不同复种油菜-轮作模式对马铃薯耗水特征及产量的影响

谭雪莲，郭天文，张平良，曾 骏，刘晓伟

(甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃省水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070)

合理的复种轮作是农田用地和养地相结合，提高作物产量和改善农田生态环境的一项行之有效的循环农业技术措施。西北黄土旱作区属于典型的一熟有余、两熟不足地区，夏休闲期长达110～130 d，降水量为250～390 mm，占全年降水量的50%～65%[1-2]，≥10℃积温1 600℃～2 900℃，因此，发展夏闲复种是提高光、热、水、土资源利用效率的有效途径[3]。我国著名油菜育种专家傅廷栋21世纪初开始在甘肃、宁夏、内蒙古、新疆、青海等西北五省推广小麦-饲用油菜复种技术[4]，饲用油菜是一种优质的生物肥源，种植并翻压绿肥能够有效提高土壤肥力水平和养分含量[5]，改善土壤理化性状，加速土壤腐殖质的形成，增加土壤中的总有机碳含量[6]。马铃薯是西北半干旱区主要粮食作物之一，随着2015年以来马铃薯主粮化战略的推进，马铃薯连作面积持续增加，连作年限逐渐延长，连作障碍日趋严重，制约了现代农业的可持续发展[7]。因此，通过调整和优化种植模式，提高马铃薯产量和品质，建立半干旱区马铃薯合理复种轮作模式，是实现该区马铃薯高产高效、生态环境友好的有效途径。研究发现，玉米-冬小麦-高粱轮作系统的产量和水分利用效率均比冬小麦连作提高23%～33%[8]。油葵-小麦/黄豆和小麦/黄豆-小麦轮作的水分利用效率较小麦-玉米轮作提高了30%～35%[9]。麦茬后复种饲草可以解决因季节性降水不平衡造成的土壤水肥亏缺等问题[10]，饲草引入作物轮作系统可增加土壤水分利用效率[11-12]，但对于马铃薯-小麦轮作系统夏休闲期插入饲料油菜对下茬马铃薯产量及水分利用效率影响的研究较少。因此，本研究在长期定位试验基础上，以马铃薯连作为对照，设置不同轮作复种绿肥模式，测定土壤含水量、产量等，计算阶段耗水量、耗水深度、水分利用效率等指标，以明确马铃薯轮作系统插入绿肥作物(油菜)的种植模式对马铃薯水分利用效率和产量的调控效应，为调整和优化种植结构，完善农作物轮作复种的农业理论体系，及提高连作退化耕地的可持续利用能力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于黄土高原丘陵沟壑区西部，平均海拔2 056～2 447 m，近年来成为甘肃省最大的马铃薯生产基地，也是全国重要的马铃薯良种繁育基地和马铃薯生产加工基地。试验设在定西市安定区团结镇唐家堡(104°29′～104°34′E，35°22′～35°25′N)，土壤类型为黄绵土，质地为粘壤，凋萎系数为7.2%，耕层土壤有机质11.18 g·kg-1，全氮1.41 g·kg-1，有效磷24.86 mg·kg-1，速效钾258.80 mg·kg-1，碱解氮30.61mg·kg-1。≥10℃积温仅为2 075℃，年平均蒸发量1 530 mm；年平均降水量400 mm，年际变率35%，7—9月份降水占全年的65%。

1.2 试验设计

试验设计如表1所示，2012年开始布设长期定位试验，采用随机区组设计，共设4个处理，分别为：马铃薯连作(CK)；马铃薯-小麦复种油菜-马铃薯(WPRP)；马铃薯-豌豆复种油菜-马铃薯(PPRP)；小麦-豌豆复种油菜-马铃薯(WPPR)。每个处理重复3次，小区面积48 m2(6 m×8 m)。每年播前所有处理统一施肥量，每公顷N∶P2O5∶K2O=210 kg∶90 kg∶60 kg，肥料种类为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%～16%)、氯化钾(含K2O 60%)。2017年所有处理均为马铃薯，品种为新大坪，密度3 500株·667m-2，宽窄行种植，宽行60 cm、窄行40 cm，株距35 cm，9月26日收获。

表1 试验设计及处理

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤含水量 在播前(2017年4月26日)、马铃薯块茎形成期(2017年6月16日)、块茎增长期(2017年7月3日)、淀粉积累期(2017年9月6日)、收获期(2017年9月26日)用烘干法测定0～200 cm土层土壤含水量，共分10个层次，每层次20 cm，每小区测定1次。土壤贮水量(mm)计算公式为：

SWS=WS·b·d

(1)

式中，WS为土壤质量含水量(g·kg-1)；b为土壤容重(g·cm-3)；d为土壤深度(cm)。

1.3.2 马铃薯耗水量和水分利用效率 马铃薯生育期耗水量(mm)计算公式为：

Wvi=ΔWiW+Pi

(2)

式中，Wvi为马铃薯第i个生育时期的耗水量；Pi为第i个生育时期的降水量；ΔWi为第i个生育时期的土壤供水量，即第i个生育期前与生育期后土壤贮水量的差值。

水分利用效率计算公式为：

(3)

ET(mm)=ΔSWS+P

(4)

式中，Y为马铃薯单位面积产量，ΔSWS为播前和收获后土壤贮水量的差值，P为生育期降水量。

1.3.3耗水深度

耗水深度(cm)=(SWSi-SWSb)/SWSi

(5)

式中,SWSi为某第i土层土壤含水量(%)；SWSb为播前对应土层土壤含水量(%)。当耗水深度<5%时，认为该土层土壤水分没有被耗散。

1.3.4 产量 马铃薯收获期按每个小区实收鲜薯重计产，然后折算成公顷产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件绘图，DPS 7.05统计软件对数据进行方差分析，LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 马铃薯-作物轮作模式下马铃薯0～200 cm土层土壤水分的垂直变化

图1为马铃薯块茎形成期(6月16日)、块茎增长期(7月3日)、淀粉积累期(9月3日)、收获期(9月27日)0～200 cm土壤水分剖面分布情况。各处理0～60 cm土壤含水量变化较大，且无显著规律。播前到块茎形成期降雨量较大，为94.7 mm，受此影响，各处理0～60 cm土壤含水量明显大于播前；60～180 cm土壤含水量WPRP和PPRP处理大于播前，且PPRP高于WPRP。块茎形成期到块茎增长期降雨量较少，此时正值马铃薯生长全盛时期，马铃薯耗水量大增，各处理0～60 cm土壤含水量小于播前，60～160 cm大于播前，与播前相比，WPRP、PPRP和WPPR各层平均土壤含水量分别提高了10.78%、11.83%、10.42%。由于7—8月降雨量较大，块茎增长到淀粉积累期各处理0～200 cm土壤含水量显著高于播前，土壤水分得以恢复，只有CK处理160～200 cm土壤水分含量和播前无差异，土壤深层水分没有得到补给；120～200 cm土壤各层含水量表现为：WPRP>PPRP>WPPR>CK；与播前相比，WPRP、PPRP和WPPR 0～200 cm各层土壤平均含水量分别提高了43.02%、38.58%、24.63%。淀粉积累期到收获期，马铃薯需水量减少，各处理0～200 cm土壤含水量显著高于播前，与播前相比，WPRP、PPRP和WPPR各层土壤平均含水量分别提高了36.47%、33.63%和21.43%。由于马铃薯连年种植，深层土壤水分出现上移，CK 160～200 cm土壤含水量和播前仍没有显著差异；120～200 cm土壤各层含水量表现为：WPRP>PPRP>WPPR>CK。说明马铃薯轮作系统引入饲用油菜增加了土壤降水入渗深度，有效补给了深层土壤水分。

2.2 马铃薯-作物轮作模式对马铃薯0～200 cm水分状况及耗水深度的影响

土壤水分状况与马铃薯生育期和当季降水量关系密切。表2所示，2016年马铃薯收获和夏休闲期复种油菜翻压后，受冬闲期土表直接蒸发失水的影响，2017年不同处理播前土壤贮水量无显著差异。播前到马铃薯块茎形成期，CK土壤贮水量较播前减少7.9 mm，耗水深度140 cm，WPRP贮水量增加8.7 mm，耗水深度140 cm，PPRP贮水量增加23.1 mm，耗水深度200 cm，WPPR贮水量减少0.2 mm，耗水深度120 mm，WPRP、PPRP、WPPR较CK土壤贮水量分别增加10.94%、13.53%和3.10%。马铃薯块茎形成到块茎增长期是决定马铃薯产量的关键时期，需水量最大，而降雨量仅为16.3 mm，抑制了地下块茎和根系的生长，CK、WPRP、PPRP、WPPR耗水深度分别为120、180、160、200 cm，WPRP、PPRP、WPPR较CK土壤贮水量分别增加14.61%、5.90%和8.55%。马铃薯进入淀粉积累期正值雨季，降雨达184.2 mm，CK、WPRP、PPRP、WPPR贮水量较播前分别增加了47.61、77.71、84.11、75.07 mm，耗水深度分别为140、200、200、200 cm，WPRP、PPRP、WPPR较CK土壤贮水量分别增加了10.36%、12.91%和8.49%，耗水深度分别增加了42.86%、42.86%、42.86%。马铃薯收获期地上茎叶枯萎率达60%，地下生殖生长基本停止，耗水量大大降低，耗水深度分别为160、200、180、180 cm，WPRP、PPRP、WPPR较CK土壤贮水量分别增加了12.56%、6.78%和2.95%，耗水深度增加了25.00%、12.50%、12.50%。由此可见，绿肥翻压还田加深土壤耕作层，增加孔隙度，使土壤苏松通气、透气、蓄水，与CK相比，WPRP、PPRP、WPPR马铃薯各生育阶段土壤贮水量和耗水深度均增加。

2.3 马铃薯-作物轮作模式对马铃薯阶段性耗水量的影响

如表3所示，马铃薯播种到块茎形成期，CK耗水量为102.6 mm，显著高于WPRP、PPRP、WPPR，PPRP耗水量最低，且与WPPR差异显著。由于此时期为马铃薯营养生长阶段，CK处理连年种植马铃薯，马铃薯地上部植株生长缓慢，地表覆盖度降低，从而加大了土壤水分的蒸发损失，而且CK耗水量大于当季降雨量，需要耗散土壤中的储蓄水分；WPRP和PPRP植株长势好，土壤水分耗散主要来自马铃薯叶片的蒸腾损失，耗水量小于降雨量。块茎形成到块茎增长期，马铃薯开花、茎叶增长和块茎膨大同时进行，需要消耗较多土壤水分，而降雨量仅为16.3 mm，各处理耗水量均大于降雨量，与CK相比，WPRP、WPPR耗水量分别减少了7.8 mm和13.5 mm，PPRP耗水量增加了21.5 mm。说明PPRP可促进马铃薯块茎形成到块茎增长期土壤耗水，PPRP耗水量较CK、 WPRP和WPPR分别增加了69.6%、126.7%、200.6%，此阶段越干旱，促进耗水作用越明显。块茎增长到淀粉积累期，马铃薯逐渐以生殖生长为主，耗水量逐日降低，由于此阶段气温为全年最高，日蒸发量大，土壤水分损失主要是蒸发耗散，与CK相比，WPRP、PPRP、WPPR耗水量分别减少了5.6、27.1、5.9 mm。淀粉积累期到收获期，茎叶开始衰老到植棵基部2/3左右，而WPRP茎叶枯黄相对较少，WPRP较CK耗水量减少了1.2 mm，PPRP、WPPR较CK耗水量分别增加了18.2 mm和15.4 mm。可见，WPRP植株生长旺盛，土壤水分蒸发耗散少，从马铃薯播种到收获期，WPRP马铃薯耗水量较CK分别减少了16.2%、25.2%、5.1%和26.09%。

表2 不同轮作模式对土壤贮水量和耗水深度的影响

表3 不同轮作模式对马铃薯阶段性耗水量的影响

2.4 马铃薯-作物轮作模式对马铃薯产量和水分利用效率的影响

不同种植模式对马铃薯产量、水分利用效率影响较大(图2)。WPRP、PPRP、WPPR马铃薯产量较CK分别增加33.51%、40.05%、14.47%，WUE分别提高54.83%、52.32%、19.78%。说明，WPRP、PPRP、WPPR马铃薯植株生长旺盛，促进了块茎产量形成，同时，减少了土壤水分棵间蒸发损失，进而提高了水分利用效率。

3 讨 论

西北半干旱区降水资源短缺，降水年际变频大且分布不均匀，全年降水量的一半主要集中在7—9月，夏休闲期采用绿肥覆盖不仅能使有限降水资源得到高效利用，提高土壤水分，减小地表径流，而且加速了土壤改良熟化程度[13-14]，增强了土壤微生物活性，促进了酶代谢[15]。作物轮作的多样化有利于缓解干旱。饲草和粮食作物轮作具有一定的蓄水保墒作用，能增加土壤的渗水保水特性，提高土壤水分含量。已有研究表明，草田轮作农田土壤水分显著高于苜蓿连作[16]，对农田土壤水分的恢复主要表现在120 cm土层以下[17]。本试验条件下，马铃薯块茎增长到淀粉积累期以及淀粉积累期到收获期，CK 160～200 cm土壤水分含量和播前无差异，而WPRP、PPRP、WPPR 0～200 cm土壤各层含水量均大于播前，且120～200 cm土壤各层含水量表现为：WPRP>PPRP>WPPR>CK。可见，马铃薯长期连作对深层土壤水分消耗多，土壤干燥化程度加深，不利于土壤水分恢复，这与王学春等[11]、李玉山[18]的研究结果一致。本研究采用不同轮作模式增加了土壤降水入渗深度，使土壤水分得以恢复，尤其是麦茬复种油菜可明显提高土壤保水能力。本研究中，马铃薯块茎增长期、淀粉积累期、收获期，WPRP轮作模式较CK土壤贮水量分别增加了14.61%、10.36%、12.56%且差异显著，可能是因为作物根系分布深度不同，避免了作物连作耗水深度叠加效应，促进了土壤水分的蓄积。

油菜和冬小麦轮作，对后茬冬小麦土壤含水量影响较小，且可提高后茬作物对土壤深层水分的利用[19-20]。本试验条件下，马铃薯块茎形成到块茎增长期CK、WPRP、PPRP、WPPR耗水深度分别为120、180、160、200 cm，淀粉积累期 CK、WPRP、PPRP、WPPR耗水深度分别为140、200、200、200 cm，收获期耗水深度分别为160、200、180、180 cm。饲用油菜为前茬的轮作模式和马铃薯连作相比，明显增加了土壤耗水深度，这与上述研究结论一致[19-20]。

油菜秸秆全量还田，降低土壤容重，改善土壤团粒结构，增加土壤透水性，增加土壤保水能力[21]，提高后作冬小麦的产量和水分利用效率[13,20]。本试验条件下，WPRP、PPRP、WPPR马铃薯产量较CK分别增加了33.51%、40.05%、14.47%，WUE分别提高了54.83%、52.32%、19.78%。

4 结 论

马铃薯-小麦复种油菜-马铃薯轮作(WPRP)、马铃薯-豌豆复种油菜-马铃薯轮作(PPRP)以及小麦-豌豆复种油菜-马铃薯轮作(WPPR)增加了120～200 cm土层降水入渗深度，有效补给了深层土壤水分，增加了土壤贮水量和耗水深度，减少了马铃薯阶段性耗水量，提高了产量和WUE。WPRP较PPRP，WPRP对增加土壤降水入渗深度、减少马铃薯阶段性耗水量、提高WUE效果更佳。把饲用油菜引入黄土高原轮作系统，充分挖掘了黄土高原旱作区马铃薯的水分生产潜力，对促进马铃薯产业健康和可持续发展具有深远意义。