不同地表覆盖方式对松花菜土壤温度、产量和水分利用的影响

吕 剑 李金武 郁继华 颉建明 冯 致 张国斌 刘 娜 王俊文

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃兰州 730070)

农田地表覆盖技术因具有良好的保水保墒效果而被广泛应用于农作物生产[1]。农业生产中常用的地表覆盖材料有地膜、秸秆和砂石等，其中地膜覆盖应用面积最大，已有大量研究证实其在提高土壤温度、土壤蓄水量，减少水分蒸发流失和增加作物产量等方面的有益作用[2－4]；而秸秆全覆盖、秸秆带状覆盖和秸秆＋地膜二元覆盖等多种覆盖方式多被应用于小麦、马铃薯等粮食作物[5－6]以及果树[7]和设施蔬菜[8]的种植上，在露地蔬菜种植上的应用却鲜有研究。目前，甘肃省高原夏菜生产大多数采用半膜覆盖，行间地表蒸发带走了大量水分和热量，影响近地表的温度和水分的散失；此外，残留地膜在土壤中难以分解，易造成土壤污染和土壤肥力下降[9－10]。研究发现，秸秆覆盖在不同季节表现出“保温、降温”的良好调温效应，同时具有抑制土壤水分蒸发、增强土壤缓冲性能、提高土壤微生物多样性、增加土壤养分含量、提高作物产量等作用[11－13]。因此，秸秆地表覆盖可弥补地膜覆盖的不足，修复地膜残留造成的土壤污染，降低灌溉水消耗，为作物的生长发育创造良好的土壤环境，且其能充分利用农业废弃物资源，促进循环农业的可持续发展[14]。

高原夏菜是利用西北地区高原夏季气候凉爽、光照充足、昼夜温差大的特点，在高海拔地区生产的品质优良的蔬菜[15]，可以解决东南沿海城市6 ― 10月份蔬菜供应不足的问题[16]。松花菜，又名散花菜，因其花球松散、口感好、品质佳而深受广大消费者青睐[17]，由于其市场价格高于普通花椰菜，经济价值高，已成为甘肃省高原夏菜的主要种类之一[18]。2019年榆中县玉米种植面积达1.69 万hm2，但大量的玉米秸秆被焚烧和丢弃[19－20]，不仅造成了资源的浪费，而且严重污染了大气环境；另外，榆中县地属于黄土高原半干旱区，年平均降水量约为300～500 mm，水土流失严重，水资源严重缺乏[21]。因此，水分不足和农作物秸秆的不合理利用成为制约该地区农业健康可持续发展的主要限制因素。榆中县作为甘肃省高原夏菜主产区，大面积种植松花菜，常年使用地膜，致使环境污染严重。为此，在单一地膜覆盖的基础上探寻一种保水保温效果好、成本低、无污染的地表覆盖技术，对该地区露地蔬菜产业的环境友好型可持续发展具有重要意义。本试验通过研究不同覆盖方式对春、秋两茬松花菜生长发育、土壤温度、及水分利用效率的影响，以期为该地区绿色高产的地表覆盖种植技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试作物为松花菜(Brassica oleraceavar.botrytisL.)，品种为翡翠9 号，由台南市奇珍种子公司生产。试验于甘肃省兰州市榆中县清水驿乡(35°87′N，104°23′E)稠泥河村进行，采用一年两茬模式(春茬、秋茬)，春茬试验于2019年4 ― 6月进行，秋茬试验于2019年7 ―9月进行。该地平均海拔1 790 m，年平均气温6.6℃，无霜期100～140 d 左右，多年平均年降水量约为300～400 mm，年蒸发量1 343.1 mm，属于半干旱地区。供试土壤基本理化性质:容重1.45 g·cm－3，全氮含量0.16 g·kg－1，全磷含量0.72 g·kg－1，全钾含量22.42 g·kg－1，速效磷含量107.34 mg·kg－1，速效钾含量91.20 mg·kg－1，pH 值7.98，电导率510 μS·cm－1。

1.2 试验设计

试验共设置5 个处理，露地无覆盖(CK1):地表无覆盖物种植；地膜覆盖(CK2):地膜覆盖于种植带上，沟中无覆盖；地膜＋秸秆行间覆盖(T1):地膜覆盖于种植带上，沟中覆盖玉米秸秆；秸秆行间覆盖(T2):种植带无覆盖，沟中覆盖玉米秸秆；秸秆全覆盖(T3):小区全表面积覆盖玉米秸秆。采用随机区组排列，每处理3 次重复，共15 个小区，小区面积52.8 m2(8.8 m×6 m)。所有处理均采用一垄双行的种植，垄宽70 cm，沟宽45 cm，株距60 cm，行距45 cm。秸秆均为自然风干的玉米秸秆，整杆沿行向铺设，T1、T2、T3 秸杆覆盖量均为6 000 kg·hm－2。秋茬试验续用春茬地膜和秸秆，试验地示意图如图1所示。

图1 松花菜田间种植示意图Fig.1 Schematic diagram of loose-curd cauliflower planting patterns

本试验各小区施肥量相同，其中春茬试验施肥量为370.50 kg·hm－2N、414.60 kg·hm－2P2O5、256.80 kg·hm－2K2O；秋茬施肥量为122.57 kg·hm－2N、220.86 kg·hm－2P2O5、124.25 kg·hm－2K2O。灌水方式采用传统大水漫灌，灌水下限统一设定为田间持水量的60%，灌水上限为田间持水量的95%，采用烘干法监测垄沟交界处的土壤含水量到达灌水下限时开始灌水。根据公式计算灌水量[22]:

式中，M 为计划灌水量，m3；S 为试验小区面积，m2；r 为土壤容重，kg·m3；h 为计划湿润层深度，m；Q为最大田间持水量，%；ρ 为土壤湿润比；Q1和Q2分别代表灌水上限和下限(田间持水量百分比)。

1.3 测定项目与方法

株高、茎粗、叶面积的测定:在松花菜的莲座期、结球期和采收期分别用钢卷尺测量从植株茎基部到花球顶部的距离为株高，用游标卡尺测定茎基部茎粗，用钢圈尺测量叶片长度和叶片宽度，并根据公式Y ＝－14.721 1＋0.876 3(L×W)计算其叶面积[23]，其中，Y为叶片面积，L 为叶片长度，W 为叶片宽度。

地温测定:采用HY－1 型直角地温计测定松花菜株间土壤温度，分别于苗期、莲座期、结球期和采收期选择干燥晴天于8:00―8:30、14:00―14:30 和17:30―18:00 测定5、10、15、20 和25 cm 处的地温，取3次读数的平均值作为日平均值。

产量和水分利用率(water use efficiency，WUE)测定:各小区随机取20 个花球，用电子天平称量整株重量和花球重量，求每小区的生物产量和经济产量，并折算成公顷的生物产量和经济产量。根据公式计算WUE:

式中，Y 为作物产量，kg·hm－2；IM 为生育期总灌水量，m3·hm－2。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016、Origin 2017 和SPSS 20.0 统计软件进行数据处理和分析，采用Duncan 新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同地表覆盖方式对松花菜株高的影响

由图2可知，春茬莲座期，地膜＋秸秆行间覆盖处理(T1)株高同露地无覆盖处理(CK1)、地膜覆盖处理(CK2)无显著差异；结球期，T1 株高与CK2 无显著差异，且较CK1、秸秆行间覆盖(T2)和秸秆全覆盖(T3)分别显著提高22.9%、15.3%和17.4%；采收期，CK2株高最大，为20.74 cm，与T1 无显著差异，但显著高于其他处理。

图2 不同处理对松花菜株高的影响Fig.2 Effect of different treatments on plant height of loose-curd cauliflower

秋茬莲座期，T1 株高最大，较其他处理增幅为9.4%～18.8%；结球期，T1 较CK1、T2 和T3 分别显著提高9.2%、14.5%和10.5%，但与CK2 无显著差异；采收期，T1 与CK2 株高无显著差异，但均显著高于其他处理。

2.2 不同地表覆盖方式对松花菜茎粗的影响

由图3可知，春茬莲座期、结球期和采收期均以CK2 和T1 的茎粗值较大，两处理间无显著差异，但均显著高于其他处理。其中，T1 较CK1 各生育期分别高出40.6%、29.8%和13.3%；CK2 较CK1 各生育期分别高出48.2%、22.2%和14.1%。秋茬试验中结球期和采收期T1 与CK2 茎粗无显著差异，但各生育期均以T1 茎粗值最大。莲座期，T1 茎粗较CK1、CK2、T2 和T3 分别显著高出12.7%、7.5%、8.3% 和14.5%；结球期T1 茎粗较CK1、T2 和T3 分别显著高出19.5%、14.9%和17.4%；采收期T1 茎粗较CK1、T2和T3 分别显著高出19.5%、17.4%和12.3%。另外，采收期CK2 茎粗显著高于CK1、T2 和T3。

图3 不同处理对松花菜茎粗的影响Fig.3 Effect of different treatments on stem diameter of loose-curd cauliflower

2.3 不同地表覆盖方式对松花菜叶面积的影响

由图4可知，春茬试验莲座期，T1 叶面积最大，为358.28 cm2，且分别较CK1、CK2、T2、T3 显著增加84.3%、35.2%、104.8%、124.0%；结球期，T1 叶面积最大，分别较CK1、T2、T3 显著增加28.1%、28.6%、73.7%，但与CK2 无显著差异，且CK1、CK2 和T2 间无显著差异。

图4 不同处理对松花菜叶面积的影响Fig.4 The effect of different treatments on the area of the leaves of loose-curd cauliflower

秋茬松花菜叶面积变化与春茬相似，均以T1 叶面积最高。莲座期，T1 叶面积分别较CK1、CK2、T2、T3 显著增加66.3%、25.3%、73.2%、112.7%；结球期，T1 叶面积分别较CK1、T2、T3 显著增加6.6%、16.2%、20.9%，且T2、T3 叶面积均显著低于对照组(CK1、CK2)。

2.4 不同地表覆盖方式对松花菜全生育期0～25 cm土层平均温度的影响

由图5可知，与CK1 相比，两茬试验CK2 和T1 均可提高0～25 cm 土层土壤平均温度，其中春茬试验中，T1 的土壤平均温度显著高于CK1、T2 和T3，分别升高了3.3℃、3.3℃和4.2℃，与CK2 相比，T2、T3 的土壤温度显著降低了3.5℃、4.3℃；秋茬试验中，CK2的土壤温度与T1 相当，并较CK1、T2、T3 升高了2.4℃、2.2℃、2.6℃。

图5 不同处理对松花菜全生育期0～25 cm 土壤平均温度的影响Fig.5 Effects of different treatments on the average temperature of 0 to 25 cm soil in the whole growth period of loose-curd cauliflower

2.5 不同地表覆盖方式对松花菜各生育期0～25 cm土层平均温度的影响

由图6可知，两茬试验中，随着生育期的推进，各处理0～25 cm 土壤平均温度总体呈先升高后降低趋势。与CK1 相比，T1 在各生育期具有明显的增温效应，T1 温度效应与CK2 相当；与CK2 相比，T2 和T3降温效果明显。春茬试验除T3 外，其余各处理土壤温度在莲座期均达到峰值；苗期至采收期，T1 较CK1 升温效果明显，各生育期分别增温5.0℃、4.3℃、2.6℃和1.5℃。秋茬试验中各处理土壤温度均在莲座期达到峰值。其中，T1 在四个生育期分别较CK1 增温4.3℃、1.7℃、1.3℃和2.2℃。

图6 不同处理下松花菜各生育期0～25 cm 土壤平均温度变化Fig.6 Variation course of the average temperature of 0 to 25 cm soil with the growth stages of loose-curd cauliflower under different treatments

2.6 不同地表覆盖方式对松花菜全生育期各土层土壤温度的影响

由图7可知，各处理土壤温度均随着土层深度的增加基本表现为降低趋势。两茬试验中，与CK1 相比，T1 增温效应明显，且在5～10 cm 土层增温幅度最大；T2 在10～25 cm 土层总体表现增温效应(在秋茬20 cm 土层温度低于CK1)，且春茬25 cm 土层增温幅度最大，秋茬15 cm 土层增温幅度最大，增幅均为0.8℃；与CK2 相比，T1 全生育期各土层温度无明显变化，T2、T3 则在各土层均表现为降温效应。

图7 不同处理下松花菜全生育期各土层平均温度Fig.7 Mean temperature of different soil layers during the whole loose-curd cauliflower growth stage under different treatments

2.7 不同地表覆盖方式对松花菜各生育期0～25 cm土层土壤温度的影响

由图8可知，各处理各生育期，上层地温普遍高于下层。与CK1 相比，T1 的最大增温幅度分别出现在春茬莲座期10 cm 土层和秋茬苗期5 cm 土层，温度分别增加6.2℃和6.0℃，而T2 和T3 均不同程度地存在增温和降温双重效应。与CK2 相比，在秋茬试验中，T1 在苗期5 cm 和10 cm 土层土壤温度分别升高2.5℃和1.8℃；T3 最大降温幅度出现在春茬试验苗期5 cm 土层和秋茬试验苗期10 cm 土层，降温幅度分别为8.5℃和5.3℃。

图8 不同处理下松花菜各生育期土壤温度随土层深度的变化Fig.8 Variation course of soil temperature with soil depth in different growth stages under different treatments

两茬试验，土层间均以5 cm 土层和25 cm 土层间的温度差异最大，CK1 春茬试验于结球期温度差异最大，为5.6℃，秋茬试验则以苗期温度差异最大，为5.1℃；CK2 在春、秋两茬试验中，均以苗期温度差异最大，分别为6.9℃和5.6℃；T1 在春茬试验莲座期温度差异最大，为7.6℃，秋茬试验苗期温度差异最大，为8.2℃；T2 在春茬试验莲座期温度差异最大，为4.2℃，秋茬试验苗期温度差异最大，为5.6℃；T3 在春茬试验莲座期温度差异最大，为3.3℃，秋茬试验苗期温度差异最大，为4.1℃。

2.8 不同地表覆盖方式对松花菜产量的影响

由表1可知，春茬试验，T1 松花菜全生育期总灌水量最低，为4 344.88 m3·hm－2，较CK1、CK2 分别节水29.0%和7.3%。T1 花球重最大，为1.65 kg，与CK2 无显著差异，较CK1、T2 和T3 分别显著提高68.4%、77.4%和106.3%。T1 生物产量与CK2 无显著差异，但显著高于CK1、T2 和T3，增幅为32.3%～43.7%。T1 的经济产量最高，为45.87 t·hm－2，较CK1、CK2、T2 和T3 分别提高68.9%、4.7%、76.7%和106.4%；T2、T3 的经济产量与CK1 无显著差异。

表1 不同处理对松花菜产量的影响Table 1 Effects of different treatments on the yield of loose-curd cauliflower

秋茬试验，T1 的总灌水量最低，分别比CK1、CK2节水23.8%、11.1%。T1 的花球重显著高于CK1 和T3，增幅为27.3%和19.4%，但与CK2、T2 无显著差异；CK1、CK2、T1、T2 间生物产量无显著差异；T1 的经济产量最高，为43.03 t·hm－2，但与CK2、T2 无显著差异。

2.9 不同地表覆盖方式对松花菜水分利用效率的影响

由图9可知，两茬松花菜水分利用效率均以T1 最高，且均显著高于其他处理。春茬试验中，T1 的水分利用效率为10.56 kg·m－3，较CK1、CK2、T2 和T3 分别显著提高137.8%、13.1%、132.6%和109.9%；秋茬试验T1 的水分利用效率较CK1、CK2、T2 和T3 分别提高67.2%、21.9%、38.3%、37.6%。

图9 不同处理对松花菜水分利用效率的影响Fig.9 Effects of different treatments on water use efficiency of loose-curd cauliflower

3 讨论

地面覆盖可以改善土壤水、肥、气、热等小气候环境，从而对作物的生长发育等方面产生较大影响。本研究发现，与露地无覆盖处理相比，地膜覆盖和地膜＋秸秆行间覆盖处理均能显著提高松花菜全生育期的株高和茎粗，且整体上2 个处理的株高和茎粗无显著差异。这可能是由于地表覆盖能减少地面径流，提高土壤导水率，减轻土壤水分的无效蒸发，有效保持了土壤水分，从而促进了作物生长发育[24]。本研究发现，地膜覆盖和地膜＋秸秆行间覆盖处理松花菜叶面积各生育期均高于露地无覆盖、秸秆行间覆盖和秸秆全覆盖处理。这是由于地膜覆盖和地膜＋秸秆行间覆盖后地温提高，且保水性能良好，因此地膜覆盖和地膜＋秸秆行间覆盖处理的叶面积高于其余3 个处理[25]。另外，有研究发现，覆盖处理下叶面积在生育前期均低于露地无覆盖处理，但随着生育期的推进，与露地无覆盖处理的叶面积差异逐渐降低[26]，而本研究中，秸秆行间覆盖和秸秆全覆盖处理叶面积并未随着生育期的推进而与露地无覆盖处理的差异减小，这可能是由于随着松花菜叶面积的增加，覆盖处理对土壤的遮阴面积也随之增大，进而使太阳辐射产生热量对土壤升温作用降低，不利于松花菜叶面积生长。

研究表明，地膜具有普遍的增温效应，秸秆在高温时具有降温作用，低温时具有增温效果[11－12，27－28]。本研究发现，地膜＋秸秆行间覆盖处理对土壤温度的调控既能达到地膜覆盖的效果，同时在秋茬试验中，其在苗期5 和10 cm 土层温度较地膜覆盖分别升高2.5℃和1.8℃，更有利于幼苗缓苗及根系发育。这可能是由于覆盖秸秆后可减弱太阳的直接辐射，增强光波反射，同时降低土壤热量向大气散发，使土壤温度趋于缓和，为作物根系提供良好的生长环境[29－30]。与露地无覆盖相比，地膜＋秸秆行间覆盖和地膜覆盖处理主要表现为增温效应，在苗期至莲座期，地膜＋秸秆行间覆盖处理的增温效果明显，其中莲座期增温幅度最大。这主要由于前期太阳辐射较强，而植株较小只能依靠秸秆作用来降低土壤温度，从而使秸秆覆盖对温度的调控作用较强，而中后期植株旺盛生长，形成较大遮阴面积和较为密闭农田小气候，相较前期弱化了秸秆对太阳辐射的调控作用。与地膜覆盖相比，秸秆行间和秸秆全覆盖处理春茬试验土壤平均温度下降3.3℃和4.2℃，秋茬试验土壤平均温度下降2.2℃和2.6℃，均表现出明显的降温效应，这可能与地区的气温差异有关[26]。

本研究结果显示，地面覆盖均可降低松花菜全生育期灌水量，灌水量依次表现为地膜＋秸秆覆盖<秸秆全覆盖<地膜覆盖<秸秆行间覆盖<露地无覆盖。这可能是由于覆盖使地表裸露面积减少，蒸发量降低，同时覆盖秸秆可减少地表径流，提高土壤含水量，二元覆盖由于地膜和秸秆的双重保墒作用，其保墒效果优于单一的地膜或秸秆覆盖[31－34]。有研究发现，与不覆盖处理相比，秸秆全覆盖、秸秆行间覆盖和秸秆根域覆盖均能提高西瓜产量和水分利用效率[35]。马建涛等[36]研究发现，秸秆带状覆盖和地膜覆盖均可提高马铃薯产量和水分利用效率。另外，本研究结果显示，地膜覆盖与地膜＋秸秆行间覆盖的花球重、生物产量、经济产量均高于其他处理，且以地膜＋秸秆行间覆盖效果最好。这是由于覆盖秸秆可有效调节和稳定地表土层的水、肥、气、热等要素，覆盖秸秆可以有效减缓地表径流，增强土壤导水性，提高土壤渗水性，隔断蒸发层与下层土壤的毛管联系，有效降低地面最高温度，提高地面最低温度，稳定土层温度，为植物生长提供稳定的水热条件，从而增加作物产量[37]；而与露地无覆盖相比，秸秆行间覆盖和秸秆全覆盖处理的生物产量和经济产量出现下降，这可能是由于秸秆覆盖量达到6 000 kg·hm－2时，遮阴作用导致土壤不能充分利用太阳辐射所引起的地面升温作用，影响了作物的生长发育，导致产量下降[38]。此外，地面覆盖均可提高松花菜的水分利用效率，且以地膜＋秸秆覆盖的效果最显著，是因为土壤水分损失主要通过植物体蒸腾和棵间蒸发两条途径，覆盖地膜可明显改善土壤的水、热状况，起到保水保墒作用，而秸秆覆盖能有效降低土壤蒸发损失，将非生产性蒸发耗水转为生产性蒸腾耗水，从而提高了水分的利用效率[39－41]。

4 结论

与露地无覆盖相比，地膜覆盖与地膜＋秸秆行间覆盖模式具有良好的调温保墒作用，能促进松花菜植株的生长发育，降低松花菜全生育期灌水量，提高松花菜产量和水分利用效率，且以地膜＋秸秆行间覆盖效果更为明显。综上，地膜＋秸秆行间覆盖种植模式能够在节水增产的同时实现当地秸秆农业废弃物的循环利用，具有较好的发展前景。本研究为不同地面覆盖方式下西北半干旱地区高原夏菜的生产提供了一定的理论依据，但关于不同地面覆盖方式对植株养分吸收、土壤养分含量和土壤微生物多样性的影响还需进一步研究。