覆盖方式对旱地不同熟性马铃薯产量及土壤水分的影响

马建涛，程宏波，柴守玺，王仕娥，高甜甜，常磊，丁伟

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学 生命科学与技术学院，甘肃 兰州 730070)

甘肃省中部地处我国黄土高原干旱半干旱区，该区降水少且时空分布不均，水分亏缺限制了该区的农业生产[1-3].马铃薯是甘肃省主要的栽培作物之一，目前，甘肃省马铃薯主要以覆膜栽培为主，该技术具有良好的蓄水保墒，阻绝地面蒸发，提高水分利用效率的作用，能显著提高旱地马铃薯产量[4-5].但覆膜栽培保蓄水分的同时也显著提高了土壤温度，马铃薯性喜凉，较高的土壤温度不利于马铃薯块茎膨大及淀粉积累，块茎生长期高温高湿环境并存极易诱发马铃薯病害爆发，造成马铃薯大面积减产[6-7].此外，随着地膜使用量的增加，其产生的负面效应已引起了社会各界对旱地农业可持续生产的广泛关注和担忧[8-9].

秸秆覆盖与地膜覆盖具有相似的蓄水保墒作用，已有研究表明[10-14]，秸秆覆盖技术具有保蓄水分，抑制土壤水分蒸发、调节土壤温度、改善作物生长微环境的作用，同时秸秆覆盖能显著提高作物产量.有研究显示，秸秆覆盖模式能显著提高马铃薯的水分利用效率、产量和商品薯率[15-17].此外，秸秆覆盖在规避了残膜污染的同时也解决了大量秸秆资源剩余的问题，符合秸秆资源化利用及绿色农业发展的要求[18-19].

地膜覆盖和秸秆覆盖技术种植均具有增加产量和提高水分利用效率的作用，已在马铃薯、小麦等作物种植中取得成功，但以往的研究多局限于单品种覆盖种植，而针对不同熟性品种的研究相对较少.为此，本研究在甘肃省中部马铃薯主产区，以传统露地平作种植为对照,研究不同覆盖方式对马铃薯不同熟性品种土壤水分及产量和产量要素的影响,以期探讨不同覆盖方式对旱地马铃薯产量和土壤水分的调控机制，为甘肃省旱地马铃薯高产稳产栽培及绿色农业发展提供理论依据和技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学旱作循环农业试验示范基地进行.该地海拔1 750 m,年均气温7.2 ℃,年日照时数2 096 h,无霜期120～170 d,属中温带半干旱气候.作物一年一熟,为典型旱地雨养农业区.多年平均年降水量为390.7 mm,且60%以上集中在6～9月，试验区早熟(early maturing cultivar,EMC;‘LK99’)、中熟 (medium maturing cultivar,MMC;‘克新1号’)和晚熟 (late maturing cultivar，LMC；‘青薯9号’)品种全生育期多年平均降水量分别为201.9、242.4、272.0 mm.试验年度试区降水量分布见图1，早、中、晚熟马铃薯全生育期有效降水(≥5 mm)分别为303.6、343.9、348.1 mm，分别较多年平均降水高50.4%、41.9%和28.0%，试验年度降水充沛，属丰水年.试验区土壤为黄绵土,0～20 cm土层平均容重为1.25 g/cm3；土壤有机碳含量为5.52 g/kg，氮含量为0.65 g/kg，有效磷含量为10.63 mg/kg，可用钾含量为107.1 mg/kg，pH为8.5.

图1 马铃薯生育期内降水变化Figure 1 Dynamics of precipitation during the whole growth period of potato

1.2 试验设计

试验采取单因素随机区组设计，分别以早熟、中熟和晚熟马铃薯典型代表品种‘LK99’、‘克新1号’和‘青薯9号’为试验材料，均设3个栽培处理，分别为秸秆带状覆盖平作(T1)、地膜覆盖(T2)和露地平作(CK),小区面积120 m2(20 m×6 m),3次重复,各处理如下：

秸秆带状覆盖平作 (T1):播前分秸秆覆盖带和种植带各60 cm,相间排列.秸秆覆盖带采用玉米整秆覆盖,覆盖量约5.5×104株/hm2,折合秸秆风干重9×103kg/hm2,约等于当地1 hm2旱地玉米秸秆生产量;每种植带在距离秸秆边缘10 cm处按“品”字型穴播2行马铃薯，行距40 cm，株距30 cm.

地膜覆盖 (T2):大垄宽80 cm,高10 cm,小垄宽40 cm,高15 cm,大垄中间预留10 cm渗水带,用土压实连接.使用黑色塑料地膜 (幅宽120 cm,厚度0.01 mm) 沟垄覆盖,在大垄两侧10 cm位置呈“品”字型穴播2行马铃薯，种植行距为60 cm,株距为30 cm.

露地平作 (CK)：露地平作,播种时按60 cm等行距呈“品”字形种植,株距30 cm.

播种前7 d旋耕整地，将纯氮(N)180 kg/hm2、纯磷(P2O5)150 kg/hm2于旋耕整地、覆膜覆秆前一次性均匀施入，后期不再追肥.不同处理各品种播种密度均为5.55×104株/hm2(合667株/小区).

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量的测定 由于不同熟性马铃薯除播种期、出苗期和块茎形成期外，块茎膨大至淀粉积累阶段无严格界线，本研究为了便于比较不同熟性马铃薯在同一时间的土壤水分状况，各处理分别在马铃薯播种前1 d(4月18日)、苗期(5月25日)、薯块形成期(6月10日)、淀粉积累期(7月14日)和各品种马铃薯收获期(8月5日、8月25日、9月1日),用直径0.05 m土钻从马铃薯种植行中间取土样，设0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200 cm 8个取样土层，用烘干法测定土壤含水量.

1.3.2 土壤贮水量的计算

W=h×ρ×ω×10

式中，W为土壤贮水量(mm)；h为土层深度(cm)；ρ为土壤容重(g/cm3)；ω为土壤含水质量分数(%).

1.3.3 产量测定 马铃薯完全成熟后,每个小区随机选取15株进行室内考种，依据单块茎鲜质量分为3个等级:大(>150 g)、中(75～150 g)和小(<75 g)，分别调查每个等级薯的个数并称质量,进行产量构成分析.调查单株结薯数和单株薯质量,计算商品薯率,商品薯率(%)=(单薯鲜质量75g以上的产量/马铃薯总产)×100%;收获时按小区测实产,取3次重复的平均值折算每公顷产量.

1.3.4 农田耗水量的计算

ET=(W1-W2)+P

式中，ET为作物生育期耗水量(mm),P为作物生育期≥5 mm有效降雨量，W1、W2分别为播前和收获时的土壤贮水量(mm).

1.3.5 水分利用效率的计算

WUE=Y/ET

式中，WUE为水分利用效率(kg/(mm·hm2)),Y为马铃薯产量(kg/hm2),ET为农田耗水量(mm).

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理和作图，IBM SPSS 20.0软件采用LSD法进行差异显著性检验.

2 结果与分析

2.1 覆盖对产量和水分利用效率的影响

2.1.1 覆盖对产量的影响 由表1知，覆盖显著提高了各熟性马铃薯的鲜薯和干薯产量，平均增产率地膜覆盖(T2)>秸秆覆盖(T1)；品种间鲜薯平均增产率为早熟>中熟>晚熟，干薯则为中熟>早熟>晚熟.具体来看，T1处理下早、中、晚熟品种鲜薯分别较CK增产23.8%、21.8%和13.7%；T2处理各

品种鲜薯依次较CK增产44.5%、39.8%和24.7%，处理间差异均达到显著水平(P<0.05).T1处理干薯增产率以早熟品种最高(32.3%)，中熟(21.6%)和晚熟(24.5%)相近；T2以中熟(51.4%)最高，其次为早熟(32.9%).

覆盖显著提高单薯质量和商品薯率，但覆盖材料间差异不显著，品种间单薯增重率以晚熟品种(33.6%)最高，中熟品种(20.6%)和早熟品种(18.2%)相近；商品薯率则以早熟和晚熟品种提高幅度较大，分别提高11.6%和10.5%，中熟品种提高幅度较小.由处理间变异系数(CV)可见，覆盖主要影响早熟、中熟和晚熟品种的单薯质量，进而影响产量，CV值分别为10.5%、10.6%和15.8%.相关分析表明，单薯质量与鲜薯、干薯产量的相关系数分别为0.919**和0.927**，而单株结薯数与鲜薯产量和干薯产量相关均不显著，相关系数依次为0.640和0.584.可见，覆盖增产的主要原因是增加了单薯质量.

2.1.2 覆盖对耗水量及水分利用效率的影响 由表2知，覆盖处理(T1、T2)显著降低马铃薯耗水量(ET)，早、中、晚熟品种耗水量分别减少17.0%、9.1%、15.7%，其中仅早熟品种T1处理较T2显著减少耗水14.4%，中、晚熟品种覆盖材料间差异不显著.不同覆盖方式下早、中、晚熟品种块茎含水率分别为76.5%～79.7%、80.0%～81.5%和76.7～79.3%(表1).因此，处理间鲜薯产量差异主要在于覆盖对干物质积累的影响.由表2可见，与CK相比，T1处理使早、中、晚熟品种干薯水分利用效率(WUED)分别提高73.8%、34.3%和50.8%；T2处理的WUED则依次提高48.8%、63.8%和42.5%.可见，秸秆带状覆盖在早熟和晚熟品种上WUED高于覆膜，在中熟品种上低于覆膜.

表1 不同覆盖处理对马铃薯产量及产量构成因素的影响(n=3)

T1:秸秆带状覆盖平作;T2:地膜覆盖;CK:露地平作.同一品种下，同列数据不同字母表示差异显著(P<0.05).

T1：Alternating the strips mulched with whole maize straw and bare plots with no ridges;T2：Alternating large and small ridges mulched with black plastic film;CK：Flat-planting without mulching.Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

相关分析表明，马铃薯产量与耗水量高度负相关，与水分利用效率高度正相关.耗水量与鲜薯、干薯产量的相关系数分别为-0.671*和-0.755*；水分利用效率与鲜薯、干薯产量的相关系数分别为0.949**和0.959**.可见，覆盖主要通过降低农田耗水量来提高产量和水分利用效率.

表2 不同覆盖处理马铃薯的耗水量和水分利用效率

WUEF：鲜薯产量水分利用效率;WUED:干薯产量水分利用效率.T1:秸秆带状覆盖平作;T2:地膜覆盖;CK:露地平作.同一品种下，同列数据不同字母表示差异显著(P<0.05).

WUEF:Fresh potato water use efficiency;WUED:Drying potato water use efficiency.T1：Alternating the strips mulched with whole maize straw and bare plots with no ridges;T2：Alternating large and small ridges mulched with black plastic film;CK：Flat-planting without mulching.Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

2.2 覆盖对土壤水分的影响

2.2.1 全生育期0～200 cm土层土壤贮水量的变化 由图2可见，覆盖显著提高各品种全生育期0～200 cm土层平均贮水量，且两种覆盖材料在同一品种间无显著差异，主要原因是不同熟性品种生育期长短不一致，加之中、晚熟品种后期有较大的降水补充(图1).覆盖对各品种的增墒幅度以晚熟品种最高，平均较CK增墒11.3%，其次为中熟品种(7.9%)，早熟增墒幅度最低(5.2%).

图2 马铃薯全生育期0～200 cm土壤平均贮水量Figure 2 Soil water storage in 0～200 cm soil depth with different mulching patterns during the potato whole growth period

2.2.2 不同时期0～200 cm土层土壤平均含水量的变化 由图2可见，早熟和中熟品种0～200 cm土体含水量随生育期的推进总体呈现出先升后降的变化，各时期含水量以播种期最低，淀粉积累期最高；晚熟品种则先降后升再降，含水量最低值出现在薯块形成期，最高值出现在淀粉积累期.各品种土壤含水量时期间波幅以早熟品种最大(4.7%)，晚熟(4.0%)和中熟(3.6%)品种相近.品种间土壤含水量时期间波动(CV值)与波幅表现一致.

覆盖对各品种各时期0～200 cm土体含水量在各生育时期基本表现为增墒效应，各时期增墒幅度基本表现为晚熟>中熟>早熟.早熟和中熟品种的增墒幅度随生育期推进而增加，全生育期增墒幅度分别为0.1%～0.5%、0.1%～0.7%；晚熟品种在播种期覆盖含水量平均较CK低0.1%，苗期～收获期增墒幅度相近为0.6%～0.7%.两种覆盖方式对各品种具体时期的增墒表现有明显差异.早熟品种中，T1在收获期增墒幅度显著高T20.6%，其他时期则相近；晚熟品种中，播种期和收获期增墒幅度相近，而苗期、薯块形成期、淀粉积累期，T2增墒幅度显著高于T10.6%、0.3%、0.6%；中熟品种两种覆盖处理在各时期的增墒幅度相近.

比较各品种覆盖处理间CV值可见，早熟和中熟品种覆盖处理间差异随生育期推进而加大，均表现为播种期～苗期(2.5%、3.0%)<薯块形成期～淀粉积累期(3.9%、4.8%)<收获期(5.9%、7.5%)，晚熟品种则处理间差异以播种期最小(1.4%)、苗期最大(9.0%)，薯块形成期～收获期处理间差异相近，CV值为6.6%～7.8%.

覆盖加剧早熟、中熟品种土壤含水量各时期间的波动，且覆盖方式间加剧程度相近，早熟品种T1、T2、CK各时期间CV值分别为14.4%、14.8%和13.3%，中熟品种分别为10.8%、10.1%和9.0%.晚熟品种3个处理的CV值相近(10.7%～11.0%)，即覆盖对晚熟品种土壤含水量时期间波动无明显影响.

SW：播种期；BD:苗期；TI:薯块形成期；SA：淀粉积累期；MT：成熟期.SW：Sowing;BD:Budding；TI：Tuber initiation;SA：Starch accumulation;MT：Maturation stage.图3 不同生育时期0～200 cm 土层含水量Figure 3 Soil moisture content in 0～200 cm soil depth with different mulching patterns in different growth stage

2.2.3 全生育期不同土层土壤平均含水量的变化 全生育期各处理不同土层含水量随土层加深呈先升后降趋势，以90～120 cm土层含水量最高，180～200 cm土层最低.各品种土壤含水量土层间波幅以早熟品种(5.9%)较大，其次为中熟品种(4.9%)，晚熟品种(3.6%)波幅最小.品种间土壤含水量土层间波动(CV值)与波幅表现一致(图3).

覆盖对各品种各土层基本表现为明显的增墒效应，但土层间增墒表现因品种而差异较大.早熟品种增墒幅度随土层加深呈先增后降趋势，上层(0～60 cm)、中层(60～120 cm)、下层(120～200 cm)依次较CK增加0.4%、-0.1%和0.4%；中熟品种随土层加深而下降，各土层增墒幅度依次为0.7%、0.5%和0；晚熟品种则相反，各土层增墒幅度依次为0.3%、0.6%和0.6%.覆盖材料对各品种各土层的增墒表现也存在较大差异，早熟和中熟品种中，T1与T2差异主要表现在下层土层，T2增墒幅度分别高于T10.9%和0.6%；晚熟品种则主要表现在上层土层，T2增墒幅度高于T11.0%.

比较各品种覆盖处理间CV值可见，早熟品种各土层覆盖处理间差异以下层土体较大，平均CV值为6.8%，上层和中层土体较小，CV值分别为4.9%、3.0%；中熟品种各土层处理间差异随土层加深而加大，CV值表现为上层(7.5%)>中层(5.8%)>下层(3.9%)；晚熟品种中层和下层差异较大，CV值为6.8%和8.2%，上层则较小为4.9%.

覆盖平抑了早熟品种土壤含水量土层间的波动，早熟品种平抑效果T2>T1，早熟品种 T1、T2、CK土层间CV值分别为17.3%、14.0%和18.4%，中熟和品种晚熟品种处理间的CV值分别为9.6%～17.6%和8.0%～13.2%，即覆盖对中熟和晚熟品种土壤含水量土层间波动无明显影响.

SW：播种期；BD:苗期；TI:薯块形成期；SA：淀粉积累期；MT：成熟期.SW：Sowing;BD:Budding;TI：Tuber initiation;SA：Starch accumulation;MT:Maturation stage.图4 全生育期不同土层土壤含水量Figure 4 Soil water content in 0～200 cm soil profile with different cultivation patterns during the whole growth period

2.2.4 土壤含水量的时空变化 对土壤含水量时空动态分析表明，覆盖对各品种不同时期不同土层的含水量具有增墒或降墒的双重效应(图5).统计每个品种各覆盖处理5个时期8个土层共40个测定点次较CK增墒的点次比例可见，品种间以晚熟品种的增墒点次比例最高，T1、T2的增墒点次比例分别为87.5%和90%；早熟和中熟品种较低，早熟品种T1、T2增墒点次比例分别为62.5%和77.5%，中熟品种则均为75%.覆盖处理较CK的降墒点次出现的具体时期、具体土层品种间差异较大，但各品种在播种期均有分布，降墒幅度基本表现为T1>T2，具体分布土层不同.早熟品种60 cm以下各土层均较CK明显降墒，60～120 cm土层T1、T2分别降墒1.7%和3.0%，120～200 cm土层分别降墒3.9%和0；中熟品种则主要在120 cm以下土层，T1、T2分别降墒2.8%和1.5%；晚熟品种主要在0～60 cm土层，T1、T2分别降墒3.9%和2.8%.

各时期各土层处理间差异表现(CV值)因品种差异较大.总体来看，早熟品种各时期处理间差异基本以60～120 cm土层最小，在播种期至薯块形成期以0～60 cm最大，淀粉积累期至收获期则以120～200 cm土层最大；处理间最小极差出现在薯块形成期 60～90 cm土层的T1和T2之间(0.2%)，最大极差出现在淀粉积累期 120～150 cm土层的T2与CK之间(6.4%).中熟品种在苗期、淀粉积累期各土层处理间差异随土层加深而增大，其他各时期处理间差异基本随土层加深而减小；处理间最大极差值出现在收获期20～40 cm 土层的T1与CK之间(4.9%)、最小极差值出现在薯块形成期120～150 cm土层的T1和T2之间(0.4%).晚熟品种各时期各土层处理间差异总体较大，全生育期最大极差值出现在淀粉积累期 90～120 cm土层的T2和CK之间(5.1%)，仅个别时期个别土层处理间差异较小，如播种期的20～40 cm和180～200 cm土层和淀粉积累期的0～20 cm土层，全生育期最小极差值出现在播种期 20～40 cm土层的T1和T2之间(0.2%).总体来看，各品种处理间最小差异均出现在两种覆盖材料间，最大差异均出现在地膜覆盖与露地之间，即半干旱区雨养条件下覆盖具有突出的保墒作用，但在降水偏多年分，覆盖材料之间保墒增墒效果相似.

3 讨论

土壤水分状况的好坏对作物的生长发育及高产稳产具有决定性作用，降低作物棵间蒸发，充分利用自然降水是实现旱地作物高产稳产的根本途径.有研究发现[5,14]，地表覆盖能明显抑制土壤水分蒸发，提高水分利用效率，进而显著提高产量.高世铭等[20]和赵天武等[21]研究表明，垄沟覆盖种植可改善0～80 cm土层土壤贮水量，提高了马铃薯的出苗率，产量显著高于露地种植.本研究中，覆盖通过改善土壤各生育时期水分状况而影响马铃薯生长，特别是增加单薯质量，提高大、中薯率，进而实现增产19.2%～30.8%，水分利用效率提高34.3%～73.8%.

SW：播种期；BD:苗期；TI:薯块形成期；SA：淀粉积累期；MT：成熟期.SW：Sowing;BD:Budding;TI:tuber initiation;SA:starch accumulation;MT:maturing.图5 不同生育时期0～200 cm土层的土壤含水量Figure 5 Soil water content in 0～200 cm soil profile with different cultivation patterns in different growth stage

本研究表明，覆盖种植相比于露地能有效改善土壤水分状况，这与李辉等[11]、王亚宏等[22]的研究结果基本一致.但李辉等[11]的研究表明，在干旱及平水年秸秆带状均较地膜覆盖和露地种植显著提高马铃薯土壤含水量，本研究中秸秆带状覆盖与地膜覆盖增墒效果相似，其原因主要在于两种覆盖材料的增墒机制不同.全膜覆盖相当于对地面进行全封闭覆盖，将土壤水分的蒸发耗散降至最低，秸秆带状覆盖是对地表进行半覆盖，土壤蒸发量肯定大于地膜覆盖，但同时可以对生育期降水进行蓄集，秸秆纤维化结构又可以暂时储存降水，使其缓慢入渗至土壤，因此在平水和干旱年分增墒效果好于地膜，而在丰水年播前储水较充沛的情况下，秸秆的蓄水增墒优势则有所削弱.

地膜覆盖技术在马铃薯种植中增产效果显著，但地膜残留会造成严重的土壤污染[23-24].甘肃省目前玉米种植面积超过47万hm2，用作饲料的秸秆不足20%，大部分秸秆被堆放闲置、焚烧，造成了严重的环境污染以及资源浪费[25].秸秆覆盖种植作物可有效减少残膜带来污染问题，同时也是秸秆资源化利用的有效技术.目前秸秆覆盖种植常采用全地面均匀覆盖方式，但已有研究表明，全地面均匀覆盖会使土壤温度降幅过大而影响小麦[26-29]、玉米[30]等喜温作物出苗，抑制营养生长存在减产风险.与小麦、玉米不同，马铃薯为喜凉作物，秸秆全地面均匀覆盖可较露地种植显著增产5%以上[22，31-32].秸秆全地面覆盖一方面要求秸秆资源量较多，一般需要1.35×104～1.5×104kg/hm2，较带状覆盖多50%左右；另一方面全地面覆盖一茬一用，在机械收获时需将秸秆全部移出地块，而带状覆盖则可以保留秸秆收获，下茬免耕种植其他作物，实现“一次覆秆，多茬利用”，减少耕种和收获环节的劳动力投入.因此，秸秆带状覆盖更符合保墒增产及轻简化生产要求.

4 结论

秸秆带状覆盖和地膜覆盖均能降低马铃薯全生育期农田耗水量，两种覆盖方式在马铃薯各生育期的增墒效果相似.与露地平作相比，秸秆覆盖和地膜覆盖能大幅提高不同熟性马铃薯块茎产量(鲜薯和干薯产量)和水分利用效率(鲜薯和干薯产量水分利用效率)，增产幅度地膜覆盖大于秸秆覆盖.覆盖增产的主要原因是显著增加单薯质量，两种覆盖方式下早、中、晚熟马铃薯单薯质量分别比CK增加10.6、19.9和26.4 g.与传统地膜覆盖种植相比，秸秆带状覆盖是秸秆资源化利用的有效途径之一，具有操作简单、环境友好的特点，符合现代农业“清洁生产”理念，在秸秆资源丰富地区可选择使用.