黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應及其對馬鈴薯產量的影響

王紅麗,張緒成,2,*,于顯楓,馬一凡,侯慧芝

1 甘肅省農業科學院旱地農業研究所,蘭州　730070 2 甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室,蘭州　730070

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黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應及其對馬鈴薯產量的影響

王紅麗1,張緒成1,2,*,于顯楓1,馬一凡1,侯慧芝1

1 甘肅省農業科學院旱地農業研究所,蘭州730070 2 甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室,蘭州730070

以馬鈴薯為研究材料,采用隨機區組設計,設全膜覆蓋壟溝種植(PM)和裸地平作(CK)兩個處理,研究西北半干旱區黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應及其對馬鈴薯產量的影響。結果表明：PM能增加馬鈴薯全生育期0—25 cm土壤溫度1.5℃左右,增溫效應呈“拋物線型”;盛花期PM增溫效果主要在8:00,14:00和20:00具有降溫和穩定地溫作用;同時,在平水年和欠水年,PM能促進馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水,盛花期PM耗水量增加21.2%—50.5%,塊莖膨大期增加5.4%—57.9%,但全生育期耗水量PM與CK差異不顯著;PM在調節地溫、促進關鍵生育期耗水作用下,產量較CK提高13.6%—64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差異均達顯著水平。在年均降水391.4 mm條件下,連續4a地膜覆蓋高產種植的 0—200 cm土層土壤貯水量增加了123.4 mm,優化了土壤水分狀況。

黑色地膜;覆蓋;土壤水熱效應;馬鈴薯;產量

隴中半干旱區降水稀少,氣候干燥,蒸發強烈[1],水資源短缺是該區農業生產的主要限制因子[2]。地膜覆蓋能夠顯著降低棵間蒸發而改善土壤水熱狀況,明顯改善旱地作物的生長發育狀況,提高降水利用效率和作物產量[3-6]。對于喜溫作物而言,它實現了土壤水分和溫度對作物發育的協同作用。但是,對于馬鈴薯等喜涼作物而言,透明地膜覆蓋造成的土壤溫度過高會對其生長形成脅迫[7-8]。研究顯示通過改變覆蓋材料來適當降低土壤溫度和保持土壤水分,從而使土壤微環境更適宜于馬鈴薯的生長,可提高馬鈴薯生產對自然資源的利用效率[9]。

馬鈴薯為西北半干旱區主栽作物,2006年以前一直采用露地種植,本試驗所在區域甘肅省定西市2006年開始試驗干旱半干旱地區透明地膜覆蓋種植馬鈴薯,并獲得一定程度增產。但問題逐步顯現,一方面馬鈴薯薯塊膨大期地溫高導致馬鈴薯產量不穩,甚至減產;另一方面透明地膜覆蓋薯塊變綠,影響商品性和品質。因此,2009年開始,本試驗區馬鈴薯種植全部采用黑色地膜,其透光率低,輻射熱透過少,土壤增溫幅度較透明膜小,能防止高溫對作物的不良影響、抑制雜草生長并防止馬鈴薯變綠。研究表明,黑色地膜覆蓋能顯著增加馬鈴薯產量并顯著提高WUE[10- 11]。目前對黑色地膜覆蓋后的節水效應和產量效應已有報道,但對黑色地膜覆蓋后的增產機制研究甚少。本研究以馬鈴薯為試驗材料,以黑色地膜覆蓋和露地為處理,從土壤溫度和水分耗散過程入手,在馬鈴薯全生育期測定土壤溫度和土壤含水量,測定馬鈴薯產量并計算其水分利用效率和耗水深度,揭示黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應及其對馬鈴薯產量的影響,探明其增產機制及其對土壤水分年際持續性的影響,為進一步探討旱作區高產高效、生態安全的栽培技術體系提供理論支持。

1　材料和方法

1.1研究區概況

試驗于2011—2014年在甘肅省定西縣唐堡試驗站進行。該區海拔1970m,年均氣溫6.2℃,年輻射總量5898MJ/m2,年日照時數2500h,≥10℃積溫2075.1℃,無霜期140d,屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟,無灌溉,為典型旱地雨養農業。年均降水總量為415mm,6—9月降水量占年降水的68%,降水相對變率為24%,400mm降水保證率為48%。試驗區土壤為黃綿土,0—30cm土層平均容重1.25g/m3,永久凋萎系數為7.5%。4a試驗期間降水及氣溫變化見圖1,2011年馬鈴薯全生育期內降水283.5mm,為欠水年。2012年馬鈴薯全生

圖1　馬鈴薯生育期降水和氣溫變化Fig.1　Dynamic of precipitation and average air temperature during the growth stages of potato

育期降水386.8mm,主要集中在5、6、7、8、9月份,為平水年。2013年馬鈴薯全生育期降水474.5mm,5月份、7月份和8月份降水均高于往年同期,為豐水年。2014年馬鈴薯全生育期降水420.6mm,4、6、8、9月份降水多,但7月份降水僅34.1mm,此時正值全年氣溫最高時段,作物受干旱脅迫嚴重,為季節性干旱平水年。試驗4年間,2011年馬鈴薯生育期平均氣溫最高,后3年基本相同,其中2011年和2014年7中下旬(馬鈴薯花期)平均氣溫基本相同,較2012年平均高0.7℃,較2013年平均高2.1℃。

1.2試驗設計

試驗以馬鈴薯(Solanumtuberosum)為研究材料,品種為“新大坪”,采用隨機區組設計,設全膜覆蓋壟溝種植(PM)和裸地平作(CK)兩個處理,每處理4次重復,全部采用寬窄行種植,即寬行行距60cm,窄行行距40cm,以利于通風透光。全膜覆蓋壟溝種植方式為全地面覆膜,起單壟,壟寬60 cm,高15cm,溝寬40 cm,馬鈴薯種植在壟的兩側(圖2);裸地平作地面不覆膜不起壟,馬鈴薯直接點播。小區面積6 m×7.5 m=45m2,種植密度48500株/ hm2。施肥量為有機肥15000kg/ hm2,尿素375kg/ hm2,過磷酸鈣750kg/ hm2,肥料在播前作為底肥一次施入。2011年4月18日播種,9月23日收獲;2012年4月19日播種,9月25日收獲;2013年4月13日播種,10月10日收獲;2014年4月20日播種,10月8日收獲。馬鈴薯全生育期不灌溉,如馬鈴薯點播穴孔處有雜草,用手拔除,不進行其他田間管理。

圖2　馬鈴薯全膜覆蓋壟溝種植示意圖Fig.2　Schematic diagram of whole field plastics mulching and planting in dicth of patato

1.3測定項目及方法

1.3.1地溫 參考Cook等[12]的方法,在馬鈴薯生長全生育期用地溫計在壟上兩株馬鈴薯植株間進行0 —25cm地溫測定,每5cm為1個測定層,每小區測定1個位點,定點測定。每10—15d在8:00、14:00、20:00各測定1次,分析時取平均值。

1.3.2土壤含水量測定及計算方法

在馬鈴薯全生育期用烘干法測定0—200cm土層土壤含水量,每20 cm為1個層次,在壟上兩株馬鈴薯之間測定,下次測定時換一位點,平均每10 —15d每小區測定1次。

土壤貯水量計算公式：SWS(mm)=WS×b×d，式中WS為土壤重量含水量;b為土壤容重;d為土壤深度。

1.3.3水分利用效率計算

WUE=Yd/ET,式中Yd為作物單位面積產量;ET= SWSBF-SWSHA+P, 式中SWSBF為播前貯水量;SWSHA為收獲后貯水量;P為生育期降水量

1.3.4耗水深度計算

耗水深度計算：(SWSi-SWCb)/ SWCb﹤5%時,認為該土層土壤水分沒有被耗散。式中SWSi為某一土層土壤含水量(%);SWSb為播前對應土層土壤含水量(%)。

1.3.5產量

馬鈴薯成熟后及時收獲,收獲后立刻稱鮮重,每小區產量按實收鮮重計產。

1.4數據處理

采用Microsoft Excel 2007和DPS統計軟件對數據進行統計分析,并用LSD法進行多重比較。

2　結果與分析

2.10—25cm土壤平均溫度變化

黑色地膜全地面覆蓋使馬鈴薯全生育期地溫增加,但在馬鈴薯不同生育時期增溫效果不同(圖3)。馬鈴薯播種到出苗(4月中下旬—5月中下旬),全膜覆蓋壟溝種植(PM)0—25cm土層平均地溫4a平均較裸地平作(CK)增加0.8℃;出苗到現蕾期(5月中下旬—6月中下旬)平均增溫1.3℃;現蕾期到開花期(6月中下旬—7月上旬)平均增溫1.8℃;開花期到塊莖膨大期(7月中下旬—8月中旬)平均增溫2.3℃;薯塊膨大期到淀粉積累期(8月下旬—9月中上旬)平均增溫1.9℃;成熟期(9月下旬—10月上旬)平均增溫2.0℃。黑色地膜覆蓋增溫幅度呈先增大后減少的“拋物線型”變化趨勢,原因是馬鈴薯地上干物質較為矮小,種植密度不大,對地面遮陰較弱,受太陽輻射影響大,從馬鈴薯播種到收獲,太陽輻射強度呈先增強后減弱的變化,黑色地膜覆蓋增溫效果與此趨勢一致。

圖3　黑色地膜覆蓋對0—25cm平均土壤溫度的影響Fig.3　Effect of black film mulching on soil average temperature in 0—25 cm layer PM：全膜覆蓋壟溝種植 whole field surface plastic mulching and planting on ridge;CK：裸地平作 uncovered and flat planting;PM-CK:PM與CK溫度差,即PM增溫幅度Temperature difference between PM and CK

2.2不同時間和深度土壤溫度的變化

黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯苗期、現蕾期、盛花期、薯塊膨大期和淀粉積累期在8:00、14:00、20:00溫度效應有明顯差異(圖4—圖7)。8:00, PM 0—25 cm土層增溫效果自上而下逐漸減弱。苗期PM增溫幅度較小, 5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm、20—25 cm土層分別增溫1.6、0.8、0.6、0℃;現蕾期除2011年外,其他年份此期基本不增溫,這與試驗4a氣溫變化不同有關。盛花期為全年氣溫最高時段,此時PM增溫主要在20cm以上土層,5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm土層分別增溫2.0、2.0、1.1℃;薯塊膨大期增溫幅度均在1.0℃以下;淀粉積累期增溫效果重現,5—25 cm土層增溫均在1.8℃左右;0—5 cm土層由于與外界熱量交換強烈,PM增溫效果無一定規律。

圖4　2011年不同時間和土層土壤溫度變化Fig.4　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2011

14:00,與CK相比,PM 馬鈴薯盛花期各土層地溫均降低,其他生育期均有不同程度增溫且增溫效果5—25cm土層自上而下呈逐漸減弱趨勢。苗期PM增溫主要在15cm以上土層,平均增溫2.0℃;現蕾期增溫效果弱于苗期,除5—10cm 土層外,增溫效果均在1.0℃以下;盛花期PM各土層地溫均低于CK,降溫主要表現在20cm以上土層,其中0—5cm、5—10cm、10—15cm、15—20cm降溫幅度分別為5.7、3.4、2.3℃和1.0℃;薯塊膨大期增溫效果重現,5—10cm、10—15cm、15—20cm、20—25cm分別增溫3.3、4.0、2.5、0.9℃;淀粉積累期分別增溫2.4、1.7、1.0、1.5℃,增溫效果減弱。0—5cm土層由于與外界熱量交換強烈,PM增溫效果無一定規律。

圖5　2012年不同時間和土層土壤溫度變化Fig.5　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2012

20:00,盛花期PM表現為降溫效應,其他生育期均不同程度增溫。苗期PM增溫效果較14:00有所減弱, 5—10cm、10—15cm、15—20cm、20—25cm土層分別增溫1.8、1.1、1.1、1.2℃;現蕾期PM與CK各土層土壤溫度無差異;盛花期PM各土層地溫均低于CK,降溫效果從上到下遞減,降溫幅度0.6—2.8℃;薯塊膨大期5—25cm各土層分別增溫2.9、2.4、2.5、1.3℃;淀粉積累期分別增溫2.7、2.1、2.8、2.4℃(圖4)。

圖6　2013年不同時間和土層土壤溫度變化Fig.6　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2013

黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯盛花期雖處在全年氣溫最高時段,但增溫效應只出現在8:00,14:00和20:00均具有降溫作用,避免了馬鈴薯關鍵生育期高溫脅迫;另一方面黑色地膜覆蓋在盛花期穩定地溫的作用對馬鈴薯薯塊膨大創造了適宜的條件,對馬鈴薯產量提高奠定了基礎。

圖7　2014年不同時間和土層土壤溫度變化Fig.7　Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2014

2.3馬鈴薯不同生育期土壤水分狀況和耗水深度

黑色地膜覆蓋對馬鈴薯現蕾期、盛花期和薯塊膨大期土壤水分狀況有顯著影響,并與當年降水分布密切相關(圖8,表1)。雖然試驗4a降水分布不同,但馬鈴薯現蕾前降水均較少,且降水多為10mm以下無效降水,馬鈴薯生長幾乎全部依賴土壤水分,因此馬鈴薯現蕾期0—200 cm土壤貯水量均有不同程度減少,其中2011年PM 0—200cm貯水量較播前減少45.0mm,水分耗散深度為80cm,CK減少51.9mm,水分耗散深度為140cm;2012年由于現蕾前降水多于其他年份,土壤水分補給較多,PM和CK均只消耗20—60cm土壤水分,其中PM 20—60cm土層土壤貯水量較播前減少12.1mm,CK減少2.2mm,PM和CK耗水深度均為60cm;2013年PM 0—200cm貯水量減少27.8mm,CK減少45.6mm,PM耗水深度60cm,CK耗水深度80cm;2014年現蕾前降水亦較多,PM和CK 0—200cm土壤貯水量分別較播前減少30.5mm和23.0mm,耗水深度均為100cm。可見,在干旱條件下(2011年和2013年現蕾前)CK土壤水分散失較PM更多,原因是CK地表裸露,在干燥條件下蒸發更為強烈。

隨馬鈴薯生育進程的推進,降水逐漸增多同時馬鈴薯對水分利用逐步加快,進入盛花期,2011年、2012年和2014年均表現為PM 0—200cm 土壤貯水量減少幅度大于CK,可見PM能促進馬鈴薯盛花期對土壤水分的利用。2011年盛花期PM 0—200cm貯水量較播前減少75.8mm,水分耗散深度為140cm,CK減少54.0mm,水分耗散深度為140cm;2012年PM和CK 不僅消耗了現蕾期土壤儲蓄的水分,而且耗散了土壤水分,PM 0—200cm土壤貯水量較播前減少50.5mm,耗水深度80cm,CK 0—200cm土壤貯水量與播前基本一致;2014年PM和CK分別減少87.1mm和71.9mm,耗水深度分別為160cm和180cm;2013由于盛花期降水多(7月份降水156mm), 雖然馬鈴薯耗水增多,但PM和CK 0—200cm土壤貯水量均較播前增加,PM播前增加46.9mm,CK增加38.8mm。

圖8　2011—2014年馬鈴薯關鍵生育期土壤貯水量變化 Fig.8　Dynamic of soil water storage at key growth stage during 2011—2014BF：播種前 Before sowing;PM：全膜覆蓋壟溝種植 whole field surface plastic mulching and planting on ridge

生育期/年份Growthstage/Year播前Sowing現蕾期Squaring盛花期Flowering薯塊膨大期Expanding貯水量/mmSoilwaterstorage貯水量/mmSoilwaterstorage耗水深度/cmWaterconsumptiondepth貯水量/mmSoilwaterstorage耗水深度/cmWaterconsumptiondepth貯水量/mmSoilwaterstorage耗水深度/cmWaterconsumptiondepthPMCKPMCKPMCKPMCKPMCKPMCKPMCK2011381.4381.4336.4329.580140305.6327.4140140286.6321.31601402012393.1320.5419.2342.86060342.6321.88060305.0325.21801802013461.7386.4433.9340.86080508.5425.1--502.9461.9-602014504.9449.7474.4426.6100100417.8377.7160180389.4385.8180180

BF：播種前 Before sowing, PM：全膜覆蓋壟溝種植 whole field surface plastic mulching and planting on ridgeI

盛花期后馬鈴薯生長以地下部分為主,薯塊的膨大需要大量水分,因此馬鈴薯對土壤水分的消耗進一步加大,除2013年外,其余年份試驗結果均顯示,薯塊膨大期為馬鈴薯水分消耗最多的時期且PM對土壤水分的消耗大于CK。2011薯塊膨大期,PM 0—200cm貯水量較播前減少94.8mm,水分耗散深度為160cm,CK減少60.1mm,水分耗散深度為140cm;2012雖然此期降水109mm,但仍消耗大量土壤水分,PM 0—200cm土壤貯水量較播前較少91.1mm,耗水深度180cm,CK減少71.9mm,耗水深度180cm;2014年PM和CK分別減少125.5mm和119.2mm,耗水深度均達180cm;2013此期降水116mm,雖然馬鈴薯耗水增多,但塊莖膨大期PM和CK 0—200cm土壤貯水量均較播前增加,其中PM薯塊膨大期較播前增加41.2mm,CK增加0.3mm。

綜合分析4a試驗結果可見,在平水年和欠水年PM能促進馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水,保證馬鈴薯高產的水分條件,但與CK相比,PM雖然耗水量大,耗水深度卻并未增加。

2.4土壤水分年際變化

圖9　黑色地膜覆蓋對馬鈴薯播前收后土壤貯水量的影響Fig.9　Effects of black film mulching on soil water storage before sowing and after harvesting

黑色地膜覆蓋對馬鈴薯播前收后土壤貯水量有顯著影響(圖9)。2011年為欠水年,馬鈴薯收獲后,PM 60cm以上土層高于播前,但60—200cm土層較播前低89.8 mm;CK 40cm以上土層高于播前,但40cm—200cm土層較播前低113.4 mm;2012年馬鈴薯收獲后,PM 0—60cm土壤貯水量跟播前接近,60—200cm土層土壤貯水量較播前高90.4mm;CK 0—120cm土壤貯水量較播前高52.1mm,120cm—200cm土層與播前相近。2013年收獲后PM 0—200cm各土層土壤貯水量較播前高28.6mm,CK 60 cm—200cm層土壤貯水量較播前高64.4mm。2014年馬鈴薯收獲后,PM與CK 0—200cm貯水量與播前基本無差異。

從年際水分變化看,PM和CK當年播前0 —200cm土壤貯水量均不少于上一年收獲后。2012年PM播前0 —200cm 土壤貯水量較2011年收獲后高61.8mm,CK高57.1mm;2013年PM播前0 —200cm 土壤貯水量較2012年收獲后高8.7mm,CK高15.4mm;2014年PM播前0 —200cm 土壤貯水量較2013年收獲后高1.6 mm,CK高19.9mm。2014年收獲后PM 0 —200 cm土壤貯水量較2011年播前高123.4mm,CK高92.4mm。可見,在馬鈴薯生育期平均降水391.4mm(2011—2014年馬鈴薯生育期平均降水量)條件下,足以支持馬鈴薯生產,并能改善土壤水分狀況。

2.5馬鈴薯產量、耗水量和水分利用效率

黑色地膜覆蓋對馬鈴薯產量、耗水量和WUE均有顯著影響(圖10)。黑色地膜覆蓋后, 2011年PM產量較CK提高29.3%,2012年提高13.6%,2013年提高17.5%,2014年提高64.5%,差異均達顯著水平(P<0.05);在PM大幅增產的前提下,耗水量卻有一定程度下降,2011年和2012年PM耗水量顯著低于CK(P﹤0.05),2013—2014年低于CK,但差異不顯著。PM 2011年WUE較CK提高44.7%,2012年提高36.2%,2013年提高24.1%,2014年提高69.5%,差異均達顯著水平(P﹤0.05)。

圖10　黑色地膜覆蓋對馬鈴薯產量、耗水量和WUE的影響Fig.10　Effects of black film mulching on yield, water consumption and WUE of potato 不同字母表示同一年份不同處理測定結果在5%水平上差異顯著

綜合分析4a試驗結果(表2),2011—2014年PM馬鈴薯累計產量較CK增加32.9%,WUE較CK提高41.3%,差異均達顯著水平(P﹤0.05),但4a馬鈴薯生育期累計耗水量PM 與CK差異不顯著, PM略低于CK;2011—2014年累計降水量1878mm(含冬休閑期降水),較PM 馬鈴薯4a總耗水量多462mm,較CK總耗水量多332.0mm;馬鈴薯連續種植4a后,2014年馬鈴薯收獲后0—200cm土壤貯水量較2011年播前增加123.4mm,CK增加92.4mm;可見,從土壤水分年際持續性看,在試驗4a馬鈴薯生育期間年均降水391.4mm條件下,降水足以支持馬鈴薯生長,并提高土壤水分含量。馬鈴薯覆蓋黑色地膜后,產量大幅提高同時土壤水分環境得以優化。

表2　2011—2014年累計產量、耗水量、WUE及0—200cm土壤水分變化

不同字母表示同一年份不同處理測定結果在5%水平上差異顯著

3　討論與結論

透明膜覆蓋具有顯著的增溫效果,對玉米、小麥覆膜后增溫效果主要在拔節期前,增溫幅度1.8—3℃左右[6,13]。對馬鈴薯而言,透明膜覆蓋后,苗期日均溫度增加最明顯,開花期和封行期增溫不明顯,增溫效應表現為馬鈴薯生長前期增溫多,后期增溫少,且0—20cm各土層土壤溫度均表現為14:00最高,20:00次之,8:00最低[14-17];馬鈴薯透明膜覆蓋壟溝種植方面的研究顯示,覆膜能顯著增加壟上10cm土層土壤溫度,利于馬鈴薯幼苗生長[18]。本試驗條件下,黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯全生育期均存在增溫效果,且增溫幅度呈先增大后減少的“拋物線型”變化趨勢,0—25cm平均地溫增加0.8—2.3℃,與已有透明膜覆蓋增溫效應研究結果有不同之處,一方面增溫時期不同,另一方面增溫幅度低于透明膜[14]。本試驗中,盛花期PM增溫效果主要在8:00,14:00和20:00地溫低于CK,其他生育期各時段均有不同程度增溫,與馬鈴薯透明膜覆蓋后不同時間段溫度效應研究結果不同[14-19],原因是黑色地膜覆蓋前期增溫使植株長勢旺盛,地上冠層大,地上群體較為合理,避免了透明地膜覆蓋馬鈴薯關鍵生育期的高溫脅迫;另一方面黑色地膜覆蓋在盛花期穩定地溫的作用對馬鈴薯薯塊膨大創造了適宜的條件,對馬鈴薯產量提高奠定了基礎。

透明膜覆蓋在提高玉米[6,20-21]、小麥[13,22]、西瓜[23]等耗水量、產量和水分利用效率方面效果顯著,但透明膜覆蓋后馬鈴薯的土壤水分、產量效應研究結果不盡相同。有研究顯示透明膜覆蓋后馬鈴薯播種后至封行前,0—21 cm土壤含水率比不覆膜提高10.88%,封行后比不覆膜低6.40%,馬鈴薯透明膜覆蓋栽培的塊莖產量比不覆蓋降低15.8%,認為透明膜覆蓋宜采取前期覆膜、中后期撤膜的方式[24-25];也有研究認為,透明膜覆蓋雙壟栽培能提高0—100cm土壤含水量[9],產量較不覆膜提高29.31%—207.94%,水分利用效率提高36.15%—237.50%[11,16- 18]。本試驗條件下,雖然試驗4a降水分布不同,但馬鈴薯現蕾期PM和CK 0—200 cm土壤貯水量均有不同程度減少,隨馬鈴薯生育進程的推進,降水逐漸增多同時馬鈴薯對水分利用逐步加快,盛花期平水年和欠水年PM 0—200cm 土壤貯水量減少幅度大于CK, PM能促進馬鈴薯盛花期對土壤水分的利用;盛花期后馬鈴薯生長以地下部分為主,對土壤水分的消耗進一步加大,在平水年和欠水年,薯塊膨大期為馬鈴薯水分消耗最多的時期且PM對土壤水分的消耗大于CK。但在豐水年(2013年),雖然馬鈴薯耗水增多,但塊莖膨大期PM和CK 0—200cm土壤貯水量均較播前增加,綜合分析4a試驗結果可見,黑色地膜覆蓋后,馬鈴薯對土壤水分的消耗與降水有較大關系,在平水年和欠水年PM能促進馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水,保證馬鈴薯高產的水分條件,但與CK相比,PM雖然耗水量大,耗水深度卻并未增加。

研究顯示,透明膜覆蓋能顯著提高作物產量,但在地膜覆蓋營造高產田的同時,易導致土壤水分過耗,土壤干燥化現象發生或土壤年際水分平衡破壞,干燥化風險增加[26-30]。本試驗條件下,不論豐水年或欠水年,黑色地膜覆蓋后,PM產量和WUE較CK均提高,其中產量增加13.6% — 64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差異均達顯著水平(P﹤0.05);但PM在大幅增產的前提下,耗水量和耗水深度卻并未增加,2011年和2012年PM耗水量顯著低于CK(P﹤0.05),而且試驗4a中各生育期PM耗水深度與CK相比并未加深;連續4a PM種植馬鈴薯使0—200 cm土壤貯水量增加了123.4mm,較CK高31.0mm。主要原因是黑色地膜覆蓋抑蒸保墑、協調馬鈴薯耗水與土壤水分分配,在高效用水的同時最大限度保蓄了土壤水分。

黑色地膜覆蓋(PM)能增加馬鈴薯全生育期0—25cm土壤溫度1.5℃左右,增溫效應弱于透明膜覆蓋,在馬鈴薯盛花期PM增溫效果主要在8:00,14:00和20:00的地溫低于CK,在一定程度緩解了地膜覆蓋馬鈴薯生育后期的高溫脅迫危害并具有穩定地溫的作用;同時,在平水年和欠水年,促進馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期耗水;PM在調節地溫、促進關鍵生育期耗水作用下,產量較CK提高13.6%—64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差異顯著(P﹤0.05)。PM雖連年增產,但在年均降水391.4mm條件下,連續4a種植對 0—200cm土壤水分狀況有優化作用。

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Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield

WANG Hongli1, ZHANG Xucheng1,2,*, YU Xianfeng1, MA Yifan1, HOU Huizhi1

1DrylandAgricultureInstitute,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,China2KeyLaboratoryofHighWaterUtilizationonDrylandofGansuProvince,Lanzhou730070,China

Potato is the main economic and staple food crop in the semiarid loess region of Northwest China. Potato productivity in this area is low because of water shortage and low temperatures in early spring. The use of plastic mulch captures evaporating water, thus suppressing evaporation and maintaining soil moisture. This significantly improves the rainfall-use efficiency, allows the full utilization of light and heat resources, and significantly increases the yield in wheat, corn, and other crops. However, potato plantings covered with transparent plastic film will suffer high temperature stress in the late growth stage, which will restrict further growth and reduce yield. Black plastic film, however, has low transmittance and therefore allows less radiant heat to reach the soil surface. Hence, the soil warming magnitude of black plastic film is smaller than that of the transparent film. This prevents significantly the adverse effects of high temperature on potato and in turn increases potato yield. Potato plantings have been widely mulched with black plastic film by farmers in dryland in the central and eastern parts of the Gansu Province, China. They have also reported the water-saving effects and increased yield in potato that has been mulched with black plastic film. However, systematic studies on the mechanisms of black plastic film mulching that are responsible for the increased potato yield are still lacking. In particular, there is no research on the effects of black plastic film mulching on soil temperature and soil moisture dissipation. Therefore, the aim of this study was to reveal the effects of black film mulching on soil temperature, soil moisture, and potato yield in the semiarid area of Northwest China and to explore the mechanisms responsible for increased crop yield and sustained soil moisture. This study will provide the theoretical support for high yield and high efficiency and contribute to the development of ecologically sound potato cultivation techniques. Potatoes were grown over a four-year period in a randomized block design experiment with two treatments. The two treatments were as follows: 1) whole field surface mulched with black plastic and planting on ridge (PM) and 2) surface uncovered and flat planting (CK). The results showed that the PM treatment increased the average soil temperature by 1.5 ℃ in the top 0—25 cm of soil profile compared to the temperature in the CK treatment. During the flowering stage of the potato, the soil temperature under the PM treatment was increased at 08:00, decreased at 14:00, and stabilized at 20:00 compared to the temperature in the CK treatment. In dry years and years with an average rainfall, PM treatment promoted water consumption during the flowering and tuber expanding stage of potato. PM treatment increased water consumption by 21.2%—50.5% during the flowering stage and by 5.4%—57.9% during the tuber expanding stage, but soil water consumption during the whole growth period was not significantly different between the PM and CK treatments. Because of soil temperature regulation and increased soil water consumption during the critical growth periods, the PM treatment significantly increased potato yield by 13.6%—64.5% and water use efficiency by 24.1%—69.5% compared with the CK treatment. PM treatment increased potato production continuously and increased the soil water stored in the 0—200 cm of the soil by 123.4 mm over 4 years (the average annual rainfall was 391.4 mm). Potato culture with black plastic mulching increased crop productivity and optimized soil water status when compared with control plots.

black film; mulching; soil temperature and moisture; potato; yield

農業部公益性行業(農業)科研專項資助項目(201203031);國家科技支撐計劃資助項目(2015BAD22B04)

2015- 01- 20; 網絡出版日期:2015- 12- 03

Corresponding author.E-mail: gszhangxuch@163.com

10.5846/stxb201501200167

王紅麗,張緒成,于顯楓,馬一凡,侯慧芝.黑色地膜覆蓋的土壤水熱效應及其對馬鈴薯產量的影響.生態學報,2016,36(16):5215- 5226.

Wang H L, Zhang X C, Yu X F, Ma Y F, Hou H Z.Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield.Acta Ecologica Sinica,2016,36(16):5215- 5226.