陈玉章^1,2, 田慧慧¹, 李亚伟¹, 柴雨葳¹, 李瑞¹, 程宏波³, 常磊¹, 柴守玺^,1,*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, 甘肃兰州 730070
2 毕节市农业科学研究所, 贵州毕节 551700
3 甘肃农业大学生命科学与技术学院 / 甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 甘肃兰州 730070

Effects of straw strip mulching on furrows and planting in ridges on water use efficiency and tuber yield in dryland potato

CHEN Yu-Zhang^1,2, TIAN Hui-Hui¹, LI Ya-Wei¹, CHAI Yu-Wei¹, LI Rui¹, CHENG Hong-Bo³, CHANG Lei¹, CHAI Shou-Xi^,1,* 1 College of Agronomy, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop, Lanzhou 730070, Gansu, China
2 Bijie Institute of Agricultural Sciences, Bijie 551700, Guizhou, China
3 College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop, Lanzhou 730070, Gansu, China

通讯作者: * 柴守玺, E-mail: sxchai@126.com

第一联系人: E-mail: jadayz@163.com
收稿日期:2018-07-14接受日期:2019-01-12网络出版日期:2019-02-01

基金资助:

本研究由甘肃省农牧厅专项.072-034035 国家自然科学基金项目.31760373

Received:2018-07-14Accepted:2019-01-12Online:2019-02-01

Fund supported:

This study was supported by the Special Research Project of Agriculture and Animal Husbandry Department of Gansu Province.072-034035 the National Natural Science Foundation of China.31760373

摘要
为探明西北半干旱雨养农业区马铃薯(Solanum tuberosum L.)生产中沟垄不同覆盖种植方式的增产效果和水分利用特点, 在2016年和2017年设置了大田试验, 包括秸秆带状沟覆宽垄种植、秸秆带状沟覆微垄种植、全覆膜沟垄种植和露地平作4个处理。结果表明, 在干旱年份(2016年), 沟垄覆盖种植可显著降低马铃薯全生育期耗水量6.1%~13.2%, 平均提高块茎形成期1.2~1.8 m土层含水量7.6%, 全覆膜沟垄作可显著提高淀粉积累期0~0.2 m土壤含水量30.3%。在平水年份(2017年), 除全覆膜沟垄种植显著降低马铃薯全生育期耗水量22.2%外, 其余处理与露地平作无显著差异; 沟垄覆盖种植0~2 m土壤含水量在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期分别平均比露地平作高8.7%、13.0%和13.1%。与露地平作相比, 2个生长季沟垄覆盖种植可使马铃薯全生育期0~2 m土壤平均贮水量提高5.4%~15.5%, 单株生物量增加12.8%~147.4%, 成熟期株高增加21.1~39.7 cm, 进而马铃薯增产51.6%~88.2%, 水分利用效率提高68.2%~111.7%。以玉米秸秆带状沟覆微垄种植增产增效最显著, 2年平均产量、水分利用效率和纯经济收益分别较露地平作提高87.8%、97.5%和254.2%。因此, 玉米秸秆带状沟覆微垄种植能显著提高马铃薯产量和水分利用效率。此外, 与全覆膜沟垄种植相比, 秸秆带状沟覆微垄种植具有操作简单、无污染、投入产出比高等优点, 适宜在西北半干旱区马铃薯生产中应用。
关键词： 沟垄作;覆膜;秸秆带状沟覆;旱作马铃薯;产量;水分利用效率

Abstract
Field experiments were conducted to study the effects of different mulching materials and ridge-furrow widths on potato (Solanum tuberosum L.) growth, tuber yield, soil moisture and water use efficiency in a semiarid rain-fed ecosystem in northwest China in 2016 and 2017. Four treatments were performed: (1) alternating narrow furrows and wide ridges with corn straw strip mulching only on narrow furrows and planting in the wide ridges (RFWN); (2) alternating micro-ridge-furrows with corn straw strip mulching only on furrows and planting in the ridges (RFN); (3) alternating small and large ridges full mulching with black plastic film and planting in the large ridges (RFB), and (4) traditional-flat planting without mulching (CK). Compared with CK, mulching treatments significantly decreased total evapotranspiration by 6.1%-13.2%, increased average soil water content (1.2-1.8 m depth) by 7.6% at tuber initiation stage, and RFB treatment significantly increased soil water content (0-0.2 m) by 30.3% at starch accumulation stage in the dry year of 2016. In the normal precipitation year of 2017, the total evapotranspiration in RFB was 22.2% lower than that in CK, and there was no significant difference in total evapotranspiration observed among the RFWN, RFN and CK treatments. The average soil water content (0-2 m depth) in mulching treatments was 8.7%, 13.0%, and 13.1% higher than that in CK, respectively, at tuber initiation, tuber bulking and starch accumulation stage in 2017. Compared with CK, mulching treatments significantly increased soil water storage (0-2 m), weight of dry matter per plant and final plant height by 5.4%-15.5%, 12.8%-147.4%, and 21.1-39.7 cm, respectively, and thus enhanced tuber yield and water use efficiency by 51.6%-88.2% and 68.2%-111.7% in both years, respectively. The tuber yield, water use efficiency and net income for RFN treatment was the highest increasing on average by 87.8%, 97.5%, and 254.2%, respectively, in both years. In addition, RFN had the advantages of simple operation, the environmentally friendly and the highest input/output ratio compared with the treatment of plastic film mulching. Hence, RFN is the best cultivation model for dryland potato.
Keywords：ridges-furrows culture;plastic film mulching;straw strip mulching only on furrows;dryland potato;tuber yield;water use efficiency


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本文引用格式
陈玉章, 田慧慧, 李亚伟, 柴雨葳, 李瑞, 程宏波, 常磊, 柴守玺. 秸秆带状沟覆垄播对旱地马铃薯产量和水分利用效率的影响[J]. 作物学报, 2019, 45(5): 714-727. doi:10.3724/SP.J.1006.2019.84097
CHEN Yu-Zhang, TIAN Hui-Hui, LI Ya-Wei, CHAI Yu-Wei, LI Rui, CHENG Hong-Bo, CHANG Lei, CHAI Shou-Xi. Effects of straw strip mulching on furrows and planting in ridges on water use efficiency and tuber yield in dryland potato[J]. Acta Agronomica Sinica, 2019, 45(5): 714-727. doi:10.3724/SP.J.1006.2019.84097


水分不足是干旱半干旱地区作物生长发育最主要的限制因子, 提高水分利用效率是该区作物增产的关键^[1]。西北黄土高原旱作区是中国马铃薯主产区之一, 该区占全国马铃薯总播种面积的36%^[2], 年降水量200~700 mm, 且60%以上集中在5月至9月^[3], 与该区马铃薯生长需水期高度吻合。但该区土壤蒸发强烈, 微效、无效降水次数多, 且时空分布极为不均, 导致马铃薯生长遭受严重的季节性干旱胁迫, 限制了该区马铃薯产业发展。可见, 在土壤水分易失、多变的条件下, 如何充分利用有限的自然降水, 降低土壤水分蒸发, 提高土壤贮水是该区旱作节水保墒技术的重点。

全覆膜沟垄种植技术是该区广泛使用的一种田间高效集水技术, 该技术是在田间修筑交替的沟垄, 垄面覆盖地膜, 垄上或沟内种植作物^[4,5]。该技术可显著提高作物产量和水分利用效率, 已在中国北方旱区及世界其他相似地区广泛使用^[1,6-8]。研究表明, 在沟垄覆盖种植系统中, 黑膜较白膜覆盖能降低土壤温度, 抑制杂草^[9,10,11], 降低绿薯比例, 提高马铃薯块茎维生素C、淀粉比重及粗蛋白含量等内在品质^[12], 黑膜覆盖较露地种植显著提高土壤含水量3.2个百分点, 增产13.6%~64.5%, 提高水分利用效率24.1%~69.5%^[13]。全覆膜沟垄种植能使马铃薯块茎生长期(7月至9月)的高温雨季土壤温度和湿度显著增加, 进而诱发马铃薯主要病害晚疫病大面积爆发^[14,15]。全覆膜沟垄种植在大幅提高粮食产量的同时, 也生产了大量的作物秸秆, 特别是玉米秸秆, 仅甘肃省沟垄覆盖种植玉米面积就高达87余万公顷, 秸秆资源化利用问题也受到社会各界的广泛关注^[16,17]。此外, 地膜使用量的增加引起了严重的环境问题^[18,19,20], 这与农业可持续发展及现代农业中“清洁生产”等理念不符。为克服西北半干旱区地膜污染和马铃薯关键生育期高温高湿生境的危害, 充分利用玉米秸秆资源, 本研究团队经过近十年的试验探索, 创建了玉米秸秆带状覆盖种植新技术, 该技术是利用玉米秸秆整秆局部覆盖, 分秸秆覆盖带和作物种植带(无覆盖), 两带相间排列^[21,22]。之前的研究表明, 秸秆带状覆盖平作可使马铃薯增产10.5%~ 34.2%, 水分利用效率提高8.9%~29.8%, 且在干旱年份显著高于沟垄黑膜覆盖^[23], 秸秆带状沟覆垄播与秸秆带状平作种植在产量上无显著差异^[24], 但秸秆带状沟覆种植更适宜于机械作业, 可大大降低劳动强度。因此, 本研究在之前研究的基础上设置了3种覆盖处理, 以传统无覆盖平作种植为对照, 系统研究了不同沟垄覆盖种植方式下马铃薯的增产效应及其水分利用效率特点, 旨在探索这种方法在生产中的意义, 为合理地应用于生产提供技术支撑与理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

甘肃省定西市通渭县平襄镇甘肃农业大学试验基地(35°11′N、105°19′E)处中温带半干旱区, 为典型半干旱雨养农业区。海拔1750 m, 年均气温7.2℃, 年日照时数2100~2430 h, 无霜期151 d。常年平均(1975—2015年)降水量390.7 mm, 60%以上集中在6月至9月, 年降水相对变率24%, 年蒸发量1500 mm, 表现出缺水、多变、易失的特点, 但降水格局基本与马铃薯生长季吻合。试验区土壤为黄绵土, 0~2 m土层平均容重为1.25 g cm^-3, 每0.2 m土层土壤容重变化±0.012 g cm^-3, 土壤凋萎系数7.3%, 饱和含水率24.8%。0~0.2 m耕作层土壤含有机质11.72 g kg^-1、全氮0.79 g kg^-1、速效磷11.63 mg kg^-1、速效钾122.7 mg kg^-1、pH 8.5 (2.5∶1.0)。

从图1可见, 2016年试验区马铃薯生长季总降水和有效降水(≥5 mm)分别为213.3 mm和147.8 mm, 总降水比常年同期(1975—2015年平均)降水335.7 mm低36.5%, 且马铃薯块茎膨大期的7月中旬至8月中旬基本无降水补充, 马铃薯生长遭遇严重干旱, 属干旱年份。2017年试验区马铃薯生长季总降水和有效降水分别为314.7 mm和249.4 mm, 总降水比常年同期降水低6.3%, 属平水年份, 8月份之前单次降水量均较大, 且时间分布较均匀, 8月份之后有效降水次数也较多, 有利于马铃薯生长。

图1

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图12016年和2017年试验区马铃薯生长季降水分布

Fig. 1Daily precipitation during the potato growing seasons in experimental fields in 2016 and 2017

1.2 试验设计及过程

设4个处理, 分别为秸秆带状沟覆宽垄种植(RFWN)、秸秆带状沟覆微垄种植(RFN)、全覆膜沟垄种植(RFB)和露地平作(CK)(图2), 每处理3次重复, 完全随机区组排列。每小区面积288 m² (长40.0 m × 宽7.2 m), 每小区穴播12行, 总1597株(5.55万株 hm^-2), 播深0.15 m, 株距0.3 m, 穴播后穴孔立即覆土, 相邻两行马铃薯植株呈“品”字型排列, 各处理行距见图2。RFWN和RFN处理用玉米秸秆整秆沟内覆盖, 以不见裸地为宜, 玉米秸秆用量为9000 kg hm^-2, 约等于当地玉米秸秆单位面积生产量, 马铃薯收获后将经过自然腐解的秸秆通过旋耕机打碎就地还田。RFB处理所用黑色地膜幅宽1.2 m, 厚度0.01 mm, 在播种时由穴播机器沿大垄边缘垂直方向自动切出沟内渗水缝。

图2

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图2马铃薯田间种植示意图

RFWN: 秸秆带状沟覆宽垄种植; RFN: 秸秆带状沟覆微垄种植; RFB: 全覆膜沟垄作; CK: 传统平作无覆盖。
Fig. 2Schematic diagram of potato planting cultivation practices

RFWN: alternating narrow furrows and wide ridges with corn straw strips mulching on furrows and planting in the wide ridges; RFN: alternating micro-ridge-furrows with corn straw strips mulching on furrows and planting in the ridges; RFB: alternating small and large ridges full mulching with black plastic film and planting in the large ridges; CK: traditional-flat planting without mulching.


试验地前茬均种植春玉米, 2个生长季试验前均深翻1次(耕深0.3 m), 旋耕2次(耕深0.2 m)。各小区施纯氮150 kg hm^-2、纯P₂O₅ 90 kg hm^-2, 全部做基肥在深翻整地前一次性施入, 马铃薯各生育时期均不再追肥。第1生长季(2016年)施肥整地、覆膜、覆秆时间为2016年4月20日, 马铃薯播种和收获时间分别为2016年4月24日和2016年9月22日; 第2生长季(2017年)施肥整地、覆膜、覆秆时间为2016年9月25日(前茬春玉米收获后1 d), 冬闲、次年春播, 供试品种为青薯9号, 播种和收获时间分别为2017年4月20日和2017年10月4日。从马铃薯现蕾开始, 采用恶霉灵和甲霜灵300倍水溶液每隔7 d雾喷1次, 2种药剂交替使用, 防治马铃薯主要病害晚疫病。在马铃薯播种后, 用有效成分33%的二甲戊灵乳油与水按体积比1∶360混合均匀后雾喷于各处理土表, 封闭杀除杂草幼苗, 后期杂草由人工拔出。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水率 用土钻法取0~2 m土样, 按0~0.2、0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.9、0.9~1.2、1.2~1.5、1.5~1.8和1.8~2.0 m共8个土层, 分别于马铃薯播种前1 d、出苗期、分枝期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和收获期在各小区相邻行的垄上株间用烘干法测定土壤含水量。各土层含水量的加权平均值为0~2 m土层土壤平均含水量。

$\text{WAMC}\left( \% \right)=\frac{\sum\nolimits_{1}^{i}{\text{GW}{{\text{C}}_{i}}\times {{H}_{i}}}}{\sum\nolimits_{1}^{i}{{{H}_{1}}}}$

式中, WAMC为0~2 m土壤含水量加权平均值, GWC为土壤质量含水率(%), i为土层数(I = 1, 2, …, 8), H为土层厚度(H = 0.2 m或0.3 m)。

1.3.2 马铃薯植株生长指标 在马铃薯主要生育期(苗期、分枝期、块茎形成期、块茎膨大期和收获期)随机取每重复5株, 用烘干法测定马铃薯植株地上(茎和叶)、地下部分生物量(块茎和根)。先在105℃下杀青30 min, 后调至85℃烘至恒重。在马铃薯成熟期测定最终株高, 每小区随机测定5株。

1.3.3 土壤贮水量及农田耗水量

$W=10\times h\times a\times \text{GWC}$

式中, W为土壤贮水量(mm), h为土层深度(cm), a为土壤容重(g cm^-3), GWC为土壤质量含水率(%); 10为cm转化为mm的换算系数。

本试验区土层深厚、土壤质地均一, 地下水位较深, 不会产生深层渗漏和地下水补给。以下公式适用于计算马铃薯生育期农田耗水量(ET, mm)。

$\text{ET}=P+\Delta W$

式中, P (mm)为生育期降水量, ΔW (mm)为播种前与收获后土壤贮水量之差。

1.3.4 产量及水分利用效率 马铃薯成熟后, 随机选取每重复各处理15株考种, 依据薯重分成大薯(>150 g)、中薯(75~150 g)和小薯(< 75 g), 分别调查每个等级的马铃薯个数并称重, 据此计算商品薯率。商品薯率(%) = (单薯75 g以上产量/总产)×100%。马铃薯成熟后, 按小区收获计产, 折算公顷产量。

水分利用效率WUE (kg hm^-2 mm^-1) = Y/ET

式中, Y为马铃薯块茎产量(kg hm^-2), ET为农田耗水量(mm)。

1.3.5 经济效益 成熟期按小区收获计产。按当地市场价, 马铃薯商品薯1.5元 kg^-1, 非商品薯0.7元 kg^-1, 总经济收益等于商品薯与非商品薯的经济收益之和。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2013整理数据和作图, SPSS 20.0统计分析, 使用最小显著差异法进行方差分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 沟垄覆盖种植对0~2 m土壤贮水量的影响

沟垄覆盖种植马铃薯播种至成熟期土壤水分状况总体高于露地平作(CK)(图3)。2016年和2017年播种至成熟期, 0~2 m平均贮水量, 沟垄覆盖处理平均比CK高6.2%和13.3%, 以RFB处理贮水量增加最明显, RFWN和RFN处理贮水量增加无显著差异。但不同生育期各处理对土壤贮水量的影响存在明显差异。在干旱年份(2016年), 各处理土壤贮水量在出苗期达最大值, 以后逐渐降低, 在块茎膨大期达到最低值, 其原因是马铃薯播种至出苗阶段降水较多(阶段降水量67.2 mm), 而该阶段马铃薯植株较小, 土壤水分损失主要以土壤蒸发为主, 各处理土壤水分有所增加。分枝期至淀粉积累期, 植株各项生长指标开始增大, 生长中心从地上部分逐渐转移至地下部分, 耗水量增加, 土壤贮水量降低, 同时在该阶段气温逐渐升高, 且以微效降水为主(图2), 植株蒸腾与土壤蒸发强烈是块茎膨大期与淀粉积累期各处理0~2 m土层土壤贮水量差异不显著的主要原因。与CK相比, 在干旱年份(2016年), 沟垄覆盖处理能明显提高马铃薯苗期和分枝期0~2 m土层土壤贮水量。在苗期和分枝期, 沟垄覆盖处理0~2 m土壤贮水量分别平均比CK高11.6%和6.9%。在块茎形成期, 除RFN处理0~2 m土壤贮水量比CK显著高11.4%外, RFWN和RFB处理与CK无显著差异。在成熟期, 沟垄覆盖处理0~2 m土层土壤贮水平均较CK高9.0%, 增幅以RFB最大, RFWN最小, 主要原因是该生育时期马铃薯植株已基本衰老, 土壤贮水量的差异主要由不同覆盖方式对降水的蓄积效果引起。此外, 在干旱年份(2016年), 马铃薯苗期全覆膜沟垄作处理的土壤贮水量显著高于秸秆带状覆盖, 主要原因是苗期马铃薯植株较小, 土壤水分散失以土壤蒸发为主, 而全覆膜沟垄作是全封闭式覆盖, 可完全阻止土壤水分蒸发, 而秸秆带状沟覆是半封闭式覆盖, 其土壤蒸发明显大于全覆膜沟垄作。在平水年份(2017年), 各处理经过冬闲期蓄水保墒, 播种期沟垄覆盖处理土壤贮水量显著高于CK, 同时在马铃薯生长季内, 降水分布均匀, 有效降水次数多(图2), 各处理不同生育期土壤贮水量均在块茎形成期达最低值, 在淀粉积累期达最高值, 主要原因是2017年7月中旬块茎形成阶段雨量较小(阶段降雨仅0.3 mm), 而马铃薯块茎形成期是耗水盛期, 耗水量较大。淀粉积累期雨量较大(阶段降雨80.8 mm), 但淀粉积累期植株已开始衰老, 植株蒸腾耗水减弱, 各处理土壤贮水有所增加。与CK相比, 在平水年份(2017年), 沟垄覆盖种植普遍能显著提高马铃薯各生育时期土壤贮水量, 3个覆盖处理在不同生育期0~2 m土层土壤贮水量平均比CK高8.0%~ 29.2%, 其中RFWN、RFN、RFB处理分别比CK高5.4%~31.4%、6.7%~11.9%和9.3%~46.8%。2个生长季, 沟垄覆盖处理的增墒效果总体表现为生长后期(淀粉积累至成熟期)>生长中期(分枝至块茎膨大期)>生长前期(播种至出苗期)。

图3

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图3不同处理马铃薯各生育时期的土壤贮水量动态

SW: 播种期; SD: 苗期; BR: 分枝期; TI: 块茎形成期; TB: 块茎膨大期; SA: 淀粉积累期; MT: 成熟期。处理代号见图2。误差线表示平均值的标准误(n = 3)。标明不同小写字母的柱值表示各处理的平均值(n = 3)在P < 0.05水平上差异显著。
Fig. 3Soil water storage in 0-2 m depth under different treatments

SW: sowing; SD: seedling; BR: branching; TI: tuber initiation; TB: tuber bulking; SA: starch accumulation; MT: maturity. Treatments are as these described in Fig. 2. Error bars indicate the standard error for each date point (n = 3). Mean value (n = 3) columns at each growth stage indicated with different lowercase letters are significant by different at P < 0.05.


比较各处理0~2 m土层土壤贮水量在各生育时期间的差异。在干旱年份(2016年), 各处理0~2 m土层土壤贮水量差异在苗期最大, 块茎膨大期最小。2016年马铃薯苗期和块茎膨大期处理间极差分别为55.7 mm (RFB与CK间)和8.1 mm (CK与RFWN间), 处理间变异系数分别为6.1%和1.5%, 其余各生育时期处理间极差和变异系数分别为10.6~33.8 mm和1.8%~4.9%。在平水年份(2017年), 各处理0~2 m土层土壤贮水量差异在成熟期最大, 块茎形成期最小。2017年马铃薯成熟期和块茎形成期处理间极差分别为120.8 mm (RFB与CK间)和28.5 mm (RFN与CK间), 处理间变异系数分别为17.4%和4.5%。其余各生育时期处理间极差和变异系数分别为34.9~50.4 mm和4.6%~6.3%。

比较各处理0~2 m土层土壤贮水量生育时期间的变异系数, 干旱年份(2016年)为RFB (17.0%) > RFWN (15.4%) > RFN (14.4%) > CK (12.7%), 平水年份为RFN (12.0%) > CK (10.8%) > RFWN (9.6%) > RFB (9.3%)。可见, 在干旱年份, 覆盖处理加剧了土壤贮水波动, 供水稳定性不如露地平作, 在平水年份, 除RFN加剧了土壤贮水波动以外, RFWN和RFB均降低了土壤贮水波动, 供水稳定性好于露地平作和全覆膜沟垄作。

两年试验结果表明, 在马铃薯生长前期和后期土壤贮水量的变化主要受降水和土壤蒸发的影响; 分枝期至淀粉积累期, 马铃薯各项生长指标迅速增加, 作物耗水增加, 生长速率加快, 用于作物生产性蒸腾耗水较多, 同时由于冠层的荫蔽效果, 土壤蒸发减弱。因此, 在该阶段若无大量有效降水补充(2016年), 沟垄覆盖处理与露地平作土壤贮水量差异不显著; 反之(2017年), 沟垄覆盖处理土壤贮水量普遍显著高于露地平作。

2.2 沟垄覆盖种植对马铃薯关键生育时期0~2 m土层水分分布的影响

沟垄覆盖种植对马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期0~2 m土层剖面水分有显著影响(图4)。在干旱年份(2016年), 沟垄覆盖种植在块茎形成期的1.2~1.8 m土层平均含水量比CK高7.6%, RFB处理在淀粉积累期的0~0.2 m土层土壤含水量比CK高30.3%; 而在其余各时期各土层, 沟垄覆盖处理的土壤含水量与CK无显著差异。降水极少和马铃薯生长高耗水是干旱年份各处理0~2 m土壤含水量在马铃薯块茎形成期至淀粉积累期大多数土层差异不显著的主要原因。在平水年份(2017年), 沟垄覆盖种植0~2 m土壤含水量在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期分别平均比CK高8.7%、13.0%和13.1%。在块茎形成期, 由于降水极少(仅0.3 mm), 沟垄覆盖处理0~0.9 m土壤含水量略高于CK, 而0.9~2.0 m土壤含水量平均比CK高12.7%。在块茎膨大期, 由于有较大降水补充(阶段降水49.9 mm), 沟垄覆盖处理在0~0.9 m的增墒效果大于0.9~2.0 m。在淀粉积累期, 由于有大量降水(阶段降水80.8 mm)补充, RFN和RFB处理在0~0.2 m土壤含水量平均较CK高9.5%; 沟垄覆盖处理在0.6~1.8 m土壤含水量平均较CK高19.7%, 而0.2~0.6 m和1.8~2.0 m土壤含水量各处理间差异不显著。可见, 在极度干旱和作物高耗水条件下, 3个沟垄覆盖种植与露地平作种植相比, 无明显保墒效果。

图4

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图4不同处理对马铃薯关键生育期水分垂直分布的影响

处理代号见图2。PWC: 永久凋萎系数; FWHC: 田间饱和持水量。误差线表示平均值的标准误(n = 3)。
Fig. 4Soil water content (%) in 0-2 m depth in key potato growth period as affected by different treatments

Treatments are as these described in Fig. 2. PWC: permanent wilting coefficient; FWHC: field water holding capacity. Error bars indicate the standard error for each date point (n = 3).

2.3 沟垄覆盖种植对马铃薯干物质积累的影响

与CK相比, 2年沟垄覆盖种植在各生育时期均可明显增加马铃薯单株干物质(图5)。2年沟垄覆盖种植马铃薯从苗期至成熟期单株干物质较CK增加12.8%~147.4%。其中RFB处理马铃薯苗期至块茎形成期单株干物质始终处于最大值, 平均较CK高92.4%~116.9%, 以分枝期增加幅度最大; 而在块茎膨大期和成熟期, RFN处理马铃薯单株干物质始终处于最大值, 分别平均较CK高92.1%和89.9%; RFWN处理在各生育期的单株干物质增加幅度始终处于最低值, 在各生育时期分别平均较CK增加34.1%~74.8%, 以块茎形成期增幅最大。相关分析表明(表1), 马铃薯块茎产量与苗期干物质相关不显著(r = 0.566), 随着生育期推进, 相关性影响逐渐增大(r = 0.629^*~0.980^**)。

图5

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图5不同处理对马铃薯单株干物质积累的影响

处理代号见图2。误差线表示平均值的标准误(n = 3)。同一生育时期标明不同小写字母的柱值表示各处理的平均值(n = 3)在P < 0.05水平上差异显著。
Fig. 5Weight of dry matter per plant as affected by different treatments

Treatments are as these described in Fig. 2. Error bars indicate the standard error for each date point (n = 3). Mean value (n = 3) columns at each growth stage indicated with different lowercase letters are significant by different at P < 0.05.


Table 1
表1
表1各生育时期马铃薯单株干物质与产量间的相关性
Table 1Person’s correlation coefficients between tuber yield and dry matter weight per plant under different treatments

	出苗期 Seedling	分枝期 Branching	块茎形成期 Tuber initiation	块茎膨大期 Tuber bulking	成熟期 Maturity
相关系数r	0.566	0.629*	0.908**	0.963**	0.980**

^* and ^** indicate significance of correlation at P < 0.05 and P < 0.01, respectively.
^*和^**分别表示在P < 0.05和P < 0.01上显著相关。

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2.4 沟垄覆盖种植对马铃薯农田耗水量、株高、产量及水分利用效率的影响

由图6-A可见, 在干旱年份(2016年), 沟垄覆盖种植显著降低了农田耗水量, 平均较CK低10.3%, 降低幅度以RFB最大(13.2%), RFWN最小(6.1%), 而平水年份(2017年), 除RFB的农田耗水量比CK显著低22.2%外, RFWN和RFN处理与CK差异不显著。3种沟垄覆盖方式间比较可见, 玉米秸秆带状沟覆垄播种植的农田耗水量普遍高于全覆膜沟垄作, 2个生长季平均较全覆膜沟垄种植高16.6%。

图6

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图6不同处理对马铃薯耗水量、成熟期株高、产量和水分利用效率的影响

处理代号见图2。误差线表示平均值的标准误(n = 3)。同一生长季标明不同小写字母的柱值表示各处理的平均值(n = 3)在P < 0.05水平上差异显著。
Fig. 6Evapotranspiration, plant height at maturity, tuber yield and water use efficiency (WUE) as affected by different treatments

Treatments are as these described in Fig. 2. Error bars indicate the standard error for each date point (n = 3). Mean value (n = 3) columns within each growing season indicated with by different lowercase letters are significant by different at P < 0.05.


沟垄覆盖种植可显著增加马铃薯成熟期株高、块茎产量和水分利用效率(图6-B~D)。沟垄覆盖种植较CK增产57.9%~86.5% (2016年)和51.6%~88.2% (2017年), 提高水分利用效率68.2%~111.7% (2016年)和83.4%~95.0% (2017年), 增加成熟期株高21.1~30.4 cm (2016年)和30.0~39.7 cm (2017年)。RFN处理的块茎产量、水分利用效率和成熟期株高始终处于最高或较高值。相关分析表明(表2), 产量与株高(r = 0.990^**)和水分利用效率(r = 0.927^**)均呈极显著正相关, 与耗水量(r = -0.324)相关不显著。

Table 2
表2
表2马铃薯主要农艺性状、水分利用效率与产量间的相关性
Table 2Person’s correlation coefficients between tuber yield and the main agronomic traits and water use efficiency under different treatments

	小薯率 Small tuber rate	中薯率 Medium tuber rate	大薯率 Large tuber rate	结薯数 Tuber number per plant	单株薯重 Tuber weight per plant	株高 Plant height	水分利用效率 Water use efficiency	耗水量 Water consumption
相关系数r	-0.732**	-0.554	0.889**	0.954**	0.999**	0.990**	0.927**	-0.324

^* and ^** indicate significance of correlation at P < 0.05 and P < 0.01, respectively.
^*和^**分别表示在P < 0.05和P < 0.01上显著相关。

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2.5 不同沟垄覆盖种植对马铃薯产量性状的影响

收获时对各处理马铃薯块茎数及各级薯重(15株样品)测定统计如表3, 可见沟垄覆盖各处理对马铃薯产量性状有显著影响。沟垄覆盖种植明显提高马铃薯单株薯重、单株结薯数、商品薯率和大薯率, 2年分别平均比CK高78.7%、23.8%、20.5%和305.8%。其中RFN处理的马铃薯单株结薯数、单株薯重、商品薯率和大薯率均处于最高(P<0.05)或较高值(P>0.05)。在干旱年份(2016年), 与CK相比, 沟垄覆盖处理马铃薯中薯率平均显著(P<0.05)降低63.5%, 小薯率平均显著(P<0.05)提高3.2%。在平水年份(2017年), 除RFN处理显著提高中薯率13.5%以外, 其余处理与CK差异不显著。与CK相比, 2017年2个秸秆带状沟垄作种植平均显著降低小薯率41.4%, 而全覆膜沟垄作小薯率与CK无显著差异。

Table 2
表3
表3不同处理对马铃薯产量（15株）性状的影响
Table 2Potato tuber grades and weight of fifteen sample plants per plot as affected by different treatments

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相关分析表明(表2), 马铃薯产量与单株薯重(r = 0.999^**)、单株结薯数(r = 0.954^**)及大薯率(r = 0.889^**)均呈极显著正相关, 与小薯率(r = -0.732^**)呈极显著负相关, 与中薯率(r = -0.554)相关不显著。可见, 沟垄覆盖种植马铃薯增产主要是通过提高马铃薯单株结薯数、单株薯重和大薯率, 降低小薯率来实现。

2.6 沟垄覆盖种植对经济效益的影响

沟垄覆盖种植的经济效益明显高于露地平作(表4), 干旱年份(2016年), RFWN、RFN和RFB分别比CK增加80.7%、166.5%和125.8%; 平水年份(2017年)比CK依次增加295.2%、342.0%和116.1%。同时沟垄覆盖种植明显提高了投入产出比, 干旱年份(2016年) RFWN、RFN和RFB分别比CK高43.8%、83.5%和63.2%; 平水年份(2017年)比CK依次高99.4%、115.9%和26.8%。2年各处理的纯收益和投入产出比均以RFN处理最高。

Table 4
表4
表4不同处理的经济效益分析
Table 4Analyses on economic benefits of potato under different treatments

年份 Year	处理 Treatment	总投入 Input cost (Yuan hm-2)	总收入 Output revenue (Yuan hm-2)	纯收益 Economic benefit (Yuan hm-2)	投入产出比 Output/input
2016	RFWN	12000	11299.9	-700.1	0.94
	RFN	12000	14411.6	2411.6	1.20
	RFB	13650	14585.1	935.1	1.07
	CK	10500	6873.9	-3626.1	0.65
2017	RFWN	12000	40156.3	28156.3	3.35
	RFN	12000	43492.8	31492.8	3.62
	RFB	13650	29049.6	15399.6	2.13
	CK	10500	17625.3	7125.3	1.68

Treatments are as these described in Fig. 2.
处理代号见图2。

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3 讨论

3.1 沟垄覆盖种植对土壤水分的影响

沟垄覆盖种植能有效蓄集雨水, 增加降水入渗, 从而显著影响旱作农田土壤水分环境^[4], 但不同材料覆盖对土壤水分的影响机制不同。全覆膜沟垄作由于覆膜直接阻断了土壤水分垂直蒸发和乱流, 迫使膜下水分横向运移, 显著降低土壤水分无效蒸发和热量散失^[10,25]; 同时覆膜后光滑的垄面具有较强的集雨效果, 可明显增加微效或无效降水的入渗^[26]。秸秆带状覆盖明显增加了地表粗糙度, 降低了地表裸露面积, 阻止阳光直接照射地表而降低土壤温度, 从而抑制土壤蒸发, 同时可降低地表径流^[27], 增加降水入渗, 进而改善土壤水分状况^[28,29]。全覆膜沟垄作可有效改善马铃薯前期、中期土壤水分状况^[30], 秸秆带状覆盖沟垄作可显著提高马铃薯块茎生长期土壤贮水^[23]。本研究中, 全覆膜沟垄作与玉米秸秆带状沟覆垄播均可有效改善马铃薯播种至分枝期土壤水分状况, 但在马铃薯块茎生长期不同降水年型土壤水分状况差异较大。主要原因是马铃薯块茎生长期(块茎形成期至淀粉积累期)是马铃薯耗水盛期, 在严重干旱情况下, 各处理间土壤水分无显著差异, 这表明在季节性极端干旱和作物耗水盛期并存条件下, 全覆膜沟垄作和秸秆带状沟覆垄播均无明显保水效果, 这与李荣等^[30]在液态地膜覆盖上的研究结果相似。在平水年份, 沟垄覆盖种植能有效改善马铃薯块茎生长期土壤水分, 全覆膜沟垄种植除分枝期和成熟期增墒幅度显著高于玉米秸秆带状沟覆垄播种植以外, 其余生育期二者的增墒效果无显著差异, 这表明在平水年份全覆膜沟垄种植与玉米秸秆带状沟覆垄播在多数生育时期都有相似的稳定供水能力, 这与本团队之前的研究结果一致^[23]。此外, 本研究结果还表明, 秸秆带状沟覆宽垄种植在多数生育时期土壤水分状况均不如秸秆带状沟覆微垄种植, 这可能与地表覆盖度有关, 前者覆盖度为41.7%, 后者为50%, 地表裸露面积越小, 土壤水分状况越好, 这与Qin等^[12]在地膜覆盖上的研究结果相似。

在干旱年份, 全覆膜沟垄作及秸秆带状沟覆垄播平均显著降低田间耗水量10.3%和提高产量76.0%, 提高水分利用效率96.8%, 可见在干旱年份, 沟垄覆盖种植主要通过增加作物产量降低农田耗水量来提高马铃薯水分利用效率。在平水年份, 仅全覆膜沟垄作耗水量比露地平作显著降低22.0%, 而两种秸秆带状覆盖农田耗水量与露地平作差异不显著, 但其产量显著高于露地平作和全覆膜沟垄种植, 平均较露地平作增产82.6%, 较全覆膜沟垄种植增产20.4%, 可见在平水年份秸秆带状沟覆垄播通过大幅提高产量, 小幅增加耗水量来提高马铃薯水分利用效率, 这与谢军红等^[30]在全覆膜沟垄种植玉米上的研究结论一致。此外马铃薯的耗水量还受品种熟性、产量水平、栽培措施和气候因子的影响^{[1,12,24-25,30]}。本研究中, 马铃薯耗水量受降水量的影响较大, 生育期降水多, 耗水量相应增加, 全覆膜沟垄作由于完全阻止了土壤水分蒸发, 2个生长季耗水量均低于露地平作和秸秆带状沟覆垄播, 且在平水年份差异均达显著水平(P<0.05), 这与本研究团队之前的研究结论一致^[23,24]。

3.2 沟垄覆盖种植对产量和水分利用效率的影响

马铃薯的产品器官是块茎。Haverkort等^[31]研究表明, 在理想条件下马铃薯块茎产量可达160 Mg hm^-2, 在实际生产中也有超过120 Mg hm^-2的情况, 受环境因素和投入成本的制约, 实际产量一般为理论产量的10%~75%。Monneveux等^[32]和Renault 等^[33]研究证实, 在雨养条件下, 马铃薯单位面积块茎产量显著高于其他主要作物, 马铃薯每消耗1 m³水能生产23520 kJ能量的食物, 远高于玉米(16200 kJ)、小麦(9660 kJ)和水稻(8400 kJ)。主要归因于马铃薯块茎是无性器官, 同时也是地上茎、地下茎和匍匐茎的同源器官, 在出苗后大约20~25 d匍匐茎尖端膨大形成块茎, 其本质上隶属于营养生长, 地上茎在形态初步建成后其叶片光合产物即可直接转运至块茎储藏而大幅增加光合产物同化率, 可见马铃薯块茎库容潜力大, 具有无限生长的生理基础。

在半干旱雨养农业区, 水分是限制马铃薯产量增加的主要非生物因子^[34]。沟垄覆盖种植技术是当前西北黄土高原半干旱区马铃薯生产中广泛使用的蓄水保墒增产技术^[4]。研究表明^{[20,23-24,35-36]}, 在沟垄种植系统中采用全覆膜和秸秆沟覆垄播种植方式均可改善土壤水分状况而促进作物生长发育, 最终显著提高产量、水分利用效率和纯经济收益。李辉等^[24]研究表明, 黑膜大垄种植、秸秆带状平作与垄作均可显著增加马铃薯株高、单株生物量和单株薯产量。本研究得到相似结论, 2个生长季3种沟垄覆盖种植方式平均提高马铃薯单株生物量76.3%、单株结薯数23.8%, 增加成熟期株高28.6 cm, 最终产量和水分利用效率分别平均增加74.2%和93.8%, 均以秸秆带状沟覆微垄种植提高幅度最大, 2年块茎平均产量和水分利用效率分别较露地平作提高87.8%和97.5%。这表明无论是干旱还是平水年份, 秸秆带状沟覆微垄种植均有稳定的增产效果和较高的水分利用效率。本研究在马铃薯上发现, 秸秆带状沟覆垄播种植单株生物量在块茎形成期之前普遍低于全覆膜沟垄作, 而后期单株生物量增加速度较快, 这可能与不同覆盖方式下温度变化有关, 有研究表明, 秸秆覆盖具有降温效应, 抑制作物生长, 使玉米等喜温作物严重减产^[37]。地膜覆盖具有增温效应, 促进前期发育, 提高出苗率^[1]。但在马铃薯生育中后期, 若无降水补充, 覆膜后前期生长的过度耗水, 会造成土壤干旱化程度加深, 有减产风险, 这与谢军红等^[35]在玉米上的研究结果一致; 秸秆带状沟覆垄播种植由于前期低温抑制了作物生长, 同时也降低了土壤水分消耗, 中后期气温升高后可促进马铃薯快速生长, 但本研究尚未涉及不同覆盖后土壤温度变化对马铃薯生长的影响, 需继续深入研究。本研究中, 秸秆带状沟覆微垄种植无论是干旱年份还是平水年年份均较其他处理提高了生育后期生物量、增加了株高, 最终显著提高产量, 这表明秸秆带状沟覆微垄种植具有稳定而较高的增产效果。

从实际生产角度来讲, 在以小农户为主导的甘肃省中部马铃薯主产区, 秸秆带状沟覆微垄种植技术依靠现有小型机械即可完成开沟起垄, 采用人工覆盖秸秆的方式相比人工覆盖地膜的繁琐和多人合作的操作更为简单、方便、快捷, 可大大降低劳动强度, 已获得广大小农户的广泛认可。同时秸秆带状覆盖种植技术充分利用了废弃和闲置的秸秆资源, 避免秸秆焚烧引起的环境污染, 较地膜覆盖显著降低投入成本和劳动强度(表4), 与现代农业中“清洁生产”的理念一致^[16], 是旱作农区农业可持续发展的有利技术。本研究表明, 玉米秸秆带状沟覆垄播种植技术的增墒效应在干旱年份与全覆膜沟垄作无显著差异, 而平水年份显著低于全覆膜沟垄作, 主要是全覆膜沟垄作在成熟期有较大降水补充时显著提高了土壤贮水120.8 mm, 导致全生育期土壤平均贮水量显著提高。秸秆带状沟覆微垄种植马铃薯产量在干旱年份与全覆膜沟垄种植无显著差异, 在平水年份显著高于全覆膜沟垄作, 同时秸秆带状沟覆微垄种植由于其稳定的供水性能, 有利于块茎生长, 2个生长季显著提高了大薯率, 从而显著提高了商品薯率, 最终明显提高了纯经济收益(表4)。因此, 秸秆带状沟覆微垄种植相比全覆膜沟垄种植是一种低成本、操作方便、省力省工的清洁生产技术, 可在西北干旱区马铃薯生产上广泛使用。

4 结论

在干旱年份, 沟垄覆盖种植能有效改善马铃薯播种至分枝期农田土壤水分状况, 但在马铃薯块茎生长期(块茎形成期至淀粉积累期), 沟垄覆盖种植马铃薯土壤水分状况无明显改善, 但马铃薯全生育期农田耗水量显著低于露地平作。在平水年份, 沟垄覆盖种植能有效改善马铃薯各生育时期土壤水分状况, 马铃薯全生育期耗水量除全覆膜沟垄种植显著低于露地平作外, 2个秸秆带状沟覆垄播种植耗水量与露地平作无显著差异。沟垄覆盖种植能促进马铃薯中后期生长发育, 从而显著提高马铃薯产量和水分利用效率。与其他种植方式相比, 2年秸秆带状沟覆微垄种植马铃薯成熟期单株结薯数、株高、生物量、薯重、水分利用效率及产量水平均最高(P<0.05)或较高(P>0.05)。2年秸秆带状沟覆微垄种植马铃薯产量和水分利用效率分别平均比露地平作高87.8%和97.5%。此外, 秸秆带状沟覆微垄种植较全覆膜沟垄种植具有操作简单、成本低、收益高和无污染等特点。因此认为, 秸秆带状沟覆微垄种植是本试验条件下马铃薯生产的最优栽培模式, 适宜在西北半干旱秸秆资源丰富地区推广应用。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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