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通过优化耕作方式可以改善土壤的物理结构，进而提高作物对水肥的利用效率[1-2]，是增强作物抗旱性、提高生产力和资源利用效率的有效措施[2]。立式深旋耕作，也称为粉垄、深旋松，由小型拖拉机牵引耕作机具，耕作带宽和拖拉机车辙宽分别为70 cm和40 cm，适宜于丘陵区山地旱作梯田的一项新型耕作技术[3-4]，能够显著降低土壤容重、打破犁底层和提高土壤水分供应能力，并使马铃薯叶片SPAD显著增加[5-6]。土壤物理性状的改善能够促进水分和养分运移及其供应能力，进而促进作物的吸收利用[7-9]，目前对立式深旋耕作的水分效应有了明确认识[5-6, 9-11]，但对其养分利用的研究较少报道，而这对认识立式深旋耕作增产机制，并实现养分高效管理有重要意义。粉垄技术最早在甘蔗、山药等种植中使用[3-4]，它集成了旋耕和深松的优点，能够显著降低土壤容重和提高土壤孔隙度，并使耕作深度达到35 cm，打破了犁底层，在华北平原小麦、玉米等作物生产中应用同样具有显著增产效果[9-11]。它对土壤物理性状的改变主要包括以下几个方面：1) 提高土壤有效水分，我们在西北黄土高原旱作区的研究证明，立式深旋耕作分别较深松耕和旋耕能够显著提高马铃薯播前0—40 cm土层的土壤有效水含量，34.3%～136.9%和44.6%～75.2%，这对抵御季节性干旱胁迫有重要作用[12]。Zhai等[11]在黄淮海平原的玉米上也取得相似结果。2) 能够提高土壤温度，李华等[9]在东北春玉米上的研究证明，深旋松耕作提高了土壤温度。这对促进寒区的作物生长有重要贡献；3) 基于优化的土壤水热环境，深旋松耕作促进了作物根系发育，玉米根长在覆膜条件下较传统旋耕增加了10.9%～13.5%，露地条件下增加了3.7%～–5.7%，根体积和根重均有显著增加，分别较旋耕和深松增产20.8%～23.0%和12.1%～14.1%[9-10]。因此，立式深旋耕作通过改善土壤物理性状，优化和水热环境和促进作物根系生长，而土壤水热环境的改善会促进土壤养分的迁移，这一点在深松耕作条件下已被证实[13]。综上所述，立式深旋耕作能显著改善土壤水热状况，并促进作物根系生长，这必将对土壤水分和养分分布、以及作物的吸收利用产生重要影响。本研究以马铃薯为研究对象，在西北黄土高原旱作区研究了立式深旋耕作对马铃薯水分和养分利用效率的影响，为优选该区马铃薯养分管理和水肥协同的耕作技术提供依据。
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试验于2016—2018年在甘肃省农业科学院定西试验站 (甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村，104°36′ E，35°35′ N) 进行。该区位于典型的西北黄土高原半干旱区，年降水415 mm，年蒸发量1500 mm，春季低温干旱、秋季多雨，7—9月份降雨占全年降水的65%；该区域海拔高度为1970 m，属中温带半干旱气候，寒旱特征明显，作物一年一熟，多年平均气温6.2℃，≥ 10℃积温2075.1℃，无霜期140 天；区域内光照充足，年辐射总量5898 MJ/m2，年日照时数2500 h。试验区土壤为黄绵土，土层深厚，0—30 cm土层平均容重1.25 g/cm3，田间持水量为21.18%，凋萎系数为7.2%，土壤有机质含量不足10 g/kg，全氮、全磷、全钾含量为1.16、0.73和17.28 g/kg，铵态氮、硝态氮、有效磷、速效钾含量分别为4.8、0.8、8.66和121 mg/kg。
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试验采用随机区组设计，设置传统旋耕 (traditional rotary tillage，TT)、深松耕 (sub-soil tillage，SS) 和立式深旋耕作 (vertically rotary sub-soiling tillage，VRT) 3个处理，TT、SS和VRT均在3月中旬机械耕作，耕深分别为15、40、40 cm。耕作后即施肥、起垄和覆盖地膜。每处理3次重复，小区面积60 m2 (6 m × 10 m) =。马铃薯采用全膜覆盖垄上微沟种植方法 (图1)，带宽为100 cm、垄宽为60 cm、沟宽为40 cm，在垄上开微沟，微沟宽度为20 cm，微沟内每50 cm打孔以入渗降水。马铃薯在垄顶部按“品”字形种植，种植密度60000穴/hm2，每穴播种一个种薯薯块，薯块重量为50 g左右，一般3～5个芽眼，定植一株。施纯N、P2O5、K2O分别为150、90、60 kg/hm2，其中氮肥 (尿素) 按照基追比6∶4在始花期追肥，磷肥和钾肥全部基施；基肥在覆膜前条施于垄底，追肥用鸭嘴追肥器穴施于垄上微沟5～8 cm深处。2016和2017年均在4月20日播种，2018年在4月18日播种；2016年9月上旬收获，2017和2018年均在10月上旬收获。
图 1 马铃薯全膜覆盖垄上微沟种植技术示意图
Figure 1. Schematic diagram of potato micro-furrows on ridges and planting with plastic mulching
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2016年马铃薯生育期内降水量为179.3 mm，全年降水量为289.3 mm，分别占多年平均的68.7 %和55.2 %，属严重干旱年份；平均气温为7.5℃，较多年平均气温增加了1.3℃。2017年马铃薯生育期内降水量为353.5 mm，全年降水量为430.3 mm，属于平水年；2017年气温与多年平均温度基本持平。2018年马铃薯生育期降雨量为441.8 mm，全年降雨量为533.3 mm，为丰水年；年均气温为6.9℃，略低于多年平均温度。2016和2017年均在马铃薯盛花期发生持续干旱，季节分配不均 (图2)。
图 2 2016—2018试验区降水分布和平均气温变化
Figure 2. Precipitation and average air temperature in test areas from 2016 to 2018
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土壤含水量测定及计算方法，在马铃薯播期、盛花期和收获期用土钻法采集土样，用环刀法测定土壤容重，用烘干法测定0—200 cm土层土壤含水量，每20 cm为一个层次，在每小区在微沟内的马铃薯株间测定一个位点。
$ {\text{土壤贮水量}}\left( {{\rm{SWS}},{\rm{mm}}} \right) = {\rm{ WS }} \times {\rm{ \gamma }} \times {\rm{ d }}/100 $ 式中：WS为土壤重量含水量 (g/kg)；γ为土壤容重 (g/cm3)；d为土壤深度 (cm)。
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土壤样品分别在马铃薯播前、花期和收获后采集，其中播前和花期样品分别在施肥后和追肥前采集。参照土壤理化分析的方法，每小区选择三个样点，分别在微沟0—10、10—20、20—40、40—70、70—100 cm分层采集土壤样品，将土壤样品风干后过830 μm筛混合均匀，用于测定土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量。土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷用Olsen法测定，速效钾用醋酸铵浸提—火焰光度法测定[15]。
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参考Wang等[15]的方法，按照公式 (2) 计算土壤碱解氮、有效磷和速效钾储量：
$ES = \sum\limits_{{\rm{i}} = 1}^k {{\rho _i}{p_i}} {d_i}s/1000$ 式中：ES为养分储量，k为土层，ρi为土壤容重 (kg/m3)，Pi为第i层的养分含量 (g/kg)，di为第i层的土层厚度 (m)，s为面积，本公式中按照1公顷计算 (10000 m2)。
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马铃薯盛花期，在晴天10:00用SPAD-502 PLUS (日本，柯尼卡美能达) 测定叶片SPAD值，选择倒二枝的顶叶为测定对象，每个叶片避开叶脉自上而下测定3次，每小区选择10个叶片。在马铃薯苗期、现蕾期、始花期、盛花期和块茎膨大期，在晴天10:00用美国CID公司生产的CI-110植物冠层数字图像分析仪测定叶面积指数 (LAI)，每小区测定3次，计算其平均数为小区LAI。
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测定马铃薯播前和收获后0—200 cm土层的土壤含水量。
$ \begin{split} & {\text{马铃薯水分利用效率}}[{\rm{WUE}},{\rm{kg}}/({\rm{hm}}^2 \cdot {\rm{mm}})]=\\ &\quad {\text{块茎产量}}({\rm{kg}}/{\rm{hm}}^2)/{\rm{ET}}({\rm{mm}}) \end{split} $ 式中：块茎产量由小区实际测定产量换算得出。
$ \begin{split} {\text{土壤蒸散量}}({\rm{ET}},{\rm{mm}})=& {\text{播前土壤贮水量}}-\\ & {\text{收获后土壤贮水量}}+{\text{降水量}} \end{split} $ $ \begin{split} &{\text{土壤养分利用效率}}({\rm{NUE}},{\rm{kg/kg}})= {\text{块茎产量}}/\\ & {\text{土壤养分消耗量}} \times 100 \end{split} $ $ {\text{土壤养分消耗量}}({\rm{kg}}/{\rm{hm}}^2)=E{S_{\rm{i}}} - E{S_{{\rm{i}} + 1}} + {\rm{ d}} $ 式中：ESi为某一生长阶段开始时的养分储量；ESi + 1为某一生长阶段结束时的养分储量。本试验中，分别为播前、花期和收获期。d 为追肥量，即N 4 kg/hm2。
$ {\text{化肥偏生产力}}({\rm{PFP}},{\rm{kg/kg}})={\rm{Y}}/{\rm{F}} $ 式中：Y为马铃薯单位面积产量 (kg/hm2)；F为化肥施用量 (kg/hm2)。
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采用DPS数据处理软件对数据进行ANOVA方差分析，并用LSD法进行多重比较。
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在2016年干旱年，采用立式深旋耕作 (VRT)，马铃薯播前0—40 cm土层的贮水量较深松 (SS) 和传统旋耕 (TT) 显著提高 (图3)，但花期40—120 cm土层的贮水量则分别下降了44.6和40.2 mm，收获期在100—200 cm土层的贮水量较SS和TT耕作方式分别下降了52.9和51.7 mm；TT耕作方式的贮水量在收获期低于SS耕作方式，在40—120 cm土层下降了27.0 mm，差异显著。2017年为平水年，马铃薯播前VRT耕作方式在0—20 cm土层的贮水量显著低于TT耕作方式，但在40—120 cm土层的贮水量提高了39.2 mm，达到显著差异 (图3)；花期VRT耕作方式在0—120 cm土层的贮水量较TT耕作方式降低了27.1 mm，和SS耕作方式之间差异不明显；收获期VRT耕作方式在0—40 cm土层的贮水量较TT耕作方式下降了16.4 mm，达到显著差异。2018年播前，VRT和SS耕作方式在各土层的土壤贮水量无显著差异，但二者在160—200 cm土层低于TT耕作方式 (图3)。2016、2017和2018年VRT耕作方式在0—200 cm土层的土壤贮水量分别为367.0、339.1和378.3 mm，SS耕作方式分别为362.5、321.3和375.0 mm，TT耕作方式分别为356.7、330.1和389.4 mm。表明处理间播前土壤贮水量在不同年份变化明显，2017年最低，2018年最高。
图 3 不同耕作方式0—200 cm土层剖面贮水量
Figure 3. Water storage in different soil profile in 0-200 cm depths of soil under different tillage methods
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在播前，VRT耕作方式较SS和TT耕作方式均能提高0—40 cm土层的碱解氮含量，其中2016年分别提高4.4%～27.8%和8.4%～23.7%，较SS和TT耕作方式的碱解氮含量在10—20 cm土层达到显著差异 (图4a)；2017年较SS和TT耕作方式的碱解氮含量则增加了14.9%～35.9%和17.7%～30.6%，均达到显著差异 (图4d)；2018年较SS和TT耕作方式的碱解氮含量分别增加了9.5— 14.3%和12.9—15.0%，均达到显著差异 (图4g)。在花期，2016年VRT耕作方式10—20 cm土层的碱解氮含量显著高于SS和TT耕作方式，分别增加了18.0%和18.2%，但在20—100 cm土层低于SS和TT耕作方式，并在20—40 cm土层差异显著 (图4b)；2017年同样，VRT耕作方式在10—20 cm土层显著高于SS和TT耕作方式，分别增加了36.9和21.8%，但在70—100 cm土层明显降低 (图4e)；2018年VRT耕作方式在10—20 cm土层分别较SS和TT耕作方式提高了13.5%和17.9%，但其它土层无显著差异 (图4h)。收获期VRT耕作方式在0—40 cm土层碱解氮含量高于SS和TT耕作方式，但在40—100 cm则呈下降趋势 (图4c，f，i)，尤其在丰水年3个处理间无显著差异。
图 4 不同耕作方式0—100 cm土层土壤碱解氮含量
Figure 4. Available nitrogen contents in 0−100 cm depths of soil under different tillage methods
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2016年，播前VRT土壤有效磷含量在10—40 cm土层高于SS和TT，并在20—40 cm土层显著增加了32.2和56.7% (图5)；2017年在10—20 cm、20—40 cm土层较TT增加了24.8和26.9%，2018年相应地增加了14.9和27.2%，均达到显著差异。花期则在40—70 cm和70—100 cm土层高于SS和TT，其中2016年在40—70 cm较TT增加了23.1%，2017年则较SS和TT分别增加了25.3和27.9%，2018年相应地增加了22.2和31.6%，3年在0—40 cm土层的有效磷含量低于SS和TT。2016年收获期在0—20 cm显著高于TT，但在40—70 cm和70—100 cm土层显著低于SS和TT；2017年则在20—40，40—70，70—100 cm均低于SS和TT，2018年VRT和SS在40—100 cm土层均低于TT，3个处理在0—40 cm土层无显著差异。
图 5 不同耕作方式0—100 cm土层土壤有效磷含量
Figure 5. The soil available phosphorous content in different soil profile in 0−100 depths of different tillage methods
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3种耕作方式的土壤速效钾在播前差异不明显，但2018年VRT耕作方式较SS和TT耕作方式显著增加 (图6)。在花期，2016年3个处理的速效钾含量在各层均无显著差异，2017年在10—20 cm土层，VRT耕作方式较TT耕作方式增加了18.0% (图6)，其它层次之间无显著差异，且与SS耕作方式在各层次之间无显著差异；2018年VRT耕作方式在10—20 cm土层较SS和TT耕作方式分别显著增加了20.1%和24.6%，但3个处理在其余土层无显著差异 (图6)。收获期，2016和2018年3个处理在各层次的速效钾含量无显著差异 (图6c，i)，但在2017年，VRT耕作方式在10—20 cm土层的速效钾含量分别较SS和TT耕作方式增加了24.5%和22.0%，达到显著差异水平，但在其它土层无显著差异。
图 6 不同耕作方式0—100 cm土层土壤速效钾含量
Figure 6. The soil available potassium content in different soil profile in 0−100 depths of different tillage methods
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图7显示，在2016年干旱年，VRT耕作方式马铃薯花前耗水量较分别SS和TT耕作方式增加了40.2和35.3 mm，花后增加了34.5和22.4 mm，均达到显著差异 (P < 0.05)；2017年，VRT耕作方式马铃薯花前耗水量分别较SS和TT耕作方式增加25.2和39.8 mm，2018年分别增加了35.2和46.4 mm (P < 0.05)，但两年花后耗水量与SS和TT耕作方式差异不显著。
图 7 不同耕作方式马铃薯花前花后水分和养分消耗的影响
Figure 7. Effects of different tillage methods on water and nutrient consumption in pre- and post-flowering period of potato
在2016年，VRT耕作方式花前花后碱解氮消耗量均显著高于SS和TT耕作方式，花前分别增加了38.7、25.9 kg/hm2，花后分别增加了22.9、12.9 kg/hm2，TT耕作方式花前和花后碱解氮消耗量又显著高于SS耕作方式；2017和2018年VRT耕作方式马铃薯花前碱解氮消耗量较TT和SS显耕作方式著增加，但花后差异不显著。
VRT耕作方式土壤有效磷消耗量在2016年的花前显著高于SS和TT耕作方式，分别增加了26.7和20.1 kg/hm2，TT耕作方式又显著高于SS耕作方式；VRT和TT耕作方式的花后有效磷消耗量无显著差异，但均显著高于SS耕作方式。2017年VRT耕作方式的花前有效磷消耗量与SS耕作方式无显著差异，但较TT耕作方式显著增加了20.1 kg/hm2；VRT耕作方式的花后有效磷消耗量显著高于SS和TT耕作方式，分别增加加了7.0和10.8 kg/hm2。2018年VRT耕作方式的花前有效磷消耗量与SS耕作方式无显著差异，但显著高于TT耕作方式；花后有效磷消耗量分别较SS和TT耕作方式显著增加了13.0和17.5 kg/hm2。
2016年花前速效钾消耗量在3个处理间无显著差异，但花后速效钾消耗量VRT耕作方式显著高于SS和TT耕作方式，分别增加了19.0和14.3 kg/hm2，TT耕作方式又显著高于SS耕作方式。2017年VRT耕作方式在花前和花后的速效钾消耗量均显著高于SS和TT耕作方式，2017年分别增加了7.5、9.1 kg/hm2，2018年分别增加8.9、7.4 kg/hm2。2018年VRT耕作方式在花前的速效钾消耗量分别较SS和TT耕作方式增加了35.2和46.4 kg/hm2，但花后3个处理间无显著差异。
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2016年VRT耕作方式花期的SPAD值高于SS和TT耕作方式，增加了26.0和38.9%，并与TT耕作方式达到显著差异；2017年则分别增加了4.5%和21.4%，但处理间差异不明显 (图8)；2018年分别增加了6.0%和32.0%，VRT耕作方式和TT耕作方式间差异显著。3年VRT耕作方式的叶面积指数均显著高于SS和TT耕作方式，分别增加了19.8%和25.6%、10.1%和14.5%、10.6%和19.3%，但SS和TT耕作方式之间无显著差异。这一结果表明在干旱年VRT耕作方式的水分和养分消耗能够同时促进单株和群体发育，而在平水年则重点用于群体发育。
图 8 不同耕作方式对马铃薯花期SPAD值和叶面积指数的影响
Figure 8. Effects of different tillage methods on SPAD value and leaf area index in flowering stage of potato
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马铃薯在平水年的产量和水分养分利用效率均高于干旱年，且VRT耕作方式的增加幅度在干旱年高于平水年 (表1)。VRT耕作方式显著提高了马铃薯块茎产量，2016、2017和2018年VRT耕作方式的块茎产量分别较SS和TT耕作方式增加了156.8%和47.8%、24.8%和41.0%、19.6%和27.5%。VRT耕作方式的WUE显著高于SS和TT耕作方式，2016、2017和2018年分别增加了92.3%和19.2%、18.9%和26.6%、12.9%和13.0%。
表 1 不同耕作方式对马铃薯产量、水分和养分利用效率的影响
Table 1. Effects of tillage methods on tuber yield，water and nutrient use efficiency of potato
年份
Year耕作方式
Tillage method产量
Yield
(kg/hm2)水分利用效率
WUE
[kg/ (hm2∙mm)]养分利用效率Nutrient use efficiency (kg/kg) N P K 2016 深旋松VRT 32897.3 a 110.5 a 196.3 a 277.6 a 273.5 a 深松SS 12812.3 c 57.4 c 120.9 c 147.0 c 132.6 c 旋耕TT 22253.3 b 92.7 b 172.8 b 224.9 b 217.1 b 2017 深旋松VRT 42833.3 a 124.5 a 226.8 a 352.6 a 338.5 a 深松SS 34333.3 b 104.7 ab 200.4 b 309.9 b 310.7 b 旋耕TT 30388.9 b 98.3 b 188.2 b 308.5 b 276.0 c 2018 深旋松VRT 43714.3 a 112.3 a 223.9 a 320.2 a 300.7 a 深松SS 36557.5 b 99.5 b 206.0 b 307.0 a 293.1 ab 旋耕TT 34285.7 b 99.4 b 207.0 b 312.3 a 287.5 b 注（Note）：VRT—立式深旋耕作 Vertically rotary sub-soiling, SS—深松耕作 Sub-soiling; TT—传统旋耕 Traditional rotary tillage; 同列数据后不同小写字母表示相同年份不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters mean significant differences among in same year at 0.05 level. VRT耕作方式的碱解氮利用效率在2016、2017和2018分别较SS和TT耕作方式提高了60.1%和12.8%、12.9%和20.0%、8.5%和7.8%；有效磷利用效率在2016和2017分别提高了88.8%和23.4%、13.8%和14.3%，但2018年3个处理间差异不显著。VRT耕作方式的速效钾利用效率在2016年较SS和TT耕作方式增加了106.2%和26.0%，2017年分别提高8.9%、22.6%，2018年3个处理间无显著差异。SS耕作方式的速效钾利用效率在2016年显著低于TT耕作方式，而2017年则显著较高。
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耕作改变了土壤的物理性状，这将对水分和养分运移产生直接作用[6, 10]。不同耕作方式对土壤水分入渗效果不同，这将影响水分的垂直分布[12, 17]；养分在土壤中的运移一方面受浓度梯度的影响，另一方面受水分运移的作用[18-20]。虽然VRT和SS耕作方式均能够打破犁底层，促进水分向下入渗[3-5, 10-12]；但与SS耕作方式相比，VRT耕作方式使0—40 cm土层的土壤容重明显下降、土壤孔隙度和毛管含水量显著上升[5-6]，这将优化土壤水分养分的垂直分布和促进作物根系发育，提高对土壤水分和养分的吸收利用[9-10]。本研究表明，在马铃薯播前，VRT耕作方式较SS和TT耕作方式能够提高2016年0—60 cm、2017年20—80 cm土层的土壤贮水量，相应地增加了0—40 cm和0—70 cm土层的土壤碱解氮含量，并在0—40 cm土层达到显著差异，其中2016年干旱年分别增加了4.4%～27.8%和8.4%～23.7%；速效磷和速效钾有相似的变化趋势。2018年3个处理的土壤贮水量在0—160 cm土层无显著差异，但VRT耕作方式的碱解氮磷钾含量在0—40 cm土层高于SS和TT耕作方式，表明立式深旋能够促进速效养分的垂直运移。
在盛花期，VRT耕作方式在0—100 cm土层的碱解氮含量低于SS和TT耕作方式，但速效磷含量在40—100 cm土层高于SS和TT耕作方式，并且2017和2018年的40—70 cm土层达到显著差异。除2018年VRT耕作方式在10—20 cm土层速效钾含量显著高于SS和TT耕作方式外，其余年份各土层的速效钾含量无显著差异。在收获期，2016年VRT耕作方式的40—100 cm土层土壤碱解氮含量显著低于SS和TT耕作方式，但2017年0—40 cm土层高于SS和TT耕作方式，2018年3个处理间无显著差异；2016年VRT耕作方式速效磷含量在0—20 cm土层高于SS和TT耕作方式，但在40—100 cm土层则相对较低，2017和2018年有相似的趋势，同样证明VRT耕作方式能够促进马铃薯对深层土壤速效磷的吸收利用；土壤速效钾含量在0—20 cm土层较SS和TT耕作方式呈一定增加趋势，但在40—100 cm无显著差异。以上结果表明，VRT耕作方式通过提高马铃薯播前土壤贮水量和深层碱解氮和速效磷含量，促进马铃薯对养分吸收利用而降低花期的深层 (40—70 cm) 土壤养分含量，并在平水年活化了浅层 (0—20 cm) 土壤养分。
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立式深旋耕作能显著降低土壤容重[6, 11-12]，提高作物根系长度和根重[10]，增加地上生物量[3-4, 10-13]，这必将促进作物对土壤水分养分的吸收利用。另外，与SS耕作方式相比，VRT耕作方式在马铃薯播前的土壤有效水含量明显增加，特别是在干旱季，花前马铃薯的耗水量显著升高，证明VRT耕作方式能为马铃薯提供更多的有效水分和养分[5-6]。本试验中，VRT耕作方式促进了马铃薯耗水，且在干旱年份花前花后耗水均显著高于SS和TT耕作方式，平水年和丰水年促进了花前耗水，但对花后耗水无显著影响；土壤碱解氮、速效磷、速效钾消耗量有相似的趋势，而且变化幅度在干旱年更为明显。这一结果表明，VRT耕作方式不仅优化了土壤水分养分在空间的分布，而且显著增加了水分和养分消耗量，这对提高马铃薯抗旱性和资源利用效率有积极作用。另外，从养分剖面分布特点和消耗量可以看出，VRT耕作方式虽然促进了速效养分的垂直运移，但收获期深层速效养分含量较低，表明VRT耕作方式能够促进作物随土壤深层养分的吸收利用，这对降低碱解氮的渗漏有积极作用，可协同实现生产力提升和土壤生态保护。
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VRT耕作方式优化了土壤剖面的水分养分在分布，促进马铃薯冠层发育，这为促进水分和养分的利用奠定了基础。本试验结果表明，干旱年VRT耕作方式马铃薯花期的SPAD值较SS和TT耕作方式分别增加了26.0%和38.9%，而且叶面积指数在两年均显著高于SS和TT耕作方式，分别增加了19.8%、25.6%和10.1%、14.5%，表明VRT耕作方式较SS和TT耕作方式吸收了较多的土壤养分，促进个体和群体发育，这与在其它作物的研究结果一致[3-4, 10-13]。相应地，VRT耕作方式显著提高马铃薯的水分和养分利用效率，且在干旱年份的增加幅度更大，WUE在干旱年份较SS耕作方式提高了92.3%，而平水年则为18.9%和12.9%；VRT耕作方式的碱解氮利用效率在干旱年 (2016)、平水年 (2017) 和丰水年 (2018) 年较SS耕作方式提高了60.1%、12.8%、8.5%，有效磷利用效率依次提高了88.8%、13.8%、4.3%，速效钾分别为106.2%、8.9%、2.6%，呈现出随降雨量增加养分利用效率增加幅度递减的结果，说明VRT耕作方式首先通过优化土壤水分状况来提高作物的养分利用效率。基于较高的个体群体发育和水分养分利用效率，VRT耕作方式显著提高了马铃薯产量，2016、2017和2018年VRT耕作方式的块茎产量分别较SS和TT耕作方式增加了156.8%和47.8%、24.8%和41.0%、19.6%和27.5%，在干旱年份的增加幅度更大。以上结果表明，VRT%能够优化土壤水分养分分布，这对马铃薯的吸收利用有积极作用，显著提高个体和群体发育，增加马铃薯的水分养分利用效率，使得产量显著增加，且这一效果在干旱年份更为显著。
综上所述，由于VRT耕作方式能够打破犁底层、增加孔隙度等来改变土壤物理性状，促使水分和养分在土壤中的垂直运移，这对促进作物的水分养分的吸收有积极意义。但在旱作条件下，土壤水分迁移的直接动力来自于自然降水，耕作方式的改变能够增强这一作用，进而调节养分在土壤中的分布。虽然SS耕作方式同样能够打破犁底层，但VRT耕作方式能够明显改善土壤的物理性状，使土壤容重明显下降，孔隙度、毛管含水量、土壤有效含水量等显著增加[5-6, 9-12]，提高作物根系生物量[10]，并提高马铃薯SPAD和LAI；另外，2016年VRT耕作方式在播前0—200 cm土层的土壤贮水量为356.7～367.0 mm，2018年收获后为430.3 ～486.7 mm，增加了63.3～130.0 mm，改善了土壤的水分状况。因此，采用VRT耕作技术不会造成土壤水分失衡，在旱作区要更进一步地实现水分养分资源高效利用，将需要结合降水规律，量化分析养分在土壤中的入渗速率以及养分迁移规律，进而确定相对精确的施肥量、施肥时期和施肥深度，为未来发展旱作精准农业提供科学依据。
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立式深旋耕作提高了干旱和平水年马铃薯播前0—120 cm土层土壤含水量和0—40 cm土层碱解氮、0—70 cm土层的有效磷含量，与深松和常规耕作相比，可为马铃薯花前和花后期提供更多的水分和养分，在干旱年和平水年提供水肥供应的效果更高更持久，从而显著提高马铃薯的叶片SPAD值和叶面积指数，显著增加马铃薯的水分和养分利用效率，增产效应明显，而且这一效果在干旱年份尤为突出。因此，立式深旋耕作能够优化土壤水分养分环境，增强马铃薯的抗旱性，可在西北黄土高原半干旱区马铃薯生产中大面积推广应用。
立式深旋耕作对西北半干旱区马铃薯水肥利用和产量的影响
Effects of vertically rotary sub-soiling on nutrient and water utilization and tuber yield of potato on semi-arid area of northwest China
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摘要:
【目的】 立式深旋耕作能提高土壤供水能力和促进作物根系发育，有利于作物对养分的吸收利用。 【方法】 在西北黄土高原半干旱区于2016—2018年布设马铃薯定位试验，设计立式深旋耕作40 cm (VRT)、深松40 cm (SS) 和旋耕15 cm (TT) 3个处理。在马铃薯播期、盛花期和收获期测定土壤含水量、碱解氮、有效磷、速效钾含量，开花期测定了马铃薯叶面积指数和叶片SPAD值，成熟期调查了马铃薯产量。计算了马铃薯阶段水分养分消耗量，养分和水分利用效率。 【结果】 VRT耕作方式提高了马铃薯播前0—120 cm土层的含水量和0—40 cm土层的碱解氮和有效磷含量。与SS和TT耕作方式相比，VRT提高了3年的花前平均耗水量，提高了干旱年 (2016) 的花后耗水量，但平水年 (2017) 和丰水年 (2018) 的花后耗水量无显著差异。VRT耕作方式干旱年碱解氮消耗量在花前花后较SS和TT耕作方式分别增加了38.7、22.9 kg/hm2和25.9、12.9 kg/hm2；平水年相应地增加了17.2、0.4 kg/hm2和21.2、6.3 kg/hm2，丰水年分别为13.6、4.1 kg/hm2和26.8、2.8 kg/hm2；有效磷和速效钾的花前花后消耗量均呈相应增加。VRT耕作方式叶片SPAD值和叶面积指数 (LAI) 显著高于SS和TT处理，产量在2016、2017和2018年分别较SS和TT耕作方式增加了156.8%和47.8%、24.8%和41.0%、19.6%和27.5%，VRT耕作方式土壤水分利用率和速效氮磷钾利用效率高于SS和TT，并在干旱和平水年达显著差异。 【结论】 与深松和旋耕相比，立式深旋耕作可以提高马铃薯播前0—120 cm土层的储水量，进而提高0—40 cm 土层中的有效态氮和磷含量，特别是在花前阶段；较好的水肥供应促进了马铃薯的生长 (较高的SPAD值和叶面积指数)，有利于花后期的生长，最终获得较高的马铃薯产量和水肥利用效率。立式深旋耕作还优化了黄土高原半干旱区土壤水分和养分分布，在一定程度上减少了养分向土壤深层的移动，这一效果在干旱年尤为明显。 Abstract:【Objectives】 The vertically rotary sub-soiling is effective to improve soil capacity of water supplying and promote the crop root development, this is probably benefit the nutrient availability to crop uptake. 【Methods】 The field experiments were conducted for three years (2016–2018) in Gansu Province, using potato as test material. The involved tillage treatments were vertically rotary sub-soiling for 40 cm (VRT), sub-soiling for 40 cm (SS), and traditional tillage for 15 cm (TT), all the treatment plots were mulched by plastic film annually. The soil water, soil available nitrogen (AN), available phosphorous (AP), available potassium (AK) content were measured at sowing, before flowering and at maturing stage of potato. The SPAD value and leaf area index (LAI) of potato were measured during flowering stage, and the tuber yield was investigated at maturity; the periodic evapotranspiration (PET), periodic nutrient consumption (PNC), and water use efficiency (WUE), nutrient use efficiency (NUE) were calculated. 【Results】 VRT method increased soil water storage at sowing stage in 0–120 cm profile, increased the AN and AP contents in 0–40 cm profile, as compared with SS and TT treatments. The water consumption before flowering period were significantly higher in VRT treatment throughout from 2016 to 2018, and that in post-flowering period was significantly higher in 2016 (drought year), but not significantly different in 2017 and 2018 (normal and wet year), as compared with SS and TT treatments. More soil AN was consumed in VRT treatment than SS and TT treatments, the consume differences with SS and TT in pre- and post-flowering period were 38.7, 25.9 kg/hm2 and 22.9, 12.9 kg/hm2 in 2016 (drought year), 17.2, 0.4 kg/hm2 and 21.2, 6.3 kg/hm2 in 2017 (normal year), and 13.6, 4.1 kg/hm2 and 26.8, 2.8 kg/hm2 in 2018 (wet year), respectively. Correspondingly, the consumption of AP and AK in pre- and post-flowering period had also been increased in VRT treatment. Both the leaf SPAD values and LAI in VRT treatment were significantly higher than that in SS and TT treatments. The tuber yield of potato in VRT treatment was increased by 156.8% and 47.8% in 2016, 24.8% and 41.0% in 2017, and 19.6% and 27.5% in 2018, as compared with SS and TT treatments, respectively. The use efficiency of water, N, P and K were increased by VRT, and the significant difference were observed in drought and normal year. 【Conclusions】 The VRT method could increase the water storage of 0–120 cm and the contents of available N and available P in 0–40 cm soil profile, which is good for the water and nutrient supply to potato, especially in pre-flowering stage, and the vegetation growth (higher SPAD and LAI values), thus obtain high tuber yield and water and nutrient efficiency of potato. In addition, VRT method is found optimized soil water and nutrient distribution, which alleviated the down movement of nutrient, this effect was more remarkable in drought year. -
图 1 马铃薯全膜覆盖垄上微沟种植技术示意图
Figure 1. Schematic diagram of potato micro-furrows on ridges and planting with plastic mulching
图 2 2016—2018试验区降水分布和平均气温变化
Figure 2. Precipitation and average air temperature in test areas from 2016 to 2018
图 3 不同耕作方式0—200 cm土层剖面贮水量
Figure 3. Water storage in different soil profile in 0-200 cm depths of soil under different tillage methods
图 4 不同耕作方式0—100 cm土层土壤碱解氮含量
Figure 4. Available nitrogen contents in 0−100 cm depths of soil under different tillage methods
图 5 不同耕作方式0—100 cm土层土壤有效磷含量
Figure 5. The soil available phosphorous content in different soil profile in 0−100 depths of different tillage methods
图 6 不同耕作方式0—100 cm土层土壤速效钾含量
Figure 6. The soil available potassium content in different soil profile in 0−100 depths of different tillage methods
图 7 不同耕作方式马铃薯花前花后水分和养分消耗的影响
Figure 7. Effects of different tillage methods on water and nutrient consumption in pre- and post-flowering period of potato
图 8 不同耕作方式对马铃薯花期SPAD值和叶面积指数的影响
Figure 8. Effects of different tillage methods on SPAD value and leaf area index in flowering stage of potato
表 1 不同耕作方式对马铃薯产量、水分和养分利用效率的影响
Table 1. Effects of tillage methods on tuber yield，water and nutrient use efficiency of potato
年份
Year耕作方式
Tillage method产量
Yield
(kg/hm2)水分利用效率
WUE
[kg/ (hm2∙mm)]养分利用效率Nutrient use efficiency (kg/kg) N P K 2016 深旋松VRT 32897.3 a 110.5 a 196.3 a 277.6 a 273.5 a 深松SS 12812.3 c 57.4 c 120.9 c 147.0 c 132.6 c 旋耕TT 22253.3 b 92.7 b 172.8 b 224.9 b 217.1 b 2017 深旋松VRT 42833.3 a 124.5 a 226.8 a 352.6 a 338.5 a 深松SS 34333.3 b 104.7 ab 200.4 b 309.9 b 310.7 b 旋耕TT 30388.9 b 98.3 b 188.2 b 308.5 b 276.0 c 2018 深旋松VRT 43714.3 a 112.3 a 223.9 a 320.2 a 300.7 a 深松SS 36557.5 b 99.5 b 206.0 b 307.0 a 293.1 ab 旋耕TT 34285.7 b 99.4 b 207.0 b 312.3 a 287.5 b 注（Note）：VRT—立式深旋耕作 Vertically rotary sub-soiling, SS—深松耕作 Sub-soiling; TT—传统旋耕 Traditional rotary tillage; 同列数据后不同小写字母表示相同年份不同处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters mean significant differences among in same year at 0.05 level. 
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