生态学报  2016, Vol. 36 Issue (16): 5215-5226

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王红丽, 张绪成, 于显枫, 马一凡, 侯慧芝
WANG Hongli, ZHANG Xucheng, YU Xianfeng, MA Yifan, HOU Huizhi.
黑色地膜覆盖的土壤水热效应及其对马铃薯产量的影响
Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield
生态学报[J]. 2016, 36(16): 5215-5226
Acta Ecologica Sinica[J]. 2016, 36(16): 5215-5226
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201501200167

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收稿日期: 2015-01-20
网络出版日期: 2015-11-30
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王红丽, 张绪成, 于显枫, 马一凡, 侯慧芝. 黑色地膜覆盖的土壤水热效应及其对马铃薯产量的影响[J]. 生态学报, 2016, 36(16): 5215-5226.
WANG Hongli, ZHANG Xucheng, YU Xianfeng, MA Yifan, HOU Huizhi. Effect of using black plastic film as mulch on soil temperature and moisture and potato yield[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(16): 5215-5226.
黑色地膜覆盖的土壤水热效应及其对马铃薯产量的影响
王红丽1, 张绪成1,2, 于显枫1, 马一凡1, 侯慧芝1     
1. 甘肃省农业科学院旱地农业研究所, 兰州 730070;
2. 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 兰州 730070
收稿日期: 2015-01-20; 网络出版日期: 2015-11-30
基金项目: 农业部公益性行业（农业）科研专项资助项目（201203031）；国家科技支撑计划资助项目（2015BAD22B04）
*通讯作者Corresponding author. 张绪成,E-mail:gszhangxuch@163.com
摘要: 以马铃薯为研究材料，采用随机区组设计，设全膜覆盖垄沟种植（PM）和裸地平作（CK）两个处理，研究西北半干旱区黑色地膜覆盖的土壤水热效应及其对马铃薯产量的影响。结果表明：PM能增加马铃薯全生育期0-25 cm土壤温度1.5℃左右，增温效应呈"抛物线型"；盛花期PM增温效果主要在8：00，14：00和20：00具有降温和稳定地温作用；同时，在平水年和欠水年，PM能促进马铃薯盛花期和薯块膨大期耗水，盛花期PM耗水量增加21.2%-50.5%，块茎膨大期增加5.4%-57.9%，但全生育期耗水量PM与CK差异不显著；PM在调节地温、促进关键生育期耗水作用下，产量较CK提高13.6%-64.5%，WUE提高24.1%-69.5%，差异均达显著水平。在年均降水391.4 mm条件下，连续4a地膜覆盖高产种植的 0-200 cm土层土壤贮水量增加了123.4 mm，优化了土壤水分状况。
关键词: 黑色地膜     覆盖     土壤水热效应     马铃薯     产量    
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     
1. Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China;
 2. Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Province, Lanzhou 730070, China
Abstract: 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.
Key words: black film     mulching     soil temperature and moisture     potato     yield    

陇中半干旱区降水稀少,气候干燥,蒸发强烈[1],水资源短缺是该区农业生产的主要限制因子[2]。地膜覆盖能够显著降低棵间蒸发而改善土壤水热状况,明显改善旱地作物的生长发育状况,提高降水利用效率和作物产量[3-6]。对于喜温作物而言,它实现了土壤水分和温度对作物发育的协同作用。但是,对于马铃薯等喜凉作物而言,透明地膜覆盖造成的土壤温度过高会对其生长形成胁迫[7-8]。研究显示通过改变覆盖材料来适当降低土壤温度和保持土壤水分,从而使土壤微环境更适宜于马铃薯的生长,可提高马铃薯生产对自然资源的利用效率[9]。

马铃薯为西北半干旱区主栽作物,2006年以前一直采用露地种植,本试验所在区域甘肃省定西市2006年开始试验干旱半干旱地区透明地膜覆盖种植马铃薯,并获得一定程度增产。但问题逐步显现,一方面马铃薯薯块膨大期地温高导致马铃薯产量不稳,甚至减产;另一方面透明地膜覆盖薯块变绿,影响商品性和品质。因此,2009年开始,本试验区马铃薯种植全部采用黑色地膜,其透光率低,辐射热透过少,土壤增温幅度较透明膜小,能防止高温对作物的不良影响、抑制杂草生长并防止马铃薯变绿。研究表明,黑色地膜覆盖能显著增加马铃薯产量并显著提高WUE [10-11]。目前对黑色地膜覆盖后的节水效应和产量效应已有报道,但对黑色地膜覆盖后的增产机制研究甚少。本研究以马铃薯为试验材料,以黑色地膜覆盖和露地为处理,从土壤温度和水分耗散过程入手,在马铃薯全生育期测定土壤温度和土壤含水量,测定马铃薯产量并计算其水分利用效率和耗水深度,揭示黑色地膜覆盖的土壤水热效应及其对马铃薯产量的影响,探明其增产机制及其对土壤水分年际持续性的影响,为进一步探讨旱作区高产高效、生态安全的栽培技术体系提供理论支持。

1 材料和方法 1.1 研究区概况

试验于2011—2014年在甘肃省定西县唐堡试验站进行。该区海拔1970m,年均气温6.2℃,年辐射总量5898MJ/m2,年日照时数2500h,≥10℃积温2075.1℃,无霜期140d,属中温带半干旱气候。作物一年一熟,无灌溉,为典型旱地雨养农业。年均降水总量为415mm,6—9月降水量占年降水的68%,降水相对变率为24%,400mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土,0—30cm土层平均容重1.25g/m3,永久凋萎系数为7.5%。4a试验期间降水及气温变化见图 1,2011年马铃薯全生育期内降水283.5mm,为欠水年。2012年马铃薯全生育期降水386.8mm,主要集中在5、6、7、8、9月份,为平水年。2013年马铃薯全生育期降水474.5mm,5月份、7月份和8月份降水均高于往年同期,为丰水年。2014年马铃薯全生育期降水420.6mm,4、6、8、9月份降水多,但7月份降水仅34.1mm,此时正值全年气温最高时段,作物受干旱胁迫严重,为季节性干旱平水年。试验4年间,2011年马铃薯生育期平均气温最高,后3年基本相同,其中2011年和2014年7中下旬(马铃薯花期)平均气温基本相同,较2012年平均高0.7℃,较2013年平均高2.1℃。

图 1 马铃薯生育期降水和气温变化 Fig. 1 Dynamic of precipitation and average air temperature during the growth stages of potato
图选项
1.2 试验设计

试验以马铃薯(Solanum tuberosum)为研究材料,品种为“新大坪”,采用随机区组设计,设全膜覆盖垄沟种植(PM)和裸地平作(CK)两个处理,每处理4次重复,全部采用宽窄行种植,即宽行行距60cm,窄行行距40cm,以利于通风透光。全膜覆盖垄沟种植方式为全地面覆膜,起单垄,垄宽60 cm,高15cm,沟宽40 cm,马铃薯种植在垄的两侧(图 2);裸地平作地面不覆膜不起垄,马铃薯直接点播。小区面积6 m×7.5 m=45m2,种植密度48500株/ hm2。施肥量为有机肥15000kg/ hm2,尿素375kg/ hm2,过磷酸钙750kg/ hm2,肥料在播前作为底肥一次施入。2011年4月18日播种,9月23日收获;2012年4月19日播种,9月25日收获;2013年4月13日播种,10月10日收获;2014年4月20日播种,10月8日收获。马铃薯全生育期不灌溉,如马铃薯点播穴孔处有杂草,用手拔除,不进行其他田间管理。

图 2 马铃薯全膜覆盖垄沟种植示意图 Fig. 2 Schematic diagram of whole field plastics mulching and planting in dicth of patato
图选项
1.3 测定项目及方法 1.3.1 地温

参考Cook等[12]的方法,在马铃薯生长全生育期用地温计在垄上两株马铃薯植株间进行0 —25cm地温测定,每5cm为1个测定层,每小区测定1个位点,定点测定。每10—15d在8:00、14:00、20:00各测定1次,分析时取平均值。

1.3.2 土壤含水量测定及计算方法

在马铃薯全生育期用烘干法测定0—200cm土层土壤含水量,每20 cm为1个层次,在垄上两株马铃薯之间测定,下次测定时换一位点,平均每10 —15d每小区测定1次。

土壤贮水量计算公式：SWS(mm)= WS×b×d，式中WS为土壤重量含水量;b为土壤容重;d为土壤深度。

1.3.3 水分利用效率计算

WUE=Yd /ET,式中Yd 为作物单位面积产量;ET= SWSBF－SWSHA+P,式中SWSBF为播前贮水量;SWSHA为收获后贮水量;P为生育期降水量

1.3.4 耗水深度计算

耗水深度计算：(SWSi－SWCb)/ SWCb﹤5%时,认为该土层土壤水分没有被耗散。式中SWSi为某一土层土壤含水量(%);SWSb为播前对应土层土壤含水量(%)。

1.3.5 产量

马铃薯成熟后及时收获,收获后立刻称鲜重,每小区产量按实收鲜重计产。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和DPS统计软件对数据进行统计分析,并用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 0—25cm土壤平均温度变化

黑色地膜全地面覆盖使马铃薯全生育期地温增加,但在马铃薯不同生育时期增温效果不同(图 3)。马铃薯播种到出苗(4月中下旬—5月中下旬),全膜覆盖垄沟种植(PM)0—25cm土层平均地温4a平均较裸地平作(CK)增加0.8℃;出苗到现蕾期(5月中下旬—6月中下旬)平均增温1.3℃;现蕾期到开花期(6月中下旬—7月上旬)平均增温1.8℃;开花期到块茎膨大期(7月中下旬—8月中旬)平均增温2.3℃;薯块膨大期到淀粉积累期(8月下旬—9月中上旬)平均增温1.9℃;成熟期(9月下旬—10月上旬)平均增温2.0℃。黑色地膜覆盖增温幅度呈先增大后减少的“抛物线型”变化趋势,原因是马铃薯地上干物质较为矮小,种植密度不大,对地面遮阴较弱,受太阳辐射影响大,从马铃薯播种到收获,太阳辐射强度呈先增强后减弱的变化,黑色地膜覆盖增温效果与此趋势一致。

图 3 黑色地膜覆盖对0—25cm平均土壤温度的影响 Fig. 3 Effect of black film mulching on soil average temperature in 0—25 cm layer
图选项
2.2 不同时间和深度土壤温度的变化

黑色地膜覆盖后,马铃薯苗期、现蕾期、盛花期、薯块膨大期和淀粉积累期在8:00、14:00、20:00温度效应有明显差异(图 4—图 7)。8:00,PM 0—25 cm土层增温效果自上而下逐渐减弱。苗期PM增温幅度较小,5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm、20—25 cm土层分别增温1.6、0.8、0.6、0℃;现蕾期除2011年外,其他年份此期基本不增温,这与试验4a气温变化不同有关。盛花期为全年气温最高时段,此时PM增温主要在20cm以上土层,5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm土层分别增温2.0、2.0、1.1℃;薯块膨大期增温幅度均在1.0℃以下;淀粉积累期增温效果重现,5—25 cm土层增温均在1.8℃左右;0—5 cm土层由于与外界热量交换强烈,PM增温效果无一定规律。

图 4 2011年不同时间和土层土壤温度变化 Fig. 4 Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2011
图选项

图 5 2012年不同时间和土层土壤温度变化 Fig. 5 Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2012
图选项

图 6 2013年不同时间和土层土壤温度变化 Fig. 6 Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2013
图选项

图 7 2014年不同时间和土层土壤温度变化 Fig. 7 Dynamic of soil temperature at different time and soil layer in 2014
图选项

14:00,与CK相比,PM 马铃薯盛花期各土层地温均降低,其他生育期均有不同程度增温且增温效果5—25cm土层自上而下呈逐渐减弱趋势。苗期PM增温主要在15cm以上土层,平均增温2.0℃;现蕾期增温效果弱于苗期,除5—10cm 土层外,增温效果均在1.0℃以下;盛花期PM各土层地温均低于CK,降温主要表现在20cm以上土层,其中0—5cm、5—10cm、10—15cm、15—20cm降温幅度分别为5.7、3.4、2.3℃和1.0℃;薯块膨大期增温效果重现,5—10cm、10—15cm、15—20cm、20—25cm分别增温3.3、4.0、2.5、0.9℃;淀粉积累期分别增温2.4、1.7、1.0、1.5℃,增温效果减弱。0—5cm土层由于与外界热量交换强烈,PM增温效果无一定规律。

20:00,盛花期PM表现为降温效应,其他生育期均不同程度增温。苗期PM增温效果较14:00有所减弱,5—10cm、10—15cm、15—20cm、20—25cm土层分别增温1.8、1.1、1.1、1.2℃;现蕾期PM与CK各土层土壤温度无差异;盛花期PM各土层地温均低于CK,降温效果从上到下递减,降温幅度0.6—2.8℃;薯块膨大期5—25cm各土层分别增温2.9、2.4、2.5、1.3℃;淀粉积累期分别增温2.7、2.1、2.8、2.4℃(图 4)。

黑色地膜覆盖后,马铃薯盛花期虽处在全年气温最高时段,但增温效应只出现在8:00,14:00和20:00均具有降温作用,避免了马铃薯关键生育期高温胁迫;另一方面黑色地膜覆盖在盛花期稳定地温的作用对马铃薯薯块膨大创造了适宜的条件,对马铃薯产量提高奠定了基础。

2.3 马铃薯不同生育期土壤水分状况和耗水深度

黑色地膜覆盖对马铃薯现蕾期、盛花期和薯块膨大期土壤水分状况有显著影响,并与当年降水分布密切相关(图 8,表 1)。虽然试验4a降水分布不同,但马铃薯现蕾前降水均较少,且降水多为10mm以下无效降水,马铃薯生长几乎全部依赖土壤水分,因此马铃薯现蕾期0—200 cm土壤贮水量均有不同程度减少,其中2011年PM 0—200cm贮水量较播前减少45.0mm,水分耗散深度为80cm,CK减少51.9mm,水分耗散深度为140cm;2012年由于现蕾前降水多于其他年份,土壤水分补给较多,PM和CK均只消耗20—60cm土壤水分,其中PM 20—60cm土层土壤贮水量较播前减少12.1mm,CK减少2.2mm,PM和CK耗水深度均为60cm;2013年PM 0—200cm贮水量减少27.8mm,CK减少45.6mm,PM耗水深度60cm,CK耗水深度80cm;2014年现蕾前降水亦较多,PM和CK 0—200cm土壤贮水量分别较播前减少30.5mm和23.0mm,耗水深度均为100cm。可见,在干旱条件下(2011年和2013年现蕾前)CK土壤水分散失较PM更多,原因是CK地表裸露,在干燥条件下蒸发更为强烈。

图 8 2011—2014年马铃薯关键生育期土壤贮水量变化 Fig. 8 Dynamic of soil water storage at key growth stage during 2011—2014
图选项

表 1 黑色地膜覆盖对马铃薯关键生育期土壤水分状况和耗水深度的影响 Table 1 Effects of black film mulching on soil water storage and water consumption depth
生育期/年份 Growth stage/Year 播前Sowing 现蕾期Squaring 盛花期Flowering 薯块膨大期Expanding
贮水量/ mmSoil water storage 贮水量/ mmSoil water storage 耗水深度/ cmWater consumption depth 贮水量/mmSoil water storage 耗水深度/ cmWater consumption depth 贮水量/mmSoil water storage 耗水深度/cmWater consumption depth
PMCKPMCKPMCKPMCKPMCKPMCKPMCK
2011381.4381.4336.4329.580140305.6327.4140140286.6321.3160140
2012393.1320.5419.2342.86060342.6321.88060305.0325.2180180
2013461.7386.4433.9340.86080508.5425.1 502.9461.9 60
2014504.9449.7474.4426.6100100417.8377.7160180389.4385.8180180
 BF：播种前 Before sowing,PM：全膜覆盖垄沟种植 whole field surface plastic mulching and planting on ridgeI
表选项

随马铃薯生育进程的推进,降水逐渐增多同时马铃薯对水分利用逐步加快,进入盛花期,2011年、2012年和2014年均表现为PM 0—200cm 土壤贮水量减少幅度大于CK,可见PM能促进马铃薯盛花期对土壤水分的利用。2011年盛花期PM 0—200cm贮水量较播前减少75.8mm,水分耗散深度为140cm,CK减少54.0mm,水分耗散深度为140cm;2012年PM和CK 不仅消耗了现蕾期土壤储蓄的水分,而且耗散了土壤水分,PM 0—200cm土壤贮水量较播前减少50.5mm,耗水深度80cm,CK 0—200cm土壤贮水量与播前基本一致;2014年PM和CK分别减少87.1mm和71.9mm,耗水深度分别为160cm和180cm;2013由于盛花期降水多(7月份降水156mm),虽然马铃薯耗水增多,但PM和CK 0—200cm土壤贮水量均较播前增加,PM播前增加46.9mm,CK增加38.8mm。

盛花期后马铃薯生长以地下部分为主,薯块的膨大需要大量水分,因此马铃薯对土壤水分的消耗进一步加大,除2013年外,其余年份试验结果均显示,薯块膨大期为马铃薯水分消耗最多的时期且PM对土壤水分的消耗大于CK。2011薯块膨大期,PM 0—200cm贮水量较播前减少94.8mm,水分耗散深度为160cm,CK减少60.1mm,水分耗散深度为140cm;2012虽然此期降水109mm,但仍消耗大量土壤水分,PM 0—200cm土壤贮水量较播前较少91.1mm,耗水深度180cm,CK减少71.9mm,耗水深度180cm;2014年PM和CK分别减少125.5mm和119.2mm,耗水深度均达180cm;2013此期降水116mm,虽然马铃薯耗水增多,但块茎膨大期PM和CK 0—200cm土壤贮水量均较播前增加,其中PM薯块膨大期较播前增加41.2mm,CK增加0.3mm。

综合分析4a试验结果可见,在平水年和欠水年PM能促进马铃薯盛花期和薯块膨大期耗水,保证马铃薯高产的水分条件,但与CK相比,PM虽然耗水量大,耗水深度却并未增加。

2.4 土壤水分年际变化

黑色地膜覆盖对马铃薯播前收后土壤贮水量有显著影响(图 9)。2011年为欠水年,马铃薯收获后,PM 60cm以上土层高于播前,但60—200cm土层较播前低89.8 mm;CK 40cm以上土层高于播前,但40cm—200cm土层较播前低113.4 mm;2012年马铃薯收获后,PM 0—60cm土壤贮水量跟播前接近,60—200cm土层土壤贮水量较播前高90.4mm;CK 0—120cm土壤贮水量较播前高52.1mm,120cm—200cm土层与播前相近。2013年收获后PM 0—200cm各土层土壤贮水量较播前高28.6mm,CK 60 cm—200cm层土壤贮水量较播前高64.4mm。2014年马铃薯收获后,PM与CK 0—200cm贮水量与播前基本无差异。

图 9 黑色地膜覆盖对马铃薯播前收后土壤贮水量的影响 Fig. 9 Effects of black film mulching on soil water storage before sowing and after harvesting
图选项

从年际水分变化看,PM和CK当年播前0 —200cm土壤贮水量均不少于上一年收获后。2012年PM播前0 —200cm 土壤贮水量较2011年收获后高61.8mm,CK高57.1mm;2013年PM播前0 —200cm 土壤贮水量较2012年收获后高8.7mm,CK高15.4mm;2014年PM播前0 —200cm 土壤贮水量较2013年收获后高1.6 mm,CK高19.9mm。2014年收获后PM 0 —200 cm土壤贮水量较2011年播前高123.4mm,CK高92.4mm。可见,在马铃薯生育期平均降水391.4mm(2011—2014年马铃薯生育期平均降水量)条件下,足以支持马铃薯生产,并能改善土壤水分状况。

2.5 马铃薯产量、耗水量和水分利用效率

黑色地膜覆盖对马铃薯产量、耗水量和WUE均有显著影响(图 10)。黑色地膜覆盖后,2011年PM产量较CK提高29.3%,2012年提高13.6%,2013年提高17.5%,2014年提高64.5%,差异均达显著水平(P<0.05);在PM大幅增产的前提下,耗水量却有一定程度下降,2011年和2012年PM耗水量显著低于CK(P﹤0.05),2013—2014年低于CK,但差异不显著。PM 2011年WUE较CK提高44.7%,2012年提高36.2%,2013年提高24.1%,2014年提高69.5%,差异均达显著水平(P﹤0.05)。

图 10 黑色地膜覆盖对马铃薯产量、耗水量和WUE的影响 Fig. 10 Effects of black film mulching on yield,water consumption and WUE of potato
图选项

综合分析4a试验结果(表 2),2011—2014年PM马铃薯累计产量较CK增加32.9%,WUE较CK提高41.3%,差异均达显著水平(P﹤0.05),但4a马铃薯生育期累计耗水量PM 与CK差异不显著,PM略低于CK;2011—2014年累计降水量1878mm(含冬休闲期降水),较PM 马铃薯4a总耗水量多462mm,较CK总耗水量多332.0mm;马铃薯连续种植4a后,2014年马铃薯收获后0—200cm土壤贮水量较2011年播前增加123.4mm,CK增加92.4mm;可见,从土壤水分年际持续性看,在试验4a马铃薯生育期间年均降水391.4mm条件下,降水足以支持马铃薯生长,并提高土壤水分含量。马铃薯覆盖黑色地膜后,产量大幅提高同时土壤水分环境得以优化。

表 2 2011—2014年累计产量、耗水量、WUE及0—200cm土壤水分变化 Table 2 Dynamic of yield,water consumption,WUE and soil water in 0—200cm layer
处理Treatment总产量/kg Cumulative production总耗水量/mm Cumulative water consumptiom平均WUE/(Kg hm-2 mm-1) Average WUE总降水量/mm Cumulative Precipitation2011年播前土壤贮水量/mm Soil water storage before sowing in 20112014年收后土壤贮水量/mm Soil water storage after harvesting in 2014
PM84840.82a1416.04a59.91a1878.4381.4504.8
CK63834.49b1546.37a41.28b1878.4381.4473.8
 不同字母表示同一年份不同处理测定结果在5%水平上差异显著
表选项
3 讨论与结论

透明膜覆盖具有显著的增温效果,对玉米、小麦覆膜后增温效果主要在拔节期前,增温幅度1.8—3℃左右[6, 13]。对马铃薯而言,透明膜覆盖后,苗期日均温度增加最明显,开花期和封行期增温不明显,增温效应表现为马铃薯生长前期增温多,后期增温少,且0—20cm各土层土壤温度均表现为14:00最高,20:00次之,8:00最低[14-17];马铃薯透明膜覆盖垄沟种植方面的研究显示,覆膜能显著增加垄上10cm土层土壤温度,利于马铃薯幼苗生长[18]。本试验条件下,黑色地膜覆盖后,马铃薯全生育期均存在增温效果,且增温幅度呈先增大后减少的“抛物线型”变化趋势,0—25cm平均地温增加0.8—2.3℃,与已有透明膜覆盖增温效应研究结果有不同之处,一方面增温时期不同,另一方面增温幅度低于透明膜[14]。本试验中,盛花期PM增温效果主要在8:00,14:00和20:00地温低于CK,其他生育期各时段均有不同程度增温,与马铃薯透明膜覆盖后不同时间段温度效应研究结果不同[14-19],原因是黑色地膜覆盖前期增温使植株长势旺盛,地上冠层大,地上群体较为合理,避免了透明地膜覆盖马铃薯关键生育期的高温胁迫;另一方面黑色地膜覆盖在盛花期稳定地温的作用对马铃薯薯块膨大创造了适宜的条件,对马铃薯产量提高奠定了基础。

透明膜覆盖在提高玉米[6, 20-21]、小麦[13, 22]、西瓜[23]等耗水量、产量和水分利用效率方面效果显著,但透明膜覆盖后马铃薯的土壤水分、产量效应研究结果不尽相同。有研究显示透明膜覆盖后马铃薯播种后至封行前,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%,马铃薯透明膜覆盖栽培的块茎产量比不覆盖降低15.8%,认为透明膜覆盖宜采取前期覆膜、中后期撤膜的方式[24-25];也有研究认为,透明膜覆盖双垄栽培能提高0—100cm土壤含水量[9],产量较不覆膜提高29.31%—207.94%,水分利用效率提高36.15%—237.50%[11, 16-18]。本试验条件下,虽然试验4a降水分布不同,但马铃薯现蕾期PM和CK 0—200 cm土壤贮水量均有不同程度减少,随马铃薯生育进程的推进,降水逐渐增多同时马铃薯对水分利用逐步加快,盛花期平水年和欠水年PM 0—200cm 土壤贮水量减少幅度大于CK,PM能促进马铃薯盛花期对土壤水分的利用;盛花期后马铃薯生长以地下部分为主,对土壤水分的消耗进一步加大,在平水年和欠水年,薯块膨大期为马铃薯水分消耗最多的时期且PM对土壤水分的消耗大于CK。但在丰水年(2013年),虽然马铃薯耗水增多,但块茎膨大期PM和CK 0—200cm土壤贮水量均较播前增加,综合分析4a试验结果可见,黑色地膜覆盖后,马铃薯对土壤水分的消耗与降水有较大关系,在平水年和欠水年PM能促进马铃薯盛花期和薯块膨大期耗水,保证马铃薯高产的水分条件,但与CK相比,PM虽然耗水量大,耗水深度却并未增加。

研究显示,透明膜覆盖能显著提高作物产量,但在地膜覆盖营造高产田的同时,易导致土壤水分过耗,土壤干燥化现象发生或土壤年际水分平衡破坏,干燥化风险增加[26-30]。本试验条件下,不论丰水年或欠水年,黑色地膜覆盖后,PM产量和WUE较CK均提高,其中产量增加13.6% — 64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差异均达显著水平(P﹤0.05);但PM在大幅增产的前提下,耗水量和耗水深度却并未增加,2011年和2012年PM耗水量显著低于CK(P﹤0.05),而且试验4a中各生育期PM耗水深度与CK相比并未加深;连续4a PM种植马铃薯使0—200 cm土壤贮水量增加了123.4mm,较CK高31.0mm。主要原因是黑色地膜覆盖抑蒸保墒、协调马铃薯耗水与土壤水分分配,在高效用水的同时最大限度保蓄了土壤水分。

黑色地膜覆盖(PM)能增加马铃薯全生育期0—25cm土壤温度1.5℃左右,增温效应弱于透明膜覆盖,在马铃薯盛花期PM增温效果主要在8:00,14:00和20:00的地温低于CK,在一定程度缓解了地膜覆盖马铃薯生育后期的高温胁迫危害并具有稳定地温的作用;同时,在平水年和欠水年,促进马铃薯盛花期和薯块膨大期耗水;PM在调节地温、促进关键生育期耗水作用下,产量较CK提高13.6%—64.5%,WUE提高24.1%—69.5%,差异显著(P﹤0.05)。PM虽连年增产,但在年均降水391.4mm条件下,连续4a种植对 0—200cm土壤水分状况有优化作用。

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