，诱导期短的可降解地膜在覆膜至60～70 d达到4级；地膜质量损失率达46.5%。胡宏亮等[32]研究表明，可降解地膜可在覆膜后20 d开始出现裂缝，在覆膜60～80 d后开始达到3级降解程度，其完整性受到较大影响。本研究结果表明，经历马铃薯生长期后，生物降解地膜与麻地膜比原始质量均有不同程度的减少，麻地膜的质量损失率最高，普通地膜质量的减少仅属于正常损耗。申丽霞等[33]研究表明，0.005 mm厚可降解地膜的降解速度及强度均优于0.008 mm厚膜，二者在覆膜后90 d分别达降解5级、4级水平，地膜质量损失率达55.48%、39.99%。这与本研究结果相似，可降解地膜的降解速度和降解强度因原材料组成、生产厂家、诱导期设计等的差异而表现不同，各种可降解地膜的降解速度和降解强度有一定差异，但其降解过程基本相似[32-33]。

4 结 论

不同覆盖材料对马铃薯生育期土壤水温状况的调节作用差异表现为：地膜和生物降解膜处理土壤温度较对照显著提高，而在整个生育期秸秆覆盖处理低于对照；地膜和秸秆覆盖处理在马铃薯生育期具有较强保墒作用，生物降解膜和麻地膜覆盖处理次之。在马铃薯生育前期，地膜、生物降解膜和秸秆覆盖处理植株株高及茎粗高于对照，生育中后期麻地膜和秸秆覆盖处理高于对照，而在整个生育期覆盖液体地膜处理与对照无差异。

不同覆盖材料均能不同程度地提高马铃薯的产量和商品薯率。地膜和秸秆覆盖处理下马铃薯增产效果较好，商品薯率较高，其中秸秆覆盖处理马铃薯纯收益最高。液态地膜可在马铃薯收获期完全降解，70%以上麻地膜可发生降解，生物降解膜次之。可见，覆盖秸秆能调节土壤水温状况，且可实现增产增收，是在宁南半干旱区马铃薯覆盖栽培的有效技术措施。

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