秸秆条覆盖法通过提高土壤湿度和水分利用效率来增加马铃薯的产量

《Frontiers in Plant Science》：Straw strip mulching boosts potato yields by enhancing soil moisture and water use efficiency

土豆产量与水分利用效率提升的秋季秸秆覆盖效果研究，比较了2018-2019年甘肃定西两种覆盖材料（秸秆与塑料）及季节对土壤水分和产量的影响。发现秋季秸秆覆盖（FSM）使0-200cm土层蓄水增加10.2%，产量提高17.8%，水分利用效率（WUE）提升9.2%；塑料覆盖（FPM）蓄水增加11.3%，产量提升25.1%，WUE提高14.3%。秋季覆盖优于春季，秸秆覆盖成本更低且环境友好，推荐作为半干旱区可持续种植方案。

　　在半干旱地区，水资源短缺是制约马铃薯生产的重要因素。为了应对这一挑战，研究者们探索了多种保水措施，其中覆盖技术作为一种有效的水土保持手段，受到广泛关注。本文通过两年的田间试验，系统分析了不同覆盖方式对土壤水分状况和马铃薯产量的影响，旨在为半干旱地区马铃薯种植提供科学依据和实践指导。

### 水资源短缺与马铃薯生产的关系

半干旱地区的气候条件通常表现为降水量少、蒸发强烈以及降水分布不均。这些因素导致土壤水分含量不足，严重影响作物的正常生长和产量。马铃薯作为一种重要的经济作物，其种植对保障国家粮食安全具有重要意义。特别是在中国西北地区，马铃薯产量占全国总产量的约36%，是当地农业体系中的关键组成部分。然而，长期干旱和土壤水分不足严重限制了马铃薯产量的稳定性和可持续发展。

为解决这些问题，研究人员强调需要开发高效的覆盖技术以及节水措施，以减少土壤水分蒸发、优化水分分配并提高水分利用效率（WUE）。这些策略不仅有助于提高作物产量，还能促进农业生产的可持续发展。覆盖技术，尤其是塑料薄膜覆盖和秸秆覆盖，被广泛应用于西北地区的马铃薯种植，因其在保持土壤水分和提升土壤储水能力方面的显著效果。

### 覆盖技术的分类与作用机制

在本研究中，覆盖技术被分为两种主要类型：秸秆覆盖（SM）和塑料薄膜覆盖（PM）。秸秆覆盖通过在土壤表面铺设秸秆，减少直接蒸发，促进降雨渗透，从而提高土壤水分储存能力。同时，秸秆覆盖还能够调节土壤温度，为马铃薯块茎形成和扩展创造更有利的环境条件。相比之下，塑料薄膜覆盖则通过物理屏障有效抑制土壤水分蒸发，提高水分利用率，并优化土壤水分含量。然而，塑料薄膜覆盖存在一些长期的环境问题，例如残留物难以回收，可能影响土壤水分吸收和作物蒸腾，进而降低水分利用效率。

此外，覆盖时间也是影响效果的重要因素。研究中比较了秋季和春季两种覆盖方式。秋季覆盖能够更有效地利用秋冬季降水，从而在种植初期提供更充足的水分供应。而春季覆盖虽然也具有一定的节水效果，但在水分保留和产量提升方面略逊一筹。因此，秋季覆盖在提升土壤水分储存和马铃薯产量方面表现更为突出。

### 实验设计与数据收集方法

实验地点位于中国甘肃省定西市通渭现代农业旱作循环试验站，该地区具有典型的干旱内陆气候，年平均气温7.2°C，年降水量约为390.7mm，其中超过60%的降水集中在7月至9月。为了确保实验的科学性和可重复性，研究采用了完全随机区组设计，共设置五个处理组，每个处理组重复三次，总共有15个实验小区。每个小区的尺寸为18m长、6m宽。

具体处理包括：
1. **FSM**（秋季秸秆条带覆盖）：部分田块使用全玉米秸秆进行覆盖，其余田块不覆盖，交替分布。
2. **SSM**（春季秸秆条带覆盖）：与FSM类似，但秸秆覆盖在春季进行。
3. **FPM**（秋季塑料薄膜覆盖）：在秋季，使用黑色塑料薄膜覆盖大垄，小沟不覆盖。
4. **SPM**（春季塑料薄膜覆盖）：与FPM类似，但覆盖在春季进行。
5. **CK**（传统裸地种植）：不使用任何覆盖措施。

在实验过程中，研究人员对土壤水分含量（SWC）进行了多次测量，分别在马铃薯的苗期、现蕾期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期进行。测量包括不同深度的土壤层（0–20 cm、20–40 cm、40–60 cm等），并采用烘干法计算水分含量。此外，还评估了马铃薯的产量、水分利用效率（WUE）以及各生长阶段的水分消耗情况。

### 实验结果与分析

实验结果显示，秸秆条带覆盖和塑料薄膜覆盖均显著提升了土壤水分储存量和马铃薯产量。其中，FSM和SSM在土壤水分储存方面分别提升了6.2%和4.4%，而FPM和SPM则分别提升了7.3%和5.8%。相比之下，CK（传统裸地种植）的土壤水分储存量最低。总体而言，秋季覆盖在提升土壤水分储存和马铃薯产量方面优于春季覆盖，这主要归因于秋季覆盖能够更有效地利用秋冬季降水，减少水分蒸发，从而为马铃薯生长提供更稳定的水分供应。

在产量方面，FSM和FPM分别提升了14.7%和25.1%的马铃薯产量，而SSM和SPM则分别提升了15.4%和31.2%。这表明，无论采用秸秆覆盖还是塑料薄膜覆盖，都能有效提高马铃薯产量。然而，从长期可持续性角度来看，秸秆覆盖具有更高的环境友好性和资源回收优势，因为秸秆可以被分解，为土壤提供养分，减少化肥使用，同时避免塑料薄膜带来的污染问题。

此外，研究还发现，不同覆盖方式对水分消耗的影响存在显著差异。例如，在苗期至现蕾期阶段，FSM和SSM分别减少了8.2%和9.8%的水分消耗，而在现蕾期至块茎膨大期阶段，FSM和FPM分别增加了10.3%和11.3%的水分消耗。这些变化表明，覆盖技术不仅能够减少早期水分损失，还能在后期为作物提供更多的水分，从而促进块茎膨大和产量提升。

### 水分利用效率与产量提升

水分利用效率（WUE）是衡量作物水分使用效率的重要指标。实验结果表明，FSM和FPM分别提升了9.2%和14.3%的WUE，而SSM和SPM则分别提升了6.7%和8.4%。这表明，塑料薄膜覆盖在提升水分利用效率方面更具优势，尤其是在秋季应用时，能够更有效地保留水分，提高作物对水分的利用效率。

同时，研究还发现，水分消耗强度（WCI）在不同生长阶段表现出不同的变化趋势。例如，在苗期至现蕾期阶段，FSM和SSM分别降低了0.2 mm·d?1和0.2 mm·d?1的水分消耗强度，而在现蕾期至块茎膨大期阶段，FSM和FPM分别提高了0.3 mm·d?1和0.4 mm·d?1的水分消耗强度。这表明，覆盖技术在早期阶段有助于减少水分消耗，而在中后期阶段则能够提高水分消耗强度，从而促进块茎的形成和扩展。

### 多变量相关性分析

通过相关性分析，研究发现马铃薯产量与水分消耗和水分消耗强度之间存在显著的正相关关系。特别是在现蕾期至块茎膨大期和块茎膨大期至成熟期阶段，马铃薯产量与水分消耗的正相关性达到0.550–0.618，与水分消耗强度的正相关性达到0.628–0.641。这表明，水分在这些关键生长阶段的供应对产量提升具有决定性作用。

此外，水分消耗强度与单个块茎重量和植株块茎总重量之间也存在显著的正相关关系。这说明，随着作物的生长，其对水分的需求逐渐增加，而覆盖技术能够有效调节水分消耗强度，为作物提供更稳定的水分供应，从而促进块茎的生长和产量的提高。

### 环境与经济考量

尽管塑料薄膜覆盖在短期内表现出更高的产量和水分利用效率，但其长期的环境影响不容忽视。例如，塑料薄膜残留可能导致土壤污染，影响土壤的透气性和养分循环。相比之下，秸秆覆盖在提升产量的同时，还能够改善土壤结构，增加土壤有机质含量，从而提升土壤肥力。此外，秸秆覆盖还能减少化肥使用，降低生产成本，为农业可持续发展提供支持。

经济分析显示，秸秆覆盖的综合效益优于塑料薄膜覆盖。尽管塑料薄膜覆盖在短期内能够带来更高的产量，但其长期的维护成本和环境风险较高。而秸秆覆盖则通过资源循环利用，不仅降低了生产成本，还减少了环境污染，为农民提供了更加可持续的生产方式。

### 结论与建议

综上所述，秸秆条带覆盖和塑料薄膜覆盖均能有效提升土壤水分储存和马铃薯产量。然而，在考虑长期可持续性时，秸秆覆盖展现出更大的优势。它不仅能够减少生产成本，还能改善土壤环境，促进养分循环，避免塑料薄膜带来的污染问题。因此，对于半干旱地区的马铃薯种植，推荐采用秸秆条带覆盖技术，以实现经济效益和环境保护的双重目标。

此外，覆盖时间的选择也对产量和水分利用效率产生重要影响。秋季覆盖在水分储存和产量提升方面表现更佳，尤其是在降水量较多的秋季，能够更有效地利用水分，减少蒸发损失，为作物生长提供更稳定的水分供应。因此，在实际生产中，应优先考虑秋季覆盖，以充分发挥其保水和增产的潜力。

最后，研究强调了覆盖技术在水资源有限地区的应用价值。通过科学选择覆盖方式和时间，农民可以在不增加灌溉投入的情况下，显著提高马铃薯产量和水分利用效率。同时，结合当地的气候和土壤条件，优化覆盖设计，如合理控制覆盖宽度和深度，能够进一步提升覆盖效果，促进农业的可持续发展。