小麦、玉米和马铃薯我国西北旱作区最主要作物,覆盖种植是西北旱地高产稳产、高效用水的主要栽培方式。覆盖种植包括地膜覆盖和秸秆覆盖,秸秆覆盖是较地膜覆盖更加节本环保、有利于秸秆资源化利用、保墒培肥相结合的可持续生产技术。传统的秸秆覆盖采取粉碎后全地面覆盖方式,该方式在西北广大热量不足区,会因过度降低土壤温度而影响出苗和延缓生长,有时会造成小麦和玉米严重减产。为了解决秸秆覆盖保墒和降温的矛盾,我们研发提出了利用玉米整秆局部带状覆盖的技术,在旱地冬小麦上保墒增产显著,但在马铃薯和玉米上应用效果如何,尚未开展试验研究。冬小麦和两种秋作物生长季节的水热条件差异较大,对水热的需求特性和反应也不同,但在西北相同环境和覆盖栽培条件下,目前尚未开展三种作物对覆盖的土壤水热响应差异、产量的差异机制等方面的系统比较研究,研究将为揭示覆盖增产机制、改进覆盖栽培技术提供依据。研究分平水年和丰水年2个年度重复进行。大田试验设秸秆带状覆盖、地膜全地面覆盖、地膜局部覆盖、不同地膜材料(黑膜和白膜)、无覆盖露地种植等栽培处理。冬小麦和马铃薯以无覆盖露地种植为对照(CK),玉米以目前主推的全膜双垄沟(白膜)为对照。冬小麦秸秆带状覆盖在覆盖度相同前提下,进一步根据两带带幅、播种行数不同,分设了3种带状覆盖模式(SM1、SM2、SM3)。主要研究结论如下:1.不同覆盖栽培方式对三种作物的产量、产量结构因素、生长发育等重要农艺指标具有显著影响(P<0.05)。冬小麦和马铃薯覆膜和覆秆较露地种植(CK)增产显著(P<0.05)。秸秆带状覆盖在冬小麦和马铃薯上可以达到全膜覆盖产量水平,马铃薯和玉米全膜覆盖和局部覆膜(PMP)之间产量差异不显著,后者更加节本高效。玉米的秸秆带状覆盖较两种覆膜都显著减产,减产主要与玉米对温度比较敏感、覆秆导致地温下降、粒重降低有关。2.从产量结构因素剖析产量差异机制,覆盖增产冬小麦主要是提高了穗数,马铃薯覆主要是提高了单薯重,玉米粒重对产量高低的影响大于穗粒数,小麦粒重和马铃薯结薯数在栽培方式间较稳定。马铃薯单薯重对前期结薯数不足具有强烈补偿效应,这是西北旱作水分不稳定区马铃薯实现稳产增产的重要机制。三种作物的高产都建立在良好营养生长基础上,同作物不同栽培方式间收获指数比较稳定。进一步剖析营养生长对产量高低的影响机制表明,良好的营养生长可显著提高小麦穗数、小麦和玉米穗粒数、玉米粒重、马铃薯单薯重,而对小麦粒重、马铃薯结薯数影响较小。3.覆盖在不同降水年型都能显著改善三种作物土壤墒情。覆盖对全生育期2m土体的增墒效果秸秆带状覆盖大于覆膜、冬小麦和马铃薯大于玉米。秸秆带状覆盖较覆膜土壤供水较充足,除覆秆具有明显保墒效果外,还与它增加降水入渗率、降温抑蒸、将生育期推移到降水集中季节有密切关系。虽然总体来讲,覆膜和覆秆都较不覆盖具有明显增墒效果,但随着生育进程和土层不同,也同时存在增墒和降墒的双重效应。三种作物覆盖的增墒效应大于降墒效应,增墒效应覆秆大于覆膜、冬小麦依次大于马铃薯和玉米,丰水年大于平水年、前期和中期大于后期。覆膜会明显加剧土壤水分在时期间的波动。改善土壤供水状况可促进生长和产量结构因素形成,是覆盖增产的主要原因。三种作物产量与全生育期2m土体平均含水量、大多生育时期和土层的含水量都呈正相关,各产量结构因素与对应形成时期的含水量也大多正相关,产量和营养生长指标对水分的相关应答趋势基本一致。同时发现,深层供水对提高小麦粒重和马铃薯单薯重具有显著作用。玉米的产量和粒重与0~20cm表层土壤水分高度正相关,但玉米穗粒数、粒重和产量对2m土体水分的整体反映没有马铃薯和小麦敏感。冬小麦和马铃薯的高产和良好营养生长建立在高耗水基础上,而玉米耗水量与产量和营养生长量相关较弱。同作物不同栽培方式间阶段性耗水比例差异较大。覆秆由于降低了地温,可显著降低三种作物前期耗水比例,同时也降低冬小麦中期和增加后期耗水比例,相反会增加马铃薯和玉米中期耗水比例,这有利于当地雨热季节变化与夏秋作物生长需求相匹配,是秸秆覆盖增产的重要机制。相关分析发现,阶段性耗水的差异通过显著影响营养生长和,最终影响产量的高低。阶段性耗水的差异与同期产量结构因素的形成、营养生长量及产量高低的关联趋势一致,干旱会提高三种作物收获指数。三种作物对2m土体水分都有明显消耗,但耗水主要集中在0~120cm范围,覆盖和干旱会提高对120cm以下深层贮水调用比例。小麦覆盖栽培对深层耗水的影响大于两种秋作物。4.覆盖明显影响三种作物土壤温度。与CK相比,覆秆具有普遍降温效应,覆膜具有普遍增温效应。但随着时期和土层不同,三种作物覆秆和覆膜也都同时存在增温和降温的双重效应。覆秆的降温效应大于增温效应,覆膜则相反。覆秆的降温效应和覆膜的增温效应在马铃薯上较冬小麦更明显。冬小麦覆秆的增温效应主要在越冬期,覆秆在马铃薯和玉米上的降温效应前期大于后期。地温日变化监测表明,地温随气温的变化存在“滞后效应”,覆盖可降低冬小麦和马铃薯地温日较差,但加大了玉米日较差。土壤温度明显影响产量形成和生长。覆盖增加冬小麦越冬期地温,有利于安全越冬,可极显著提高产量。提高小麦拔节期地温有利于提高成穗数,但降低灌浆期地温可显著增加小麦粒重;覆秆降低马铃薯苗期~淀粉积累期地温,可明显提高单薯重和产量,但块茎形成期地温高低对结薯数影响不明显;覆秆降低玉米地温、尤其是降低灌浆期地温是导致粒重下降、造成玉米减产的主要原因。5.土壤温度和水分存在明显互作。耕层温度通过传导会显著影响25cm以下深层水分的运移和消耗。覆秆降低冬小麦0~25cm土壤温度,有利于减少土壤蒸发和植株蒸腾,提高2m土体的贮水量,马铃薯则相反;玉米0~25cm土壤温度和水分也呈正相关,但与2m土体水分显著负相关,表明维持上层较高水分以深层补水为代价,这与玉米根量和株体庞大、蒸腾拉力和水分调用能力较强有关。水温互作的方向和大小因时期不同有一定的差异。冬小麦生育期降水较少,覆秆的降温抑蒸对土壤水分多寡影响明显,而秋作物马铃薯和玉米耕层温度与土壤水分出现正相关,这与秋作物生育期雨热同季,覆秆的保墒和增加入渗效应远大于降温抑蒸效应有关。6.覆膜和覆秆较CK可显著提高小麦和马铃薯生长速率,但玉米生长速率覆膜大于覆秆;覆秆显著提高小麦花前贮备对籽粒的贡献率,促进氮、磷的吸收利用,减少花前茎叶钾素累积在花后的流失。秸秆带状覆盖节本环保,在小麦和马铃薯上可以实现全膜覆盖产量水平。应用于青贮饲用玉米种植,可维持收获期秆青叶绿,饲草品质高,同时可缓解收贮加工季节过于紧张,因此具有较高推广应用价值。