譚雪蓮，郭天文，張平良，曾 駿，劉曉偉

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅省水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

合理的復(fù)種輪作是農(nóng)田用地和養(yǎng)地相結(jié)合，提高作物產(chǎn)量和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)行之有效的循環(huán)農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。西北黃土旱作區(qū)屬于典型的一熟有余、兩熟不足地區(qū)，夏休閑期長達(dá)110～130 d，降水量為250～390 mm，占全年降水量的50%～65%[1-2]，≥10℃積溫1 600℃～2 900℃，因此，發(fā)展夏閑復(fù)種是提高光、熱、水、土資源利用效率的有效途徑[3]。我國著名油菜育種專家傅廷棟21世紀(jì)初開始在甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、新疆、青海等西北五省推廣小麥-飼用油菜復(fù)種技術(shù)[4]，飼用油菜是一種優(yōu)質(zhì)的生物肥源，種植并翻壓綠肥能夠有效提高土壤肥力水平和養(yǎng)分含量[5]，改善土壤理化性狀，加速土壤腐殖質(zhì)的形成，增加土壤中的總有機(jī)碳含量[6]。馬鈴薯是西北半干旱區(qū)主要糧食作物之一，隨著2015年以來馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的推進(jìn)，馬鈴薯連作面積持續(xù)增加，連作年限逐漸延長，連作障礙日趨嚴(yán)重，制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7]。因此，通過調(diào)整和優(yōu)化種植模式，提高馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)，建立半干旱區(qū)馬鈴薯合理復(fù)種輪作模式，是實(shí)現(xiàn)該區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高效、生態(tài)環(huán)境友好的有效途徑。研究發(fā)現(xiàn)，玉米-冬小麥-高粱輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量和水分利用效率均比冬小麥連作提高23%～33%[8]。油葵-小麥/黃豆和小麥/黃豆-小麥輪作的水分利用效率較小麥-玉米輪作提高了30%～35%[9]。麥茬后復(fù)種飼草可以解決因季節(jié)性降水不平衡造成的土壤水肥虧缺等問題[10]，飼草引入作物輪作系統(tǒng)可增加土壤水分利用效率[11-12]，但對于馬鈴薯-小麥輪作系統(tǒng)夏休閑期插入飼料油菜對下茬馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率影響的研究較少。因此，本研究在長期定位試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以馬鈴薯連作為對照，設(shè)置不同輪作復(fù)種綠肥模式，測定土壤含水量、產(chǎn)量等，計(jì)算階段耗水量、耗水深度、水分利用效率等指標(biāo)，以明確馬鈴薯輪作系統(tǒng)插入綠肥作物(油菜)的種植模式對馬鈴薯水分利用效率和產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)，為調(diào)整和優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，完善農(nóng)作物輪作復(fù)種的農(nóng)業(yè)理論體系，及提高連作退化耕地的可持續(xù)利用能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)西部，平均海拔2 056～2 447 m，近年來成為甘肅省最大的馬鈴薯生產(chǎn)基地，也是全國重要的馬鈴薯良種繁育基地和馬鈴薯生產(chǎn)加工基地。試驗(yàn)設(shè)在定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡(104°29′～104°34′E，35°22′～35°25′N)，土壤類型為黃綿土，質(zhì)地為粘壤，凋萎系數(shù)為7.2%，耕層土壤有機(jī)質(zhì)11.18 g·kg-1，全氮1.41 g·kg-1，有效磷24.86 mg·kg-1，速效鉀258.80 mg·kg-1，堿解氮30.61mg·kg-1。≥10℃積溫僅為2 075℃，年平均蒸發(fā)量1 530 mm；年平均降水量400 mm，年際變率35%，7—9月份降水占全年的65%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示，2012年開始布設(shè)長期定位試驗(yàn)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，分別為：馬鈴薯連作(CK)；馬鈴薯-小麥復(fù)種油菜-馬鈴薯(WPRP)；馬鈴薯-豌豆復(fù)種油菜-馬鈴薯(PPRP)；小麥-豌豆復(fù)種油菜-馬鈴薯(WPPR)。每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積48 m2(6 m×8 m)。每年播前所有處理統(tǒng)一施肥量，每公頃N∶P2O5∶K2O=210 kg∶90 kg∶60 kg，肥料種類為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%～16%)、氯化鉀(含K2O 60%)。2017年所有處理均為馬鈴薯，品種為新大坪，密度3 500株·667m-2，寬窄行種植，寬行60 cm、窄行40 cm，株距35 cm，9月26日收獲。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及處理

1.3 測定項(xiàng)目和方法

1.3.1 土壤含水量 在播前(2017年4月26日)、馬鈴薯塊莖形成期(2017年6月16日)、塊莖增長期(2017年7月3日)、淀粉積累期(2017年9月6日)、收獲期(2017年9月26日)用烘干法測定0～200 cm土層土壤含水量，共分10個(gè)層次，每層次20 cm，每小區(qū)測定1次。土壤貯水量(mm)計(jì)算公式為：

SWS=WS·b·d

(1)

式中，WS為土壤質(zhì)量含水量(g·kg-1)；b為土壤容重(g·cm-3)；d為土壤深度(cm)。

1.3.2 馬鈴薯耗水量和水分利用效率 馬鈴薯生育期耗水量(mm)計(jì)算公式為：

Wvi=ΔWiW+Pi

(2)

式中，Wvi為馬鈴薯第i個(gè)生育時(shí)期的耗水量；Pi為第i個(gè)生育時(shí)期的降水量；ΔWi為第i個(gè)生育時(shí)期的土壤供水量，即第i個(gè)生育期前與生育期后土壤貯水量的差值。

水分利用效率計(jì)算公式為：

(3)

ET(mm)=ΔSWS+P

(4)

式中，Y為馬鈴薯單位面積產(chǎn)量，ΔSWS為播前和收獲后土壤貯水量的差值，P為生育期降水量。

1.3.3耗水深度

耗水深度(cm)=(SWSi-SWSb)/SWSi

(5)

式中,SWSi為某第i土層土壤含水量(%)；SWSb為播前對應(yīng)土層土壤含水量(%)。當(dāng)耗水深度<5%時(shí)，認(rèn)為該土層土壤水分沒有被耗散。

1.3.4 產(chǎn)量 馬鈴薯收獲期按每個(gè)小區(qū)實(shí)收鮮薯重計(jì)產(chǎn)，然后折算成公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件繪圖，DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯-作物輪作模式下馬鈴薯0～200 cm土層土壤水分的垂直變化

圖1為馬鈴薯塊莖形成期(6月16日)、塊莖增長期(7月3日)、淀粉積累期(9月3日)、收獲期(9月27日)0～200 cm土壤水分剖面分布情況。各處理0～60 cm土壤含水量變化較大，且無顯著規(guī)律。播前到塊莖形成期降雨量較大，為94.7 mm，受此影響，各處理0～60 cm土壤含水量明顯大于播前；60～180 cm土壤含水量WPRP和PPRP處理大于播前，且PPRP高于WPRP。塊莖形成期到塊莖增長期降雨量較少，此時(shí)正值馬鈴薯生長全盛時(shí)期，馬鈴薯耗水量大增，各處理0～60 cm土壤含水量小于播前，60～160 cm大于播前，與播前相比，WPRP、PPRP和WPPR各層平均土壤含水量分別提高了10.78%、11.83%、10.42%。由于7—8月降雨量較大，塊莖增長到淀粉積累期各處理0～200 cm土壤含水量顯著高于播前，土壤水分得以恢復(fù)，只有CK處理160～200 cm土壤水分含量和播前無差異，土壤深層水分沒有得到補(bǔ)給；120～200 cm土壤各層含水量表現(xiàn)為：WPRP>PPRP>WPPR>CK；與播前相比，WPRP、PPRP和WPPR 0～200 cm各層土壤平均含水量分別提高了43.02%、38.58%、24.63%。淀粉積累期到收獲期，馬鈴薯需水量減少，各處理0～200 cm土壤含水量顯著高于播前，與播前相比，WPRP、PPRP和WPPR各層土壤平均含水量分別提高了36.47%、33.63%和21.43%。由于馬鈴薯連年種植，深層土壤水分出現(xiàn)上移，CK 160～200 cm土壤含水量和播前仍沒有顯著差異；120～200 cm土壤各層含水量表現(xiàn)為：WPRP>PPRP>WPPR>CK。說明馬鈴薯輪作系統(tǒng)引入飼用油菜增加了土壤降水入滲深度，有效補(bǔ)給了深層土壤水分。

2.2 馬鈴薯-作物輪作模式對馬鈴薯0～200 cm水分狀況及耗水深度的影響

土壤水分狀況與馬鈴薯生育期和當(dāng)季降水量關(guān)系密切。表2所示，2016年馬鈴薯收獲和夏休閑期復(fù)種油菜翻壓后，受冬閑期土表直接蒸發(fā)失水的影響，2017年不同處理播前土壤貯水量無顯著差異。播前到馬鈴薯塊莖形成期，CK土壤貯水量較播前減少7.9 mm，耗水深度140 cm，WPRP貯水量增加8.7 mm，耗水深度140 cm，PPRP貯水量增加23.1 mm，耗水深度200 cm，WPPR貯水量減少0.2 mm，耗水深度120 mm，WPRP、PPRP、WPPR較CK土壤貯水量分別增加10.94%、13.53%和3.10%。馬鈴薯塊莖形成到塊莖增長期是決定馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期，需水量最大，而降雨量僅為16.3 mm，抑制了地下塊莖和根系的生長，CK、WPRP、PPRP、WPPR耗水深度分別為120、180、160、200 cm，WPRP、PPRP、WPPR較CK土壤貯水量分別增加14.61%、5.90%和8.55%。馬鈴薯進(jìn)入淀粉積累期正值雨季，降雨達(dá)184.2 mm，CK、WPRP、PPRP、WPPR貯水量較播前分別增加了47.61、77.71、84.11、75.07 mm，耗水深度分別為140、200、200、200 cm，WPRP、PPRP、WPPR較CK土壤貯水量分別增加了10.36%、12.91%和8.49%，耗水深度分別增加了42.86%、42.86%、42.86%。馬鈴薯收獲期地上莖葉枯萎率達(dá)60%，地下生殖生長基本停止，耗水量大大降低，耗水深度分別為160、200、180、180 cm，WPRP、PPRP、WPPR較CK土壤貯水量分別增加了12.56%、6.78%和2.95%，耗水深度增加了25.00%、12.50%、12.50%。由此可見，綠肥翻壓還田加深土壤耕作層，增加孔隙度，使土壤蘇松通氣、透氣、蓄水，與CK相比，WPRP、PPRP、WPPR馬鈴薯各生育階段土壤貯水量和耗水深度均增加。

2.3 馬鈴薯-作物輪作模式對馬鈴薯階段性耗水量的影響

如表3所示，馬鈴薯播種到塊莖形成期，CK耗水量為102.6 mm，顯著高于WPRP、PPRP、WPPR，PPRP耗水量最低，且與WPPR差異顯著。由于此時(shí)期為馬鈴薯營養(yǎng)生長階段，CK處理連年種植馬鈴薯，馬鈴薯地上部植株生長緩慢，地表覆蓋度降低，從而加大了土壤水分的蒸發(fā)損失，而且CK耗水量大于當(dāng)季降雨量，需要耗散土壤中的儲(chǔ)蓄水分；WPRP和PPRP植株長勢好，土壤水分耗散主要來自馬鈴薯葉片的蒸騰損失，耗水量小于降雨量。塊莖形成到塊莖增長期，馬鈴薯開花、莖葉增長和塊莖膨大同時(shí)進(jìn)行，需要消耗較多土壤水分，而降雨量僅為16.3 mm，各處理耗水量均大于降雨量，與CK相比，WPRP、WPPR耗水量分別減少了7.8 mm和13.5 mm，PPRP耗水量增加了21.5 mm。說明PPRP可促進(jìn)馬鈴薯塊莖形成到塊莖增長期土壤耗水，PPRP耗水量較CK、 WPRP和WPPR分別增加了69.6%、126.7%、200.6%，此階段越干旱，促進(jìn)耗水作用越明顯。塊莖增長到淀粉積累期，馬鈴薯逐漸以生殖生長為主，耗水量逐日降低，由于此階段氣溫為全年最高，日蒸發(fā)量大，土壤水分損失主要是蒸發(fā)耗散，與CK相比，WPRP、PPRP、WPPR耗水量分別減少了5.6、27.1、5.9 mm。淀粉積累期到收獲期，莖葉開始衰老到植棵基部2/3左右，而WPRP莖葉枯黃相對較少，WPRP較CK耗水量減少了1.2 mm，PPRP、WPPR較CK耗水量分別增加了18.2 mm和15.4 mm。可見，WPRP植株生長旺盛，土壤水分蒸發(fā)耗散少，從馬鈴薯播種到收獲期，WPRP馬鈴薯耗水量較CK分別減少了16.2%、25.2%、5.1%和26.09%。

表2 不同輪作模式對土壤貯水量和耗水深度的影響

表3 不同輪作模式對馬鈴薯階段性耗水量的影響

2.4 馬鈴薯-作物輪作模式對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率的影響

不同種植模式對馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率影響較大(圖2)。WPRP、PPRP、WPPR馬鈴薯產(chǎn)量較CK分別增加33.51%、40.05%、14.47%，WUE分別提高54.83%、52.32%、19.78%。說明，WPRP、PPRP、WPPR馬鈴薯植株生長旺盛，促進(jìn)了塊莖產(chǎn)量形成，同時(shí)，減少了土壤水分棵間蒸發(fā)損失，進(jìn)而提高了水分利用效率。

3 討 論

西北半干旱區(qū)降水資源短缺，降水年際變頻大且分布不均勻，全年降水量的一半主要集中在7—9月，夏休閑期采用綠肥覆蓋不僅能使有限降水資源得到高效利用，提高土壤水分，減小地表徑流，而且加速了土壤改良熟化程度[13-14]，增強(qiáng)了土壤微生物活性，促進(jìn)了酶代謝[15]。作物輪作的多樣化有利于緩解干旱。飼草和糧食作物輪作具有一定的蓄水保墑作用，能增加土壤的滲水保水特性，提高土壤水分含量。已有研究表明，草田輪作農(nóng)田土壤水分顯著高于苜蓿連作[16]，對農(nóng)田土壤水分的恢復(fù)主要表現(xiàn)在120 cm土層以下[17]。本試驗(yàn)條件下，馬鈴薯塊莖增長到淀粉積累期以及淀粉積累期到收獲期，CK 160～200 cm土壤水分含量和播前無差異，而WPRP、PPRP、WPPR 0～200 cm土壤各層含水量均大于播前，且120～200 cm土壤各層含水量表現(xiàn)為：WPRP>PPRP>WPPR>CK。可見，馬鈴薯長期連作對深層土壤水分消耗多，土壤干燥化程度加深，不利于土壤水分恢復(fù)，這與王學(xué)春等[11]、李玉山[18]的研究結(jié)果一致。本研究采用不同輪作模式增加了土壤降水入滲深度，使土壤水分得以恢復(fù)，尤其是麥茬復(fù)種油菜可明顯提高土壤保水能力。本研究中，馬鈴薯塊莖增長期、淀粉積累期、收獲期，WPRP輪作模式較CK土壤貯水量分別增加了14.61%、10.36%、12.56%且差異顯著，可能是因?yàn)樽魑锔捣植忌疃炔煌?，避免了作物連作耗水深度疊加效應(yīng)，促進(jìn)了土壤水分的蓄積。

油菜和冬小麥輪作，對后茬冬小麥土壤含水量影響較小，且可提高后茬作物對土壤深層水分的利用[19-20]。本試驗(yàn)條件下，馬鈴薯塊莖形成到塊莖增長期CK、WPRP、PPRP、WPPR耗水深度分別為120、180、160、200 cm，淀粉積累期 CK、WPRP、PPRP、WPPR耗水深度分別為140、200、200、200 cm，收獲期耗水深度分別為160、200、180、180 cm。飼用油菜為前茬的輪作模式和馬鈴薯連作相比，明顯增加了土壤耗水深度，這與上述研究結(jié)論一致[19-20]。

油菜秸稈全量還田，降低土壤容重，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤透水性，增加土壤保水能力[21]，提高后作冬小麥的產(chǎn)量和水分利用效率[13,20]。本試驗(yàn)條件下，WPRP、PPRP、WPPR馬鈴薯產(chǎn)量較CK分別增加了33.51%、40.05%、14.47%，WUE分別提高了54.83%、52.32%、19.78%。

4 結(jié) 論

馬鈴薯-小麥復(fù)種油菜-馬鈴薯輪作(WPRP)、馬鈴薯-豌豆復(fù)種油菜-馬鈴薯輪作(PPRP)以及小麥-豌豆復(fù)種油菜-馬鈴薯輪作(WPPR)增加了120～200 cm土層降水入滲深度，有效補(bǔ)給了深層土壤水分，增加了土壤貯水量和耗水深度，減少了馬鈴薯階段性耗水量，提高了產(chǎn)量和WUE。WPRP較PPRP，WPRP對增加土壤降水入滲深度、減少馬鈴薯階段性耗水量、提高WUE效果更佳。把飼用油菜引入黃土高原輪作系統(tǒng)，充分挖掘了黃土高原旱作區(qū)馬鈴薯的水分生產(chǎn)潛力，對促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。