孔伟程，冯绍元，王凤新，张友良

(1.扬州大学 水利科学与工程学院， 江苏 扬州 225009；2.中国农业大学 中国农业水问题研究中心， 北京 100083)

近些年来，我国作物的覆膜面积整体上呈现上升的趋势，尤其在新疆、山西、山东、甘肃、内蒙古等干旱及半干旱地区[1]。2007年至2017年期间，全国地膜使用量由105万t增至143万t，地膜覆盖面积由1 493万hm2增至1 865万hm2。2017年，山东省地膜使用量仅次于新疆，占全国使用量的7.95%[2]。地膜覆盖对土壤的增温、保墒具有重要作用。土壤温度、湿度的变化一定程度上也影响着作物的光合作用、呼吸作用及基础代谢，进而影响作物的生长及产量[3]。地膜覆盖在马铃薯种植中得到了广泛应用，其覆膜方式及地膜种类愈发成熟[4]，许多学者对之也开展了大量的试验研究。李雪松等[5]在安徽试验研究发现，黑白膜处理下的马铃薯平均株高比白膜处理高18.8%。刘五喜等[6]在甘肃省陇中黄土高原半干旱农业区进行的不同地膜覆盖方式试验，发现地膜覆盖处理(T1、T2、T3)土壤平均温度为17.9℃～19.1℃，较T6(CK)提高0.4℃～1.6 ℃，覆膜能够显著提高土壤温度，有利于马铃薯根系生长发育。Shiukhy等[7]在不同膜色草莓种植中发现，收获时期，黑膜和红膜处理在5 cm土层土壤温度要显著高于白膜和不覆膜处理。王星垚等[8]进行的不同地膜对土壤水热状况研究试验表示，地膜覆盖可以有效提高冬小麦开花期之前的土壤温度，同时黑膜处理良好的水热条件使其水分利用效率也显著高于普通膜和降解膜。吴佳瑞等[9]在宁南山区马铃薯研究试验表示，黑膜处理的各项指标优于白膜，黑膜比白膜和不覆膜增产16.86%、54.20%，差异达显著水平。瞿晓苍[10]在陕西商州区试验中发现白膜处理下的马铃薯产量要高于全黑地膜处理，且达到了极显著性差异。张国平等[11]在甘肃黄土高原地区的马铃薯试验中发现，黑膜处理的保墒能力较白膜处理更强，尤其在深层土壤，黑膜处理能更多地保蓄下渗水分。可见，不同覆膜方法处理下，马铃薯的生长发育及土壤水热存在着显著性差异。前人对马铃薯种植的研究主要集中在覆膜方式、覆膜种类等方面，但在不同颜色覆膜对滴灌马铃薯种植的土壤水热影响研究不够深入。为此，本次试验对比分析常见的白膜覆膜耕种、黑膜覆膜耕种及裸地耕种3种耕种方式，研究在不同覆膜处理情况下，马铃薯生育期间土壤水分、土壤温度的动态变化，揭示其对马铃薯生育期期间生长发育、土壤温度、水分及产量的影响，以便在该地区选择最佳的薄膜颜色及合理的种植技术，为该地区膜下滴灌马铃薯的种植提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于山东省日照市中国农业大学特色马铃薯实验基地(北纬35°25′，东经118°59′，海拔131 m)，属暖温带湿润季风气候，温润宜人，四季分明，多年平均气温13.2℃，年均湿度72%，无霜期213 d，年平均日照2 533 h，年均降水量897 mm，0～60 cm 深度土层平均密度1.50 g/cm3，平均田间持水量26.02%(cm3/cm3)。

1.2 试验设计与方法

试验于2019年3月9日—2019年6月28日进行，该地区属于马铃薯中原二季作区。试验选择马铃薯品种为‘荷兰十五’号，南北向种植，采用先播种，再覆膜，出苗时破膜的种植方式。

试验设置有3个不同处理：(1) 透明薄膜覆盖(TM)；(2) 黑色薄膜覆盖(BM)；(3) 不覆膜处理作(NM)。每个处理设5组重复，小区采用完全随机布置。马铃薯采用起垄种植，一垄双行，垄长6.4 m，垄宽90 cm，宽行行距60 cm，窄行行距30 cm，垄高 20 cm，每个小区共8垄，小区面积46.08 m2(宽7.2 m，长6.4 m)，马铃薯株距为40 cm。所有处理都采用地表滴灌进行灌溉，根据已有研究基础，滴灌湿润比均设置为50%，每次灌水量为16 mm，即为0.737 3 m3。滴灌系统采用支管+辅管布置，每个小区都有闸阀、压力表和水表，用来控制和调节小区灌溉。滴灌系统安装完成后，对覆膜处理进行覆膜，使薄膜与土壤紧密接触。在每个小区安装负压计(陶土头埋深20 cm)，当该处理的3个小区的负压计平均值为-25 kPa时进行灌溉。各处理的施肥和病虫害防治等其他农艺措施相同。总共施肥量为P肥(P2O5)82 kg/hm2，K肥(K2O)385 kg/hm2，N肥147 kg/hm2。其中底肥施入全部的P肥(P2O5)、80%的K肥(K2O)和47%的N肥，在块茎形成期施入24%的N肥和10%的K肥(K2O)，在块茎膨大期施入29%的N肥和K肥(K2O)。追肥时间分别为4月27日、5月24日。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象观测

根据试验站附近的自动气象站观测数据，主要测量数据有气温、降雨量、风速风向等气象因素。

1.3.2 土壤温度和土壤水分

土壤温度、水分选取土壤多参数数据采集器(Em50，DECAGON，USA)进行观测，每个处理随机选取一个小区，仪器布置在小区中间一垄滴头的正下方，在距地面10 cm、20 cm、30 cm、50 cm、70 cm处进行自动监测记录，设置间隔时间为10 min。

1.3.3 株高及茎粗

每个小区选取固定的10株马铃薯，在其各个生育期期间分别用卷尺和游标卡尺对其测定株高和茎粗。

1.3.4 面积产量

块茎成熟期，每个小区随机选取三垄进行产量测定，称其鲜重，换算单位为kg/hm2。

1.3.5 块茎分级

用1/100天平称量，分别记录各小区单薯{大薯(>150 g)、中薯(75 g～150 g)、小薯 (<75 g)}的个数和质量。

1.3.6 商品薯率

商品薯率(%)=单薯75 g以上的产量/马铃薯总产×100。

1.4 数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2010进行数据的计算、处理和制图，用SPSS 20.0统计软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜处理对土壤温度的影响

2.1.1 不同土层深度的土壤平均温度

不同覆膜处理下土壤不同深度的温度变化见表1，从表1中可以看出，土壤的平均温度随着马铃薯生长而不断升高，随着土层深度的增加而减小。各个生育期内覆膜处理的平均土壤温度均高于未覆膜处理,这种温差现象在苗期之前更为明显。纵观整个生育期，TM处理的土壤平均温度最高，分别高出BM、NM处理0.5℃～1.8℃;对比各个生育期土壤平均温度发现:芽条生长期至苗期，各土层土壤平均温度大小均表现为TM>BM>NM，在芽条生长期10 cm土层，TM处理的土壤平均温度分别高出BM与NM处理3℃、3.8℃，在20 cm土层分别高出1.9℃、2.5℃，在30 cm土层分别高出1.7℃、2.0℃，BM与NM在0 cm～30 cm土层之间土壤平均温差分别为0.7℃、0.6℃和0.3℃，温差随着土层深度的增加而减小。在块茎成形期，BM处理的各土层平均土壤温度开始大于TM与NM处理，分别高出0.2℃～0.5℃、1.0℃～1.8℃，此时TM处理下作物的冠层遮光作用较为显著，土壤增温小于BM处理。在成熟期，TM处理土壤平均温度最高，分别高出BM、NM处理0.4℃～0.5℃、0.6℃～1.2℃。由于透明膜的太阳短波辐射的透射率要大于黑色薄膜，透明薄膜比黑色薄膜更有利于加热土壤，增温更显著[12]。

表1 不同覆膜处理对全生育期内不同深度土壤的平均温度

2.1.2 典型天内土壤温度动态变化

对马铃薯各生育期各选取一天(3月22日、4月15日、5月5日、6月8日)，分析其一天内土壤温度的变化情况(见图1)。由图1可以看出，在选取典型天的同一天内，各处理下土壤温度变化趋势一致，覆膜处理的土壤温度均高于不覆膜处理。芽条生长期(见图1)，在10 cm土层TM处理下的土壤温度全天保持最高，最高土壤温度出现在16∶00左右，分别高出BM、NM处理7.4℃、9.8℃；最低土壤温度出现在8∶00左右，分别高出BM、NM处理0.1℃、1.8℃。随着马铃薯生长，BM与TM处理的土壤温度差距逐渐减小。块茎成形期(见图1(c))，在10 cm土层BM处理的土壤最高温度比TM处理高1.8℃。成熟期时(见图1(d))，在土层10 cm～30 cm处，BM与NM处理的土壤温度差异较小，TM处理温度略高于BM与NM处理，可能随着马铃薯生长，马铃薯叶面积指数上升，植株冠层遮光作用要大于覆膜对土壤温度的影响[13]，而后期薄膜的破损也一定程度上影响了覆膜对土壤的增温效应，使得覆膜与不覆膜之间土壤温度差异变小。纵观不同土层深度可以发现：在相同时间和同一土层深度下，不同处理的土壤温度变化规律相似，每日的最高土壤温度和最低土壤温度分别出现在16∶00与8∶00左右。随着土层深度的加深，土壤日温度波动幅度逐渐减小，0～10 cm土层的土壤温度日变化最大，各处理土壤最大温差为4.2℃～17.5℃。各土层之间温度变化呈现一定的滞后现象，在10 cm～20 cm、20 cm～30 cm土层NM处理分别平均滞后105 min、107 min，BM处理分别滞后110 min、112 min，TM处理分别滞后155 min、137 min，可见覆膜处理下土壤温度的滞后现象更为显著。

图1 不同生育期典型天内土壤温度变化

2.2 不同覆膜处理对土壤水分的影响

2.2.1 土壤含水率的垂直分布

土壤含水率受降雨量和灌水量等因素的影响，不同覆膜处理下土壤平均含水率的垂直分布如图2所示。在苗期阶段的0～30 cm土层，土壤平均含水率的大小均表现为不覆膜处理大于覆膜处理，分别高出1.28%～5.13%，可能由于在马铃薯生育前期，覆膜处理下土壤温度高于不覆膜处理，更有利于作物生长发育，使得覆膜处理下作物对上层土壤的水分需求量更大，且在4月3日—4月28日苗期阶段，期间共降雨47.5 mm，不覆膜处理对降雨的利用率要高于覆膜处理。在块茎成形期0～10 cm土层，BM、NM处理下土壤平均含水率无显著性差异，分别高出TM处理2.74%、3.02%，随着土层深度加深，BM处理与NM处理土壤平均含水率差距逐渐增大，在30 cm土层差值到达最大为2.77%，可能由于此阶段，覆膜处理下马铃薯生长茂盛，且TM处理下杂草过多，薄膜破损，使得覆膜处理下耗水量更多。在苗期和块茎成形期30 cm～50 cm土层，各处理之间土壤平均含水率均显示出显著性差异，TM、BM、NM处理下土壤含水率分别为19.46%、14.29%、9.16%和20.37%、15.01%、13.29%，可见，覆膜较不覆膜处理在对30 cm～50 cm土层具有更好的蓄水保墒作用。

图2 不同处理下各生育期土壤平均含水率的垂直分布

2.2.2 一次灌水周期内土壤含水率变化

从前一次灌水周期土壤含水率保持相对稳定开始，选择5月22日—5月25日的一次灌水周期对其进行分析不同土壤深度含水率的变化(见图3)。

由图3可知，土壤含水率受灌水影响程度随土层深度的加深而减小，灌水对10 cm、20 cm土层影响较大，对30 cm及以下土层影响较小，对70 cm土层影响几乎不计。在10 cm土层，TM、BM、NM处理下土壤含水率分别提高了6.25%、9.78%、11.87%，在20 cm土层，TM、BM、NM处理下土壤含水率分别提高了1.89%、4.93%、6.06%，在30 cm土层，TM、BM、NM处理下土壤含水率分别提高了1.28%、1.46%、3.11%，在70 cm土层，各处理土壤含水率提高值均低于0.5%。可见此次灌水后，BM处理下土壤的保墒能力要优于TM处理，尤其在20 cm以上的土层，但不覆膜处理较覆膜处理能够保蓄更多水分，土壤含水率最高，可能是由于覆膜处理的马铃薯生长旺盛，覆膜处理耗水量大于不覆膜处理，导致覆膜处理的土壤含水量低；另外，不覆膜处理对降雨的利用率要大于覆膜处理，尤其在垄顶位置。土壤水分运移还存在一定的滞后现象，这种现象在30 cm以上土层尤为显著，在0～30 cm土层中，NM处理下水分每下渗10 cm分别滞后20 min、90 min，BM处理下水分每下渗10 cm分别滞后40 min、100 min，TM处理下水分每下渗10 cm分别滞后50 min、120 min，由此可见，覆膜处理下土壤水分入渗滞后时间较不覆膜处理更久。

2.3 不同覆膜处理对马铃薯株高、茎粗的影响

不同覆膜处理对马铃薯株高的影响如图4所示，马铃薯株高随马铃薯的生长而逐渐增加，增长速率由快变慢。在苗期，TM、BM、NM处理下马铃薯株高分别为28.8 cm、28.7 cm、26.2 cm，TM与BM处理下马铃薯株高显著高于NM处理。块茎成形期时，各处理下马铃薯株高相差不足0.1 cm，覆膜处理下株高略高于未覆膜处理。成熟期时，马铃薯长势有所减缓，BM处理下株高最高达到71.4 cm，高出TM、NM处理5.2 cm、5.3 cm。生育前期，TM处理下土壤温度最高，有利于马铃薯前期生长发育，使得TM处理在苗期时株高最高，但一定程度上也让杂草生长茂盛，破坏了覆膜的完整性，导致在进入马铃薯生育后期，杂草与马铃薯在阳光、空气及营养成分上形成竞争关系，覆膜的破损也降低了对土壤保温保墒的能力，进而影响马铃薯株高长势。

图3 一次灌水周期内不同土层深度土壤含水率变化

图4 不同覆膜处理对马铃薯株高的影响

试验期间对马铃薯块茎成形期和成熟期的茎粗进行了测定，如图5所示，块茎成形期，BM处理略高出NM与TM处理，但没有显著性差异；成熟期时，TM处理茎粗最大，分别高出BM、NM处理0.6 mm、1.0 mm，没有显著性差异。整个生育期，覆膜处理的茎粗略高于不覆膜处理。

2.4 不同覆膜处理对马铃薯产量及水分利用效率的影响

山东日照地区在马铃薯整个生育期间的降雨量为141.7 mm，并不能满足马铃薯整个生育期对水分的需求， TM、 BM、 NM处理下灌水量分别为188.8

图5 不同覆膜处理对马铃薯茎粗的影响

mm、148.7 mm、154.7 mm。试验区地下水埋深很大，土壤水运动以垂直方向为主，且试验期间灌水计划湿润层深度远小于90 cm，因此可忽略地下水补给量和深层渗漏量。表2为不同覆膜处理下马铃薯的耗水量，由表2可知，TM处理下土壤耗水量最大为395.2 mm，分别高出BM、NM处理10.5%、7.7%。灌水量对作物耗水量的影响较大，耗水量随着灌水量的增加而增加。BM与TM处理产量分别为50 868 kg/hm2、50 109 kg/hm2，分别高出NM处理14.9%、13.2%，BM处理略高于TM处理，但两者没有显著性差异。在块茎分级中可以发现，BM、TM和NM处理下商品薯率分别为93.9%、92.4%和87.8%，商品薯率越高对应的大薯率也越高(见表3)。由此可见，覆膜条件下一定程度上可以提高马铃薯产量和大薯比例。BM处理下水分利用效率最高，分别高出TM和NM处理26.3%和18.6%，NM处理下水分利用效率要高于TM处理，可能由于生育期后期TM处理的小区杂草过多且未清除干净，一定程度上破坏了覆膜的完整性，进而影响覆膜的保墒性，杂草的生长也需要消耗土壤水分，从而降低了土壤水分利用效率(见表4)。

表2 不同覆膜处理下马铃薯耗水量

表3 不同覆膜处理下马铃薯块茎分级

表4 不同覆膜处理下马铃薯产量及水分利用效率

3 讨 论

对全生育期内各处理的土壤温度分析发现，覆膜处理下能够提高土壤温度，TM处理下平均日增温要高于BM处理，这与瞿晓苍[10]在覆膜颜色对土壤水热影响研究中的结论相似。透明膜能更有效地将太阳光转化成土壤热通量，使得生育前期TM处理对土壤的增温幅度高于BM处理，生育中后期，由于作物冠层的遮光作用和薄膜的破损，TM处理对土壤的增温效应逐渐减小，覆膜处理对上层土壤的增温效应更为显著，随着生育期的延后和土层深度的加深，覆膜处理对土壤的增温幅度逐渐变小，这与前人[12,14-15]的研究结果相似。土壤日最高和最低温度分别出现在16∶00和08∶00左右，且土壤热量向下传递时会出现滞后现象，覆膜处理下的滞后现象更为显著，这与孙梦媛等[16]、聂唯[17]研究结论相似。

本次田间试验观测期间，覆膜处理下马铃薯平均株高与茎粗均高于不覆膜处理，与孟玉东等[18]的不同颜色薄膜对滴灌马铃薯生长指标的影响研究结论相似。王东等[19]研究表明全膜双垄垄播处理下能显著提高马铃薯产量，毛向红等[20]研究表明白膜和黑膜起垄处理均可极大地提高马铃薯块茎产量，本次试验也得出类似的结果，覆膜处理下马铃薯产量及商品薯率分别高出不覆膜处理13.2%～14.9%、4.6%～6.1%。BM处理下水分利用效率最高，其次为NM处理、TM处理，有研究指出覆膜阻隔了土壤与大气间的直接联系，一定程度上抑制了土壤水分的蒸发，使土层更有效地保蓄水分，提高水分利用效率[21]，但本次试验透明薄膜可能由于存在生育初期的高温、生育中期的杂草生长及生育后期薄膜破损问题，使得TM处理下耗水量增多，从而降低了水分利用效率。

马铃薯的生长发育及土壤水热变化规律受多方面因素的综合影响，本试验以不同覆膜颜色处理对土壤温度和土壤水分的影响为主要因素，忽视了灌水定额、光照强度、当地的气候条件、冠层温度及近地面温度变化等其他因素对试验的影响，得出的结论缺少一定的共性。因此，在将来的研究中，要考虑到大气、土壤、植株等多因素及各因素之间相互影响的作用，进而更加全面地研究各因素对作物的生长发育及产量的影响，为当地的农业生产提供更加适宜的种植技术与理论依据。

4 结 论

通过对不同覆膜处理下滴灌马铃薯土壤水热分布与作物生长及产量的田间试验观测，可以得到如下的研究结果：

(1) 覆膜处理能显著提高马铃薯整个生育期内0～30 cm土壤土层平均温度。在0～30 cm土层，TM、BM处理较NM处理分别提高0.9℃～1.8℃、0.7℃～1.4℃。马铃薯生育前期，TM处理下土壤的增温效应最高，马铃薯生育中后期，BM处理下土壤增温效应最高。覆膜处理下能够提高土壤日最高温度，在10 cm土层增温幅度最为显著，为0.5℃～9.8℃。

(2) 苗期和块茎成形期，在0～30 cm土层，土壤平均含水率大小均表现为不覆膜大于覆膜处理，覆膜较不覆膜处理对30 cm～50 cm土层具有更好的蓄水作用，高出不覆膜土壤平均含水率1.72%～10.3%。

(3) 马铃薯的株高与茎粗在大小上均表现为覆膜处理高于不覆膜处理，苗期时，TM、BM处理株高分别高出NM处理2.6 cm、2.5 cm。成熟期BM处理下株高最高，TM处理下茎粗最高，但各处理间株高、茎粗未显示显著性差异。

(4) 覆膜处理可以提高产量和商品薯率，BM、TM处理下产量较NM处理分别高出14.9%、13.2%。覆膜处理的商品薯率和大薯率分别高出不覆膜处理4.6%～6.1%、6.6%～14.4%。BM处理下水分利用效率最高，分别高出TM和NM处理26.3%和18.6%。

总之，田间试验结果表明：黑膜处理下一定程度上能改善土壤的保温保墒能力，能使作物产量与水分利用效率最优化，提高马铃薯商品薯率。因此，推荐在山东日照地区使用黑色薄膜覆盖种植方式。