立式深旋耕作和覆膜对种植党参土壤物理性状及耗水特性的影响

侯慧芝，张绪成，马一凡，方彦杰，王红丽，于显枫，张国平，雷康宁

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

0 引 言

党参(Codonopsispilosula)是甘肃省的道地中药材，种植面积和产量均位于全国前列，但目前栽培多采用传统的露地方法，优质参少，产值低[1]。地膜覆盖具有显著的增温、保水、保肥等功效，能够显著提高旱地作物产量和经济效益[2]。西北半干旱区，由于特殊的地形、气候以及长期浅旋耕造成的犁底层变浅影响，作物根系下扎受到限制[3]，严重影响了党参、马铃薯等块根块茎类作物的商品属性。

耕作措施可改变土壤状况，影响土壤容重、孔隙度、紧实度、持水率等物理性状[3-6]，这些物理性状的改变也将驱动土壤的化学和生物性状的变化，最终改变土壤的功能尤其是水肥供应能力[7-8]。大量研究表明深松耕作可打破犁底层，改善土壤紧实度，提高土壤蓄水能力，进而提高作物水分利用效率，增加作物产量[6,9]。立式深旋耕作技术是由甘肃省农业科学院旱地农业研究所和定西三石农业科技公司研究人员在借鉴广西粉垄技术的基础上研发的一种土壤耕作方法，由一个或多个螺旋钻头垂直粉碎土壤，同时具备深松、旋耕和翻耕等耕作方法的优点[10-13]，并且不改变土壤垂直层次的分布，耕深可达40 cm以上，能打破犁底层，降低容重，改善土壤通透性和疏松程度，增强土壤水分蓄存能力[14-15]，促进作物根系对深层土壤水分的吸收利用，达到抗旱增产的目的[16-18]。另外，地膜覆盖可抑制土壤表面的无效蒸发，优化土壤水分环境，抵御干旱对作物生长的胁迫[10-11]。但目前就地膜覆盖和立式深旋耕作对西北旱地党参土壤物理性状和耗水特性的影响尚缺乏系统研究。本研究分析立式深旋耕作和覆膜对党参土壤容重等土壤物理特性，以及阶段耗水量、产量、水分利用效率的影响，为明确西北旱地党参增产机理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

本研究于2017年在甘肃省农业科学院定西试验站(农业农村部西北黄土高原地区作物栽培科学观测实验站/国家土壤质量安定观测实验站)进行。该站位于甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村(104°36′E，35°35′N)，海拔1 970 m，年均温6.2 ℃，≥10 ℃积温2 075.1 ℃，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。年均降雨量为415 mm，其中，6-9月降水占全年降水的68%以上。试验区0～30 cm土层土壤容重平均为1.25 g·cm-3，凋萎系数为7.2%，田间持水量为21.28%。

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计，试验区2017年为平水年，全年降水量为418.4 mm，党参生育期降水量为371.7 mm，季节分配不均；全年平均气温为7.2 ℃，与多年平均温度基本持平。

图1 2017 年试验区降水(P)和日平均气温(T)变化Fig.1 Precipitation (P) and average air temperature (T) changes of experimental area in 2017

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个处理(表1)，3次重复。供试材料为一年生当地栽植白条党参，品种为渭党1号(CodonopsisPilosulaweidang-1)，由定西市农业科学研究院(原甘肃省定西市旱作农业科研推广中心)选育。试验小区面积为120 m2(20 m×6 m)，施肥量为纯N 150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 6.0 kg·hm-2，VTM处理和VT处理的肥料混合均匀后通过施肥箱在立式深旋耕作的同时施入耕作带，传统旋耕处理为均匀撒于地表后旋耕。为了和立式深旋耕作统一，所有处理带宽均为100 cm，其中耕作带宽60 cm，免耕带宽40 cm。党参采用开沟移栽方法，早春栽植在耕作带，沟深30 cm，株距6～8 cm，行距20 cm，栽苗密度为37.5万～52.5万株·hm-2。种植3行后，及时耙平及镇压地面。VTM处理和RTM处理边移栽边覆膜，每个耕作带移栽3行，免耕带不覆膜。选70 cm宽的黑色地膜，用细土将膜边封严并压实。党参出苗后，及时破膜放苗，并用细土将破口封严。2017年4月2日种植，10月29日采收。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatments

1.3 测定指标及方法

取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土层的土壤，参照土壤理化分析的方法[11,19]，测定土壤容重、土壤饱和含水量、毛管含水量、土壤总孔隙度和毛管孔隙度等指标。

耗水模系数=ETi/ET[20]

式中：ETi为各生育阶段党参的耗水量；ET为党参整个生育期总耗水量；

耗水速率CWR=ETi/d

式中：ETi为各生育阶段党参耗水量；d为生育阶段天数。

作物生长速率CR=(W1-W2)/d[21]

式中：W1为生育阶段开始期的地上部干物质量；W2为生育阶段结束期的地上部干物质量；d为该生育期的间隔天数。

耗水效率VCWR=CR/CWR

式中：CR为作物生长速率；CWR为耗水速率。

水分利用效率WUE=块茎产量/ET

式中：党参产量由小区实际收获产量换算得出；ET为蒸散量，即ET=播前土壤贮水量-收获后土壤贮水量+降水量。

1.4 数据处理与分析

用DPS v3.01专业版统计分析软件处理数据，Excel 2003作图，Tukey法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 立式深旋耕作对土壤物理性状的影响

不同处理对0～40 cm土壤容重有显著影响(图2)。无论覆膜与否，立式深旋耕作均显著降低0～40 cm土壤容重。各土层(0～10 cm,10～20 cm,20～30 mm,30～40 cm)VTM的土壤容重较RTM和RT分别显著降低9.6%和10.7%、8.8%和9.3%、8.7%和9.7%、9.4%和9.7%；VT较RTM和RT分别显著降低8.2%和9.3%，7.7%和8.2%，7.1%和8.1%，9.1%和9.4%(P<0.05)。0～40 cm各土层，VTM和VT、RTM和RT之间差异不显著，说明耕作方式对土壤容重有显著影响，而覆膜对土壤容重影响不显著。

注：不同小字母代表处理间差异显著(α=0.05)。下同。Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(α=0.05).The same is as below.图2 不同处理对土壤容重的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil bulk densities

立式深旋耕作显著提高0～40 cm土壤总孔隙度(图3)。0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm,30～40 cm土层VTM的土壤总孔隙度较RTM和RT分别显著提高10.4%和12.9%、10.1%和12.8%、11.2%和12.4%、9.8%和13.4%；VT较RTM和RT分别显著提高10.4%和12.9%、9.0%和11.8%、10.9%和12.1%、6.3%和9.8%(P<0.05)。

立式深旋耕作显著提高0～40 cm土壤毛管孔隙度(图3)。各土层VTM的土壤毛管孔隙度较RTM和RT分别显著增加13.5%和15.1%、13.2%和17.7%、13.8%和14.9%、9.5%和13.7%；VT较RTM和RT分别显著增加11.2%和12.8%、11.2%和15.6%、12.1%和13.2%、7.5%和11.7%(P<0.05)。

0～40 cm各土层，VTM和VT、RTM和RT之间的土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度差异不显著，说明耕作方式对土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度有显著影响，而覆膜对土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度则影响不显著(图3)。

图3 不同处理对土壤总孔隙度和毛管含孔隙度的影响Fig.3 Effects of different treatments on total soil porosities and soil capillary porosities

无论覆膜与否，立式深旋耕作显著提高0～40 cm土壤饱和含水量(图4)。各土层VTM处理的土壤饱和含水量较RTM和RT处理分别显著增加22.1%和26.4%、20.7%和24.4%、21.9%和24.4%、21.2%和25.6%；VT处理较RTM和RT处理分别显著提高20.3%和24.5%、18.1%和21.7%、19.4%和21.9%、16.9%和21.2%(P<0.05)。

与土壤饱和含水量变化趋势一样，立式深旋耕作显著提高0～40 cm土壤毛管含水量。各土层VTM处理的土壤毛管含水量较RTM和RT分别显著增加25.5%和28.9%、24.2%和29.8%、24.6%和27.3%、20.8%和25.9%；VT处理较RTM和RT处理分别显著增加21.2%和24.4%、20.5%和25.9%、20.7%和23.2%、18.3%和23.3%(P<0.05)。

0～40 cm各土层，VTM和VT、RTM和RT之间的饱和含水量和毛管含水量差异不显著，说明耕作方式对土壤饱和含水量和毛管含水量有显著影响，而覆膜对土壤饱和含水量和毛管含水量则影响不显著(图4)。

图4 不同处理对土壤饱和含水量和毛管含水量的影响Fig.4 Effects of different treatments on soil saturation moisture contents and capillary moisture contents

2.2 立式深旋耕作对党参阶段耗水量、耗水模系数和耗水速率的影响

不同处理对党参阶段耗水量有显著影响，且不同生育阶段的影响有区别(图5)。播前到苗期、苗期到拉蔓期，VT的耗水量分别较VTM和RTM高10.1 mm和14.2 mm、5.1 mm和6.5 mm(P<0.05)；RT分别较VTM和RTM高8.7 mm和12.8 mm、3.8 mm和5.2 mm(P<0.05)。拉蔓到花期，RTM分别较VTM、VT和RT分别高7.3 mm、12.3 mm和18.4 mm(P<0.05)；VTM分别较VT和RT高5.0 mm和11.1 mm；VT较RT高6.1 mm(P<0.05)。花期到结果期，由于VTM植株生长旺盛，消耗水分较多，其0～300 cm耗水量分别较RTM、VT和RT高6.4 mm、14.1 mm和22.9 mm(P<0.05)；RTM分别较VT和RT高7.7 mm和16.5 mm(P<0.05)；VT较RT高8.8 mm(P<0.05)。结果到块根增长期，VTM、VT和RTM分别较RT高8.1 mm、7.2 mm和8.1 mm(P<0.05)。块根增长到成熟期，VTM分别较VT、RTM和RT高9.2 mm、8.2 mm和6.9 mm(P<0.05)。成熟期到收获期，RT分别较VTM、VT和RTM显著增加2.4 mm、0.8 mm和4.6 mm，VTM分别较VT和RTM高1.6 mm和2.4 mm(P<0.05)。

注：BS-SE代表播前-苗期； SE-BR代表苗期-拉蔓期； BR-FL代表拉蔓-花期； FL-FR代表花期-结果期； FR-EX代表结果-块根增长期； EX-MA代表块根增长-成熟期； MA-AH代表成熟-收获后。下同。Note:BS-SE:Before seeding-Seedling stage; SE-BR:Seedling-Branching stage; BR-FL:Branching-Flowering stage;FL-FR:Flowering-Fruiting stage; FR-EX:Fruiting-Tuber expanding stage; EX-MA:Tuber expanding stage-Maturing stage; MA-AH:Maturing-After harvest.The same is as below.图5 不同处理对党参阶段耗水量、耗水模系数和耗水速率的影响Fig.5 Effects of different treatments on periodical water consumption,water consumption modulus coefficients and water consumption intensities of Codonopsis pilosula

阶段耗水模系数是阶段耗水量占整个生育期耗水量的百分比。各处理花期到结果期耗水模系数最高，占整个生育期的30.4%～34.1%；结果到块根增长期、拉蔓到花期、块根增长到成熟期，各处理耗水模系数分别为19.7%～21.0%、13.3%～18.3%、10.5%～12.7%；其余生育阶段耗水模系数均在10%以下(图5)。播前到苗期、苗期到拉蔓期，VT耗水模系数分别较VTM和RTM增加48.0%和69.2%、27.8%和30.3%；RT分别较VTM和RTM提高50.7%和72.3%、29.5%和32.0%(P<0.05)。拉蔓到花期，RTM分别较VTM、VT和RT高19.6%、26.4%和37.1%；VTM分别较VT和RT高5.7%和14.6%(P<0.05)；VT较RT高8.5%(P<0.05)。花期到结果期，VTM分别较VT和RT高8.8%和12.2%；RTM分别较VT和RT高7.6%和11.0%；VT较RT高5.6%(P<0.05)。结果到块根增长期，VTM、VT和RTM分别较RT高2.0%、5.6%和6.8%(P<0.05)。块根增长到成熟期，VTM分别较VT和RTM和RT高21.5%、18.1%和7.1%(P<0.05)。成熟到收获期，RT分别较VTM、VT和RTM高32.1%、44.5%和56.9%，VTM分别较VT和RTM高9.4%和18.8%(P<0.05)。

各处理耗水速率的变化规律与耗水模系数类似。播前到苗期、苗期到拉蔓期，VT耗水速率分别较VTM和RTM高41.2%和69.1%、21.9%和30.2%；RT分别较VTM和RTM高35.4%和62.1%、16.3%和24.2%(P<0.05)。拉蔓到花期，RTM分别较VTM、VT和RT高14.2%、26.5%和45.7%；VTM分别较VT和RT高10.7%和27.6%；VT较RT高15.2%(P<0.05)。花期到结果期，VTM分别较RTM、VT和RT高5.9%、14.0%和24.9%；RTM分别较VT和RT高7.6%和18.0%；VT较RT高12.2%(P<0.05)。结果到块根增长期，VTM、VT和RTM分别较RT高13.6%、12.2%和13.6%(P<0.05)。块根增长到成熟期，VTM分别较VT和RTM和RT高27.3%、23.7%和19.3%(P<0.05)。成熟到收获期，RT分别较VTM、VT和RTM高18.6%、36.0%和47.5%，VTM分别较VT和RTM高14.7%和24.4%(图5)。

2.3 立式深旋耕作对党参生长速率、耗水效率、产量和水分利用效率的影响

VTM显著提高党参苗期到结果期生长速率(表2)。苗期到拉蔓期、拉蔓到花期、花期到结果期，VTM党参的生长速率分别较VT、RTM和RT显著增加21.6%、29.6%和72.0%、39.5%、39.0%和95.2%、33.1%、38.9%和133%；VT和RTM分别较RT显著增加41.4%和32.7%、39.9%和40.4%、75.1%和67.7%(P<0.05)。结果到块根增长期，各处理的生长速率均达到最大，但差异并未达到显著水平。块根增长到成熟期，因为各处理地上茎叶干枯均有掉落，所以生长速率为负值，且均差异不显著。

各处理耗水效率的变化规律和生长速率类似，即VTM显著提高党参苗期到结果期耗水效率(表2)。苗期到拉蔓期、拉蔓到花期、花期到结果期，VTM党参的耗水效率分别较VT、RTM和RT显著提高48.2%、21.4%和100.0%，26.0%、58.7%和52.9%，16.7%、31.2%和86.5%；VT和RTM分别较RT显著提高34.9%和64.8%、26.0%和21.4%、59.8%和42.2%(P<0.05)。结果到块根增长期，各处理的耗水效率均达到最大，RT党参的耗水效率分别较VTM、VT和RTM显著提高9.3%、8.8%和14.4%；VTM和VT分别较RTM显著提高4.7%和5.2%(P<0.05)。块根增长到成熟期，因为各处理地上茎叶干枯均有掉落，所以耗水效率为负值，VT、RTM和RT分别较VTM显著提高28.1%、30.0%和28.5%(P<0.05)。

表2 不同处理对党参生长速率和耗水效率的影响Table 2 Effects of different treatments on crop growth rates and water consumption rates of Codonopsis pilosula

VTM党参的产量分别较VT、RTM和RT显著增加31.8%、34.4%和59.8%；VT和RTM分别较RT显著增加21.3%和18.9%(P<0.05，表3)。VTM党参的耗水量分别较VT、RTM和RT提高4.8%、4.7%和11.3%，其中，VTM和RT差异显著(P<0.05)；VT和RTM的耗水量分别较RT显著提高6.2%和6.3%(P<0.05)。VTM党参的水分利用效率(WUE)分别较VT、RTM和RT显著增加25.7%、28.3%和43.5%；VT和RTM分别较RT显著增加14.1%和11.8%(P<0.05)。

表3 不同处理对党参产量、耗水量和水分利用效率的影响Table 3 Effects of different treatments on yields,evapotranspiration and water use efficiencies of Codonopsis pilosula

3 讨论

耕层变浅、容重增加等土壤结构性问题已成为制约我国作物高产高效的主要因素[9]。改进耕作方法打破土壤犁底层，降低土壤容重，提高土壤孔隙度，促进土壤水气交换，可显著改善土壤水分条件和促进作物生长，是解决这一问题的主要途径[5-9]。立式深旋耕作同时具备旋耕和深松的优势，可打破犁底层，并降低土壤容重、改善土壤通透性和疏松程度[10-13]，这为党参、马铃薯等块根块茎类作物的地下生长创造了有利的土壤和水分条件。本试验结果表明，与传统旋耕相比，立式深旋耕作无论覆膜与否均显著降低0～40 cm土层土壤容重，提高0～40 cm土层土壤总孔隙度和毛管孔隙度，这与马铃薯上的研究结果一致[10]。降低土壤容重，提高孔隙度和毛管孔隙度有助于提高土壤供水能力，这对提高作物的水分吸收利用能力、降低干旱胁迫有重要意义[22]。本试验中，立式深旋40 cm覆膜(VTM)较传统旋耕15 cm覆膜(RTM)显著提高了土壤饱和含水量、毛管含水量，立式深旋40 cm无覆膜(VT)与传统旋耕15 cm无覆膜(RT)相比有相似结果，证明立式深旋耕作不仅具有疏松土壤、提高通透性的作用，而且能够有效打破土壤的犁底层，改善水分特性，提高供水能力。另外，立式深旋40 cm覆膜(VTM)和立式深旋40 cm无覆膜(VT)，传统旋耕15 cm覆膜(RTM)和传统旋耕15 cm无覆膜(RT)的土壤容重、土壤饱和含水量、毛管含水量、土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度等均差异不显著，说明短期地膜覆盖对土壤物理性状和水分特性无显著影响。所以，立式深旋耕作能显著改善土壤耕层物理性状和水分特性，这对提高党参抗旱力进而增加产量有积极作用。

优化的土壤物理性状和水分特性可提高土壤供水能力[23-25]，进而显著影响作物的耗水特征[26]。本试验结果表明，立式深旋和覆膜可提高党参拉蔓到块根增长期0～300 cm土层土壤耗水量、耗水模系数和耗水速率，提高苗期到结果期党参生长速率和耗水效率。作物耗水特性一方面与土壤供水能力有关，另外受作物生长状况的直接影响[22]。本试验中，立式深旋40 cm覆膜(VTM)和立式深旋40 cm无覆膜(VT)的生长速率分别显著高于传统旋耕15 cm覆膜(RTM)和传统旋耕15 cm无覆膜(RT)，表明立式深旋耕作条件下党参的冠层发育明显优于传统耕作，而且能够促进根系发育，使党参的水分利用能力显著增强[17-18，22]。因此，由于立式深旋耕作优化了土壤水分特性并促进党参对水分的吸收利用，显著促进了党参的生长，使党参产量和水分利用效率无论覆膜与否均显著高于普通旋耕处理。地膜覆盖由于改善了土壤水热状况[2-3]，促进党参生长，所以传统旋耕覆膜(RTM)的产量和WUE较传统旋耕不覆膜(RT)提高14.1%、11.8%。因此，立式深旋耕作结合覆膜措施能够优化耕层结构，提高土壤供水能力，促进党参耗水，进而提高产量和WUE，实现抗旱增产的目标。

4 结论

立式深旋耕作可降低0～40 cm土层土壤容重，提高土壤饱和含水量、毛管含水量、总孔隙度和毛管孔隙度。立式深旋耕作配合覆膜可提高党参拉蔓到块根增长期0～300 cm土层土壤耗水、耗水模系数和耗水速率，提高党参苗期到结果期生长速率和耗水效率，使党参块根产量和水分利用效率提高59.8%和43.5%，是适宜于西北旱地党参种植的耕作技术。