不同覆蓋材料對旱地馬鈴薯土壤水分和耗水的影響

劉 青, 馬建濤, 韓凡香, 楊成存, 黃彩霞, 程宏波, 柴守璽, 常 磊

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 蘭州 730070; 2.蘭州城市學(xué)院 地理與環(huán)境工程學(xué)院,蘭州 730070; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院, 蘭州 730070; 4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 蘭州 730070)

西北黃土高原半干旱區(qū)是我國糧油糖和特色農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地,干旱少雨、水資源匱乏嚴(yán)重制約著該區(qū)域農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。覆蓋蓄水技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)外廣泛使用的農(nóng)業(yè)技術(shù),主要包括地膜覆蓋和秸稈覆蓋,具有增溫保濕、保墑的功效,能有效調(diào)控土壤微環(huán)境[1],增產(chǎn)明顯,而地膜覆蓋材料中應(yīng)用最廣的是聚乙烯塑料地膜(PE膜),其主要優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)成本低,提高土壤含水量,顯著改善了農(nóng)作物的水分利用效率,但在自然條件下難降解,隨著地膜投入不斷增加,長期PE膜覆蓋會導(dǎo)致碎片化殘留,影響作物水分、養(yǎng)分吸收利用、阻礙作物根系生長,殘膜逐年積累導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞,存在作物減產(chǎn)的風(fēng)險[2]。因此,尋找既能提高旱地作物產(chǎn)量及水分利用效率,又綠色環(huán)保的覆蓋材料是解決這一問題的關(guān)鍵措施之一。

馬鈴薯是西北旱作區(qū)主要栽培作物和特色作物之一,是我國第四大糧食作物,在甘肅省其種植面積超過6.825×105hm2[3]。目前生產(chǎn)上主要采用覆蓋蓄水技術(shù),不同覆蓋栽培可改善作物土壤環(huán)境,有利于提高馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率。秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能調(diào)控馬鈴薯階段耗水,其增產(chǎn)和提高水分利用效率效果顯著[4-6]。近年來,一些環(huán)保型覆蓋材料先后問世,如新型可降解地膜(光降解、生物降解和光-生物雙降解)和液態(tài)地膜等[7],其中生物可降解地膜是一種可被土壤微生物利用的外源有機(jī)物料,大多可在收獲時被土壤微生物降解[8]。推廣使用可降解地膜可在一定程度上減少白色污染,在玉米[9]、油菜[10]作物上證實(shí)了這一點(diǎn),但由于受到生產(chǎn)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本和其他因素的限制,并未得到廣泛的應(yīng)用和推廣。傳統(tǒng)的秸稈覆蓋在農(nóng)作物播種和收獲過程中往往會給機(jī)械化作業(yè)帶來很大的困難,并且其明顯的降溫作用,使得小麥[11]、玉米等[12]作物生育前期生長緩慢,有減產(chǎn)風(fēng)險;而相比于傳統(tǒng)的秸稈覆蓋模式,碎稈全覆蓋將作物秸稈先進(jìn)行粉碎,再拋撒覆蓋在地表,減少了秸稈腐熟時間,提高秸稈還田的利用效率,并顯著增加了作物產(chǎn)量[13]。張蓉等[14]研究發(fā)現(xiàn),旱地冬小麥種植中,秸稈粉碎覆蓋能顯著改善土壤的水熱條件,有利于小麥生長,進(jìn)而提高了產(chǎn)量;但秸稈粉碎也因機(jī)械的問題存在一定的局限性。而整稈帶狀覆蓋是利用玉米秸稈在田間進(jìn)行局部覆蓋的栽培方式,具有操作簡便的優(yōu)勢,并且其解決了傳統(tǒng)覆蓋降溫和保墑矛盾,能夠有效防止壓苗,抑制水分蒸發(fā),進(jìn)而促進(jìn)作物增產(chǎn),已在小麥[15-16]、馬鈴薯[17]和玉米[18]上推廣應(yīng)用。

目前,在西北黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),生物可降解地膜覆蓋和碎稈全覆蓋對該區(qū)馬鈴薯耗水特性及水分利用效率研究鮮見報道。為此本研究設(shè)置生物可降解地膜覆蓋、普通PE地膜覆蓋、整稈帶狀覆蓋和碎稈全覆蓋4種覆蓋方式,并以傳統(tǒng)露地種植為對照,研究不同覆蓋材料及方式對馬鈴薯土壤水分及耗水規(guī)律等的影響,以期篩選出適合旱地馬鈴薯綠色高效生產(chǎn)模式,為旱地馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)綠色發(fā)展及資源高效利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年在甘肅省通渭縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地(105°19′E,35°11′N)進(jìn)行。該地海拔1 750 m,屬中溫帶半干旱氣候,無霜期120～170 d,年均氣溫7.2℃,年日照時數(shù)2 100～2 430 h。作物一年一熟,為典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。多年平均降水量為390.7 mm,且60%以上集中于7—9月。試驗(yàn)期內(nèi)日降水量與日均氣溫分布如圖1所示,馬鈴薯生育期有效降水量(≥5 mm)為284.6 mm,屬平水年份。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為黃綿土,0—20 cm土壤容重平均為1.25 g/cm3,土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.52 g/kg,速效氮含量為0.65 g/kg,速效磷含量為10.63 mg/kg,速效鉀含量為107.1 mg/kg,pH值為8.5。

圖1 2021年馬鈴薯全生育期日均溫和降水分布Fig. 1 Distribution of average daily temperature and precipitation in potato during the whole growth period in 2021

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個處理,分別為:生物可降解地膜覆蓋(PM1)(蘭州鑫銀環(huán)全生物降解地膜,由生物材料和聚合物構(gòu)成,地膜1.2 m寬,0.008 mm厚)、普通PE地膜覆蓋(PM2)(地膜選用幅寬1.2 m,厚0.01 mm的黑色地膜)、整稈帶狀覆蓋(SM1)、碎稈全覆蓋(SM2)、露地種植(CK),3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。

PM1:全膜覆蓋,大壟寬約100 cm,壟高10 cm,秋季覆蓋,壟溝寬約20 cm,株距32 cm,行距60 cm。

PM2:全膜覆蓋,大壟寬約100 cm,壟高10 cm,秋季覆蓋,壟溝寬約20 cm,株距32 cm,行距60 cm。

SM1:覆蓋帶與種植帶交替布置,覆蓋帶∶種植帶=60 cm∶60 cm,秋季覆蓋,人工將玉米整稈鋪于覆蓋帶上,秸稈覆蓋量約9 000 kg/hm2,每種植帶呈正三角形穴播兩行馬鈴薯,株距32 cm,行距60 cm,總帶寬120 cm。

SM2:秸稈粉碎(切成10～15 cm長)均勻全覆蓋于地表,株距32 cm,行距60 cm,秸稈覆蓋量9 000 kg/hm2,覆蓋度100%。

CK:平作不覆蓋,株距32 cm,行距60 cm。

供試品種為“隴薯10號”,試驗(yàn)布置于前茬小麥?zhǔn)斋@后,所有肥料在秋季整地前作為基肥施入,施純氮120 kg/hm2,P2O5為90 kg/hm2,生育期內(nèi)無追肥。各處理密度和播種深度一致,密度52 500株/hm2,播種深度15 cm,兩行植株錯開呈三角形。田間管理同大田,試驗(yàn)期無灌水,生育期化學(xué)防晚疫病2～3次,定期人工除草,4月下旬播種,10月初收獲。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤水分測定及計(jì)算 于馬鈴薯播種期、苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期,用直徑0.05 m土鉆從馬鈴薯種植行中間取土樣,采用質(zhì)量烘干法測定0—200 cm土層的土壤含水量。

ω=(M1-M2)/M2×100%

(1)

式中:ω為土壤含水量(%);M1為土壤鮮質(zhì)量(g);M2為烘干土質(zhì)量(g)。

1.3.2 產(chǎn)量的測定 于馬鈴薯成熟期每個小區(qū)隨機(jī)取15株進(jìn)行室內(nèi)考種,分別調(diào)查大薯(>150 g)、中薯(75～150 g)、小薯(<75 g)的個數(shù)并稱重,并進(jìn)行產(chǎn)量構(gòu)成要素分析。計(jì)算商品薯率,收獲時按小區(qū)測實(shí)產(chǎn),取3次重復(fù)的平均值折算每公頃產(chǎn)量。

CR=(Y/TY)×100%

(2)

式中:CR為商品薯率(%);Y為單薯75 g以上的產(chǎn)量(kg/hm2);TY為馬鈴薯總產(chǎn)量(kg/hm2)。

1.3.3 土壤貯水量的計(jì)算

W=h×ρ×ω×10

(3)

式中:W為土壤貯水量(mm);h為土層深度(cm);ρ為土壤容重(g/cm3);ω為土壤含水量(%)。

1.3.4 農(nóng)田耗水量的計(jì)算

ET=(W1-W2)+P

(4)

式中:P為馬鈴薯生育期≥5 mm有效降水量;W1,W2分別為某一生育階段初始和結(jié)束時的土壤貯水量(mm)。

1.3.5 水分利用效率的計(jì)算

WUE=TY/ET

(5)

式中:WUE為水分利用效率〔kg/( mm·hm2)〕;TY為作物產(chǎn)量(kg/hm2);ET為生育期有效降水耗水量(mm)。

1.3.6 經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算 成熟期按小區(qū)收獲計(jì)產(chǎn),按當(dāng)?shù)厥袌鰞r,馬鈴薯商品薯2元/kg,非商品薯0.6元/kg,總經(jīng)濟(jì)收益為商品薯與非商品薯的經(jīng)濟(jì)收益之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,并用Sigmaplot 14.0作圖,處理間差異顯著性采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋材料對土壤含水量的影響

2.1.1 全生育期0—200 cm土壤含水量的變化 由圖2可見,覆蓋處理可顯著提高全生育期0—200 cm土層土壤平均含水量5.7%～9.7%,平均增墑幅度地膜覆蓋>秸稈覆蓋。具體來看,與CK相比,SM1,SM2,PM1和PM2處理分別顯著增加了馬鈴薯全生育期0—200 cm土層土壤含水量5.7%,8.0%,9.2%,9.7%。

注:誤差線表示平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3)。不同小寫字母表示0.05水平上差異顯著。圖2 馬鈴薯全生育期0-200 cm土壤平均含水量Fig. 2 Average soil water content capacity of 0-200 cm in the whole growth period of potato

2.1.2 不同生育時期全土層土壤含水量的變化 隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)和作物的生長,各處理土壤含水量總體呈現(xiàn)先升后降再升的趨勢(圖3)。總體上,各處理土壤含水量均以苗期最高,以淀粉積累期最低。具體來看,與CK相比,SM1和SM2處理分別顯著增加了苗期至成熟期土壤水分4.8%～9.0%和5.3%～12.1%,且增幅分別以塊莖膨大期和塊莖形成期最大。地膜覆蓋處理中,PM1和PM2分別顯著較CK增加苗期至成熟階段的土壤含水量8.0%～21.6%和6.2%～19.8%,并且增幅均是淀粉積累期最大。比較各處理時期間變異系數(shù)可知,SM1,SM2,PM1,PM2和CK的CV值分別為15.2%,13.6%,12.1%,14.4%,16.4%,即覆蓋處理能均能較露地對照平抑時期間的土壤水分波動,能為作物生長提供較穩(wěn)定的供水。

注:SW為播種期;BD為苗期;TF為塊莖形成期;TE為塊莖膨大期;SA為淀粉積累期;MT為成熟期。每個土層數(shù)據(jù)上方的誤差線代表LSD0.05。圖3 不同生育時期0-200 cm土層含水量Fig. 3 Soil water content of 0-200 cm soil layer in different growth periods

2.1.3 全生育時期不同土層土壤含水量的變化 隨土層加深,在馬鈴薯全生育期各處理各土層含水量大致呈先升后降再升的趨勢(圖4)。覆蓋處理較對照能顯著提高各土層土壤含水量,平均增幅以下層土壤(120—200 cm)最大(9.0%),上層(0—60 cm)次之(8.5%),以中層土壤(60—120 cm)最小(6.2%)。具體來看,與CK相比,秸稈覆蓋處理平均增加了上層、中層和下層土壤含水量7.8%,4.5%,7.5%,并且上層和中層的增墑幅度均以SM2處理最大,而下層則以SM1處理最大。地膜覆蓋中,PM1和PM2處理分別較CK增加上層、中層和下層土壤含水量7.1%,7.8%,11.9%和11.6%,8.2%,9.0%,且PM1處理在下層呈增幅最大,而PM2處理則在上層最大。分析各處理土層間變異系數(shù)可知,SM1,SM2,PM1,PM2和CK的CV值分別為8.53,6.37,8.59,5.89,6.42,即覆蓋對各處理土壤含水量土層間波動無明顯影響。

注:每個土層數(shù)據(jù)旁邊的誤差線代表LSD0.05,下同。圖4 全生育時期不同土層土壤含水量Fig. 4 Soil water content of different soil layers in the whole growth period

2.1.4 不同土層和生育時期土壤含水量的垂直變化特征 覆蓋對不同時期不同土層的含水量表現(xiàn)為明顯的增墑或降墑效應(yīng)(圖5)。相比于CK,各覆蓋處理增墑或降墑出現(xiàn)的具體時期、土層差異明顯,PM1和PM2處理在淀粉積累期60 cm以下土層增幅最大,分別較CK增墑25.4%,27.5%,降墑幅度最大分別出現(xiàn)在播種期60 cm以下土層和120—200 cm土層,分別較CK降墑6.0%,4.6%。秸稈覆蓋處理中,SM1和SM2處理增幅最大分別出現(xiàn)在塊莖膨大期120—200 cm和60—120 cm土層,分別較CK增墑14.1%,22.8%,而降墑幅度最大分別出現(xiàn)在成熟期60—120 cm土層和播種期120—200 cm土層,分別降墑5.5%,5.0%。

圖5 不同處理下馬鈴薯田0—200 cm土壤含水量垂直變化Fig. 5 Soil water content in 0-200 cm of potato field varied vertically under different treatments

各時期各土層處理間差異總體較大,在播種期至塊莖形成期以及淀粉積累期以0—60 cm土層最大,塊莖膨大期和成熟期則以60—120 cm土層最大;處理間最小差異分別出現(xiàn)在塊莖膨大期、成熟期的0—60 cm土層,播種期、苗期、淀粉積累期的60—120 cm土層,塊莖形成期的120—200 cm土層。總體來看,各時期各土層最大差異出現(xiàn)在不同覆蓋材料之間,且覆蓋處理明顯高于露地對照,即覆蓋栽培具有良好的保墑效果。

2.2 不同覆蓋方式對馬鈴薯耗水量的影響

試驗(yàn)?zāi)甓锐R鈴薯生育期內(nèi)降水少(284.6 mm),馬鈴薯耗水70%以上來自降水量,其余部分來自土壤貯水消耗量(表1)。相比于CK,各覆蓋處理均顯著降低了馬鈴薯全生育期耗水量和土壤貯水消耗量。不同處理馬鈴薯農(nóng)田耗水量較CK的降幅表現(xiàn)為PM1(11.2%)>SM2(10.8%)>PM2(10.5%)>SM1(5.1%),PM1,PM2,SM1,SM2處理下的土壤貯水消耗量分別平均比CK低41.2,38.9,18.7,39.9 mm。耗水組成各處理間存在差異,各覆蓋處理除SM1降水量比例和土壤貯水消耗量比例較CK不顯著,其余各覆蓋處理的降水量比例顯著提高,土壤貯水消耗量比例顯著降低。表明各覆蓋處理下SM1處理的土壤貯水消耗量對農(nóng)田總耗水的貢獻(xiàn)最大。

表1 不同覆蓋方式對馬鈴薯總耗水量及其分配的影響Table 1 Effects of different mulching methods on total water consumption of potato and its distribution

2.3 不同覆蓋方式對馬鈴薯階段耗水量的影響

由表2可知,各處理馬鈴薯全生育時期耗水量表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢,馬鈴薯生育期以塊莖形成期—淀粉積累期階段耗水最高,其次為播種期—塊莖形成期,以淀粉積累期—成熟期耗水最少。具體來看,相比于CK,在馬鈴薯生育前期(播種期—塊莖形成期),各覆蓋處理下馬鈴薯耗水量及耗水比例均明顯降低,降幅分別為25.4%～34.3%,20.2%～26.2%,以SM2處理下降幅最大。馬鈴薯生育中期(塊莖形成期—淀粉積累期),各處理間耗水量無顯著差異,PM1,PM2分別較CK降低耗水10.5%,7.5%,SM1,SM2分別較CK增加耗水6.9%,5.6%;但此階段由于降水量的明顯增加(152.3 mm),各覆蓋處理耗水比例均增加,增幅為0.6%～18.4%,其中SM2處理耗水比例增加最顯著。馬鈴薯生育后期(淀粉積累期—成熟期),此階段是馬鈴薯生殖生長階段,覆蓋對該階段的耗水影響較大,總體表現(xiàn)為地膜覆蓋顯著增加耗水138.4%,且耗水比例增幅為142.3%～195.9%,均以PM1>PM2;而秸稈覆蓋降低耗水及其耗水比例,降幅分別為30.5%～89.2%,25.4%～89.5%,以SM1降幅最小。

表2 馬鈴薯各生育階段耗水量及其占總耗水量的比例Table 2 Water consumption of potato in different growth periods and its proportion in total water consumption

由上述分析可見,地膜覆蓋和秸稈覆蓋都能夠顯著降低馬鈴薯生育前期的土壤耗水,保蓄了更多土壤水分。而不同覆蓋處理下馬鈴薯生育中后期的耗水規(guī)律不盡相同。覆蓋處理能夠調(diào)控生育階段耗水,促進(jìn)馬鈴薯薯塊的形成及淀粉積累,進(jìn)而促進(jìn)增產(chǎn)。

2.4 不同覆蓋方式對馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響

覆蓋顯著提高了馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量和干薯產(chǎn)量(表3),且地膜覆蓋處理中,普通PE地膜覆蓋>生物可降解地膜覆蓋;秸稈覆蓋處理中,碎稈全覆蓋>整稈帶狀覆蓋。具體來看,PM1,PM2,SM1,SM2處理下的鮮薯產(chǎn)量較CK依次提高8.4%,13.3%,5.0%,17.1%,處理間差異均達(dá)到顯著水平;干薯產(chǎn)量分別顯著增加了7.0%,13.5%,9.1%,19.0%。各覆蓋處理間單薯重及商品薯率存在差異,與CK相比,除SM1處理下單薯重降低2.5%,其余各覆蓋處理均增加,增幅為4.4%～39.1%,以PM1處理下增幅最大;商品薯率以PM1和SM2處理較高,分別較CK提高4.4%,2.8%,而PM2和SM1處理較低,分別較CK降低1.2%,0.1%。由處理間變異系數(shù)(CV)可見,覆蓋對單株結(jié)薯數(shù)的影響大于單薯重,可見,覆蓋種植能顯著增加馬鈴薯產(chǎn)量的原因主要是單株結(jié)薯數(shù)的提高,其次是增加了單薯重。

表3 不同處理對馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響Table 3 Effects of different treatments on potato yield and water use efficiency

各覆蓋處理明顯改善土壤水環(huán)境,且調(diào)節(jié)馬鈴薯各生育階段的耗水及比例,進(jìn)而顯著提高水分利用效率。覆蓋處理PM1,PM2,SM1,SM2較CK依次顯著提高水分利用效率20.7%,26.9%,15.0%,33.7%。表明覆蓋處理均能不同程度地提高作物產(chǎn)量及水分利用效率,且PM1處理下單薯重、商品薯率最高,其處理效果最佳;SM1處理下單株結(jié)薯數(shù)最高;SM2處理下產(chǎn)量及水分利用效率最高。

2.5 不同覆蓋方式對馬鈴薯經(jīng)濟(jì)效益的影響

本研究中,各處理每公頃成本中除地膜、人工外,種薯、肥料、農(nóng)藥和機(jī)械的投入相同,由于整稈帶狀覆蓋和碎稈全覆蓋是使用閑置的玉米秸稈,故秸稈投入成本為0元/hm2。同時,由于普通PE地膜覆蓋在馬鈴薯收獲后需要清除殘膜,增加了人工成本,所以普通PE地膜覆蓋的總投入遠(yuǎn)高于可降解膜覆蓋和秸稈覆蓋。由表4可知,覆蓋均可提高馬鈴薯總收入,不同覆蓋處理下馬鈴薯純經(jīng)濟(jì)效益不同,其中,與CK相比,PM1,PM2,SM1,SM2處理的馬鈴薯總收入分別提高8.5%,13.2%,5.0%,17.1%。地膜覆蓋PM1,PM2處理降低馬鈴薯純經(jīng)濟(jì)效益,分別較CK降低32.5%,26.7%,而秸稈覆蓋SM1,SM2處理提高馬鈴薯純經(jīng)濟(jì)效益,分別較CK提高2.0%,10.4%。地膜覆蓋處理的產(chǎn)投比明顯低于CK,且其產(chǎn)投比相近,而秸稈覆蓋處理的產(chǎn)投比與CK相近,其中SM1處理略微高于SM2處理。

表4 不同處理下馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)效益分析Table 4 Analyses on economic benefits of potato under different treatments

3 討 論

3.1 覆蓋對土壤水分的影響

覆膜可減少地表裸露面積,進(jìn)而減少土壤蒸發(fā),而秸稈覆蓋有利于充分利用自然降水并增加土壤水分入滲,可有效抑制棵間土壤的水分蒸發(fā),從而提高土壤含水量[19]。本研究發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋與地膜覆蓋在馬鈴薯全生育時期的土壤含水量顯著(p<0.05)高于對照,這表明覆蓋栽培蓄水保墑,能有效改善馬鈴薯生長發(fā)育的耕層土壤水分,這與Liang等[20]的研究結(jié)果相似。王紅麗等[21]研究表明,黑色地膜覆蓋種植能顯著提高0—200 cm土層土壤蓄水量,對水分狀況具有優(yōu)化作用,這與本研究結(jié)果相似。

本研究中,秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能增加土壤水分,并且增墑效應(yīng)總體表現(xiàn)為地膜覆蓋大于秸稈覆蓋,地膜覆蓋中以普通PE地膜覆蓋增加最多,秸稈覆蓋中以碎稈全覆蓋增加最多,這與陳玉章等[4]的研究結(jié)果一致,即在干旱年份,對于土壤墑情,覆膜優(yōu)于秸稈覆蓋。推測其原因可能是:4種不同覆蓋材料本身存在的差異,地膜覆蓋基本為全封閉覆蓋,能夠有效阻斷大氣與膜下水分的流通,抑制土壤水分的蒸發(fā),此外,由于生物可降解地膜后期產(chǎn)生分解性,或其膜分子、膜孔隙度較大,導(dǎo)致生物可降解地膜覆蓋的土壤水分略低于普通PE地膜覆蓋;而整稈帶狀覆蓋為半封閉式覆蓋,其蒸散程度比地膜覆蓋高,更有利于雨水下滲至更深土層[22],碎稈全覆蓋是將秸稈粉碎后直接鋪于地表,能有效減少地表水分蒸發(fā),儲存降水,因此馬鈴薯地膜覆蓋土壤含水量明顯高于秸稈覆蓋,且碎稈覆蓋好于整稈覆蓋。在本試驗(yàn)中,除播種期,其他各生育時期各覆蓋處理0—200 cm土層含水量普遍比CK高,這與劉戰(zhàn)東等[23]的研究結(jié)果相似。

3.2 覆蓋對馬鈴薯生育期耗水的影響

不同耕作覆蓋措施及不同生育階段降水量的分布影響土壤水分及耗水量的變化[24]。相關(guān)研究表明[6,22],在馬鈴薯生長前期和后期,覆蓋種植下的耗水量及其比例均較低,而在生長中期耗水量及其比例達(dá)到最大,在馬鈴薯成熟時,耗水量及其比例逐漸降低。這與本研究結(jié)果基本一致。本研究中,馬鈴薯生長初期的耗水量及其比例均較小,在馬鈴薯生育中期,增加了對水分的利用,其耗水量及其比例達(dá)到最大,后期又逐漸減少。其主要原因是:塊莖形成期到淀粉積累期是馬鈴薯營養(yǎng)生長和生殖生長的并進(jìn)階段,對土壤水分要求較高,是植物的關(guān)鍵需水階段,由于整稈帶狀覆蓋為半封閉式覆蓋,而其余各覆蓋處理基本為全封閉式覆蓋,且該階段高溫多雨,而秸稈覆蓋的降溫作用,使得秸稈覆蓋耗水大于地膜覆蓋。在淀粉積累期到成熟期,由于秸稈覆蓋可降低植物呼吸和土壤水分蒸散,而地膜覆蓋的增溫效應(yīng)則加劇了植物呼吸代謝,促進(jìn)土壤水分消耗[22],所以地膜覆蓋的耗水量及其比例顯著高于秸稈覆蓋和露地平作。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),不同覆蓋處理下小麥[25]、玉米等[26]作物在其生育期土壤耗水顯著高于露地;另有研究發(fā)現(xiàn)[6,22,27],馬鈴薯全生育期各處理耗水量相比露地有所降低。本研究中,各覆蓋處理全生育期土壤耗水量和貯水消耗量均顯著低于露地平作,這可能與不同覆蓋材料有關(guān),地膜覆蓋和秸稈覆蓋均能減少棵間土壤水分蒸發(fā),減少總耗水量,生物降解地膜、普通地膜能提高土壤水分含量,使得作物耗水量遠(yuǎn)低于露地[22]。

3.3 覆蓋對馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率的影響

覆蓋栽培能顯著改善土壤水分狀況,從而促進(jìn)作物的生長發(fā)育,最終提高作物產(chǎn)量。Liang[20]和李輝[27]等研究認(rèn)為,水分是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵,覆蓋能降低土壤耗水量,改善土壤含水率,進(jìn)而提高產(chǎn)量及水分利用效率;Chang等[17]研究也發(fā)現(xiàn),覆蓋可明顯提高土壤含水量和馬鈴薯產(chǎn)量。本試驗(yàn)中,覆蓋處理均能顯著較露地平作提高馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率,增幅以碎稈全覆蓋最高,地膜覆蓋中以普通PE地膜覆蓋高。分析原因:一方面覆蓋在馬鈴薯各生育時期均能起到顯著的保水作用,能抑制水分蒸發(fā),促進(jìn)馬鈴薯對土壤水分的利用,進(jìn)而使產(chǎn)量增加[27]。另一方面,地膜覆蓋可通過保持土壤水分、減少耗水、提高土壤溫度而促進(jìn)增產(chǎn),由于生物可降解地膜后期產(chǎn)生分解,其保墑效果不如普通PE地膜;而秸稈覆蓋中,整稈帶狀覆蓋和碎稈全覆蓋均能降低土壤溫度、改善土壤水分狀況,減少無效消耗,且碎稈全覆蓋增墑保水效果更佳,因此其產(chǎn)量及水分利用效率顯著高于其他處理。此外,由于普通PE地膜覆蓋存在污染問題,而生物可降解地膜覆蓋雖增墑效果不如普通PE地膜覆蓋,但又好于秸稈覆蓋,考慮到成本過高,因此不適用于小農(nóng)經(jīng)濟(jì);秸稈覆蓋中以碎稈全覆蓋產(chǎn)量較高,但操作麻煩,而且不宜機(jī)械收獲。綜合來看,整稈帶狀覆蓋是一項(xiàng)在旱地馬鈴薯上節(jié)本且高效的種植技術(shù),適宜在西北半干旱秸稈資源豐富地區(qū)推廣應(yīng)用。

4 結(jié) 論

(1) 覆蓋均能顯著較CK增加馬鈴薯全生育時期0—200 cm土壤含水量。且降解地膜保墑效果與傳統(tǒng)PE膜相當(dāng),碎稈覆蓋好于整稈覆蓋。

(2) 覆蓋均顯著降低馬鈴薯全生育期耗水量,以生物可降解地膜覆蓋降幅最大;同時,地膜覆蓋均顯著降低了馬鈴薯生育前中期的耗水量,顯著增加了后期耗水量,而秸稈覆蓋處理主要降低了生育前期和后期耗水,增加了中期耗水。

(3) 覆蓋均顯著提高馬鈴薯干薯產(chǎn)量及水分利用效率,增幅分別為7.0%～19.0%,15.0%～33.7%。其中碎稈全覆蓋處理下經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)量及水分利用效率最高,生物可降解地膜覆蓋處理下單薯重、商品薯率最高,整稈帶狀覆蓋處理下產(chǎn)投比最高。可見,地膜覆蓋和秸稈覆蓋均對土壤具有蓄水保墑、合理調(diào)控馬鈴薯耗水的作用,且整稈帶狀覆蓋節(jié)本高效,因此整稈帶狀覆蓋可作為西北旱作區(qū)馬鈴薯覆蓋栽培的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)綠色生產(chǎn)模式。