寧南山區種植模式對馬鈴薯農藝性狀、產量及土壤水熱狀況的影響

王志丹,劉吉利,賀錦紅,蔡 明,楊亞亞，滿本菊,楊 茜,閆承紅,吳 娜

(1.寧夏大學 農學院,寧夏 銀川 750021;2.寧夏大學 環境工程研究院,寧夏 銀川 750021)

馬鈴薯是寧夏南部山區的主要種植作物和經濟作物,但寧南山區年降雨量少、蒸發量大,在生育中后期經常遇到干旱高溫,同時在生育前期春寒和春旱并發,導致馬鈴薯產量低而不穩[1],因此土壤水分和溫度是影響寧南山區馬鈴薯生長的主要因素,采用適當的蓄水保溫種植模式來提高馬鈴薯的產量,對寧南山區馬鈴薯產業發展具有重大意義。當前馬鈴薯的種植模式多種多樣,能夠適應不同的土壤類型和氣候條件。姚玉璧等[2]研究發現,壟上雙行栽培方式能夠降低土壤容重，提高土壤含水量,促進馬鈴薯塊莖的生長。胡尊艷等[3]研究發現,大壟栽培方式在馬鈴薯生育后期具有降溫效果。地膜覆蓋能夠提高土壤儲水量[4],對0～25 cm表層土壤的增溫效果顯著[5],使向日葵、玉米等喜溫作物較傳統露地平作增產20%以上[6-8]。起壟覆膜栽培模式具有改善土壤結構、減小水分蒸發和調節土壤溫度的優勢,現已在馬鈴薯[9]、甘薯、玉米[11]等作物上得到了有效應用。任永峰等[12]的研究結果表明,起壟全覆膜處理使0～30 cm土壤的含水量和溫度得到了顯著提高,馬鈴薯的水分利用效率和產量分別較對照提高了115.8%和133.5%。溫宏昌等[13]研究也表明,覆黑全膜單壟雙行種植能夠使馬鈴薯的生育期提前,并且在覆黑膜全膜壟作栽培下的出苗率、商品薯率、產量、品質和成本均明顯優于在其他栽培方式下的。近年來,對馬鈴薯水肥、密度、溝壟覆蓋等方面的研究較多,而在土壤水熱狀況與馬鈴薯農藝性狀及產量關系方面的研究較少。本試驗針對寧夏南部山區的特殊氣候,結合前人的研究經驗,通過大田試驗研究了不同種植模式對馬鈴薯農藝性狀及土壤水熱狀況的影響,以期為寧夏南部山區旱作馬鈴薯的高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年5月至10月在寧夏海原縣大嘴村(105°9′～106°10′E,36°6′～37°4′N)進行,該試驗地屬干旱半干旱地區,年均氣溫6 ℃,平均年降雨量287 mm,無霜期為148～172 d。土壤類型為侵蝕黑壚土,試驗田耕層(0～20 cm)土壤基礎理化性質如下：有機質含量8.29 g/kg，全氮含量0.68 g/kg,堿解氮含量64.9 mg/kg,速效磷含量6.95 mg/kg,土壤pH值8.32。在試驗期間的主要氣象條件如圖1所示。

圖1 在馬鈴薯生育期間的月降雨量和平均氣溫

1.2 供試品種

供試馬鈴薯品種為青薯9號。

1.3 試驗設計

本試驗設置5個處理(如表1),采用單因素隨機區組設計,每處理4次重復,每小區長10 m,寬4 m,面積40 m2。馬鈴薯于2018年5月種植，10月收獲。處理T1為等行距種植(行距為50 cm),其余處理均為寬窄行種植(寬行行距為60 cm,窄行行距為40 cm)；各處理的株距為40 cm,種植密度為50000穴/hm2。施肥用量為:農家肥4.5萬kg/hm2,純氮225 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,K2O 90 kg/hm2。其他田間管理措施均與當地農田相同。

表1 試驗處理設計

1.4 測定項目與方法

1.4.1 馬鈴薯的農藝性狀指標 于馬鈴薯苗期、現蕾期、塊莖形成期、塊莖膨大期和成熟期分別取長勢一致的植株,調查馬鈴薯的主要農藝性狀指標:株高、莖粗、葉綠素含量(SPAD值)和干物質積累量。在收獲期，每小區選擇2個壟,測定每穴植株大、中、小薯數(標準:大薯≥150 g；中薯75～150 kg；小薯<75 g),并分別計數稱重,計算出產量及商品薯率。

1.4.2 土壤蓄水量 于馬鈴薯每個生育期,用土鉆取壟上0～20、20～40 cm土層土壤,采用烘干法測定其含水量,根據下式計算各層土層土壤的蓄水量：W=H×D×S×10,式中W為土壤蓄水量(mm)；H為所測土層的深度(cm)；D為單位體積的土壤質量(g/cm3)；S為土壤含水率(%)。

1.4.3 土壤溫度 于馬鈴薯每個生育期,利用曲管地溫計測定0～25 cm壟臺中部土壤溫度,5 cm為一層；每次選擇晴天8:00、14:00、20:00各測定1次,計算出不同時期0～25 cm土層的日間平均溫度。

1.5 統計分析

試驗數據統計分析用SPSS軟件,作圖軟件為Graph-pad Prism 8。

2 結果與分析

2.1 種植模式對馬鈴薯農藝性狀的影響

2.1.1 種植模式對馬鈴薯株高和莖粗的影響 如圖2所示,馬鈴薯株高和莖粗隨生育時期的推進均呈先上升后下降的趨勢,苗期至塊莖形成期快速增長,后期呈緩慢增長；不同種植模式下株高、莖粗均表現為T4>T3>T2>T1>CK。在苗期,T4處理的株高顯著高于其他處理的,分別較CK、T1、T2、T3增加了34.1%、16.8%、13.6%、10.4%(P<0.05);莖粗在4種起壟種植模式之間差異不顯著,但均顯著高于對照的(P<0.05)。在現蕾期,4種起壟種植模式下的株高均顯著高于對照的(P<0.05),在覆膜起壟種植與露地起壟種植處理之間株高差異顯著;莖粗在各處理間的差異與苗期類似,并且增粗速度較慢。在塊莖形成期,T4處理下的株高值最大,較CK、T1、T2、T3分別高出17.59%、22.31%、20.04%、8.73%(P<0.05);莖粗在此時期表現為覆膜壟上種植>露地壟上種植>露地平作(P<0.05)。在塊莖膨大期，各處理的株高、莖粗均達到整個生育期間的最大值,以T4處理下的株高、莖粗值均為最大。進入成熟期后,馬鈴薯地上部分逐漸衰老,株高和莖粗下降,各處理的株高較塊莖膨大期分別降低了4.59%、5.29%、4.06%、3.36%、3.08%,莖粗分別降低了5.23%、4.49%、6.74%、3.78%、2.66%,株高和莖粗的降幅均在覆膜壟上種植模式下較小,說明覆膜起壟種植模式有利于延緩馬鈴薯地上部分的衰老。綜上所述,全膜寬壟雙行種植模式(T4)更有利于馬鈴薯株高、莖粗的生長。

同系列柱上不同字母表示差異達0.05顯著水平(P<0.05),下同。

2.1.2 種植模式對馬鈴薯葉綠素含量的影響 如圖3所示,馬鈴薯功能葉片的相對葉綠素含量(SPAD值)隨生育時期的推進呈先升高后下降的趨勢,不同處理表現為T4>T3>T2>T1>CK。SPAD值從苗期至現蕾期處于增長趨勢,在現蕾期達到最大值,以T4處理的SPAD值最大(55.62),較CK、T1、T2、T3處理分別增加了35.6%、22.8%、13.9%、9.4%(P<0.05)；在此生長發育期間,馬鈴薯處在營養生長階段,所以更多的氮素主要集中在莖、葉等器官中,因此功能葉片的SPAD值也較高,并呈增大的趨勢。在生育后期,尤其是在塊莖形成期之后,馬鈴薯的生長中心逐步從葉片、莖等營養器官向塊莖等生殖器官轉移,氮素也相應轉移,造成馬鈴薯功能葉的SPAD值降低。在成熟期,馬鈴薯葉片枯萎,功能葉的SPAD值進一步下降,除T4處理外,在CK、T1、T2、T3處理間均無顯著差異,T4處理的SPAD值較其他處理分別高出11.2%、9.6%、7.5%、6.4%。從生育后期的SPAD值可以看出,T4處理可以延長馬鈴薯葉片的功能期,從而更好地促進塊莖的生長及產量形成。綜上所述,全膜寬壟雙行種植模式(T4)可以有效地提高馬鈴薯功能葉的葉綠素含量(SPAD值)。

圖3 種植模式對馬鈴薯葉片葉綠素含量的影響

2.1.3 種植模式對馬鈴薯干物質積累的影響 對馬鈴薯的干物質積累量進行Logistic方程模擬分析,得到表2中的方程參數和干物質積累特征參數。對表2進行分析表明：方程的決定系數R均在0.994～0.999；不同種植模式下的a值表現為T4>T3>T2>T1>CK,且4種起壟種植模式均與對照差異顯著(P<0.05)；b值表現為T1>CK>T2>T4>T3；c值表現為T4>T3>T2>T1>CK,4個處理均與對照差異顯著(P<0.05)；兩種覆膜起壟種植模式下的生長速率明顯高于露地起壟和露地平作下的,全膜覆蓋下馬鈴薯的生長優勢強于半膜覆蓋下的。進一步分析干物質積累特征參數,發現Tmax值最大為T1,最小為T4;不同處理的Wmax值表現為T4>T3>T2>T1>CK;Gmax值以T4處理最大,其次是T3;總干物質積累活躍天數以CK最小(85.71 d),T1、T2和T4處理的相同。綜合來看,全膜寬壟種植模式(T4)能夠顯著提高生長速率,縮短達到最大干物質積累速率時的天數,增加終極生長量,有利于馬鈴薯干物質的積累。

表2 種植模式對馬鈴薯干物質積累特征參數的影響

2.1.4 種植模式對馬鈴薯產量的影響 如表3所示,不同種植模式下的馬鈴薯產量表現為T4>T3>T2>T1>CK,即覆膜種植大于不覆膜種植，起壟種植大于露地平作,寬壟雙行種植大于小壟單行種植；以T4處理的產量最高,較CK、T1、T2、T3處理分別增加了83.83%、53.29%、21.35%、12.85%,并且T4與其他處理間的差異均達到了顯著水平(P<0.05)。從產量構成因素來看,起壟種植下的馬鈴薯單穴薯塊數均高于露地平作下的,以T4處理下最多,為7.73個,其次是T1,為7.01個;每穴大薯數、大薯率均表現為T4>T3>T2>T1>CK,在起壟種植與露地平作之間，以及寬壟雙行種植與小壟單行種植之間均存在顯著差異(P<0.05);每穴中薯數、中薯率均表現為T2>T4>T3>T1>CK,且T2和T4與其他處理間差異顯著(P<0.05),而在T3、T1、CK之間無顯著差異;T4和T3處理下的商品薯率較高,比對照分別增加了16.3、14.5個百分點,而在T1、T2、T3和T4間無顯著差異,但均與對照差異顯著(P<0.05)。綜上所述,全膜寬壟雙行種植模式(T4)有助于提高每穴薯塊數、大薯率、中薯率和商品薯率,從而提高馬鈴薯的產量。

表3 種植模式對馬鈴薯產量及產量構成因素的影響

2.2 種植模式對土壤水分的影響

2.2.1 種植模式對0～40 cm土壤蓄水量的影響 如圖4所示,不同種植模式下0～40 cm土層蓄水量表現為T4>T3>T2>T1>CK。在苗期，各處理0～40 cm土層土壤蓄水量均最大,且T4和T3能顯著提高0～40 cm土壤蓄水量,較對照分別提高了19.95%、18.80%(P<0.05)。在塊莖形成期，大氣溫度達到整個生育期內最高值,土壤蒸發加強,降雨量較小,植株需水量較大,各處理0～40 cm土壤蓄水量均較低,但T4的保水效果最好,較CK、T1、T2處理分別提高了6.2%、5.7%、4.9%(P<0.05)。在塊莖膨大期，降雨量達整個生育期內最大值,各處理0～40 cm土層土壤蓄水量相應有所提高，且T4和T3處理0～40 cm土壤蓄水量均顯著高于對照的,分別高出3.6%、4.7%(P<0.05)。在成熟期,氣溫降低,降雨量較少,各處理下0～40 cm土壤蓄水量均達到整個生育期內最低值,但T4處理的保墑效果仍然最佳,較CK、T1、T2、T3處理分別提高了11.31%、5.57%、3.20%、0.95%(P<0.05)。綜合來看,全膜寬壟雙行種植模式(T4)能夠減少水分蒸發,增加土壤蓄水量,有利于寧夏半干旱地區馬鈴薯的生長發育。

圖4 種植模式對0～40 cm土層土壤蓄水量的影響

2.2.2 土壤蓄水量與馬鈴薯農藝性狀的相關性 如表4所示,0～40 cm土壤蓄水量主要對馬鈴薯塊莖形成期和塊莖膨大期的農藝性狀影響較大,對苗期的影響最小,這主要是因為馬鈴薯在發芽出苗期種薯自身的含水量能抵抗干旱,故對水分的敏感程度較低。0～40 cm土壤蓄水量對現蕾期至塊莖膨大期的株高影響較大;各生育期0～40 cm土壤蓄水量與同生育期的莖粗、葉綠素含量、干物質累積量、大薯率相關性的趨勢一致,均表現為從苗期至塊莖膨大期相關性逐漸增強,在成熟期減弱;塊莖形成期和塊莖膨大期的0～40 cm土壤蓄水量與中薯率呈極顯著負相關;除苗期0～40 cm土壤蓄水量與小薯率呈顯著負相關外,其余時期均呈極顯著負相關;在塊莖形成期和塊莖膨大期0～40 cm土壤蓄水量與商品薯率的相關性均較強;各生育期0～40 cm土壤蓄水量與產量均呈正相關趨勢,且以塊莖形成期和塊莖膨大期對產量的影響較為突出。馬鈴薯全生育期0～40 cm土壤蓄水量與株高和干物質積累量呈極顯著正相關,與莖粗、葉綠素含量和產量呈顯著正相關,與小薯率呈極顯著負相關,與中薯率呈負相關但不顯著,與商品薯率呈正相關但不顯著。上述結果表明,在寧南山區改善土壤水分狀況能顯著改善馬鈴薯個體的主要農藝性狀,促進植株生長,從而提高產量。

表4 0～40 cm土壤蓄水量與馬鈴薯農藝性狀間的相關系數

2.3 不同種植模式對土壤溫度的影響

2.3.1 種植模式對馬鈴薯各生育期日間0～25 cm土壤平均溫度的影響 如圖5所示,在各種植模式下馬鈴薯日間0～25 cm土壤平均溫度隨生育期推進均呈先上升后降低的趨勢,與氣溫的變化規律一致,在塊莖形成期均達到全生育期內的最高溫度；不同處理的日間0～25 cm土壤平均溫度綜合表現為T4>T3>T1>T2>CK,以T4處理在馬鈴薯整個生育期內的增溫效果最為明顯,在每個生育期均與對照和露地起壟種植模式差異顯著(P<0.05)。在馬鈴薯苗期,T4的日間0～25 cm土壤平均溫度顯著高于其他處理的,分別較CK、T1、T2和T3增高了2.18、1.63、1.85、0.86 ℃(P<0.05)。從現蕾期至塊莖形成期,馬鈴薯日間0～25 cm土壤平均溫度呈上升趨勢,在塊莖形成期各處理均達到整個生育期內的最高溫度,具體表現為T4>T3>T1>T2>CK,其中T4處理的0～25 cm土壤平均溫度分別較CK、T1、T2、T3提高了2.93、2.32、2.53、0.64 ℃(P<0.05)。馬鈴薯進入塊莖膨大期后，氣溫略微下降,土壤溫度也有所降低,但T3和T4處理的日間0～25 cm土壤平均溫度仍均顯著高于其他處理的(P<0.05),而T2處理的日間0～25 cm土壤平均溫度顯著低于T1的(P<0.05),且T2較前一生育期降幅較大。在成熟期,大氣溫度進一步下降,各處理的日間0～25 cm土壤平均溫度也相應下降,但降低的幅度各不一樣,CK、T1、T2、T3、T4較塊莖膨大期分別下降了6.89、5.73、5.11、5.08、4.49 ℃,T3和T4的降幅較小,較對照有顯著的保溫效果(P<0.05)。綜上可以看出,T2與T1在生育前期均能提高土壤溫度,但T2在生育后期具有明顯的降溫優勢,這更符合馬鈴薯生長對溫度的需求規律；從覆膜方式看,全覆膜較半覆膜有明顯的增溫作用,因此全膜寬壟雙行種植模式(T4)形成的土壤溫度環境更適合馬鈴薯的生長和發育。

圖5 種植模式對馬鈴薯各生育期日間0～25 cm土壤平均溫度的影響

2.3.2 土壤溫度與馬鈴薯農藝性狀間的相關性 從表5可以看出：苗期土壤溫度與馬鈴薯產量呈極顯著正相關,與其他農藝性狀無顯著相關性,表明提高苗期土壤溫度有助于提高產量;在塊莖形成期,土壤溫度與株高、莖粗、葉綠素含量、干物質積累量密切相關;在塊莖膨大期,土壤溫度與株高、葉綠素含量呈顯著正相關,與干物質積累量呈極顯著正相關,與小薯率呈顯著正相關,而與大薯率和產量呈顯著負相關,這表明在塊莖膨大期遇高溫會降低大薯率,提高小薯率,造成馬鈴薯減產;在成熟期,土壤溫度與各項農藝性狀無顯著相關性；在整個生育期,土壤溫度與葉綠素含量呈極顯著正相關,與產量和干物質積累量呈顯著正相關,與株高、莖粗、大薯率、商品薯率呈正相關但不顯著,與中薯率、小薯率呈負相關但不顯著。

表5 0～25 cm土層溫度與馬鈴薯農藝性狀間的相關系數

3 小結與討論

3.1 種植模式對馬鈴薯農藝性狀的影響

本試驗研究結果顯示,在全膜寬壟雙行種植模式下(T4),馬鈴薯的株高和莖粗顯著提高,且在生長前期這種效果尤為顯著,這與孫智廣等[14]的研究結果基本一致。本試驗在全膜寬壟雙行種植模式下(T4),馬鈴薯功能葉的葉綠素含量顯著提高,使地上部分光合作用積累的產物更多地向地下塊莖轉移,這與武志海等[15]的研究結果基本一致。夏海豐等[16]研究發現,玉米大壟雙行覆膜栽培使農田光照通風條件改善,從而提高了玉米產量。孫夢媛等[17]的研究結果顯示,全膜雙壟壟上播種處理下的青薯、爛薯比例下降,產量較露地壟作提高了74.78%。本試驗發現,覆膜寬壟雙行種植模式可有效提高馬鈴薯的大薯率，降低小薯率,提高產量,這與前人的研究結果基本一致。

3.2 種植模式對土壤水分的影響

采用起壟栽培模式,壟溝可以集雨,從而可以顯著改善土壤的蓄水能力；寬壟雙行栽培模式更有利于改善土壤的理化性質,使結薯區的土壤含水量顯著提高,再加上覆膜也可以起到保水保墑的作用,因此全膜寬壟雙行種植模式可以顯著改善土壤的水分狀況[18],是適宜寧南山區馬鈴薯生長的種植模式。Li T等[19]的研究表明,在壟作栽培與地膜覆蓋系統中,覆膜處理深2 m土層的蓄水量比對照增加了27%～30%。康波[20]的研究表明,在馬鈴薯全生育期內,全膜雙壟栽培0～200 cm土壤的貯水量最高,其次是全膜高壟種植,以露地平作最低。白秀梅等[21]的研究也得出,與平鋪地膜相比,起壟覆膜使玉米田0～60 cm土壤平均含水量提高了1.80%。Zhao H等[22]通過試驗得出,馬鈴薯覆膜地塊的水分利用效率在兩年里較對照分別提高了45.9%～70.6%、41.4%～112.6%。本試驗研究表明,馬鈴薯全生育期0～40 cm土壤蓄水量表現為壟上種植>露地平作、寬壟雙行種植>小壟單行種植、全膜覆蓋>半膜覆蓋>不覆膜,全膜寬壟雙行種植模式能夠顯著提高0～40 cm土壤蓄水量,較露地平作高出47%(P<0.05)。總之,全膜寬壟雙行種植模式(T4)更能滿足寧南山區馬鈴薯生長發育對水分的需求,這與前人的研究結果基本一致。本試驗只研究了不同種植模式對0～40 cm土壤蓄水量的影響,而沒有對更深土層土壤含水量及不同土層含水量之間的差異等進行研究,以后加強對這方面的研究,對寧南山區馬鈴薯生產將有更大的實際指導意義。

3.3 種植模式對土壤溫度的影響

馬鈴薯喜冷涼,對塊莖形成期和塊莖膨大期的高溫尤為敏感。地膜覆蓋能使地表溫度提高0.4～7.3 ℃,全膜覆蓋0～25 cm土層日平均地溫比半膜覆蓋高,并且全生育期土壤溫度較露地平作平均增高2.42 ℃[23-25],這有助于馬鈴薯出苗,縮短生育期,防止早霜凍等自然災害的侵害。膜覆種植的土壤溫度比露地高,但始終都在馬鈴薯生長的適宜溫度范圍內。在馬鈴薯旺盛生育期,覆膜寬壟雙行栽培使土壤容重和10～25 cm耕層土壤溫度明顯降低,因而能顯著提高馬鈴薯產量[26]。本研究結果表明,采用寬壟雙行種植模式能顯著降低馬鈴薯在塊莖形成期之后的土壤溫度,緩解高溫脅迫；加上全覆膜方式有利于提高馬鈴薯生育前期的溫度,在高溫期還可抑制蒸發,降低土壤溫度,所以全膜寬壟雙行種植模式(T4)更有利于創造適宜馬鈴薯生長的溫度環境,這與前人的研究結果基本一致。

3.4 土壤水熱環境對馬鈴薯生長的影響

馬鈴薯對水分和溫度敏感,而馬鈴薯的產量主要取決于地下部分塊莖的生長,因此營造良好的土壤水熱環境,對馬鈴薯的生長發育及產量形成尤為重要。本試驗研究表明,在塊莖形成期和塊莖膨大期的土壤水分顯著影響馬鈴薯的農藝性狀及產量,且從整個生育期來看,蓄水量對馬鈴薯生長的影響大于水分。韓凡香[27]研究表明,馬鈴薯、玉米和小麥的產量與各生育時期的土壤含水量大都呈正相關,營養生長指標和產量對水分的相關應答趨勢類似,這與本試驗的研究結果基本一致。本試驗研究也發現,土壤溫度對馬鈴薯現蕾期、塊莖形成期和塊莖膨大期的株高、葉綠素含量和干物質積累量影響較大；提高苗期土壤溫度,降低塊莖膨大期的土壤溫度,有助于提高馬鈴薯的產量。陳玉章[28]的研究結果表明,在馬鈴薯高溫生長階段(塊莖膨大期至淀粉積累期),溫度的增加會顯著降低產量,主要原因是該階段溫度的增加會加速地上部植株的衰老和死亡,顯著縮短塊莖生長的持續期,且該階段的高溫會引發塊莖次生生長而增加單株結薯數,進而導致小薯率明顯增多,大中薯和商品薯率顯著下降。亢艷莉等[29]研究指出,寧夏南部山區7月和8月的溫度成為限制馬鈴薯產量的重要因子,均與馬鈴薯產量呈顯著負相關,這與本試驗的研究結果基本一致。

4 結論

采用全膜寬壟雙行種植模式(T4),能夠改善寧南山區農田土壤的水熱狀況,改善馬鈴薯的農藝性狀,促進塊莖形成及膨大,提高每穴薯塊數、大薯率和商品薯率,從而提高馬鈴薯的產量,因此,全膜寬壟雙行種植可作為馬鈴薯高產優質的一種旱作栽培模式,在寧夏南部山區進行推廣應用。