张绪成^,*, 马一凡, 于显枫, 侯慧芝, 王红丽, 方彦杰, 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

Effects of tillage depth on soil hydrological characteristics and potato yield on northwest Loess Plateau

ZHANG Xu-Cheng^,*, MA Yi-Fan, YU Xian-Feng, HOU Hui-Zhi, WANG Hong-Li, FANG Yan-Jie, ZHANG Guo-Ping, LEI Kang-NingInstitute of Dry Land Farming, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China

通讯作者: * 张绪成, E-mail: gazhangxuch@163.com

收稿日期:2020-03-12接受日期:2020-07-2网络出版日期:2021-01-12

基金资助:

国家重点研发计划项目.2018YFD020080105 国家自然科学基金项目.31960398 国家自然科学基金项目.31560355

Received:2020-03-12Accepted:2020-07-2Online:2021-01-12

Fund supported:

National Key Research and Development Program of China.2018YFD020080105 National Natural Science Foundation of China.31960398 National Natural Science Foundation of China.31560355

摘要
深耕对打破犁底层、优化土壤水分特性有积极作用, 但对旱作农田旋耕深度的土壤水分效应及其对马铃薯水分耗散过程和产量的影响缺乏研究分析。本研究设15 (TT)、40 (VRT)、60 cm (VRT6) 3个旋耕深度, 测定土壤容重和水分特性、马铃薯叶片SPAD值、叶面积指数(LAI)和产量等, 研究旋耕深度对马铃薯水分利用和产量的影响。结果表明, 与VRT和TT相比, VRT6分别在40~60 cm和0~60 cm土层降低土壤容重, 提高饱和含水量、毛管含水量和田间持水量; VRT6显著提高了马铃薯现蕾前的耗水量, 导致盛花期的土壤贮水量在2016年较VRT和TT下降了22.3 mm、49.0 mm, 2017年下降了43.9 mm、56.6 mm; VRT6显著提高2017年花后耗水, 分别较VRT和TT增加了42.2 mm和38.3 mm。旺盛的花前耗水促进了地上部发育, VRT6的LAI在全生育期高于TT, 在现蕾期至收获期高于VRT, 并使SPAD值在2017年的块茎膨大期显著高于VRT和TT, 呈现明显的地上部旺长特征。基于以上原因, VRT6的块茎产量虽然高于TT, 但在2017年显著低于VRT, 而且水分利用效率(WUE)较VRT和TT下降了61.2%~67.5%和41.0%~53.5%。因此, 在半干旱旱作区马铃薯种植的立式深旋耕作的适宜深度是40 cm, 可在优化土壤水分特性和耗水过程的基础上, 有效抵御季节性干旱胁迫, 显著提高产量和水分利用效率。
关键词： 旋耕深度;土壤水分特性;阶段耗水量;产量;水分利用效率;马铃薯

Abstract
The subsoiling can break the plough pan and optimize soil hydrological characteristics. However, the study on the effects of tillage depths on soil water characteristics, potato water consumption and yield, is insufficient. The field experiment was conducted with three tillage depths of 15 cm (TT), 40 cm (VRT), and 60 cm (VRT6), to investigate the effect of tillage depths on the yield and water utilization of potato in semiarid rain-fed area in 2016 and 2017 on northwest Loess Plateau. The parameters of soil bulk density, soil hydrological properties, potato SPAD (soil and plant analyzer development) value, leaf area index (LAI), and tuber yield were measured. The soil bulk density, and increased saturation moisture, capillary moisture and field water capacity of VRT6 treatment compared with VRT and TT were decreased in 40-60 cm and 0-60 cm profile, respectively. Water consumption of VRT6 treatment was significantly increased in pre-squaring stage, resulting in the decrement of soil water storage in 0-100 cm profile by 22.3 mm and 49.0 mm in 2016, and 43.9 mm and 56.6 mm in 2017. Water consumption in pre-squaring stage of VRT6 was significantly increased by 42.2 mm and 38.3 mm compared with VRT and TT treatment in 2017, respectively. Based on the excessive water consumption in pre-flowering period, the LAI of VRT6 was significantly higher than TT in whole growth period, than VRT in post-squaring period, and the SPAD value was higher than VRT in expanding stage in 2017, which indicated that the vigorous growth was subsistent in VRT6 treatment. The tuber yield of VRT6 were significantly higher than TT, but it significantly decreased in 2017 compared to VRT, and the water use efficiency (WUE) of VRT6 were significantly decreased by 61.2%-67.5% and 41.0%-53.5%, as compared with VRT and TT. Consequently, the suitable tillage depth for potato cultivation was 40 cm in semiarid area, which could optimize the soil hydrological properties and potato water consuming process, and relieved the drought stress efficiently, resulting in significantly higher tuber yield and WUE.
Keywords：tillage depths;soil hydrological properties;periodical water consumption;tuber yield;water use efficiency;potato


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张绪成, 马一凡, 于显枫, 侯慧芝, 王红丽, 方彦杰, 张国平, 雷康宁. 旋耕深度对西北黄土高原旱作区土壤水分特性和马铃薯产量的影响[J]. 作物学报, 2021, 47(1): 138-148. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04065
ZHANG Xu-Cheng, MA Yi-Fan, YU Xian-Feng, HOU Hui-Zhi, WANG Hong-Li, FANG Yan-Jie, ZHANG Guo-Ping, LEI Kang-Ning. Effects of tillage depth on soil hydrological characteristics and potato yield on northwest Loess Plateau[J]. Acta Agronomica Sinica, 2021, 47(1): 138-148. doi:10.3724/SP.J.1006.2021.04065


西北黄土高原降水少、蒸发强, 但深厚的土层是有效的“土壤水库” ^[1], 在缓解干旱胁迫中发挥了至关重要的作用。机械化旋耕技术的应用大幅度提高了耕作效率, 但长期旋耕形成了相对坚硬的犁底层, 耕层呈逐年变浅的态势, 使得土壤物理性状恶化, 并由此导致耕地质量和生产力下降^[2,3,4,5]。谢军红等^[6]报道, 旋耕0~30 cm土层的土壤容重随土层深度增加呈增大趋势, 形成了较为坚硬的犁底层, 使作物产量下降^[7]; 石磊等^[8]在陕北黄土高原调查结果显示, 土壤犁底层变浅、容重和紧实度增加, 影响作物根系下扎和水分养分运移, 是长期旋耕造成土壤障碍的主要因素, 导致生产力明显下降。针对这一问题, 农业农村部出台了《全国农机深松整地作业实施规划(2016—2020年)》, 以通过深松打破犁底层, 优化土壤水肥环境和提高作物资源利用效率^[9,10,11,12]。

马铃薯是西北黄土高原半干旱区主栽作物之一, 该区也是我国马铃薯优势产区和主产区^[13]。以甘肃省为例, 2017年全省马铃薯播种面积超过66.7万公顷, 总产量达到1200万吨^[14], 虽然在全膜覆盖条件下显著提高了降水利用率, 但单产低于全国平均水平^[15], 这主要是季节性干旱胁迫、耕地质量较差等因素共同作用的结果。因此, 通过优化耕作措施来增强土壤的水肥供应能力^[16,17], 将是进一步提高旱作马铃薯产量的主要方向之一。立式深旋耕作(粉垄技术、深旋松技术)是首先应用于山药的一项耕作技术, 其特点是利用螺旋犁头, 将土壤粉碎但不改变土壤的垂直层次结构, 结合了深松和旋耕的优点, 旋耕深度可达到60 cm以上^[18,19,20]。Zhai等^[21]在黄淮海玉米上的研究表明, 深旋松(立式深旋耕作)能够显著降低土壤容重, 提高土壤通透性, 提高土壤蓄水能力, 促进玉米根系发育, 使产量和水分利用效率显著增加; 在东北棕壤上也取得了相似的研究结果。目前, 该项技术在玉米、小麦、山药、花生、大豆、水稻、甘蔗、马铃薯等作物上取得了显著增产效果^{[18,19,20,21,22,23]}。我们在半干旱区马铃薯上的研究也证明, 立式深旋技术能够显著降低黄绵土的土壤容重, 提高土壤孔隙度, 改善土壤水分特性, 实现马铃薯的抗旱增产^[23,24]。

旋耕深度是影响土壤特性尤其是水分性状的一个关键因素, 增加耕作深度能够改善土壤水分状况和促进作物生长发育, 这已在松辽平原玉米^[25]、黄淮海平原冬小麦^[26]、胶东平原^[27]和黄土高原半干旱区马铃薯^[24]上得到证明, 认为增加耕作深度提高了土壤贮水量和作物地上、下部生长发育。然而, 耕作深度对作物生长发育的影响因作物而异, 当旋耕深度增加到40 cm时, 产量反而下降^[26]。但对于块茎类作物如马铃薯, 增加旋耕深度一方面能够优化土壤的水分特性, 提高土壤水肥供应能力而增强抗旱性; 另外, 疏松的土壤有利于块茎生长, 这同样是提高产量的一个积极因素。进一步加深旋耕深度将会促进水肥在土壤中的运移, 是否具有进一步提升产量和作物抗旱性的作用, 并通过影响作物的耗水进程以缓解季节性干旱对作物生产的胁迫强度?目前对此尚无探讨。将立式深旋耕作的旋耕深度增加至60 cm, 研究不同旋耕深度对土壤水分性状和马铃薯生长发育的影响, 将为建立马铃薯水分高效、产量提升的耕作制度提供依据。鉴于此, 本研究设置了15、40和60 cm 3种旋耕深度, 研究其对马铃薯阶段耗水、干物质积累、叶面积指数、叶片SPAD值, 以及产量、水分利用效率的影响, 以期为确定西北黄土高原旱作区马铃薯抗旱增产的耕作技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016—2017年在甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村, 104°36′E, 35°35′N)进行。该区属于典型的半干旱雨养农业区, 也是我国优质马铃薯主产区之一。区域多年平均降水为415 mm, 年平均蒸发量高达1500 mm, 春季低温少雨, 降水主要集中在秋季, 7月至9月份降水平均占全年总量的65%。试区属中温带半干旱气候, 海拔高度为1970 m, 作物一年一熟; 多年平均气温6.2℃, ≥10℃积温2075.1℃, 无霜期140 d, 为典型的寒旱农业区; 光照充足, 多年平均日照时数为2500 h, 年总辐射量达5898 MJ m^-2。试验区土壤属于黄绵土, 土层厚度达50 m以上。土质相对疏松, 0~30 cm土层平均容重1.25 g cm^-3, 田间持水量和凋萎系数分别为21.18%和7.2%, 土壤质量较差, 有机质含量在10 g kg^-1左右。

2016年马铃薯生育期内降水量为179.3 mm, 全年降水量为289.3 mm, 分别占多年平均的68.7%和55.2%, 属严重干旱年份; 2016年平均气温为7.5℃, 较多年平均增加了1.3℃, 因此, 该年为干旱和高温年份, 对马铃薯生产有不利影响。2017年马铃薯生育期内降水量为353.5 mm, 全年降水量为430.3 mm, 属于平水年, 但2年均在马铃薯盛花期发生持续干旱, 季节分配不均(图1); 2017年气温与多年平均温度基本持平。2年的降水和气温有明显不同, 对马铃薯的生长造成了较明显的影响。

图1

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图12016-2017试验区降水分布和平均气温变化

Fig. 1Variation of precipitation and average air temperature in experimental plots from 2016 to 2017

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计, 设置3个旋耕深度, 即传统旋耕15 cm (traditional rotary tillage, TT)、立式深旋松耕40 cm (vertically rotary sub-soiling tillage, VRT)和立式深旋松耕60 cm (VRT6) 3个处理, 均在2016和2017年的3月中旬机械耕作。耕作后即施肥、起垄和覆盖地膜。每处理3次重复, 小区面积6 m × 10 m = 60 m²。采用全膜覆盖垄上微沟种植方法(图2), 大垄宽为60 cm, 大沟宽为40 cm, 在大垄上开微沟, 微沟宽度为20 cm, 微沟内每50 cm打孔以确保降水入渗。马铃薯在垄顶部按“品”字形种植, 种植密度60,000穴 hm^-2, 每穴种植1株。2016年和2017年均在4月20日播种, 2016年9月上旬收获, 2017年10月上旬收获。土壤水分均在微沟内取样。

图2

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图2马铃薯全膜覆盖垄上微沟种植技术示意图

Fig. 2Schematic diagram of potato micro-furrows on ridges and planting with plastic mulching

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤物理性状 参照土壤理化分析的方法^[25]测定马铃薯播前0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm土层的土壤容重、田间持水量、饱和含水量、毛管含水量。采用环刀法(环刀容积为100 cm³)测定土壤容重。利用测定容重的环刀浸入水中24 h, 称重至恒质量, 按公式(1)计算田间持水量, 公式(2)计算饱和含水量; 将饱和后的环刀样置于铝盒上, 中间用滤纸隔开, 放置12 h烘干至恒质量, 并称重, 按照公式(3)计算土壤毛管含水量。

(1)饱和含水量(%) = (浸泡后土质量-烘干土质量) /烘干土质量×100%
(2)土壤毛管含水量(%) = (放置后的土质量-烘干的土质量) /烘干的土质量×100%
(3)田间持水量(%) = (浸泡后土质量-烘干土质量) /100
1.3.2 土壤贮水量 于马铃薯播前、现蕾期、盛花期和收获期用烘干法测定0~200 cm土层土壤含水量, 每20 cm为1个层次, 每小区在垄上微沟内的马铃薯株间测定1个位点。按照公式(4)计算土壤贮水量。

(4)SWS (mm)= SWC × γ × d /100
式中, SWC为土壤重量含水量(g kg^-1); γ为土壤容重(g cm^-3); d为土壤深度(cm)。

1.3.3 SPAD和LAI 于马铃薯现蕾期、盛花期和块茎膨大期, 在晴天10:00用SPAD-502 PLUS (柯尼卡美能达, 日本)测定叶片SPAD值, 选择倒二枝的顶叶为测定对象, 每个叶片避开叶脉自上而下测定3次, 每小区选择10个叶片。同时用美国CID公司生产的CI-110植物冠层数字图像分析仪测定叶面积指数(LAI), 每小区测定3次, 计算其平均数为小区LAI。

1.3.4 水分利用效率的计算 测定马铃薯播前和收获后0~200 cm土层的土壤含水量, 按照公式(5)计算马铃薯水分利用效率。

(5)WUE (kg hm^-2 mm^-1) = 块茎产量(kg hm^-2)/ET (mm)
式中, 块茎产量由小区实际测定产量换算得出, ET为蒸散量, 按照公式(6)计算。

(6)ET = 播前土壤贮水量(mm) - 收获后土壤贮水量(mm) + 降水量(mm)

1.4 数据处理

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

2 结果与分析

2.1 不同旋耕深度对土壤容重的影响

立式深旋耕作能显著降低土壤容重(图3)。与TT相比, VRT在0~10、10~20和20~40 cm土层的土壤容重在2016年分别降低了11.8%、12.1%和20.2%, 2017年分别降低了13.3%、13.8%和25.3%, 均达到显著差异水平, 在40~100 cm土层无显著差异。VRT6在0~10、10~20、20~40和40~60 cm土层的土壤容重2016年分别降低了13.2%、13.7%、25.7%和10.5%, 2017年相应地降低了12.1%、10.1%、32.9%、23.8%, 但在60~100 cm土层二者无显著差异。与VRT相比, VRT6在40~60 cm土层的土壤容重分别在2016年和2017年下降20.0%和18.1%, 达到显著差异, 在其余土层二者无显著差异。

图3

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图3不同旋耕深度对土壤容重的影响

TT: 传统旋耕15 cm; VRT: 立式深旋松耕40 cm; VRT6: 立式深旋松耕60 cm。在同一土层标记不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。
Fig. 3Effects of different tillage depths on soil bulk density

TT: traditional votary tillage at 15 cm soil depth; VRT: vertically rotary tillage at 40 cm depth; VRT6: vertically rotary tillage at 60 cm depth. The bars with different lowercase letters in the same soil depth mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level.

2.2 不同旋耕深度对土壤水分特性的影响

与TT相比, VRT在0~10、10~20、20~40 cm土层的饱和含水量在2016年增加了27.0%、34.1%和53.4%, 2017年则相应地提高了27.3%、35.1%和48.0%, 达到显著差异水平, 其余土层差异不显著; VRT6在0~10、10~20、20~40和40~60 cm土层的土壤饱和含水量在2016年分别增加了30.8%、34.8%、43.7%和25.5%, 2017年这一数值为30.7%、33.6%、53.9%和31.3% (图4-a, d), 均达到显著差异, 在60~100 cm土层无显著差异; VRT6在40~60 cm的饱和含水量较VRT在2016和2017年分别显著提高了24.8%和30.4%, 但在其余土层无显著差异。与饱和含水量结果相似, VRT6在0~60 cm土层、VRT在0~40 cm土层, 均较TT显著提高了土壤毛管含水量, VRT6的增加幅度在2016年和2017年的分别为30.5%~57.2%和32.6%~57.4%, VRT则分别为27.0%~53.4%和32.8%~57.9% (图4-b, e)。与TT相比, VRT6显著提高了0~60 cm土层田间持水量, 2016年和2017分别增加了7.8%~24.1%和8.8%~ 29.8%, VRT在0~40 cm土层的田间持水量则分别提高了9.3%~22.3%和9.4%~24.7% (图4-c, f)。VRT6和VRT的土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量在20~40 cm土层的增加幅度最大, 表明多年浅旋耕在这一层次形成了较为坚硬的犁底层。

图4

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图4不同旋耕深度对土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量的影响

图a、b、c和e、d、f分别为2016年和2017年的土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量。在同一土层标记不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图3。
Fig. 4Effects of different tillage depths on soil saturation moisture, capillary moisture, and field water capacity

a, b, c and e, d, f indicate the soil saturation moisture, capillary moisture and field water capacity in 2016 and 2017, respectively. Bars with different lowercase letters in the same soil depth mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 3.

2.3 不同旋耕深度对土壤贮水量的影响

2016年播前, VRT6在0~60 cm、VRT在0~40 cm土层的土壤贮水量较TT分别增加了12.0 mm和12.7 mm, VRT6在40~60 cm土层的土壤贮水量较VRT增加了2.8 mm, 均达到显著差异(图5-a), 现蕾期VRT6和VRT的土壤贮水量在0~20 cm土层无显著差异, 但显著高于TT, 且VRT6在160~200 cm土层显著低于VRT和TT (图5-b); 在盛花期的20~100 cm土层, VRT6较VRT下降了18.2 mm; 在20~140 cm土层, VRT6和VRT较TT分别下降了61.0 mm和39.7 mm, 均达到显著差异(图5-c)。在收获期的80~200 cm土层, VRT6的土壤贮水量较VRT和TT分别降低了47.0 mm和98.3 mm; 在100~200 cm土层, VRT较TT下降了51.7 mm, 均达到显著差异(图5-d)。2017年播前, VRT6在0~100 cm土层土壤贮水量较VRT和TT分别下降了59.6 mm和34.7 mm, 而VRT较TT在40~120 cm土层增加了39.2 mm, 但TT在160~200 cm土层较VRT6和VRT分别增加了20.0 mm和12.3 mm (图5-e), 均达到显著差异。在现蕾期, VRT6在0~120 cm土层的土壤贮水量较TT下降了66.1 mm, 并在各层次达到显著差异; 在0~100 cm土层较VRT下降了55.3 mm, 各层次差异显著; 在0~140 cm土层, 3个处理无显著差异(图5-f); 在盛花期, VRT6分别在0~60 cm较VRT、0~80 cm土层较TT下降了43.9 mm和65.3 mm, 各层次均达到显著差异水平; 但在120~200 cm土层, VRT6较VRT显著增加了24.5 mm, 较TT增加了15.6 mm, 且在140~160、180~200 cm土层达到显著差异(图5-g)。在收获期, VRT6在0~120 cm较VRT和TT分别显著下降了103.4 mm和115.6 mm, 在各土层均达到显著差异, 但VRT和TT之间无差异; 在140~180 cm土层, VRT6显著高于VRT, 但和TT之间差异不明显; 其他层次3个处理无显著差异(图5-h)。

图5

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图5不同旋耕深度对土壤剖面贮水量的影响

图a, b, c, d和e, f, g, h分别为2016年和2017年的播前、现蕾期、盛花期和收获期。处理同图3。
Fig. 5Effects of different tillage depths on profile soil water storage

a, b, c, d and e, f, g, h indicate the pre-sowing stage, squaring stage, flowering stage and harvesting stage in 2016 and 2017, respectively. Treatments are the same as those given in Fig. 3.

2.4 不同旋耕深度对马铃薯阶段耗水量的影响

VRT6在播种到现蕾期的耗水量在2016年和2017年分别较VRT增加了41.9%、40.7%, 较TT增加了88.5%、56.9%; VRT较TT在2016年增加了32.8%, 差异显著(图6)。在现蕾到盛花期, 2016年VRT6较VRT和TT分别增加了81.1%和144.2%, VRT较TT增加了34.8%; 2017年VRT6的耗水量最低, 分别较VRT和TT下降了53.5%、26.6%, TT较VRT下降了57.8%。在盛花期至收获期, 2016年3个处理耗水量之间无显著差异, 但2017年VRT6较VRT和TT显著增加了42.2%、38.3%, VRT和TT之间无显著差异。

图6

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图6不同旋耕深度对马铃薯阶段耗水量的影响

图柱为阶段耗水量, 图线为阶段降水量。标以不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图3。
Fig. 6Effects of different tillage depths on periodical evapotranspiration of potato

The bar represents the periodical evapotranspiration, the line represents the periodical precipitation. The bar with different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 3.

2.5 不同旋耕深度对马铃薯SPAD值和叶面积指数的影响

3种旋耕深度的马铃薯叶片SPAD值在苗期和现蕾期无显著差异(图7)。在盛花期, 2016年VRT6较TT显著增加了32.7%; 2017年3个处理间差异不显著。在块茎膨大期, VRT6的SPAD值在2016和2017年较TT分别增加了41.3%、27.8%, 并在2017年与VRT差异显著; VRT的马铃薯叶片SPAD值在2016年和2017年较TT分别增加了25.2%、21.8%, 均达到显著差异。VRT6的叶面积指数(LAI)在2年的不同生育时期均高于VRT和TT, 并在全生育期与TT达到显著差异, 2016年和2017年分别增加了29.9%~64.3%、34.1%~114.8%; 在现蕾期至块茎膨大期与VRT达到显著差异, 分别增加了17.0%~38.4%、17.1%~56.6%。在现蕾期至块茎膨大期, VRT的LAI显著高于TT, 2016年和2017年分别增加了16.7%~27.0%、14.5%~ 37.1%。

图7

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图7不同旋耕深度对马铃薯叶片SPAD值和叶面积指数的影响

标以不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图3。
Fig. 7Effects of different tillage depths on leaf SPAD value and leaf area index of potato

The bar with different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 3.

2.6 不同旋耕深度对马铃薯产量、耗水量和水分利用效率的影响

VRT6和VRT的块茎产量在2016年较TT分别增加了49.9%、47.8%, 2017年增加19.3%、41.0%, 均达显著差异; 但在2017年, VRT6的产量较VRT显著下降了15.4%, 并呈显著差异水平(表1)。VRT6的耗水量在2年均显著高于VRT和TT, 2016年和2017年分别增加了24.7%、54.7%和19.2%、32.7%; 而且VRT耗水量在2016年和2017年较TT增加了24.0%、11.3%。VRT6的水分利用效率(WUE)显著低于VRT和TT, 2016年和2017年分别下降了67.5%、61.2%和53.5%、41.0%; VRT较TT在2016年和2017年分别增加了19.5%、26.7%。

Table 1
表1
表1不同旋耕深度对马铃薯产量、耗水量和水分利用效率的影响
Table 1Effects of different tillage depths on tuber yield, evapotranspiration, and water use efficiency of potato

年份 Year	处理 Treatment	产量 Yield (kg hm-2)	耗水量 ET (mm)	水分利用效率 WUE (kg hm-2 mm-1)
2016	TT	22,253.3 b	240.1 c	92.6 b
	VRT	32,897.3 a	297.8 b	110.6 a
	VRT6	33,363.0 a	371.4 a	36.0 c
2017	TT	30,388.9 c	309.0 c	98.6 b
	VRT	42,833.3 a	344.0 b	124.9 a
	VRT6	36,257.7 b	410.1 a	58.1 c

在相同年份标记不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图3。
The data in same year with different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 3. ET: evapotranspiration; WUE: water use efficiency.

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3 讨论

立式深旋耕作能够显著降低土壤容重^{[20-21,23-24]}。本试验中, VRT6在40~60 cm土层的土壤容重在2016年和2017年分别较VRT显著下降了20.0%和18.1%; 而与TT相比, VRT6在0~60 cm土层的土壤容重显著下降, VRT在0~40 cm土层显著下降。土壤容重下降将导致土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量发生变化^[11,12], 影响土壤水分运移和供应能力。本试验中, VRT6在0~10、10~20、20~40和40~60 cm土层的土壤饱和含水量在2016年和2017年分别较TT增加了30.8%、34.8%、43.7%、25.5%和30.7%、33.6%、53.9%、31.3%; VRT则在0~10、10~20、20~40 cm土层的饱和含水量在2016年和2017年分别增加了27.0%、34.1%、53.4%和27.3%、35.1%、48.0%; VRT6较VRT仅在40~60 cm土层显著增加。毛管含水量和田间持水量呈相似的变化趋势。由于土壤水分性状发生明显变化, 使2016年播前VRT6在0~60 cm、VRT在0~40 cm土层的土壤贮水量分别较TT增加了12.0 mm和12.7 mm, 而VRT6在40~60 cm土层的土壤贮水量较VRT增加了2.8 mm。虽然2017年处理间土壤水分性状的变化与2016年相似, 但土壤贮水量受马铃薯耗水的显著影响, 与2016年呈现不同的变化。因此, 增加旋耕深度能够显著改变土壤水分性状, 进而影响土壤贮水量和作物耗水。

调节作物耗水进程是提高旱地作物水分利用效率和抵御季节性干旱的主要途径之一, 花前水分的过度消耗会加重季节性干旱胁迫程度^[28], 促进马铃薯花后耗水能够显著提高产量^[13]。本试验结果表明, 在西北黄土高原半干旱旱作区这一降水匮乏地区, VRT6的耗水量在播种至现蕾期较VRT和TT显著增加, 但干旱年现蕾期0~160 cm土层土壤贮水量在处理间差异不明显, 这主要是土壤的基础贮水量较高; 由于2016年水分的大量消耗, 所以2017年VRT6的土壤贮水量在现蕾期显著低于VRT和TT。现蕾期至盛花期是块茎形成的关键时期, 促进该时期的耗水量对提高马铃薯块茎数量有积极作用^[13]。与TT相比, VRT在干旱年和平水年均能著提高现蕾期至盛花期的耗水量, 但VRT6仅在干旱年提高此期耗水, 而在2017显著低于TT。这主要是2017年VRT6在现蕾期0~100 cm土层的土壤贮水量仅有165.8 mm, 而在2016年则为233.6 mm, 而且此期降雨量2016年为34.8 mm, 2017年为18.7 mm。2017年VRT6的土壤贮水量较低, 加之自然降水较少, 导致耗水明显下降, 对块茎形成产生了不利影响, 并导致花期土壤贮水显著低于VRT和TT。2016年花后耗水量在3个处理间无显著差异, 但2017年VRT6显著高于VRT和TT, 这主要依赖于此期降水量高达233.5 mm。

VRT6在苗期较高的耗水促进了地上部发育, LAI在全生育期显著高于TT, 在现蕾期至收获期显著高于VRT, 尤其是在2017年块茎膨大期的叶片SPAD值显著高于VRT和TT, 这表明VRT6促进了马铃薯在花后的地上部旺长, 这可能导致地上地下的同化物竞争, 不利于地上同化物向地下运转, 造成产量明显下降^[29]。另外, 2016年在花后的降水量仅为45.8 mm, 而2017年则高达233.5 mm, 更加剧了这一不利作用。就全生育期耗水量来看, VRT6在2年均显著高于VRT和TT; 虽然产量高于TT, 但在2017年较VRT显著下降, 而且水分利用效率显著低于VRT和TT, 分别下降了53.5%和41.0%。因此, 在西北黄土高原半干旱雨养区, 增加旋耕深度虽然能够优化土壤的水分特性, 但显著促进了花前的耗水, 这加剧了季节性干旱胁迫对旱作马铃薯产量形成的不利影响, 导致水分利用效率的显著下降, 而旋耕深度为40 cm条件下, 能够在改善土壤水分状况, 优化马铃薯花前花后耗水, 显著提高马铃薯产量和WUE。然而, 增加旋耕深度能促进马铃薯地上部分的生长发育, 在水分充足的条件下可能对提高产量有积极意义, 这需要进一步的研究证实。

4 结论

在西北黄土高原半干旱雨养区, 旋耕深度增加至60 cm时, 显著降低耕作层的土壤容重、提高耕作层的土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量, 并提高2016年马铃薯播前土壤贮水量; 但促进马铃薯花前耗水, 降低现蕾期和花期的土壤贮水量, 这将加剧季节性干旱的胁迫强度, 对马铃薯块茎形成不利, 导致产量和水分利用效率较VRT下降。因此, 在半干旱旱作区, 马铃薯种植的立式深旋旋耕深度以40 cm为佳, 可优化土壤水分环境和耗水过程, 显著提高产量和水分利用效率。

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