普雪可, 吴春花, 勉有明, 苗芳芳, 侯贤清, 李荣^,宁夏大学农学院,银川 750021

Effects of Different Mulching Patterns on Growth of Potato and Characteristics of Soil Water and Temperature in Dry Farmland

PU XueKe, WU ChunHua, MIAN YouMing, MIAO FangFang, HOU XianQing, LI Rong^,School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021

通讯作者: 李荣，E-mail：lironge_mail@126.com

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2019-05-19接受日期:2019-10-8网络出版日期:2020-02-16

基金资助:

国家自然科学基金.31760370 国家自然科学基金.31860362 宁夏自然科学基金.2019AAC03058 宁夏青年科技人才托举工程科协发组字〔2017〕76号

Received:2019-05-19Accepted:2019-10-8Online:2020-02-16
作者简介 About authors
普雪可,E-mail：puxueke1025@163.com。








摘要
【目的】探讨不同覆盖方式对西北旱作区农田土壤水热和马铃薯生长的影响。【方法】2015—2016年连续2年设置沟垄地膜全覆盖（DD）、沟垄地膜半覆盖（DB）和沟垄二元覆盖（DJ）3种覆盖方式大田试验,以平作不覆盖为对照（CK）,研究不同覆盖方式下土壤水温变异特征及对马铃薯生长及块茎形成的影响。【结果】覆盖处理全生育期0—200 cm土层土壤含水量均高于CK,DJ处理在播后70—90 d土壤保水效果最佳。覆盖能降低0—200 cm土层土壤水分变异系数,以DJ处理的土壤水分垂直稳定性最强。与CK相比,DD处理在播后30—50 d的0—15 cm土层土壤增温效果显著,而DJ处理在全生育期0—25 cm土层土壤温度表现“降温和增温双重效应”。各覆盖处理能降低0—25 cm土层土壤温度变异系数,以DJ处理最小,其土壤温度垂直稳定性最强。覆盖能提高马铃薯出苗率和影响出苗天数,其中DD处理平均出苗天数较CK提前4.5 d,而DJ处理推迟3.5 d。马铃薯生育期生物量累积动态变化符合Logistic生长模型,以DJ处理生物量理论值和生长速率最大,快速生长持续期最长。通过主成分分析发现,除马铃薯生物量、单株薯数及亩株数等因素外,土壤水分对马铃薯生长的影响高于土壤温度,是限制马铃薯高产的重要因子。【结论】沟垄二元覆盖（DJ）能改善土壤水温状况,维持相对稳定的土壤水热环境,利于马铃薯生长和块茎产量的提高。
关键词： 沟垄覆盖;土壤水分;土壤温度;变异系数;马铃薯生物量

Abstract
【Objective】 The effects of different mulching methods on soil water, temperature and potato growth in dry farmland of northwest China were studied. 【Method】 A field experiment was conducted in 2015 and 2016 for two consecutive years, and three mulching patterns were set up: full mulching of furrows and ridges with plastic film (DD), half film mulching of ridge and furrow (DB) and dual-mulching of ridge and furrow (DJ), the conventional flat field without mulching was used as the control check (CK). 【Result】 The soil water content with mulching treatments at the 0-200 cm soil layer during the whole growth period was higher than that under CK, especially the soil water retention effect under DJ treatment after 70-90 d sowing was the best. Different mulching treatments could reduce the soil water coefficient of variation at 0-200 cm soil layer, and the DJ treatment had the strongest vertical stability of soil water. The DD treatment had significant thermal insulation effect in 0-15 cm soil layer after 30-50 d sowing, while the DJ treatment had double effects of cooling and increasing temperature at 0-25 cm layer during the whole growth period, compared with CK. All the mulching treatments could reduce the variation coefficient of soil temperature at 0-25 cm soil layer, and the variation coefficient of soil temperature under DJ treatment was the smallest, while the vertical stability of soil temperature was the best. Mulching could increase the potato emergence rate, and affect emergence days. The average emergence days under DD treatment was 4.5 d earlier than that under CK, while DJ treatment delayed 3.5 d. The cumulative dynamics of biomass during the growth period of potato were consistent with the logistic growth equation. The theoretical value and growth rate of biomass under DJ treatment were the largest, and the rapid growth duration was the longest. 【Conclusion】 Through the principal component analysis, it was found that besides some factors of potato biomass, number of potatoes per plant, and potato per hectare, the soil water had a higher effect on potato growth than soil temperature, which was an important factor limiting potato high yield. DJ could improve soil moisture status and maintain relatively stable soil. Water temperature environment was beneficial to potato growth and tuber yield.
Keywords：mulching of furrow-and-ridge;soil water;soil temperature;variation coefficient;potato biomass


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本文引用格式
普雪可, 吴春花, 勉有明, 苗芳芳, 侯贤清, 李荣. 不同覆盖方式对旱作马铃薯生长及土壤水热特征的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(4): 734-747 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.006
PU XueKe, WU ChunHua, MIAN YouMing, MIAO FangFang, HOU XianQing, LI Rong. Effects of Different Mulching Patterns on Growth of Potato and Characteristics of Soil Water and Temperature in Dry Farmland[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(4): 734-747 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.006

0 引言

【研究意义】降水不足是制约中国西北旱作区农业生产力提高的主要因素之一,尤其在西北黄土高原半干旱雨养区,多以无效或微效降水为主,几乎不能蓄存于土壤中被作物利用^[1]。马铃薯对土壤水分亏缺和温度变化状况较为敏感,特别是生育前期春寒和春旱并发,严重影响马铃薯植株出苗,同时生育中后期经常处于伏旱阶段,不利于马铃薯块茎的形成和膨大,从而导致其块茎产量低而不稳^[2]。因此,如何采取有效的集雨覆盖栽培措施来缓解马铃薯生育期干旱和高温的双重胁迫,从而提高作物产量是旱作马铃薯产业发展的重要环节^[3]。【前人研究进展】提高旱作区农业生产力的关键在于最大限度地利用无效或微效降水^[4,5],而沟垄集雨覆盖技术则是实现雨水收集利用的有效途径之一。沟垄集雨覆盖技术通过垄上覆膜,沟内覆盖不同材料来改变微地形来实现微降水在空间上的叠加^[6,7,8],将有限的降水尽量保留和集中到沟内种植区,增加土壤含水率,具有增温、保墒和集雨的作用,从而达到提高降水资源的高效利用和作物产量的目的^[9,10],已在黄土高原旱作区广泛应用于玉米^[11]、小麦^[12]、马铃薯^[13]等多种农作物。沟垄集雨覆盖技术因种植模式、覆盖措施、技术组合方式等不同,其表现类型亦不同^[14]。刘正辉^[15]根据不同覆盖方式将沟垄集雨覆盖技术分为沟垄一元半覆盖（如“膜盖垄、不盖沟”）、沟垄一元全覆盖（如“膜盖垄、膜盖沟”）和沟垄二元覆盖（如“膜盖垄、秸秆盖沟”）。沟垄一元半覆盖方式的蓄水效果可通过垄上覆膜来抑制垄下土壤水分蒸发,减少农田总蒸发面积,但雨量叠加使沟内可蒸发的水量激增,致使农田局部蒸发强度加大,因此该覆盖方式在利用自然降水、提高作物水分利用率方面受到一定的限制^[14]。而沟垄一元全覆盖是通过沟内覆盖,来弥补沟垄一元半覆盖的缺陷,进一步减少土壤无效蒸发,提高水分利用效率,而当春季气温较低时,沟垄一元全覆盖方式可有效提高作物生长前期的表土温度^[8]。但也有相关研究表明,沟垄一元全覆盖可导致夏季膜内土壤温度较高,使作物易遭受高温胁迫^[16,17],从而造成减产。随着沟垄二元覆盖技术的引入,将垄上覆膜和沟覆秸秆相结合,能有效降低沟垄一元全覆盖和一元半覆盖带来的土壤水温负效应,沟覆秸秆表现出“高温时降温、低温时增温”的效应,能缓冲不同土层土壤温度的变异性,可有效降低高温期作物根际土壤温度^[18],同时秸秆覆盖能减少无效耗水,使作物水分利用效率得到提高^[19]。【本研究切入点】以往对沟垄集雨覆盖技术的研究主要集中于单一土壤水热变化对作物生长和产量的影响方面,而在西北黄土高原雨养区不同沟垄覆盖方式下,生育期内土壤水热变异特征对马铃薯生长及块茎产量形成影响方面的研究尚鲜见报道。【拟解决的关键问题】在宁夏南部旱作区连续2年进行不同覆盖方式大田试验,研究其不同覆盖方式下土壤水热垂直变异特征对马铃薯生长和块茎产量形成的影响,以期为该区马铃薯高产栽培模式的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

于2015—2016年在宁夏彭阳县长城塬村（106°45′N, 35°79′E）进行2年大田试验。试验区处于宁夏东南部边缘,靠近六盘山东麓,平均海拔1 800 m,年际蒸发量1 050 mm,年均降水量450 mm,年均温7.5℃,无霜期为165 d,属于典型的温带半干旱大陆性季风气候,年内降水分布极为不均,年际变化较大,且主要集中在7—9月,占年总降水量的60%。试验期内月降雨量与气温分布如图1所示,2015和2016年总降雨量分别463.2 mm和369.0 mm,马铃薯生育期（5—10月）降雨量分别为331.7 mm和248.4 mm。试验地土壤类型为黄绵土,耕层（0—40 cm）土壤理化性质分别为土壤容重1.45 g·cm^-3,有机质11.8 g·kg^-1,速效氮58.3 mg·kg^-1,速效磷7.5 mg·kg^-1,速效钾99.1 mg·kg^-1,土壤偏碱性（pH 8.4）,土壤肥力属低等水平。

图1

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图1马铃薯生育期降水和气温月分布

Fig. 1Monthly distribution of precipitation and air temperature during the potato growing season

1.2 试验设计

本试验设置3种覆盖方式,沟垄一元全覆盖（沟垄地膜全覆盖,DD）、沟垄一元半覆盖（垄覆地膜沟不覆盖,DB）、沟垄二元覆盖（垄覆地膜沟覆秸秆,DJ）,以传统平作不覆盖为对照（CK）,共4个处理;采用随机区组设计,3次重复,小区面积36 m²（9 m×4 m）。

在马铃薯播种前30 d,完成试验地沟垄的修筑。沟宽60 cm,垄宽40 cm,垄高20 cm,马铃薯种于沟内两侧。各处理统一施肥水平为农家肥（牛粪）30 t·hm^-2、纯N 188.96 kg·hm^-2、P₂O₅ 89.7 kg·hm^-2、K₂O 90 kg·hm^-2,施于种植沟中,与土壤充分混合后覆盖。分别于2015年5月2日播种,10月1日收获;2016年5月12日播种,10月5日收获。

覆盖材料为地膜为聚乙烯白色薄膜（0.8 m宽,0.008 mm厚）;玉米秸秆切成15 cm,以9 000 kg·hm^-2的覆盖量进行覆盖;供试马铃薯品种为中晚熟品种陇薯3号,宽窄行种植（60 cm：40 cm）,株距40 cm,种植密度49 995株/hm²,试验期内无灌水,定期进行人工除草。

1.3 测定指标与方法

试验期间气象数据（月气温、降雨量等）由试验基地气象站获取。

1.3.1 土壤水分 在马铃薯播种后30 d开始,每间隔 20 d,即马铃薯苗期（30 DAS）、现蕾期（50 DAS）、块茎形成期（70 DAS）、块茎膨大期（90 DAS）和成熟期（110 DAS）,利用土钻取土,烘干法测定0— 200 cm土层土壤质量含水量,每20 cm土层测定1次。

1.3.2 土壤温度 在种植株间放置曲管地温计,从播种后30 d,每隔20 d测定08：00—20：00土壤5、10、15、20和25 cm土层处的温度,每2 h记录1次读数;在各生育时期连续监测2 d（晴天）并取其均值为代表值。不同土层深度与对应土层温度变化符合指数函数形式,将其拟合成指数函数形式^[20]。

（1）$Y=ae^{-bx}$
式中,a、b为常数。

1.3.3 马铃薯出苗时期及出苗率 在马铃薯苗期,记录各处理区出苗天数（出苗天数为出苗率达到80%所需要的天数）。同时统计最终出苗率,并计算其公顷株数（出苗率×公顷种植密度）。

1.3.4 马铃薯地上部及块茎生物量 分别于马铃薯播种后30、50、70、90、110 d,各处理取代表性植株5株,测定单株薯数及单薯重,并按地上部和块茎鲜样分别在105℃下杀青30 min,75℃下烘干至恒重。分别利用Logistic生长模型^[21],以时间为变量,对相关参数进行拟合,计算快速生长期相关特征值,方程式为：

（2）$Y=\frac{Km}{1+ae^{-bt}}$
式中,Y为马铃薯某一时期生物量观测值,t·hm^-2;K_m 为马铃薯生物量的理论最大值,t·hm^-2;t为播种后天数,d;a、b为方程特定拟合参数。

将Logistic方程分别进行一阶和二阶求导,得到马铃薯生物量快速生长期盛期起始时间T₁,d;快速生长盛期终止时间T₂,d;最大累积速率V_max,t·hm^-2·d^-1

（3）$T_{1}=\frac{1}{b}\times ln\frac{a}{2+\sqrt{3}}$
（4）$T_{2}=\frac{1}{b}\times ln\frac{a}{2-\sqrt{3}}$
（5）$V_{max}=\frac{Km\times b}{4}$

1.4 数据统计分析

利用SPSS 21.0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;利用非线性回归分析进行生长拟合,曲线估算对各土层温度进行拟合;利用主成分分析对相应指标进行综合评价;Origin9.1绘制图表。

2 结果

2.1 不同覆盖方式对土壤水分的影响

2.1.1 0—200 cm土层土壤含水量垂直变化特征 生育期0—200 cm土层土壤含水量垂直变化受不同覆盖方式和阶段降水量的影响较大,尤其在降雨年份较少的2016年。不同覆盖方式能显著提高土壤的保墒能力,DJ处理土壤水分变化在0—180 cm土层保持相对稳定,而DB处理与CK无显著差异（图2）。

图2

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图2不同处理下马铃薯生育期0—200 cm层土壤含水量垂直变化

图中误差棒表示P=0.05水平上的最小显著性差异（LSD） The error bars represent the least significant differences (LSD) at P= 0.05
Fig. 2Vertical change of soil water content at 0-200 cm soil layers during the potato growing period under different treatments



生育前期（30—50 DAS）,0—40 cm土层土壤含水量高于其他各土层,DJ和DD处理较DB处理和CK表现出良好的保墒效果。与CK相比,DJ、DD处理在2015年分别显著增加10.8%和7.5%,2016年分别显著增加15.3%和8.7%,而DB处理与CK差异不显著。

生育中期（70—90 DAS）为作物生长临界期,0—200 cm土层土壤含水量均受到不同覆盖模式的强烈影响,各处理间差异较大。2015年各土层含水量均随土层加深呈先增加后下降再增加的趋势,且在140—180 cm土层土壤含水量最高。DJ与DD处理0—200 cm土层土壤含水量均显著高于DB处理与CK,与CK相比,块茎形成期（70 DAS）平均含水量分别显著增加17.6%和11.8%,块茎膨大期（90 DAS）分别显著增加12.7%和7.8%。2016年各处理0—200 cm各层土壤含水量均呈下降趋势,其中DJ、DD处理均高于CK,2年块茎形成期分别增加25.8%和11.9%,块茎膨大期分别显著增加34.1%和16.9%。

生育后期（110 DAS）,2015年各处理0—200 cm土层土壤含水量均先降低后有所增加,但差异性减小,2016年各处理不同土层土壤含水量均变化不大,在11%—14%之间。2年各处理0—200 cm土层平均土壤含水量表现为DJ>DD>DB>CK,DJ处理均高于DD、DB处理和CK。

2.1.2 土壤水分变异特征 覆盖能有效减弱土壤水分变异性,且随土层加深土壤水分空间变异愈趋于稳定（图3）。2015和2016年各覆盖模式土壤水分变异系数在空间剖面上表现为中层（40—120 cm）>上层（0—40 cm）>下层（120—200 cm）,以中上层（0—120 cm）波动性最大;不同覆盖处理土壤水分变异系数均小于CK,2年CK、DB、DD、DJ处理0—200 cm土层平均土壤水分变异系数分别为18.1%、17.0%、15.7%和14.1%,DJ与DD处理土壤水分稳定性高于DB处理与CK,其中以DJ处理表现最佳。

图3

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图3各处理0—200 cm层土壤水分变异系数

Fig. 3Soil water coefficient of variation at 0-200 cm layers under different treatments

2.2 不同覆盖方式对土壤温度的影响

2.2.1 不同生育期土壤温度变化特征 由图4可知,不同覆盖方式能显著提高耕层（0—25 cm）平均土壤温度,DD处理在生育前期（30—50 DAS）保温效果较好,而DJ处理在马铃薯生育期降温效应显著。各处理耕层土壤温度随土层的加深而逐渐降低,5—10 cm土层,2015年以DD处理保温效果最佳,DB处理次之,DJ处理较CK降温效应最显著,DD和DB处理分别较CK增温2.2℃和1.8℃,而DJ处理显著降温1.1℃;2016年温度表现为DD>DB>CK>DJ,DD处理保温效果最佳,DJ处理降温效应显著;15—25 cm土层,2年均以DD处理保温效果最佳,DJ处理表现出良好的降温效应。

图4

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图4不同处理马铃薯生育期0—25 cm土层土壤温度动态变化

Fig. 4Dynamic change of soil temperature at the 0-25 cm soil layer under different treatments during the potato growth period



随生育期的推进,各覆盖处理下土壤温度差异性逐渐减小,且波动性主要集中于生育前期（30—50 DAS）,这与降雨、气温因素和覆盖模式有关。生育前期（30—50 DAS）,2015年处理间土壤温度差异性主要集中在苗期（50 DAS）,其中DD处理保温效果最好,与CK相比,DD处理显著增温2.7℃,DJ处理显著降温2.6℃;2016年处理间土温差异性最大时期在蕾期（70 DAS）,这与2015年有所不同,主要是由于年际间气温差异所致;与CK相比,DD处理显著增温1.6℃,DJ处理降温1.2℃。生育中后期（70—110 DAS）,处理间差异减小,其中DD处理保温效应减弱,DJ处理降温效果显著,而DB处理与CK无显著差异。各处理生育期0—25 cm土层平均土壤温度中,DD处理较CK显著增温1.1℃,而DJ处理显著降温1.2℃。

2.2.2 0—25 cm土层土壤温度变化特征 不同覆盖方式下马铃薯生育期各层土壤温度变化特征如表1所示,2年马铃薯生育期5 cm土层土壤温度波动最大,其中DD处理较CK平均增温1.3℃,而DJ处理降温1.4℃。与CK相比,DD处理在5—15 cm土层表现出良好的保温效果,而DJ处理在0—20 cm土层现出显著的“降温效应”,但在25 cm土层表现出一定的增温效应,但不显著。

Table 1
表1
表1不同处理土壤温度拟合特征和变异系数
Table 1Fitting characteristic and coefficient of variation in the soil temperatures under different treatments

年份 Year	处理 Treatment	马铃薯生育期不同土层平均土壤温度 Average soil temperature in different soil layers of potato growing period (°C)					拟合公式 Fitting formula	判定系数 Determination coefficient (R2)	变异系数 Variation coefficient (%)
		5 cm	10 cm	15 cm	20 cm	25 cm
2015	DD	20.45a	19.91a	18.91a	17.42a	17.50a	Y=21.48e-0.009x	0.93	6.52
	DJ	17.34b	16.42b	15.70c	15.38b	15.56b	Y=17.49e-0.006x	0.82	4.50
	DB	19.89a	17.87ab	16.82bc	17.50a	15.77ab	Y=20.27e-0.01x	0.81	7.77
	CK	19.21ab	17.70ab	17.62ab	18.64a	14.55b	Y=20.32e-0.01x	0.54	9.19
2016	DD	22.61a	21.94a	20.78a	20.73a	20.21a	Y=23.11e-0.006x	0.90	4.15
	DJ	20.34b	19.86b	19.41a	19.30a	19.32a	Y=20.43e-0.003x	0.85	2.06
	DB	21.25ab	20.95a	19.57a	19.68a	18.56ab	Y=22.08e-0.007x	0.915	4.90
	CK	21.20ab	20.98a	19.42a	20.90a	16.83b	Y=22.77e-0.009x	0.57	8.29

表中不同字母代表每个生长季节内处理间的显著差异（P<0.05）
Different letters within a column indicate significant differences among treatments within each season at P<0.05

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通过分析不同覆盖方式下马铃薯生育期不同土层土壤温度的空间变异特征,进而明确不同覆盖方式对土壤温度稳定性的影响（表1）。各处理随土层的加深土壤温度逐渐降低,处理间差异变小,其判定系数均高于CK,而变异系数均低于CK。可见,沟垄覆盖能够抑制各层土壤温度的波动,使其稳定性加强,且随土层的加深,不同土层温度呈现指数变化规律。判定系数是对土壤深度和温度拟合优度的度量,可用来解释土层深度变化与温度之间的拟合程度。通过对各处理马铃薯整个生育期不同土层土壤温度进行指数函数拟合发现,DD、DJ和DB处理表现出较高的判定系数（R²=0.92、0.83、0.86）,而CK的判定系数则表现较小（R²=0.55）,这表明不同沟垄覆盖下不同土层与温度拟合度较强,变异性较小,而平作模式下不同土层与温度拟合度不强,表现出较大的变异性,这是由于平作不覆盖加速了地表辐射热量吸收交换,其土壤保温性能的稳定性均低于各覆盖处理。

2.3 不同覆盖方式下对马铃薯生长的影响

2.3.1 出苗率和出苗天数 由图5可知,不同沟垄覆盖方式均能提高马铃薯出苗率,2年各处理作物出苗率大小次序均表现为DJ>DD>DB>CK。2015和2016年DD处理出苗率分别较CK显著提高13.4%和16.9%,DJ处理分别显著提高24.1%和25.6%;DB处理2015年出苗率与CK无显著差异,2016年显著提高8.9%。不同覆盖方式下马铃薯出苗天数存在明显不同,DD处理2015年和2016年出苗天数较CK分别提前3 d和5 d,而DJ处理分别推迟4 d和3 d,DB与CK处理出苗天数相同。

图5

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图5不同处理对马铃薯出苗率和出苗天数的影响

不同字母代表每个生长季节内处理间的显著差异（P<0.05）
Fig. 5Effects of different treatments on seedling rate and seedling days of potato

Different letters indicate significant differences among treatments within each season at P<0.05


2.3.2 地上生物量累积动态 以时间为变量,利用Logistic生长模型对不同处理下马铃薯地上部生物量进行拟合,不同覆盖方式在一定程度上延长马铃薯植株的快速生长期,提高其生长速率（表2）。通过快速生长期相关特征值发现,该生长模型拟合度良好（R²>0.9,P<0.01）。2015年马铃薯地上部生物量累积快速生长期起始于54—57 DAS,快速生长持续期为37—46 DAS,快速生长时间点为72—80 DAS,最大生长速率为0.15—0.21 t·hm^-2·d^-1,其中DJ和DD处理最大生长速率较CK分别显著提高40%和26.7%,最大生长率的持续期分别延长8 d和6 d。2016年马铃薯地上部生物量快速生长期起始于43—53 DAS,快速生长时期持续时间为40—45 DAS,快速生长时间点为63—75 DAS,快速生长期内的最大生长速率在0.11—0.21 t·hm^-2·d^-1,DJ和DD处理最大生长速率分别较CK显著提高90.9%和81%,最大生长率持续期分别延长12 d和5 d。2年马铃薯生育期DJ和DD处理快速生长特征值均高于DB处理和CK,其中DJ处理最大生长速率最高、快速生长持续期最长,而DB处理与CK无显著差异。

Table 2
表2
表2不同处理下马铃薯地上部生物量动态累积模型参数特征值
Table 2Parameter eigenvalues of biomass accumulation model of potato above-ground biomass under different treatments

年份 Year	处理 Treatment	拟合参数 Regression parameter			R2	快速生长期特征值 Characteristic Value of Rapid Growth period
		Km ( t·hm-2)	a	b		T1 (d)	T2 (d)	T0(d)	ΔT(d)	Vmax ( t·hm-2·d-1)
2015	DD	13.2	103.1	0.059	0.991**	56.3	100.9	44.6	78.6	0.19
	DJ	15.0	96.3	0.057	0.976**	57.0	103.2	46.21	80.1	0.21
	DB	9.3	158.7	0.069	0.987**	54.3	92.5	38.2	73.4	0.16
	CK	8.5	181.9	0.072	0.97*0*	54.0	90.6	36.6	72.3	0.15
2016	DD	13.0	64.8	0.061	0.987**	46.8	90.0	43.14	68.4	0.20
	DJ	14.3	85.1	0.059	0.993**	53.0	97.6	44.6	75.3	0.21
	DB	7.3	69.8	0.064	0.971**	45.8	86.9	41.1	66.3	0.12
	CK	6.5	64.5	0.066	0.964**	43.2	83.1	39.9	63.1	0.11

K_m为地上生物量的理论最大值;a、b 为特定拟合参数;T₁为快速生长起始期;T₂为快速生长结束期;T₀为快速生长持续期;ΔT 为最快生长点时间;V_max为快速生长期最大累积速率。^**表示在P<0.01水平差异显著。下同
K_m is the theoretical maximum of aboveground biomass; a and b are regression parameters; T₁ is the beginning period of rapid growth; T₂ is the end stage of rapid growth; T₀ is the duration of rapid growth; ΔT is the fastest growing point time; V_max is maximum accumulation rate during fastest growing point. ^** indicates significant difference at P<0.01. The same as below

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2.3.3 块茎生物量累积动态 不同覆盖方式能延长块茎快速生长时间,同时也提高其生长速率（表3）。通过Logistic生长模型模拟可知,理论值与实测值拟合度良好（R²>0.9,P<0.01）。2015年马铃薯块茎生物量累积快速生长期起始于65—75 DAS,快速生长持续期为45—49 DAS,快速生长时间点为87— 99 DAS,最大生长速率为0.13—0.18 t·hm^-2·d^-1,其中DJ和DD处理最大生长速率较CK分别显著提高38.5%和30.8%,最大生长率的持续期分别延长12.1 d 和6.8 d。2016年马铃薯块茎生物量累积快速生长期起始于51—61 DAS,快速生长持续期为62—72 DAS,快速生长时间点为85—98 DAS,快速生长期内的最大生长速率在0.12—0.17 t·hm^-2·d^-1,DJ和DD处理最大生长速率分别较CK显著提高41.7%和33.3%,最大生长率持续期较CK分别延长12.5 d和9.6 d。2年生育期DJ和DD处理马铃薯块茎最大生长速率和快速生长持续期均显著高于DB处理和CK。2年马铃薯地下块茎与地上部生物量累积规律相似,但也存在一定区别,其中马铃薯块茎生物量积累最大速率出现的时间（ΔT）较地上部生物量累积延迟15—23 d,块茎生物量快速积累期的初始期T₁和末期T₂晚于地上部生物量8—22 d和15—23 d,块茎生物量积累的V_max小于地上部生物量累积。

Table 3
表3
表3不同处理下马铃薯块茎动态累积模型参数特征值
Table 3Parameter eigenvalues of potato tuber dynamic accumulation model under different treatments

年份 Year	处理 Treatment	拟合参数 Regression parameter			R2	快速生长期特征值 Characteristic value of rapid growth period
		Km ( t·hm-2)	a	b		T1 (d)	T2 (d)	T0 (d)	ΔT (d)	Vmax ( t·hm-2·d-1)
2015	DD	12.09	181.68	0.055	0.986**	70.64	118.53	47.89	94.6	0.17
	DJ	13.47	199.62	0.053	0.979**	75.08	124.78	49.70	99.9	0.18
	DB	10.06	186.31	0.056	0.982**	69.83	116.87	47.04	93.4	0.14
	CK	9.26	162.30	0.058	0.965**	65.04	110.46	45.42	87.8	0.13
2016	DD	11.51	186.45	0.055	0.949**	71.11	119.01	47.89	95.1	0.16
	DJ	13.40	163.51	0.052	0.963**	72.69	123.35	50.66	98.0	0.17
	DB	10.22	163.07	0.056	0.972**	67.45	114.49	47.04	91.0	0.14
	CK	8.09	142.31	0.058	0.983**	62.78	108.19	45.42	85.5	0.12

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2.4 马铃薯生长及块茎形成对土壤水温环境的响应

将土壤水分、土壤温度、出苗率、地上生物量、公顷株数、单株薯数、单薯重、地下块茎生物量等因素指标通过主成分分析法^[22],提炼出较少且彼此独立的新变量,并且将其组合成相互独立的少量几个能反映马铃薯块茎产量形成贡献的重要因子,最后通过综合得分值来筛选出适应当地的马铃薯栽培模式（表4）。根据特征值选取得到X1、X2 2个主成分,X1第一主成分贡献率为86.93%,X2第二主成分贡献率为11.06%,第一、二主成分累计贡献率为97.99%;可见,X1、X2 2个主成分在很大程度上能代表土壤及作物生长各项指标对马铃薯块茎产量形成的影响。

Table 4
表4
表4主成分特征值及贡献率
Table 4Principal component eigenvalue and contribution rate

成分 Component	特征值 Standard deviation	方差百分比 Variance percentage (%)	累积贡献率 Cumulative contribution (%)
X1	6.96	86.93	86.94
X2	0.89	11.06	97.99
X3	0.16	2.01	100.00

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由因子载荷分布图可知（图6）,第一主成分中的公顷株数、单薯重、水分、出苗率、地上生物量和地下块茎生物量均为正值,对马铃薯产量均存在正效应,促进块茎产量的形成;而土壤温度和单株薯数在第二主成分上表现出较高的载荷值;由不同覆盖模式的主成分综合得分可知,不同覆盖方式均优于平作模式,各覆盖处理对块茎产量形成的影响表现为DJ>DD>DB>CK,以DJ处理表现最佳。

图6

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图6PC1和PC2相关因子载荷分布和主成分得分

Fig. 6PC1 and PC2 related factor load distribution and principal component score

3 讨论

3.1 沟垄覆盖方式对土壤水温环境的影响

在黄土高原半干旱区,不同覆盖方式对土壤水分的影响因土壤类型、气候条件和覆盖材料的不同而存在差异^[9]。李荣等^[14]研究发现,垄覆地膜沟覆秸秆处理显著提高玉米生长前期水分,LIANG等^[23]研究报道,沟垄地膜覆盖有效提高马铃薯生育期内耕层土壤水分。本研究结果表明,各覆盖模式0—200 cm土层土壤含水量在全生育期均高于对照,尤其秸秆覆盖在生育关键期（70—90 DAS）保水效果显著^[24]。这是由于秸秆覆盖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^[25,26,27]。覆盖措施可增加土壤剖面水分分布的稳定性^[28],降低土层水分空间变异性^[29]。张杰等^[29]研究报道,土壤水分变异系数受不同覆盖集雨方式的影响,随土层深度的增加而呈波动性变化。本研究结果也表明,不同覆盖方式下中上层土壤水分变异系数（0—120 cm）最大,而下层（120—200 cm）变化相对稳定,各处理间土壤水分整体变异性表现为CK>DD>DJ,这是由于根系从深层提水^[30],水分的渗漏以及作物非生理蒸发,使不同覆盖方式下土壤水分变化相对较大,导致中上层水分变异性增强。然而沟垄覆盖方式能有效收集降雨,对不同土层水分进行补充^[8],且能起到保墒效果^[24],降低其非生理水分散失,使土壤水分的垂直变化减弱,水分变异性较小^{[8, 28]}。

不同覆盖方式对土壤温度的影响效果不同^[31]。相关研究表明,全地膜覆盖可有效提高生育前期耕层温度^[2],垄覆地膜沟覆秸秆在生育期内具有显著降温效应^[14]。本研究发现,在马铃薯生长前期,DD处理较CK增温效果显著,而DJ处理在整个生育期降温效果显著,但DB处理与CK差异不显著,这是由于生育前期植株较小,地膜覆盖接受光辐射表面积较大增温显著^[32];然而秸秆覆盖可遮挡太阳直射,有较高的反射率和较低的热传导性^[33],其降温效果显著。相关研究表明,覆盖措施可降低土壤温度变幅,对温度具有平抑效应^[34],本研究表明不同覆盖方式下各土层温度的判定系数均高于对照,而变异系数均低于对照,不同覆盖方式下,DJ和DD处理与CK相比能明显减缓0—25 cm层土壤温度的变异。分析其原因：（1）DJ处理下秸秆覆盖本身的热传导较慢,能改善土壤通透性和水分状况,这起到一定的调温效应^[24],同时覆盖可抑制热量向大气散失^[35,36],平抑土壤温度的剧烈变化,从而减小耕层土壤温度的变异性。（2）DD处理下地膜覆盖各层中热量由地表向下层传递具有滞后效应,能延迟土壤温度的下降^[37],膜内下层土壤温度变化减小,使其各土层温度表现出增温效应,同时覆盖降低了土层温差,减小其温度变异性,维持各土层温度的稳定^[25]。

3.2 沟垄覆盖水温效应对马铃薯生长的影响

不同沟垄覆盖方式可调控土壤温度和降低土壤水分蒸发,改善土壤的水热条件^[34],从而促进作物的生长^{[2, 9, 14]}。ZHAO等^[2]研究表明,沟垄地膜全覆盖出苗率提高9.3%—14.4%,出苗提前8.1—11.7 d;赵天武等^[38]研究认为,垄覆地膜沟覆秸秆处理显著提高出苗率。本研究结果表明,不同沟垄覆盖处理下马铃薯出苗率均高于对照,DD处理出苗期较CK显著提前,而DJ处理出苗期较CK显著推迟,DB处理与CK无显著差异。DJ处理的“低温效应”虽推迟马铃薯的出苗时期,但出苗率却高于其他处理。一方面由于DJ处理下马铃薯苗期土壤温度（7.9—14.5℃）在所需温度（5—25℃）范围内^[39],此时土壤温度并未成为影响其出苗的主要限制因素;另一方面,DJ处理较好的保水效应能弥补其低温对作物出苗期推迟的影响^[23]。DD处理由于前期增温效果显著,有利于缩短出苗天数^[2],但DD保墒性能低于沟内秸秆覆盖 ^[14],出苗率表现低于DJ处理。

马铃薯对水分和温度较为敏感^[40,41],适宜的土壤水温环境利于马铃薯营养生长和块茎产量形成,过高或过低的土壤温度和土壤水分均易导致生长发育受阻^[42],尤其在生育中后期低温环境利于马铃薯块茎形成及膨大^[43]。这与银敏华等^[44]、冯浩等^[45]研究不同覆盖措施可改善土壤的水温环境,提高作物植株的干物质累积量相似。本研究结果也发现,不同覆盖方式可提高土壤水分和保持相对稳定的土壤温度,降低其变异系数,从而促进马铃薯地上部和地下生物量的积累。这是由于沟垄覆盖方式能提高作物各生育期内土壤含水量,不至于在生长期内水分过度亏缺导致土壤水分波动较大^[46],降低其变异性^[28],而适宜的水分则会延长了作物生长时期,提高地上部光合效率^[46],增加其干物质累积,进而提高马铃薯单薯重^[2]。本研究还发现,DJ处理土壤温度虽低于CK,但马铃薯地上部生物量却高于其他处理,一方面由于DJ处理的保水性较好;另一方面马铃薯种于垄膜两侧,垄膜的增温效应能有效弥补秸秆覆盖下的低温效应,从而影响作物生长^[47]。同时沟内覆盖秸秆能保持相对稳定的土壤温度,降低土壤温度变异性^[45],表现出显著的降温效应有利于马铃薯块茎干物质的形成和积累^[48,49]。然而DD处理虽能调节土壤水温环境,但生长后期膜内土壤温度过高则易降低营养生长光合酶活性,破坏叶绿体结构并引起气孔关闭,影响作物光合作用,使地上部营养向块茎中转移受阻,导致块茎生物量下降^[43]。

LIANG等^[23]研究结果表明,不同覆盖方式下土壤水分对作物产量的提高占主导因素。本研究通过主成分分析也发现,除马铃薯生物量和产量构成因素（单株薯数、公顷株数）外,土壤水分对马铃薯生长的影响高于土壤温度,是限制马铃薯高产的重要因子,这是由于不同覆盖方式能提高马铃薯出苗率,从而增加,土壤水分状况的改善和水温环境的稳定有利于提高马铃薯地上生物量,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^[2,23]。

2018年正式实施农用地膜国家标准规定,地膜厚度不低于0.01 mm,而本研究于2015—2016年试验期内采用地膜厚度为0.008 mm,地膜厚度变化对土壤水热特征产生一定影响进而作用于作物生长,有待于后期进一步研究。另外,不同覆盖方式对旱作农田土壤水温环境的影响较为复杂,不仅受研究区域气候环境、土壤质地的影响,还与作物冠层和田间管理措施紧密相关^[45]。本研究仅针对不同覆盖方式生育期各土层土壤水温变化及空间变异对作物生长的影响特征进行分析,然而不同覆盖方式在影响土壤水热条件和马铃薯生长发育的同时,也会对土壤微生物、酶活性、碳氮循环等产生重要影响。因此,今后应侧重不同覆盖方式对土壤微生态环境影响做进一步深入研究,明确其与马铃薯生长的响应机制。

4 结论

（1）不同覆盖方式在各生育期均显著提高土壤含水量,在生育关键期（70—90 DAS）,DJ处理（垄覆地膜+沟覆秸秆）土壤保水效果最佳,尤其增强深层（140-180 cm）土壤水分的保蓄能力。DJ处理各层土壤水分变异系数最小,稳定性较强。

（2）不同覆盖方式下生育期内DD处理（垄覆地膜+沟覆地膜）生育前期（播后30—50 d）保温效果最佳,而DJ处理整个生育期降温效应显著;DJ处理对0—25 cm土层土壤具有增温和降温的双重效应,且各土层温度变异系数最小,稳定性较强。

（3）不同覆盖方式均能提高马铃薯出苗率,DD处理出苗天数平均较CK（平作不覆盖）提前4.5 d,而DJ处理推迟3.5 d,延长了马铃薯快速生长期,显著提高其生物量累积速率,其中DJ处理表现最为显著。

（4）通过主成分分析发现,除马铃薯生物量和产量构成因素（单株薯数、公顷株数）外,土壤水分对马铃薯生长的影响高于土壤温度,是限制马铃薯高产的重要因子,DJ处理能显著改善生育期土壤水分状况,维持稳定的土壤水温环境,促进马铃薯的生长和块茎产量的提高。

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