不同覆膜時期對寧南山區土壤水熱環境及馬鈴薯產量的影響

孫嬌，郭鑫年，梁錦秀，陳剛，張國輝，周濤*

(1.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川750002；2.寧夏農林科學院固原分院，寧夏 固原 756000)

不同覆膜時期對寧南山區土壤水熱環境及馬鈴薯產量的影響

孫嬌1，郭鑫年1，梁錦秀1，陳剛1，張國輝2，周濤1*

(1.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川750002；2.寧夏農林科學院固原分院，寧夏 固原 756000)

在寧南山區雨養條件下，以馬鈴薯莊薯3號為試驗材料，研究了裸地平種、播前覆膜、早春覆膜、秋覆膜處理下2013-2015年間馬鈴薯產量及其全生育期土壤溫度、土壤貯水量的差異。結果表明：與裸地平種相比，不同覆膜時期下尤其是秋覆膜可增加馬鈴薯地土壤表層溫度，增加幅度可高達1.0 ℃。秋覆膜處理增加了早春時期土壤溫度、降低馬鈴薯苗期土壤日溫差。不同覆膜時期尤其是秋覆膜處理下馬鈴薯苗期土壤貯水量增加41.5 mm，馬鈴薯塊莖膨大期后20～60 cm土層土壤水分消耗增加；且在平水年和欠水年不同覆膜時期對土壤水分的調控作用更為明顯。秋覆膜處理下馬鈴薯產量可達34543 kg/hm2，增產40.8%。土壤水分利用效率達到77.5 kg/(hm2·mm)，增加23.5%。相關性分析發現馬鈴薯產量與早春時期土壤溫度、土壤貯水量顯著(P<0.05)正相關，與馬鈴薯播種時期土壤溫度顯著負相關。綜上，秋覆膜可通過提高早春時期土壤溫度、土壤貯水量，促進馬鈴薯塊莖膨大期后土壤耗水量來增加馬鈴薯產量，秋覆膜是本研究區馬鈴薯獲得高產的最佳覆膜時期。

不同覆膜時期；馬鈴薯；土壤水熱環境；產量

寧南山區氣候干旱、降水季節分布不均，降水和作物生長需求錯位是限制該區農業發展的重要因素[1]。馬鈴薯(Solanumtuberosum)在寧南山區栽培面積近21萬hm2，是該區農民增收和發展農村經濟的特色優勢產業[2]。馬鈴薯播前的土壤溫度和底墑對于其出苗、齊苗至關重要，影響馬鈴薯的產量和水分利用效率[3]。地膜覆蓋通過保墑和調節地表溫度可顯著提高作物產量，是促進寧南山區農業發展的關鍵技術[4]。但是在傳統生產方法中多采用馬鈴薯播前覆膜，這造成在馬鈴薯播種期土壤含水量低，嚴重影響馬鈴薯出苗[5]。因此，研究不同時期覆膜種植馬鈴薯實現對土壤水分和溫度等微環境的適時調控，對寧南山區穩糧保產具有重要的現實意義。地膜覆蓋可改善耕層土壤水熱狀況，有效減輕干旱和春季低溫對作物生長的危害，顯著提高作物產量。采用秋覆膜的措施更能明顯減小冬、春季土壤水分的無效蒸發，顯著提高0～100 cm土層土壤含水量[6]。由于秋覆膜能提高自然降水利用率和作物水分生產效率，保證春播期間土壤能持續穩定地供應種子發芽所需的水分[7]。與傳統的播前覆膜相比，早春覆膜可減少玉米地16.0%的土壤水分消耗[8]；秋覆膜條件下馬鈴薯的水分利用效率提高了27.3%[9]，產量提高了17.5%[10]。另外，不同時期覆膜對馬鈴薯生長性狀有較大的影響[10]。目前對不同時期覆膜的產量效應和水分利用效率已有報道，但對不同時期覆膜的增產機制研究較少。

通過對寧南山區不同覆膜時期下不同年際間馬鈴薯全生育期土壤水熱環境、馬鈴薯產量及土壤水熱環境與馬鈴薯產量的相關性進行分析，旨在揭示不同覆膜時期對寧南山區馬鈴薯土壤水熱環境及產量的影響，以期為寧南山區馬鈴薯高產高效栽培技術體系構建提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏南部山區固原市頭營鎮寧夏農林科學院寧南科研試驗基地(106°44′ E，36°10′ N)，海拔1697～2633 m，屬于中溫帶半干旱半濕潤氣候區。年均降水量為410.0 mm，年均蒸發量1500.0 mm左右，年總輻射量512.2 kJ/cm2，日照時數2322.3 h，平均氣溫8.3 ℃，無霜期145 d。地貌類型為典型丘陵溝壑區，土壤以黃綿土為主，耕層土壤pH值8.6，有機質14.2 g/kg，全氮0.9 g/kg，堿解氮45.3 mg/kg，速效磷15.7 mg/kg，速效鉀142.5 mg/kg。3年試驗期間降水量和氣溫變化如圖1所示，2013年馬鈴薯全生育期內降水548.6 mm，為豐水年；2014年馬鈴薯全生育期降水400.1 mm，為平水年；2015年馬鈴薯全生育期降水287.0 mm，為欠水年。2013、2014、2015年馬鈴薯全生育期平均氣溫分別為16.2、13.4和13.9 ℃。

1.2 試驗設計

以馬鈴薯莊薯3號為試驗材料，采用完全隨機區組設計，設裸地平作(CK)、早春覆膜(plastic film mulch applied in spring，SpF，3月20日)、播前覆膜(plastic film mulch applied before sowing，BF，4月25日)、秋覆膜(plastic film mulch applied in autumn，AuF，前茬作物收獲后11月10日)4個處理，每個處理設4次重復，共計16個小區，每個小區面積為30 m2(10 m×3 m)。裸地平作為農戶常規裸地栽培模式；覆膜采用寬80 cm、厚0.008 cm的農用地膜，覆蓋后沿地膜帶垂直方向每隔2 m壓土帶，防大風揭膜。各處理中馬鈴薯種植采用直接點播，種植行距50 cm，株距33 cm，密度60000 株/hm2。馬鈴薯于2013年5月4日播種，10月1日收獲，生育期150 d，全生育期不灌溉。在播前一次性施肥，N、P2O5、K2O用肥量分別為150、70和90 kg/hm2，生育期不追肥。

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

1.3 樣品采集與分析

于2013-2015年在早春期至馬鈴薯盛花期每隔10 d左右選擇晴天，分別于8:00、12:00、16:00、20:00在各小區中央選擇1個位點定點測定土壤溫度，測定使用地溫計在馬鈴薯株間0～20 cm土層進行，每隔5 cm土層設一個測定層。

分別在早春期、播前、馬鈴薯苗期、盛花期、塊莖膨大期、淀粉積累期、收獲期用烘干稱重法測定0～120 cm土層土壤含水量，每隔20 cm土層設一測定層。另外，在成熟后分小區及時收獲馬鈴薯，收獲后每小區按實收鮮重計算馬鈴薯產量。

1.4 數據分析

土壤貯水量(soil water storage，SWS)、耗水量(evaportranspiration，ET)和水分利用效率(water use efficiency，WUE)的計算公式如下：

SWS=Ws×b×dET=SWSBF-SWSHA+PWUE=Y×ET

式中:Ws為土壤重量含水量；b為土壤容重；d為土壤深度；SWSBF為播前土壤貯水量；SWSHA為收獲后土壤貯水量；P為生育期降水量；Y為作物單位面積產量。

利用Excel 2003和SPSS 19.0對實驗數據進行統計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性檢驗。圖表的制作采用Origin 9.0和Excel 2003軟件處理。

2 結果與分析

2.1 土壤溫度的時空動態差異

2.1.1不同生育期內各土層土壤溫度的差異 如圖2所示，在2013-2015年期間，不同覆膜時期下馬鈴薯地土壤溫度多表現為隨土層深度增加而降低、隨馬鈴薯生育期推進而增加的趨勢。土壤溫度可從早春時間的2.9 ℃增長至馬鈴薯盛花期的30.4 ℃。早春至播前，不同覆膜時期下土壤溫度在0～20 cm土層土壤中變化從大到小順序多表現為：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜、裸地平種。在2013-2015年期間，秋覆膜處理下0～20 cm土層土壤溫度較裸地平種均有增加，最大增幅為1.0 ℃。在馬鈴薯出苗時期，0～20 cm土層土壤溫度變化從大到小順序為：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜>裸地平種。進入馬鈴薯盛花期，不同覆膜時期下0～20 cm土層土壤溫度均高于裸地平種，而各覆膜處理之間無明顯變化。

2.1.2不同生育期內土壤溫度日變化的差異 不同覆膜時期下，馬鈴薯各生育期土壤平均溫度的最小值均出現在8:00，最大值均出現在16:00(圖3)。不同覆膜時期下平均日溫差可高達6.5 ℃，比裸地平種處理下最高日溫差低0.3 ℃；秋覆膜處理下平均日溫差可達6.4 ℃，比裸地平種處理下最高日溫差低0.4 ℃。早春至播前，8:00、12:00、16:00、20:00土壤溫度變化從大到小的順序均表現為：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜、裸地平種；且土壤溫度最高日溫差的最大值出現在秋覆膜處理。在馬鈴薯出苗時期，2013-2015年土壤溫度日變化平均值從大到小的順序為：裸地平種>播前覆膜>早春覆膜>秋覆膜；其中，土壤最高日溫差出現在播前覆膜處理。進入馬鈴薯盛花期，不同覆膜時期下馬鈴薯各生育期土壤溫度的日變化無明顯差異。

圖3 2013-2015年各生育期土壤溫度日變化Fig.3 Average diurnal changes of soil temperature across the whole growth period in 2013-2015

2.2 土壤水分的時空動態差異

2.2.1不同生育期內0～120 cm土層土壤水分的差異 2013-2015年間，不同覆膜時期下0～120 cm土層土壤貯水高峰期出現在馬鈴薯盛花期(圖4)；且馬鈴薯生育期0～120 cm土層土壤貯水量的變化表現為：2013年(豐水年)>2014年(平水年)>2015年(欠水年)。與裸地平種處理相比，豐水年秋覆膜、早春覆膜、播前覆膜處理的0～120 cm土層土壤貯水量最大增幅分別為41.5、29.3、7.4 mm。平水年時，從早春到馬鈴薯盛花期0～120 cm土層土壤貯水量的變化表現為：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜>裸地平種；而到馬鈴薯收獲期秋覆膜處理下土壤貯水量低出裸地平種處理43.6 mm。在欠水年馬鈴薯全生育期內土壤貯水量變化從大到小的順序為：入秋覆膜>早春覆膜>播種前覆膜>裸地平種。

圖4 2013-2015年各生育期土壤貯水量變化Fig.4 Dynamic of soil water storage across the whole growth period in 2013-2015 TE: 塊莖膨大期Tuber expanding stage; SA: 淀粉積累期 Starch accumulation stage; HT: 收獲期 Harvest time. 下同 The same below.

2.2.2不同生育期內各土層土壤水分的差異 如圖5所示為2013-2015年間馬鈴薯各生育期不同土層土壤貯水量的變化。在3年間，馬鈴薯各生育期0～120 cm土層土壤貯水量隨著土層深度的增加呈先增加后降低的趨勢，土壤貯水量的峰值多出現在20～60 cm土層中。在早春時期，秋覆膜處理與裸地平種相比明顯增加了20～60 cm土層土壤貯水量，增幅可達到5.2 mm，土壤貯水量增幅變化表現為欠水年>平水年>豐水年；從馬鈴薯播前到塊莖膨大期20～60 cm土層土壤貯水量變化從大到小的順序為：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜>裸地平種；進入到淀粉積累期后，不同時期覆膜處理可明顯增加20～60 cm土層土壤水分的消耗，秋覆膜、早春覆膜、播前覆膜處理下20～60 cm土層土壤貯水量與裸地平種處理相比分別降低了6.4、3.5、2.2 mm。

圖5 2013-2015年不同生育期和土層土壤貯水量的變化Fig.5 Dynamic of soil water storage at different time and soil layer in 2013-2015

2.3 馬鈴薯產量、水分利用效率的年際變化

表1 2013-2015年馬鈴薯產量、水分利用效率的變化Table 1 Dynamic of potato yield and water use efficiency in 2013-2015

不同時期覆膜處理對馬鈴薯產量、耗水量及水分利用效率均產生了顯著的影響(表1)。從2013-2015年間不同時期覆膜處理下馬鈴薯的產量均高于裸地平種處理，且產量變化表現為：平水年>豐水年>欠水年。馬鈴薯平均產量在秋覆膜、早春覆膜和播前覆膜處理下分別達到34543、31988、30657 kg/hm2，與裸地平種相比，增產率分別達到了40.8%、29.9%、24.5%。馬鈴薯土壤耗水量在2013-2015年總體表現為：豐水年>平水年>欠水年。且豐水年不同時期覆膜處理下土壤耗水量與裸地平種處理相比無顯著差異，在平水年和欠水年間，與裸地平種處理相比，秋覆膜、早春覆膜和播前覆膜處理下土壤耗水量分別增加了22.2%、10.3%、4.9%。不同時期覆膜處理下，馬鈴薯土壤水分利用效率在2013-2015年總體變化趨勢與土壤耗水量的相反。2013-2015年馬鈴薯水分利用效率在秋覆膜、早春覆膜和播前覆膜處理下分別達到77.5、76.0、76.9 kg/(hm2·mm)，與對照相比，增加了23.5%、21.1%、22.5%。

2.4 土壤溫度、水分、產量的相關性分析

土壤溫度影響土壤水分蒸發，土壤水熱交換是同時進行的。通過相關性分析發現(圖6)，土壤溫度與土壤貯水量之間無顯著相關性，這可能與地膜覆蓋阻礙了土壤水分地表蒸發有關。2013-2015年間，馬鈴薯產量與其全生育期0～120 cm土層土壤貯水量及0～20 cm土層土壤溫度均無顯著相關性。但對馬鈴薯產量與各生育期0～120 cm土層土壤貯水量、0～20 cm土層土壤溫度進行相關性分析，結果顯示馬鈴薯產量與早春時期土壤溫度呈極顯著正相關，與播種時期土壤溫度顯著負相關；馬鈴薯產量與早春時期土壤貯水量顯著正相關，與馬鈴薯播前至盛花期土壤貯水量正相關，與塊莖膨大期后土壤貯水量負相關(表2)。

圖6 2013-2015年馬鈴薯產量、土壤溫度和土壤貯水量相關性Fig.6 Correlations between potato yield and soil water storage and soil temperature in 2013-2015

表2 2013-2015年馬鈴薯產量、土壤溫度和土壤貯水量相關性Table 2 Correlations between potato yield and soil water storage and soil temperature in 2013-2015

Y: 產量 Yield; W: 土壤貯水量 Soil water storage; T: 土壤溫度 Soil temperature;*:P<0.05；**P<0.01.

3 討論與結論

土壤溫度和土壤水分是影響作物生長發育、產量的重要因素，地膜覆蓋具有顯著的增溫效果[11]。本研究中，不同覆膜時期下土壤溫度高于裸地平種，且表現為隨著土層深度的加深而降低、隨著馬鈴薯生育期推進而增加的趨勢。這與小麥的研究結果類似[12]。地膜覆蓋主要通過增加0～10 cm土層土壤溫度，促進馬鈴薯幼苗的生長[6]。在馬鈴薯生長前期冠層覆蓋度低，地膜覆蓋下土壤增溫效果顯著[13-14]。在馬鈴薯苗期地膜覆蓋后土壤日均溫度增加最為明顯，盛花期后地膜覆蓋的增溫效果減弱[15]。本研究中，不同時期覆膜處理尤其是秋覆膜可明顯提高早春至馬鈴薯播前土壤溫度。地膜覆蓋對馬鈴薯各生育期不同土層深度的地溫和有效積溫的影響表現為：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜[16]。另外，研究發現各覆膜處理下土壤日均溫差變化從大到小的順序為：秋覆膜>早春覆膜>播前覆膜，且秋覆膜能明顯增加早春至播前土壤溫度，明顯降低馬鈴薯出苗期土壤溫度。這可能是因為一方面秋覆膜處理在馬鈴薯播前穩定地溫的作用為馬鈴薯的出苗創造了適宜的條件。另一方面，秋覆膜處理在出苗期降低土壤溫度，減小了地膜覆蓋對馬鈴薯關鍵生育期的高溫脅迫，為提高馬鈴薯產量奠定了基礎。

地膜覆蓋可相對抑制土壤水分的無效蒸發，保證耕層土壤有較高的含水量，進而促進作物對土壤水分的有效利用[17-18]。與裸地平種處理相比，不同覆膜時期下馬鈴薯在盛花期之前對土壤水分的消耗較小，土壤貯水量隨馬鈴薯生育期的推進呈上升趨勢；而到了塊莖膨大期之后，不同覆膜時期下馬鈴薯地土壤貯水量變化呈下降趨勢。這是因為地膜覆蓋可增大作物根系吸收面積、提高根活力，通過根系的各種縱向和橫向運輸進行水分再分配[19]。進入盛花期后馬鈴薯生長以地下生長為主，對土壤水分消耗大幅增加，且此階段降水補充較少，導致土壤貯水量降低[20]。本研究中，秋覆膜處理下馬鈴薯播前土壤水分明顯高于其他覆膜處理。秋覆膜處理可最大限度保蓄天然降水，提高播前土壤貯水量，另外，秋覆膜處理在一定范圍內加快作物生育進程[21]。這一水分條件能夠滿足作物種子發芽的需要，使播前土壤墑情適宜[6]。秋覆膜處理明顯增加了馬鈴薯盛花期前20～60 cm土層土壤貯水量，并促進馬鈴薯盛花期和薯塊膨大期對土壤水分的消耗，在平水年和欠水年尤為如此。馬鈴薯根系分布集中在20～60 cm土層土壤中[22]，所以秋覆膜使得土壤水分分布更有利于馬鈴薯利用。另外，增加作物盛花期后的吸水能力是提高其產量的關鍵因素，可使馬鈴薯塊莖重量顯著提高[23]。秋覆膜處理能使土壤充分接納降水，為下一年作物生長提供足夠的水分[14]。在秋覆膜處理下，馬鈴薯生育期內土壤深層水分耗散，但由于具有抑制蒸發和保持秋季降水的特點，在生育期內消耗的水分可在休閑期內得到補充[24]。

土壤溫度影響土壤水分蒸發，土壤水熱交換是同時進行的，因此土壤溫度和土壤水分間存在有必然的交互效應[25]。但本研究中馬鈴薯地土壤溫度與土壤水分之間無顯著相關性。這可能與地膜覆蓋阻礙了土壤水分的無效蒸發，導致不同時期覆膜處理間土壤水分差異不大有關。本研究中，馬鈴薯產量與其全生育期土壤溫度和土壤水分間均無顯著相關性。地膜覆蓋可通過提高土壤溫度、抑制土壤水分無效蒸發提高作物產量。但土壤水熱環境對馬鈴薯產量影響的機理復雜，只有在一定的水熱環境下，地膜覆蓋引起土壤水熱環境的變化對馬鈴薯產量可產生關鍵影響[26]。馬鈴薯產量與早春時期土壤溫度和水分顯著正相關。

基于對土壤水熱條件的優化和深層土壤水分的利用，不同時期覆膜處理尤其是秋覆膜可顯著提高馬鈴薯產量和土壤水分利用效率[27]。本研究中，秋覆膜處理下，馬鈴薯產量可達34543 kg/hm2，增產40.8%。土壤水分利用效率達到77.5 kg/(hm2·mm)，增加23.5%，而這一增產效果在欠水年間更加顯著。由于秋覆膜處理可以保蓄在冬、春季節馬鈴薯休閑期的水分，提高馬鈴薯播前土壤溫度[28]，所以在馬鈴薯生育期內耗散的水分可以得到補充。秋覆膜對維持土壤水分的年際平衡有積極的作用。

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EffectsofmulchingtimeonsoiltemperatureandmoistureandpotatoyieldinthehillyareaofSouthernNingxia

SUN Jiao1, GUO Xin-Nian1, LIANG Jin-Xiu1, CHEN Gang1, ZHANG Guo-Hui2, ZHOU Tao1*

1.InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,AcademyofAgricultureandForestrySciencesofNingxia,Yinchuan750002,China; 2.GuyuanInstituteofAgriculturalSciences,AcademyofAgricultureandForestrySciencesofNingxia,Guyuan756000,China

This study determined the effects of mulching time on soil temperature in 0-20 cm soil layers and soil moisture storage in 0-120 cm soil layers, and on potato yield (Solanumtuberosum) in a rain-fed agricultural area of Southern Ningxia. The experiment was conducted at Touying County, Guyuan City (106°44′ E, 36°10′ N) from 2013 to 2015. The following 4 treatments were evaluated: no mulching, plastic film mulch applied before sowing, plastic film mulch applied in spring, and plastic film mulch applied in autumn. Results showed that, compared with no mulching, all the treatments increased soil temperature, especially the autumn treatment, which was 1.0 ℃ higher than no mulching. They can also increase soil temperature during early spring and decrease temperature differences at the initial stage of potato growth. All the mulching treatments increased soil moisture storage at the initial stage and promoted water consumption during the tuber expanding stage, especially the autumn treatment. This promoting effect was evident mainly in the 20-60 cm soil layers, especially in dry years and years with average rainfall. Mulching with plastic film in autumn significantly increased potato tuber yields to 34543 kg/ha, 40.8% higher than the no mulching treatment, and there was a 23.5% increment in potato water use efficiency to 77.5 kg/(ha·mm). There were highly positive correlations between tuber yield, soil temperature and soil moisture storage during early spring, but significantly negative correlations with soil temperature before the sowing stage. In conclusion, the autumn plastic film mulching treatment can increase soil temperature and moisture during the early spring period and accumulate soil water depleted after the potato tuber expansion period. Results showed that this is an appropriate treatment which has a significant impact on potato yield.

mulching time; potato; soil temperature and moisture; yield

10.11686/cyxb2017017http//cyxb.lzu.edu.cn

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SUN Jiao, GUO Xin-Nian, LIANG Jin-Xiu, CHEN Gang, ZHANG Guo-Hui, ZHOU Tao. Effects of mulching time on soil temperature and moisture and potato yield in the hilly area of Southern Ningxia. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(12): 24-34.

2017-01-18；改回日期：2017-06-14

公益性行業(農業)科研專項(201303104)，國家自然科學

基金項目(51269025)和一二三產業融合發展科技創新示范項目(NKYZ-16-0906)資助。

孫嬌(1989-)，女，甘肅慶陽人，研究實習員，碩士。*通信作者Corresponding author. E-mail:zhoutao6084609@163.com