范士杰，王蒂，張俊蓮，白江平，宋吉軒，馬智黠

（1.甘肅省作物遺傳改良與種質創(chuàng)新重點實驗室 甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅 蘭州730070；2.貴州省馬鈴薯研究所，貴州 貴陽550006；3.貴州省威寧縣農業(yè)局，貴州 威寧553100）

＊土壤水分是影響作物生長發(fā)育與土壤肥力變化的重要因素，研究耕作栽培措施中的土壤水分效應，對于揭示耕作方式對作物生長發(fā)育的影響、土壤肥力特征的內在原因及耕作技術的改進具有重要意義［1－5］。前人研究表明地膜具有透光率高、不透氣、質輕耐用等特征以及顯著的增溫、保水和增產促早熟作用［6－11］；綠肥是理想的固氮植物，具有保水增肥和防止水土流失的作用［10－14］。馬鈴薯（Solanumtuberosum）是我國西南高寒山區(qū)的主栽農作物，其中貴州省威寧縣馬鈴薯的常年種植面積就超過11.07萬hm2，是名符其實的中國南方馬鈴薯之鄉(xiāng)［12］。該縣雖屬亞熱帶濕潤季風氣候，但降水多集中在6－9月；春季降水稀少，且地表蒸發(fā)強烈，土壤含水量低，因此，馬鈴薯出苗期至開花期一般為該地區(qū)的低溫干旱階段，嚴重影響馬鈴薯出苗率和苗期的生長發(fā)育水平［13－18］。春季土壤水分狀況成為制約該地區(qū)馬鈴薯生長和產量形成的主要因子，采用適宜的栽培方式是解決這一問題的關鍵所在。

本研究將地膜與綠肥2種元素融合在一起，在馬鈴薯作物的生育時期內，研究了不同耕作方式0～21 cm農田耕作層土壤水分的變化特征以及對馬鈴薯生長動態(tài)和產量的影響，并利用國際馬鈴薯中心（CIP）提供的FLINT1模型對馬鈴薯不同栽培方式的水分狀況進行了分析，以期揭示栽培技術對馬鈴薯生長過程中水分的影響，針對我國西南高寒山區(qū)春播馬鈴薯近年來頻繁出現(xiàn)的季節(jié)性干旱，為建立合理耕作制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2009年3月17日和2010年3月18日在貴州省威寧縣小海鎮(zhèn)進行，8月27日收獲。該鎮(zhèn)距威寧縣城12 km，位于東經104°15′、北緯27°06′，平均海拔2 200 m，年均氣溫10～12℃，年均降水量962.3 mm，無霜期208 d，年均日照時數(shù)1 800 h，夏季平均氣溫23.2℃，屬亞熱帶濕潤季風氣候。馬鈴薯為當?shù)氐闹饕魑镏?，一年一熟。試驗土壤為黃壤，土壤肥力中上等。試驗地氣象數(shù)據由貴州省威寧縣氣象局提供。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理：1）綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式（GMPM）：綠肥收割后隨即整地播種，綠肥放在馬鈴薯播薯后的溝中和種薯的上方，起壟后蓋地膜；2）綠肥聚壟栽培方式（GM）：綠肥放在馬鈴薯播薯后的溝中和種薯的上方，起壟后不蓋地膜；3）地膜覆蓋栽培方式（PM）：不用綠肥，播種起壟后蓋地膜；4）對照（CK）采用普通翻耕栽培方式，不用綠肥，播種起壟后不蓋地膜。試驗采用完全隨機區(qū)組排列，4次重復，每小區(qū)5行，面積為21 m2，單壟栽培，壟距60 cm，株距28 cm，每小區(qū)播125株。綠肥小區(qū)綠肥使用量按75 kg，綠肥中含水率為65%。地膜為普通農膜，膜厚0.015 mm，寬90 cm。馬鈴薯供試品種為黔芋1號，施肥水平各處理相同。

綠肥品種為紫云英，每666.67 m2用種5 kg。綠肥的播種時間為安排試驗年份的上一年的9月上旬播種，在安排試驗種植的當年整地時（一般為3月中旬）將綠肥收割，待劃好試驗小區(qū)開溝播種施肥后，再將綠肥放在播薯后的溝中和種薯的上方，隨即起壟蓋土，俗稱“綠肥聚壟”。由于整地到播種的時間較短，綠肥仍多為活體植物，對播種后的土壤有補充水分的作用。種植綠肥也有改良和培肥土壤的作用。

1.3 測定項目和方法

土壤水分：采用取土烘干法。根據烘干法測定農田耕層土壤水分的取樣梯度（7 cm），按0～7、7～14和14～21 cm梯度從播種后每5 d的14：00取樣測定1次。在生育的主要時期（齊苗期、盛花期、封行期、成熟期）取樣測定0～100 cm土層土壤儲水量，0～100 cm土層土壤儲水量為0～20，20～40，……，80～100 cm（梯度為20 cm）土層土壤含水量之和。土壤體積質量的取樣用環(huán)刀法。

各生育期生物量及產量：自馬鈴薯播種后，分別在齊苗期、盛花期、封行期和成熟期采取植株樣，取樣標準為1 m樣段，計算生物量。收獲時以每小區(qū)產量記產，折合成每hm2產量。

式中，w為土壤水分總貯存量（mm）；ρ為地段實測土壤體積質量（g／cm3）；h為土層厚度（cm）；ω為土壤質量含水率（%）。

式中，ET為作物生育期內的總耗水量（mm）；P為作物生育期內的降水量（mm）；Δw為土壤水分在一段時間內的變化量（mm）；I為灌溉水量（mm）；Dr為地表徑流（mm）；Gc為深層入滲量（mm）。由于西南山區(qū)沒有灌溉設施，故灌溉水量為0；試驗地地勢平坦，土壤深厚肥沃，蓄水保水能力強，地下水位在50 m以下，故試驗地的地表徑流和深層入滲量很小，可以忽略不計［19－20］。

式中，Ya為單位面積的經濟產量（kg／hm2）。

式中，F(xiàn)LINT1（fraction of light intercepted）：植被有效輻射；MGC（maximum fraction achieved by the canopy cover）：最大冠層受光面；N（planting density，plant／m2）：植株密度；Fo（initial fraction of light interception）：初始植被有效輻射；Ro（rate of relative increase of light interception）：相對接受輻射增加速率；t（cumulated growth degree day）：生長度天。

植被有效輻射（FLINT1）的計算公式由國際馬鈴薯中心（CIP，www.cipotato.org）提供［21，22］。估算土壤水分脅迫的萎蔫系數(shù)（WP，wilting point）、水分關鍵水平（CL，critical level）、蒸騰蒸發(fā)量（ETP，evapotranspiration）等馬鈴薯生長參數(shù)來自國際馬鈴薯中心（CIP）在世界各地不同類型土壤多年多點的統(tǒng)計數(shù)據。該試驗選用的估算作物水分脅迫的有關參數(shù)為肥力中上等的黃壤類型的數(shù)據。

如果實際的土壤水分含量（SWC）大于水分關鍵水平，實際蒸騰量（Ta）就等于初始蒸發(fā)量（T0，T0＝FLINT1×ETP）；如果土壤水分含量小于萎蔫系數(shù)，Ta就等于0；如果土壤水分含量小于水分關鍵水平，大于萎蔫系數(shù)，Ta＝T0×（萎蔫系數(shù)－土壤水分含量）／（萎蔫系數(shù)－水分關鍵水平）。

作物水分脅迫系數(shù)（cws）計算：如果［1－實際蒸騰量（Ta）／初始蒸騰量（T0）］－0.2小于0，該指數(shù)等于0；如果大于0，指數(shù)為實際計算值。

由上式可知，cws＝0表示作物處在無水分脅迫狀態(tài)，cws＝1.0表示作物受的水分脅迫最大。

1.4 數(shù)據處理

采用Microsoft Excel和SPSS 18.0進行數(shù)據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同栽培方式對土壤水分狀況的影響

馬鈴薯生育期內田間土壤平均含水率隨時間的變化表明（圖1），土壤平均含水率季節(jié)變化明顯。在5月中旬前，綠肥割收后，隨即聚壟埋入土中，再利用地膜的保水作用，在一段時間內土壤中水分含量較高。綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式、綠肥聚壟栽培方式和地膜覆蓋栽培方式田間耕層土壤平均含水率分別高出對照12.93%，6.30%和10.88%；在5月中旬后，綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式和地膜覆蓋栽培方式田間耕層土壤平均含水率分別低于對照6.35%和6.40%，綠肥聚壟栽培方式田間耕層土壤平均含水率僅高出對照1.17%，變化不大。

綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式、地膜覆蓋栽培方式和對照比較（表1），在3月下旬－5月中旬，有提高耕層土壤含水率的作用，在5月中旬－8月下旬，有降低耕層土壤含水率的作用，并且均達顯著差異水平（P＜0.05）。地膜覆蓋栽培方式和對照比較，除在3月下旬－5月中旬土壤深度0～7 cm外，均有提高各耕層土壤含水率的作用。

圖1 不同栽培方式下0～21 cm土壤平均含水率隨時間變化動態(tài)Fig.1 Dynamics of average soil moisture content at 0－21 cm layer under various tillage treatments

表1 不同栽培方式下不同時段不同土壤深度的土壤含水率Table 1 Soil water content at different depths with different periods under various tillage treatments %

2.2 不同栽培方式對不同生育期馬鈴薯生長動態(tài)的影響

2.2.1 對不同生育期馬鈴薯干物質積累的影響 干物質生產是作物產量形成的基礎。圖2顯示了生育期內主要階段馬鈴薯干物質增加的量。不同栽培方式對馬鈴薯干物質積累量大小為：綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式＞綠肥聚壟栽培方式＞普通翻耕栽培方式＞地膜覆蓋栽培方式。綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式和綠肥聚壟栽培方式在馬鈴薯生育期內的主要階段，干物質的量分別比對照增加了17.8%和1.4%，地膜覆蓋栽培方式干物質的量比對照減少了21.2%。綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式在生育期內的主要階段，馬鈴薯干物質積累的量與對照相比均達顯著差異水平（P＜0.05）。

不同栽培方式在生育期內的主要階段馬鈴薯干物質的量增加基本規(guī)律是：盛花期＞封行期＞齊苗期＞成熟期。其在各生育階段干物質增加的量所占比例分別為：7.6～35.2%%，30.6% ～40.7%，22.2% ～35.5%，8.2%～16.2%，其中，綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式、綠肥聚壟栽培方式、地膜覆蓋栽培方式和對照在盛花期干物質增加的量所占比例分別為31.4%，34.7%，40.7%和30.6%，在封行期干物質增加的量所占比例分別為35.2%，25.3%，7.6%和31.0%，這說明綠肥聚壟栽培方式和地膜覆蓋栽培方式，在封行期馬鈴薯的干物質積累受到了影響，并且達到了顯著差異水平（P＜0.05）。

圖2 不同栽培方式馬鈴薯干物質積累動態(tài)變化Fig.2 Effect of tillage strategies on the dynamic variation of plant dry－matter accumulation

圖3 不同栽培方式馬鈴薯耗水量的動態(tài)變化Fig.3 Effect of tillage strategies on the dynamic variation of plant water consumption

2.2.2 對馬鈴薯耗水及耗水特征的影響 作物耗水量反映了作物對土壤水分的吸收利用狀況。在各生長階段，封行期－成熟期的作物耗水量最高（圖3）。不同的栽培方式進行比較，對照耗水量在每個生育階段均最高，除成熟期外，與其他的栽培方式相比，其耗水量均達顯著差異水平（P＜0.05）。有地膜處理的栽培方式與沒有地膜處理的栽培方式相比，有地膜處理的栽培方式馬鈴薯的耗水量低。

沒有地膜處理的2種栽培方式進行比較，其耗水量為對照＞綠肥聚壟栽培方式，在齊苗期、盛花期和封行期，其耗水量均達顯著差異水平（P＜0.05）；有地膜處理的2種栽培方式進行比較，除齊苗期外，其耗水量為綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式＞地膜覆蓋栽培方式，在封行期和成熟期，其耗水量均達顯著差異水平（P＜0.05）；有綠肥處理的2種栽培方式進行比較，其耗水量為綠肥聚壟栽培方式＞綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式，其耗水量僅在齊苗期達顯著差異水平（P＜0.05）。

對馬鈴薯的耗水量與對應的降水量進行比較顯示（圖3）：各處理在齊苗期土壤的耗水量大于該時段降水量，而在其他生長階段土壤的耗水量均低于該時段降水量，這說明在齊苗期，栽培設施的使用和栽培技術的研究，應考慮向土壤補充水分或減少土壤水分的蒸發(fā)，而在馬鈴薯其他生長階段，栽培設施的使用和栽培技術的研究，應考慮提高土壤的水分利用率。

2.3 不同栽培方式對馬鈴薯塊莖產量和田間耕層土壤水分利用的影響

2.3.1 對馬鈴薯塊莖產量的影響 不同栽培方式下馬鈴薯的塊莖產量具有明顯的差異（表2）。綠肥聚壟栽培方式與對照間馬鈴薯的塊莖產量差異不顯著，而綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式、地膜覆蓋栽培方式與對照間的差異顯著。綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式與綠肥聚壟栽培方式、地膜覆蓋栽培方式、對照間的產量差異均極顯著。綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式馬鈴薯的塊莖產量高出對照25.6%（P＜0.01），地膜覆蓋栽培方式馬鈴薯的塊莖產量比對照減產15.8%（P＜0.05）。綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式馬鈴薯的塊莖商品薯率較高。

表2 不同栽培方式下馬鈴薯產量和水分比較Table 2 Effects of different tillage strategies on water use efficiency

2.3.2 對水分利用的影響 不同處理的土壤水分利用效率高低順序為（表2）：普通栽培方式、綠肥栽培方式、地膜綠肥栽培方式和地膜栽培方式，平均依次為69.38，65.84，47.92和33.75 kg／（hm2·mm）。地膜栽培方式、地膜綠肥栽培方式和綠肥栽培方式與對照相比分別降低了35.63%，21.46%和3.54%。

2.4 基于FLINT1模型對馬鈴薯產量的預測和不同栽培方式的水分脅迫分析

2.4.1 基于FLINT1模型對馬鈴薯產量的預測 用國際馬鈴薯中心（CIP）提供的FLINT1模型對本試驗進行馬鈴薯產量預測，馬鈴薯產量預測過程的主要技術指標和計算結果見表3，其預測產量結果為32 134.09 kg／hm2。

2.4.2 對不同栽培方式下0～21 cm土壤水分脅迫分析 利用由國際馬鈴薯中心提供的FLINT1模型對馬鈴薯的土壤水分脅迫分析結果表明（圖4），不同栽培方式在0～21 cm耕層土壤對馬鈴薯水分脅迫系數(shù)影響存在明顯的差異。

不同栽培方式在5月中旬馬鈴薯的生長均受到水分脅迫（圖4），除綠肥聚壟栽培方式外，其余3種栽培方式的馬鈴薯生長均受到了較嚴重的水分脅迫，以地膜栽培方式最為嚴重。有地膜處理的栽培方式，馬鈴薯生長受到水分脅迫出現(xiàn)的頻率最多，水分脅迫系數(shù)值最大。同一栽培方式在5月中旬－8月下旬進行比較，有地膜處理的2種栽培方式（地膜綠肥栽培方式和地膜栽培方式）在5月中旬－7月上旬，馬鈴薯生長均受到了一定的水分脅迫，其中，5月中旬受到的水分脅迫最為嚴重。5月中旬－7月上旬是馬鈴薯生長的關鍵時期（開花期和封行期），這個時間段馬鈴薯生長受到水分脅迫，對馬鈴薯的產量影響較大。

表3 基于FLINT1模型對馬鈴薯產量的預測Table 3 Prediction of tuber yield based on the FLINT1 model

圖4 0～21 cm不同栽培方式馬鈴薯水分脅迫系數(shù)隨時間變化動態(tài)Fig.4 Dynamic of potato water stress coefficient at 0－21 cm in different tillage types校正后的萎蔫系數(shù)（WP）為12.2%，水分關鍵水平（CL）為25.2%。Calibrated wilting point（WP）is 12.2%，critical level（CL）of water is 25.2%.

3月下旬－5月上旬，由于馬鈴薯處在出苗期，馬鈴薯的地上植株接受太陽的有效輻射受到了限制，因此，不能較好的計算植被有效輻射率，也就無法計算馬鈴薯的水分脅迫系數(shù)，但可以分析水分關鍵水平（CL）和土壤水分脅迫的萎蔫系數(shù)來從宏觀上了解馬鈴薯受水分脅迫的情況。本試驗普通栽培方式0～21 cm耕層土壤，平均水分含量均低于水分關鍵水平25.2%，有時甚至接近萎蔫系數(shù)12.2%，基本上可以推斷普通栽培方式下馬鈴薯的生長受到了一定的土壤水分脅迫。在3月下旬－5月上旬0～21 cm耕層土壤，不同栽培方式受干旱威脅的程度是：普通栽培方式＞綠肥栽培方式＞地膜栽培方式＞地膜綠肥栽培方式。

3 討論

3.1 馬鈴薯產量的預測和土壤水分脅迫

作者2010年8月在甘肅蘭州參加了一個由國際馬鈴薯中心駐北京辦事處和甘肅農業(yè)大學聯(lián)合舉辦的馬鈴薯模型與模擬高級培訓班，會上國際馬鈴薯中心總部的Roberto Quiroz博士介紹了FLINT1馬鈴薯產量預測和水分脅迫計算模型并進行了模擬［21，22］，還提供了國際馬鈴薯中心在世界各地不同類型土壤多年多點的統(tǒng)計數(shù)據，以及整理的預測馬鈴薯產量和計算水分脅迫的供參考的有關參數(shù) 。該模型與Jackson等［23］提出的模擬和預測模型［24－28］相比具有修正和改進參數(shù)簡便，可操作性強，既可以從宏觀上對馬鈴薯的產量進行預測，也可以對試驗的具體結果進行分析的特點。

在統(tǒng)計試驗產量時發(fā)現(xiàn)，地膜栽培方式的產量最低，這一現(xiàn)象不是很好解釋，就試著用國際馬鈴薯中心提供的FLINT1馬鈴薯產量預測和水分脅迫計算模型對該試驗進行了水分脅迫分析，結果發(fā)現(xiàn)，普通栽培方式0～21 cm土壤根系層，在3月下旬－5月上旬，馬鈴薯的生長可能受到了土壤水分脅迫；地膜綠肥栽培方式和地膜栽培方式0～21 cm土壤根系層，在5月上旬－8月下旬，馬鈴薯生長受到水分脅迫。這樣就較好地解釋本試驗不同栽培方式的產量與0～21 cm土壤水分含量之間的聯(lián)系。

用FLINT1馬鈴薯產量預測和水分脅迫計算模型對該試驗進行了產量預測和水分脅迫分析在國內尚屬首次，期待與同行對FLINT1馬鈴薯產量預測和水分脅迫計算模型作進一步的探討。

3.2 春播馬鈴薯地膜覆蓋時間

雖然地膜覆蓋栽培具有提高土壤溫度，保持土壤水分，改善土壤性狀，提高土壤養(yǎng)分供應狀況和肥料利用率，減輕雜草和病蟲危害等作用［29－30］。但在本試驗中，地膜覆蓋對水分而言，既有正效應又有負效應。

本試驗表明，地膜覆蓋栽培在我國西南高寒山區(qū)，特別是在有前期干旱的地區(qū)，可使土壤的旱情明顯好轉，有效降低生育前期干旱脅迫的危害，促進馬鈴薯早長快發(fā)，但是在馬鈴薯生長的中后期卻阻礙了自然降水進入壟體，導致馬鈴薯在旺長期發(fā)生水分虧缺，影響正常生長。分析造成這種現(xiàn)象的原因是由于馬鈴薯種植采用的是壟作方式。雖然在中國西南高寒山區(qū)，春播馬鈴薯生長的中、后期自然降水量較多，但地膜覆蓋栽培方式由于壟面上蓋有地膜，因而不能充分的接受自然降水，這就造成地膜栽培方式和地膜綠肥栽培方式在馬鈴薯生育中、后期0～21 cm土壤含水率處在較低水平狀態(tài)，而對照和綠肥栽培方式由于廂面上可以接受自然降水，表現(xiàn)出較高的土壤含水率。因此，在我國西南高寒山區(qū)采用地膜覆蓋栽培方式種植的春播馬鈴薯，地膜是否需要全程覆蓋就是一個非常值得探討的問題。

本試驗認為，地膜覆蓋可結合當?shù)氐臍夂蚝徒邓攸c，采取5月上旬前覆膜，5月上旬后期撤膜的栽培技術措施將更利于馬鈴薯的生長和產量的形成。

4 結論

馬鈴薯不同耕作方式0～21 cm土壤水分動態(tài)變化分析表明，在5月中旬前，地膜綠肥栽培方式、綠肥栽培方式和地膜栽培方式與對照相比田間土壤含水量平均提高了12.93%，6.30%和10.88%；在5月中旬后，地膜綠肥栽培方式和地膜栽培方式與對照相比田間土壤含水量平均降低了6.35%和6.40%。

綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式、地膜覆蓋栽培方式和對照比較，在3月下旬－5月中旬，有提高耕層土壤含水率的作用，在5月中旬－8月下旬，有降低耕層土壤含水率的作用，且均達顯著水平。地膜覆蓋栽培方式和對照比較，除在3月下旬－5月中旬土壤深度0～7 cm外，均有提高各耕層土壤含水率的作用。綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式在馬鈴薯生育期內的主要階段干物質的量比對照增加了17.8%。馬鈴薯的耗水量得出各處理在齊苗期，應向土壤補充水分。

綠肥聚壟地膜覆蓋栽培方式與對照間馬鈴薯塊莖產量的提高達極顯著差異水平，地膜覆蓋栽培方式馬鈴薯的塊莖產量比對照減產達極顯著差異水平。FLINT1模型對馬鈴薯的土壤水分脅迫分析表明，地膜綠肥栽培方式和地膜栽培方式對馬鈴薯生長中后期在0～21 cm存在一定的水分脅迫現(xiàn)象。

本試驗認為，地膜覆蓋栽培應結合當?shù)氐鸟R鈴薯生產的實際趨利避害，充分利用好地膜的作用，可采取前期覆膜中后期撤膜相應的配套技術措施。

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