華北旱地覆膜對春甘薯田土壤溫度和水分的效應

劉勝堯　張立峰　賈建明等

摘要：以華北地區春甘薯為供試作物進行大田試驗，研究地膜覆蓋對其土壤水分、溫度的影響。結果表明：與裸地相比，覆膜處理0～25 cm土層平均增溫1.64～3.33 ℃，地積溫增加194.8 ℃，生育期延長8.2 d。覆膜處理自栽秧到栽后35 d的保水與增溫效應促進了春甘薯生長，其水分利用率（WUE）較裸地提高104.3%。但在雨季來臨前的干旱期，土壤因快速蒸散而失水，供水土層深達100 cm，水分脅迫覆膜和裸地處理WUE較前期分別降低63%、27%，產生奢侈耗水現象。進入雨季后，各處理土體先后復水，并產生過飽滲漏；覆膜不利降水蒸發，同時會降低土壤氣體交換，使春甘薯WUE、產量降低3.8%、1.78%，所以在汛期覆膜不利于春甘薯生長發育，會造成減產。

關鍵詞：華北地區；覆膜；土壤水分；春甘薯；土壤溫度；產量；水分利用率

中圖分類號： S152.7；S531.04 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0287-06

中國是世界第一甘薯種植大國，目前種植面積已達 616萬hm2/年左右，占世界總面積的67%[1]，其中河北省種植面積達30多萬 hm2/年，主要分布在中北部、山區丘陵地帶、土壤貧瘠灌溉條件不發達地區[2]，該區春季干旱少雨、蒸發量大，氣溫不穩，冷害頻發；夏季降雨集中，水澇頻現[3-4]，“春旱、夏澇、秋吊”限制了該區域農田生產力。因此，發展以水分保持和高效利用為主的甘薯種植，對保障與提高該地區糧食產量和農民收入具有重要意義。

目前，地膜覆蓋技術已在我國西北、東北地區和華北北部大面積應用[5-14]。經研究發現，地膜覆蓋能夠顯著改善耕層土壤水熱狀況[5-7]，增加土壤微生物，增強土壤酶活性，活化土壤養分，顯著提高養分有效性[11-16]。馬忠明等認為，西北地區全膜覆蓋能提溫2.2 ℃，提高耕層水分含量2%，加快旱砂田西瓜的生長，蔓長、葉綠素含量和葉面積指數均明顯高于CK，且其產量較CK高145. 81%[5]。杜雄等認為，冀西北高原飼用玉米地膜覆蓋可使干物質增產 23.8%，水分利用率（WUE）提高 10%以上，同時還能提高氮利用率，改善飼用玉米品質[7]。王彩絨等認為，在高氮高密條件下，覆膜處理能提高西北半濕潤易旱地區冬小麥的生物產量和籽粒產量，分別為 39.5%、28.9%；耗水量比裸地多34.8 mm，顯著增強了對深層水分的利用，WUE達 43.7 kg/（mm·hm2）[8]。王罕博等認為，在西北地區覆膜能夠降低春玉米田蒸散量和棵間蒸發量，分別達 6.0%、57.7%，增加經濟產量和生物產量 237%、15.1%，提高水分利用率22.6%[9]。付文娥等認為，地膜覆蓋能促進甘薯早期生長發育，使緩苗分枝期、封壟期提前2～3、3～4 d，比裸地增產21.2%，大中薯率比裸地高110%[10]。關于甘薯覆膜效果的研究主要集中在覆膜對甘薯生長、生理和產量的影響方面，關于覆膜對甘薯田水分時空分布規律和甘薯耗水規律的研究未見報道。因此，筆者通過田間試驗對華北地區旱作春甘薯覆膜環境下的土壤溫度、水分時空變化、水分利用率進行較系統的研究，以明確華北地區旱作覆膜春甘薯田耗水特征，深度揭示春甘薯水分利用規律，為提高華北地區春甘薯產量的技術創新提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2012年5—10月在河北省農林科學院石家莊市鹿泉區大河鎮綜合試驗站進行，該區屬溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，四季分明，日均氣溫 13.6 ℃，年降水量 536 mm，降水主要集中在 7—8月；日照時數 2 554 h，無霜期 230 d。試驗地土壤為黏壤質洪沖積石灰性褐土，0～100 cm土體土壤容重1.49 g/cm3，田間持水量21.17%，凋萎含水量 11.0%；耕層土壤含有機質1.96%、全氮0.10%、速效氮 8610 mg/kg、速效磷 32.75 mg/kg、速效鉀 185.40 mg/kg，pH 值 7.74。試驗期間氣溫、日照狀況如圖1所示。

1.2 試驗設計

試驗設2個處理，壟作裸地（帶寬60 cm，每帶起底寬 40 cm、頂部寬25 cm，高15 cm的小壟，壟上栽秧，株距 37 cm）、壟作覆膜（帶寬60 cm，每帶起底寬 40 cm、頂部寬 25 cm，高15 cm 的小壟，用 90 cm 寬的地膜全部覆膜溝壟，在壟底部打直徑為0.3 cm的小孔，便于雨水滲入），重復3次，小區面積54 m2，隨機區組排列。壟上栽秧，株距37 cm。

春甘薯品種冀薯99由河北省農林科學院糧油作物研究所提供。栽秧前旋耕整地并施底肥，肥料為包衣緩釋肥（N ∶P2O5 ∶K2O=15% ∶15% ∶15%），用量為900 kg/hm2。春甘薯生長期間按常規管理，整個生育期不灌溉，于5月1日栽植。

1.3 測定項目與方法

春甘薯各生育階段的發育進程與形態指標見表1。

1.3.1 土壤溫度的測定

用地溫計在 08：00、14：00、20：00 時分別測定 5、10、15、20、25 cm 土層溫度，從5月1日開始一直到收獲期定期測定；在分枝結薯期選某一晴天（本研究為6月8日）08：00—20：00每隔2 h監測地溫變化情況。

1.3.2 土壤水分含量的測定

從5月1日栽秧起到10月17日收獲止，在春甘薯各生育階段每小區取 0～100 cm 土層土樣，每 10 cm 取1個樣，采用烘干法測定土壤水分。土壤含水量（mm）=土層厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×10×[水質量（g）/干土質量（g）]÷水密度（g/cm3）；春甘薯各生育階段田間耗水量（mm）=本生育階段初土壤含水量+降水量-本生育階段末土壤含水量。endprint

1.3.3 春甘薯取樣測定

分別于6月5日、6月20日、7月3日、7月27日、8月26日、9月26日和10月17日在每個小區采集具有代表性的植株樣品10株，鮮樣分器官擦洗干凈，在105 ℃下殺青30 min，再在80 ℃下烘干至恒質量，測生物量。成熟期按小區測定各處理產量。

1.3.4 氣象參數

氣象數據來源于河北省農林科學院石家莊市鹿泉區大河鎮綜合試驗站氣象站的常規測定數據。

2 結果與分析

2.1 華北旱地覆膜對春甘薯田地溫的影響

由圖2可以看出，覆膜和裸地處理的地溫變化分為3個階段：第一階段為發根緩苗期至分枝結薯期（栽后60 d），2個處理的地溫隨時間的推移振蕩式升高，其中覆膜處理的地溫明顯高于裸地處理。0～25 cm土層平均地溫較裸地高1.64～3.33 ℃；5月、6月春甘薯葉面積指數小，地面裸露，同時降水少、日照時間長，增加了對太陽輻射熱的吸收，覆膜后保溫效應顯著，土壤升溫快，夜間減少了土壤中熱量的散失，保持了地溫相對穩定，此階段覆膜增溫有利于春甘薯快速緩苗、早發。第二階段為薯蔓同長期（栽后61 d）到薯塊盛長期（栽后120 d），春甘薯葉面積指數升高，同時降水量增加、日照時數減少，地溫保持穩定，此時期春甘薯塊根開始膨大，較低的地溫有利于塊根發育，由于春甘薯封壟遮蓋，因此覆膜增溫效應降低，覆膜和裸地處理差異不明顯。第三階段為薯塊盛長期（栽后121 d）至收獲期，此階段地溫穩定下降，晝夜溫差加大，較低的地溫有利于薯塊快速膨大。監測結果表明，該階段覆膜和裸地處理的地溫差異不明顯，這與薯蔓的地面遮陰有關。

進一步分析0～25 cm土壤平均積溫（表2）可知，覆膜處理地積溫明顯高于裸地。與裸地處理相比，覆膜春甘薯生育期內地積溫增加190.36 ℃；以裸地0～25 cm日均地溫估算各處理生長季效應，相應覆膜處理延長生長季達8.2 d。監測結果表明，地積溫隨土層加深而降低，覆膜增溫土層可達 25 cm。其中，5 cm土層增溫最多，較裸地積溫增加 262.79 ℃，延長生長季達10.4 d；15 cm土層增加141.90 ℃，延長生長季達 5.9 d。

2.2 華北旱地覆膜對春甘薯田土壤水分時空運動的影響

2.2.1 春甘薯田土壤貯水量時序變化特征

由圖4可知，從栽秧（5月1日）至栽秧后33 d（6月3日），土壤貯水量緩速下降。裸地處理消耗土壤貯水28.9 mm，覆膜處理消耗土壤貯水14.9 mm，比裸地處理少耗水48.4%。說明此階段春甘薯植株葉面積指數低，地面裸露土壤耗水以土壤蒸發為主，覆膜處理可以有效保水。栽后34～53 d（6月4—23日），土壤貯水量急劇下降至最低谷，其間覆膜處理土壤供水量高達 103.2 mm，0～100 cm土體貯水量只剩193.6 mm，只有田間持水量的56.1%，其間迅速增溫與降水少成為春甘薯田土壤貯水高額蒸散的主要外因。覆膜處理土壤貯水量比裸地處理少13.6 mm，分枝結薯期春甘薯覆膜處理的快速生長成為土壤貯水高額消耗的主要內因。從栽秧后54 d至栽秧后80 d（6月24日至7月20日），土壤貯水量小幅提升后保持穩定。該階段華北地區降水量增加，一定程度上緩解了土壤干旱程度；春甘薯葉面積指數達到最高，田間以作物蒸騰耗水為主，覆膜保水作用甚微。各處理土壤貯水量差別減小，覆膜處理土壤貯水量仍比裸地處理低2.1 mm。從栽后81 d至栽后113 d（7月21日至8月22日），土壤貯水量處于增加階段，該階段為華北平原主汛期，降水補給是土壤貯水恢復的主要原因。此時，各處理土壤貯水接近飽和，土壤通透性降低，覆膜阻礙春甘薯根系呼吸，不利于春甘薯薯塊發育。從栽后114 d至收獲期（8月23日至10月17日）降水量減少，同時土壤耗水以作物蒸騰為主；隨著時間的推移，土壤貯水量降低，覆膜處理對水分影響效應降低，土壤貯水差異較小。覆膜處理的土壤貯水量比裸地處理低10.6 mm。此時，覆膜處理和裸地處理0～100 cm土壤貯水量在221.3～232.3 mm，是田間持水量的64.2%～67.3%，為春甘薯薯塊生長的最適土壤濕度。

2.2.2 春甘薯田生育期內0～100 cm土壤水分垂直分布

受農田蒸散耗水和降水的影響，春甘薯生育期內0～100 cm土體水分經歷消耗、恢復與滲漏過程。在栽后33 d，由于降水稀少，裸地處理0～60 cm土層作為主要供水層呈現消耗過程，其中0～40 cm 供水占春甘薯田耗水量的56.6%；覆膜處理0～40 cm土層作為主要供水層呈現消耗過程，0～30 cm 供水占春甘薯田耗水量的43.5%。可見，覆膜能有效減少土水消耗。栽后42 d，土體貯水持續消耗，供水層深至100 cm。在栽后53 d覆膜處理60～100 cm土層供水占田間耗水量的49.0%，較裸地處理高9.3百分點。可見，覆膜能促進深層土體水分的供給，為春甘薯提高抗旱能力提供保障。

栽后61 d，土體水分變化處于耗水與復水的交叉點，隨著降水量的增加，0～70 cm土體水分含量開始恢復；與6月23日比較，70～100 cm土層耗水11.3～12.8 mm，可見這天土層貯水仍處于消耗過程中。

栽后80～113 d（7 月20日至8月22日），華北平原進入主汛期，各處理土體水分先后恢復，并出現過飽滲漏。至栽后101 d，0～100 cm土體含水量達到田間持水量的94.8%～96.9%，接近飽和，一直持續到栽后113 d，土壤含水量始終接近飽和狀態，同時過飽和水產生滲漏回補土壤深層水。覆膜處理在此期間由于土壤漬水、通透性差，使春甘薯生長受阻，導致葉面積指數降低。在春甘薯的土體水分恢復期，地膜覆蓋非但不能促進土壤蓄水作用，還會降低土壤的通透性，從而影響春甘薯的生長。

栽后114 d至收獲期，汛期結束，降水減少，日照時數增加，土壤水分減少，有利于薯塊生長，此階段耗水以作物蒸騰耗水為主，覆膜處理由于前期土壤漬水降低葉面積指數，而降低了土壤淺層耗水。栽后139 d（9月17日），0～80 cm耗水比裸地處理少12.6 mm。至收獲日，由于土壤環境適合春甘薯生長，覆膜處理葉面積進一步恢復，耗水量增加，0～100 cm土壤耗水總量比裸地處理高47%（圖5）。endprint

2.2.3 春甘薯田各生育時段耗水特征

覆膜處理春甘薯全生育期耗水量和平均耗水強度與裸地處理差異不明顯（表3），而階段耗水量和耗水強度受覆膜明顯影響，表現為覆膜處理耗水量較裸地處理緩發根苗期少、分枝結薯期多、薯蔓同長期少、收獲期多的趨勢。在栽秧至栽后33 d，覆膜的耗水強度低于裸地處理26.9%，相應少耗水14.2 mm，可見覆膜能有效阻隔地面蒸發，起保水作用。栽后34～61 d春甘薯株體迅速生長，耗水強度大幅增加，覆膜處理比裸地處理耗水強度高49.7%，耗水量相應增加18.9 mm。覆膜能改善土壤溫度與水分環境，使春甘薯生長加快、生育期提前，更大的株體蒸騰量導致較高的耗水強度。栽后62～80 d，各處耗水強度均有所降低，在3.2～3.6 mm/d之間。該階段降水量多、日照時間短（圖1），植株葉面積達最大，從而導致株間蒸發量降低。栽后81 d到收獲各處理耗水強度進一步降低，這與多降水、少日照的氣象環境降低了春甘薯田蒸散潛勢有關。表3表明，栽后101～113 d（8月10—22日）各處理耗水強度高達69～8.0 mm/d，栽后114～139 d（8月17至9月17日）處理耗水強度高達4.5～5.1 mm/d，這與高強度降水致使土壤水分滲漏有關。可見，覆膜處理旱季保水效果明顯，而雨季降低土壤氣體交換，抑制根系呼吸，降低春甘薯生長速率。

2.3 華北旱地覆膜對春甘薯田各時段水分利用效率的影響

以覆膜春甘薯的生育階段為時間標準，比較不同時段間各處理的春甘薯水分利用效果，結果見表4。從栽秧到栽后35 d（5月1日至6 月 5日），覆膜處理由于顯著的增溫效應使春甘薯生產量比裸地處理高49.4%；地膜的保水作用使春甘薯田耗水減少，WUE提高104.3%。按照裸地水分利用效率評估覆膜處理的水分運動特征計算，相當于多供水 40.32 mm。可見，覆膜能實現保水與增產的雙贏。

栽后36～50 d隨著溫度快速上升，春甘薯田蒸散加劇。由于較高的土體貯水與春甘薯生物量基礎，覆膜處理的耗水量比裸地處理高32.4%，其相應生產量增加37.6%，WUE較裸地處理增加3.87%。與裸地處理的 WUE相比，覆膜處理相當于多供4.4 mm。與栽秧到栽后35 d相比，栽后35～50 d覆膜和裸地處理水分利用效率分別降低63%和27%，說明該階段產生奢侈耗水效應，這與該階段降水少、耗水多、土壤水分含量低有關，該階段應實施灌溉措施。

栽后51～63 d期間降水78.92 mm，明顯多于春甘薯田耗水量，覆膜處理WUE比裸地高26.4%，土體呈儲水狀態，這與降水量增加、光照降低和葉面積指數增加有關。栽后64～87 d 降水量少于田間耗水量，覆膜再現保水效果，覆膜處理耗水量比裸地處理低15.9%，其間覆膜春甘薯生產量比裸地處理低5.8%。

栽后88～149 d，降水量增加，使各處理土體水分先后恢復，田間耗水量主要取決于大氣蒸發量，使處理間耗水量差異很小。覆膜處理的田間漬水抑制土壤氣體交換，加重春甘薯水澇脅迫，覆膜處理的春甘薯生產效率低于裸地處理，與裸地處理相比，其生產量、耗水量、WUE分別降低17.86%、58%、12.8%，相當于多耗水69.9 mm，覆膜處理表現出嚴重的奢侈耗水效應，這與覆膜加重水澇脅迫而致生產量降低有關，因此應在雨季采取揭膜措施。

栽后150 d到收獲，雨季過后土壤濕度和溫度降低，有利于春甘薯生長，覆膜處理生長加快，其生物產量、耗水量比裸地處理高3.9%、19.34 mm，WUE降低29.6%，顯現嚴重的奢侈耗水效應。

春甘薯全生育期間（5月1日至10月17日）降水量4608 mm，由于后期降水充足，處理間耗水量437.9～446.7 mm，差異不明顯。覆膜生物產量較裸地處理提高011%，但經濟產量降低1.78%，WUE降低3.8%，相當于多耗水20.69 mm。由于后期水澇，覆膜并未產生增產效應。

3 討論

3.1 華北旱地覆膜對春甘薯各生育時期地溫的影響

地膜覆蓋能有效增加地溫，尤其在積溫不足的地區與春季土壤升溫緩慢的環境下，覆膜栽培具有顯著促進作物生育與增產效果[6-8]。本試驗結果表明，自春甘薯栽秧到分枝結薯期，0～25 cm土層覆膜增溫效果明顯。但是面向華北平原區的一熟春甘薯生產，只有在5 月春甘薯發根緩苗期溫度低而不穩定，覆膜增溫促長效果顯著；進入6月，氣溫迅速升高，覆膜后0～10 cm土層達40.5 ℃高溫已經明顯超過了春甘薯根系發育30 ℃的適溫閾值[17]，并且6月的穩定干旱期間[18]，膜內的高溫增加了土壤水分的蒸發潛勢，通過秧孔、破洞的水分噴發則會加重旱情，這可能是本試驗栽后33～53 d（6 月3日～6月23日）覆膜處理土體快速失水的重要原因。因此，探索只保水不增溫的覆蓋方式對于華北平原區非積溫限制下的春甘薯高產具有重要意義。唐繼軍等對土下地膜覆蓋方式的探索[19-20]，對于農田保水平溫的生產實踐具有參照作用。

3.2 華北旱地覆膜對春甘薯田不同時段耗水特性的影響

農田耗水由作物蒸騰和土壤蒸發兩部分構成，與環境及作物生長狀況等密切相關，同時具有時空特性[21]。本研究覆膜處理與裸地處理間總耗水量和平均耗水強度差異不明顯，然而春甘薯生育前期覆膜所保蓄的土壤水分確有延時供水效果[7]，但13.6 mm的蓄保水分在6月穩定干旱期5.7 mm/d耗水強度下2 d即消耗殆盡，土面覆膜非但難以遏制春季的高額蒸散力，為后期增產奠定基礎，相反還會加重土體干旱而對春甘薯生產造成負面影響[22]。同時，雨季覆膜處理不僅會減少表土層水分蒸發量，降低土壤空氣含量，還會阻礙土壤的氣體交換[23]，不利于春甘薯生長[24]，從而造成薯蔓同長期生物產量低于裸地處理。

3.3 華北旱地覆膜對春甘薯水分利用效率的影響endprint

干旱-半干旱地區農田生產效果的重要評價指標是WUE[25]。本試驗結果表明，華北平原區春甘薯田自栽秧到栽后35 d，在土壤91.0%田間持水量的背景下，覆膜春甘薯呈現了較裸地高出32.4%的WUE，然而在栽后36～50 d，2個處理WUE出現了階段性明顯降低，分別降低63%、27%，說明該生育期間出現奢侈耗水的現象[7]；這種奢侈耗水的現象同樣出現在薯蔓同長期，覆膜處理奢侈耗水量高于裸地處理。奢侈耗水降低了WUE，從而浪費了水資源[26-27]，其原因在于土壤貯水-作物耗水兩者間的供求時序失衡[25]。本試驗中分枝結薯期間的奢侈耗水，與覆膜處理較高生物量產生的高額蒸騰耗水有關，同時與接近土壤萎蔫系數（11.0%）的較低土壤含水量（13.3%）有關[7，25]；薯蔓同長期奢侈耗水與土壤濕度大造成大量落葉有關，而收獲期覆膜處理的奢侈耗水則與覆膜處理較高的地上莖葉生物量有關。因此，建立作物需水-土壤供水的全協調互依性調控機制，成為提高農田水分利用效率的關鍵[25]。

4 結論

甘薯生育前期，華北平原區春甘薯覆膜處理土壤增溫明顯，覆膜處理0～25 cm土層較裸地處理平均增溫1.64～3.33 ℃，地積溫增加194.8 ℃，延長生育期8.2 d，5 cm地溫最高達40.5 ℃。覆膜處理自栽秧到栽后35 d的保水與增溫效應明顯促進了春甘薯生長，WUE較裸地提高104.3%。但在雨季來臨前的干旱期，土壤快速蒸散而失水，供水土層深達100 cm，進入雨季后的各處理土體先后復水，并產生過飽滲漏；覆膜不利于降水蒸發的同時降低了土壤氣體交換，降低了春甘薯WUE，從而減產1.78%，WUE降低3.8%，相當于多耗水20.69 mm。覆膜在汛期不利于春甘薯生長發育，造成減產，所以旱季采取灌溉措施，雨季應采取揭膜措施。

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