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杨成存，黄金文，韩凡香，包正育，柴守玺，程宏波，马建涛，黄彩霞，常 磊
(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学 农学院，兰州 730070；
2.兰州城市学院 城市环境学院，兰州 730070；
3.甘肃农业大学 生命科学技术学院，兰州 730070；
4.甘肃农业大学 水利水电工程学院，兰州 730070)
西北半干旱雨养农业区降水资源有限且利用率低，降雨少且时空分布不均，土壤水分亏缺是限制旱作区农作物高产稳产的首要因素。因此，如何抑制土壤蒸发、保墒蓄水是提升旱作区作物产量和降水利用效率的关键[1]。
马铃薯是西北半干旱区的主栽作物之一，常年播种面积达75万hm2，位居全国第二[2]。目前，旱作区马铃薯生产主要以地膜覆盖种植为主，该技术的广泛应用，极大地提升了马铃薯产量及水分利用效率。诸多研究证实[3-7]，地膜覆盖具有较好的抑蒸保墒效果，能显著提高马铃薯生育期内土壤水分16.4%～77.1%，进而能提高产量19.7%～73.3%。但地膜覆盖在保墒的同时也明显增加了膜下土壤温度[8]，在马铃薯生长后期，膜下长期的高温高湿环境不利于块茎增长及淀粉积累，易造成减产。此外，聚乙烯地膜的长期使用会致使农田“白色污染”加重，已不符合当前绿色可持续农业发展方向[9]。近年来，秸秆覆盖种植技术逐渐被运用于旱农区作物生产中，有研究发现[10-13]，秸秆覆盖具有显著的调温保墒及提高作物产量的作用。在西北旱地冬小麦生产中，秸秆覆盖能显著提高冬小麦全生育期土壤水分 10.0%～16.2%，进而产量提高19.0%～52.1%，水分利用效率提高16.1%～61.0%[14-16]。在马铃薯生产上，秸秆覆盖可显著提高马铃薯生育期内土壤水分，能显著使马铃薯增产10.5%～34.2%[17-18]。但秸秆覆盖的增产效应也受覆盖时间、方式及生态区气候的影响较大。
甘肃旱作区玉米常年种植面积为80 万hm2[19]，玉米秸秆资源丰富，仅30%利用于饲料，大量的玉米秸秆闲置，堆放于庄前屋后，存在着安全隐患，秸秆的资源化利用问题受到更广泛的关注[20-21]。近年来，甘肃农业大学干旱生境作物学国家重点实验室作物高产高效栽培和生态生理研究团队研发的利用玉米秸秆进行局部覆盖的栽培技术得以推广应用，能明显增加马铃薯产量 10.5%～34.2%[22]，但之前对马铃薯增产效应的研究多以秋季地表覆盖为主，对于不同覆盖时期及覆盖方式下马铃薯产量效应的对比研究较少，且土壤温度监测均使用曲管式地温计，未能起到对土壤温度的连续监测，为此，本研究设置不同地表时期覆盖(春季覆盖和秋季覆盖)及覆盖方式(秸秆带状覆盖和地膜覆盖)，以传统露地平作为对照，并使用电子地温计连续监测土壤温度的动态变化，研究不同覆盖时期及覆盖方式对旱地马铃薯土壤水热变化及产量的影响，旨在进一步明确和探究旱地马铃薯秸秆带状覆盖技术的增产机理，为旱地马铃薯高产栽培及农业可持续发展提供理论依据和技术支持。
1.1 试验地概况
试验于2018—2019年在甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地(35°11′ N，105°19′ E)进行，该区域属中温带半干旱气候，年均气温和海拔分别为7.2 ℃和1 750 m，年日照时数和无霜期分别为2 100～2 430 h和120～170 d，为典型半干旱雨养农业区，为一年一熟区。多年平均降水量390.7 mm，且60%以上的降雨集中于7—9月。试验区土壤为黄绵土，0～2.0 m土体土壤平均体积质量为1.25 g/cm3。0～20 cm耕作层土壤含有机质11.72 g/kg、全氮0.79 g/kg、速效磷 11.63 mg/kg、速效钾122.7 mg/kg、pH为 8.5。2018年和2019年马铃薯生育期内有效降水分别为364.8 mm和423.9 mm，较常年分别多74.3 mm和18.6 mm，均属丰水年份(图1)。
图1 2018-2019年马铃薯全生育期降水量及大气温度
1.2 试验设计
试验设秸秆带状秋覆盖(FSM)、黑膜大垄秋覆盖(FPM)、秸秆带状春覆盖(SSM)、黑膜大垄春覆盖(SPM)和露地平作(CK)共5个处理，3次重复，采用随机区组排列，小区面积90 m2(长 18 m×5 m)。具体处理如下：
FSM：分60 cm的秸秆覆盖带和90 cm的种植带，相间排列。秸秆覆盖带采用玉米整秆秋季进行覆盖，覆盖量约5.25×104株/hm2，折合风干秸秆重约9×103kg/hm2，约为1 hm2旱地玉米秸秆量；
每种植带在距离秸秆覆盖边缘5 cm处呈“品”字型穴播3行马铃薯，总带宽150 cm，株距38 cm，行距26 cm。
SSM：秸秆覆盖带采用玉米整秆春季进行覆盖，覆盖量及种植方式同秋覆盖处理(FSM)。
FPM：使用聚乙烯黑色地膜(幅宽120 cm，厚度 0.01 mm)地面起大垄秋季进行覆膜，大垄宽约100 cm，垄高10 cm，垄沟宽约20 cm，在大垄两侧呈“品”字型穴播2行马铃薯，垄宽120 cm，株距32 cm，行距60 cm。
SPM：使用聚乙烯黑色地膜地面起大垄春季进行覆膜，种植方式同秋覆盖处理(FPM)。
露地平作(CK)：传统不覆盖平作，播种时呈“品”字型穴播2行马铃薯，株距32 cm，行距 60 cm。
各处理播种密度均为5.25×104株/hm2。两个马铃薯生长季均在播种前7 d对试验地进行深翻1次(耕深0.3 m)，旋耕1次(耕深0.2 m)，后进行覆膜、覆秆。各小区施纯氮120 kg/hm2、P2O590 kg/hm2，全部作为基肥在深翻旋耕前一次性施入，马铃薯生育期内不再追肥。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤含水量 用土钻法分别在马铃薯苗期、现蕾期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期按0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200 cm共8个土层，在各处理马铃薯植株间取土样，在(105±0.5)℃的恒温下用烘干法测定土壤质量含水量。
土壤质量含水量=(土壤鲜质量―烘干土质量)/烘干土质量×100%
1.3.2 土壤贮水量 贮水量按公式W=h×ρ×ω×10 计算，式中：h为土层深度(cm)；
ρ为土壤体积质量(g/cm3)；
ω为土壤质量含水量(%)；
W为土壤贮水量(mm)。全生育期土壤平均贮水量为各生育时期土壤贮水量的算术平均值。
1.3.3 土壤温度 采用iButton温度记录仪(美国Dallas半导体公司)，设置为连续间隔1 h记录监测马铃薯土壤5 cm、15 cm和25 cm 3个土层昼夜温度变化。
1.3.4 水分利用效率 耗水量按公式ET=(W1-W2)+P计算，式中：ET是马铃薯生育期内耗水量(mm)；
P是有效降雨量(马铃薯生长时期≥5 mm)；
W1是播前土壤贮水量(mm)；
W2是收获时土壤贮水量(mm)。水分利用效率按公式WUE=Y/ET计算，式中：WUE是水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；
Y是干薯产量(kg/hm2)；
ET是生育期总耗水量(mm)。
1.3.5 经济效益 成熟期按小区收获计产，按当地市场价，马铃薯商品薯1.5元/kg，非商品薯 0.6元/kg，总经济收益为商品薯与非商品薯的经济收益之和。
1.3.6 产量测定 在马铃薯收获前，各处理随机选取15株进行室内考种，依据薯质量分大型薯(>150 g)、中型薯(75～150 g)和小型薯(<75 g)，分别调查各等级薯的个数并称量，计算商品薯率。商品薯率=(单薯鲜质量75 g以上的产量/马铃薯总产)×100%。马铃薯成熟时按小区收获计产，折算每公顷产量。
1.4 数据处理
应用Microsoft Excel 2016和SPSS 24.0软件进行试验数据分析，采用Duncan’s法进行差异显著性检验，显著水平为α=0.05。
2.1 覆盖时期和方式对全生育期0～200 cm土壤平均贮水量的影响
由图2可知，覆盖能显著改善马铃薯全生育期0～200 cm土壤平均贮水量，增墒效应地膜覆盖大于秸秆带状覆盖、秋覆盖大于春覆盖。与CK相比，覆盖处理平均增加7.2%，其中，秸秆带状覆盖和地膜覆盖分别较CK显著平均提高 5.8%和8.6%，秋覆盖(9.3%)的增墒幅度大于春覆盖(5.1%)，这是由于秋季地表覆盖能够有效保持秋季降水并减少春季土壤蒸发，秋季覆盖蓄水保墒效果优于春季覆盖。具体讲，2018生长季，与CK相比，秸秆带状覆盖分别平均提高 3.7%，增墒幅度均以秋覆盖(4.4%)大于春覆盖(2.9%)；
地膜覆盖平均提高6.1%，增墒幅度均以秋覆盖(6.9%)大于春覆盖(5.3%)。2019生长季，与CK相比，秸秆带状覆盖平均提高 8.0%，增墒幅度均以秋覆盖(10.7%)大于春覆盖(5.4%)；
地膜覆盖平均提高11.1%，增墒幅度也是秋覆盖(15.2%)大于春覆盖(7.0%)。
不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著，下同
2.2 覆盖时期和方式对各生育时期0～200 cm土壤平均贮水量的影响
由图3可知，覆盖能明显提高马铃薯各生育时期0～200 cm土层平均贮水量。2018年生长季，与CK相比，FPM和SPM处理分别平均提高10.0%和7.5%，受降水影响，各生育期仅淀粉积累期存在差异，FSM较CK显著提高6.7%，其他时期各处理间无显著差异。各时期，地膜覆盖与秸秆带状覆盖差异不显著。2019年生长季，覆盖处理能普遍提高马铃薯各生育时期土壤贮水量，与CK相比，FSM和FPM处理均能显著提高不同生育时期土壤贮水量，平均较CK提高 11.0%～15.4%。SSM处理仅在现蕾期、块茎膨大期和淀粉积累期存在显著差异，分别增加 7.2%、8.6%和5.5%，其他时期与CK无显著差异。而SPM处理除在成熟期与CK无显著差异外，其余时期均显著高于CK，平均增加13.9%～20.2%。同样，地膜覆盖与秸秆带状覆盖无显著差异。可见，秸秆带状覆盖具有与地膜覆盖相似的增墒效果，但无论是秸秆带状覆盖还是地膜覆盖，其增墒效应均以秋季覆盖大于春季覆盖，这主要是由于秋季覆盖抑蒸保墒效果明显，能够有效增加降水入渗并有效阻止土壤水分蒸发，秋季覆盖抑蒸保墒效果更优于春季覆盖。
ST.苗期；
BT.现蕾期；
TE.块茎膨大期；
SA.淀粉积累期；
MT.成熟期。下同
2.3 覆盖时期和方式对全生育期0～25 cm土层平均温度的影响
地表覆盖显著影响土壤温度变化(图4)，秸秆带状覆盖全生育期具有明显的降温效应，地膜覆盖则存在增温效应。与CK相比，秸秆带状覆盖平均降低0.7 ℃，降温幅度秋覆盖(0.8 ℃)大于春覆盖(0.5 ℃)，同时，地膜覆盖平均增温 0.5 ℃，增温幅度秋覆盖(0.5 ℃)小于春覆盖(0.6 ℃)，主要原因在于地膜覆盖在地表形成一层物理阻隔层，阻绝土壤热量散失，使得土壤温度得以保持，而秸秆带状覆盖能够有效阻止太阳辐射直接到达地面，使土壤温度在昼夜间变化更为平缓，缩小昼夜温差，明显平抑了土壤温度波动 变化。
图4 不同处理下2018—2019年马铃薯各生育时期0～25 cm土壤平均温度
具体看，2018年生长季，与CK相比，秸秆带状覆盖具有普遍的降温效应，FSM和SSM处理均能显著降低各生育时期土壤温度，分别降低 0.3～1.1 ℃和0.1～0.8 ℃，其FSM处理在淀粉积累期降温幅度最大，较CK降温1.1 ℃，秋覆盖大于春覆盖。地膜覆盖存在增温和降温双重效应，FPM处理除淀粉积累期降温外，其余各生育时期存在明显增温效应，平均较CK增温0.1～1.2 ℃；
SPM处理在块茎膨大和淀粉积累分别显著降温0.4 ℃、0.6 ℃，苗期、现蕾期和成熟期分别增温1.3 ℃、0.4 ℃和0.2 ℃。2019年生长季，秸秆带状覆盖具有明显的降温效应，与CK相比，FSM和SSM处理分别降低0.4～1.8 ℃和0.5～1.4 ℃,其FSM处理苗期降温幅度最大，较CK降温1.8 ℃，秋覆盖大于春覆盖。地膜覆盖具有普遍的增温效应，与CK相比，FPM和SPM处理分别增加0.1～1.1 ℃和0.2～1.7 ℃，其SPM处理在苗期增温幅度最大，较CK增温1.7 ℃，春覆盖大于秋覆盖。可见，覆盖能显著影响马铃薯各生育时期0～25 cm土层平均温度变化，且秸秆带状覆盖的降温效应，秋覆盖大于春覆盖，地膜覆盖增温效应，秋覆盖明显小于春覆盖。
2.4 覆盖时期和方式对马铃薯产量及水分利用效率的影响
覆盖种植可显著提高马铃薯干薯产量、鲜薯产量和水分利用效率(表1)，秸秆带状覆盖和地膜覆盖分别平均较CK增加干薯产量和鲜薯产量7.6%、22.6%和9.8%、25.3%，增产幅度秋覆盖(19.9%)大于春覆盖(12.7%)。这主要是由于地膜覆盖主要促进了马铃薯出苗，加快了生育进程，显著提高马铃薯单薯质量，而秸秆带状覆盖能显著提高马铃薯单株结薯数，从而提高了马铃薯产量。地膜覆盖与秸秆覆盖均能显著改善土壤水热环境，但秋季地膜覆盖与秸秆覆盖抑蒸保墒效果优于春季覆盖，从而使秋季覆盖增产效果大于春季覆盖。具体来看，在2018生长季，与CK相比，秸秆带状覆盖和地膜覆盖干薯产量和鲜薯产量分别增产11.9%、32.3%和10.8%、32.6%，增产幅度依次为FPM(33.9%)>SPM(31.0%)>FSM(12.2%)>SSM(10.5%)。在2019生长季，仅FPM处理干薯产量和鲜薯产量较CK显著增产 24.1%和27.1%，其他处理与CK均无显著差异。
表1 不同处理下2018-2019年马铃薯产量及水分利用效率的变化
覆盖能明显提高马铃薯水分利用效率，覆盖处理干薯水分利用效率平均提高4.8%～13.5%。2018生长季，FSM、SSM处理干薯水分利用效率与CK均无显著差异，而FPM、SPM处理较CK显著提高21.3%和20.1%。2019生长季，FSM和FPM较CK显著提高1.7%和 14.8%，SSM和SPM与CK均无显著差异。
覆盖增产的主要原因是显著提高了马铃薯单株结薯数和单薯质量。两个生长季，覆盖处理单薯质量和单株结薯数分别提高2.6%～38.4%、6.1%～16.4%。具体讲，在2018生长季，与CK相比，单株结薯数各处理与CK无显著差异，单薯质量除SSM与CK无显著差异外，FSM、FPM、和SPM处理分别增加13.8%、36.1%和38.4%。商品薯率较CK的增幅依次为SPM(18.4%)>FPM(16.4%)>FSM(15.0%)>SSM(11.1%)，2019生长季，与CK相比，单株结薯数FSM和SSM分别显著提高6.8%和16.4%，而FPM和SPM分别降低9.6%和9.6%；
单薯质量FSM和SSM分别显著增加13.8%和8.2%，FPM和SPM，较CK显著增加26.1%和23.5%。单薯质量的增加有利马铃薯商品薯率的提高，商品薯率较CK的增幅依次为SPM(15.4%)>FPM(12.7%)>FSM(10.2%)>SSM(9.0%)。
2.5 土壤水热与马铃薯产量的相关性
两年试验中全生育期土壤贮水量与马铃薯单薯质量(r=0.796**)、干薯产量(r=0.822**)和鲜薯产量(r=0.846**)关系最密切；
全生育期土壤温度与马铃薯干薯产量(r=0.589*)和鲜薯产量(r=0.596*)呈显著相关，而与单薯质量(r=0.846**)和单株结薯数(r=-0.856**)关系最显著(表 2)。表明，覆盖后土壤贮水量的增加对马铃薯干薯产量和鲜薯产量的提高显著高于温度变化引起的差异；
覆盖后秸秆带状覆盖的降温效应有利于提高马铃薯单株结薯数和淀粉积累，进而提高产量。可见，覆盖种植马铃薯增产的原因主要是通过提高马铃薯单株结薯和单薯质量数来实现，秸秆带状覆盖的降温保墒效应有利于马铃薯淀粉积累，更有利于马铃薯块茎生长，进而提高马铃薯产量，这也是半干旱区秸秆带状覆盖种植马铃薯较CK显著增产的重要机制。
表2 不同覆盖处理下马铃薯全生育土壤水热与产量及产量要素的相关性
2.6 覆盖时期和方式对马铃薯经济效益的影响
本研究中，秸秆带状覆盖是将大量的闲置废弃的玉米秸秆就地利用，因此将秸秆投入成本按0元/hm2计算。由表3可知，两个生长季中，FSM和SSM均能明显提高马铃薯纯经济收益和产投比且最高；
FPM和SPM虽能明显增加各品种马铃薯纯经济收益，但其产投比普遍不如FSM和SSM。具体表现为：2018生长季，与CK相比，FSM和SSM分别增加纯收入和产投比34.6%、30.9%和39.2%、36.3%，FPM和SPM分别增加纯收入44.5%和41.7%，但产投比基本一致。2019生长季，与CK相比，FSM和SSM处理分别增加纯收入和产投比26.5%、22.3%和35.9%、32.3%，FPM和SPM分别增加纯收入31.4%和6.8%，FPM增加20.1%，而SPM降低纯收入 4.5%，FPM和SPM降低产投比6.0%和 18.5%。秸秆带状秋覆盖与地膜秋覆盖纯经济收益更优于春覆盖，地膜覆盖处理的产投比明显低于CK，可见，与CK相比，秸秆带状覆盖在马铃薯上是节本且高效的种植技术。
表3 不同处理下2018—2019年马铃薯经济效益分析
3.1 覆盖时期和方式对土壤水热的影响
覆盖栽培能够提高自然降水的有效利用，减少地表蒸发，改善土壤墒情，蓄水保墒作用显著，从而影响旱地马铃薯田土壤水热环境，但不同覆盖方式和时期对土壤水热的影响不同。李娜娜等[23]研究表明，地膜秸秆二元覆盖能够集雨提墒，有效阻止水分蒸发，增强旱地作物对深层土壤水分上升和利用，有利于加快水分在土壤-植物-大气间的运转。霍轶珍等[24]研究发现，秸秆覆盖能抑制土壤蒸发，增加降水入渗，能够显著改善马铃薯生育期土壤水分。本研究表明，地膜和秸秆覆盖处理其土壤增墒都显著高于露地平作，增墒作用显著，在马铃薯全生育期，由于地膜覆盖阻止了土壤水分的蒸发，促进了作物对土壤深层水分的调用，秸秆覆盖可降低地表蒸发，具有明显的保水效应，这与李辉等[25]研究结果一致。夏芳琴等[26]研究表明，秋季覆盖能够保持秋季降水并减少春季土壤蒸发，秋季覆盖蓄水保墒效果优于春季覆盖，这与本研究结果相似。地膜覆盖对马铃薯生育期土壤具有显著的增温效果，玉米秸秆覆盖具有显著的降温效果[27]。玉米秸秆覆盖种植在平衡土壤温度方面效果明显，且玉米秸秆覆盖能够很好地降低马铃薯生育期地表温度，有利于马铃薯生长[28]；
Wu等[29]采用传统水银地温计在玉米各生育时期测定土壤温度，研究表明，地膜覆盖能提高玉米生育期的土壤温度，从而提高出苗率，加快生长进程。但本研究采用电子温度计在马铃薯全生育期连续监测土壤温度，结果表明，地膜覆盖增温效果明显，但温度过高不利于马铃薯薯块的形成与膨大；
而秸秆带状覆盖较露地平作降温效果显著，能够明显抑制土壤温度波动变化，这是由于秸秆带状覆盖能够有效阻止太阳辐射直接到达地面，使土壤温度在昼夜间变化更为平缓，更有利于马铃薯块茎的形成与膨大，且地膜秋覆盖的土壤增温效果更优于春覆盖，秸秆带状秋覆盖的土壤降温效果更优于春覆盖，这与张淑敏等[30]和Chen等[10]的研究结果一致。
3.2 覆盖时期和方式对马铃薯产量及水分利用效率的影响
覆盖栽培能够更有效地保持和利用水分，在降雨有限水平下，能够显著提高产量和水分利用效率[31-33]。Zhang等[34]研究表明，覆盖措施对土壤水分有效利用、降水利用和作物生产力均有显著的促进作用，显著提高了玉米籽粒产量、水分利用效率。Hou等[35]在干旱条件下，秸秆覆盖在提高马铃薯块茎产量和水分利用效率方面均优于地膜覆盖。这与本研究结果不一致，原因可能是本研究两年试验都在丰水年份进行，降雨充沛，具有良好的水热环境，地膜覆盖促进了马铃薯出苗，加快了生育进程，显著提高马铃薯单薯质量，秸秆带状覆盖在马铃薯块茎膨大期和淀粉积累期降温幅度较大，显著提高马铃薯单株结薯数，从而提高了马铃薯产量。邓浩亮等[36]研究表明，地膜覆盖种植可以显著改善玉米土壤水热环境，增温保墒效果显著，进而显著提高玉米产量和水分利用效率。本研究结果表明，覆盖处理均能显著提高产量和水分利用效率，且秋覆盖提高幅度更优于春覆盖，这与普雪可等[37]和毛安然等[38]的研究结果一致。Li等[39]研究表明，地膜覆盖和秸秆覆盖能分别使马铃薯增产24.3%和16.0%，水分利用效率分别提高28.7%和5.6%。本研究得到相似结论，即秸秆带状覆盖和地膜覆盖能够显著改善土壤水热环境，显著提高旱地马铃薯产量及水分利用效率，且秋覆盖的产量和经济效益更优于春覆盖，其中秸秆带状秋覆盖具有较高的经济效益。
从田间实际生产角度考虑，甘肃中部马铃薯主产区都以小农户为主，秸秆带状覆盖技术采用人工覆盖秸秆的方式，依靠现有小型机械即可完成，充分利用了闲置的玉米秸秆资源，从而避免秸秆焚烧引起的安全问题及环境污染。与人工覆盖地膜相比，甘肃中部马铃薯主产区的小农户大部分还是需要多人合作进行人工覆盖地膜，收获时需人工清理地膜，而相比秸秆带状覆盖技术，其操作更为简单、方便、快捷，可显著降低劳动强度和投入成本。
覆盖种植能明显调控马铃薯全生育期土壤温度，秸秆带状覆盖能明显降低马铃薯全生育期土壤温度0.5～0.8 ℃，降温幅度秋覆盖大于春覆盖，而地膜覆盖则增加了马铃薯全生育期土壤温度0.5～0.6 ℃，增温幅度春覆盖大于秋覆盖。秸秆带状覆盖和地膜覆盖均具有显著的蓄水保墒作用，分别显著较CK提高马铃薯全生育期0～200 cm土层土壤水分5.8%和8.6%，产量7.6%和22.6%及水分利用效率4.8%和13.5%，且增墒、增产幅度秋覆盖大于春覆盖。秸秆带状覆盖具有降温、增墒作用，这正好利于西北半干旱雨养农业区马铃薯生长发育，增产效果明显，是适宜于西北半干旱区推广应用。
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