降雨稀少是我国西北旱作区农业综合生产力快速发展的主要制约因素之一。在西北黄土高原半干旱农业雨养区，降雨以无效和微效降雨为主，有效降雨次数少且时空分布不均，多数雨水无法被蓄积在土壤中供作物吸收利用[1]。马铃薯对土壤温度波动变化与水分供应缺失等状况较为敏感，尤其在生育早期，春旱与春寒齐发，导致马铃薯植株出苗严重受损；另外，生育中后期的伏旱严重影响马铃薯块茎的生长和发育，使其产量低且不稳[2]。可见，通过沟垄二元覆盖集雨栽培措施来缓解马铃薯生育期高温与干旱胁迫，是西北旱作区马铃薯产业增产、高产和稳产的重要环节[3]。

提高旱作区农业综合生产力的重点在于如何最大限度地高效利用微效和无效降雨[4]。田间沟垄集雨栽培技术利用垄上覆一层薄膜、沟内覆盖不同材料来调控雨水径流，收集降雨于沟内种植区以实现微降雨在空间上的累积[5],从而提高土壤水分有效性，具有集雨、保墒和增温的效用，是大田降雨资源收集利用的高效技术途径[6,7]。该技术已在西北旱作区普遍应用于玉米[8]、小麦[9]、马铃薯[10]等多种农作物。当前农用地膜大多以塑料薄膜为主，近年来随着绿色农业发展战略的提出，由聚乙烯塑料制成的白色地膜残留造成的“白色污染”被更多的学者专家所重视[11]。研究发现，随着农用塑料地膜残留过多，土壤板结现象加重，不仅破坏土壤微环境而降低土壤肥力，还会严重影响土壤水分渗透和作物根系发育。白色地膜覆盖下作物生育前期水肥需求量大，土壤水分过度损耗[12],生育后期气温较高而引起土壤地温较高的现象[2],作物会发生“青干现象”等问题，导致减产。因此探究既可提高土壤保墒能力，又能在作物生育期有效调控土壤温度的最优覆膜材料对西北黄土高原旱作区作物增收具有十分重大的意义[13]。

生物降解膜由无害化分解产物组成，大多可在收获时被土壤微生物降解[14]。可降解地膜的推广不仅可降低白色塑料地膜的使用量，在一定程度上减轻农田污染，而且环保型覆盖材料自然降解的同时具有保温、保墒、增产等作用，这已在玉米[15]、油菜[16]、番茄[17]作物中被证实。目前，应用在生产中的主要环保型覆盖材料有麻纤维地膜、液态地膜和生物降解膜等[18]。虽然已对农田可降解地膜应用做了一定的研究，但大多集中于单一降解地膜材料覆盖和聚乙烯地膜覆盖下土壤水热特征变化对作物生长影响的研究[2],且降解地膜的田间应用作物多以玉米为主[6,15];将不同类型可降解地膜应用于沟垄覆盖集雨系统后对地膜降解特征、土壤水热特征及马铃薯收益的影响研究较少。基于此，本试验在宁夏南部旱区连续两年研究沟垄覆盖下不同降解地膜对土壤水热特征及马铃薯产量的影响，明确降解地膜应用于旱地马铃薯沟垄覆盖栽培的可行性，以期为旱地农业的可持续发展提供理论依据和技术支撑。

1、材料与方法

1.1试验材料与试验地概况

2015―2016年在宁夏彭阳县长城塬村进行两年大田定位试验。试验区位于宁夏东南部边缘，六盘山东麓附近，平均海拔1800m,年均降水量450mm,年际蒸发量1050mm,年均温7.5℃,无霜期165d,属温带半干旱大陆性季风气候，年内降水分布不均，年际变化较大，主要集中在7―9月份，占年总降水量的60%。试验期内日降雨量与逐日气温分布如图1所示，2015年总降雨量和生育期(5―10月)降雨量分别为463.2和331.7mm,2016年总降雨量和生育期降雨量分别为369.0和248.4mm,根据40年(1976—2016)年年均降水量(431mm)及生育期降水量均值(338mm)可知，2015年是平水年，2016年是欠水年。试验地土壤类型为黄绵土，耕层(0～40cm)土壤容重1.45g·cm-3,有机质11.8g·kg-1,速效氮58.3mg·kg-1,速效磷7.5mg·kg-1,速效钾99.1mg·kg-1,土壤偏碱性(pH值8.4),肥力为低等水平。

供试塑料白色地膜为聚乙烯薄膜(0.8m宽，0.008mm厚),山西运城塑料厂；生物地膜(0.8m宽，0.008mm厚),陕西华宇高科生物有限公司；麻纤维地膜(0.8m宽，0.22～0.31mm厚),湖南省沅江市润泽优先科技有限公司；液态地膜[按产品∶水=1∶5(v∶v),以450L·hm-2使用量(公司推荐用量)在沟内种植行间进行喷施)],北京金尚禾生物科技有限公司。供试马铃薯品种为陇薯3号，购自宁夏农垦局良种繁育经销中心。

1.2试验设计

试验在垄沟种植模式下沟内设置3种降解地膜覆盖方式，垄覆塑料白色地膜沟覆生物地膜(DS)、垄覆塑料白色地膜沟覆麻纤维地膜(DM)、垄覆塑料白色地膜沟覆液态地膜(DY),以传统平作不覆盖为对照(CK),共4个处理，采用随机区组设计，3次重复，小区面积9m×4m=36m2。

播种前30d,在试验地修筑沟垄，垄高20cm,垄宽40cm,沟宽60cm。各处理统一施肥水平为有机肥30t·hm-2、尿素291kg·hm-2、磷酸二铵195kg·hm-2、硫酸钾180kg·hm-2施于种植沟内，与土壤充分混合后覆盖，马铃薯种于垄沟内两侧。2015年5月2日播种，10月1日收获；2016年5月12日播种，10月5日收获。

1.3测定项目与方法

1.3.1土壤水分

分别于马铃薯播种期(播后0d,0DAS)、苗期(30DAS)、现蕾期(50DAS)、块茎形成期(70DAS)、块茎膨大期(90DAS)和成熟期(110DAS),采取土钻取土烘干法测定0～200cm层土壤质量含水量的动态变化，并根据公式计算土壤蓄水量[19]:

W=H×D×S×10         (1)

式中，W为土壤蓄水量，mm;H为土层深度，cm;D为土壤容重，g·cm-3;S为土壤质量含水量，%。

1.3.2土壤温度

在种植株间放置曲管地温计，自播种后30、50、70、90和110d,分别测定08:00―20:00土壤5、10、15、20和25cm各土层处的温度，2h记录1次读数；每测定时期连续监测2d(晴天)并取其均值为代表值。

1.3.3地上部及块茎生物量

分别于播种后30、50、70、90和110d,各处理取代表性植株5株，按地上部和块茎鲜样分别于105℃杀青30min后75℃烘干至恒量。

1.3.4产量性状

收获时，根据马铃薯鲜薯特征和商品薯分级标准(大薯：单薯质量>150g、中薯：单薯质量150～75g、小薯：单薯质量<75g),分小区进行测产，并计算其商品薯率：

商品薯率=(中薯产量+大薯产量)/马铃薯总产×100%(2)。

1.3.5水分利用效率

根据公式计算作物水分利用效率：

WUE=Y/ET         (3)

式中，WUE为水分利用效率，kg·hm-2·mm-1;Y为鲜薯总产量，kg·hm-2;ET为作物耗水量，mm,其计算公式为：

ET=ΔW+P+Ⅰ+K         (4)

式中，ΔW为播前和收获后土壤蓄水量之差(作物耗水量均以0～200mm层土壤蓄水量计算),mm;P为马铃薯生育期内降水量；Ⅰ为生育期灌溉量(试验期间无灌溉，Ⅰ=0);K为生育时段地下水补给量(由于试验区旱作灌溉量为零，田间地下水位埋深≥50m,降水渗度不超过2m,地下水补给、深层渗漏、地表径流均可忽略)。

1.3.6降解失重率

采用填埋试验测定，在试验布设开始前称量不同可降解地膜(长×宽=1m×0.8m),在马铃薯收获后收集地膜，洗净、晾干后称重，根据公式计算其降解失重率：

降解失重率=(填埋前膜重-填埋后膜重)/填埋前膜重×100%(5)。

1.4数据分析

采用SPSS21.0进行方差分析，利用LSD进行显著性检验；采用Origin2019绘制图表。

2、结果与分析

2.1不同降解地膜的降解能力

在填埋试验中，不同覆盖材料经历马铃薯整个生育时期后其降解强度有所不同(表1)。两年不同地膜降解降解失重率整体表现为液态地膜(DY)>麻纤维地膜(DM)>生物地膜(DS)。其中液态地膜在马铃薯收获期已完全降解，2015和2016年生物降解地膜较原始质量分别减少19.9和16.6g·m-2,降解失重率达35.6%和40.9%;两年麻纤维地膜较原始质量分别减少111.9和77.2g·m-2,降解失重率达73.5%和71.1%。可见，可降解地膜的降解速度与不同材料类型密切相关。本研究中，除液态地膜以外，两年均以麻纤维地膜的降解失重率最高。

2.2不同降解地膜覆盖对土壤水热环境的影响

2.2.1土壤蓄水量

由图2可知，不同生育时期0～200cm各层土壤蓄水量垂直变化受覆盖地膜种类影响较大，各处理间表现出较大的差异性。在播后30～50d,不同覆盖模式下0～40cm土层平均土壤蓄水量高于其他各层，且随土层深度增加整体逐渐降低，与CK相比，2015年麻纤维地膜、生物地膜和液态地膜处理分别增加14.1%、9.4%和4.9%;2016年分别增加13.9%、8.7%和9.9%,麻纤维地膜、生物地膜和液态地膜处理较CK表现出良好的保墒性。

播后70～90d为作物生长临界期，植株耗水加剧。2015年(平水年，阶段降雨37.8mm)各处理0～200cm土层土壤蓄水量整体表现为随土层深度增加呈先下降后上升的变化趋势，而2016(欠水年，阶段降雨26.65mm)各处理0～200cm土层土壤蓄水量随土层深度增加呈下降趋势。播后70d,麻纤维地膜和生物地膜处理20～60cm土层平均土壤蓄水量均显著高于CK(P<0.05),表现出显著的保水性，2015年分别较CK增加29.0%和15.6%,2016年分别增加17.8%和11.6%;而液态地膜处理与CK无显著差异。

播后110d,由于阶段降水的补充以及植株需水量减少，0～200cm土层土壤蓄水量均有所增加。两年各处理土壤蓄水量整体都表现为生物地膜处理>麻纤维地膜处理>液态地膜处理≈CK,生物地膜处理两年分别较CK显著增加15.6%和23.3%,而麻纤维地膜、液态地膜处理与CK无显著差异，这可能是由于麻纤维地膜和液态地膜后期降解快、覆盖面积减少，导致土壤水分蒸发强烈，同时干物质累积加快也将消耗更多的土壤水分。

可见，在马铃薯生长季，不同覆盖措施能有效提高土壤蓄水量。液态地膜与麻纤维地膜处理地膜随生育期的推进降解较快，其蓄水保墒性逐渐减弱，而生物地膜处理地膜因降解速度较慢，在播后110d其土壤保墒性能高于其他处理，但不同降雨年型下各覆盖材料的保墒性能趋势基本一致。

2.2.2日间土壤温度

由图3可知，不同降解膜覆盖能显著提高耕0～25cm土层平均土壤温度，最高温度主要集中于12:00、14:00和16:00时刻，土壤温度各处理间差异均随生育期推进而降低。播后30～50d,田间冠层郁闭较小，地表接受光辐射较高，各处理日间土壤温度较CK增温明显且差异较大，2015年麻纤维地膜、生物地膜和液态地膜处理与CK相比，日间土壤温度2015年分别增温2.2、1.6和1.0℃;2016年分别增温3.0、3.6和1.4℃。14:00时刻土壤温度处理间差异最为显著，与CK相比麻纤维地膜、生物地膜和液态地膜处理两年平均显著增温3.3、3.4和1.7℃(P<0.05)。播后70～90d,液态地膜处理由于其地膜降解而增温效应减弱，与CK的土壤温度差异减小。麻纤维地膜和生物地膜处理日平均土壤温度较CK增温显著，播后70d,2015年两处理分别显著增温2.5和2.3℃,2016年分别显著增温2.8和2.3℃(P<0.05);播后90d,2015年两处理分别显著增温1.5和2.2℃;2016年分别显著增温1.1和1.6℃(P<0.05)。播后110d,麻纤维地膜处理的地膜降解使其增温效应减弱，且各覆盖处理间的土壤温度差异降至最低，生物地膜处理日间土壤温度与CK相比增温效果显著增加1.0℃(P<0.05),而麻纤维地膜和液态地膜处理与CK无显著差异。可见液态地膜的保温效应主要集中于播后30～50d;而麻纤维地膜在播后30～70d增温效果较好，在播后90～110d的增温效应逐渐减弱直至消失，这与其降解特性有关。

2.3不同降解地膜覆盖对马铃薯生长的影响

2.3.1干物质累积

由图4可知，沟垄集雨栽培模式下，不同降解地膜两年马铃薯干物质累积均随生育期的推进不断增加，不同覆盖处理马铃薯生物量(地上部、地下部)均始终高于CK,整体表现为麻纤维地膜处理>生物地膜处理>液态地膜处理>CK,以播后70～90d干物质累积增长速率最快。播后50d,两年生长季内麻纤维地膜处理干物质累积量均显著高于CK,与CK相比地上部干物质累积量平均分别增加48.1%,地下部干物质累积量分别增加57.3%。播后70～90d,各处理干物质累积迅速增加。播后110d,马铃薯总生物量达到最大，其中2015年(平水年)麻纤维地膜和生物地膜处理地上部生物量分别较CK显著增加27.1%和14.6%,地下部生物量分别增加27.7%和14.4%;2016年(欠水年)地上部生物量显著增加32.8%和30.0%,地下部生物量分别增加45.8%和30.8%。

2.3.2不同生育期水分、温度与马铃薯总产量相关性

土壤水分、土壤温度与马铃薯总产量Pearson相关分析表明(表2),播后30、70和90d土壤水分与总产量关系均呈极显著相关关系，播后50d土壤水分与总产量呈显著相关关系，播后110d土壤水分与总产量无显著相关关系。而土壤温度与总产量关系表现为在播后30d与总产量呈极显著相关关系，播后70～90d呈显著相关关系。播后50和110d土壤温度与总产量无显著相关关系。可见，在播后30d土壤水分、温度对马铃薯总产量形成至关重要，在播后70～90d,土壤水分因素对马铃薯总产量形成影响高于土壤温度。

2.4不同降解地膜覆盖下马铃薯产量、水分利用效率和经济效益分析

由表3可知，不同年份降雨量及其分布不均使不同降解地膜马铃薯总产量表现有所不同，2015年(年平水年)各处理总产量均高于2016年(欠水年)。2015年麻纤维地膜、生物地膜和液态地膜处理的马铃薯总产量较CK分别显著增加20.3%、17.4%和9.2%,2016年分别显著增加18.1%、17.0%和12.2%。覆膜处理商品薯率均高于CK,麻纤维地膜、生物地膜和液态地膜处理与CK相比2015年分别显著增加15.1、15.4和15.5个百分点，2016年分别增加4.3、7.0和1.5个百分点。

两年CK的作物耗水量总体高于各覆盖处理，除2015年生物地膜处理较CK显著降低5.4%以外，处理间差异均不显著。两年马铃薯平均水分利用效率整体表现为生物地膜处理>麻纤维地膜处理>液态地膜处理>CK,2015年生物地膜、麻纤维地膜和液态地膜处理分别较CK增加24.1%、24.5%(P<0.05)和11.4%(P>0.05),2016年分别较CK显著增加23.1%、15.2%和23.6%。

不同降解地膜覆盖的经济效益均显著高于CK,2015年的纯收益表现为麻纤维地膜>生物地膜>液态地膜>CK,2016年表现为麻纤维地膜处理>液态地膜处理>生物地膜处理>CK。生物地膜与麻纤维地膜处理无需人工捡拾残膜，在一定程度上减少了劳动力投入。其中麻纤维地膜处理两年生长期内均保持较高的经济效益，与CK相比2015年显著增长47.8%,2016年显著增长32.4%。

3、讨论

3.1不同降解地膜的降解能力

相关研究表明，降解地膜的降解性能受其本身材料组成、环境条件、作物品种及田间管理等影响较大[15,20,21],与试验年份气温及降水等环境因素也有关。Yin等[15]研究表明，生物降解地膜在正常降水年份的降解过程准时或延迟约10d,在极端年份的降解过程可提前10～20d。龙世方[22]研究报道，麻纤维地膜在土壤含水量25%条件下的降解速率显著高于土壤含水量15%条件下的。本研究结果表明，经历马铃薯一个生长季后，液态膜已完全降解，而生物降解地膜和麻纤维地膜较原始质量均有不同程度地减少，其中麻纤维地膜的降解失重率较高。这是由于可降解地膜的降解速度和降解强度因原材料组成、生产厂家、诱导期设计等差异而表现不同[23]。本试验仅结合收获期地膜降解失重率分析了其降解特性，但未对不同生育时期降解地膜的的降解特征进行研究，今后应进一步研究其不同生育时期降解特性以筛选出适合旱作马铃薯种植的覆盖降解地膜类型。

3.2不同降解地膜覆盖对土壤水分和温度的影响

在黄土高原半干旱区，不同覆盖方式对土壤水分的影响因土壤类型、气候条件和覆盖材料的不同而存在差异[6]。玉米作物垄覆地膜沟覆可降解地膜的0～100cm土层蓄水量均高于平作不覆盖，提高了土壤蓄水保墒能力[15,16]。韩娟等[24]研究发现，沟内覆盖液态地膜处理仅在小麦生长前期有一定的蓄水保墒作用。在本研究中，液态地膜与麻纤维地膜覆盖处理随生育期的推进地膜降解较快，其蓄水保墒性逐渐减弱，但生物降解地膜覆盖处理因降解速度较慢，在播后110d其土壤保墒性能高于其他处理。其原因可能是液态地膜主要由腐植酸类物质构成，喷施液膜后，在播后0～50d,液态地膜中网状高分子结构能够有效地固持土壤中的水分，进而减缓土壤水分的散失[25],且液态地膜在马铃薯生育中后期经雨水冲刷全导致其在有效覆盖期(60～80d)内过早降解从而失去覆盖效应[26];而生物可降解地膜由成分聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯材料制成，可有效提高覆盖地表密闭性，抑制膜内土壤水分与大气之间的交换以提高土壤水分[27]。另外，本研究还发现，2016年播后50d,麻纤维地膜覆盖处理80～200cm土层土壤蓄水量显著高于其他处理，较平作不覆盖显著提高19.0%(P<0.05)。其原因可能是麻纤维地膜主要由植物纤维组成[28],可改善土壤孔隙结构增加地表粗糙度，使土壤透水透气性良好，有利于雨水直接渗入，同时也起缓冲作用防止土壤板结和流失，显著提高土壤蓄水量[29]。

不同降解材料覆盖对作物不同时期土壤温度影响不同[15,16,17,18],有研究表明，生物降解膜覆盖下，玉米全生育时期不同土层温度显著高于露地处理[30],液态地膜覆盖对生育期土壤温度具有一定的保温效果[31],而覆盖麻地膜在玉米生长前期比传统地膜覆盖有显著的降温作用[32]。本研究结果表明，生长前期各降解地膜覆盖对土壤增温显著，液态地膜覆盖处理在播后70～110d的增温效应消失；生物降解地膜覆盖和麻纤维地膜覆盖处理在播后0～70d表现出显著的增温效应，而在播后90～110d其增温效应消失。分析其原因：一方面由于液态地膜在作物生长中后期地表的分子网状结构易受降雨等环境因素影响使其破坏受损有关[26];另一方面由于生物降解膜和麻纤维地膜降解较慢，地表空间密闭，使其在作物生育前期表现出显著的保温效应，这与陈超等[33]的研究结果一致。

3.3不同降解地膜覆盖对马铃薯生长的影响

不同沟垄覆盖模式下降解地膜覆盖可调控土壤温度和降低水分蒸发，从而改善土壤的水热条件，促进作物的生长[34,35]。本研究结果表明，覆膜处理在播后70～90d的干物质积累量增长速率均高于对照。可能是由于作物生育关键期(播后70～90d)覆膜处理可使土壤水分有效保持(20～160cm土层水分均显著高于对照),促进了该生育阶段干物质量累积速率加快[36];本研究还发现，麻纤维地膜覆盖处理在播后90～110d土壤增温效应消失，这在一定程度上可降低覆盖地膜带来的高温胁迫，此时相对较低的土壤温度和较高的土壤水分有利于促进块茎膨大和干物质累积[37]。生物降解地膜覆盖处理虽能调节土壤水温环境，但在生长后期膜内土壤温度过高导致地上部营养向块茎中转移受阻，块茎生物量下降[34],因此增产效果不及麻纤维地膜覆盖处理。本研究还发现，无论是欠水年还是平水年，生物降解地膜覆盖和麻纤维地膜覆盖处理均能有效促进干物质积累，但在降雨较少的2016年其促进作用更为明显，这是由于垄沟集雨种植下不同降解地膜沟覆盖能充分利用作物生育期降水，对不同土层水分进行补充，且能起到保墒效果，有利于促进马铃薯的干物质累积[32]。

3.4不同降解地膜覆盖对水分利用效率和马铃薯收益的影响

可降解地膜覆盖可有效调控作物的耗水量，从而提高产量和水分利用效率[34]。本研究表明，不同降解地膜覆盖下作物产量和水分利用效率均高于平作不覆盖(对照),其中以麻纤维地膜覆盖处理最高，这与易永健等[38]的研究结果一致。两年马铃薯生长季各覆盖处理作物耗水量总体低于对照，但差异不显著，这与Gu等[16]关于在生育期内降解地膜覆盖可降低作物耗水量的结果论相似。沟垄集雨系统使土壤水热环境得到改善，而覆盖并未降低作物生育期耗水量，其真正作用在于改变作物耗水结构，使耗水多用于蒸腾性生产[39]。胡广荣等[40]研究表明，液态地膜覆盖和生物可降解地膜覆盖的水分利用效率与不覆盖相比均有不同程度的提高。本研究也发现，两年不同降解地膜覆盖处理(除2015年的液态地膜处理)的马铃薯水分利用效率均显著高于对照，提高幅度表现为生物降解膜覆盖>麻纤维地膜覆盖>液态地膜覆盖。

本研究中，不同降解膜覆盖处理马铃薯净收益均高于对照，与前人研究结果一致。另外，两年均以麻纤维地膜覆盖处理净收益最高，进一步证实麻纤维地膜覆盖用于马铃薯农业生产的可行性。本研究仅从平水年和欠水年两种年型进行评价沟垄二元覆盖下不同降解地膜土壤水热利用特征对马铃薯产量的影响，然而丰水年型尚未涉及。同时不同沟垄覆盖系统下土壤水热条件的改善可影响降解材料的分解以及土壤微生物的活动，使其土壤肥力和土壤固碳能力存在一定差异。鉴于此，今后应进一步考虑不同降雨年型下沟垄降解地膜覆盖的水热效应对土壤生产力和固碳能力的影响。

4、结论

两年研究结果表明，在马铃薯收获期不同降解地膜处理两年地膜降解失重率均表现为液态地膜>麻纤维地膜>生物降解膜。垄覆地膜沟覆不同降解地膜处理均较平作不覆盖提高马铃薯生育期0～200cm层土壤蓄水量，且显著提高耕层(0～25cm)土壤温度。在播后70～90d垄覆地膜沟覆麻纤维地膜处理可显著增加20～160cm层土壤蓄水量，而在播后90～110d的增温效应随其降解逐渐减弱。通过Pearson相关分析发现，播后30d土壤水分、温度对马铃薯产量的形成至关重要，且播后70～90d土壤水分对产量的影响高于土壤温度。无论是平水年还是欠水年，与平作不覆盖相比，垄覆地膜沟覆不同降解地膜均可提高马铃薯总产量、商品薯率、纯收益和水分利用效率，以垄覆地膜沟覆麻纤维地膜处理综合效果最佳，垄覆地膜沟覆生物降解膜处理次之。综上，垄上覆地膜沟覆麻纤维地膜处理能调控马铃薯不同生育阶段土壤水热环境，在提高马铃薯产量、水分利用效率和经济效益等方面具有一定的优势。

文章来源：周永瑾,普雪可,吴春花,苗芳芳,李荣.垄沟集雨种植下不同降解地膜沟覆盖对农田马铃薯产量和土壤水热的影响[J].核农学报,2021,35(11):2664-2673