利用黑色塑料薄膜调节土壤温度和改善土壤通气性，以提高马铃薯产量和水分利用效率

《Field Crops Research》：Soil temperature and aeration modification using black plastic mulch to improve potato yield and water use efficiency

马铃薯产量与水分利用效率优化研究。在西北干旱区通过四年田间试验，比较沟灌（FT）与滴灌（DT、DB、DN）结合透明（FT、DT）或黑色（DB）地膜覆盖对土壤温度、透气性及产量的影响。结果表明：滴灌结合黑色地膜（DB）在块茎生长期和膨大期维持适宜低温（较DT低0.2-3.7℃）和良好透气性（ODR较高），使2007和2015年产量提高21%-53%，水分利用效率提升12%-59%，且DB处理综合表现最优。

　　

杨凯静|王凤新|赵建宇|克林顿·C·肖克|张有亮|冯少远|侯晓燕|韩江江|吴秀霞

中国农业大学农业水资源高效利用国家重点实验室，北京100083，中国

摘要

马铃薯是一种全球重要的作物，其高产量需要适宜的土壤条件，包括温和的土壤温度和良好的通气性。为了探讨灌溉方法和覆膜对土壤温度、土壤通气性、块茎产量和水分利用效率（WUE）的影响，2007年、2008年、2014年和2015年在中国西北部干旱地区进行了为期四年的田间试验。试验处理包括一种沟灌处理（使用透明塑料薄膜覆盖，FT）和三种滴灌处理（分别使用透明薄膜覆盖（DT）、黑色塑料薄膜覆盖（DB）和不覆膜（DN）。结果表明，沟灌土壤的温度较高，但通气性较差。与不覆膜相比，使用塑料薄膜会增加土壤中的二氧化碳浓度（CO₂）并降低土壤氧气扩散率（ODR）。透明塑料薄膜在整个生长季节提高了日均土壤温度，而黑色塑料薄膜在生长早期和后期提高了土壤温度，但在块茎形成和膨大阶段降低了温度。具体来说，整个生长季节中，黑色薄膜处理的日均土壤温度和二氧化碳浓度分别比滴灌处理低约1°C和40.4%。此外，在块茎形成和膨大阶段，黑色薄膜处理0–20厘米深度的日均土壤温度比不覆膜处理低0.2–3.7°C，但二氧化碳浓度没有差异，为块茎生长创造了更有利于的条件。2007年和2008年，滴灌处理的马铃薯产量分别比沟灌处理高17%–40%和21%–40%。覆膜马铃薯的平均产量比不覆膜马铃薯高21%–53%，相应的水分利用效率（WUE）提高了12%–59%。2007年和2015年，所有处理中黑色塑料薄膜滴灌处理的产量和WUE均最高。因此，发现黑色塑料薄膜滴灌是一种有效的农艺方法，可以通过在生长早期提高土壤温度并在块茎形成和膨大阶段降低土壤温度来提高马铃薯的生产力和WUE。

引言

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是一种全球重要的作物，对水分胁迫（Chang et al., 2018）、土壤通气性差和根际高温（Zhao et al., 2024）非常敏感。马铃薯在中国西北部的干旱地区广泛种植（He et al., 2021, Wang et al., 2011）。然而，该地区的灌溉水资源稀缺，且生长早期的土壤温度较低（Yang et al., 2023a, Wang et al., 2020）。为了满足提高水分利用效率的迫切需求并追求理想的马铃薯生长土壤条件，先前的研究中对不同的灌溉方法和栽培措施（包括塑料薄膜覆盖）进行了深入研究（Hou et al., 2010, Wang et al., 2009, Wang et al., 2011, Zhang et al., 2017, Zhao et al., 2026）。然而，动态土壤温度与通气条件之间的协同调控机制仍不甚清楚，特别是在形成对温度敏感的块茎方面，这主要是由于缺乏在联合覆盖和灌溉系统下的定量研究。这限制了同时优化块茎产量和水分利用效率（WUE）的能力。

沟灌是一种在马铃薯田中广泛使用的传统方法，但大量施用的水可能导致孔隙空间充满水分并引起土壤压实，从而降低土壤通气性（Yu et al., 2022）。沟灌的许多缺点，如失去大孔隙空间、减少气体扩散、降低根系伸长和氧气不足（Singh et al., 2025, Thomas et al., 2025），会限制作物产量（Quan et al., 2024, Ray et al., 2024）。此外，沟灌每次施用大量水会暂时降低土壤温度，使其低于最佳温度，从而不利于植物生长，尤其是在生长早期（Steduto et al., 2012, Lictawa and Malamug, 2023）。相反，高频滴灌可以调节土壤温度波动并避免高温胁迫的影响（Zhang et al., 2024, Zhang, 2007）。滴灌将少量水直接施用于根际，减少了沟灌常见的过度灌溉和水分胁迫的不利影响（Dong et al., 2016）。此外，滴灌下的频繁干湿循环避免了土壤通气不良，并为根系呼吸提供了足够的氧气（Avila et al., 2023, Zhao et al., 2024）。

塑料薄膜覆膜在作物生产中得到了广泛应用，因为它们在调节植物微气候方面起着重要作用，包括保持土壤水分和调节土壤温度（Zhang et al., 2017, Wei et al., 2022, Zhao et al., 2023）。尽管许多研究者报告称塑料薄膜覆膜可以提高作物产量，包括马铃薯（Hou et al., 2010, Wang et al., 2011, Li et al., 2018, Zhao et al., 2026），但值得注意的是，如果生长季节中土壤温度超过最佳值，塑料薄膜覆膜会降低马铃薯的生长及其最终产量（Liu and Siddique, 2015, Yang et al., 2023b）。因此，为了避免土壤温度过高，研究了马铃薯生产中塑料薄膜的最佳覆盖时间（Hou et al., 2010）。然而，在马铃薯生长季节去除塑料薄膜成本高昂且劳动强度大。土壤对覆膜的反应取决于塑料薄膜材料的热性能（反射率、透射率或吸收率）以及太阳辐射（Zhang et al., 2017）。目前，透明和黑色聚乙烯薄膜是作物生产中主要的覆膜材料。Hatt et al.（1995）报告称，在新鲜市场番茄生产中，当塑料薄膜从黑色变为透明时，土壤温度降低。Anikwe et al.（2007）发现，椰菜（Colocasia esculenta）田地中黑色塑料薄膜下的土壤温度比透明塑料薄膜下的低1–2°C。这些不一致的结果可能取决于气候、地理、作物和其他未定义因素的差异。因此，不同塑料薄膜覆膜对马铃薯田土壤温度的影响及其对植物生长和最终产量的影响需要进一步研究。

尽管有上述优点，塑料薄膜覆膜会抑制土壤与大气之间的气体交换，导致土壤中二氧化碳浓度增加和土壤氧气供应减少（Jiao et al., 2025, Huang et al., 2024），这对马铃薯生长不利（Zhang et al., 2020）。土壤向植物根部输送氧气的能力可以通过氧气扩散率（ODR）来衡量，这是一种动态特性（Stepniewski, 2017）。Glinski和Stepniewski（1985）报告称，当土壤ODR低于35 μg m^?2 s^?1时，大多数植物根系停止生长。为了更好地在马铃薯田中使用塑料薄膜，需要进一步研究不同灌溉方法和不同塑料薄膜覆膜对土壤通气性的调节作用。

为了测试哪种灌溉方法和塑料薄膜覆膜的组合能够创造最佳的土壤条件以提高马铃薯产量和水分利用效率，在中国西北部干旱地区进行了为期四年的田间试验，使用了两种灌溉方法（沟灌和滴灌）和两种类型的塑料薄膜（透明和黑色）。试验旨在（1）研究不同灌溉方法和塑料薄膜覆膜组合对土壤温度和通气性（二氧化碳浓度和氧气扩散率）的影响；（2）评估不同灌溉方法和黑色或透明塑料薄膜覆膜对马铃薯植株生长、块茎膨大、块茎产量和WUE的影响。

实验地点

实验地点

2007年的实验在民勤农业推广中心的薛白实验站（38°05′N, 103°03′E）进行，时间为4月至9月。2008年、2014年和2015年的田间实验在中国农业大学的石羊河实验站（37°52′N, 102°50′E）进行，时间为4月至9月。两个实验站均位于中国西北部的武威市，甘肃省。实验地点的年度气象数据和土壤物理性质

气温

四个季节的气温变化相似（图1）。2007年、2008年、2014年和2015年的日均气温分别为6.9–28.2°C、4.7–26.4°C、5.2–26.0°C和8.3–26.4°C。然而，在2007年、2008年、2014年和2015年的马铃薯生长季节，分别有44天、33天、27天和24天的最高气温超过了30°C，这可能对块茎形成和膨大产生不利影响。

土壤温度

当覆膜时，日均土壤温度

实验期间观察到的温度范围

据报道，马铃薯生长的最佳气温为白天25–32°C，夜间12–18°C（Steduto et al., 2012, Rykaczewska, 2015）。本研究的实验地点，4月至9月的日均气温在4.7–28.2°C之间，适合马铃薯生长。然而，极高的气温会对块茎形成和膨大产生不利影响（Kar and Kumar, 2007, Fang et al., 2024）。分别有44天、33天、27天和24天

结论

本研究进行了四年的田间试验，以研究不同灌溉方法和塑料薄膜覆膜对土壤条件（包括土壤温度和通气性）、马铃薯产量和水分利用效率的影响。与沟灌相比，滴灌 tend to 提高土壤氧气扩散率并降低土壤温度。塑料薄膜覆膜在生长早期提高了根区的土壤温度，但这种升温效果

作者贡献声明

吴秀霞：方法学研究、调查。韩江江：验证、方法学研究、调查。侯晓燕：方法学研究、调查。冯少远：写作 – 审稿与编辑、可视化、资源管理。张有亮：可视化、验证、软件、方法学研究。克林顿·C·肖克：写作 – 审稿与编辑、方法学研究。赵建宇：写作 – 初稿撰写、方法学研究。王凤新：写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（51579240）和中国水利部（201501017）提供的研究资助。