秸秆带状覆盖对西北雨养区马铃薯农田土壤温度及产量的影响

杨志楠 黄金文 韩凡香 李亚伟 马建涛柴守玺 程宏波 杨德龙 常 磊

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

西北干旱及半干旱雨养农业区是中国粮食的主要产区之一，该区干旱少雨，降水少且时空分布不均，生产中存在春季旱寒并存、伏期高温少雨和干旱频发等问题[1-2]，因此探索适宜该地区农业发展的种植技术成为了主要的研究方向。覆盖栽培具有储水保墒、调节土温、减少土壤蒸发、降低土壤盐渍化和减少土壤侵蚀等优点[3-7]，近年来已广泛应用于旱作农业中。常用的覆盖材料包括地膜（塑料地膜、生物降解膜及渗水地膜等）、砂石和农作物秸秆等。

马铃薯是西北雨养区重要的粮食作物，该区普遍以露地种植和地膜覆盖为主，秸秆覆盖较少。研究[8-10]认为，露地种植受土壤水分的限制，其产量效益较低，覆盖直接作用于土壤温度和水分，对土壤水热和产量影响显著。地膜覆盖能显著提高土壤温度，改善水分利用率，增产幅度大，产量效益高[11-13]，但在马铃薯生长中后期会出现高温和高湿胁迫，加剧蒸腾作用，严重影响块茎的生长，造成减产[14]，而且连续多年的地膜种植造成了严重的环境污染，不利于绿色农业发展[15-16]。秸秆覆盖有显著的降温、提高土壤水分含量和水分利用效率的作用，能减少土壤温度波动，避免了高温和高湿胁迫，表现出较高的增产效益[17-21]。秸秆带状覆盖作为一种新的覆盖方式，具有储水保墒和调节土温的作用，已有研究[22-24]表明，其在小麦和马铃薯上增产效果显著。目前，对于秸秆带状覆盖下土壤水热变化研究较多，但是针对在不同覆盖时期覆盖马铃薯大田对温度梯度传导影响的研究较少。本研究以马铃薯为研究对象，设置秸秆覆盖和地膜覆盖2个覆盖方式，以及春秋2个覆盖时期，以露地种植为对照，研究不同覆盖方式对马铃薯农田温度、温度梯度传递及产量的影响，为西北半干旱雨养区马铃薯的可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年4月-2019年10月在甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地（105°19′ E，35°11′ N，海拔1750m）进行。试验区位于西北典型的雨养农业区，属中温带半干旱气候，年日照时数 2100～2430h，无霜期120～170d，年均气温7.2℃，年蒸发量1500mm。多年平均降水量390.7mm，且降雨季节分布不均，主要集中在7-9月，2018年马铃薯生育期内有效降水量（≥5mm）364.8mm（图1a），2019年生育期内有效降水量（≥5mm）423.9mm（图1b），与多年平均降水量（390.7mm）相比，2年均属于丰水年份。试验区土壤为黄绵土，0～30cm土层平均容重1.25g/cm3。

图1 2018-2019年试验点马铃薯全生育期降水分布Fig.1 Distribution of precipitation during the whole growth of potato at the experiment site in 2018 and 2019

1.2 试验材料及设计

1.2.1 试验材料 供试马铃薯品种为陇薯7号（甘肃一航薯业科技有限责任公司提供）；黑色地膜为当地普通地膜，宽 120cm，厚 0.01mm；秸秆为玉米整秆。

1.2.2 试验设计 试验设置2个覆盖时期（秋季覆盖、春季覆盖）和2种覆盖材料（地膜覆盖、秸秆带状覆盖），以露地无覆盖作对照，共5个处理，3次重复，随机区组排列，具体试验处理措施如表1。在前茬玉米收获后进行试验布置，秋季整地前全部肥料做基肥一次性施入，施纯氮 105kg/hm2，P2O5105kg/hm2，不施钾肥，生育期内无追肥。各处理密度和播种深度保持一致，密度52 500株/hm2，用穴播器播种，播种深度 15cm，2行植株错开呈三角形。各处理除地膜覆盖需及时放苗外，其他生产管理方式同大田，马铃薯生育期不培土。2018年4月14日播种，9月16日收获，2019年4月16日播种，10月1日收获。

表1 试验设计Table 1 Experiment design

1.3 测定指标与方法

1.3.1 温度 大气温度和土壤温度监测均采用iButton温度记录仪（Dallas半导体公司），大气温度置于1m处百叶箱内，土壤温度置于种植带和覆盖带，分5cm、15cm和25cm处3个土层，大气和土壤温度记录时间间隔均设置为1h。

1.3.2 温度传导

（1）式中GradT为土壤温度梯度（℃/m），其物理意义表示单位垂直距离内的温度变化和垂直方向的热量传输强度，热量传导方向与温度梯度相反。T和Z分别表示2层间的温度差（℃）和深度差（m），其中2层间温度差为ΔT1=T15-T5，ΔT2=T25-T15，而深度差 ΔZ1=ΔZ2=0.1m。T5、T15和T25分别表示5、15和25cm土层日间地温值。

（2）式中GradTh为土壤横向温度梯度（℃/m），其物理意义表示单位水平距离内温度变化和水平方向的热量传输强度，热量传导方向与温度梯度相反。Th和Zh分别表示2层间的温度差（℃）和长度差（m），其中2层间温度差为：ΔTh=T种植带-T覆盖带，而长度差ΔZh=0.6m。

1.3.3 产量及相关指标 马铃薯收获时，每小区选择2行，人工挖20株，进行室内考种。按商品薯分级标准（单薯重＞150g为大薯，75≤单薯重≤150g为中薯，单薯重＜75g为小薯），计算各级薯率和商品薯率。收获时产量按3次重复小区实际鲜薯产量的平均值折算。商品薯率（%）=单薯鲜重≥75g的产量/马铃薯鲜薯总产量×100。

1.4 数据整理与分析

使用Microsoft Excel 2010进行数据整理，SPSS 22.0进行统计分析，LSD法进行多重比较，Excel 2010和SigmaPlot 22.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对马铃薯耕层土壤温度的影响

2.1.1 全生育期0～25cm土壤平均温度 覆盖对马铃薯耕层（0～25cm）土壤平均温度存在显著影响，秸秆带状覆盖表现为降温效应，降温幅度JQ处理大于JC处理；地膜覆盖表现为增温效应。与CK处理相比，地膜覆盖2018和2019年分别平均增温 0.3℃和 0.7℃，其中 2018年 MQ处理增温0.4℃，MC处理增温0.2℃，2019年MQ处理增温0.4℃，MC处理0.9℃；秸秆带状覆盖2年分别平均降温0.6℃和0.9℃，其中2018年JQ处理降温0.9℃，JC处理降温0.3℃，2019年JQ处理降温0.9℃，JC处理降温0.8℃（图2）。

图2 不同处理全生育期0～25cm土层土壤平均温度Fig.2 Average soil temperature of 0-25cm depth in whole growth period under different treatments

由图3可知，各处理土壤日均温波动也存在显著差异，土壤日平均温度的差异随生育时期推进呈先升后降的趋势，秸秆带状覆盖明显抑制土壤温度波动。秸秆带状覆盖全生育期存在显著的降温效应，但在2018年播种后73～122d和2019年播种后125～155d内表现出不连续且微弱的增温效应，JQ和JC处理降温效应存在差异，降温幅度JQ处理大于JC；地膜覆盖在2018年存在增温和降温双重效应，前期增温，后期降温，全生育期增温效应大于降温效应，2019年除播种后87～95d外均表现增温效应，且2年MQ处理增温效应大于MC处理。

图3 不同处理马铃薯全生育期0～25cm土层土壤平均温度动态变化Fig.3 Dynamic variation of soil average temperature in 0-25 cm soil layer during the potato whole growth period under different treatments

2.1.2 马铃薯关键生育期0～25cm土层的温度日变化 不同覆盖方式对温度日变化影响明显（图4）。2个生长季马铃薯关键生育期（盛花期，2018年7月20日，2019年7月25日）温度日变化均呈先下降后上升的趋势，且随着土层加深温度波动较小，对大气温度的响应均表现出明显的滞后效应，且随土层的加深滞后效应越明显，2个生长季最高温5、15和25cm的时滞时间分别为2、5和8h，最低温5、15和25cm的时滞时间分别为3、5和8h。与CK相比，秸秆带状覆盖整体表现降温效应，2年间年降温3.6℃～4.6℃，其中JQ处理降温4.8℃～5.6℃，JC处理降温2.5℃～3.3℃，但在低温时间段表现出一定的增温效应，2018年在 5:00-10:00增温1.9℃～2.0℃，2019 年 5:00-9:00增温 0.8℃～1.0℃。地膜覆盖整体表现明显的增温效应，但凌晨表现出略微的降温效应，2年间增温5.3℃～6.5℃，其中MQ处理增温4.3℃～7.8℃，MC处理增温4.9℃～5.1℃。可见，秸秆带状覆盖日均温表现降温与增温的双重效应，且JQ处理降温效应优于JC处理，地膜覆盖日均温表现增温效应，且MQ处理优于MC处理。

图4 马铃薯盛花期耕层土壤温度和大气温度的日变化Fig.4 Diurnal variation of soil temperature and atmospheric temperature in surface layer during flowering of potato

不同覆盖方式对土壤温度日较差有显著影响。与CK相比，地膜覆盖能提高日较差，2018年5cm温度日较差提高2.0℃～2.3℃，2019年提高1.6℃～1.7℃；15cm土层2018年和2019年分别提高0.6℃～0.7℃和0.5℃～0.6℃；25cm土层温度日较差提高不超过0.1℃。秸秆带状覆盖降低日较差，2018年5cm温度日较差降低1.4℃～1.5℃，2019年降低0.7℃～0.8℃；15cm土层2018年和2019年分别降低0.3℃～0.5℃和0.4℃；25cm土层温度日较差降低不超过0.05℃。可见，覆盖能显著影响土壤表层的温度日较差，对深层土壤温度影响不明显。

2.1.3 0～25cm土层土壤温度的梯度传导 土壤温度梯度是衡量热量在土壤中的垂直传输方向和强度的物理量，能反映单位土层深度内土壤温度阶梯式递减或递增的变化，且土壤热量传输方向与土壤温度梯度方向相反，即热量传输方向指向地下时土壤温度梯度为负值，相反，当热量传输方向指向地表时，土壤温度梯度为正值。此外，土壤温度梯度的绝对值越大，表示热量传输的强度越大，相反，热量传输的强度越小。

各生育时期选取日间温度最低点（7:00）和日间温度最高点（17:00）计算温度梯度传递（图5和图6）。在日间温度最低点（7:00）土壤温度梯度多为正值，说明热量由深层土壤传向表层土壤。不同覆盖的温度梯度均降低，可见覆盖处理在日低温时段能有效抑制地下热量向大气散失。与CK处理相比，不同覆盖材料间差异显著（P＜0.05），全生育期，2018和 2019年秸秆覆盖温度梯度降低 7.3～7.8℃/m，地膜覆盖降低3.4～6.3℃/m。2018年秸秆覆盖从苗期到成熟期比地膜覆盖温度梯度分别降低11.1、1.0、2.5、0.8和1.4℃/m，除块茎膨大期外均达到显著水平；2019年分别降低5.9、4.0、3.6、3.9和1.5℃/m，除成熟期外均达到显著水平。

图5 不同处理对最低点（7:00）土壤温度梯度的影响Fig.5 The effects of different treatments on the soil temperature gradient at the lowest point (7:00)

图6 不同处理对最高点（17:00）土壤温度梯度的影响Fig.6 The effects of different treatments on the soil temperature gradient at the highest point (17:00)

不同覆盖时期间土壤温度梯度差异也显著，2018和2019年秋覆盖温度梯度降低6.6～7.1℃/m，春覆盖温度梯度降低4.0～8.2℃/m，除2018年苗期外，2年秋覆盖降低温度梯度的效应均比春覆盖好。2个生长季土壤温度梯度随着生育进程的推进从苗期到块茎膨大期的趋势一致，均表现先降后升再降，苗期最大，现蕾期最小。但2018年在成熟期温度梯度减小，2019年在成熟期温度梯度增大。综上可知，日低温段对地热散失的抑制效应表现为秸秆覆盖优于地膜覆盖，秋覆盖优于春覆盖。

日间温度最高点（17:00）土壤温度梯度多为负值，表明表层土壤在日间经过太阳辐射吸收热量后温度增加，然后热量由表层向深层土壤传导。与CK处理相比，2018和2019年秸秆带状覆盖温度梯度分别降低0.22和0.35个百分点，地膜覆盖温度梯度分别降低0.18和0.28个百分点；年际间相比，2018和 2019年秋覆盖温度梯度分别降低 0.21和0.31个百分点，春覆盖温度梯度分别降低 0.18和0.28个百分点。日最高温对热量吸收的阻碍作用秸秆覆盖优于地膜覆盖，秋覆盖优于春覆盖。热量传递强度趋势与日间温度最低点（7:00）相似。可见，覆盖具有“双抑制效应”，即在低温时段抑制了土壤热量向大气散失，高温时段抑制了地表对太阳辐射热量的吸收，且秸秆覆盖优于地膜覆盖，秋覆盖优于春覆盖。

2.1.4 关键生育时期秸秆带状覆盖热量的横向传导（种植带与覆盖带） 在水平方向上，热量的传输可以反映热量的传输方向和传输强度，热量传输方向由覆盖带向种植带为负值，由种植带向覆盖带传输时为正值。热量的横向传输在不同深度土层间差异明显（图7）。不论春覆盖还是秋覆盖，热量的横向传导均为 5cm＞15cm＞25cm，随着土层的加深，种植带与覆盖带间的温度传递逐渐减小且趋于稳定。不同覆盖时期相比，2018年春秋覆盖各土层日均值均为负，即热量都是由覆盖带向种植带传递，数值越小，向种植带传递的热量越多；3个土层JQ处理比JC处理分别少1.8、3.3和7.6℃/m，除5cm土层1:00-10:00外，其余各土层时间段JC处理温度梯度均大于JQ处理。2019年春秋覆盖5和15cm为正值，25cm为负值，整体上为正值，即热量由种植带向覆盖带传递，数值越大传递的热量越多，覆盖带的阻碍作用越小，在5和15cm JQ处理比JC处理少传递0.4和0.2℃/m，25cm无差异。上述结果表明，秋覆盖对热量的横向散发有更大的阻碍作用，保证了种植带上热量的截留，更加有效地阻碍种植带上热量的横向散失。

图7 秸秆覆盖处理横向温度梯度日变化Fig.7 Diurnal variation of transverse temperature gradient of straw mulch treatments

2.2 不同覆盖处理对马铃薯产量的影响

覆盖能显著提高马铃薯产量（表2）。与CK处理相比，2个生长季秸秆带状覆盖平均增产14.68%，JQ处理增产幅度大于JC处理，但无显著差异；地膜覆盖平均增产25.3%，但MQ处理增产幅度大于MC处理，秋覆膜与春覆膜处理间差异显著性年际间表现不一致。

表2 马铃薯产量及相关性状Table 2 Potato yield and yield factors

与CK处理相比，2年地膜覆盖和秸秆覆盖分别显著提高单薯重31.0%和6.3%，但春、秋覆盖间无显著差异，商品薯率分别提高0.08和0.16个百分点。产量与单薯重（0.773**、0.719**）呈高度正相关（相关表略）。单薯重的处理间变异系数（9.4%～16.9%）大于单株结薯数（5.9%～10.0%），处理间结薯数差异较小。可见，覆盖增产的主要原因在于提高了马铃薯单薯重。

3 讨论

3.1 覆盖对土壤温度的影响

土壤温度作为作物生长的重要环境因素之一，地面覆盖对光辐射吸收转化和热量传导均有影响，改变了土壤的热流状况。目前覆盖对土壤温度影响的观点总结为秸秆覆盖降温，地膜覆盖增温，但也有不同观点[17,25-28]。霍轶珍等[29]研究认为，普通地膜覆盖和秸秆覆盖能显著提高马铃薯生育前中期温度5.95℃和1.55℃，生育后期地膜和秸秆覆盖的地温依然显著高于裸地不覆盖。但本研究发现，地膜覆盖显著提高土壤日均温度0.3℃～0.7℃，马铃薯生育前期土壤温度增加较无覆盖种植方式明显，但生育后期2018年表现微弱的降温效应，即在2018年地膜覆盖表现了增温与降温的双重效应；秸秆覆盖 2年显著降低了土壤温度 0.6℃～0.9℃，秸秆覆盖马铃薯生育前中期的降温效应显著，且秋覆盖降温效应优于春覆盖，而且2个生长季生育后期秸秆覆盖均表现出微弱且不连续的增温效应，这与霍轶珍等[29]的研究结果不同。地膜覆盖显著增加 5和15cm土层温度日较差1.8℃～2.0℃和0.5℃～0.6℃，秸秆覆盖显著降低5和15cm土层温度日较差1.0℃～1.2℃和 0.3℃～0.4℃，2种覆盖方式均对深层土壤（25cm）无明显影响，说明覆盖对日较差的影响随着土层的加深而减弱，这与以往研究[29]结论类似。土壤温度变化随气温变化存在明显的滞后现象，随土层加深，滞后效应越明显[29]，但本研究发现浅层土壤（5cm）对大气温度最高温和最低温的响应时间不一致（2、3h），而15和25cm土层对大气最高温和最低温的响应时间一致（5、8h）。在温度日变化中地膜覆盖表现出显著的增温效应，且MQ处理增温效应优于MC处理。秸秆覆盖在日变化中表现降温与增温的双重效应，即在日低温时段增温，高温时段降温，且JQ处理双重效应优于JC处理，这是因为玉米秸秆是热的不良导体，所以在高温时段将大量的太阳辐射热量存储在秸秆内部，起到了降低地温的效果，在低温时段阻碍了地温的散失，起到了保温作用。

3.2 覆盖对温度梯度的影响

土壤温度梯度是衡量热量在土壤中的垂直传输方向和强度的物理量，能反映单位土层深度内土壤温度阶梯式递减或递增的变化，温度梯度变化对马铃薯生长发育影响深远[30-33]。本研究发现，在日间温度最低点（7:00）覆盖能显著抑制地热的散失，2个生长季秸秆覆盖温度梯度降低7.3～7.8℃/m，地膜覆盖降低3.4～6.3℃/m，秋覆盖温度梯度降低6.6～7.1℃/m，春覆盖温度梯度降低4.0～8.2℃/m；在日间温度最高点（17:00）覆盖能显著抑制地表对太阳辐射热量的吸收，2个生长季秸秆覆盖温度梯度分别降低0.22和0.35个百分点，地膜覆盖温度梯度分别降低0.18和0.28个百分点。秋覆盖温度梯度分别降低0.21和0.31个百分点，春覆盖温度梯度分别降低0.18和0.28个百分点。覆盖处理无论是在低温段对地热散失的抑制作用，还是高温段对地表吸热的抑制作用，均表现为秸秆覆盖＞地膜覆盖，秋覆盖＞春覆盖。说明覆盖对于土壤温度梯度变化具有缓冲作用，且秸秆覆盖显著优于地膜覆盖，这是因为2种覆盖材料的导热性不同[34]，由于地膜透光性和密封性保持了土壤温度，但材料本身导热性较好，不能有效地将热量截留在地膜层上，所以在一定程度上缓冲了热量的传递，但缓冲效果一般；而秸秆自身导热性差，加之秸秆之间存在一定的缝隙，覆盖层能截留更多的热量，所以其缓冲效果好，甚至土壤温度过低时能将自身截留的热量传递到土层中，表现出在低温时段的增温效应，这与马稚桐等[31]构建的水汽热耦合模型得出日尺度剖面温度的变化规律类似。2年间土壤温度梯度随着生育进程的推进从苗期到块茎膨大期的趋势基本一致，均表现“先降后升再降”，在苗期出现最大值，但在2018年成熟期温度梯度减小，2019年成熟期温度梯度增大。出现这种变化的原因是随着生育时期的推进地上部分生长旺盛，地上部分本身对太阳辐射有一定的缓冲作用，所以其他时期温度梯度均比苗期小，而盛花期处于一年中温度最高的时期，覆盖无法有效抑制剧烈的温度波动，所以盛花期温度梯度又上升，2018年马铃薯成熟期温度梯度下降是因为当年该时期阴天较多，大气温度波动较小导致土壤温度传递也变小，2019年马铃薯成熟期天气晴朗，加之马铃薯地上部分在成熟期开始枯萎，所以其温度梯度又增高。本研究还发现，同一年际间温度梯度在高温段和低温段随生育进程的变化趋势相同。

在秸秆覆盖热量的横向传递中，2018年热量总体上由覆盖带向种植带转移，3个土层中秋覆盖比春覆盖分别少1.7、3.3和7.6℃/m，说明秋覆盖的覆盖带向种植带传递的热量在各土层均比春覆盖少，即秋覆盖更能有效抑制热量横向传导，且这种抑制效应随着土层加深递增；2019年热量总体上由种植带向覆盖带转移，秋覆盖较春覆盖在5和15cm土层明显抑制了热量的传递，说明秋覆盖对热量的横向散发有更大的阻碍作用，保证了种植带上热量的截留，更加有利于马铃薯生长。但2年温度传递的方向不一致，可能与试验田所在位置、坡向和坡度等有关，具体原因尚不清楚。

3.3 覆盖对马铃薯产量的影响

大多数研究[10,17,22]发现，覆盖可增加作物产量，但增产效应随区域环境、气候条件、覆盖方式、作物种类及膜类型的不同存在较大差异。苏建云等[35]发现，地膜覆盖显著提高了马铃薯的产量和产值，本研究中地膜覆盖均较CK显著增产，2年分别增产32.57%和17.97%，且地膜秋覆盖增产率比春覆盖提高0.03和0.18个百分点，说明地膜覆盖的增产效应高于秸秆覆盖，秋覆盖高于春覆盖。秸秆覆盖对作物产量的影响也随作物种类、区域环境、覆盖方式的不同存在较大差异，在小麦、玉米和甘蔗种植中秸秆覆盖均表现出显著的增产效应[36]，本研究发现秸秆覆盖2年分别较CK显著增产15.62%和13.75%，这与前人研究结果类似。但也有研究[37-38]表明，地膜覆盖和秸秆覆盖有减产效应，本研究中均未有体现，可能与气候、海拔和降雨等差异有关。覆盖种植能显著增加马铃薯产量的主要原因是增加了单薯鲜重，这与马建涛等[39]研究结果相符。

4 结论

不同覆盖方式均可显著影响0～25cm土层土壤温度。其中，2个生长季秸秆带状覆盖显著降低0～25cm土层土壤温度0.6℃～0.9℃，降温幅度秋覆盖大于春覆盖，地膜覆盖提高土壤温度0.3℃～0.7℃。而且地表覆盖存在增温和降温的双重效应，降温效应秸秆带状覆盖大于地膜覆盖，而增温效应地膜覆盖大于秸秆带状覆盖。地温日变化随气温的变化存在明显的滞后效应。覆盖具有“双抑制效应”，在低温时段抑制了土壤热量向大气的散失，高温时段抑制了地表对太阳辐射热量的吸收，且秸秆覆盖优于地膜覆盖，秋覆盖优于春覆盖。在日间温度最低点（7:00），覆盖能显著抑制地热的散失，2个生长季秸秆覆盖温度梯度降低 7.3～7.8℃/m，地膜覆盖降低3.4～6.3℃/m，在日间温度最高点（17:00）覆盖能显著抑制地表对太阳辐射热量的吸收，2个生长季秸秆覆盖温度梯度分别降低0.22和0.35个百分点，地膜覆盖温度梯度分别降低0.18和0.28个百分点。覆盖处理无论是在低温段对地热散失的抑制作用，还是高温段对地表吸热的抑制作用均表现为秸秆覆盖＞地膜覆盖，秋覆盖＞春覆盖。覆盖处理均可提高马铃薯产量，其中秸秆带状覆盖增产14.7%，地膜覆盖增产25.3%，单薯重的差异是引起处理间产量差异的主要因素。