,, 普雪可, 周永瑾, 勉有明, 苗芳芳, 李荣,*宁夏大学农学院, 宁夏银川 750021Effects of ridge-and-furrow rainwater harvesting with mulching on soil water- heat-fertility and potato yield in arid areas of southern Ningxia
WU Chun-Hua,, PU Xue-Ke, ZHOU Yong-Jin, MIAN You-Ming, MIAO Fang-Fang, LI Rong,*School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, Ningxia, China通讯作者: * 李荣, E-mail:lironge_mail@126.com
收稿日期:2019-12-13接受日期:2021-04-26网络出版日期:2021-06-09
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Corresponding authors: * E-mail:lironge_mail@126.com
Received:2019-12-13Accepted:2021-04-26Published online:2021-06-09
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E-mail:w1024762120@163.com
摘要
为探明不同沟垄集雨结合覆盖模式对土壤水热肥特性与旱作马铃薯产量的影响, 于2015—2016年在宁南旱区连续两年设置6种沟垄集雨结合覆盖模式定位试验[垄上覆盖塑料地膜, 沟内分别覆盖塑料地膜(PP)、玉米秸秆(PS)、生物降解地膜(PB)、麻纤维地膜(PF)、液态地膜(PL)和沟不覆盖(PN)], 以平作不覆盖为对照(CK), 研究其对土壤水分、温度、养分及马铃薯产量的影响。沟垄集雨结合覆盖模式可显著提高全生育期平均0~200 cm层土壤贮水量, 以PS处理的保墒效果最佳。PP处理对马铃薯生育期土壤温度(0~25 cm)具有显著的增温效果, 而PS处理降温效果显著。与试验处理前相比, 2年马铃薯收获期不同沟垄集雨结合覆盖模式下0~40 cm层土壤有机碳、全氮、碱解氮、速效磷含量均显著提高, 而速效钾含量显著降低, 与对照相比均显著提高, 其中以PS处理增幅最大。沟垄集雨结合覆盖模式能显著提高马铃薯产量和商品薯率, 其中以PS和PP处理最高, PB、PF和PL处理次之, 而PN与CK无显著差异。通过相关分析及通径分析发现, 土壤水分、有机碳及温度是制约马铃薯高产的重要因子。垄覆地膜沟覆秸秆处理可显著改善旱作土壤水热肥环境, 提高马铃薯产量, 在宁南旱区马铃薯高产栽培中具有一定的应用价值。
关键词：
Abstract
In order to explore the effect of different ridge-and-furrow rainwater harvesting with mulching patterns on soil water-heat-fertility properties and the yield of rainfed potato. A located experiment was conducted in 2015 and 2016 for two consecutive years, and six ridge-and-furrow rainwater harvesting with mulching patterns were set up in dry farmland of southern Ningxia. Ridges were mulched with plastic film, while furrows were covered with plastic film (PP), maize straw (PS), biodegradable film (PB), bast fiber film (PF), liquid film (PL), and furrow without mulching (PN), and the flat planting without mulching was used as control check (CK). We investigated the effect of ridge-and-furrow rainwater harvesting with mulching on soil water, temperature, nutrients, and potato yield. Furrow-and-ridge rainwater harvesting with mulching patterns could significantly increase average soil water storage in 0-200 cm layer during the whole growth period, and PS treatment had the best effect on soil water conservation. Compared with CK, PP treatment significantly increased topsoil temperature (0-25 cm) during the growth period, while PS treatment significantly reduced topsoil temperature in potato. Compared with the treatment before the experiment, the contents of soil organic carbon, total nitrogen, alkali-hydrolysed nitrogen, and available phosphorus in 0-40 cm layer under different furrow-and-ridge rainwater harvesting with mulching patterns were significantly increased, while the soil available potassium contents were significantly decreased during the two-year experiments. Compared with the control, the soil nutrients with different furrow-and-ridge rainwater harvesting with mulching patterns were significantly increased with the largest increase in soil nutrients in PS treatment. Ridge-and-furrow rainwater harvesting with mulching patterns could significantly improve potato yield and marketable tuber rate, and PS and PP treatments were the highest, followed by PB, PF, and PL treatments, while there was no significant difference between PN and CK treatments. According to correlation and path analysis, the soil water, organic carbon, and temperature were the important factors limiting the high yield of potato. The ridge mulched with plastic film and furrow covered with straw could significantly increase potato yield by improving the soil water, temperature, and nutrient environment in dryland. It had certain application value in high yield cultivation of potato in arid areas of southern Ningxia.
Keywords：
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吴春花, 普雪可, 周永瑾, 勉有明, 苗芳芳, 李荣. 宁南旱区沟垄集雨结合覆盖对土壤水热肥与马铃薯产量的影响. 作物学报, 2021, 47(11): 2208-2219 DOI:10.3724/SP.J.1006.2021.94194
WU Chun-Hua, PU Xue-Ke, ZHOU Yong-Jin, MIAN You-Ming, MIAO Fang-Fang, LI Rong.
宁南(宁夏南部)旱作区位于黄土高原丘陵沟壑区, 属典型的雨养农业区, 农业生产主要依靠自然降水, 降雨不足和季节分配不均是限制作物生长的主要因素[1]。雨养农业区早春温度较低, 常常影响作物播种和出苗的迟早, 使生育期延迟[2]; 自然降水的季节性不足与作物的关键需水期不一致, 加之常年进行传统耕种方式, 致使土壤裸露, 水热资源和养分损失严重, 加剧土壤质量的下降, 严重限制了旱地作物的生长发育[3,4]。如何充分利用有限自然降水, 调控土壤中的水热肥对作物生长的协同作用, 从而提高作物产量是旱作农田水肥热高效利用的关键环节[4,5,6]。
在多种栽培措施中, 沟垄集雨结合覆盖技术对降水利用的效果较为突出[7], 可使当季无效和微效降水形成径流, 叠加到种植沟内, 且覆盖可抑制土壤水分无效蒸发, 促进降雨入渗[6], 不仅改善耕层土壤水温状况, 还降低土壤容重[8], 对提高土壤肥力及作物产量和水分利用效率有显著作用[3], 已被广泛应用于多种作物[9,10,11,12]。目前, 沟垄集雨结合覆盖技术已在黄土高原干旱半干旱区、半湿润偏旱区进行了大量研究[13,14], 但大多集中于土壤水分、温度等单一因素对作物生长及产量的影响方面[14,15], 然而有关该技术对宁南旱作区(降雨量350~500 mm)土壤水热肥特性与马铃薯产量的影响研究较少[16], 导致马铃薯增产潜力未被充分挖掘。农业生产中, 长期大量使用白色地膜造成土壤和环境的严重污染[17], 近年来对生物降解地膜、麻纤维地膜、液态地膜及秸秆等环保型覆盖材料的研发与利用越来越受到人们关注。因此, 本研究在宁南旱区采用沟垄集雨覆盖栽培模式, 通过垄上覆盖塑料地膜沟内覆盖塑料地膜、秸秆、生物降解地膜、麻纤维地膜及液态地膜等材料, 将垄面的覆盖集雨与种植沟内的覆盖保水相结合, 连续2年研究对土壤水热肥特性及马铃薯产量的影响, 以期筛选出适合宁南旱区马铃薯种植的最佳沟垄集雨覆盖模式, 同时为完善该区集雨种植及覆盖栽培和维持土地生产力提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
本试验于2015—2016年在宁夏回族自治区固原市彭阳县长城塬村进行。该地位于宁夏东南部边缘, 靠近六盘山东麓, 海拔1800 m, 年均蒸发量1050 mm, 年均降水量435 mm, 季节降水分布极不均匀, 年际变化率较大, 且主要集中在7月至9月, 占年总降水量的60%, 年均温度7.5℃, 无霜期145~170 d, 属于典型的温带半干旱大陆性季风气候。试验期内降水量与气温分布如图1, 2015年和2016年降水量分别为463.2 mm和369.0 mm, 马铃薯整个生育期(5月至10月)降水量分别为331.7 mm和248.4 mm。2015年为平水年, 2016年为枯水年。试验地土壤类型为黄绵土, 耕层(0~40 cm)土壤容重1.45 g cm-3、有机碳11.8 g kg-1、速效氮58.3 mg kg-1、有效磷7.5 mg kg-1、速效钾99.1 mg kg-1, 土壤肥力较低。图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1试验地马铃薯生育期降水量和气温月分布
Fig. 1Monthly distribution of precipitation and air temperature during the growing period at experimental site in potato
1.2 试验设计
试验采用沟垄集雨覆盖栽培方式, 垄为集雨区, 沟为种植区。设垄上覆盖塑料地膜, 沟内分别覆盖塑料地膜(PP)、玉米秸秆(PS)、生物降解地膜(PB)、麻纤维地膜(PF)、液态地膜(PL)和不覆盖(PN), 以平作不覆盖为对照(CK)。小区长9 m, 宽4 m, 随机排列, 每个处理重复3次。播种前30 d开始整地、起垄、覆膜、施基肥, 各处理将基肥(农家肥4.5万千克 hm-2, 化肥纯氮225 kg hm-2, P2O5 90 kg hm-2, K2O 90 kg hm-2)条播施入沟内, 施肥深度为10 cm。起垄时要求垄面细绵平整、覆膜垄面呈拱型。垄高20 cm, 垄宽40 cm, 沟宽60 cm。垄上覆盖塑料地膜(聚乙烯膜0.8 m宽, 0.008 mm 厚), 边缘用土固压, 以防被风损害; 沟内分别覆盖塑料地膜、玉米秸秆(切成10~15 cm长, 厚5~7 cm, 覆盖量9000 kg hm-2)、生物降解地膜(生物材料和聚合物构成, 地膜0.8 m宽, 0.008 mm厚)、麻纤维地膜(麻类纤维作为主要材料, 膜0.8 m宽, 0.22~0.31 mm厚)和液态地膜(液态地膜主要为腐植酸类物质, 按产品/水体积比1:5, 以450 L hm-2使用量在沟内种植行间进行喷施)。供试马铃薯品种为中晚熟品种陇薯3号, 分别于2015年5月2日播种、10月1日收获和2016年5月12日播种、10月5日收获, 每小区4垄3沟, 垄侧沟内穴播点种2行马铃薯, 马铃薯为中晚熟品种陇薯3号, 宽窄行种植(60 cm:40 cm), 株距40 cm, 种植密度49,995株 hm-2。试验期无灌水, 定期进行人工除草。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤水分及温度 采用烘干法测定马铃薯播种后30、50、70、90和110 d种植行0~200 cm层土壤质量含水量, 每20 cm层测定1次, 并计算0~200 cm层土壤贮水量。W = h×γ×a×10
式中, W为土壤贮水量(mm); h为土层深度(cm); γ是土壤容重(g cm-3); a是土壤质量含水量(%)。在沟内马铃薯种植行间埋设曲管地温计测定5、10、15、20、25 cm层土壤温度。从播种后30 d开始测定, 每隔20 d测定1次, 每天测定时间为08:00—20:00, 测定间隔设定为2 h, 连续测定2 d, 并计算0~25 cm各层土壤温度日变化(各时间点)的平均值作为该生育时期的代表值。
1.3.2 土壤养分 于2015年试验处理前、2015和2016年马铃薯收获后, 在种植行间用土钻按5点采样法分别采集各处理区0~20 cm和20~40 cm层土样测定土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量。采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳含量, 采用凯氏定氮法测定全氮含量, 采用碱解扩散法测定碱解氮含量, 采用碳酸氢钠浸提法测定有效磷含量, 采用火焰光度计法测定速效钾含量。
1.3.3 马铃薯产量 在收获期测定各小区马铃薯产量, 分别记录大中薯(单薯重量>75 g)、小薯(单薯重量<75 g)质量, 并计算其商品薯率。马铃薯商品薯率(%)=单薯>75 g的产量/马铃薯总产量×100。
1.4 数据统计分析
采用SAS 8.01对数据进行单因素方差分析, 利用最小显著性差异法(LSD)进行显著性检验; 应用SPSS 24对各指标进行皮尔逊相关性分析、逐步回归和通径分析; 采用Origin 2018作图。2 结果与分析
2.1 不同沟垄集雨结合覆盖模式对土壤贮水量和温度的影响
2.1.1 0~200 cm土层贮水量 2年研究期间, 不同沟垄集雨结合覆盖模式下马铃薯生育期0~200 cm土层贮水量如图2所示。2015年, 马铃薯生长前期(30~50 d) PP和PS处理保水效果最佳, 较CK分别显著提高5.1%和6.2%; 马铃薯生长中期(70~90 d)以PP和PS处理最为显著, 较CK分别显著提高4.6%和6.2%, 其他处理与CK无显著差异; 马铃薯生长后期(90~110 d), 各处理对土壤保墒效果影响不同, 其中PS处理最为显著, 较CK提高8.4%, 而PN处理与CK无显著差异。2016年, 马铃薯生长前期, 沟垄集雨结合覆盖各处理土壤贮水量均较对照增加, 其中PS和PF处理分别较CK显著提高33.7%、19.3%, 其他处理与CK无显著差异。马铃薯生长中期, 作物耗水增加, 降水偏少使各处理土壤水分降至最低, 而PS、PF、PP和PL处理平均土壤贮水量分别较CK显著提高30.6%、18.1%、15.7%、12.9%。在生育后期降水量增加使各处理土壤水分有所恢复, PP、PS和PB处理较CK分别显著提高8.6%、7.0%和8.9%, 而PF、PL和PN处理与CK差异不显著。可见, 2年马铃薯生育期平均土壤贮水效果均以PS处理最佳, 其次为PP处理, 土壤贮水量均较CK显著提高。图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图2不同处理下0~200 cm土层贮水量动态变化
PP: 垄覆地膜沟覆地膜; PS: 垄覆地膜沟覆秸秆; PL: 垄覆地膜沟覆液态地膜; PF: 垄覆地膜沟覆麻纤维地膜; PB: 垄覆地膜沟覆生物降解膜; PN: 垄覆地膜沟不覆盖; CK: 平作不覆盖。柱上不同小写字母表示不同处理间差异达0.05显著水平。
Fig. 2Dynamic change of soil water storage in 0-200 cm layer under different treatments
PP: plastic-covered ridges and plastic-covered furrows; PS: plastic-covered ridges and straw-covered furrows; PL: plastic-covered ridges and liquid-covered furrows; PF: plastic-covered ridges and bast fiber-covered furrows; PB: plastic-covered ridges and biodegradable-covered furrows; PN: plastic-covered ridges and no-covered furrows; CK: flat plant without mulching. Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among the treatments at P < 0.05.
2.1.2 0~25 cm土层温度 由图3可知, 不同沟垄集雨结合覆盖模式对土壤温度的影响效果因覆盖材料的不同而不同。2015年各处理0~25 cm层平均土壤温度随生育时期的推进呈现下降-上升-下降的趋势(图3-a), 不同沟垄集雨结合覆盖模式下马铃薯全生育期PS和PL处理土壤温度均表现为显著的降温效应, 较CK分别降低1.5℃和0.7℃, 而PP处理表现为增温效应, 较CK增温0.9℃, 其他处理与CK无显著差异。2016年各处理土壤温度随各生育阶段的推进呈现先上升(30~70 d)后下降(70~110 d)的趋势(图3-b)。马铃薯整个生育期土壤温度PP处理表现出显著的增温效应, 较CK增温0.8℃, 而PS处理表现出显著的降温效应, 较CK降温0.4℃, 其他处理与CK差异不显著。可见, 2年研究期间, 与CK相比PP处理在马铃薯整个生育期增温效应显著(0.9℃), 而PS处理降温效应显著(1.5℃); PB、PF和PL处理与CK相比在马铃薯生育前期和中期表现出增温效应, 而在生育后期则表现出降温效应; PN处理土壤温度在马铃薯整个生育期均与CK无显著差异。
图3
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处理同
Fig. 3Average soil temperature in 0-25 cm layer under different treatments
Abbreviations are the same as those given in
2.2 不同沟垄集雨结合覆盖模式对0~40 cm土层养分含量的影响
2.2.1 0~40 cm土层有机碳和全氮含量 不同沟垄集雨结合覆盖模式下0~40 cm层土壤有机碳含量与试验处理前相比均显著增加, 增幅达8.5%~30.5%, 其中以PS处理增幅最大(图4-a)。2015年马铃薯收获后0~20 cm层土壤有机碳含量较CK增幅达3.1%~30.0%, PN处理与CK无显著差异; 20~40 cm层不同沟垄集雨结合覆盖模式下土壤有机碳含量均较对照显著增加。2016年0~20 cm层PS、PL和PP处理土壤有机碳含量分别较CK显著增加25.2%、19.6%和18.6%, 而PB和PF处理与CK差异不显著; 20~40 cm层PS和PF处理土壤有机碳含量分别较CK显著增加32.9%和31.1%, 而其余处理与CK无显著差异。图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图4不同处理下0~40 cm层土壤有机碳和全氮含量及碳氮比
处理同
Fig. 4Contents of soil organic carbon and total nitrogen, and C/N ratio in 0-40 cm layer under different treatments
Abbreviations are the same as those given in
不同沟垄集雨结合覆盖模式下0~40 cm层土壤全氮含量随土层的加深呈逐渐减小的趋势(图4-b)。2015年各处理0~40 cm层土壤全氮含量较CK增幅达11.3%~30.5%, 各处理土壤全氮含量大小表现为PF>PL>PS>PP>PN>PB>处理前>CK。2016年各处理0~40 cm层土壤全氮含量大小表现为PS>PL> PF>PP>PB>PN>CK>处理前, 各处理土壤全氮含量较CK增幅达21.8%~45.6%。0~20 cm层, PS、PL、PF处理土壤全氮含量较CK显著增加, 而PB、PP和PN处理与CK无显著差异。在20~40 cm层, 不同沟垄集雨结合覆盖各处理土壤全氮含量均较对照显著增加。
沟垄集雨结合覆盖模式不仅可增加土壤有机碳和全氮含量, 还可调节土壤碳氮比(图4-c), 土壤碳氮比因覆盖材料和环境的不同而存在差异。2015年不同覆盖模式(除PS处理外)下0~40 cm层土壤碳氮比均较对照降低, 但不同覆盖模式间无显著差异。0~20 cm层PS和PB处理分别较CK显著增加7.7%和5.3%, 而PP、PF、PL和PN处理分别较CK显著降低; 20~40 cm层PP处理较CK显著增加5.4%, 而PF、PL处理分别较CK显著降低8.6%、9.6%, PS、PB和PN处理与CK无显著差异。2016年不同覆盖模式(除PF处理外)下0~40 cm层土壤碳氮比均较对照降低, 但不同覆盖模式间无显著差异。在0~20 cm层, 与试验处理前相比, PN和CK处理土壤碳氮比显著升高, 而PS处理土壤碳氮比显著降低, PP、PB、PF和PL处理土壤碳氮比较试验处理前无显著差异, 其中以CK处理增幅最大(8.6%), PS处理降幅最大(12.1%)。在20~40 cm层, 不同覆盖模式下土壤碳氮比与试验处理相比均有所升高。PS、PF和PB处理土壤碳氮比较CK显著提高, 其中以PF处理增幅最大(8.0%)。
2.2.2 0~40 cm土层速效养分含量 马铃薯收获期各处理土壤碱解氮含量随土层的加深而降低, 其中PS处理可显著增加0~20 cm层土壤碱解氮含量, 而PF处理可显著增加20~40 cm层土壤碱解氮含量(图5-a)。2015年0~20 cm层, PN、CK处理土壤碱解氮含量与试验处理前相比显著增加14.5%、17.5%, 其他处理与处理前无显著差异; 不同沟垄集雨结合覆盖模式下土壤碱解氮含量较CK增幅达3.9%~ 26.6%, 而PN处理与CK无显著差异; 20~40 cm层不同沟垄集雨结合覆盖模式下土壤碱解氮含量均较试验处理前显著增加, 较CK增幅达4.3%~37.6%, 而PN处理与CK无显著差异。2016年不同沟垄集雨结合覆盖模式下0~20 cm层土壤碱解氮含量与试验处理前相比, PS处理显著增加, PP、PF、PB、PN和CK处理均显著降低, 而PL处理与试验处理前无显著差异。土壤碱解氮含量较CK增幅达12.2%~ 38.1%; 20~40 cm层不同覆盖模式下土壤碱解氮含量均较试验处理前显著增加, 而PN和CK处理均降低, 不同沟垄集雨覆盖模式下土壤碱解氮含量较CK增幅达4.1%~25.1%, 而PN处理和CK无显著差异。
图5
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处理同
Fig. 5Soil available nutrient contents in 0-40 cm layer under different treatments
Abbreviations are the same as those given in
不同沟垄集雨结合覆盖模式0~40 cm层土壤有效磷含量与试验处理前相比均显著增加, 且不同沟垄集雨结合覆盖模式对0~20 cm层土壤有效磷含量影响较大(图5-b)。2015年马铃薯收获期各处理0~40 cm层土壤速效磷含量较CK增加4.8%~45.8%, 而PN与CK无显著差异。2016年马铃薯收获期不同沟垄集雨结合覆盖模式下0~20 cm层土壤速效磷含量较CK增幅达25.2%~81.0%, 其中以PS处理增幅最大; 20~40 cm层, 与CK相比, PS、PF和PB处理土壤有效磷含量均显著增加, 而PP、PL和PN处理间无显著差异。
图5-c表明, 不同沟垄集雨结合覆盖模式下0~40 cm层土壤速效钾含量较试验处理前均呈下降趋势, 而对照处理土壤速效钾含量下降幅度高于沟垄集雨结合覆盖模式, 且随土层的增加而下降。2015年马铃薯收获期不同沟垄集雨结合覆盖模式下0~40 cm层土壤速效钾含量较CK增幅达22.3%~ 47.2%, 其中以PS处理增幅最大。2016年0~20 cm层, 与CK相比, PS、PB和PL处理土壤速效钾含量分别显著增加29.7%、16.0%和18.6%。20~40 cm层, 各处理土壤速效钾含量高低表现为PB>PS>PF>PL> PP>PN>CK, 与CK相比, 不同沟垄集雨结合覆盖模式下各处理土壤速效钾含量增幅达9.6%~24.6%, 以PS和PB处理最为显著。不同沟垄集雨结合覆盖模式下两年土壤速效钾含量均较CK显著增加, 其中以PS处理增幅最大。
2.3 沟垄集雨结合覆盖模式对马铃薯产量的影响
不同沟垄集雨结合覆盖模式对马铃薯产量和商品薯率的影响不同(图6)。各处理2015年马铃薯产量显著高于2016年, 可能由于2016年枯水年的水分供应未能满足作物的生长发育, 而2015年平水年则降水相对充沛, 因此表现出较好的产量(图6-a)。2015年不同覆盖模式下马铃薯产量以PS处理最高, 较CK增产56.1%; PP、PF和PB处理次之, 分别较CK显著提高13.0%、11.3%和8.6%; 而PL和PN处理与CK无显著差异。2016年马铃薯产量以PP和PS处理最高, 分别较CK显著提高44.8%和47.8%; PF、PB和PL处理次之, 分别较CK显著提高18.1%、12.0%和17.0%; PN处理与CK无显著差异。2年PS和PB处理对提高马铃薯商品薯率效果显著, 平均分别较CK提高8.1%和5.7% (图6-b)。2015年, 各处理间差异不显著。2016年, 不同处理下马铃薯商品薯率以PS和PB处理最高, 分别较CK显著提高11.7%和8.8%; PP和PF处理次之, 分别较CK显著提高4.7%和5.4%。无论在2015年平水年还是2016年枯水年, 各处理马铃薯产量均较CK增加, 2年PS处理增产效果最佳, 平均较CK增产50.8%, PP处理次之, 平均较CK显著增产38.5%。图6
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处理同
Fig. 6Potato yield and marketable tuber rate under different treatments
Abbreviations are the same as those given in
2.4 不同沟垄集雨结合覆盖模式下土壤水热肥与马铃薯产量影响分析
由表1中各指标相关分析表明, 马铃薯产量与整个生育期0~200 cm土层平均贮水量呈极显著正相关, 与收获期0~40 cm土层平均有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量呈显著正相关, 而与生育期0~25 cm土层平均温度、碳氮比相关性均不显著。通过对不同覆盖模式下土壤水热肥特性与马铃薯产量进行逐步回归得到, 马铃薯产量(Y)与各指标之间的回归方程: Y = 15002.0 + 228.8X1 - 2098.6X2 - 5979.5X3 + 281.1X4 - 517.3X5 - 158.7X6 - 2863.8X7。式中: X1为0~200 cm土层贮水量, X2为0~25 cm土层温度, X3、X4、X5、X6、X7分别为0~40 cm土层全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和有机碳含量。样本数为14, F值4.166, 显著水平P为0.049。Table 1
表1
表1不同处理下马铃薯产量与土壤性状相关性分析
Table 1
| 指标Index | X1 | X2 | X3 | X4 | X5 | X6 | X7 | X8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X2 | -0.231 | |||||||
| X3 | 0.748** | -0.554* | ||||||
| X4 | 0.813** | -0.246 | 0.750** | |||||
| X5 | 0.742** | -0.414 | 0.845** | 0.687** | ||||
| X6 | 0.808** | -0.451 | 0.913** | 0.774** | 0.852** | |||
| X7 | 0.834** | -0.490 | 0.802** | 0.859** | 0.859** | 0.851** | ||
| X8 | -0.370 | 0.340 | -0.793** | -0.413 | -0.487 | -0.630 | -0.291 | |
| Y | 0.856** | -0.241 | 0.589* | 0.645* | 0.545* | 0.588* | 0.604* | -0.334 |
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通过逐步回归, 筛选出通径分析指标, 并进行通径分析(表2)。各变量直接作用大小为X1 > X7 > X2 > X4 > X5 > X6 > X3, 其中X1、X4和X5起正效应, 其余指标起负效应。说明土壤贮水量(X1)对马铃薯产量的直接作用最大, 其次为土壤有机碳(X7)和温度(X2)。由剩余通径系数(0.171)可知, 以上各指标能较好地表达对马铃薯产量的影响作用。可见, 土壤水热肥特性成为制约马铃薯产量提高的主要因子, 而不同沟垄集雨结合覆盖模式可改善土壤水热肥环境, 从而显著提高马铃薯产量。
Table 2
表2
表2不同处理下马铃薯产量与各指标的通径分析
Table 2
| 自变量 Independent | 相关系数 Correlation coefficient | 通径系数(直接作用) Size coefficient (direct effect) | 间接通径系数 Indirect path coefficient | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X1→Y | X2→Y | X3→Y | X4→Y | X5→Y | X6→Y | X7→Y | 合计Total | |||
| X1 | 0.856 | 1.396 | 0.09494 | -0.16381 | 0.33008 | 0.23818 | -0.24078 | -0.79897 | -0.54036 | |
| X2 | -0.241 | -0.411 | -0.32248 | 0.12133 | -0.09988 | -0.13289 | 0.13440 | -0.46942 | 0.16950 | |
| X3 | 0.589 | -0.219 | 1.04421 | 0.22769 | 0.30450 | 0.27125 | -0.27207 | -0.76832 | 0.80726 | |
| X4 | 0.645 | 0.406 | 1.13495 | 0.10111 | -0.16425 | 0.22053 | -0.30805 | -0.82292 | 0.16137 | |
| X5 | 0.545 | 0.321 | 1.03583 | 0.17015 | -0.18506 | 0.27892 | -0.25390 | -0.82292 | 0.22302 | |
| X6 | 0.588 | -0.298 | 1.12797 | 0.19995 | -0.22136 | 0.31424 | 0.27349 | -0.81526 | 0.87903 | |
| X7 | 0.604 | -0.598 | 1.16426 | 0.20139 | -0.17564 | 0.34875 | 0.27574 | -0.25360 | 1.5609 | |
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3 讨论
3.1 不同沟垄集雨结合覆盖模式对土壤水分和温度的影响
不同沟垄覆盖模式对土壤水分的影响因降雨条件和覆盖材料的不同而存在差异[18]。李荣等[6]研究发现, 垄上覆膜沟内覆盖不同材料对土壤水分的调节作用存在显著差异, 且年际动态变化随降雨量分布的不同而不同。李儒等[9]研究表明, 沟垄覆盖栽培模式可有效改善农田的水分状况, 起到集雨、蓄水、保墒的作用。本研究结果表明, 2年马铃薯生育期均以垄覆地膜沟覆秸秆处理土壤蓄水效果最好, 这是由于垄上覆盖地膜可改变土壤水分运移方式, 阻断水分的垂直蒸发和乱流, 使膜下水分横向迁移, 达到蓄水保墒的目的[19], 同时沟内覆盖秸秆可改善土壤孔隙结构, 增加地表粗糙度和降雨入渗, 使蓄积土壤水分和抑制棵间蒸发的能力较强[20]。然而, 在本研究中降解膜覆盖处理下土壤水分年际间存在差异是由于可降解地膜的田间降解和覆盖效果不仅与研究年份的温度、光照、水分等环境因子有关, 还因其降解材料的配比、制备工艺等不同而有所差别[21]。适宜的土壤温度环境利于马铃薯生长, 过高或过低的土壤温度均易导致生长发育受阻, 尤其在生育中后期低温或高温胁迫不利于马铃薯块茎形成及膨大[2]。不同覆盖材料下其土壤导热率不同, 对土壤温度的影响亦不同[22]。王敏等[10]研究发现, 沟垄地膜全覆盖可显著增加耕层土壤温度, 而垄覆地膜沟覆秸秆与不覆盖处理相比有明显的降温作用。本研究结果表明, 垄覆地膜沟覆秸秆与平作不覆盖(对照)相比具有显著的降温效果, 是由于秸秆覆盖能阻止太阳辐射直接到达地面, 使温度变化平缓, 而地膜能使光照直接到达地面, 有吸收热量的功能[21]。胡光荣[11]研究表明, 可降解液态地膜和生物可降解地膜覆盖玉米全生育期表层土壤温度均明显提高; 刘群[23]研究表明, 生物降解膜、麻纤维膜和液态地膜覆盖在生育前期有明显的增温效果, 到后期裂解后不具有增温效果。本研究结果表明, 液态地膜覆盖在2015年马铃薯全生育期土壤温度均较对照显著降低, 而2016年与对照无显著差异, 这是由于液态地膜常温下不溶于水, 易受环境影响, 成膜性差[24]。麻纤维地膜和生物降解地膜覆盖在马铃薯生育前期和中期较对照表现为增温效果, 到后期表现为降温效果, 这主要因为麻纤维地膜覆盖下保温效果与天气状况、作物遮阴程度、土壤水分、地膜本身降解特性等因素有关[25], 而生物降解地膜可能与本身的物质组成有关[5]。
3.2 不同沟垄集雨结合覆盖模式对土壤养分的影响
沟垄种植可显著改善土壤水温条件, 进而影响有机质的分解和转化, 加速土壤养分的转移以及扩散[26], 从而有效提高0~40 cm土层养分, 有利于土壤的可持续利用[12]。李儒等[8]和刘艳红[14]研究表明, 沟垄覆盖种植可提高表层(0~20 cm)土壤有机质、全氮、速效钾、有效磷和碱解氮含量。本研究结果也表明, 与平作不覆盖相比, 沟垄集雨结合覆盖种植可提高土壤0~40 cm土层有机碳、碱解氮以及有效磷和速效钾含量。分析其原因: (1) 起垄覆膜技术可有效改善土壤物理结构, 促进土壤中有效养分的转化, 使得土壤有机碳含量增加[27]; (2) 在覆膜栽培条件下, 氮素矿化作用加强, 微生物固定作用减弱, 使得土壤中有机氮矿化速率增加, 造成矿质氮大量累积[28]。同时, 垄覆地膜沟覆生物降解地膜和液态膜处理可提高土壤耕层有机碳和速效养分, 这是由于生物降解膜覆盖后可提高地温和土壤水分, 适宜的水热条件有利于促进微生物和转化酶活性, 从而提高土壤养分含量[29]。刘高远[30]研究表明, 秸秆覆盖较传统栽培明显增加0~40 cm土层有机碳及速效养分含量。本研究还发现, 垄覆地膜沟覆秸秆模式下土壤有机碳和速效养分最高。这是由于秸秆覆盖不仅可向土壤表层提供一些营养物质, 有效增加土壤中氮、磷、钾的含量, 而且可极大改善根际表层土壤微生物生长繁殖环境, 从而有效促进土壤养分的释放和循环, 提高土壤中有机碳和速效氮、磷、钾等营养成分含量[31]。3.3 不同沟垄集雨结合覆盖模式对马铃薯产量的影响
不同沟垄覆盖模式可改善土壤水热条件, 土壤水分状况的改善和水温环境的稳定有利于促进马铃薯生长, 促进地上部生物量由向地下部块茎转移及累积, 这为马铃薯高产提供了保障[32]。陈杨等[33]研究表明, 沟垄覆膜种植可显著提高马铃薯产量。本研究结果表明, 沟垄全覆盖种植可提高马铃薯产量, 尤其以垄覆地膜沟覆地膜和垄覆地膜沟覆秸秆处理效果最显著, 且沟覆秸秆下马铃薯增产效应优于沟覆地膜处理。究其原因有三: (1) 垄覆地膜沟覆秸秆处理下土壤保水效果较好; (2) 马铃薯种于垄膜两侧, 其增温效应能有效弥补秸秆覆盖的低温效应, 从而影响块茎产量的形成[11]; (3) 普通地膜覆盖在马铃薯中后期土壤温度过高对其块茎形成和膨大产生抑制作用[34]。胡广荣等[11]研究表明, 沟覆盖生物降解地膜和液态地膜覆盖可增加玉米和高粱籽粒产量。易永健等[35]研究表明, 麻地膜覆盖可改善土壤环境条件, 提高作物产量。本研究结果表明, 垄覆地膜沟覆生物降解地膜、麻地膜和液态地膜处理均可显著增加马铃薯产量。这一方面是由于生物降解地膜能够改善土壤环境, 培肥土壤, 从而提高作物的产量; 另一方面, 可降解地膜能发挥与普通地膜作用相似的保温保湿性能, 促进作物生长发育, 加快生育进程, 提高产量[36]。徐缓[37]研究报道, 土壤水分对玉米产量的影响始终表现为直接贡献作用。侯贤清等[38]通过对土壤性状与小麦产量的通径分析发现, 土壤水分对小麦产量的影响程度大于土壤养分。本研究通过对马铃薯产量与土壤水热肥特性的通径分析发现, 不同处理下土壤贮水量对马铃薯产量的影响最大, 土壤有机碳和温度次之。陈玉章[39]研究表明, 覆盖增产的主要原因在于通过降低前期耗水比例, 增加中后期耗水比例, 显著提高单薯重, 进而提高产量, 并且与土壤水温存在明显的互作调控效应。本研究发现, 土壤水热肥条件是限制旱作马铃薯高产的主要因子, 而不同沟垄集雨结合覆盖模式在改善土壤水热环境的同时, 提高了有机碳含量(土壤肥力因素), 最终直接影响马铃薯产量, 这是由于沟垄集雨结合覆盖措施下土壤水热肥特性与马铃薯产量的内在联系[40]。然而马铃薯增产机理除与土壤水热肥特性有关, 还可能与土壤微生物及酶活性有关。因此, 今后应深入分析不同沟垄覆盖模式对土壤生物学性质的影响, 长期监测其土壤微生态环境动态变化以及环保型覆盖材料的降解特性与生态环境关系等方面的研究。
4 结论
(1) 不同沟垄集雨结合覆盖模式可显著提高0~200 cm土层贮水量, 且以垄覆地膜沟覆秸秆处理保墒效果最佳。在马铃薯生育期, 垄覆地膜沟覆地膜处理较对照(平作不覆盖)有显著增温效果, 而垄覆地膜沟覆秸秆处理降温效果显著。(2) 与试验处理前相比, 2年马铃薯收获期各处理0~40 cm层土壤有机碳、全氮、碱解氮、速效磷含量均有不同程度提高, 而土壤速效钾含量显著降低; 不同沟垄集雨结合覆盖模式下土壤养分各指标均较对照提高, 且以垄覆地膜沟覆秸秆处理增幅最为显著。(3) 不同沟垄集雨结合覆盖模式可提高马铃薯产量和商品薯率, 其中以垄覆地膜沟覆秸秆和垄覆地膜沟覆地膜处理最高, 垄覆地膜沟覆生物降解膜、垄覆地膜沟覆麻纤维地膜和垄覆地膜沟覆液态地膜处理次之, 而垄覆地膜沟不覆盖与对照无显著差异。(4) 对马铃薯产量与土壤水热肥特性进行逐步回归发现, 土壤水热肥条件是制约宁南旱区马铃薯高产的主要因子, 垄覆地膜沟覆秸秆模式可改善土壤水热肥环境, 从而显著提高马铃薯产量, 可在该区马铃薯田进一步推广应用。参考文献 原文顺序
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