滴灌條件下覆膜熱效益及其對馬鈴薯生長的影響

張友良 王鳳新 聶 唯 馮紹元

(1.揚州大學水利科學與工程學院， 揚州 225009； 2.中國農業大學中國農業水問題研究中心， 北京 100083；3.新津縣水務局， 成都 611430)

0 引言

覆膜廣泛應用于種植棉花[1]、玉米[2-4]、馬鈴薯[5-6]等作物，它可以改變輻射的傳輸過程[7-9]、提高土壤溫度[10-12]、減少土壤蒸發[13-14]、改善根系養分吸收[15]等。膜下滴灌是滴灌與覆膜的有機結合，采用該技術可以調控田間地上、地下水熱環境，進而利于作物出苗[16]、促進作物生長[17]、提高產量和水分利用效率[18-19]。

馬鈴薯是世界第四大糧食作物[20]，相較于水稻、玉米和小麥，馬鈴薯可以利用相同的水分生產出更多的膳食能量[21]，并且馬鈴薯是促進健康的抗氧化劑的來源，具有很好的營養價值[22]。但是，馬鈴薯根系淺，對水熱環境反應較為敏感[23-25]。調控田間水熱環境是馬鈴薯生產中需要解決的難題。膜下滴灌是調控馬鈴薯田間水熱環境較好的選擇，相關研究已證明，膜下滴灌可以提高馬鈴薯產量和水分利用效率、改善馬鈴薯品質[6,11,26-27]。

薄膜光學性質是影響覆膜熱效益的關鍵因素，不同薄膜產生的熱效益不同，對作物生長的影響也不同[28-29]。已有研究表明，黑色薄膜的太陽輻射吸收率大于透明薄膜，其冠層凈輻射大于透明薄膜[28，30]；透明薄膜的太陽輻射透射率大于黑色薄膜，因而更有利于加熱土壤，透明薄膜覆蓋的土壤溫度和土壤熱通量大于黑色薄膜[29]。但也有研究發現，黑色薄膜覆蓋的土壤溫度和土壤熱通量高于透明薄膜[31]，這可能因為不同研究薄膜與土壤之間的間隙不同，間隙小時有利于熱量向土壤傳輸，使得黑色薄膜覆蓋下的土壤溫度和土壤熱通量較大[7,32]。不同薄膜覆蓋對作物的影響也不相同，有研究表明，黑色薄膜覆蓋比透明薄膜覆蓋更有利于產量提高[33-34]，但也有研究認為，透明薄膜對提高產量優于黑色薄膜[35]，這主要因為不同地區、不同氣候條件下的薄膜覆蓋熱效應不同[29]。因此，有必要進一步研究不同地區透明薄膜和黑色薄膜在膜下滴灌條件下產生的熱效應及其對馬鈴薯生長的影響。本文研究透明薄膜和黑色薄膜在甘肅和山東地區的覆蓋熱效應及其對馬鈴薯生長的影響，以期為這兩個地區膜下滴灌馬鈴薯種植提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2015年4—8月，在甘肅省武威市涼州區中國農業大學石羊河實驗站(北緯37°52′，東經102°51′，海拔1 581 m)進行田間試驗。該試驗區屬于典型溫帶大陸性氣候，其光熱資源豐富，利于農作物生長，其年日照時數大于3 000 h，大于0℃積溫超過3 550℃，多年平均氣溫為8℃，無霜期大于150 d。但試驗區水資源緊缺，蒸發量大且降雨稀少，多年平均A類蒸發皿水面蒸發量接近2 000 mm，年降雨量為164 mm。土壤質地主要為砂壤土，0～100 cm深度土壤平均干容重為1.53 g/cm3。

2017年3—7月，在山東省日照市嵐山區中國農業大學特色馬鈴薯優質高產試驗示范基地(北緯35°25′，東經118°59′，海拔131 m)進行田間試驗。該試驗區屬于暖溫帶濕潤季風氣候，其年均日照時數為2 533 h，多年平均氣溫為13.2℃，無霜期213 d，多年平均降雨量為897 mm。土壤質地主要為砂壤土，0～60 cm深度土壤平均干容重為1.50 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗設置3種薄膜覆蓋處理：透明薄膜(CF)、不覆膜(NF)和黑色薄膜(BF)。每個處理設3個重復，共9個小區，小區為完全隨機布置。灌溉方式均為地表滴灌，滴灌系統采用支管加輔管，每個小區由壓力表、閘閥和水表控制滴灌系統的工作壓力和灌水量。滴灌帶滴頭流量為1.38 L/h，流量變異系數為1.99%，滴灌帶間距為20 cm，壁厚0.4 mm，直徑16 mm。滴灌系統安裝完成后，覆蓋薄膜，薄膜厚度為0.008 mm。薄膜覆蓋為全覆蓋，壟溝位置覆蓋2～5 cm厚的土，用于固定薄膜。壟溝兩端設置小埂，防止徑流流出小區外。

灌水開始時間由負壓計控制。每個處理的兩個小區安裝有負壓計，測量滴灌帶正下方20 cm土壤深度處的土壤基質勢，當負壓計讀數平均值達到-25 kPa時開始灌溉，灌水定額計算式為

m=h(θa-θb)p/η

(1)

式中m——灌水定額，mm

h——計劃濕潤層深度，取500 mm

θa——灌水后土壤含水率(田間持水率)，2015年為0.27 cm3/cm3，2017年為0.26 cm3/cm3

θb——灌水前土壤含水率(田間持水率的70%)，cm3/cm3

p——滴灌濕潤比，2015年為55%，2017年為50%

η——滴灌系統灌溉水利用系數，取0.97

1.3 試驗材料

2015年馬鈴薯品種為克新1號，采用起壟種植，每個小區7壟，壟寬0.8 m，壟高0.2 m，小區長6 m，寬5.6 m，面積33.6 m2。將馬鈴薯種薯(原種脫毒)切塊種植，株距為0.3 m。馬鈴薯種植時間為4月15日，收獲時間為8月20日，生育期劃分見表1。施肥量為氮肥(N)185 kg/hm2、磷肥(P2O5)231 kg/hm2、鉀肥(K2O)117 kg/hm2。

2017年馬鈴薯品種為荷蘭十五號，采用起壟種植，一壟雙行，每個小區8壟，壟寬0.9 m，壟高0.2 m，寬行行距0.6 m，窄行行距0.3 m，小區長6.4 m，寬7.2 m，面積46.08 m2。將馬鈴薯種薯(原種脫毒)切塊種植，株距為0.4 m。馬鈴薯種植時間為3月14日，收獲時間為7月9日，生育期劃分見表1。施肥量為氮肥(N)147 kg/hm2、磷肥(P2O5)82 kg/hm2、鉀肥(K2O)385 kg/hm2。

表1 2015年和2017年馬鈴薯生育期劃分Tab.1 Division of potato growth stage in 2015 and 2017

1.4 測定項目與方法

氣象數據：利用標準氣象站監測太陽總輻射、壓強、風速、大氣溫度、相對濕度、降雨等，氣象站安裝高度為距地面2 m。

冠層凈輻射和土壤熱通量：分別于每個處理的一個小區安裝凈輻射計(NR Lite2型，Kipp&Zonen，荷蘭)，監測冠層上方的凈輻射，安裝高度為距壟頂1 m。分別于每個處理的一個小區，在距壟頂5 cm土壤深度位置安裝土壤熱通量板(HFP01型，Hukseflux，荷蘭)，監測土壤熱通量。將凈輻射計和土壤熱通量板連接于數據采集器(CR1000型，Campbell Scientific Inc.，美國)，采集數據間隔為10 s，計算并存儲每10 min的數據。

土壤溫度：分別于每個處理的一個小區，利用土壤水分溫度傳感器(FDS120型，北京聯創思源測控技術有限公司生產)監測距壟頂10、20、30、50 cm深度處的土壤溫度，每個小區的傳感器連接到數據采集器(SMC6108型，北京聯創思源測控技術有限公司生產)，采集數據間隔為10 s，計算并存儲每10 min的數據。

耗水量：利用水量平衡法計算馬鈴薯耗水量，其計算公式為

ETc=I+P-ΔS-R-D

(2)

式中ETc——馬鈴薯耗水量，mm

I——灌水量，mmP——降雨量，mm

ΔS——土壤儲水量變化量，mm

R——地表徑流量，mm

D——根區以下土壤深層滲漏量，mm

其中土壤儲水量變化量ΔS采用烘干法測量，在馬鈴薯種植前和收獲后，分別在每個小區的壟頂、壟側、壟溝利用土鉆取土，取土深度為：0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～90 cm，將土樣裝入鋁盒稱量，然后用烘箱在105℃烘干至恒定質量并稱量，即可得土壤質量含水率，將其乘以土壤干容重即得土壤體積含水率。因該地區降雨量小且灌溉方式為滴灌，灌水量小，忽略地表徑流量和土壤深層滲漏量。

株高：馬鈴薯植株高度是指地上莖基部到生長點的距離。在每個小區標記10株馬鈴薯測量其株高，用鋼卷尺每7d測一次，在馬鈴薯生長旺盛期加測，直至馬鈴薯葉片開始衰老倒伏。

產量與塊莖分級：收獲時取每個小區的中間3壟馬鈴薯測量產量。每個小區2015年取10株、2017年取30株馬鈴薯的塊莖進行塊莖分級。

1.5 數據處理

對不同處理的植株株高、塊莖個數、塊莖質量、耗水量、產量進行方差分析，其處理的顯著性差異由F檢驗確定，處理間顯著性差異由新復極差法(Duncan 多重比較法)確定。采用統計軟件SPSS(version 20 for Windows，SPSS Inc.,美國)進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 覆膜對凈輻射的影響

不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯各生育期凈輻射典型天日變化如圖1所示，總體上，覆膜對凈輻射的影響白天大于夜晚，生育前期大于生育后期。2015年和2017年的試驗都表明，BF處理的凈輻射大于CF和NF處理。CF處理的凈輻射在2015年的芽條生長期、苗期、塊莖形成期小于NF處理，生育期后期差異不大，而在2017年除成熟期外，其他生育期高于NF處理。2015年各處理各典型天在12:40—14:50達到凈輻射最大值，各處理達到最大值的時間差異不大，在芽條生長期、苗期、塊莖形成期、塊莖增長期和成熟期BF處理的最大凈輻射比NF處理分別高12%、12%、1%、6%、7%，比CF處理分別高26%、18%、8%、5%、5%；在芽條生長期、苗期和塊莖形成期CF處理比NF處理分別低11%、5%、6%。2017年各處理各典型天在12:00—12:50達到凈輻射最大值，各處理達到最大值的時間差異不大，在芽條生長期、苗期、塊莖形成期、塊莖增長期和成熟期BF處理的最大凈輻射比NF處理分別高22%、15%、6%、3%、3%，比CF處理分別高11%、9%、4%、1%、5%；在芽條生長期、苗期、塊莖形成期、塊莖增長期CF處理比NF處理分別高10%、5%、1%、2%，而成熟期CF處理比NF處理稍低(2%)。

圖1 不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯各生育期凈輻射典型天日變化曲線Fig.1 Typical diurnal variations of net radiation of different mulching treatments in different potato growth stages

2.2 覆膜對土壤熱通量的影響

不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯各生育期10 cm深度處土壤熱通量典型天日變化如圖2所示，總體上，在生育前期(芽條生長期和苗期)各處理10 cm深度處白天的土壤熱通量CF處理最大，晚上則最低，隨著冠層生長，生育中期各處理土壤熱通量差異減小，隨著冠層衰老，成熟期各處理的土壤熱通量差異逐漸增大。在生育前期，10 cm深度處土壤熱通量最大值2015年CF處理比BF和NF處理分別高66%和129%，2017年則為57%和91%；土壤熱通量最小值2015年CF處理比BF和NF處理分別低57%和68%，2017年土壤熱通量差異較小。BF處理的土壤熱通量在生育期白天總體上大于NF處理，但晚上差異較小。

圖2 不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯各生育期10 cm深度處土壤熱通量典型天日變化曲線Fig.2 Typical diurnal variation of soil heat flux at 10 cm soil depth of different mulching treatments in different potato growth stages

2.3 覆膜對土壤溫度的影響

2015年和2017年不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯各生育期不同深度處土壤溫度典型天日變化如圖3、4所示，各處理不同生育期和不同深度的土壤溫度變化趨勢一致，在生育前期(芽條生長期和苗期)10～30 cm深度土壤溫度日變化隨氣溫而變化，但在50 cm深度土壤溫度幾乎不隨氣溫波動，隨著冠層生長在生育期中期10～30 cm深度土壤溫度日變化隨氣溫變化減小，而在成熟期隨著冠層衰老，10～30 cm深度土壤溫度日變化隨氣溫變化逐漸增大。

圖3 2015年甘肅地區不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯各生育期不同深度處土壤溫度典型天日變化曲線Fig.3 Typical diurnal variations of soil temperature at different depths of different mulching treatments in 2015 in different potato growth stages

圖4 2017年山東地區不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯各生育期不同深度處土壤溫度典型天日變化曲線Fig.4 Typical diurnal variations of soil temperature at different soil depths of different mulching treatments in 2017 in different potato growth stages

總體上，各處理土壤溫度隨冠層生長而差異減小，隨冠層衰老而差異增加。CF處理的土壤溫度高于BF和NF處理，生育前期差異最大，生育中期差異減小，在生育中期CF處理的土壤溫度甚至比BF和NF處理稍低。2015年，芽條生長期和苗期CF處理10～50 cm土壤深度處的日最大溫度比BF處理高29%，比NF處理分別高31%和29%，BF處理芽條生長期比NF處理高2%而苗期相同；兩生育期CF處理10～50 cm土壤深度處的日最低土壤溫度比BF處理分別高13%和15%，比NF處理分別高16%和22%，BF處理比NF處理分別高3%和7%。2017年各處理土壤溫度間的差異小于2015年。2017年，芽條生長期和苗期CF處理10～50 cm土壤深度處的日最大溫度比BF處理分別高22%和4%，比NF處理分別高21%和9%，BF處理比NF處理分別低1%和高5%；兩生育期CF處理10～50 cm土壤深度處的日最低土壤溫度比BF處理分別高15%和3%，比NF處理分別高19%和4%，BF處理比NF處理分別高5%和2%。

2.4 覆膜對塊莖分級的影響

不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯塊莖分級如圖5(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著，P<0.05)所示，總體上，CF處理的大塊莖(M≥300 g，M為塊莖質量)質量和個數都大于BF和NF處理，BF處理的中等塊莖(300 g>M≥100 g)質量和個數都大于CF和NF處理，NF處理的小塊莖(M<100 g)質量和個數大于BF和CF處理，只有2015年覆膜處理大塊莖個數與不覆膜處理之間存在顯著性差異。例如，2015年BF和CF處理大塊莖質量(個數)比NF處理分別大60%(67%)和78%(73%)，而2017年BF處理的大塊莖質量(個數)比NF處理小12%(10%)，CF處理比NF處理大9%(10%)。

圖5 不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯塊莖分級(個數和質量)Fig.5 Potato tuber grade (number and mass) of different mulching treatments

2.5 覆膜對耗水量、產量及水分利用效率的影響

不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯全生育期耗水量、產量和水分利用效率如表2、3所示，2015年和2017年不同處理的耗水量、產量和水分利用效率規律不一致。2015年覆膜處理的灌水量和耗水量少于不覆膜處理，而2017年結果則相反，其中2015年CF和BF處理的耗水量比NF處理分別少13%和6%，而2017年CF和BF處理的耗水量比NF處理分別多5%和4%。2015年BF處理的耗水量顯著高于CF處理。2015年CF和BF處理的馬鈴薯產量比NF處理分別多32%和33%，且存在顯著性差異，而2017年各處理的產量沒有顯著性差異，CF和BF處理的產量比NF處理分別少4.08%和4.02%。2015年CF和BF處理馬鈴薯水分利用效率顯著高于NF處理(分別高51%和42%)，而2017年各處理間沒有顯著性差異。

3 討論

3.1 覆膜對凈輻射、土壤熱通量及土壤溫度的影響

覆膜通過影響水熱在土壤-作物-大氣系統的傳輸而影響凈輻射、土壤熱通量及土壤溫度的時空分布。不同薄膜材料由于其光學性質不同而影響水熱傳輸，進而影響凈輻射、土壤熱通量和土壤溫度[17,30-31]。生育前期影響凈輻射、土壤熱通量和土壤溫度的因素主要是薄膜光學性質[36]。本研究中隨著冠層生長，裸露的薄膜面積減少，覆膜的熱效應減小，而生育后期隨著冠層衰老，裸露的薄膜面積增大，覆膜的熱效應逐漸增大。因此，生育前期(芽條生長期和苗期)不同處理凈輻射、土壤熱通量和土壤溫度的差異大，生育中期(塊莖形成期和塊莖增長期)差異減小，成熟期差異逐漸增大。

黑色薄膜由于其輻射吸收率大于透明薄膜和不覆膜，導致黑色薄膜處理的凈輻射大于透明薄膜和不覆膜處理[28,31]。透明薄膜處理由于其輻射反射率大于裸土，其凈輻射低于不覆膜[17]。本研究BF處理的凈輻射高于CF和NF處理，尤其是在馬鈴薯芽條生長期和苗期。但是CF處理的凈輻射在2015年低于NF處理，這與FAN等[17]的研究結果一致。但是2017年CF處理的凈輻射高于NF處理，這主要是因為NF處理的凈輻射受土壤質地及土壤含水率的影響，從而導致不同地區CF處理和NF處理凈輻射的差異不同。透明薄膜相較于黑色薄膜其輻射透射率大，白天CF處理的土壤熱通量和土壤溫度高于BF處理，而BONACHELA等[31]的研究結果表明，CF處理的土壤熱通量和土壤溫度低于BF處理，這主要是由于薄膜與土壤之間的空隙影響薄膜與土壤之間的熱傳輸導致的[7]。覆膜相較于不覆膜可以減少蒸發潛熱，從而提高土壤溫度[7,37]。本研究表明覆膜可以提高土壤熱通量和土壤溫度，并且CF的增溫效果優于BF，2015年甘肅地區的增溫效果優于2017年山東地區。

3.2 覆膜對馬鈴薯塊莖分級、產量、耗水量及水分利用效率的影響

覆膜能增溫保墑[38-39]，促進作物生長，增加產量、改善品質和提高水分利用效率[35,40-41]。但在不同地區覆膜的熱效應及其對作物的影響也不一樣[29]。2015年，甘肅地區BF和CF處理的大塊莖(M≥300 g)高于NF處理，但是2017年山東地區CF和BF處理與NF處理相差不多，甚至少于NF處理。這主要是由于在甘肅地區覆膜熱效應比山東地區明顯。2015年不覆膜處理的耗水多于BF和CF處理，但2017年則是不覆膜處理的耗水少于覆膜處理，WANG等[5]研究發現，不同地區覆膜處理與不覆膜處理耗水存在差異，這主要是因為在甘肅地區降雨少蒸發量大導致不覆膜處理的耗水增加。2015年BF和CF處理的馬鈴薯產量和水分利用效率顯著高于NF處理，這與YANG等[42]的研究結果一致。BF處理和CF處理的馬鈴薯產量和水分利用效率則沒有顯著性差異，這與趙愛琴等[43]基于Meta-analysis的不同覆膜顏色對馬鈴薯產量影響的研究一致。但是2017年覆膜處理與不覆膜處理的產量和水分利用效率都沒有顯著性差異。這表明覆膜在甘肅地區可以顯著提高馬鈴薯產量和水分利用效率，且透明薄膜可以減少馬鈴薯耗水；在山東地區覆膜對于馬鈴薯產量和水分利用效率的影響不顯著，這可能是由于山東地區相對甘肅地區更暖和，馬鈴薯生長受溫度脅迫影響較小，因而覆膜的熱效應不顯著。

表2 不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯全生育期耗水量Tab.2 Evapotranspiration during whole potato growth stage of different mulching treatments mm

表3 不同薄膜覆蓋處理馬鈴薯產量和水分利用效率Tab.3 Potato yield and water use efficiency of different mulching treatments

4 結論

(1)BF處理的凈輻射大于NF和CF處理，CF處理的凈輻射可能高于、也可能低于NF處理。2015年BF處理在芽條生長期和苗期的凈輻射最大值均比NF處理高12%，2017年則分別高22%和15%。

(2)各處理土壤熱通量和土壤溫度的差異在馬鈴薯芽條生長期和苗期最大，在塊莖形成期和塊莖增長期減小，在成熟期又逐漸增大。2015年，CF處理10 cm深度處的土壤熱通量最大值比BF處理和NF處理分別高66%和129%，2017年則分別為57%和91%。CF處理的土壤溫度高于BF和NF處理，但在塊莖形成期和塊莖增長期CF處理的土壤溫度稍低于BF和NF處理，2017年山東地區各處理土壤溫度間的差異小于2015年甘肅地區。

(3)2015年甘肅地區覆膜可以顯著提高馬鈴薯產量和水分利用效率，CF處理的耗水顯著低于BF處理，但2017年山東地區覆膜對提高馬鈴薯產量和水分利用效率沒有顯著影響。甘肅地區覆膜的熱效應和對提高馬鈴薯產量和水分利用效率的影響顯著優于山東地區，建議甘肅地區采用透明薄膜覆蓋馬鈴薯種植方式。