溝壟二元覆蓋對旱作馬鈴薯耗水特征、產量及水分利用效率的影響

李 芬 侯賢清 李 榮

(寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021)

寧夏回族自治區(以下簡稱“寧夏”)南部山區干旱少雨、蒸發強烈,無效降水次數多、有效降水次數少,導致作物產量和水分利用效率不高,水分不足嚴重限制了旱作區的作物生長,以及產量和水分利用效率的提高。因此,如何充分利用有限的自然降水,提高作物水分利用效率是保證旱區作物穩產高產的根本途徑[1]。溝壟集雨栽培技術也稱田間微集雨技術,是旱區集雨農業栽培技術中的重要表現形式之一[2]。該技術利用壟面調控雨水徑流,使降雨匯集至溝中,將無效降雨變成有效降雨,從而形成雨水的富集與高效利用[3],結合地表覆蓋減少水分蒸發[4],從而延長土壤水分的有效性,提高作物產量和對水分的利用效率[5]。

為進一步提高對有限降雨的利用效率,在已有研究的基礎上,韓思明教授提出了溝壟微型聚水二元覆蓋技術[6]。它是一種將溝壟集水種植與覆蓋措施相結合的溝壟覆蓋集雨種植技術。目前,該技術已成為旱區農業抗旱節水栽培的主要技術措施之一,廣泛應用于多種農作物栽培,增產和提高水分利用效率的效果顯著。謝軍紅等[7]研究表明,與半膜平作相比,全覆膜溝壟作能明顯提高玉米的水分利用效率,增幅為10.6%～25.2%；秦舒浩等[8]研究發現,覆膜與溝壟種植模式能明顯提高旱作馬鈴薯的水分利用效率,且平畦覆膜、全膜雙壟溝播、全膜雙壟壟播、半膜膜側種植和半膜溝壟壟播種植方式的水分利用效率較傳統平畦不覆膜均顯著提高；李榮等[9]研究表明,溝壟二元覆蓋下玉米產量均較傳統平作顯著增加,其中以壟覆地膜溝覆地膜、壟覆地膜溝覆生物降解膜和壟覆地膜溝覆秸稈處理最高；胡廣榮[10]也發現采用田間壟溝集雨種植技術,與無覆蓋相比,壟上覆蓋生物可降解地膜,溝內覆蓋液體地膜和生物可降解膜可顯著增加青貯玉米和高粱產量。

不同溝壟覆蓋模式會改變作物耗水過程,影響作物源的建成及作物產量和水分利用效率[11]。宋婷等[12]研究表明,全膜覆土穴播和全沙覆蓋平作能改善小麥前期生長的水分環境,促進出苗后耗水,加快小麥對土壤深層水分的利用,進而提高產量。侯慧芝等[13]研究發現全膜微壟穴播能提高冬小麥播前和返青期0～200 cm土層土壤貯水量,促進小麥灌漿期間耗水,提高小麥產量和水分利用效率。李輝等[14]研究表明,秸稈覆蓋能有效降低馬鈴薯生育期內總耗水量,進而提高水分利用效率。因此,合理調配作物耗水過程對提高作物水分高效利用,進一步提高產量具有重要意義[15]。目前,關于溝壟二元覆蓋的蓄水保墑、調溫及對小麥和玉米生長發育的研究已有大量報道,在渭北旱塬區已大面積推廣應用[16],但在寧南旱作區,從土壤水分特征——作物階段性耗水特性-作物產量及水分利用效率的角度,對溝壟二元覆蓋模式下馬鈴薯的增產效應研究鮮見報道。本研究在寧夏南部山區,通過壟上覆蓋普通地膜,溝內分別覆蓋普通地膜、秸稈、生物降解膜、液態地膜、麻纖維地膜和溝不覆蓋,以傳統平作為對照(CK),研究溝壟二元覆蓋對土壤水分、馬鈴薯階段性耗水特性、產量及水分利用效率的影響,明確溝壟二元覆蓋技術對土壤水分利用和馬鈴薯增產的理論基礎,以期為該區推廣溝壟二元覆蓋技術實現馬鈴薯高產提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年5-10月在寧夏固原市彭陽縣城陽鄉長城塬村(106°45′N,35°79′E)進行。 試驗區位于寧夏東南部邊緣,六盤山東麓,海拔 1 800 m,年均蒸發量1 050 mm,年降水量350 mm左右,年際降水變化很大,年內分布不均,主要集中在7-9月,其他時間段多為無效降雨,年均溫6.8～8.1℃。由圖1可知,2016年降水總量為345.3 mm,馬鈴薯生育期(5-10月)降水量為248.4 mm,根據作物生育期40年平均降雨量(322.7 mm)可知,2016年為枯水年。試驗地土壤類型為黃土正常新成土(黃綿土),質地組成為砂粒14%、粉粒26%、黏粒 60%,為粉質壤土,耕層(0～40 cm)土壤理化性質見表1,土壤肥力屬低等肥力。

圖1 馬鈴薯生育期降水量分布情況Fig.1 Distribution of precipitation during potato growth stage

1.2 試驗材料

供試普通塑料地膜為聚乙烯白色地膜(膜厚0.008 mm、寬0.8 m,山西運城塑料廠),生物降解膜由生物材料和聚合物構成(膜厚0.008 mm、寬0.8 m,陜西華宇高科生物有限公司)；麻纖維地膜主要以麻類纖維為原料合成(膜厚0.22～0.31 mm、寬0.8 m,湖南省沅江市潤澤科技有限公司)；液態地膜(北京金尚禾生物科技有限公司)主要是以腐植酸類物質為原料合成,以推薦產品/水體積比1∶5進行稀釋后,以使用量450 L·hm-2將其噴施于種植溝內。壟覆地膜溝覆秸桿處理的玉米秸稈以9 000 kg·hm-2覆蓋量切成15 cm左右覆于溝內。

表1 試驗區耕層土壤主要理化性質Table1 Main physical and chemical properties of soil at arable layer in experimental site

供試馬鈴薯品種為隴薯3號,購自寧夏農墾局良種繁育經銷中心,寬窄行種植(寬行60 cm,窄行40 cm),株距40 cm；種植密度5萬株·hm-2,種薯穴播5 cm深度之后立即蓋土。整個試驗期間無灌溉,定期進行人工除草。

1.3 試驗設計

試驗采用溝壟二元覆蓋種植模式,壟上覆蓋普通塑料地膜,溝內分別覆蓋普通塑料地膜、秸稈、生物降解膜、液態地膜、麻纖維地膜和溝不覆蓋,共設置7個處理:壟覆地膜+溝覆普通塑料地膜(DD)；壟覆地膜+溝覆秸稈(DJ)；壟覆地膜+溝覆生物降解膜(DS)；壟覆地膜+溝覆麻纖維地膜(DM)；壟覆地膜+溝覆液體地膜(DY)；壟覆地膜+溝不覆蓋(DB)；以傳統平作為對照(CK)。每個處理3次重復,每小區面積為28 m2(長7 m×4 m),共21個小區,采用隨機區組設計。

試驗開始前30 d,進行修溝起壟,壟溝比為60 cm∶40 cm,壟高20 cm,且壟面平整、呈拱型。溝壟二元覆蓋與平作處理均一次性施入同等基肥:尿素(N≥46%)291 kg·hm-2、磷酸二銨(N≥18%,P2O5≥46%)195 kg·hm-2、硫酸鉀(K2O≥50%)180 kg·hm-2,溝壟二元覆蓋處理的肥料施于種植溝內,翻入土壤后進行覆蓋,馬鈴薯溝內膜壟兩側種植。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤水分指標的測定 采用土鉆取土烘干法測定馬鈴薯生育期(播種、苗期、現蕾、塊莖形成、塊莖膨大和收獲)作物種植行間0～200 cm土層土壤含水量,每20 cm土層測定1次,3次重復,并進行統計分析。按照公式分別計算土壤蓄水量(soil water storage,W)[17]、作物耗水量[18](evapotranspiration,ET)、水分利用效率[19](water use efficiency,WUE)、耗水模系數[20]和耗水強度[21]:

式中,h:土層深度(cm)；a:土壤容重(g·cm-3)；b:土壤質量含水量(%)；10:換算系數。

式中,W1:播種期土壤蓄水量(mm)；W2:收獲期土壤蓄水量(mm)；P:作物生育期降雨量(mm)。

式中,Y:作物產量(kg·hm-2)。

式中,ETi:作物各生育階段耗水量(mm)。

式中,d:作物某個生育階段天數。

1.4.2 馬鈴薯產量性狀 馬鈴薯收獲期,對小區進行測產,分別記錄大薯(＞150 g)、中薯(75～150 g)、小薯(＜75 g)個數和重量,其中個數表示為每公頃的薯數,并計算大、中、小薯商品薯率[22]。

1.5 數據分析

采用SAS 8.0軟件進行數據統計分析,LSD法進行差異顯著性比較；Microsoft Office Excel 2016制圖。

多年來，由于良種指數的提高，優良品種的引用，農業生產獲得了巨大的發展。氮偏施氮肥使鉀素不足成為作物產量和肥效的限制因素。

2 結果與分析

2.1 不同溝壟二元覆蓋下馬鈴薯生育期土壤蓄水量變化

由圖2可知,不同溝壟二元覆蓋種植模式對馬鈴薯田0～200 cm土層土壤蓄水量均有影響,且各處理不同生育時期土壤蓄水量與降雨分布密切相關。各處理0～200 cm土層土壤蓄水量隨著生育期的推進總體呈下降趨勢。由于播前降雨(49.7 mm)的補充,使馬鈴薯播種期土壤墑情較好。在馬鈴薯苗期-現蕾期,降水(184.7 mm)進一步補充,此階段各處理土壤蓄水量存在差異；苗期DJ、DD處理的保水效果最佳,較CK分別顯著提高17.28%和9.97%；現蕾期DJ、DY處理的保水效果最佳,較 CK分別顯著提高19.75%和19.39%。

在馬鈴薯塊莖形成-膨大期,由于階段降水較少(46.3 mm),馬鈴薯生長旺盛,對土壤水分消耗大且蒸發蒸騰強烈,各處理土壤蓄水量降低,而DJ處理土壤蓄水量在塊莖形成期較CK提高10.13%,塊莖膨大期顯著提高22.21%。在馬鈴薯收獲期,隨著作物對土壤水分消耗減少,且降水較少,各處理0～200 cm土層土壤蓄水量降低,DJ處理土壤蓄水量均高于各處理,且與DB、DS、DM處理差異顯著。結果表明,溝壟二元覆蓋對土壤水分具有一定的保墑效果,其中DJ處理效果最佳。

圖2 不同溝壟二元覆蓋下馬鈴薯生育期土壤蓄水量變化Fig.2 Soil water storage under dual-mulching of ridge and furrow patterns during growth stage of potato

2.2 不同溝壟二元覆蓋下土壤含水量的垂直變化特征

馬鈴薯田0～200 cm土層土壤含水量垂直變化與覆蓋材料、作物生育時期降雨量分布密切相關。在整個生育期,各處理0～200 cm土層土壤水分垂直變化均隨著土層加深而逐漸降低,均以DJ處理最高,尤其是耕土層(0～40 cm)土壤含水量最多。馬鈴薯苗期,各處理均隨著土層的加深土壤含水量逐漸降低(圖3-A)。DJ處理下各土層土壤含水量均最高,平均較CK提高17.87%,其他不同覆蓋模式與CK差異均不明顯。

馬鈴薯現蕾期,作物耗水量加大,不同覆蓋材料下的保墑效果存在差異。各處理0～200 cm土層土壤水分垂直變化與苗期相似,隨著土層的加深而逐漸降低(圖3-B)。由于該時期降水(114.5 mm)較多,土壤水分得到補給,各處理各土層的土壤含水量均明顯提高,尤其以DJ、DY處理下0～200 cm各土層土壤含水量最多,平均較CK分別提高16.96%和16.44%。其他各處理均低于CK。塊莖形成期是馬鈴薯生長旺盛階段,而該時期降雨僅為17.5 mm,各處理各土層土壤含水量較現蕾期明顯減少。除DY、DJ處理外,各處理0～200 cm土層土壤含水量垂直變化基本呈先下降后上升再下降的趨勢(圖3-C)。DJ處理下各土層土壤含水量均最高,平均較CK提高13.36%。除DJ、DY、DM處理外,其他各處理在60～200 cm土層土壤含水量均低于CK,這可能與該時期馬鈴薯需水量較大、降雨量較少以及覆蓋材料不同有關。

塊莖膨大期,馬鈴薯生長旺盛,對水分需求最多,但該時期降雨較少(28.8 mm),各處理0～200 cm土層土壤水分垂直變化規律與現蕾期相似,隨著土層的加深而逐漸降低,其中0～80 cm土層土壤含水量明顯下降(圖3-D)。DJ、DM處理下各土層土壤含水量較高,平均較CK分別提高22.31%和16.62%,但DY、DD與CK間均無顯著差異。收獲期降水明顯減少(15.6 mm),各處理0～200 cm土層土壤含水量隨著土層的加深而逐漸降低(圖3-E)。 DJ、DD、DY、DS處理下各土層土壤含水量均較高,平均分別較CK提高25.69%、17.10%、16.85%和15.53%,DB處理0～200 cm土層土壤含水量均低于CK；DM處理在60～200 cm土層土壤含水量均低于CK。

2.3 不同溝壟二元覆蓋對馬鈴薯階段性耗水特征的影響

由表2可知,不同溝壟二元覆蓋模式下馬鈴薯階段性耗水量存在差異,這與馬鈴薯生育期土壤水分含量及當年降雨量有關。馬鈴薯播種-苗期,各處理耗水量、耗水強度、耗水模系數均表現出相同的變化趨勢,依次表現為DS＞DY＞DM＞CK＞DB＞DD＞DJ,其中DS處理下馬鈴薯耗水量(104.66 mm)、耗水強度(1.90 mm·d-1)、耗水模系數(35.28%)均達到最大,DY處理次之,DJ處理最低。DS處理馬鈴薯階段耗水量、耗水強度和耗水模系數分別較 CK顯著提高22.29%、21.79%和33.99%。

圖3 不同處理下馬鈴薯田0～200 cm土壤含水量垂直變化Fig.3 Vertical dynamics of soil water content in 0-200 cm soil under different treatments

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苗期-現蕾期,降雨量明顯增加(114.5 mm),各處理耗水量、耗水強度、耗水模系數均依次表現為DD＞DM＞DB＞CK＞DS＞DJ＞DY,DY、DD 與 CK 間差異顯著,其他各處理與CK間無顯著差異；DD處理下馬鈴薯耗水量(147.13 mm)、耗水強度(7.36 mm·d-1)、耗水模系數(49.46%)均達到最大,DM次之,DY處理最低。DD、DM、DB處理的馬鈴薯耗水量分別較 CK提高57.73%、34.43%和 32.77%,耗水強度分別提高57.94%、34.55%和 32.83%,耗水模系數分別提高72.33%、35.0%和30.98%。

2.4 溝壟二元覆蓋下馬鈴薯產量與水分利用效率

由表3可知,不同溝壟二元覆蓋模式對馬鈴薯產量和商品薯率影響不同。馬鈴薯總產量以DJ、DD處理最高,DM、DY處理較高,四個處理分別較CK顯著提高 47.77%、44.84%、18.07%和 17.02%,而 DB與CK間無顯著差異；不同溝壟二元覆蓋處理大薯產量以DY、DM、DD、DJ處理最佳,較 CK分別顯著提高123.86%、121.14%、119.35%、110.36%；中薯產量以DJ處理最高,較CK顯著提高38.33%；而小薯產量各處理與CK間均無顯著差異。商品薯率以DJ、DS處理較高,分別較 CK提高11.69%、8.75%,而 DY、DB處理與CK無顯著差異。

不同溝壟二元覆蓋模式能調控作物的耗水狀況,可明顯提高作物產量和水分利用效率。不同溝壟二元覆蓋處理下水分利用效率依次表現為DJ＞DD＞DY＞DS＞DM＞DB＞CK,DJ處理的水分利用效率最高(68.2 kg·hm-2·mm-1),較CK 顯著提高59.11%；其次為DD、DY、DS處理,較CK分別顯著提高58.57%、23.58%、23.14%,而DM、DB處理與CK間均無顯著差異。結果表明,壟上覆蓋地膜溝內覆蓋不同材料均能起到不同程度的保水保墑作用,調控作物階段耗水,從而提高作物產量和水分利用效率,且均以壟覆地膜溝覆秸稈處理效果最佳。

3 討論

3.1 溝壟二元覆蓋模式對土壤水分的調控效應

不同溝壟集雨栽培模式可有效蓄集雨水,增加農田土壤水分,從而改善作物的水分狀況[23]。王紅麗等[24]研究表明,與裸地平作相比,黑膜全覆蓋壟溝種植顯著提高了0～200 cm土層土壤蓄水量；夏芳琴等[25]研究也發現,壟覆膜溝覆草較傳統耕作顯著提高了馬鈴薯田0～100 cm土層土壤含水量,這與本研究結果相似。本研究中,不同溝壟二元覆蓋種植模式在作物不同生育期對土壤的保水效果存在差異,其中,苗期DD、DJ處理保水效果最佳,現蕾期為DJ、DY處理,塊莖形成期-塊莖膨大期為DM、DJ處理,收獲期為DJ、DS、DY、DD處理。DJ處理在馬鈴薯整個生育期土壤蓄水量最高,DD處理在馬鈴薯苗期蓄水效果好,而在中后期蓄水效果低于苗期,這可能由于在作物生長前期地膜覆蓋能有效抑制土壤水分蒸發,在中后期雖能抑制蒸發,但補給的雨水不能直接滲入,而是從地膜表面直接蒸發；秸稈覆蓋能減少土壤流失,增加降水入滲,對馬鈴薯生育中后期土壤水分狀況的改善效果明顯[26]。

周昌明等[27]研究表明,液態地膜覆蓋種植在作物生長前期保水效果明顯,這與本研究結果相同。本研究中,DY處理下現蕾期對土壤保水效果明顯。申麗霞等[28]研究發現與露地栽培相比,可降解地膜覆蓋能明顯提高玉米播種至大喇叭口期耕土層土壤水分。這與本研究結果不同。本研究中,DS處理在苗期-塊莖膨大期對土壤保水效果并不顯著,這可能與生物降解膜的物質組成成分及受光、溫、水等環境條件的影響有關[29]。劉艷紅[30]研究表明,在小麥不同生育期,壟覆地膜溝覆秸稈處理下小麥田0～100 cm土層土壤含水量均最高,其次是壟覆地膜溝覆液膜。這與本研究結果相同。本研究中,在馬鈴薯不同生育期,壟覆地膜溝覆秸稈處理下馬鈴薯田0～200 cm土層土壤含水量均最高,后期壟覆地膜溝覆液膜次之。這可能與秸稈增加地表粗糙度、利于水分下滲,減少地表蒸發有關,而液膜在馬鈴薯生育后期降解風化使其保墑效果減弱[16]。張惠等[31]研究發現在玉米不同生育階段壟覆地膜溝覆普通地膜和溝覆生物降解膜處理0～200 cm土層土壤含水量均顯著高于對照。這與本研究結果不一致。本研究中,在馬鈴薯苗期至塊莖膨大期,壟覆地膜溝覆通地膜、溝覆生物降解膜處理0～200 cm土層土壤含水量均低于傳統平作(CK),收獲期高于CK。這可能與馬鈴薯前期、中期生長較快,需水較多,對土壤水分消耗量過大有關[32]。此外,DM處理對苗期和現蕾期土壤保水效果并不明顯,略低于CK,這與李榮等[33]在馬鈴薯生長前期,麻地膜處理略低于對照的結論一致。

3.2 溝壟二元覆蓋模式下馬鈴薯耗水特征

Qin等[34]研究表明,溝壟種植條件下不同生長階段作物耗水量,各處理在馬鈴薯生長前期耗水量較小,生長中期植株耗水量達到最大,馬鈴薯成熟期,耗水量逐漸減少；王紅麗等[35]研究認為,玉米耗水高峰與當年降雨分布基本吻合,全膜雙壟溝播和全沙覆蓋平作促進了玉米拔節后期耗水。這與本研究結果基本一致。本研究中,馬鈴薯在生長前期作物耗水量小,生長中期耗水量達到最大,后期減少,各處理在馬鈴薯生長中期對土壤水利用加強。

王紅麗等[36]研究發現全膜雙壟溝播、全沙覆蓋處理玉米生育期耗水量顯著高于裸地處理。這與本研究結果不同。本研究中,全生育期各處理耗水量均不同。DY處理全生育期耗水量顯著低于CK,這可能與不同覆蓋材料有關,秸稈和地膜覆蓋能減少棵間土壤水分蒸發,使總耗水量有所減少[37],生物降解膜、麻地膜、液態地膜和溝壟覆蓋顯著提高了土壤水分含量,作物耗水量低于傳統平作[27,33]。

3.3 溝壟二元覆蓋模式下馬鈴薯產量與水分利用效率

溝壟二元覆蓋可有效改善土壤水分狀況,進而影響作物產量,其中壟覆地膜溝覆秸稈處理的蓄水保墑作用最佳,小麥增產效果最顯著[17]。溝壟覆蓋能明顯提高馬鈴薯產量和水分利用效率,尤其壟覆地膜溝覆蓋秸稈在馬鈴薯產量、水分利用效率的提高上更為明顯[33]。與露地平作相比,全膜壟作模式能顯著提高土壤含水量和馬鈴薯產量[38]。本研究結果表明,溝壟二元覆蓋各處理均能提高馬鈴薯產量以及水分利用效率,以DJ、DD處理最高,這是由于地膜和秸稈覆蓋具有顯著的蓄水保墑作用,可抑制土壤水分蒸發,促進作物對水分的高效利用,進而提高作物產量[26,32]。本研究發現DS、DY處理的馬鈴薯產量和水分利用效率與CK差異顯著。這與王建武等[39]和段義忠等[40]的研究結果相似。王朝云等[41]研究表明,麻地膜覆蓋能改善土壤環境,促進作物生長,并提高作物產量,這與本研究結果基本相同。本研究中,DM處理下馬鈴薯產量與對照差異顯著,這可能與麻地膜的降解物對土壤具有一定的培肥作用有關[42]。

4 結論

溝壟二元覆蓋模式能有效改善馬鈴薯生育期土壤水分狀況,其中壟覆地膜溝覆秸稈處理的0～200 cm土層土壤蓄水量較CK顯著增加,保水效果顯著。不同溝壟二元覆蓋種植模式下0～200 cm土層土壤含水量隨土層的加深而逐漸降低,整個生育期內,各土層土壤含水量以DJ處理最高。各處理下馬鈴薯各生育階段耗水量、耗水強度、耗水模系數不同,總體表現為前期耗水量、耗水強度、耗水模系數小,中期最大,后期逐漸減小。不同溝壟二元覆蓋模式能夠提高馬鈴薯產量和水分利用效率,以壟覆地膜溝覆秸稈和壟覆地膜溝覆地膜處理的增產效果最佳。綜上,壟覆地膜溝覆秸稈能調控馬鈴薯階段耗水,其增產和提高作物水分利用效率效果顯著,可作為寧南旱作馬鈴薯覆膜栽培的高產模式。