紀(jì)文寧， 程宏波， 李亞偉， 蘭雪梅，玉平， 柴守璽， 常 磊

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室，蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070)

馬鈴薯(L.)作為世界第四大主要糧食作物，具有適應(yīng)性強、產(chǎn)量高的特點，也是我國西北干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)抗旱增收的主糧作物，有效保障了地區(qū)糧食安全，促進了地方經(jīng)濟發(fā)展。甘肅隴中半干旱農(nóng)區(qū)，兼有干旱少雨、降雨分布不均且蒸發(fā)量大的特點，加以灌溉條件缺乏、倒春寒等災(zāi)害性氣候變化頻發(fā)，從而阻礙作物生長發(fā)育，進而影響作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。因此，有效減少土壤水分蒸發(fā)、充分利用自然降雨是解決該區(qū)馬鈴薯水分需求的主要途徑。

提高作物水分利用效率的技術(shù)對可持續(xù)的作物生產(chǎn)和糧食安全至關(guān)重要，農(nóng)業(yè)覆蓋技術(shù)作為節(jié)水抗旱的重要栽培措施，具有蓄水保墑作用，一定程度上解決降雨不足和季節(jié)分配不均導(dǎo)致的作物水分不足、產(chǎn)量不穩(wěn)定等問題，增強作物抗旱能力，顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。王青松等研究表明，在河套灌區(qū)利用覆膜技術(shù)，可以有效改善農(nóng)田耗水結(jié)構(gòu)，提高春玉米產(chǎn)量與水分利用效率。陳桂平等研究表明，在西北綠洲灌區(qū)地膜秸稈交替覆蓋降低了玉米農(nóng)田間的棵間蒸發(fā)量，減少了玉米營養(yǎng)生長前期耗水，增大了生長后期的耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米前后生育時期耗水互補。

地膜覆蓋通過增加日照凈輻射，提高土壤溫度，而秸稈覆蓋具有隨季節(jié)溫度變化增加或降低土壤溫度的功能，較地膜覆蓋更有利于馬鈴薯和冬小麥等喜涼作物生長。景明等研究表明，地膜覆蓋條件下的棵間蒸發(fā)量顯著高于秸稈覆蓋，進而限制作物水分利用效率，且農(nóng)田殘膜通過增大土壤容重，降低土壤孔隙度，從而阻礙土壤水分入滲，減弱土壤保水能力，進而脅迫作物的生長發(fā)育。秸稈覆蓋具有就地取材、對環(huán)境污染小的優(yōu)勢，在西北干旱半干旱農(nóng)區(qū)具有更好的應(yīng)用前景，且根據(jù)作物耗水特征選擇適宜的秸稈覆蓋量能有效抑制土壤水分蒸發(fā)，因此，選擇科學(xué)的秸稈覆蓋模式對干旱半干旱農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定意義。

玉米秸稈帶狀覆蓋技術(shù)是近年來研發(fā)的一項新型覆蓋栽培技術(shù)，已在甘肅隴中半干旱雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)小麥和馬鈴薯生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，有關(guān)玉米秸稈帶狀覆蓋技術(shù)蓄水保墑、調(diào)節(jié)地溫等相關(guān)研究已有大量報道，而其對馬鈴薯耗水規(guī)律及產(chǎn)量形成的影響機制尚不明確。為此，本試驗從馬鈴薯全生育階段耗水及不同深度土壤耗水的角度出發(fā)，探討玉米秸稈帶狀覆蓋對馬鈴薯增產(chǎn)效應(yīng)及水分利用效率的影響，以期為馬鈴薯高產(chǎn)覆蓋栽培提供理論依據(jù)，為覆蓋栽培技術(shù)維持半干旱雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)土地生產(chǎn)力提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年4月至2019年10月年在甘肅省定西市通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站進行(35°11′N，105°19′E)，試驗地土壤類型為黃綿土，試驗地海拔1 750 m，年均氣溫7.2 ℃，多年平均生育期內(nèi)平均降水量391 mm，年平均蒸發(fā)量1 500 mm，降水年際間差異較大，且主要集中在6—9月。2年試驗中，2018年生育期有效降雨量為383.3 mm，屬欠水年，2019年生育期有效降雨量為423.9 mm，屬豐水年，馬鈴薯生育期內(nèi)有效降雨量見圖1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗分玉米秸稈和黑色地膜2種覆蓋材料，分玉米秸稈帶狀雙行覆蓋(SSM2)、玉米秸稈帶狀單行覆蓋(SSM1)、玉米秸稈全覆蓋(SFM)、地膜春覆蓋(PMS)和地膜秋覆蓋(PMA) 5種覆蓋方式，以傳統(tǒng)露地平作(CK)為對照。供試品種為試驗區(qū)主栽馬鈴薯品種“隴薯7號”，試驗地前茬作物均為小麥，試驗共設(shè)6個處理，每個處理3次重復(fù)，共18個試驗小區(qū)，采用完全隨機區(qū)組排列。具體試驗小區(qū)設(shè)計見表1。

2018年和2019年馬鈴薯各品種單位面積種植密度均為55 000株/hm，各小區(qū)施肥量相同，試驗區(qū)布局前統(tǒng)一施肥，各處理尿素(46% N)和三重過磷酸鈣(46% PO和8% N)，分別按純氮180 kg/hm和磷PO150 kg/hm均勻撒施，深耕前結(jié)合滅茬一次性旋耕施入，生育期內(nèi)不追肥。

圖1 馬鈴薯全生育時期有效降雨量

表1 試驗小區(qū)設(shè)計

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤耗水量及水分利用效率的計算 分別在馬鈴薯各生育時期，采用打鉆法，用直徑為5 cm的土鉆分別在種植帶中間分8個土層(0—20，20—40，40—60，60—90，90—120，120—150，150—180，180—200 cm)取土樣，在(105.0±2.0)℃的恒溫下烘干后計算土壤含水量。

土壤貯水消耗量Δ(mm)計算公式為：

(1)

式中：為土層編號；為總土層數(shù)；為第層土層容重(g/cm),為第層土層厚度(mm)；1和2分別為第層土壤時段初末的土壤含水量(%)。

農(nóng)田耗水量(mm)的計算公式為：

=Δ++-+-

(2)

式中：Δ為生育期土壤貯水量變化量(mm)；為作物生育期≥5 mm有效降雨量；為灌溉量(mm)；為灌溉后土壤水向下層流動量(mm)；為深層地下水利用量(mm)；為地表徑流(mm)；、分別為某一生育階段初始和結(jié)束時的土壤貯水量(mm)。本試驗地?zé)o灌溉，地下水位較深，且地表徑流小，故、、和可忽略不計。

水分利用效率(WUE，kg/(hm·mm))計算公式為：

(3)

式中：為馬鈴薯塊莖產(chǎn)量(kg/hm);為馬鈴薯農(nóng)田耗水(mm)。

耗水模系數(shù)(%)=某一生育階段農(nóng)田耗水量/生育期農(nóng)田總耗水量×100%

1.3.2 產(chǎn)量測定 在馬鈴薯收獲時，按照3次重復(fù)測得馬鈴薯實際產(chǎn)量，取平均值折算每公頃馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量。將各處理考種后的15株馬鈴薯塊莖鮮薯稱重，在105 ℃下烘干，折算各處理塊莖含水量(塊莖含水量=1-(15株馬鈴薯塊莖干重/15株馬鈴薯塊莖鮮重))，計算各處理干薯產(chǎn)量(干薯產(chǎn)量=小區(qū)實測鮮薯產(chǎn)量×塊莖含水量)。

1.3.3 統(tǒng)計分析 采用Microsoft Excel 2016和SigmaPlot 14.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理及作圖，采用SPSS 22.0軟件進行方差分析和相關(guān)性分析，采用最小顯著極差法(LSD)進行顯著性檢驗，顯著性水平≤0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯產(chǎn)量及產(chǎn)量形成的差異

由表2可知，覆蓋均較露地種植提高馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量及干薯產(chǎn)量。與CK相比，鮮薯增產(chǎn)率地膜覆蓋(PM)(22.32%)>秸稈帶狀覆蓋(SSM)(15.27%)>秸稈全覆蓋(SFM)(6.14%)，而干薯增產(chǎn)率則表現(xiàn)為SSM(27.88%)>PM(24.22%)>SFM(12.56%)，除SFM外，覆蓋處理間鮮薯產(chǎn)量和干薯產(chǎn)量均差異不顯著。覆蓋較CK顯著提高鮮薯(7.0%～20.5%)和干薯水分利用效率(13.5%～25.1%)，且總體來看，覆蓋處理間差異不顯著。處理間的產(chǎn)量差異首先取決于單薯重、其次為單株結(jié)薯數(shù)，二者處理間變異系數(shù)(CV)分別為9.3%和5.8%。與CK相比，PM、SSM、SFM依次提高單薯重27.7%，12.6%和11.0%，僅SSM1較CK顯著提高單株結(jié)薯數(shù)10.5%。

年季間馬鈴薯生物產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量及收獲指數(shù)差異較大，2018年馬鈴薯平均生物產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量分別高于2019年23.5%，92.2%，收獲指數(shù)卻低于2019年21.2%。生物產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量年際間差異可能與降水的生育期分布有關(guān)，2018年馬鈴薯生育后期降水教較少，導(dǎo)致植株較早衰老，抑制植株干物質(zhì)向塊莖的轉(zhuǎn)移。與CK相比，覆蓋不同程度提高生物產(chǎn)量(9.6%～28.6%)及秸稈產(chǎn)量(6.4%～29.0%)，但收獲指數(shù)處理間差異不顯著，生物產(chǎn)量及秸稈產(chǎn)量均以SSM1最高、SFM最低。

表2 不同覆蓋方式對馬鈴薯產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素及水分利用效率的影響

2.2 覆蓋方式對馬鈴薯全生育期總耗水量的影響

2.2.1 覆蓋處理間降水對耗水貢獻的差異 在黃土高原半干旱環(huán)境背景下，馬鈴薯的耗水高度依賴于生育期降水，甚至在多雨年份出現(xiàn)降水大于耗水需求的情況。但在生育期降水較少的年份，播前土壤貯水對馬鈴薯的耗水仍有較大貢獻。由圖2可知，秸稈帶狀覆蓋可顯著提高馬鈴薯降水對耗水的貢獻率，在生育期降水為383.0 mm條件下，降水對耗水的貢獻率為89.9%～94.3%，以SSM2最高；在生育期降水為423.9 mm條件下，生育期降水不僅可完全滿足SFM和CK的耗水需求，而且產(chǎn)生盈余8.1，6.2 mm，其他覆蓋處理降水貢獻率為89.9%～95.6%，以SSM2最高。

2.2.2 覆蓋對馬鈴薯不同土層土壤貯水消耗量的影響 2年平均來看，除SFM較CK略降低土壤貯水消耗量3.7 mm外，其他覆蓋處理均不同程度增加土壤貯水消耗，地膜覆蓋中以PMS消耗量最大，較CK顯著增加17.2 mm，秸稈帶狀覆蓋中以SSM1消耗量最大，較CK顯著增加23.0 mm(表3)。

覆蓋對各土層土壤貯水消耗影響不同，且年際間差異較大。在降水較少且主要集中分布在營養(yǎng)生長盛期的2018年，馬鈴薯生長主要消耗0—60 cm土層貯水，占土壤貯水總消耗量的76.8%以上。覆蓋總體較CK降低0—60 cm土層貯水消耗，以SSM2降幅最大，顯著低于CK 23.0 mm。除PMA和SSM外，其他處理在150—200 cm土層的貯水均有不同程度的補充(0.5～6.2 mm)，以PMS和CK補充量較大。

在降水相對較多且在各生育階段分布較均勻的2019年，SFM和CK的土壤貯水分別得到8.1，6.2 mm的補充，CK主要補充在0—60 cm土層，而SFM則主要補充在60—150 cm土層，即在降水滿足耗水需求后，秸稈覆蓋可促進盈余降水向較深土層蓄積。其他處理土壤貯水消耗主要集中在60—200 cm土層，其中PMA、PMS、SSM1在該土層耗水占總土壤耗水的84.0%，99.2%，81.8%；SSM1在該土層的耗水量為27.7 mm，而在0—60 cm土層土壤貯水增加了8.1 cm，因此，0—200 cm土壤貯水總消耗量為19.6 mm。

注：圖柱上方不同小寫字母表示相同年份不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

表3 馬鈴薯不同土層貯水消耗量 單位：mm

2.3 覆蓋處理間生育期總耗水及各生育階段耗水分配的差異

覆蓋對馬鈴薯總耗水量和耗水結(jié)構(gòu)的影響因降水年型不同而有較大差異。由圖3可知，在生育期前期(苗期—現(xiàn)蕾期)和后期(淀粉積累期—成熟期)降水較少，而中期(盛花期—塊莖膨大期)降水較多的年份(2018年)，各處理的總耗水量相近。但在各生育階段降水較均勻、且生育期總降水較充沛的年份(2019年)，各覆蓋處理較CK增加耗水量(32.2～54.2 mm)，其中以SSM1增加耗水最顯著。

2018年，地膜覆蓋各階段耗水量和耗水模系數(shù)與CK相近；SSM和SFM對前期耗水量和耗水模系數(shù)與CK相似，但SSM可明顯降低中期耗水量(35.4 mm)和耗水模系數(shù)(7.5%)，增加后期耗水量(9.6 mm)和耗水模系數(shù)(3.3%)；而SFM則增加了中期耗水量(25.8 mm)和耗水模系數(shù)(6.6%)、降低了后期耗水量(37.2 mm)和耗水比例(8.6%)。

2019年，各覆蓋處理一致降低前期和增加中期耗水量和耗水模系數(shù)，但后期處理間耗水量和耗水模系數(shù)差異不顯著。各處理前期耗水量較CK降低16.9～52.7 mm，耗水模系數(shù)降低0.5%～5.3%，降幅均以SFM最大；各處理中期增加耗水量10.8～52.8 mm，除SSM1外，耗水模系數(shù)增加3.0%～12.5%，耗水量增幅以PMA最大，耗水模系數(shù)以SFM增幅最大。

圖3 馬鈴薯各生育階段農(nóng)田耗水

2.4 耗水與馬鈴薯產(chǎn)量及其主要指標(biāo)的相關(guān)分析

由表4可知，馬鈴薯高產(chǎn)建立在高耗水基礎(chǔ)上，生育期耗水與干薯(0.517)和鮮薯產(chǎn)量(0.361)均高度正相關(guān)。覆蓋對時期間耗水分配的調(diào)整，特別是增加薯塊形成階段耗水，有利于單薯重增加，提高產(chǎn)量和馬鈴薯收獲指數(shù)，現(xiàn)蕾-塊莖增長期耗水量與單薯重(0.509)、鮮薯產(chǎn)量(0.341)、收獲指數(shù)均(0.464)高度正相關(guān)；而對0—60 cm土層耗水的抑制和60 cm以下土壤貯水消耗的促進可以增加單株結(jié)薯數(shù)，促進干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)移，0—60(-0.606)，60—150(0.372)，150—200(0.670) cm土壤貯水消耗與干薯產(chǎn)量高度相關(guān)，0—60 cm土層耗水與單株結(jié)薯數(shù)(-0.699)及收獲指數(shù)(-0.853)均高度負(fù)相關(guān)。

表4 覆蓋條件下馬鈴薯階段耗水量與產(chǎn)量要素的相關(guān)關(guān)系

3 討 論

自然降雨少且隨季節(jié)變化分布不均是影響西北干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素，是制約馬鈴薯產(chǎn)量增加的主要環(huán)境因素。覆蓋種植作為目前廣泛應(yīng)用的栽培措施，能有效蓄積雨水，顯著抑制土壤水分無效蒸發(fā)，提高土壤水庫的調(diào)蓄能力，促進作物對土壤水分的有效利用，進而促進馬鈴薯生長及產(chǎn)量形成。本試驗在不同降雨年型中，覆蓋處理較露地種植均提高了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量，增加了單薯重，提高了水分利用效率，這與王紅麗等、王平等在西北干旱半干旱區(qū)研究結(jié)論相一致，且本研究同時表明玉米秸稈帶狀覆蓋較地膜覆蓋更利于馬鈴薯塊莖中干物質(zhì)的積累，顯著提高了干薯產(chǎn)量和干薯水分利用效率。

盡管高耗水是作物高產(chǎn)的前提，但優(yōu)化耗水結(jié)構(gòu)、降低無效土壤蒸發(fā)、增加作物蒸騰耗水比例對實現(xiàn)作物對水分的高效利用也尤為重要。已有研究表明，增強中后期葉面蒸騰耗水，有利于促進馬鈴薯塊莖中淀粉積累，本研究也發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈帶狀覆蓋在降水虧缺年分提高了馬鈴薯生育后期農(nóng)田耗水量和耗水模系數(shù)，有利于后期光合生產(chǎn)及光合產(chǎn)物向塊莖中的轉(zhuǎn)移積累，從而提高了干薯產(chǎn)量；但在雨水充沛的年份，覆蓋對耗水分配的影響與欠水年有所不同，總體表現(xiàn)為降低前期土壤蒸發(fā)、增加中期蒸騰消耗，以促進馬鈴薯營養(yǎng)生長、提高鮮薯產(chǎn)量。

旱作區(qū)作物生長耗水一部分來自于土壤貯水，另一部分主要依靠自然降水。適宜的覆蓋方式可提高自然降水的利用率，對盈余水分進行蓄保，提高土壤貯水量。本研究中秸稈帶狀覆蓋較秸稈全覆蓋和地膜覆蓋具有更高降水利用率，其主要原因是秸稈帶狀覆蓋中的無覆蓋播種帶也是生育期內(nèi)降水的入滲帶，有較大的入滲面；地膜覆蓋條件下生育期降水主要通過有限的播種孔入滲，秸稈全覆蓋條件下則是通過秸稈縫隙入滲，雖然土壤蒸發(fā)得到了抑制，但降水的入滲量和入滲速率都不如秸稈帶狀覆蓋，從而降低了降水的利用率。

4 結(jié) 論

(1)覆蓋栽培均能顯著提高了馬鈴薯塊莖產(chǎn)量和水分利用效率，而秸稈帶狀覆蓋更有利于提高馬鈴薯干薯產(chǎn)量和水分利用效率。

(2)覆蓋主要通過改變耗水在不同生育階段的分配而影響馬鈴薯產(chǎn)量。秸稈帶狀覆蓋在欠水年更有利于增加馬鈴薯生育后期耗水，促進馬鈴薯塊莖中淀粉積累。

(3)適宜的秸稈覆蓋方式有利于提高降水利用率，滿足西北半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)高效的要求，適宜在半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)推廣應(yīng)用。