覆膜与生物炭对青藏高原马铃薯水分利用效率和产量的影响_李正鹏

0 引 言

在西北干旱半干旱农业区，水分是限制作物产量提高的主要因素之一。地处青藏高原和黄土高原过渡地带 的青藏高原东部农业区，是青海省主要的农耕区，其耕 地面积占全省总耕地面积的 70%左右，是西北高原干旱地区的代表，具有高海拔、寒冷、降水少、蒸发量大的 气候特点，干旱缺水严重制约着农业的可持续发展[1]。

马铃薯是青藏高原东部农业区的主要粮食作物之一，种植面积约 9 万 hm2，是青海省的第三大农作物，已成为当地农民增收和发展农村经济的特色产业[2]。该区以雨养旱地为主，马铃薯对生育期降水量变化非常敏感[3]。地膜覆盖技术能够显著降低土壤的无效蒸发，改善土壤水热条件，促进作物的生长和产量提升，提高水分资源利用效率[4-5]，在西北地区得到了广泛的推广。然而，有研究指出长期使用地膜，会加快土壤有机质的分解，降低土壤微生物多样性，土壤斥水性增强，极大地破坏土壤的生态环境[6]。

收稿日期：2020-02-29 修订日期：2020-06-10

基金项目：青海省科技厅青年基金项目（2018-ZJ-961Q）；青海省农林科学院基本科研业务费专项项目（2017-NKY-05）

作者简介：李正鹏，助理研究员，主要研究方向为农业资源高效利用。

Email：lipengzheng131@163.com

※通信作者：宋明丹，助理研究员，主要研究方向为农业资源与环境。

Email：hi0045@163.com

青藏高原东部农业区土壤肥力状况基本处于中等偏下水平，由于长期不合理施肥，导致土壤结构遭到破坏， 土壤瘠薄，耕层浅，是限制该区域农业发展又一主要限制因素[7]。生物炭是在低氧或缺氧条件下，将农林废弃物、禽畜粪便等有机物质经过高温热解而形成的产物，具有容重小、比表面积大、吸附能力强和稳定性强等特点[8]。大量研究表明生物炭能改善土壤理化性质，提高作物产量和品质，但其应用效果受土壤特性、作物种类和生物炭特性等的影响而存在较大变异[9-10]。本研究尝试在地膜覆盖基础上引入生物炭技术，利用生物炭的保水保肥效应以及固碳培肥效果，解决地膜覆膜带来的土壤地力下降及后期养分管理困难等问题。通过开展覆膜、施炭两因素随机区组试验，分析马铃薯干物质量分配、水分利用、产量构成和投入产出 4 个方面，探究覆膜和施炭在青藏高原东部农业区马铃薯的应用效果，为该地区生物炭推广应用和马铃薯高产栽培提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地及试验设计

田间试验位于青海省西宁市城北区莫家泉湾村，青海大学农林科学院试验地（101°45′E，36°43′N，海拔2 314 m），属于暖凉温半干旱区（高原大陆性气候），

平均海拔在 3 000 m 以下，年平均气温为 6.1 ℃，年均降

水量为 413.6 mm，年平均蒸发量为 1 180.9 mm，作物生

第 15 期 李正鹏等：覆膜与生物炭对青藏高原马铃薯水分利用效率和产量的影响 143

长季天数在 180～240 d，属于一年一熟区[11]。试验地土壤为栗钙土，质地为黏质壤土，试验前 0～20 cm 耕层土壤有机质为 18.23 g/kg、全氮为 1.29 g/kg、碱解氮为

每 20 cm 为 1 层。土壤含水率测定采用烘干法，在 105 ℃ 下烘干至恒质量。土壤体积含水率的计算参考文献[12]。

马铃薯阶段耗水量采用水量平衡法计算：

79.0 mg/kg、速效磷为 10.9 mg/kg、速效钾为 107.7 mg/kg、

pH 值为 8.4。

ETi  Pi  I  SWSi  R  D  K

（1）

供试马铃薯品种为青海省农林科学院培育的“青薯 9

号”，于 2019 年 4 月 23 号播种。试验所用生物炭购于辽宁金和福农业开发有限公司，是玉米秸秆在 500℃低氧条件生产的。所用地膜购于青海农牧生产资料股份有限公司，膜厚 0.01 mm，膜宽 80 cm，黑色。本试验共 4 个处理，分别为不施炭不覆膜的对照（CK）、施炭（B）、

覆膜（M）、覆膜+施炭（M+B），每个处理重复 4 次，

式中 ETi 为 i 生育阶段作物耗水量，mm；Pi 为 i 阶段的降

水量，mm；I 为灌溉量，mm；ΔSWSi 为 i 阶段开始和结束时 1 m 土层土壤贮水量之差，mm；R 为地表径流，D为渗漏量，K 为地下水补给量，所有量的单位均为 mm。在本试验区土壤及降水条件下，R、D 和 K 可忽略不计。关于作物阶段耗水模系数、耗水强度、农田总耗水

量的计算参考文献[13]。计算公式如下：

共 16 个小区。小区长 7 m、宽 3 m、面积 21 m2，采用随机区组设计。播前一次性施氮肥 150 kg/hm2 ， 磷肥

CPi 

ETi

ETi

100

（2）

90 kg/hm2，生物炭的施用量为 20 t/hm2，在田间均匀撒施

后用微耕机翻耕，人工起垄、覆全膜。采用沟垄种植，

CDi

 ETi

d

（3）

i

其中垄高 20 cm，垄宽 30 cm，沟宽 30 cm，单垄单行， n

株距 40 cm。整个生育期不灌水，其他管理措施同当地农

ETa  ETi

i 1

（4）

民栽培习惯，2019 年 9 月 28 日收获。马铃薯生长阶段降

水 356 mm，该年度的气象条件如图 1 所示。

式中 CPi 为 i 阶段的耗水模系数，%；ETi 为各阶段作物耗水量，mm；CDi 为 i 阶段的耗水强度，mm/d；di 为 i 阶段持续天数；ETa 为农田总耗水量，mm；n 为生育阶段个数，本研究中 n 为 5。

农田耗水比例、水分利用效率和降水利用效率的计算参考文献[14]。

降水的耗水比例计算公式如下：

P  Pi 100

（5）

ETa

图 1 2019 年马铃薯生长期间的气象因子变化

Fig.1 Changes of meteorological factors during potato growing

式中 Pr 为降水占总耗水的比例，%；∑Pi 为各阶段的降水量之和，mm。

土壤储水消耗的耗水比例计算如下：

SWS

period in 2019

SWSr

i 100 ETa

（6）

1.2 测定项目与方法

式中 ΔSWSr 为土壤储水消耗占总耗水量的比例，%；

1.2.1 植株干物质量及产量测定

马铃薯植株分别于苗期（播后 62 天）、块茎形成期

（播后 75 天）、块茎膨大期（播后 112 天）、淀粉积累

期（播后 144 天）和成熟期（播后 158 天）共采样 5 次。

每小区随机采集健壮和长势相同的无病害马铃薯植株 3

∑ΔSWSi 为各阶段土壤储水消耗量之和，mm。水分利用效率计算公式如下：

WUE  Y

ETa

（7）

株，整株挖出，清洗干净，于 105℃下杀青 0.5 h，75 ℃ 烘干至恒质量。

于收获期，在每个小区中心位置随机选取长势均匀

式中 WUE 为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y 为马铃薯产量，kg/hm2。

降水利用效率计算公式如下：

一致的无病害马铃薯 10 株，参考《马铃薯商品薯分级与检验规程》（国标 GBT 31784-2015），将块茎按大薯

PUE 

Y

Pi

（8）

（>150 g）、中薯（75～150 g）和小薯（<75 g）进行分级， 记录每个等级下的马铃薯个数和质量。商品薯率（%）＝ 大中薯块茎质量/块茎总质量×100%。

1.2.2 作物耗水量和水分利用效率

在马铃薯播种前和收获后，以及植株采样前在每个小区中间用直径 5 cm 的土钻采集 0～100 cm 的土样测定土壤含水率，0～40 cm 土层每 10 cm 为 1 层，40 cm 以下

式中 PUE 为降水利用效率，kg/(hm2·mm)；∑Pi 为各阶段的降水量之和，mm。

1.3 数据处理与分析

本 研 究 中 的 方 差 分 析 （ Analysis of Variance, ANOVA）和多重比较均在 SPSS 20.0 软件中完成，多重比较采用 Duncan’s 新复极差法检测。所有计算和绘图均在 EXCEL2010 软件中完成。因素的主效应和简单效应计

144

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2020 年

算参考《植物营养研究方法》[15]。施炭在不覆膜（CK）、 覆膜（M）下的简单效应计算为：B−CK 和(M+B)−M， 施炭的（B）主效应计算：((B−CK)+((M+B) −M))/2。覆膜在不施炭、施炭下的简单效应计算分别为：M−CK 和(M+B)−B，覆膜的主效应计算：((M−CK)+((M+B)−B))/2。

2 结果与分析

2.1 马铃薯干物质量积累

整体来看，马铃薯植株总干物质量先缓慢增加后呈线性增加，最后增加平缓或下降：马铃薯块茎形成期

（62～75 d）积累了总干物质量的 9.8%～24.0%，块茎膨大期（75～112 d）积累了总干物质量的 35.3%～52.4%， 淀粉积累期（112～144 d）积累了总干物质量的 16.4%～ 46.3%，块茎膨大期和淀粉积累期是植株干物质量增加的主要时期（图 2）。

CK 高 32.8%、40.9%和 44.8%。施炭和覆膜的主效应分别为 3.2 和 4.6 t/hm2，覆膜条件下植株总干物质量是施炭的

1.4 倍。覆膜在不施炭和施炭条件下的简单效应分别为 7.0 和 2.1 t/hm2，无论施炭与否，覆膜均显著增加植株总干物质量（P<0.05）；施炭在不覆膜和覆膜条件下的简单效应分别为 5.6 和 0.7 t/hm2，仅在不覆膜条件下显著增加植株总干物质量（P<0.05）。

成熟期各处理的植株器官占总干物质量的比例均表现为：块茎（70.3%～76.2%）＞茎（16.0%～21.3%）＞ 叶（5.7%～6.8%）＞根（1.4%~1.8%）（表 1）。与 CK 相比，覆膜和施炭显著提高了块茎的干物质量（P<0.05）。施炭和不施炭的平均根干物质量分别为 0.41 和

0.31 t/hm2，无论覆膜与否，施炭均能显著提高根干物质量（P<0.05），但覆膜对根干物质量无显著影响（P>0.05）。覆膜和施炭均对叶干物质量无显著影响（P>0.05）。

表 1 不同处理对收获期马铃薯干物质量分配的影响Table 1 Effects of different treatments on dry matter accumulation and allocation in potato at harvest

总干质量

各器官干质量

-2

根冠比

收获指数

处理 Total dry Dry matter of organs/(t·hm )

Root to

Harvest

Treatments

matter/ 茎

叶 根 块茎

shoot

M+B 24.92a 5.31a 1.69a 0.40a 17.52a 0.061b 0.706a

注：I～VI 分别代表发芽期、苗期、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期、

成熟期；*，**分别代表在处理间 0.05 和 0.01 水平上显著；CK、B、M、

M+B 分别代表对照、仅施炭、仅覆膜、覆膜加炭处理，下同。

Note: I-IV represents sprouting, seedling, tuber formation, bulking, starch accumulation and maturity stage, respectively; *and** indicates significant difference among treatments at 0.05 and 0.01 levels, respectively; CK, B, M and M+B are control, biochar, and film mulching and film mulching with biochar treatments, the same as below.

图 2 马铃薯各生育期植株总干物质量

Fig.2 Total plant dry matter of potato at different growing periods

在马铃薯生长早期（块茎形成期）和后期（淀粉积累末期和成熟期），不同处理对植株总干物质量的影响 极显著（P<0.01）。75 d 时（块茎形成末期），覆膜对植株干物质量的影响极显著（P<0.01），而施炭对其影响不显著（P>0.05），覆膜和对照处理的植株干物质量分别为87 和 179 g/株，覆膜提高了植株干物质量 105%。在马铃薯的块茎膨大期，覆膜和施炭均对其生长无显著差异

（P>0.05）。在马铃薯进入淀粉积累期后，覆膜和施炭均对其有显著影响（P<0.05）。在播种 144 d 时，CK、B、M 和 M+B 的植株总干物质量分别为 372、518、654 和725 g/株，B、M 和 M+B 分别提高干物质量 39%，76% 和 95%。覆膜处理在作物生长早期（块茎形成期）即有显著的促进效果，生物炭处理仅在作物生长后期（淀粉积累期末期和成熟期）促进效果显著（P<0.05）。

2.2 收获期马铃薯干物质量分配

覆膜和施炭均能显著提高马铃薯植株总干物质量

（P<0.05），B、M 和 M+B 处理的植株总干物质量分别比

注：同一列中不同小写字母表示在 0.05 水平有显著差异，下同。

Note: Different letters within a column indicate significant differences at 0.05 level, and the same as below.

在施炭的基础上，覆膜显著降低了植株根冠比，M+B 比 B 处理的根冠比降低了 33.0%（P<0.05）；而在覆膜的基础上，施炭与否对植株根冠比影响不大。此外，施炭的根冠比显著大于覆膜处理（P<0.05），各处理的根冠比与对照均无显著差异，各处理间收获指数差异不显著

（P>0.05）。

2.3 马铃薯不同生长阶段耗水特征

马铃薯不同生长阶段耗水量差别较大，本研究中苗期耗水量最高，占了总耗水量的 40%左右，其次是块茎膨大期，占了总耗水量的 26%左右（表 2）。成熟期和块茎形成期的耗水量最少，分别占了总耗水量的 5%和 9% 左右。马铃薯耗水强度在块茎膨大期以前均维持较高水平，日均耗水量在 3 mm/d 以上，之后逐渐降低，成熟期耗水强度为 0.8～1.7 mm/d。

苗期和成熟期，B 处理下的耗水量、耗水模系数和耗水强度均最低（表 2），这可能是由于植株生长早期和后期，植株蒸腾量较小，农田耗水主要是土壤蒸发，而生物炭的持水能力使土壤蒸发减少，从而降低了农田耗水量。在淀粉积累期，B、M 和 M+B 处理下的耗水量、耗水模系数和耗水强度均显著高于对照处理（P<0.05），这可能是该阶段 B、M 和 M+B 处理下的干物质量积累量较大，导致蒸腾耗水较多。

第 15 期 李正鹏等：覆膜与生物炭对青藏高原马铃薯水分利用效率和产量的影响 145

表 2 不同处理对马铃薯阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度的影响

Table 2 Effects of different treatments on water consumption, water consumption percentage and water consumption intensity

块茎

2.4 农田耗水量和水分利用效率

雨养条件下，降水和土壤储水量是作物耗水量的两大来源。2019 年马铃薯整个生长期降水量 356 mm，是作物总耗水量的主要来源，占作物总耗水量的 77.0%～

指标 处理

苗期 形成期

块茎

淀粉积累期 成熟期

80.8%；土壤贮水消耗量为 85～121 mm，仅提供作物总

Indicator

Treatments Seedling

Tuber

膨大期

Starch

Maturity

formation Bulking accumulation

耗水量的 19.2%～25.1%（表 3）。覆膜显著增加了作物

耗水量

表 3 不同处理对马铃薯耗水特性和水分利用效率的影响

Table 3 Effects of different treatments on water consumption characteristic and water use efficiency of potato

耗水来源

处理 Sources of water consumption/mm

总耗水量

Total water

各耗水来源占总耗水量比

Proportion of water from each source to total water

consumption/%

水分利用效率

Water use

降水利用效率

Precipitation use

Treatments

灌水量

Irrigation

降水量

Precipitation

土壤储水消耗量

Soil water

consumption/ 灌水

mm Irrigation

降水

Precipitation

土壤储水消耗

Soil water

efficiency/ (kg·hm-2·mm-1)

efficiency/ (kg·hm-2·mm-1)

2.5 马铃薯产量及其构成

施炭和覆膜均能显著提高马铃薯块茎产量（P<0.05），和 CK 相比（总产量 60.59 t/hm2），B、M 和 M+B 处理的增产率分别为 28.0%、49.2%和 56.0%（表 4）。从主效应和简单效应来看：施炭和覆膜的主效应分别为 10.6

和 23.4 t/hm2，覆膜的主效应是施炭的 2.2 倍；覆膜在不

施炭和施炭条件下的简单效应分别为 29.8 和 17.0 t/hm2， 无论施炭与否，均显著增产（P<0.05）；施炭在不覆膜和覆膜条件下的简单效应分别为 17.0 和 4.2 t/hm2，仅在不覆膜条件下显著增产（P<0.05），而在覆膜条件下，M

和 M+B 无显著差异（P>0.05）。

和 CK 相比，覆膜明显增加了大薯的数量和产量，而对中、小薯的数量和产量均无显著影响（表 4）。从主效应和简单效应来看：对于大薯数量，施炭和覆膜的主效 应分别为 1.1 和 5.3 万个/hm2；对大薯产量，施炭和覆膜

的主效应分别为 8.4 和 24.1 t/hm2，仅覆膜对大薯数量和产量的影响达显著水平（P<0.05）。相关分析结果显示， 块茎产量和大薯的数量、产量呈极显著正相关（r=0.48 和 0.60，P<0.01），而与总薯数和中小薯的相关性不显著

（P>0.05）。各处理的商品薯率差异不显著（P=0.42）。

表 4 不同处理对马铃薯产量的影响

Table 4 Effect of different treatments on potato yields

总产量

总结薯数

大薯 Big tuber 中薯 Middle tuber 小薯 Small tuber

商品薯率

处理

Treatments

Total yield

/(t·hm-2)

Total tuber number

/(万个·hm-2)

薯数Tuber number/ (万个·hm-2)

产量Yield/ (t·hm-2)

薯数Tuber number/ (万个·hm-2)

产量Yield/ (t·hm-2)

薯数Tuber number/ (万个·hm-2)

产量Yield/ (t·hm-2)

Commodity rate/%

CK 60.59c 40.63a 16.15b 45.20b 9.90a 10.51a 14.58a 4.89a 92.1a B              77.56b              55.73a              18.23ab              55.23b              13.02a              14.20a              24.48a              8.12a              89.8a M              90.39a              49.48a                            22.40a              70.93a              12.50a              13.76a              14.58a              5.70a              93.2a M+B                            94.55a                            52.08a                                          22.92a                            77.69a                            9.38a 9.40a 19.79a 6.92a 92.5a

2.6 马铃薯的投入产出分析

本研究中种薯用量为 1 800 kg/hm2，价格为3 元/kg，尿

素用量为 250 kg/hm2，单价为 2.1 元/kg，磷酸二铵用量为

196 kg/hm2，单价为 3.2 元/kg。地膜投入为 1 500 元/hm2[16]，

生物炭用量为 20 t/hm2，单价为 2 000 元/t[17]。覆膜和

施炭虽然都能显著提高产量，但在投入产出方面存在明显不同（表 5）。B、M 和 M+B 的总收益分别比对照高 24.6%、52.0%和 57.3%，在不覆膜和覆膜条件下施炭的总收益分别为对照的 1.25 和 1.57 倍。但 B、M 和 M+B 的总投入分别比对照高 418.8%、15.7% 和

146

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2020 年

434.5%，施炭的总投入是对照的 5 倍多。从净收益来看，M 处理的净收益是对照的 1.57 倍，而 B 处理仅为对照的 74%，即施炭大幅度降低了净收益。这主要是

由于地膜和生物炭的价格差异导致的， 地膜投入为

1 500 元/hm2，而生物炭投入为 40 000 元/hm2，是地膜

的 26.6 倍。

表 5 覆膜和施炭下马铃薯的投入、产出和净收益

Table5 Input, output and net income of potato with plastic mulching and biochar

总收益

总投入

净收益

3 讨 论

3.1 覆膜和施炭对植株干物质量和分配的影响

干物质量的积累和分配是产量形成的基础，大量研究 表明覆膜在显著提高地上生物量的同时，也会促进植株根 系的生长。在水分和养分受限的条件下，植株对根系的同 化物分配会增加，以获得更多的资源，提高产量[18]。覆膜 下水热条件得到改善，有效养分含量增加，植株的同化产物更多的分配到地上部分，从而降低根冠比[19-20]。胥生荣等[21]的研究表明覆膜能显著降低枸杞的根冠比，秋覆膜和春覆膜分别是裸地对照的 87%和 90%。覆膜使土壤水热条件得到改善, 植株生长速率加快，但根系生长速率相对地上部分缓慢，根冠比减小。赵琳等[22]比较了不同栽培模式下冬小麦根冠比的变化，结果表明沟垄种植下根冠比最大，地膜覆盖模式下根冠比最低，施氮对植株地上部分的影响大于对根系的影响。Wang 等[20]的研究也表明覆膜条件下土壤养分有效性增加，植株的根冠比降低。

生物炭具有改善土壤结构，保水保肥，促进作物生长的作用。Xiang 等[23]汇总分析了 136 篇文章中的数据来评估添加生物炭对植株根系生长的影响，结果表明施炭能显著提高根系生物量 32%左右，但对根冠比影响不大。大量研究表明施炭可以显著促进植株根系的生长，尤其是根长和根体积明显增加[24]，这可能是由于：1）添加生物炭降低了土壤容重，从而减小了根系生长的机械阻力； 2）添加生物炭增加了土壤持水能力，土壤含水率增加， 土壤机械阻力降低。

本研究中覆膜和施炭均有提高地上部干物质量和根系干物质量的趋势，对于地上干物质量而言，覆膜效果更明显，对于根系干物质量而言，施炭效果更明显。从而导致覆膜下的根冠比的降低，施炭下的根冠比的增加， 覆膜和施炭处理的根冠比差异显著，覆膜下施炭处理的根冠比与对照无显著差异。

3.2 覆膜和施炭对作物水分利用的影响

覆膜能有效改善土壤水热状况，促进作物生长，提高产量和 WUE[25]。覆膜后，地膜与土壤表面形成一个稳定的气层，能有效抑制水汽交换，减少土壤蒸发，增加 作物蒸腾；同时该气层能够抑制夜间长波辐射，减弱土

壤和大气间的显热和潜热交换，提高土壤温度[26]。文冶强等[27]在甘肃省石羊河流域的春小麦试验中发现覆膜能够有效改善农田的耗水结构，减少土壤的无效蒸发，覆膜处理减少了 27%的无效耗水。前人研究表明添加生物炭能够降低土壤容重，改善土壤水分和养分状况，促进作物生长[28]。Xiao 等[29]的研究表明施炭显著提高了土壤的持水能力，显著提高了玉米产量。由于生物炭自身的多孔性，加入土壤后显著提高了土壤的孔隙度，同时生物炭能够吸持中微孔隙中的水分，使土壤接纳更多的降水并保持在根区。

提高 WUE 是旱地农业持续稳定发展的关键。覆膜通过降低土壤的无效蒸发，提高植物蒸腾量，促进产量提高。Qin 等[30]的研究表明沟垄种植下的全覆膜与对照相比，农田蒸发蒸腾量没有显著增加，但产量提高了 86.8%， WUE 提高了 83.9%。Zhao 等[31]比较了覆膜与传统平作下的土壤耗水量、产量和 WUE 的差异，结果表明全覆膜的农田耗水量比对照高 18.7%，产量比对照高 57.4～78.2%， WUE 比对照高 56.8～70.3%。Xiao 等[29]的研究表明施炭在较湿润年份能显著提高玉米产量，对农田耗水量无影响，WUE 提高了 9.4%～12.3%。本研究中覆膜条件下的农田耗水量仅比对照高 7.9%，但产量却高出 49.2%，从而使 WUE 显著提高了 38.4%；生物炭条件下农田耗水量与对照相当，产量提高了 28%，从而 WUE 提高了 38.4%。覆膜条件下施炭结合了两者优点，农田耗水量、产量和WUE 均与覆膜处理无显著差异，需要进一步验证。

3.3 覆膜和施炭对马铃薯产量的影响

Zhang 等[32]对比了覆膜和不覆膜条件下的光热条件和马铃薯的生长状况，结果表明覆膜处理获得的太阳辐射量要明显大于不覆膜处理，而热通量则相反，覆膜显著增大了马铃薯的株高和大薯的质量。Qin 等[30]对比分析了 6 种沟垄和覆膜方式，结果表明沟垄全覆种植下马铃薯的产量、WUE、地上部生物量和相对生长速率均较高， 其中大薯和中薯的比例明显增加，单株结薯数和结薯质量也显著提高。Jia 等 [33]的研究表明覆膜可以显著增加马铃薯的产量，尤其是增加了大薯（>300 g）所占的比例。赵爱琴等[25]综合分析了中国马铃薯地膜覆盖试验，结果表明地膜在年降水量<500 mm 和年均温<10 ℃的区域增产效应最明显，相对增产率在 40%左右。本研究区年降

第 15 期 李正鹏等：覆膜与生物炭对青藏高原马铃薯水分利用效率和产量的影响 147

水量为 400 mm，年均气温为 7 ℃，昼夜温差大，覆膜增产率达 49%。

生物炭能显著增加作物产量，尤其在干旱和土壤结构差的土壤上，但其增产效益因土壤、作物和生物炭本身的性质存在很大的变异[34]。王贺东等[35]比较了不同生物炭添加量对马铃薯产量和土壤的影响，结果表明生物炭施用量为 20 t/hm2 时显著提高了马铃薯总产量和商品薯率，增产率 41.08%。Liu 等[17]的研究结果表明当土壤的 C/N<9.0 时，生物炭的增产效果最大，生物炭添加使马铃薯产量平均增加 19%。Jin 等[36]通过 5 a 的油菜-红薯轮作试验表明，施炭能显著提高红薯和油菜的产量，对结实在地下的作物影响更大。Jay 等[37]的研究表明生物炭提高了土壤 pH 值和 K、Mg 等养分含量，但是对于大麦、草莓和马铃薯的产量影响较小。Crane-Droesch 等[38]通过总结前人研究发现，生物炭的施用效果受土壤肥力的影响，当阳离子交换能力（Cation Exchangeable Capacity， CEC）<15 cmol/kg、SOC<15 g/kg 时，其增产效果较好。本研究中耕层 0～20 cm 土壤的CEC 为 11 cmol/kg，SOC为 10.6 g/kg，施炭显著提高了马铃薯产量，比对照高28%。

4 结 论

本研究主要探究了在青藏高原东部农业区覆膜和施生物炭对马铃薯生长的影响，分析了植株干物质量积累 和分配、水分利用、产量构成和经济效益等，所得结论 如下：

1） 块茎膨大期和淀粉积累期是植株干物质量增加的 主要时期。覆膜在作物生长早期（块茎膨大期）即有显 著的促进效果，生物炭仅在作物生长后期（淀粉积累末 期和成熟期）促进效果显著。

2） 覆膜和施炭均能显著提高马铃薯植株收获期干物 质量，覆膜下的植株总干物质量是施炭下的 1.4 倍。施炭能显著提高根干物质量，但覆膜对根干物质量无显著影响。

3） 马铃薯苗期耗水量最高，其次是块茎膨大期。马铃薯耗水强度在块茎膨大期以前日均耗水量在 3 mm/d 以上。苗期和成熟期，施炭处理下的耗水量、耗水模系数 和耗水强度均最低。

4） 覆膜显著增加了作物总耗水量和土壤贮水量消耗，比对照多耗水 35 mm，施炭对其无显著影响。施炭和覆膜均显著提高了水分利用效率，施炭、覆膜、施炭+ 覆膜分别比对照提高 28.3%、38.4%和 47.8%。

5） 施炭和覆膜均能显著提高马铃薯块茎产量，覆膜的主效应是施炭的 2.2 倍。覆膜处理显著增加了大薯的数量和产量，施炭和覆膜对中、小薯的数量和产量均无显 著影响。

6） 覆膜下的净收益是对照的 5 倍多，而施炭下的净收益仅为对照的 74%，生物炭的投入是地膜的 26.6 倍， 价格昂贵是限制其大面积应用的主要因素。从增产、提 高水分利用效率来看，覆膜仍然是青藏高原马铃薯生产 的最好选择。

[参 考 文 献]

[1] 于东平，张鑫，何毅，等. 青海省东部高原农业区参考作物蒸散量的时空变化[J]. 农业工程学报，2012，28(2)： 66-71.

Yu Dongping, Zhang Xin, He Yi, et al. Temporal-spatial variations of reference crop evapotranspiration in eastern plateau agricultural region of Qinghai province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 66-71. (in Chinese with English abstract)

[2] 贾豪，郭恒，王舰. 氮、磷、钾肥配施对马铃薯肥料利用率及产量的影响[J]. 河南农业科学，2018，47(2)：32-36. Jia Hao, Guo Heng, Wang Jian. Effect of combined application of nitrogen, phosphorus, potassium fertilizers on fertilizers utilization and yield of potato[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2018, 47(2): 32-36. (in Chinese with English abstract)

[3] 李强. 西北地区马铃薯产量—气候变化关系分析及高产高效栽培技术研究[D]. 杨凌：中国科学院大学，2018.

Li Qiang. Potato Yield-Climate Change Relationship in Northwest China and Research on High Yield and High Efficiency Cultivation[D]. Yangling: University of Chinese Academy of Sciences, 2018. (in Chinese with English abstract)

[4] Qin S, Yeboah S, Wang D, et al. Effects of ridge‐furrow and plastic mulching planting patterns on microflora and potato tuber yield in continuous cropping soil[J]. Soil Use and Management, 2016, 32(3): 465-473.

[5] Chen Y, Chai S, Tian H, et al. Straw strips mulch on furrows improves water use efficiency and yield of potato in a rainfed semiarid area[J]. Agricultural Water Management, 2019, 211: 142-151.

[6] Steinmetz Z, Wollmann C, Schaefer M, et al. Plastic mulching in agriculture. Trading short-term agronomic benefits for long-term soil degradation?[J]. Science of the Total Environment, 2016, 550: 690-705.

[7] 陈占全，李月梅，孙小凤，等. 青海省耕地质量现状分析及平衡施肥建议[J]. 青海农林科技，2008(2)：32-36，64. Chen Zhanquan, Li Yuemei, Sun Xiaofeng, et al. Analysis on status of cultivated land quality qinghai and balanced fertilization suggestion[J]. Science and Technology of Qinghai Agriculture and Forestry, 2008(2): 32-36, 64. (in Chinese with English abstract)

[8] 武玉，徐刚，吕迎春，等. 生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J]. 地球科学进展，2014，29(1)：68-79.

Wu Yu, Xu Gang, Lü Yingchun, et al. Effects of biochar amendment on soil physical and chemical properties: Current status and knowledge gaps[J]. Advances in Earth Science, 2014, 29(1): 68-79. (in Chinese with English abstract)

[9] Purakayastha T, Bera T, Bhaduri D, et al. A review on biochar modulated soil condition improvements and nutrient dynamics concerning crop yields: Pathways to climate change mitigation and global food security[J]. Chemosphere, 2019, 227: 345-365.

[10] Shi W, Ju Y, Bian R, et al. Biochar bound urea boosts plant growth and reduces nitrogen leaching[J]. Science of The Total Environment, 2020, 701: 134424.

148

农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2020 年

[11] Zhang Y, Cai X, Lv J. Size and dynamics of soil organic carbon stock in cropland of the Eastern Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2016, 222: 125-132.

[12] 李正鹏，宋明丹，冯浩. 不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(18)： 160-167.

Li Zhengpeng, Song Mingdan, Feng Hao. Effects of irrigation and nitrogen application on water consumption and yield of winter wheat in different precipitation years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 160-167. (in Chinese with English abstract).

[13] 钱玉平，田慧慧，程宏波，等. 秸秆覆盖及播种方式对马铃薯耗水特性和产量的影响[J]. 中国生态农业学报：中英文，2020，28(6)：826-834.

Qian Yuping, Tian Huihui, Cheng Hongbo, et al. Effects of straw mulching and sowing methods on water consumption characteristics and yield of potato in arid region of Northwest China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(6): 826-834. (in Chinese with English abstract)

[14] 余坤，冯浩，李正鹏，等. 秸秆还田对农田土壤水分与冬小麦耗水特征的影响[J]. 农业机械学报，2014，45(10)： 116-123.

Yu Kun, Feng Hao, Li Zhengpeng, et al. Effects of different pretreated straw on soil water content and water consumption characteristics of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 116-123. (in Chinese with English abstract)

[15] 申建波，毛达如. 植物营养研究方法[M]. 北京：中国农业大学出版社，2011：51-54.

[16] 田丰，卢九斤，盛海彦，等. 不同缓释肥用量对全膜马铃薯产量和品质的影响[J]. 青海大学学报，2017，35(4)： 61-65.

Tian Feng, Lu Jiujin, Sheng Haiyan, et al. Influence different slow release fertilizers on the yield and quality of potato[J]. Journal of Qinghai University, 2017, 35(4): 61-65. (in Chinese with English abstract)

[17] Liu Xiaoyu, Zhang Afeng, Ji Chunyin, et al. Biochar's effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions: A meta-analysis of literature data[J]. Plant and Soil, 2013, 373(1/2):583-594.

[18] Ma S C, Li F M, Xu B C, et al. Effect of lowering the root/shoot ratio by pruning roots on water use efficiency and grain yield of winter wheat[J]. Field Crops Research, 2010, 115(2): 158-164.

[19] Eldoma I M, Li M, Zhang F, et al. Alternate or equal ridge-furrow pattern: Which is better for maize production in the rain-fed semi-arid Loess Plateau of China?[J]. Field Crops Research, 2016: S0378429016300508

[20] Wang L, Li X, Guan Z, et al. The effects of plastic-film mulch on the grain yield and root biomass of maize vary with cultivar in a cold semiarid environment[J]. Field Crops Research, 2018, 216(18): 89-99.

[21] 胥生荣，张恩和，马瑞丽，等. 不同覆盖措施对枸杞根系生长和土壤环境的影响[J]. 中国生态农业学报，2018，

26(12)：1802-1810.

Xu Shengrong, Zhang Enhe, Ma Ruili, et al. Effects of mulching patterns on root growth and soil environment of Lycium barbarum[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1802-1810. (in Chinese with English abstract)

[22] 赵琳，范亚宁，李世清，等.施氮和不同栽培模式对半湿润农田生态系统冬小麦根系特征的影响[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2007，35(11)：65-70.

Zhao Lin, Fan Yaning, Li Shiqing, et al. Effects of nitrogen fertilizer and planting modes on root characteristic of winter wheat in sub-humid farmland ecological system[J]. Journal of Northwest A&F University: Nat Sci Ed, 2007, 35(11): 65-70. (in Chinese with English abstract)

[23] Xiang Y, Deng Q, Duan H, et al. Effects of biochar application on root traits: A meta-analysis[J]. GCB Bioenergy, 2017, 9(10): 1563-1572.

[24] Bruun E W, Petersen C T, Hansen E, et al. Biochar amendment to coarse sandy subsoil improves root growth and increases water retention[J]. Soil Use & Management, 2014, 30(1): 109-118.

[25] 赵爱琴，魏秀菊，朱明. 基于Meta-analysis 的中国马铃薯地膜覆盖产量效应分析[J]. 农业工程学报，2015，31(24)： 1-7.

Zhao Aiqin, Wei Xiuju, Zhu Ming. Meta analysis on impact of plastic film on potato yield in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[26] 张丹，王洪媛，胡万里，等. 地膜厚度对作物产量与土壤环境的影响[J]. 农业环境科学学报，2017，36(2)：293-301. Zhang Dan, Wang Hongyuan, Hu Wanli, et al. Effect of film thickness on crop yield and soil environment[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(2): 293-301. (in Chinese with English abstract)

[27] 文冶强，杨健，尚松浩. 基于双作物系数法的干旱区覆膜农田耗水及水量平衡分析[J]. 农业工程学报，2017，33(1)： 138-147.

Wen Yeqiang, Yang Jian, Shang Songhao. Analysis on evapotranspiration and water balance of cropland with plastic mulch in arid region using dual crop coefficient approach[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 138-147. (in Chinese with English abstract).

[28] Abel S, Peters A, Trinks S, et al. Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water repellency of sandy soil[J]. Geoderma, 2013, 202/203: 183-191.

[29] Xiao Q, Zhu L X, Shen Y F, et al. Sensitivity of soil water retention and availability to biochar addition in rainfed semi-arid farmland during a three-year field experiment[J]. Field Crops Research, 2016, 196: 284-293.

[30] Qin S, Zhang J, Dai H, et al. Effect of ridge-furrow and plastic-mulching planting patterns on yield formation and water movement of potato in a semi-arid area[J]. Agricultural Water Management, 2014, 131: 87-94

[31] Zhao H, Wang R Y, Ma B L, et al. Ridge-furrow with full plastic film mulching improves water use efficiency and

第 15 期 李正鹏等：覆膜与生物炭对青藏高原马铃薯水分利用效率和产量的影响 149

tuber yields of potato in a semiarid rainfed ecosystem[J].

Field Crops Research, 2014, 161: 137-148

[32] Zhang Youliang, Wang Fengxin, Shock C C, et al. Effects of plastic mulch on the radiative and thermal conditions and potato growth under drip irrigation in arid Northwest China[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 172: 1-11.

[33] Jia H, Zhang Y, Tian S, et al. Reserving winter snow for the relief of spring drought by film mulching in northeast China[J]. Field Crops Research, 2017, 209: 58-64.

[34] Yu H, Zou W, Chen J, et al. Biochar amendment improves crop production in problem soils: A review[J]. Journal of Environmental Management, 2019, 232: 8-21

[35] 王贺东，吕泽先，刘成，等. 生物质炭施用对马铃薯产量和品质的影响[J]. 土壤，2017，49(5)：888-892.

Wang Hedong, Lü Zexian, Liu Cheng, et al. Effects of biochar amendment on yield and quality of potato[J]. Soil, 2017, 49(5): 888-892. (in Chinese with English abstract)

[36] Jin Z, Chen C, Chen X, et al. Soil acidity, available phosphorus content, and optimal biochar and nitrogen fertilizer application rates: A five-year field trial in upland red soil, China[J]. Field Crops Research, 2019, 232: 77-87.

[37] Jay C N, Fitzgerald J D, Hipps N A, et al. Why short-term biochar application has no yield benefits: Evidence from three field-grown crops[J]. Soil Use & Management, 2015, 31(2): 241-250.

[38] Crane-Droesch A, Abiven S, Jeffery S, et al. Heterogeneous global crop yield response to biochar: A meta-regression analysis[J]. Environmental Research Letters, 2013, 8(4): 044049.

Effects of film mulching and biochar interaction on yield and water use efficiency of potato in the eastern agricultural area of

Qinghai-Tibetan Plateau

Li Zhengpeng1, Song Mingdan1,2※, Han Mei1, Jiang Fuzhen1, Ye Guangji1

(1. Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Qinghai University, Xining 810016, China;

2. Xining Observation and Experiment Station of National Agricultural Environment, Xining 810016,China)

Abstract: Plastic film mulching has been widely used as an agricultural technology in arid and semiarid regions of northwest China. It is beneficial to soil and micro-environment. Furthermore, it prompts crop growth and water use efficiency. However, continuous plastic mulching may accelerate the decay of soil organic matter, decrease soil microbial diversity, increase soil water repellency and thus destroy the soil ecological environment. Biochar can improve soil physicochemical properties and crop yield and quality, which has been demonstrated by many studies. But its effect varies greatly with soil properties, crop types and biochar characteristics. With biochar’s large specific surface area and strong adsorption capacity, this study attempted to add biochar into soils with plastic film mulching to solve the problem of soil fertility decline and yield reduction caused by plastic film mulching. A field experiment was conducted to explore the interaction of film mulching and biochar application on yield and water use efficiency of potato in the Eastern Agricultural Area of Qinghai-Tibetan Plateau. In 2019, four treatments was designed: biochar application (B), film mulching (M), biochar application and film mulching (M+B) and control (CK). The results showed that plant dry matter accumulation mainly occurred in the tuber bulking and starch accumulation stages. Plant dry matter was improved significantly at early stages by film mulching whereas at late growth stages by the biochar application. Plant dry matters at harvest were increased significantly by both biochar and film mulching, and dry matter under film mulching treatment was 1.4 times as much as that under biochar treatment. Biochar increased root biomass significantly while film mulching had no significant effect on root biomass. Moreover, root to shoot ratio affected by biochar was significantly higher than that by film mulching. Potato consumed most water at the seedling stages, followed by tuber bulking stage, and the water consumption prior to the tuber bulking stage was over 3 mm/d. Water consumption, water consumption proportion, and water consumption intensity at both seedling and maturity stages were all the lowest under biochar treatment. Total water consumption and soil water consumption were significantly improved by film mulching, which was 35 mm higher than the CK, while total water consumption in biochar treatment had no significant difference with control. Both biochar application and film mulching increased water use efficiency (WUE). The WUE values in the B, M and M+B treatments were improved by 28.3%, 38.4% and 47.8% compared to CK, respectively. Both biochar application and film mulching increased potato tuber yield, and film mulching increased the number and yield of big tubers significantly. However, both biochar and film mulching had no significant effect on the number and yield of middle and small tubers. The main effect of film mulching on improving potato yield with and without biochar application, was 2.2 times as much as that of biochar application. The net income of potato production was improved significantly by film mulching but decreased by biochar application mainly due to the high prices of biochar. The study showed that the film mulching was still a good way to increase potato yield and water use efficiency in the Eastern Agricultural Area of Qinghai-Tibetan Plateau.

Keywords: film; biochars; potato; yield; water use efficiency; net income; Qinghai-Tibetan Plateau