秸秆带状覆盖下培土对马铃薯产量与水分利用效率的影响

李 辉，柴守玺，常 磊，程宏波，韩凡香，柴雨葳

(1. 兰州城市学院，兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070；3.甘肃农业大学生命科学技术学院，兰州 730070)

0 引 言1

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是世界上仅次于玉米、水稻、小麦之后的第四大粮食作物[1-2]，也是甘肃省主粮作物之一[3]，该区域马铃薯种植面积大（年种植马铃薯约68万hm2）[1]，马铃薯单产为17.43 t/hm2[1]，较世界马铃薯平均单产低1.58 t/hm2[2]。干旱缺水是造成该地区马铃薯产量低而不稳的主要原因。为了改善作物用水蓄水环境，提高该区域农作物产量，相关科研人员提出了多种蓄水保墒抗旱栽培技术[3-4]，其中典型代表有地膜覆盖与秸秆覆盖。地膜覆盖虽然能够显著增加作物产量，但也因残膜污染影响农业可持续发展而受到广泛关注[5-7]。虽然市场上有可降解地膜，但因价格高、降解性能不统一等原因而未能大量推广应用。大量研究表明，秸秆覆盖能够调节土壤水温环境，改善土壤结构，培肥地力，提高作物产量[8]，但也有部分研究表明传统秸秆全覆盖种植因积温不足，有减产现象[9]。项目团队总结各种覆盖栽培技术的优缺点，结合当地干旱缺水及玉米秸秆资源丰富但利用率低的特点[10]，创建了秸秆带状覆盖旱作绿色栽培技术[11]，在冬小麦上已应用多年，发现蓄水保墒及增产效果显著。为了扩大该技术的应用范围，将其应用在马铃薯上，多年试验发现该技术的产量与黑膜覆盖相近，有些年份甚至超过黑膜覆盖[12]，适宜西北雨养区推广应用。

西北雨养区马铃薯生产主要以传统常规种植和地膜覆盖种植为主，其传统常规种植面积占该区域马铃薯种植总面积的60%[13]。在传统常规种植中，为了改变马铃薯生长环境、增加结薯数、减少绿薯率、提高马铃薯产量，均在马铃薯生长前期进行中耕培土作业。中耕培土是马铃薯栽培的关键耕作技术。有研究表明，培土较不培土能够提高马铃薯产量[14-17]，增产幅度达18.1%。培土后植株旁土堆形状对马铃薯产量有显著影响，如高中超等[18]研究表明，马铃薯专用中耕培土犁培出类似“馒头”形垄型较传统“三角形”垄型提高产量7.3%、商品薯率7.6%；孙继英等[19]研究表明，马铃薯苗即将拱土时在苗带上方培5 cm 厚度的土，能促进根系发育和匍匐茎生成，减缓植株茎叶衰老速度，为马铃薯高产奠定了基础；William 等[20]研究表明，培土形状及培土高度对马铃薯产量、匍匐茎数量有显著影响。项目团队关于秸秆带状平覆马铃薯种植的研究主要集中在该技术与露地种植、地膜覆盖种植的土壤水热及产量效应差异方面[12,21-23]，还未对秸秆带状覆盖条件下马铃薯栽培的培土效应进行研究，关于培土效应的研究对优化改进秸秆带状覆盖马铃薯种植技术、探究该技术的增产潜力具有重要意义与实践价值。为此，项目团队根据当地马铃薯常规种植的培土模式，在秸秆带状覆盖条件下设置3 种培土模式（堆状培土、沟播合土、开沟壅土），以秸秆带状平覆不培土为对照，分析培土条件下秸秆带状覆盖马铃薯的产量及水分利用效率，探究秸秆带状覆盖种植马铃薯的适宜培土模式，为优化改进该技术提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在甘肃农业大学通渭县旱作循环农业试验基地（35°11′N、105°19′E，海拔为1 760 m）进行。试验区位于西北雨养农业区，属于典型的中温带半干旱气候，多年平均降雨量为390.7 mm，年蒸发量达1 500 mm，年均日照时数为2 100～2 430 h，年均气温为7.2 ℃，全年无霜期为120～170 d。试验田0～200 cm 土层平均土壤容重为1.25 g/cm3，土壤质地为黄绵土。

图1 为试验区2015 年和2016 年月降雨量。与多年平均降雨量相比，2015 年降雨量比其低13 mm，属平水年，2016 年降雨量比其低55.9 mm，属于偏旱年。在2015年和2016 年试验期间有效降雨量占年总降雨量的74.5%和60.3%，降雨较充足，但降雨量分布不均。

图1 2015—2016 试验区月降雨量 Fig.1 Monthly rainfall in study area from 2015 to 2016

1.2 试验设计

供试马铃薯品种为甘肃一航薯业科技有限责任公司培育的“陇薯7 号”，为甘肃省主栽品种之一。试验设堆状培土（M1）、开沟壅土（M2）、沟播合土（M3）和不培土（CK）4 个处理，每个处理设3 次重复，共12 个试验小区，采用随机区组设计，每个小区面积为93 m2（15.5 m×6 m），每小区种植5 垄10 行。CK：覆盖带和种植带宽度均为60 cm，两带相间排列，播种时按行距60 cm，株距29 cm，每种植带播种2 行，生育期内不培土。M1：覆盖及种植方式同CK，现蕾期用锄头在植株旁边取土，每植株基部堆状培土。M2：覆盖及种植方式同CK，现蕾期用锄头在播种带两行植株间开沟、开沟上翻土条状堆积在植株旁。M3：先参照CK 的覆盖方式铺放秸秆，播种时采用犁或锄头在种植带上按行距60 cm 开10 cm 深的播种沟，然后将马铃薯播到种沟内，播后保留种沟，现蕾期用锄头或铁锹填平播种沟培土。各处理覆盖带均采用玉米整秆覆盖，每公顷的秸秆覆盖量约等于每公顷的全部玉米秸秆产量（秸秆干质量约9 000.0 kg/hm2），马铃薯收获后，采用旋耕机将经过腐化的秸秆粉碎还田。各处理播种时两行间植株纵向平行、横向错位种植，形成行间种植植株呈三角形布置，种植方式均为人工穴播种植，种植密度均为57 000株/hm2，全生育期无灌溉。

播种前7 天旋耕整地，整地时采用施肥机一次性将肥料均匀施入，后期不追肥，施肥量为磷酸二铵（N18%，P2O546%）326 kg/hm2，尿素（N46.4%）261 kg/hm2，整地后覆秸杆。各处理的田间管理方式与当地马铃薯常规种植的管理方式一致。2015 年播种日期为4 月23 日，收获日期为10 月2 日；2016 年播种日期为4 月13 日，收获日期为10 月18 日。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生长指标

分别在马铃薯开花期、块茎膨大期、淀粉积累期、收获期测定株高、结薯数、茎叶产量及马铃薯产量，测定时每小区随机选取5 株，结果取5 株的平均值。株高为地上茎基部到生长点的距离，用直尺测量。结薯数为块茎直径大于1 cm以上薯块的总个数。地上部茎、叶称完鲜质量后放入烘箱，105 ℃高温杀青30 min，再经85 ℃恒温烘干24 h 后得到茎叶干质量[21]，茎叶干质量计为秸秆产量。块茎产量为直径大于1 cm 以上薯块的总和，称完鲜质量后，切片放进105 ℃的烘箱中杀青30 min，再经85 ℃恒温烘干24 h 后得到。生物量为秸秆产量与块茎干质量的和。

1.3.2 土壤含水率

分别在马铃薯播种时及关键生育时期（苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期、收获期）按20、40、60、90、120、150、180、200 cm 从每小区种植带马铃薯植株间取样，土壤含水率用烘干法测定。

式中F 为土壤含水率，%；K1为土壤鲜质量，g；K2为土壤干质量，g。

1.3.3 土壤贮水量及生育期耗水量

土壤贮水量[8]：W=10H·D·F

式中W 为土壤贮水量，mm；H 为土层深度，cm；D 为土壤容重，g/cm3；F 为土壤含水率，%。

式中ET 为生育期耗水量，mm；W1为播前0～200 cm 土层土壤贮水量，mm；W2为收获后0～200 cm 土层土壤贮水量，mm；Pr 为马铃薯试验期间有效降水量，mm。

1.3.4 产量及水分利用效率

收获时，每小区任意选取1 行，人工挖掘15 株，统计每个块茎的鲜薯质量，依据单个块茎质量大于50 g 计为商品薯计算马铃薯商品薯率[24-25]。

收获时每公顷产量按3 次重复小区实际鲜薯产量的平均值折算。

产量水分利用效率为

式中WUE 为产量水分利用效率，kg/（mm·hm2）；Y 为马铃薯块茎产量，kg/hm2。

1.4 数据分析

使用Excel 2007 和SPSS 20.0 统计分析软件进行数据处理、方差分析、作图及统计分析，利用最小显著性差异（least-significant difference，LSD）法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同培土条件下土壤水分变化

2.1.1 全生育期土壤平均含水率

图2 为全生育期不同培土条件下0～200 cm 土壤平均含水率，处理间土壤含水率平水年无显著差异（P＞0.05），而偏旱年有显著性差异（P＜0.05）。偏旱年M1 及M3 显著高于M2。全生育期0～200 cm 土壤含水率偏旱年CK 与M1 及M3 差异不显著，但显著高于M2（P＜0.05）。

图2 2015 和2016 年全生育期0～200 cm 土层土壤平均含水率 Fig.2 Mean soil moisture in 0—200 cm during whole growing period in 2015 and 2016

2.1.2 土壤平均含水率动态变化

图3为不同处理0～200 cm土层平均含水率随生育进程的变化趋势。可以看出，各处理0～200 cm 土层含水率从播种到苗期呈上升的趋势，苗期至淀粉积累期呈下降趋势。与CK 相比，M1 平水年在块茎形成期（7 月24 日）差异最大，偏旱年在收获期（10 月18 日）差异最大；M2 平水年在块茎膨大期（8 月14 日）差异最大，偏旱年在收获期（10 月18 日）差异最大；M3 在2 个试验年份均为苗期（6 月8 日）差异最大。在生育阶段间土壤含水率变异系数平水年为9.85% （M1）、10.28% （M2）、13.50% （M3）、11.76%（CK），偏旱年为14.61%（M1）、17.01%（M2）、15.64%（M3）、12.40%（CK）。可见，平水年CK 较M1 及M2 加剧了生育时期间土壤水分变化；偏旱年CK 较M1、M2、M3 平抑了生育时期间土壤水分变化。

2.1.3 全生育期不同土层土壤平均含水率

图4 为不同土层全生育期土壤平均含水率的变化。可以看出，不同土层全生育期土壤平均含水率有显著差异（P＜0.05）。平水年各土层土壤含水率M3 略好于CK，M1及M2 多数土层与CK 相近。偏旱年0～60 cm 土层土壤含水率M1、M2、M3 与CK 相近，120～200 cm 土层M3 与CK 相近，显著高于M1 及M2，以M2 最低。处理间土壤含水率，平水年60 cm 土层差异最大，150 cm 土层差异最小；偏旱年90 cm 土层差异最大，20 cm 土层差异最小。 各处理土壤含水率与CK 的差异，平水年M1 在200 cm 土层最大，M2、M3 均在60 cm 土层最大；偏旱年M1、M2 均在180 cm 土层差异最大，M3 处理在90 cm 土层差异最大。

图3 2015和2016年0～200 cm土壤平均含水率随生育进程的变化 Fig.3 Change of mean soil moisture content in 0—200 cm with growth period in 2015 and 2016

图4 2015 和2016 年全生育期不同土壤平均含水率的变化 Fig.4 Change of mean soil moisture in different soil layers during whole growth period in 2015 and 2016

2.1.4 土壤含水率的时空变化

图5 为2 个生长季土壤水分时空变化。0～120 cm土层土壤含水率各处理在块茎形成期至淀粉积累期下降较快，而且平水年降幅大于偏旱年；各处理随生育进程的推进，150 cm 以下土层含水率变化明显小于150 cm以上土层。2 个生长季，各处理收获期表层土壤水分有明显上升趋势。M3 明显较CK 提高了苗期0～200 cm 所有测定土层的土壤含水率。处理间土壤含水率差异，平水年苗期20 cm 土层差异最大（M3 与CK），收获期150 cm土层差异最小（M1 与M3）；偏旱年淀粉积累期150 cm土层最大（M1 与M3），苗期60 cm 土层差异最小（M3与CK）。

图5 2015 和2016 年不同生育时期土壤水分时空动态变化 Fig.5 Spatial and temporal dynamic changes of soil moisture at different growth stages in 2015 and 2016

2.2 培土方式对产量及农艺指标的影响

2.2.1 马铃薯产量及水分利用效率

表1 为培土条件下马铃薯的产量及水分利用效率，由表可知，该试验条件下培土对产量有一定影响。与CK相比，平水年（2015 年）M1、M2、M3 较CK 降低马铃薯产量15.32%、23.83%、17.44%，以M2 降幅最大，偏旱年（2016 年）M1、M2 与CK 差异不显著，但M3 显著低于CK 7.85%。无论平水年还是偏旱年M1、M2、M3处理间马铃薯产量差异不显著。秸秆带状覆盖条件下，无论平水年还是偏旱年，M1、M2、M3 与CK 对马铃薯生育期耗水量的影响差异不显著，对水分利用效率的影响偏旱年不显著、平水年显著。平水年CK 分别较M1、M2、M3 提高水分利用效率20.10%、24.89%、17.07%，M1、M2、M3 之间差异不显著（P＞0.05）。

表1 培土条件下马铃薯的产量及水分利用效率 Table 1 Yield and water use efficiency of potato under earthing up condition

2.2.2 培土方式对主要农艺指标的影响

由表2 可知，培土方式对马铃薯产量结构因素、生长发育等主要农艺指标有一定影响。2 a 秸秆产量、收获指数，平水年的结薯数、株高，偏旱年的生物量处理间差异不显著（P＞0.05）； 2 a 的单薯质量、平水年生物量、偏旱年结薯数、商品薯率处理间差异显著（P＜0.05）。平水年 M2、M3较CK 降低了单薯质量、平水年CK 较M1 增加生物量35.26%、偏旱年CK 较M1 降低结薯数29.07%、提高商品薯率18.70%。从变异系数可知，培土处理2 a 均对生物量的影响最大、对单薯质量的影响次之。

表2 培土方式对马铃薯农艺指标的影响 Table 2 Effects of earthing up on agronomy index of potato

2.3 产量与主要农艺指标及土壤含水率的关系

由表3 可知，产量与单薯质量（r=0.83）极显著正相关，与结薯数相关不显著，表明产量结构因素中单薯质量对产量的影响最大。产量与秸秆产量（r=0.83）、生物量（r=0.71）显著正相关，表明不同培土方式下良好的营养生长量有利于马铃薯产量的提高。产量与株高（r=-0.59）显著负相关，表明不同培土方式下高株高不利于马铃薯产量的提高。进一步剖析营养生长指标对产量结构因素的影响表明，秸秆产量与单薯质量（r=0.84）显著正相关，与结薯数（r=-0.58）显著负相关；株高与单薯质量、结薯数相关不显著。表明提高营养生长量有利于提高产量结构因素中的单薯质量，降低结薯数。

由表3 知，马铃薯商品薯率与单薯质量（r =0.52）、生物量（r=0.52）显著正相关。表明该试验条件下，单薯质量及生物量对马铃薯商品薯率的影响较大。马铃薯耗水量与株高（r=0.81）、结薯数（r=0.65）显著正相关，与马铃薯产量（r=-0.35）相关不显著。WUE 与马铃薯产量（r=0.85）、秸秆产量（r=0.79）、生物量（r=0.58）、单薯质量（r=0.76）显著正相关，与耗水量（r=-0.80）显著负相关。表明降低马铃薯生育期耗水量、促进营养生长量能够提高马铃薯水分利用效率。

由表4 可知，不同培土方式下，马铃薯产量与多数时期土层土壤水分相关不显著，仅与块茎膨大期180～200 cm（0.60～0.64）、收获期180 cm（0.63）土层含水率显著正相关，淀粉积累期90 cm（-0.77）土层含水率显著负相关，表明在该试验条件下，块茎膨大期180～200 cm土层含水率升高有利于马铃薯产量的提高，淀粉积累期90 cm 土层土壤含水率的升高不利于马铃薯产量的提高。

表3 产量与产量结构因素及生长指标的相关分析 Table 3 Correlation analysis on potato yield, yield components and growth index

表4 产量与土壤含水率的相关分析 Table 4 Correlation analysis on yield and soil moisture

3 讨 论

中耕培土是生姜[26]、烤烟[27]、马铃薯[19]等作物获得高产的一种重要栽培技术。合理的培土方式、次数及时间对马铃薯生长发育有显著影响[19]。顾贺等[28-29]在半干旱地区的研究表明，微地形的变化对农田土壤水分有显著影响。本试验研究也得出类似的结论，M3 改变了培土前马铃薯播种至苗期的地面微地形，使马铃薯种植带形成小垄沟，有利于蓄积降水，尤其是偏旱年能提高播种至苗期0～200 cm 土层土壤含水率。现蕾期后不同培土方式对土层土壤含水率有显著影响；M3 较CK 显著降低了块茎膨大期0～40 cm 土层土壤含水率，M2 较CK 显著降低了块茎形成期40～60 cm 土层土壤含水率；表明现蕾期后培土，改变了地面微地形，增加了土壤蒸发表面积，同时培土过程对植株茎叶有一定的损伤，延缓植株封行，使农田土壤水分蒸发加剧，降低土壤含水率。另本试验得出，土壤含水率不是引起产量变化的主要原因，产量差异可能是不同培土方式在改变土壤水分的同时改变了土壤结构、土壤温度及植株根系等引起。

本研究表明，秸秆带状覆盖条件下，不论平水年还是偏旱年CK 马铃薯产量和商品薯率均最高，这与高中超等[18-19]的研究结论不一致，可能与培土时间及种植模式差异有关。本试验培土时间选在现蕾期（出苗后40 d）进行，该阶段植株分枝增多、匍匐茎开始生长，而且植株行距为60 cm，培土过程难免对植株根系、匍匐茎及地上茎叶有损伤，进而影响植株生长发育，抑制了植株生物量及单薯质量的提高，这与Tadele 等[30]研究结论基本一致。他们认为，马铃薯播深12 cm 出苗后15 d 培土有利于马铃薯生长及产量提高，而播深14 cm 出苗后45 d 培土，其马铃薯生长及产量与不培土种植无显著差异；Tadesse[31]研究也认为出苗后45 d培土与全生育期不培土的马铃薯植株主茎数、茎粗、株高、产量及商品薯率均无显著差异。

降水年型对农田土壤水分变化有显著影响[32-33]。本试验进行了2 a，其中2015 年为平水年、2016 年为偏旱年，不同培土方式在平水年全生育期土壤含水率无显著差异，偏旱年有显著差异，偏旱年CK 与M1 及M3 差异不显著，但显著高于M2（图2），偏旱年不同培土方式下60～200 cm 土层土壤含水率M3 与CK 相近，显著好于M1及M2，以M2 最低（图4）。赵彦茜等[32]在华北平原的研究表明年降水量越大，作物产量越高，本研究也得到类似的结论，2 个试验年份平水年的产量明显好于偏旱年，每年各处理的产量存在显著差异，但不论平水年还是偏旱年CK 均显著较M1、M2、M3 提高马铃薯产量。表明该试验条件下，秸秆带状覆盖种植马铃薯不需要培土。

从马铃薯种植实际考虑，秸秆带状覆盖马铃薯种植技术能够提高旱地作物产量，扩宽秸秆利用途径，提高秸秆资源利用率，减少秸秆焚烧现象，有利于改善农村生活环境，具有良好的推广应用前景。通过以上分析可知，在该试验条件下，CK 与M1、M2、M3 的蓄水保墒效应、全生育期平均含水率差异不明显，但平水年CK 较M1、M2、M3 显著提高了马铃薯的产量，同时CK 较M1、M2、M3 操作方便、省工省力，是一种较适合西北雨养农业区的马铃薯抗旱栽培技术。由于该试验结论是基于2个生长季、均在现蕾期后培土得出，培土时间较晚，其产量效应与前人的部分研究结论不一致，而且该试验2个试验年份降水年型不一致，有待于在更长时间尺度下分析其影响；还需进一步研究玉米秸秆带状覆盖条件下不同培土时间及不同降水年型对产量及土壤水分的影响，进一步完善和验证该试验结果。

4 结 论

1）该试验条件下培土对产量有一定影响。平水年（2015 年）M1、M2、M3 较CK 降低马铃薯产量15.32%、23.83%、17.44%，以M2 降幅最大，偏旱年（2016 年）M1、M2 与CK 差异不显著，但M3 显著低于CK 7.85%。产量主要由单薯质量、秸秆产量及生物量决定。

2）培土对水分利用效率的影响偏旱年不显著、平水年显著，平水年CK 分别显著较M1、M2、M3 提高水分利用效率20.10%、24.89%、17.07%，M1、M2、M3 之间差异不显著（P＞0.05）。

3）偏旱年土壤含水率以M2 为最低；M3 较CK 显著提高了苗期0～60 cm 土层土壤含水率，降低了块茎膨大期0～40 cm 土层土壤含水率；M2 较CK 显著降低了块茎形成期40～60 cm 土层土壤含水率。

4）该试验条件下，玉米秸秆带状覆盖种植马铃薯不需要培土。