粉壟耕作對土壤水分利用效率和馬鈴薯產量的影響

王斌 何文壽 耿世杰

摘要：為提高水分利用效率及馬鈴薯產量，2019年在寧夏南部山區以青薯9號為試驗材料，設置粉壟耕作F20（耕作深度20 cm）、粉壟耕作F40（耕作深度40 cm）、粉壟耕作F50（耕作深度50 cm）處理并以傳統旋耕C20（耕作深度為20 cm）為對照，探究粉壟耕作對土壤團聚體、水分、馬鈴薯產量及水分利用效率的影響。結果表明，與傳統旋耕相比，粉壟耕作可以顯著增加粒徑在 0.25 mm以上的機械穩定性團聚體數量，改善土壤結構;粉壟耕作可以提高土壤含水率及水分利用效率，F30、F40和F50的水分利用效率顯著高于C20，增量分別為54.76%、70.32%和71.85%;粉壟耕作可以顯著提高馬鈴薯產量和商品薯率，F30、F40和F50的總產量均顯著高于C20，F40和F50的商品薯率顯著高于C20和F30。綜合考慮，寧夏南部山區較適宜的耕作方式為粉壟耕作，推薦粉壟深度為40～50 cm。

關鍵詞：粉壟耕作;團聚體;土壤水分;水分利用效率;馬鈴薯產量

中圖分類號：S532.04?文獻標志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0093-04

馬鈴薯是我國四大糧食作物之一，僅次于水稻、小麥、玉米[1-2]。寧夏作為北方馬鈴薯主產區之一，馬鈴薯已成為該地區糧食生產和脫貧致富的優勢作物。寧夏的馬鈴薯種植主要集中在南部山區，由于缺乏灌溉條件，作物生長基本依靠自然降水，季節性干旱時有發生，而且經過連年旋耕，耕作層變淺、犁底層加厚、土壤保水保肥能力下降，水分利用效率低且不穩定，導致單產偏低。因此，高效利用自然降水、改善土壤結構是提高旱作區作物水分利用效率的重要途徑[3]。粉壟（又稱深旋耕技術）是指根據作物生長需求，利用多個并列垂直螺旋型鉆頭，在高速旋轉下垂直入土旋磨（深度可為30～50 cm）進行調節，使土壤粉碎、自然懸浮成壟，能夠原位粉碎土塊，并且打破犁底層，達到增厚耕作層、疏松深層土壤、提高土壤含水率的目的[4-5]。有研究表明，粉壟可以降低土壤容重，提高土壤水分含量，進而改善土壤結構[6-7]。張緒成等的研究表明，粉壟能夠通過促進土壤供水，增強馬鈴薯個體和群體發育，對馬鈴薯產量和商品率有較明顯的提高作用[8]。因此，本試驗研究傳統旋耕與不同深度粉壟耕作對馬鈴薯水分利用效率與產量的影響，旨在尋求更適宜該地區的耕作方式，為推廣馬鈴薯高效種植模式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點設在西吉縣新營鄉白城村（36°15′N，105°E點），位于寧夏回族自治區南部，六盤山西麓，屬黃土高原干旱丘陵區。年均氣溫12.7 ℃，年均降水量570.2 mm，無霜期達198 d。試驗地土壤類型為侵蝕黑壚土，土壤基本理化性質為有機質含量16.28 g/kg、堿解氮含量74.52 mg/kg、速效磷含量15.34 mg/kg、速效鉀含量132.71 mg/kg、pH值8.33。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種為青薯9號原種，試驗用肥料為尿素（N含量≥46%）、過磷酸鈣（P2O5含量≥12%）、硫酸鉀（K2O含量≥50%）。

1.3 試驗方法

采用單因素隨機區組設計，設置粉壟耕作F30（耕作深度為30 cm）、粉壟耕作F40（耕作深度為 40 cm）、粉壟耕作F50（耕作深度為50 cm）、傳統旋耕C20（耕作深度為20 cm，對照）共4個處理，每個處理3次重復，小區面積為27 m2（9 m×3 m）。采取白膜半覆、雙行種植，膜寬80 cm，行距50 cm，株距40 cm，種植深度15～20 cm，人工種植，用種量 1 800 kg/hm2，密度40 000穴/hm2。2019年4月28日播種、10月2日收獲。供試肥料用量為尿素 390 kg/hm2、過磷酸鈣750 kg/hm2、硫酸鉀 150 kg/hm2;氮肥70%作基肥，30%在現蕾期作追肥。

1.4 項目測定

土壤機械穩定性團聚體：使用S形取土法，在2019年10月初馬鈴薯收獲后，采集0～20 cm、20～40 cm 共2個土層的原狀土樣，帶回實驗室，自然風干后剔除石塊、有機殘體，利用干篩法測定機械穩定性團聚體的粒級分布及穩定性[9]。

土壤含水率：在馬鈴薯苗期（6月20日）、塊莖形成期（7月16日）、塊莖增長期（8月14日）、淀粉積累期（9月10日）、收獲期（10月1日），采用土鉆按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分3層采集土樣，將樣品帶回實驗室后立即測定土壤自然含水率。

馬鈴薯水分利用效率：在馬鈴薯播種前與收獲后，使用環刀取土法分3層（0～20、20～40、40～60 cm）采集土樣測定土壤容重，相關計算公式如下：

式中：WUE為馬鈴薯水分利用效率[kg/（hm2·mm）];Y為產量（kg/hm2）;ET為馬鈴薯耗水量（mm）;P為降水量（mm）;ΔW為馬鈴薯收獲期與播種期的土壤貯水量變化量（mm）;W為土壤貯水量（mm）;h為土層厚度（cm）;b為土壤含水率（%）;a為土壤容重（g/cm3）。

馬鈴薯產量：將各小區的馬鈴薯全部挖出，分別稱質量，按小區記錄馬鈴薯大薯（質量>150 g）、中薯（質量為75～150 g）、小薯（質量>75 g）的產量及薯數，并計算其商品薯率。

1.5 數據分析

采用Excel 2010軟件進行數據整理與圖表制作、SPSS21進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 粉壟耕作對土壤團聚體的影響

采用干篩法獲取的土壤機械穩定性團聚體包括水穩性團聚體和非水穩性團聚體，其組成特征反映了土壤團聚體抵抗機械外力破壞的能力[13]。如表1所示，粉壟條件下粒徑>0.25 mm的機械穩定性團聚體數量（DR0.25）均高于傳統耕作，0～20 cm土層，F30、F40、F50的DR0.25分別較C20顯著提高7.4%、6.5%、8.0%。而相應的，粒徑≤0.25 mm的機械穩定性團聚體數量C20則顯著高于F30、F40、F50。粒徑為0.5～1.0 mm的機械穩定性團聚體數量表現為F30顯著高于C20、F40、F50。20～40 cm 土層，粒徑>0.25 mm的機械穩定性團聚體數量（DR0.25）同樣均高于傳統耕作，并且粒徑為>0.25～0.50 mm的機械穩定性團聚體數量表現為F40、F50顯著高于F30與C20，可見，粉壟對土體有一定的擾動影響，可以提高土壤中中等粒徑團聚體的占比。

2.2 粉壟耕作對馬鈴薯含水率及水分利用效率的影響

2.2.1 粉壟耕作對土壤含水率的影響 由圖1可知，在各處理下，試驗區0～60 cm（養分吸收層）土層的土壤含水率變化趨勢大體一致，并且與相應時間的降水量（圖2）密切相關。從圖2可以看出，8月上旬降水量明顯增加，達到74.5 mm，而此時正值馬鈴薯塊莖增長期，較大的耗水量使土壤含水率反而下降。整體來看，以塊莖增長期為節點，0～60 cm土層的土壤含水率隨馬鈴薯生育期的進行呈現出先降后升的變化趨勢。土壤含水率表現為F50>F40>F30>C20，粉壟耕作下的土壤含水率均高于傳統耕作，粉壟耕作在苗期、塊莖形成期、塊莖增長期、淀粉積累期、收獲期較C20分別高出8.18%～20.23%、17.86%～47.79%、35.85%～58.55%、14.89%～27.11%、7.13%～23.50%，增幅較大，其中以塊莖增長期增幅最大。

2.2.2 粉壟耕作對馬鈴薯水分利用效率的影響 如表2所示，粉壟耕作能夠顯著降低作物耗水量，從而提高水分利用效率。收獲期各處理土壤貯水量表現為F40>F50>F30>C20，但差異不顯著，而F30、F40和F50的作物耗水量分別較C20顯著減少29.76%、34.00%和33.99%，粉壟耕作各處理之間的差異并不顯著。從水分利用效率來看，F30、F40和F50均顯著高于C20，分別提高54.76%、70.32%和71.85%，其中以F40與F50表現為最佳，相比C20的增量達到70%以上，對比F30，F40與F50的水分利用效率有顯著提高。

2.3 粉壟耕作對馬鈴薯產量的影響

表3為不同處理下馬鈴薯產量情況，可以看出，粉壟耕作可以顯著提高馬鈴薯產量，并對商品薯率有一定的影響。F30、F40和F50的總產量顯著高于C20，增量分別為8.56%、12.31%和13.21%，F40與F50的總產量相近。F30、F40和F50的總薯數高于C20，且不同處理間有顯著的差異。不同處理間大薯和中薯的薯數和產量均有顯著差異，具體表現為F30、F40和F50的大薯薯數和產量均顯著高于C20，中薯的薯數和產量為F50>F40>F30>C20。而小薯的薯數表現為F30>C20>F50>F40，產量表現為C20>F30>F40>F50，有一定區別。從馬鈴薯商品率來看，F50>F40>F30>C20，F30與C20之間無較大差異，而F40和F50則顯著高于C20，增量分別為6.53%和6.74%。

3 討論與結論

西吉縣位于寧夏南部山區，海拔高、氣候冷涼，得天獨厚的自然環境使其成為馬鈴薯生產的優勢產區[14]。但由于地處山區，無灌溉條件，土壤結構不穩定，水分利用效率偏低，該地區馬鈴薯單產處于較低水平。

土壤團聚體分布及數量能直接表明土壤結構的抗蝕性和機械穩定性，粉壟耕作能改變土壤團聚體分布特征，顯著增加中團聚體數量[15]，本研究結果表明，粉壟可以顯著提高粒徑>0.25 mm的機械穩定性團聚體的數量，特別是粒徑為>0.25～0.50 mm、>0.5～1.00 mm團聚體的數量。Six等認為，粒徑>0.25 mm的團聚體是土壤中最好的結構體，其含量越多，說明團聚性越好，土壤團聚體越穩定，粉壟可以改善土壤結構[16-17]。

與傳統旋耕相比，粉壟耕作深度達30～50 cm，可以打破犁底層，降低土壤耕層的容重。李軼冰等的研究表明，與傳統旋耕相比，粉壟可改善土壤水分條件[18]。覆蓋地膜可降低土壤跑墑，減少耗水量。隨著粉壟深度的增加，土壤含水率呈上升趨勢，說明作業深度越深越利于降水入滲和土壤水分調蓄。本研究結果表明，粉壟耕作可以顯著降低作物耗水量，提高水分利用效率，且與C20相比，F40和F50的水分利用效率增量較大，均在70%以上。粉壟栽培技術可以增加耕層厚度，改善土壤物理結構，達到提升產量的目的[7，19]。本研究結果表明，相較傳統旋耕，粉壟耕作可顯著提高馬鈴薯產量與商品薯率，且F40和F50增量最大。結合以上分析，粉壟耕作可改善土壤結構，提高水分利用效率，達到增產增收的目的，且以粉壟深度為40～50 cm最佳。

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