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

Effects of Tillage with Mulching on Soil Aggregate Structure and Water Use Efficiency of Potato in Dry-Farming Area of Southern Ningxia

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

通讯作者: 侯贤清,E-mail：houxianqing1981@126.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-07-30接受日期:2020-09-19网络出版日期:2021-06-01

基金资助:

国家自然科学基金.31301280

Received:2020-07-30Accepted:2020-09-19Online:2021-06-01
作者简介 About authors
苗芳芳,E-mail：18795298737@163.com。








摘要
【目的】探讨耕作覆盖对旱作土壤团粒结构、马铃薯产量和水分利用效率的影响。【方法】于2013—2016年进行连续3个作物生长季定位试验,通过设置3种耕作方式（深松、免耕、翻耕）和3种覆盖措施（秸秆覆盖、地膜覆盖和不覆盖）,研究耕作结合覆盖对土壤团聚体数量、土壤蓄水量及马铃薯产量和水分利用效率的影响。【结果】耕作方式、覆盖措施及二者交互作用可显著增加0—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量,深松覆盖秸秆处理0—20 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年（2016）和相对欠水年（2014）分别较翻耕不覆盖显著提高14.2%、16.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年（2015）较翻耕不覆盖显著提高8.5%;20—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体含量在欠水年以深松覆盖秸秆、相对欠水年深松覆盖地膜和平水年免耕覆盖秸秆处理最高,分别较翻耕不覆盖显著提高18.2%、21.5%、18.7%。耕作方式、覆盖措施及二者交互作用对0—200 cm土层蓄水量影响显著,深松覆盖秸秆处理休闲期土壤蓄水量分别在相对欠水年、欠水年和平水年较翻耕不覆盖处理显著提高29.6%、9.3%、11.4%;其关键生育时期平均土壤蓄水量分别在欠水年和相对欠水年较翻耕不覆盖显著增加21.9%、28.9%,而免耕覆盖秸秆处理在平水年较翻耕不覆盖处理显著增加17.1%。在相对欠水年,耕作方式对马铃薯产量和水分利用效率无显著影响,而覆盖措施及耕作与覆盖交互作用对其有显著影响,以免耕覆盖秸秆处理最佳,分别较翻耕不覆盖处理显著提高51.8%和50.5%;在平水年和欠水年,耕作方式、覆盖措施及其二者交互对马铃薯产量和水分利用效率有极显著影响,产量、水分利用效率均以深松覆盖秸秆处理效果最佳,平均较翻耕不覆盖处理显著提高56.9%和44.8%。【结论】耕作结合覆盖措施可改善耕层土壤团粒结构,显著增强休闲期和生育期土壤蓄水保墒能力,从而显著提高马铃薯产量和水分利用效率,在平水年和欠水年采用深松结合秸秆覆盖、相对欠水年采用免耕结合秸秆覆盖模式可实现宁南旱作马铃薯增产。
关键词： 耕作覆盖;土壤团聚体;土壤水分;马铃薯产量;水分利用效率

Abstract
【Objective】The purpose of this study was to investigate the effects of tillage with mulching on soil aggregate structure and water use efficiency of potato in southern Ningxia where is a typical semiarid rain-fed area. 【Method】A four years term field experiment of three growing season was carried out from 2013 to 2016, and three tillage methods (subsoiling, no tillage and ploughing) with three mulching measures (straw mulching, film mulching and no mulching) were set up to study the effects of different tillage methods combined with mulching measures on soil aggregate quantity, soil water storage capacity, potato yield and water use efficiency. 【Result】 Tillage methods, mulching measures and their interaction could significantly increase the >0.25 mm aggregate size fraction in 0-40 cm layer. In 0-20 cm layer, compared with ploughing tillage without mulching treatment, subsoiling with straw mulching treatment significantly increased the >0.25 mm aggregate size fraction by 14.2% and 16.9% in dry year (2016) and deficit year (2014), respectively, while no tillage with straw mulching treatment was significantly increased by 8.5% in the normal year (2015). In 20-40 cm soil layer, subsoiling with straw mulch in dry year, subsoiling with film mulch in deficit year, and no tillage with straw mulch in normal year had the best effects in the >0.25 mm aggregate size fraction, which were significantly increased by 18.2%, 21.5% and 18.7%, respectively, compared with ploughing tillage without mulching. The tillage methods, mulching measures, and their interactions had significant effects on the soil water storage (0-200 cm). Compared with ploughing without mulching treatment, subsoiling with straw mulching treatment significantly increased the mean soil water storage in fallow period by 29.6%, 9.3%, and 11.4%, respectively. Compared with ploughing tillage without mulching, subsoiling with straw mulching treatment in dry year and deficit year significantly increased the mean soil water storage in key growth period by 21.9% and 28.3%, respectively, while no tillage with straw mulching treatment in normal year significantly increased the mean soil water storage in key growth period by 17.1%. In deficit year, the mulching methods and the interaction of tillage with mulching had significant effects on the yield and water use efficiency of potato, while no significances were found among the tillage methods. Compared with the ploughing without mulching, no tillage with straw mulch significantly increased the potato yield and water use efficiency by 51.8% and 50.5%, respectively. In normal year and dry year, the tillage methods, mulching measures and their interactions had highly significant effects on the potato yield and water use efficiency, and treatment of subsoiling with straw mulch had the best effect. The yield and water use efficiency of subsoiling with straw mulching treatment was 56.19% and 44.84% higher than that of ploughing tillage without mulching, respectively. 【Conclusion】Tillage combined with mulching could improve soil aggregate structure, significantly enhance soil water storage and moisture conservation capacity in fallow and growth periods, and significantly improve potato yield and water use efficiency. Subsoiling combined with straw mulch in normal and dry years, and no tillage combined with straw mulch in deficit years could achieve continuous yield increase of potato in southern Ningxia.
Keywords：tillage with mulching;soil aggregate;soil water;potato yield;water use efficiency


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苗芳芳, 勉有明, 普雪可, 吴春花, 周永瑾, 侯贤清. 耕作覆盖对宁南旱区土壤团粒结构及马铃薯水分利用效率的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(11): 2366-2376 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.010
MIAO FangFang, MIAN YouMing, PU XueKe, WU ChunHua, ZHOU YongJin, HOU XianQing. Effects of Tillage with Mulching on Soil Aggregate Structure and Water Use Efficiency of Potato in Dry-Farming Area of Southern Ningxia[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(11): 2366-2376 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.11.010


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0 引言

【研究意义】宁夏南部旱作区（简称“宁南旱区”）,气候冷凉,昼夜温差大,是马铃薯主要栽培区域。然而降水不足、时空分布不均,是限制旱作马铃薯生长的主要因素。马铃薯种植大多采用传统翻耕,严重破坏土壤团粒结构,造成地表径流和水土流失,致使产量大大降低^[1,2]。合理的保护性耕作措施对改善土壤结构,充分利用有限的天然降水和提高作物产量具有重要作用^[3,4,5,6]。因此,针对宁南旱区的气候特征和马铃薯种植现状,采用合理的耕作覆盖措施,改善土壤结构,增加土壤蓄水保墒性能,提高马铃薯产量尤为重要。【前人研究进展】宁南旱区马铃薯产量与土壤水分含量关系密切,而土壤保水能力是影响其含水量的关键因素之一,但单一耕作方式使土壤蓄保能力不佳^[2,7]。相关研究表明,深松可促进土壤水分入渗,同时长期免耕条件下土壤受到耕作扰动较小,这两种耕作措施均有利于土壤水分的高效利用,从而能显著提高作物产量^[8,9]。农田土壤水分环境可通过覆盖措施来改善,而秸秆和地膜覆盖对土壤水分均能起到保墒的效果,对作物生长和增产作用显著,使旱区降水利用率有所提高^[10,11]。保护性耕作结合覆盖对改善土壤结构,增强土壤水分的蓄保能力,促进作物生长和产量的形成均有显著效果^[12,13]。HOU等^[14]研究发现,与传统耕作方式相比,深松、免耕覆盖措施下土壤含水量提高6.5%—7.8%,使马铃薯增产效果显著。李念念等^[15]等研究结果表明,不同耕作覆盖措施可改善土壤环境,有利于产量的形成及水分利用效率的提高。【本研究切入点】前人研究多单方面注重于耕作方式或覆盖措施对土壤蓄水保墒及作物产量的影响,而二者结合在不同降雨年型下休闲期和生育期对土壤团粒结构、马铃薯产量及水分高效利用方面的研究并不多见。【拟解决的关键问题】本研究在秋作物收获后进行不同耕作方式结合覆盖措施试验,以蓄存秋闲期降雨供作物生育期利用为目的,探究不同降雨年型下秋耕覆盖对土壤团聚体、贮水量及马铃薯产量和水分利用效率的影响,以筛选出改善旱作土壤结构和马铃薯水分高效利用的适宜耕作覆盖模式,为旱作区马铃薯高产和水分高效利用提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2013—2016年在宁夏彭阳县城阳乡长城塬旱作农业试验站（海拔1 800 m,106°45′E,35°29′N）进行。该区位于宁夏南部半干旱区,降水主要集中在7—9月,年均降雨量431 mm,年均蒸发量2 200 mm,年均气温8.1℃,无霜期155 d。图1为试验期间月降水量及阶段降水量。根据40年（1977—2016年）平均降水量（431 mm）及生育期（4—9月）降水量（338 mm）可知,2013—2014年为相对欠水年;2014—2015年为平水年;2015—2016年为欠水年^[16]。试验地为旱平地,试验前（2013年10月初）0—200 cm土层蓄水量为450.4 mm,0—40 cm土层有机质含量7.5 g·kg^-1,土壤速效氮、有效磷和速效钾含量分别为58.6 mg·kg^-1、8.4 mg·kg^-1、150.0 mg·kg^-1,土壤肥力属低等水平。

图1

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图1试验期间月降水量及阶段降水量

Fig. 1Monthly precipitation and periodical precipitation during the study period

1.2 试验设计

设计3个生长季定位试验,采用双因素裂区设计,主因素为耕作方式：免耕（NT）、深松（ST）和翻耕（CT）;副因素为覆盖措施：秸秆覆盖（JM）、地膜覆盖（DM）和不覆盖（BM）,共9个处理,具体设计如表1。在30 m×4 m条带上设置9 m×4 m耕作方式处理区,并将3种覆盖方式随机区组分配到各耕作方式下,3次重复,27个小区。每小区间设置1 m长保护行,以防止水分径流。

Table 1
表1
表1马铃薯秋耕覆盖试验设计
Table 1Experiment design of potato autumn ploughing and covering

耕作方式 Tillage method	覆盖材料 Mulching material
	秸秆覆盖Straw mulch（JM）	地膜覆盖Film mulch（DM）	不覆盖No mulch（BM）
免耕（NT） No tillage	免耕覆秸秆（NT+JM） No tillage with straw mulch	免耕覆地膜（NT+DM） No tillage with film mulch	免耕不覆盖（NT+BM） No tillage with no mulch
深松（ST） Subsoiling	深松覆秸秆（ST+JM） Subsoiling with straw mulch	深松覆地膜（ST+DM） Subsoiling with film mulch	深松不覆盖（ST+BM） Subsoiling with no mulch
翻耕（CT） Ploughing	翻耕覆秸秆（CT+JM） Ploughing with straw mulch	翻耕覆地膜（CT+DM） Ploughing with film mulch	翻耕不覆盖（CT+BM） Ploughing with no mulch

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耕作处理如下：（1）免耕,分别在2013、2014和2015年10月秋作物收获后进行表土处理,结合覆盖措施后进入冬春休闲,第二年4月底穴播马铃薯;（2）深松,在秋作物收获后采用冀铲式深松机（中国农业大学研制）进行间隔深松（间隔40 cm）,深松深度30—35 cm,结合覆盖措施后进入冬春休闲,第二年4月底穴播马铃薯;（3）翻耕,在秋作物收获后采用铧式犁拖拉机进行土壤翻耕,翻耕深度15—20 cm,耕后耙耱各1次,第二年4月底穴播马铃薯。

试验前茬作物为春玉米,采用传统翻耕不覆盖措施,供试马铃薯品种为陇薯3号,平作栽培,宽窄行种植（宽行60 cm,窄行40 cm）,株距40 cm,种植密度5万株/hm²,穴播后盖土,实行秋耕施肥（农家肥（牛粪）30 t·hm^-2、N 69 kg·hm^-2、P₂O₅ 69 kg·hm^-2、K₂O 75 kg·hm^-2）。试验期间无灌水,人工除草。

1.3 测定项目及方法

土壤团聚体含量：在马铃薯收获期分别采集0—20、20—40 cm土层的原状土,自然风干,干筛法测定>0.25 mm粒径土壤团聚体总质量DR_0.25。

（1）土壤团聚体总质量^[2]计算公式为：DR_0.25=ΣW_i
式中,DR_0.25为土壤团聚体总质量（g）;W_i为不同孔径下的土壤质量（g）。

土壤水分：在耕作覆盖处理前（休闲初期）、马铃薯播种（休闲末期 播后0 d）、现蕾（播后60 d）、块茎形成（播后90 d）、块茎膨大（播后120 d）、收获（播后150 d,次年休闲末期）,采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土层取一土样。

（2）土壤蓄水量^[10]：W=10hab
式中,W为土壤蓄水量（mm）;10为换算系数（cm换算为mm）;h为土层深度（cm）;a是土壤容重（g·cm^-3）;b是土壤质量含水量（%）。

（3）水分利用效率^[17]：WUE=Y/ET_a
式中,WUE 为水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1）;Y 为作物产量（kg·hm^-2）;ET_a为作物耗水量^[17]（mm,ET_a=W₁-W₂+P：W₁、W₂分别为作物播种期和收获期0—200 cm土层蓄水量（mm）,P为生育期降雨量（mm））。

马铃薯产量：收获期测定各处理区马铃薯产量,分别记录大（单薯质量≥150 g）、中（75≤单薯质量<150 g）、小薯（单薯质量<75 g）个数及质量,并计算其商品薯率^[2]。商品薯率（%）=单薯75 g以上的产量/马铃薯总产量×100%。

1.4 统计分析

数据采用DPS 2005软件进行双因素裂区分析,通过最小显著差异法（LSD）进行多重比较分析（P<0.05）,利用Excel 2003和Origin 2017 Pro绘制图表。

2 结果

2.1 耕作覆盖对土壤团聚体数量的影响

覆盖措施及耕作与覆盖交互对耕层土壤团聚体影响极显著,而耕作方式对耕层土壤团聚体影响显著（表2）。0—20 cm土层DR_{0.25 mm}数量ST+JM处理显著增加,且在欠水年表现最为显著。20—40 cm土层团聚体数量受覆盖措施影响极显著,平水年NT+JM对处理DR_{0.25 mm}数量有显著改善,而欠水年以ST+JM处理更佳。2014年（相对欠水年）,DR_{0.25 mm}数量在0—20 cm土层以ST+JM处理最佳,20—40 cm土层以ST+DM处理最佳,分别较CT+BM处理显著增加16.9%、21.5%;2015年（平水年）DR_{0.25 mm}数量在0—20和20—40 cm土层均以NT+JM处理最佳,分别较CT+BM处理显著增加8.5%、18.7%;2016年（欠水年）DR_{0.25 mm}数量在0—20和20—40 cm土层均以ST+JM处理最佳,分别较CT+BM处理显著增加14.2%、18.2%。可见,深松或免耕结合秸秆覆盖可不同程度增加0—40 cm土层>0.25 mm土壤团聚体数量,增强土壤团粒结构的稳定性。

Table 2
表2
表2不同处理下0—40 cm土层>0.25 mm粒径土壤团聚体数量（DR0.25 mm, %）
Table 2Content of >0.25 mm aggregates at 0-40 cm soil layer under different treatments

处理 Treatment		2014		2015		2016
		0-20 cm	20-40 cm	0-20 cm	20-40 cm	0-20 cm	20-40 cm
BT		70.39	72.25	70.39	72.25	70.39	72.25
NT	BM	64.79c	64.62c	71.19b	70.88b	72.98c	75.02b
	JM	68.56b	70.64b	75.88a	76.92a	79.37a	80.18a
	DM	72.16a	79.16a	72.50b	70.58b	75.35b	79.56a
ST	BM	69.92c	76.52c	72.18b	68.60ab	74.38c	74.60c
	JM	86.61a	84.67b	74.90a	69.93a	80.81a	85.80a
	DM	80.95b	89.10a	72.72b	68.41b	77.01b	77.36b
CT	BM	74.06c	73.35a	69.97b	64.78b	70.76c	72.60b
	JM	78.50b	72.35a	75.56a	69.86a	79.54a	80.34a
	DM	85.74a	73.20a	72.70a	69.43a	77.13b	78.45a
F	T	228.10**	108.03**	16.03*	58.35**	14.35*	23.27**
	M	330.36**	276.32**	93.92**	19.25**	233.24**	94.67**
	T×M	65.52**	76.71**	74.14**	21.14**	7.63**	9.50**

BT：处理前;NT：免耕;ST：深松;CT翻耕;BM：不覆盖;JM：秸秆覆盖;DM地膜覆盖。T表示耕作;M表示覆盖;T×M表示耕作与覆盖的交互作用。不同小写字母表示同一主因素处理下各副因素间差异达显著水平（P<0.05）。*表示差异显著（P<0.05）,**表示差异极显著（P<0.01）,ns表示差异不显著（P>0.05）。下同
BT: before treating; NT: no-tillage; ST: subsoiling; CT: ploughing; BM: no mulch; JM: straw mulching; DM: polythene mulch. T: tillage; M: mulch; T×M: interaction effects between tillage with mulch. Values followed by different letters within the secondary factors under the same primary factor treatment has reached a significant level at P<0.05. * indicates significance (P<0.05), ** indicates extremely significant (P<0.01), ns indicates no significance (P>0.05). The same as below

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2.2 耕作覆盖对休闲期土壤水分的影响

经过3年休闲期,ST+JM处理可增加土壤蓄水量,尤其在欠水年（2015—2016）效果最为显著（图2）。试验前（2013年10月初）0—200 cm层土壤蓄水量为450.4 mm,经过秋闲期耕作覆盖处理后,2013—2014年休闲末期（2014年4月）（图2-a）,各处理土壤蓄水量有显著增加。2013—2014年和2014—2015年休闲末期（2015年4月）（图2-c）,覆盖措施对0—200 cm层土壤蓄水量影响极显著,而耕作方式、耕作与覆盖交互影响不显著,在所有处理组合中,两年分别以ST+DM处理和ST+JM处理土壤蓄水量最佳,分别较CT+BM处理显著提高9.3%、11.4%。2015—2016年休闲末期（2016年4月）（图2-e）,耕作、覆盖及二者交互作用对土壤蓄水量影响极显著,二者交互以ST+JM处理土壤蓄水量最佳,较CT+BM处理显著增加29.6%。

图2

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图2不同耕作覆盖措施对休闲期土壤蓄水量的影响

(a)：2013—2014年休闲末期土壤蓄水量;(b)：2014—2015年休闲初期土壤蓄水量,(c)：2014—2015年休闲末期土壤蓄水量,(d)：2015—2016年休闲初期土壤蓄水量,(e)：2015—2016年休闲末期土壤蓄水量。同时期不同小写字母表示在0.05水平差异显著。*表示差异显著（P<0.05）,**表示差异极显著（P<0.01）,ns表示差异不显著（P>0.05）。下同
Fig. 2Effects of tillage with mulch measures on soil water storage during the fallow period

(a): Soil water storage at the end of leisure during 2013-2014; (b): Soil water storage at the beginning of leisure from 2014 to 2015; (c): Soil water storage at the end of leisure during 2014-2015; (d): Soil water storage at the beginning of leisure from 2015 to 2016; (e): Soil water storage at the end of leisure during 2015-2016. Values followed by different lowercase letters within the same stage are significantly different at P<0.05. * Indicates significance (P<0.05), ** Indicates extremely significant (P<0.01), ns: Indicates no significance (P>0.05). The same as below

2.3 耕作覆盖对马铃薯关键生育时期土壤水分的影响

耕作方式对各关键生育时期0—200 cm土层蓄水量影响显著,而覆盖措施、耕作与覆盖交互作用对其影响极显著（表3）。深松结合秸秆覆盖可增加2014（相对欠水年）、2016年（欠水年）马铃薯现蕾期、块茎形成期和膨大期土壤蓄水量,而免耕结合秸秆覆盖则有利于2015年（平水年）马铃薯关键生育时期土壤蓄水量的提高。2014年,各生育时期土壤蓄水量均以ST+JM处理最佳,平均较CT+BM处理显著提高21.9%。2015年各生育时期土壤蓄水量以NT+JM处理最佳,平均较CT+BM处理显著增加17.1%。2016年现蕾期土壤蓄水量以NT+JM处理最佳,较CT+BM处理显著提高21.7%,块茎形成、块茎膨大期以ST+JM处理最佳,平均较CT+BM处理显著提高28.3%。

Table 3
表3
表3耕作覆盖措施下马铃薯关键生育时期土壤蓄水量
Table 3Soil water storage in key growth period of potato under tillage with mulching measures (mm)

耕作方式 Tillage method	覆盖措施 Mulching measure	2014			2015			2016
		现蕾 Budding	块茎形成 Tuber initiation	块茎膨大 Tuber expansion	现蕾 Budding	块茎形成 Tuber initiation	块茎膨大 Tuber expansion	现蕾 Budding	块茎形成 Tuber initiation	块茎膨大 Tuber expansion
NT	BM	345.58c	303.26c	300.79c	413.86c	326.82c	311.05c	354.20c	330.64b	319.60c
	JM	380.64a	363.26a	344.31a	469.37a	381.44a	357.70a	441.51a	412.40a	375.53a
	DM	372.48b	322.12b	323.25b	441.31b	366.32b	340.19b	425.04b	408.90a	356.10b
ST	BM	368.24c	325.80c	302.28c	430.11c	328.34c	311.22c	361.34c	334.14c	320.01c
	JM	431.78a	382.92a	360.90a	466.99a	369.93a	344.89a	425.04a	437.26a	395.96a
	DM	404.92b	353.21b	332.08b	451.30b	352.54b	336.49b	409.31b	409.93b	365.42b
CT	BM	363.98c	299.78e	302.78c	398.87c	325.59c	307.07c	349.30c	330.21c	318.93c
	JM	426.40a	363.40a	330.24a	445.01a	370.29a	338.02a	417.88a	406.85a	389.76a
	DM	406.60b	329.48b	318.92b	439.34b	361.37b	329.43b	408.61b	395.03b	371.87b
F	T	9.20*	14.49*	10.24*	13.34*	11.69*	9.23*	9.23*	13.50*	11.52*
	M	254.79**	219.41**	173.3**	138.63**	568.12**	484.03**	379.94**	513.99**	595.73**
	T×M	23.41**	4.49**	7.61**	6.03**	7.01**	8.59**	6.76**	5.88**	6.22**

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2.4 耕作覆盖对马铃薯产量和水分利用效率的影响

马铃薯产量以2014年（相对欠水年）最高,2015年（平水年）次之,2016年（欠水年）最低（表4）。耕作方式对马铃薯产量影响显著,3年均以ST处理增产效果最佳,同一耕作方式下2014年以JM处理增产效果显著,2015和2016年以DM处理更佳;在各处理组合中,2014年马铃薯产量以NT+JM处理最高,较CT+BM处理显著提高51.8%,2015、2016年以ST+JM处理马铃薯产量最高,平均较CT+BM处理显著增产56.2%。可见,深松结合秸秆或地膜覆盖均对提高马铃薯产量效果显著。

Table 4
表4
表4耕作覆盖对马铃薯产量和水分利用效率的影响
Table 4Effects of tillage with mulch on potato yield and water use efficiency

耕作方式 Tillage method	覆盖材料 Mulching material	产量 Potato yield (kg·hm-2)			水分利用效率 Water use efficiency (kg·hm-2·mm-1)
		2014	2015	2016	2014	2015	2016
NT	BM	25697.8c	13550.9b	9329.7c	89.25b	36.86b	35.24b
	JM	40781.0a	15464.7a	13902.9b	134.05a	39.83ab	50.28a
	DM	29752.4b	15686.2a	15716.3a	90.00b	41.00a	54.71a
ST	BM	26899.8c	15773.2c	11515.9c	90.98b	41.02c	41.42b
	JM	38515.0a	20076.6a	17194.2a	127.30a	50.77a	55.98a
	DM	32276.0b	17746.9b	15407.7b	96.11b	45.68b	52.86a
CT	BM	26864.7c	14690.4c	9171.4c	89.06b	39.21b	34.49c
	JM	36679.6a	16278.6b	10972.6b	118.90a	43.44a	41.44b
	DM	29333.3b	16981.1a	12238.2a	88.61b	44.19a	46.93a
F	T	4.83ns	33.21**	41.06**	5.24ns	47.05**	183.15**
	M	266.92**	115.34**	56.74**	206.56**	36.99**	112.53**
	T×M	6.00**	16.76**	5.62**	3.28*	5.79**	6.40**

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研究期间,覆盖措施、耕作方式与覆盖措施的交互作用能显著提高马铃薯水分利用效率（WUE）。耕作方式均以ST对提高WUE效果最佳;覆盖措施在2014、2015年以JM处理最佳,2016年以DM处理效果显著,在各处理组合中,2014年以NT+JM处理水分利用效率最高,较CT+BM处理提高50.5%,2015和2016年以ST+JM处理影响效果显著,平均较CT+BM处理提高44.8%。

3 讨论

3.1 耕作覆盖对土壤结构的影响

耕作覆盖措施可影响土壤孔隙状况,显著改善土壤团粒结构。与连续翻耕相比,免耕、深松、免耕/深松处理均可增加0—10 cm土层>0.25 mm大团聚体含量^[17]。侯贤清等^[18]研究发现,与翻耕不覆盖相比,免耕结合地膜覆盖或免耕结合秸秆覆盖在平水年可使0—20 cm土层>5 mm团聚体含量显著增加,使20—40 cm土层2—5 mm团聚体的含量显著增加。本研究结果表明,耕作覆盖措施可增加0—40 cm土层>0.25 mm团聚体数量,以深松覆盖秸秆措施在0—20 cm土层效果最佳,尤其在欠水年和相对欠水年表现显著。这主要是因为深松结合秸秆覆盖可降低土壤扰动,改善土壤孔隙状况^[2],尤其在欠水年可增加降水入渗与保蓄,改善土壤水分状况,从而有利于土壤中团聚体的形成与稳定^[19]。本研究还发现,平水年以免耕覆盖秸秆措施下>0.25 mm土壤团聚体数量最多,翻耕不覆盖模式下耕层土壤大团聚体数量明显减少,这与侯贤清等^[18]研究结果一致,其主要原因是免耕可减少对土壤的扰动和机械压实,尤其在降水相对充足的平水年型,免耕处理更有利于土壤大颗粒团聚体的形成^[18],同时免耕覆盖秸秆可有效调控土壤水热状况,进而维持土壤团粒结构的稳定性,而传统翻耕方式增加对土壤的扰动,导致土壤团聚体稳定胶结剂减少,进而影响大颗粒团聚体的形成^[20]。

3.2 耕作覆盖对土壤水分的影响

有研究表明,休闲期深翻结合地膜覆盖可显著提高小麦土壤蓄水量^[21],而免耕结合秸秆覆盖可有效提高土壤水分,但免耕不覆盖易导致地表板结^[22]。本研究发现,深松结合不同覆盖措施可提高休闲期0—200 cm土层蓄水量。这主要与休闲期降水、耕作覆盖措施有关,保护性耕作能减少对土壤的扰动,有效降低土壤水分蒸发,同时结合秸秆覆盖可蓄存休闲期降水,增加休闲末期土壤蓄水量,而传统耕作破坏了土壤结构,使土壤保水性能下降^[23]。邓妍等^[24]研究发现,夏闲期进行翻耕覆盖可显著提高播前土壤蓄水量,且在小麦生育期蓄水效果有明显改善,尤其在丰水年最佳。本研究结果表明,深松结合不同覆盖措施均可提高休闲期土壤蓄水量,以深松覆盖秸秆处理在欠水年、平水年和深松覆盖地膜处理在相对欠水年效果最佳。这是主要由于深松能显著改善土壤结构,增强土壤通透性,尤其在欠水年可提高接纳降水的能力^[25],而秸秆覆盖能进一步降低地表径流,增加降雨入渗,抑制水分的无效散失,因此深松结合秸秆覆盖可提高降雨入渗性能增强土壤蓄水保墒能力^[2];然而深松结合地膜覆盖可保持较好的土壤底墒,降低水分无效蒸发,尤其在相对欠水年蓄水效果尤为显著^[26,27]。

刘继龙等^[28]研究表明,免耕秸秆覆盖和传统耕作秸秆覆盖均对玉米生育后期土壤蓄水量提高作用显著,而免耕秸秆覆盖对土壤水分特性的影响则极显著。赵小蓉等^[29]研究认为,小麦分蘖高峰期免耕覆盖处理的土壤含水量较翻耕覆盖处理高12.7%—41.0%。本研究结果表明,在欠水年和相对欠水年,深松结合秸秆覆盖对改善马铃薯块茎形成期、块茎膨大期土壤蓄水量效果显著;欠水年马铃薯现蕾期、平水年各关键生育期免耕结合秸秆覆盖处理下土壤蓄水量有明显增加。这是由于耕作覆盖措施可有效蓄存休闲期降水,尤其在欠水年和相对欠水年生育前期降雨较少的条件下,深松结合秸秆覆盖能降低土壤水分蒸发^[2],增加生育后期降雨入渗,有效蓄存生育期阶段降水,进而提高土壤蓄水量^[1];而平水年免耕不仅能减少土壤水分散失,还降低马铃薯生育前期对土壤水分的消耗,同时秸秆覆盖能减少土壤与地表的水分交换,形成水分内循环,减少水分蒸发散失,使深层土壤水分上移,进而提高土壤贮水量^[30]。

3.3 耕作覆盖对马铃薯产量及水分利用效率的影响

合理的耕作方式和覆盖措施组合不仅改善土壤结构,同时有利于蓄水保墒,增加作物耗水能力最终提高作物产量^[31]。陈梦楠等^[32]研究发现,休闲期覆盖下小麦产量及其构成因素均显著提高,尤其在欠水年增加效果显著。本研究结果表明,在欠水年和相对欠水年深松覆盖秸秆处理增产效果最佳。分析增产的主要原因：深松覆盖秸秆处理在欠水年能显著改善土壤团粒结构,增加降雨入渗、降低无效水散失,从而缓解水分匮乏状况,且休闲期深松结合秸秆覆盖措施能增加作物播前土壤底墒,弥补欠水年马铃薯生育期土壤水分不足对块茎生长的不利,从而有利于马铃薯产量的形成^[2,33]。本研究还发现,耕作覆盖处理对欠水年土壤水分状况改善效果最佳,分析原因可能与欠休闲期耕作覆盖处理下土壤水分状况及马铃薯生育期降水分布有关,还有待进一步研究。

杨清山等^[34]研究发现,深松结合覆盖措施有利于提高水分利用效率,可使水分利用效率提高15%—23%,且在降水少的年份效果明显。本研究发现,所有处理组合中,在2014年（相对欠水年）以免耕结合秸秆覆盖提高水分利用效率效果最佳,2015（平水年）、2016年（欠水年）以深松结合秸秆覆盖措施水分利用效率最高。究其原因：（1）在全年降水较少的年份（2014年）,免耕覆盖秸秆可减少土壤水分散失,对提高作物水分利用效率有显著作用^[18]。（2）在关键生育期降水较少、分布不均的年份（2015、2016年）,深松可有效加深耕层而不翻转土壤,降低土壤水分散失,改善土壤渗透性,增强土壤蓄水性能,同时结合秸秆覆盖有利于蓄存休闲期降水及水分的缓慢释放,降低农田耗水和表层水分蒸发,从而提高水分利用效率^[24]。耕作覆盖措施下马铃薯增产和水分高效利用的机制还与对作物阶段耗水的调控有关,而本研究中马铃薯生育期阶段耗水情况尚未涉及,这有待进一步研究,且本研究3年定位试验结果仅涵盖一个平水年和两个欠水年,缺乏丰水年型,尚不能全面分析不同降水年型下秋耕覆盖对土壤结构、马铃薯产量和水分利用效率的影响机制,因此有必要继续进行长期定位试验研究,其研究结果以更好地指导旱作区马铃薯农业生产。

4 结论

4.1 耕作方式、覆盖措施及二者交互作用

对0—40 cm土层团粒结构影响显著,欠水年和相对欠水年以深松覆盖秸秆（ST+JM）处理提高耕层>0.25 mm土壤团聚体数量效果最佳,平水年以免耕覆盖秸秆（NT+JM）处理效果最佳,分别较翻耕不覆盖（CT+BM）处理显著增加16.2%、16.2%、13.6%。

4.2 耕作方式结合覆盖措施

可改善休闲期和马铃薯生育期土壤水分状况。在相对欠水年,休闲期和生育期土壤蓄水量分别以深松覆盖地膜（ST+DM）、深松覆盖秸秆（ST+JM）处理效果显著,平均较翻耕不覆盖（CT+BM）处理显著增加9.3%、22.4%;平水年休闲期和生育期土壤蓄水量分别以深松覆盖秸秆（ST+JM）、免耕覆盖秸秆（NT+JM）处理效果最佳,平均较翻耕不覆盖（CT+BM）处理显著增加11.4%、22.4%;欠水年以深松覆盖秸秆（ST+JM）处理最高,休闲期和生育期土壤蓄水量平均较翻耕不覆盖（CT+BM）处理显著增加26.5%。

4.3 耕作覆盖措施

对提高马铃薯产量和水分利用效率有显著效果,相对欠水年以免耕覆盖秸秆（NT+JM）处理效果最佳,与翻耕不覆盖（CT+BM）处理相比分别显著增加51.8%和50.5%,平水年和欠水年以深松覆盖秸秆（ST+JM）处理最好,平均较翻耕不覆盖（CT+BM）处理显著增加56.2%和44.8%。

4.4 通过3年研究发现,秋作物收获后耕作结合覆盖措施

可显著改善土壤团粒结构,增强土壤蓄水保墒能力,从而有利于马铃薯产量和水分利用效率的提高,其中在欠水年和相对欠水年以深松结合秸秆覆盖、平水年以免耕结合秸秆覆盖处理最为显著,可在宁南旱区马铃薯生产中应用推广。

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