王紅麗,張緒成,2,*,于顯楓,馬一凡,侯慧芝

1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所,蘭州　730070 2 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州　730070

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黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應(yīng)及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

王紅麗1,張緒成1,2,*,于顯楓1,馬一凡1,侯慧芝1

1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所,蘭州730070 2 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州730070

以馬鈴薯為研究材料,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)全膜覆蓋壟溝種植(PM)和裸地平作(CK)兩個(gè)處理,研究西北半干旱區(qū)黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應(yīng)及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：PM能增加馬鈴薯全生育期0—25 cm土壤溫度1.5℃左右,增溫效應(yīng)呈“拋物線型”;盛花期PM增溫效果主要在8:00,14:00和20:00具有降溫和穩(wěn)定地溫作用;同時(shí),在平水年和欠水年,PM能促進(jìn)馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水,盛花期PM耗水量增加21.2%—50.5%,塊莖膨大期增加5.4%—57.9%,但全生育期耗水量PM與CK差異不顯著;PM在調(diào)節(jié)地溫、促進(jìn)關(guān)鍵生育期耗水作用下,產(chǎn)量較CK提高13.6%—64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差異均達(dá)顯著水平。在年均降水391.4 mm條件下,連續(xù)4a地膜覆蓋高產(chǎn)種植的 0—200 cm土層土壤貯水量增加了123.4 mm,優(yōu)化了土壤水分狀況。

黑色地膜;覆蓋;土壤水熱效應(yīng);馬鈴薯;產(chǎn)量

隴中半干旱區(qū)降水稀少,氣候干燥,蒸發(fā)強(qiáng)烈[1],水資源短缺是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子[2]。地膜覆蓋能夠顯著降低棵間蒸發(fā)而改善土壤水熱狀況,明顯改善旱地作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況,提高降水利用效率和作物產(chǎn)量[3-6]。對(duì)于喜溫作物而言,它實(shí)現(xiàn)了土壤水分和溫度對(duì)作物發(fā)育的協(xié)同作用。但是,對(duì)于馬鈴薯等喜涼作物而言,透明地膜覆蓋造成的土壤溫度過(guò)高會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)形成脅迫[7-8]。研究顯示通過(guò)改變覆蓋材料來(lái)適當(dāng)降低土壤溫度和保持土壤水分,從而使土壤微環(huán)境更適宜于馬鈴薯的生長(zhǎng),可提高馬鈴薯生產(chǎn)對(duì)自然資源的利用效率[9]。

馬鈴薯為西北半干旱區(qū)主栽作物,2006年以前一直采用露地種植,本試驗(yàn)所在區(qū)域甘肅省定西市2006年開(kāi)始試驗(yàn)干旱半干旱地區(qū)透明地膜覆蓋種植馬鈴薯,并獲得一定程度增產(chǎn)。但問(wèn)題逐步顯現(xiàn),一方面馬鈴薯薯塊膨大期地溫高導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量不穩(wěn),甚至減產(chǎn);另一方面透明地膜覆蓋薯塊變綠,影響商品性和品質(zhì)。因此,2009年開(kāi)始,本試驗(yàn)區(qū)馬鈴薯種植全部采用黑色地膜,其透光率低,輻射熱透過(guò)少,土壤增溫幅度較透明膜小,能防止高溫對(duì)作物的不良影響、抑制雜草生長(zhǎng)并防止馬鈴薯變綠。研究表明,黑色地膜覆蓋能顯著增加馬鈴薯產(chǎn)量并顯著提高WUE[10- 11]。目前對(duì)黑色地膜覆蓋后的節(jié)水效應(yīng)和產(chǎn)量效應(yīng)已有報(bào)道,但對(duì)黑色地膜覆蓋后的增產(chǎn)機(jī)制研究甚少。本研究以馬鈴薯為試驗(yàn)材料,以黑色地膜覆蓋和露地為處理,從土壤溫度和水分耗散過(guò)程入手,在馬鈴薯全生育期測(cè)定土壤溫度和土壤含水量,測(cè)定馬鈴薯產(chǎn)量并計(jì)算其水分利用效率和耗水深度,揭示黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應(yīng)及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響,探明其增產(chǎn)機(jī)制及其對(duì)土壤水分年際持續(xù)性的影響,為進(jìn)一步探討旱作區(qū)高產(chǎn)高效、生態(tài)安全的栽培技術(shù)體系提供理論支持。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2011—2014年在甘肅省定西縣唐堡試驗(yàn)站進(jìn)行。該區(qū)海拔1970m,年均氣溫6.2℃,年輻射總量5898MJ/m2,年日照時(shí)數(shù)2500h,≥10℃積溫2075.1℃,無(wú)霜期140d,屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟,無(wú)灌溉,為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。年均降水總量為415mm,6—9月降水量占年降水的68%,降水相對(duì)變率為24%,400mm降水保證率為48%。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土,0—30cm土層平均容重1.25g/m3,永久凋萎系數(shù)為7.5%。4a試驗(yàn)期間降水及氣溫變化見(jiàn)圖1,2011年馬鈴薯全生育期內(nèi)降水283.5mm,為欠水年。2012年馬鈴薯全生

圖1　馬鈴薯生育期降水和氣溫變化Fig.1　Dynamic of precipitation and average air temperature during the growth stages of potato

育期降水386.8mm,主要集中在5、6、7、8、9月份,為平水年。2013年馬鈴薯全生育期降水474.5mm,5月份、7月份和8月份降水均高于往年同期,為豐水年。2014年馬鈴薯全生育期降水420.6mm,4、6、8、9月份降水多,但7月份降水僅34.1mm,此時(shí)正值全年氣溫最高時(shí)段,作物受干旱脅迫嚴(yán)重,為季節(jié)性干旱平水年。試驗(yàn)4年間,2011年馬鈴薯生育期平均氣溫最高,后3年基本相同,其中2011年和2014年7中下旬(馬鈴薯花期)平均氣溫基本相同,較2012年平均高0.7℃,較2013年平均高2.1℃。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以馬鈴薯(Solanumtuberosum)為研究材料,品種為“新大坪”,采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)全膜覆蓋壟溝種植(PM)和裸地平作(CK)兩個(gè)處理,每處理4次重復(fù),全部采用寬窄行種植,即寬行行距60cm,窄行行距40cm,以利于通風(fēng)透光。全膜覆蓋壟溝種植方式為全地面覆膜,起單壟,壟寬60 cm,高15cm,溝寬40 cm,馬鈴薯種植在壟的兩側(cè)(圖2);裸地平作地面不覆膜不起壟,馬鈴薯直接點(diǎn)播。小區(qū)面積6 m×7.5 m=45m2,種植密度48500株/ hm2。施肥量為有機(jī)肥15000kg/ hm2,尿素375kg/ hm2,過(guò)磷酸鈣750kg/ hm2,肥料在播前作為底肥一次施入。2011年4月18日播種,9月23日收獲;2012年4月19日播種,9月25日收獲;2013年4月13日播種,10月10日收獲;2014年4月20日播種,10月8日收獲。馬鈴薯全生育期不灌溉,如馬鈴薯點(diǎn)播穴孔處有雜草,用手拔除,不進(jìn)行其他田間管理。

圖2　馬鈴薯全膜覆蓋壟溝種植示意圖Fig.2　Schematic diagram of whole field plastics mulching and planting in dicth of patato

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1地溫 參考Cook等[12]的方法,在馬鈴薯生長(zhǎng)全生育期用地溫計(jì)在壟上兩株馬鈴薯植株間進(jìn)行0 —25cm地溫測(cè)定,每5cm為1個(gè)測(cè)定層,每小區(qū)測(cè)定1個(gè)位點(diǎn),定點(diǎn)測(cè)定。每10—15d在8:00、14:00、20:00各測(cè)定1次,分析時(shí)取平均值。

1.3.2土壤含水量測(cè)定及計(jì)算方法

在馬鈴薯全生育期用烘干法測(cè)定0—200cm土層土壤含水量,每20 cm為1個(gè)層次,在壟上兩株馬鈴薯之間測(cè)定,下次測(cè)定時(shí)換一位點(diǎn),平均每10 —15d每小區(qū)測(cè)定1次。

土壤貯水量計(jì)算公式：SWS(mm)=WS×b×d，式中WS為土壤重量含水量;b為土壤容重;d為土壤深度。

1.3.3水分利用效率計(jì)算

WUE=Yd/ET,式中Yd為作物單位面積產(chǎn)量;ET= SWSBF-SWSHA+P, 式中SWSBF為播前貯水量;SWSHA為收獲后貯水量;P為生育期降水量

1.3.4耗水深度計(jì)算

耗水深度計(jì)算：(SWSi-SWCb)/ SWCb﹤5%時(shí),認(rèn)為該土層土壤水分沒(méi)有被耗散。式中SWSi為某一土層土壤含水量(%);SWSb為播前對(duì)應(yīng)土層土壤含水量(%)。

1.3.5產(chǎn)量

馬鈴薯成熟后及時(shí)收獲,收獲后立刻稱鮮重,每小區(qū)產(chǎn)量按實(shí)收鮮重計(jì)產(chǎn)。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和DPS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并用LSD法進(jìn)行多重比較。

2　結(jié)果與分析

2.10—25cm土壤平均溫度變化

黑色地膜全地面覆蓋使馬鈴薯全生育期地溫增加,但在馬鈴薯不同生育時(shí)期增溫效果不同(圖3)。馬鈴薯播種到出苗(4月中下旬—5月中下旬),全膜覆蓋壟溝種植(PM)0—25cm土層平均地溫4a平均較裸地平作(CK)增加0.8℃;出苗到現(xiàn)蕾期(5月中下旬—6月中下旬)平均增溫1.3℃;現(xiàn)蕾期到開(kāi)花期(6月中下旬—7月上旬)平均增溫1.8℃;開(kāi)花期到塊莖膨大期(7月中下旬—8月中旬)平均增溫2.3℃;薯塊膨大期到淀粉積累期(8月下旬—9月中上旬)平均增溫1.9℃;成熟期(9月下旬—10月上旬)平均增溫2.0℃。黑色地膜覆蓋增溫幅度呈先增大后減少的“拋物線型”變化趨勢(shì),原因是馬鈴薯地上干物質(zhì)較為矮小,種植密度不大,對(duì)地面遮陰較弱,受太陽(yáng)輻射影響大,從馬鈴薯播種到收獲,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度呈先增強(qiáng)后減弱的變化,黑色地膜覆蓋增溫效果與此趨勢(shì)一致。

圖3　黑色地膜覆蓋對(duì)0—25cm平均土壤溫度的影響Fig.3　Effect of black film mulching on soil average temperature in 0—25 cm layer PM：全膜覆蓋壟溝種植 whole field surface plastic mulching and planting on ridge;CK：裸地平作 uncovered and flat planting;PM-CK:PM與CK溫度差,即PM增溫幅度Temperature difference between PM and CK

2.2不同時(shí)間和深度土壤溫度的變化

黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯苗期、現(xiàn)蕾期、盛花期、薯塊膨大期和淀粉積累期在8:00、14:00、20:00溫度效應(yīng)有明顯差異(圖4—圖7)。8:00, PM 0—25 cm土層增溫效果自上而下逐漸減弱。苗期PM增溫幅度較小, 5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm、20—25 cm土層分別增溫1.6、0.8、0.6、0℃;現(xiàn)蕾期除2011年外,其他年份此期基本不增溫,這與試驗(yàn)4a氣溫變化不同有關(guān)。盛花期為全年氣溫最高時(shí)段,此時(shí)PM增溫主要在20cm以上土層,5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm土層分別增溫2.0、2.0、1.1℃;薯塊膨大期增溫幅度均在1.0℃以下;淀粉積累期增溫效果重現(xiàn),5—25 cm土層增溫均在1.8℃左右;0—5 cm土層由于與外界熱量交換強(qiáng)烈,PM增溫效果無(wú)一定規(guī)律。

圖4　2011年不同時(shí)間和土層土壤溫度變化Fig.4　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2011

14:00,與CK相比,PM 馬鈴薯盛花期各土層地溫均降低,其他生育期均有不同程度增溫且增溫效果5—25cm土層自上而下呈逐漸減弱趨勢(shì)。苗期PM增溫主要在15cm以上土層,平均增溫2.0℃;現(xiàn)蕾期增溫效果弱于苗期,除5—10cm 土層外,增溫效果均在1.0℃以下;盛花期PM各土層地溫均低于CK,降溫主要表現(xiàn)在20cm以上土層,其中0—5cm、5—10cm、10—15cm、15—20cm降溫幅度分別為5.7、3.4、2.3℃和1.0℃;薯塊膨大期增溫效果重現(xiàn),5—10cm、10—15cm、15—20cm、20—25cm分別增溫3.3、4.0、2.5、0.9℃;淀粉積累期分別增溫2.4、1.7、1.0、1.5℃,增溫效果減弱。0—5cm土層由于與外界熱量交換強(qiáng)烈,PM增溫效果無(wú)一定規(guī)律。

圖5　2012年不同時(shí)間和土層土壤溫度變化Fig.5　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2012

20:00,盛花期PM表現(xiàn)為降溫效應(yīng),其他生育期均不同程度增溫。苗期PM增溫效果較14:00有所減弱, 5—10cm、10—15cm、15—20cm、20—25cm土層分別增溫1.8、1.1、1.1、1.2℃;現(xiàn)蕾期PM與CK各土層土壤溫度無(wú)差異;盛花期PM各土層地溫均低于CK,降溫效果從上到下遞減,降溫幅度0.6—2.8℃;薯塊膨大期5—25cm各土層分別增溫2.9、2.4、2.5、1.3℃;淀粉積累期分別增溫2.7、2.1、2.8、2.4℃(圖4)。

圖6　2013年不同時(shí)間和土層土壤溫度變化Fig.6　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2013

黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯盛花期雖處在全年氣溫最高時(shí)段,但增溫效應(yīng)只出現(xiàn)在8:00,14:00和20:00均具有降溫作用,避免了馬鈴薯關(guān)鍵生育期高溫脅迫;另一方面黑色地膜覆蓋在盛花期穩(wěn)定地溫的作用對(duì)馬鈴薯薯塊膨大創(chuàng)造了適宜的條件,對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量提高奠定了基礎(chǔ)。

圖7　2014年不同時(shí)間和土層土壤溫度變化Fig.7　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2014

2.3馬鈴薯不同生育期土壤水分狀況和耗水深度

黑色地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯現(xiàn)蕾期、盛花期和薯塊膨大期土壤水分狀況有顯著影響,并與當(dāng)年降水分布密切相關(guān)(圖8,表1)。雖然試驗(yàn)4a降水分布不同,但馬鈴薯現(xiàn)蕾前降水均較少,且降水多為10mm以下無(wú)效降水,馬鈴薯生長(zhǎng)幾乎全部依賴土壤水分,因此馬鈴薯現(xiàn)蕾期0—200 cm土壤貯水量均有不同程度減少,其中2011年P(guān)M 0—200cm貯水量較播前減少45.0mm,水分耗散深度為80cm,CK減少51.9mm,水分耗散深度為140cm;2012年由于現(xiàn)蕾前降水多于其他年份,土壤水分補(bǔ)給較多,PM和CK均只消耗20—60cm土壤水分,其中PM 20—60cm土層土壤貯水量較播前減少12.1mm,CK減少2.2mm,PM和CK耗水深度均為60cm;2013年P(guān)M 0—200cm貯水量減少27.8mm,CK減少45.6mm,PM耗水深度60cm,CK耗水深度80cm;2014年現(xiàn)蕾前降水亦較多,PM和CK 0—200cm土壤貯水量分別較播前減少30.5mm和23.0mm,耗水深度均為100cm。可見(jiàn),在干旱條件下(2011年和2013年現(xiàn)蕾前)CK土壤水分散失較PM更多,原因是CK地表裸露,在干燥條件下蒸發(fā)更為強(qiáng)烈。

隨馬鈴薯生育進(jìn)程的推進(jìn),降水逐漸增多同時(shí)馬鈴薯對(duì)水分利用逐步加快,進(jìn)入盛花期,2011年、2012年和2014年均表現(xiàn)為PM 0—200cm 土壤貯水量減少幅度大于CK,可見(jiàn)PM能促進(jìn)馬鈴薯盛花期對(duì)土壤水分的利用。2011年盛花期PM 0—200cm貯水量較播前減少75.8mm,水分耗散深度為140cm,CK減少54.0mm,水分耗散深度為140cm;2012年P(guān)M和CK 不僅消耗了現(xiàn)蕾期土壤儲(chǔ)蓄的水分,而且耗散了土壤水分,PM 0—200cm土壤貯水量較播前減少50.5mm,耗水深度80cm,CK 0—200cm土壤貯水量與播前基本一致;2014年P(guān)M和CK分別減少87.1mm和71.9mm,耗水深度分別為160cm和180cm;2013由于盛花期降水多(7月份降水156mm), 雖然馬鈴薯耗水增多,但PM和CK 0—200cm土壤貯水量均較播前增加,PM播前增加46.9mm,CK增加38.8mm。

圖8　2011—2014年馬鈴薯關(guān)鍵生育期土壤貯水量變化 Fig.8　Dynamic of soil water storage at key growth stage during 2011—2014BF：播種前 Before sowing;PM：全膜覆蓋壟溝種植 whole field surface plastic mulching and planting on ridge

生育期/年份Growthstage/Year播前Sowing現(xiàn)蕾期Squaring盛花期Flowering薯塊膨大期Expanding貯水量/mmSoilwaterstorage貯水量/mmSoilwaterstorage耗水深度/cmWaterconsumptiondepth貯水量/mmSoilwaterstorage耗水深度/cmWaterconsumptiondepth貯水量/mmSoilwaterstorage耗水深度/cmWaterconsumptiondepthPMCKPMCKPMCKPMCKPMCKPMCKPMCK2011381.4381.4336.4329.580140305.6327.4140140286.6321.31601402012393.1320.5419.2342.86060342.6321.88060305.0325.21801802013461.7386.4433.9340.86080508.5425.1--502.9461.9-602014504.9449.7474.4426.6100100417.8377.7160180389.4385.8180180

BF：播種前 Before sowing, PM：全膜覆蓋壟溝種植 whole field surface plastic mulching and planting on ridgeI

盛花期后馬鈴薯生長(zhǎng)以地下部分為主,薯塊的膨大需要大量水分,因此馬鈴薯對(duì)土壤水分的消耗進(jìn)一步加大,除2013年外,其余年份試驗(yàn)結(jié)果均顯示,薯塊膨大期為馬鈴薯水分消耗最多的時(shí)期且PM對(duì)土壤水分的消耗大于CK。2011薯塊膨大期,PM 0—200cm貯水量較播前減少94.8mm,水分耗散深度為160cm,CK減少60.1mm,水分耗散深度為140cm;2012雖然此期降水109mm,但仍消耗大量土壤水分,PM 0—200cm土壤貯水量較播前較少91.1mm,耗水深度180cm,CK減少71.9mm,耗水深度180cm;2014年P(guān)M和CK分別減少125.5mm和119.2mm,耗水深度均達(dá)180cm;2013此期降水116mm,雖然馬鈴薯耗水增多,但塊莖膨大期PM和CK 0—200cm土壤貯水量均較播前增加,其中PM薯塊膨大期較播前增加41.2mm,CK增加0.3mm。

綜合分析4a試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),在平水年和欠水年P(guān)M能促進(jìn)馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水,保證馬鈴薯高產(chǎn)的水分條件,但與CK相比,PM雖然耗水量大,耗水深度卻并未增加。

2.4土壤水分年際變化

圖9　黑色地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯播前收后土壤貯水量的影響Fig.9　Effects of black film mulching on soil water storage before sowing and after harvesting

黑色地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯播前收后土壤貯水量有顯著影響(圖9)。2011年為欠水年,馬鈴薯收獲后,PM 60cm以上土層高于播前,但60—200cm土層較播前低89.8 mm;CK 40cm以上土層高于播前,但40cm—200cm土層較播前低113.4 mm;2012年馬鈴薯收獲后,PM 0—60cm土壤貯水量跟播前接近,60—200cm土層土壤貯水量較播前高90.4mm;CK 0—120cm土壤貯水量較播前高52.1mm,120cm—200cm土層與播前相近。2013年收獲后PM 0—200cm各土層土壤貯水量較播前高28.6mm,CK 60 cm—200cm層土壤貯水量較播前高64.4mm。2014年馬鈴薯收獲后,PM與CK 0—200cm貯水量與播前基本無(wú)差異。

從年際水分變化看,PM和CK當(dāng)年播前0 —200cm土壤貯水量均不少于上一年收獲后。2012年P(guān)M播前0 —200cm 土壤貯水量較2011年收獲后高61.8mm,CK高57.1mm;2013年P(guān)M播前0 —200cm 土壤貯水量較2012年收獲后高8.7mm,CK高15.4mm;2014年P(guān)M播前0 —200cm 土壤貯水量較2013年收獲后高1.6 mm,CK高19.9mm。2014年收獲后PM 0 —200 cm土壤貯水量較2011年播前高123.4mm,CK高92.4mm。可見(jiàn),在馬鈴薯生育期平均降水391.4mm(2011—2014年馬鈴薯生育期平均降水量)條件下,足以支持馬鈴薯生產(chǎn),并能改善土壤水分狀況。

2.5馬鈴薯產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率

黑色地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、耗水量和WUE均有顯著影響(圖10)。黑色地膜覆蓋后, 2011年P(guān)M產(chǎn)量較CK提高29.3%,2012年提高13.6%,2013年提高17.5%,2014年提高64.5%,差異均達(dá)顯著水平(P<0.05);在PM大幅增產(chǎn)的前提下,耗水量卻有一定程度下降,2011年和2012年P(guān)M耗水量顯著低于CK(P﹤0.05),2013—2014年低于CK,但差異不顯著。PM 2011年WUE較CK提高44.7%,2012年提高36.2%,2013年提高24.1%,2014年提高69.5%,差異均達(dá)顯著水平(P﹤0.05)。

圖10　黑色地膜覆蓋對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量、耗水量和WUE的影響Fig.10　Effects of black film mulching on yield, water consumption and WUE of potato 不同字母表示同一年份不同處理測(cè)定結(jié)果在5%水平上差異顯著

綜合分析4a試驗(yàn)結(jié)果(表2),2011—2014年P(guān)M馬鈴薯累計(jì)產(chǎn)量較CK增加32.9%,WUE較CK提高41.3%,差異均達(dá)顯著水平(P﹤0.05),但4a馬鈴薯生育期累計(jì)耗水量PM 與CK差異不顯著, PM略低于CK;2011—2014年累計(jì)降水量1878mm(含冬休閑期降水),較PM 馬鈴薯4a總耗水量多462mm,較CK總耗水量多332.0mm;馬鈴薯連續(xù)種植4a后,2014年馬鈴薯收獲后0—200cm土壤貯水量較2011年播前增加123.4mm,CK增加92.4mm;可見(jiàn),從土壤水分年際持續(xù)性看,在試驗(yàn)4a馬鈴薯生育期間年均降水391.4mm條件下,降水足以支持馬鈴薯生長(zhǎng),并提高土壤水分含量。馬鈴薯覆蓋黑色地膜后,產(chǎn)量大幅提高同時(shí)土壤水分環(huán)境得以優(yōu)化。

表2　2011—2014年累計(jì)產(chǎn)量、耗水量、WUE及0—200cm土壤水分變化

不同字母表示同一年份不同處理測(cè)定結(jié)果在5%水平上差異顯著

3　討論與結(jié)論

透明膜覆蓋具有顯著的增溫效果,對(duì)玉米、小麥覆膜后增溫效果主要在拔節(jié)期前,增溫幅度1.8—3℃左右[6,13]。對(duì)馬鈴薯而言,透明膜覆蓋后,苗期日均溫度增加最明顯,開(kāi)花期和封行期增溫不明顯,增溫效應(yīng)表現(xiàn)為馬鈴薯生長(zhǎng)前期增溫多,后期增溫少,且0—20cm各土層土壤溫度均表現(xiàn)為14:00最高,20:00次之,8:00最低[14-17];馬鈴薯透明膜覆蓋壟溝種植方面的研究顯示,覆膜能顯著增加壟上10cm土層土壤溫度,利于馬鈴薯幼苗生長(zhǎng)[18]。本試驗(yàn)條件下,黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯全生育期均存在增溫效果,且增溫幅度呈先增大后減少的“拋物線型”變化趨勢(shì),0—25cm平均地溫增加0.8—2.3℃,與已有透明膜覆蓋增溫效應(yīng)研究結(jié)果有不同之處,一方面增溫時(shí)期不同,另一方面增溫幅度低于透明膜[14]。本試驗(yàn)中,盛花期PM增溫效果主要在8:00,14:00和20:00地溫低于CK,其他生育期各時(shí)段均有不同程度增溫,與馬鈴薯透明膜覆蓋后不同時(shí)間段溫度效應(yīng)研究結(jié)果不同[14-19],原因是黑色地膜覆蓋前期增溫使植株長(zhǎng)勢(shì)旺盛,地上冠層大,地上群體較為合理,避免了透明地膜覆蓋馬鈴薯關(guān)鍵生育期的高溫脅迫;另一方面黑色地膜覆蓋在盛花期穩(wěn)定地溫的作用對(duì)馬鈴薯薯塊膨大創(chuàng)造了適宜的條件,對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量提高奠定了基礎(chǔ)。

透明膜覆蓋在提高玉米[6,20-21]、小麥[13,22]、西瓜[23]等耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率方面效果顯著,但透明膜覆蓋后馬鈴薯的土壤水分、產(chǎn)量效應(yīng)研究結(jié)果不盡相同。有研究顯示透明膜覆蓋后馬鈴薯播種后至封行前,0—21 cm土壤含水率比不覆膜提高10.88%,封行后比不覆膜低6.40%,馬鈴薯透明膜覆蓋栽培的塊莖產(chǎn)量比不覆蓋降低15.8%,認(rèn)為透明膜覆蓋宜采取前期覆膜、中后期撤膜的方式[24-25];也有研究認(rèn)為,透明膜覆蓋雙壟栽培能提高0—100cm土壤含水量[9],產(chǎn)量較不覆膜提高29.31%—207.94%,水分利用效率提高36.15%—237.50%[11,16- 18]。本試驗(yàn)條件下,雖然試驗(yàn)4a降水分布不同,但馬鈴薯現(xiàn)蕾期PM和CK 0—200 cm土壤貯水量均有不同程度減少,隨馬鈴薯生育進(jìn)程的推進(jìn),降水逐漸增多同時(shí)馬鈴薯對(duì)水分利用逐步加快,盛花期平水年和欠水年P(guān)M 0—200cm 土壤貯水量減少幅度大于CK, PM能促進(jìn)馬鈴薯盛花期對(duì)土壤水分的利用;盛花期后馬鈴薯生長(zhǎng)以地下部分為主,對(duì)土壤水分的消耗進(jìn)一步加大,在平水年和欠水年,薯塊膨大期為馬鈴薯水分消耗最多的時(shí)期且PM對(duì)土壤水分的消耗大于CK。但在豐水年(2013年),雖然馬鈴薯耗水增多,但塊莖膨大期PM和CK 0—200cm土壤貯水量均較播前增加,綜合分析4a試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯對(duì)土壤水分的消耗與降水有較大關(guān)系,在平水年和欠水年P(guān)M能促進(jìn)馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水,保證馬鈴薯高產(chǎn)的水分條件,但與CK相比,PM雖然耗水量大,耗水深度卻并未增加。

研究顯示,透明膜覆蓋能顯著提高作物產(chǎn)量,但在地膜覆蓋營(yíng)造高產(chǎn)田的同時(shí),易導(dǎo)致土壤水分過(guò)耗,土壤干燥化現(xiàn)象發(fā)生或土壤年際水分平衡破壞,干燥化風(fēng)險(xiǎn)增加[26-30]。本試驗(yàn)條件下,不論豐水年或欠水年,黑色地膜覆蓋后,PM產(chǎn)量和WUE較CK均提高,其中產(chǎn)量增加13.6% — 64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差異均達(dá)顯著水平(P﹤0.05);但PM在大幅增產(chǎn)的前提下,耗水量和耗水深度卻并未增加,2011年和2012年P(guān)M耗水量顯著低于CK(P﹤0.05),而且試驗(yàn)4a中各生育期PM耗水深度與CK相比并未加深;連續(xù)4a PM種植馬鈴薯使0—200 cm土壤貯水量增加了123.4mm,較CK高31.0mm。主要原因是黑色地膜覆蓋抑蒸保墑、協(xié)調(diào)馬鈴薯耗水與土壤水分分配,在高效用水的同時(shí)最大限度保蓄了土壤水分。

黑色地膜覆蓋(PM)能增加馬鈴薯全生育期0—25cm土壤溫度1.5℃左右,增溫效應(yīng)弱于透明膜覆蓋,在馬鈴薯盛花期PM增溫效果主要在8:00,14:00和20:00的地溫低于CK,在一定程度緩解了地膜覆蓋馬鈴薯生育后期的高溫脅迫危害并具有穩(wěn)定地溫的作用;同時(shí),在平水年和欠水年,促進(jìn)馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水;PM在調(diào)節(jié)地溫、促進(jìn)關(guān)鍵生育期耗水作用下,產(chǎn)量較CK提高13.6%—64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差異顯著(P﹤0.05)。PM雖連年增產(chǎn),但在年均降水391.4mm條件下,連續(xù)4a種植對(duì) 0—200cm土壤水分狀況有優(yōu)化作用。

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Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield

WANG Hongli1, ZHANG Xucheng1,2,*, YU Xianfeng1, MA Yifan1, HOU Huizhi1

1DrylandAgricultureInstitute,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,China2KeyLaboratoryofHighWaterUtilizationonDrylandofGansuProvince,Lanzhou730070,China

Potato is the main economic and staple food crop in the semiarid loess region of Northwest China. Potato productivity in this area is low because of water shortage and low temperatures in early spring. The use of plastic mulch captures evaporating water, thus suppressing evaporation and maintaining soil moisture. This significantly improves the rainfall-use efficiency, allows the full utilization of light and heat resources, and significantly increases the yield in wheat, corn, and other crops. However, potato plantings covered with transparent plastic film will suffer high temperature stress in the late growth stage, which will restrict further growth and reduce yield. Black plastic film, however, has low transmittance and therefore allows less radiant heat to reach the soil surface. Hence, the soil warming magnitude of black plastic film is smaller than that of the transparent film. This prevents significantly the adverse effects of high temperature on potato and in turn increases potato yield. Potato plantings have been widely mulched with black plastic film by farmers in dryland in the central and eastern parts of the Gansu Province, China. They have also reported the water-saving effects and increased yield in potato that has been mulched with black plastic film. However, systematic studies on the mechanisms of black plastic film mulching that are responsible for the increased potato yield are still lacking. In particular, there is no research on the effects of black plastic film mulching on soil temperature and soil moisture dissipation. Therefore, the aim of this study was to reveal the effects of black film mulching on soil temperature, soil moisture, and potato yield in the semiarid area of Northwest China and to explore the mechanisms responsible for increased crop yield and sustained soil moisture. This study will provide the theoretical support for high yield and high efficiency and contribute to the development of ecologically sound potato cultivation techniques. Potatoes were grown over a four-year period in a randomized block design experiment with two treatments. The two treatments were as follows: 1) whole field surface mulched with black plastic and planting on ridge (PM) and 2) surface uncovered and flat planting (CK). The results showed that the PM treatment increased the average soil temperature by 1.5 ℃ in the top 0—25 cm of soil profile compared to the temperature in the CK treatment. During the flowering stage of the potato, the soil temperature under the PM treatment was increased at 08:00, decreased at 14:00, and stabilized at 20:00 compared to the temperature in the CK treatment. In dry years and years with an average rainfall, PM treatment promoted water consumption during the flowering and tuber expanding stage of potato. PM treatment increased water consumption by 21.2%—50.5% during the flowering stage and by 5.4%—57.9% during the tuber expanding stage, but soil water consumption during the whole growth period was not significantly different between the PM and CK treatments. Because of soil temperature regulation and increased soil water consumption during the critical growth periods, the PM treatment significantly increased potato yield by 13.6%—64.5% and water use efficiency by 24.1%—69.5% compared with the CK treatment. PM treatment increased potato production continuously and increased the soil water stored in the 0—200 cm of the soil by 123.4 mm over 4 years (the average annual rainfall was 391.4 mm). Potato culture with black plastic mulching increased crop productivity and optimized soil water status when compared with control plots.

black film; mulching; soil temperature and moisture; potato; yield

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201203031);國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAD22B04)

2015- 01- 20; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 12- 03

Corresponding author.E-mail: gszhangxuch@163.com

10.5846/stxb201501200167

王紅麗,張緒成,于顯楓,馬一凡,侯慧芝.黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應(yīng)及其對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(16):5215- 5226.

Wang H L, Zhang X C, Yu X F, Ma Y F, Hou H Z.Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5215- 5226.