不同保水措施對(duì)砂質(zhì)潮土水分、微生物量及小麥產(chǎn)量的影響

李培培，仝昊天，翟慶慧，韓燕來*，姜 瑛*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.濟(jì)源市農(nóng)牧局，河南 濟(jì)源 459000）

黃淮海平原是我國(guó)主要的小麥產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)砂質(zhì)潮土面積達(dá)203.1×104hm2，砂質(zhì)潮土存在土壤結(jié)構(gòu)差，漏水漏肥，作物產(chǎn)量不高等缺點(diǎn)［1］。水分是限制沙地土壤作物生產(chǎn)水平的重要限制因素，且當(dāng)前水資源日益短缺，因此探索便捷有效的農(nóng)田保水措施對(duì)改善黃淮海砂質(zhì)潮土區(qū)由于水肥流失而使產(chǎn)量降低的現(xiàn)狀，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展尤為重要。

保水劑是一種高吸水和高保水的高分子有機(jī)聚合物，含有大量的強(qiáng)吸水基團(tuán)，施入土壤后可以改善沙土的孔隙狀況，總孔隙度和毛管孔隙度增加，土壤有效水容量明顯增大［2］，能緩解水分脅迫對(duì)作物的不良影響，減少或推遲植物萎蔫，節(jié)約灌溉用水量［3］。保水劑因種類、施用方式、施用量的不同，在不同地區(qū)其對(duì)改善土壤物理性質(zhì)和作物增產(chǎn)效果也不同，使得實(shí)際應(yīng)用中保水劑的保墑增產(chǎn)效果差別較大［4-5］。因此在砂質(zhì)潮土上推廣和合理施用保水劑、研究其保水規(guī)律才能有效提高沙土的抗旱能力，保障干旱條件下小麥增產(chǎn)。

秸稈還田作為一項(xiàng)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理措施，能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，培肥地力，提高作物產(chǎn)量，能明顯改善土壤的蓄水、保水和供水能力［6-7］，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重大意義。前期的研究表明，單獨(dú)使用保水劑和秸稈均能不同程度的改善砂質(zhì)潮土的理化性狀，提高作物產(chǎn)量，以保水劑與秸稈的配合深施對(duì)砂質(zhì)潮土的改良效果最佳［8］。但是常規(guī)耕作模式下秸稈和保水劑配合施用的效果并不清楚。近年來，生物炭在改良土壤理化性質(zhì)等方面有大量的研究［9-11］，能有效改善土壤持水性、供水能力，在農(nóng)田節(jié)水方面的功效較為顯著［9-10］，為土壤保水保肥、作物增產(chǎn)和改良土壤理化性質(zhì)提供了新的研究方法。綜上，雖然保水劑、秸稈和生物炭在不同類型土壤培肥和水土保持方面均有科學(xué)研究，但尚未有人系統(tǒng)進(jìn)行上述材料在砂質(zhì)潮土保水作用上的對(duì)比研究，并深入研究其對(duì)區(qū)域性砂質(zhì)潮土微生物學(xué)性狀和小麥產(chǎn)量的綜合效應(yīng)，指導(dǎo)區(qū)域性砂質(zhì)潮土上的小麥生產(chǎn)。

本研究以黃淮海平原砂質(zhì)潮土的中低產(chǎn)田為基礎(chǔ)，采用4種不同的保水措施進(jìn)行大田試驗(yàn)研究，比較分析小麥關(guān)鍵生育期的土壤含水量、微生物量碳氮及產(chǎn)量，旨在闡明4種保水措施在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量的作用，為砂質(zhì)潮土的合理改良和小麥產(chǎn)量提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在河南省新鄭市薛店鎮(zhèn)姬莊村，供試田塊屬于典型的小麥玉米輪作農(nóng)田，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣溫適中，四季分明，年平均氣溫為14.1℃，年均降水量為670 mm，年均蒸發(fā)量1 476.2 mm，當(dāng)?shù)匦←溕L(zhǎng)季節(jié)干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水分條件不足。試驗(yàn)地氣象條件見表1。試驗(yàn)開始于2016年10月，采用小麥-玉米一年兩熟輪作種植方式。供試土壤為砂質(zhì)潮土，其基本理化性質(zhì):有機(jī)碳含量10.0 g/kg，堿解氮32.6 mg/kg，有效磷19.4 mg/kg，速效鉀75.0 mg/kg，pH值為7.1；土壤機(jī)械組成為砂粒81.3%，粉粒12.9%，粘粒5.8%，土壤質(zhì)輕，較貧瘠，屬低產(chǎn)田。

表1 2016～2017年度冬小麥生育期氣象條件

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

2016年玉米收獲后，進(jìn)行整地和小區(qū)劃分，按當(dāng)?shù)胤N植方式進(jìn)行小麥播種。試驗(yàn)包括常規(guī)耕作無(wú)保水措施的對(duì)照（T）、秸稈還田（TS）、生物炭還田（TB）、秸稈與生物炭配合還田（TS+B）、秸稈與保水劑配合還田（TS+W），共5個(gè)處理，翻耕深度0～25 cm。小區(qū)面積為6 m×3 m=18 m2，小區(qū)排列采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。各處理均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥，施肥量一致，均為 N 180kg/hm2、P2O5120kg/hm2和 K2O 60kg/hm2。分別于小麥播種次年后4個(gè)關(guān)鍵生長(zhǎng)期即分蘗期（2月18日）、拔節(jié)期（4月17日）、灌漿期（5月16日）和成熟期（5月29日）采集土樣，采用S形取樣法采取0～20和20～40 cm土壤樣品，每小區(qū)采集5鉆土樣，裝于無(wú)菌自封袋中作待測(cè)樣品，密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后期處理。植株采集在小麥成熟期，每小區(qū)中隨機(jī)采集1 m2小麥穗，用以估算小麥產(chǎn)量、千粒重等產(chǎn)量性狀。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用秸稈為當(dāng)?shù)剞r(nóng)田上季玉米秸稈，施用量為6 000kg/hm2；生物炭購(gòu)自商丘某生物能源有限公司，原料為小麥秸稈，經(jīng)厭氧500℃碳化而成，施用量為4 800kg/hm2；保水劑為聚丙烯酰胺類化學(xué)保水劑，施用量為105kg/hm2。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 土壤水分測(cè)定

于小麥生長(zhǎng)4個(gè)生育期分別采集0～20和20～40 cm土層土壤樣品。土壤水分的測(cè)定采用烘干稱重法獲取重量含水量。

1.4.2 土壤微生物量碳氮

土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸K2SO4法測(cè)定［12］。對(duì)小麥生育早期分蘗期和后期灌漿期采集的新鮮土樣進(jìn)行測(cè)定。

1.4.3 小麥產(chǎn)量

小麥?zhǔn)斋@期，對(duì)每小區(qū)中隨機(jī)采集1 m2小麥穗數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并從其中隨機(jī)選取有代表性麥穗20穗，測(cè)其穗粒數(shù)，將采集的小麥穗全部烘干后，脫粒，測(cè)千粒重。根據(jù)1 m2小麥籽粒質(zhì)量估算小麥產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

所得數(shù)據(jù)用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、做表，OriginPro 2016軟件進(jìn)行作圖，采用SPSS 23軟件進(jìn)行土壤水分和微生物量碳或小麥產(chǎn)量的相關(guān)性分析，各處理比較采用One-way ANOVA分析，差異顯著性大小采用LSD法多重比較（5%顯著水平）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水措施對(duì)小麥各生育期水分的影響

小麥分蘗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期土壤重量含水量見圖1。拔節(jié)期后，該地區(qū)雨水頻繁，且多為小雨，下層水分得不到補(bǔ)給，0～20 cm含水量顯著高于20～40 cm。如圖所示，4種保水措施均提高了不同生育期土壤含水量，在小麥分蘗期（圖1 a），0～20和20～40 cm土層TS+W處理的水分含量分別比T處理顯著增加21.9%和69.4%，并顯著高于其他處理，TS+B、TB和TS之間無(wú)顯著差異，均顯著高于對(duì)照T。在小麥拔節(jié)期（圖1 b），0～20 cm土層，TS+B、TS+W和TB處理均顯著高于T處理（P＜0.05），而TS與T無(wú)顯著差異。20～40 cm土層，TS+W處理的水分含量仍然保持最高值。灌漿期（圖1 c），作物需水旺盛時(shí)期，只有0～20 cm土層TS+B處理含水量最高，含水量達(dá)到7.1%，顯著高于對(duì)照T，保水能力顯著提高18.8%，而20～40 cm土層各保水處理含水量均高于對(duì)照T，但是它們之間無(wú)顯著差異。在小麥成熟期（圖1 d），進(jìn)入6月份平均氣溫和蒸發(fā)量增高，TB和TS+B處理的保水效果尤為明顯，在0～20 cm土層中顯著高于其它處理；其中TS+B保水能力顯著提高32.6%；而在20～40 cm土層，TS+W水分含量較高，較對(duì)照處理T在分蘗期、拔節(jié)期和成熟期均達(dá)到顯著水平。

圖1 不同保水措施對(duì)土壤水分的影響

綜上，保水劑和生物炭對(duì)砂質(zhì)潮土水分有很強(qiáng)的保持作用，在小麥生育早期，秸稈與保水劑配合有效地提高土壤含水量，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，保水效果有所下降。在小麥生育后期，生物炭和秸稈與生物炭配合保水效果更顯著。

2.2 不同保水措施對(duì)土壤微生物量碳的影響

在小麥分蘗期，0～20 cm土層，不同保水處理間微生物量碳無(wú)顯著差異（圖2 a），其中TS+W處理數(shù)值最高，達(dá)到138.2 mg/kg。而不同保水處理顯著影響20～40 cm土層中土壤微生物量碳含量，TS處理、TB處理和TS+W處理均顯著增加了土壤微生物量碳含量，分別比對(duì)照T處理增加212.7%、80.1%和203.4%，以TS和TS+W最高，二者無(wú)顯著差異。隨著小麥生育期的延長(zhǎng)，到了小麥生育后期，不同保水處理均顯著增加了灌漿期0～20和20～40 cm土層微生物量碳含量（圖2 b），在0～20 cm土層中，TS+B處理含量最高，在20～40 cm土層，TS+W處理微生物量碳含量達(dá)到119.3 mg/kg，顯著高于其他處理，比T處理提高31.6%；而TS+B處理與TS和TB處理差異不顯著。

圖2 不同保水措施對(duì)小麥分蘗期和灌漿期土壤生物量碳的影響

2.3 不同保水措施對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

不同保水措施對(duì)小麥產(chǎn)量影響見表2，與對(duì)照處理T相比，單施秸稈僅使小麥增產(chǎn)4.76%，且沒有達(dá)到差異顯著水平（P＞0.05）。從處理TS+B和處理TS可以看出，秸稈與生物炭混施相比秸稈單施可提高小麥產(chǎn)量，但二者無(wú)顯著差異。從處理T、處理TB和處理TS+B對(duì)比可以看出，生物炭單施產(chǎn)量最高，與處理T相比提升小麥產(chǎn)量27.4%，但三者差異不顯著。只有TS+W小麥增產(chǎn)31.4%，與對(duì)照T相比達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素中，每公頃的穗數(shù)以TS+W處理最高，顯著高于T和TS。

表2 不同處理方式下小麥產(chǎn)量構(gòu)成及產(chǎn)量表現(xiàn)

2.4 土壤含水量與小麥產(chǎn)量、微生物量碳的相關(guān)性分析

土壤水分和微生物量碳、小麥產(chǎn)量均呈現(xiàn)正相關(guān)（表3）。其中，小麥產(chǎn)量與20～40 cm分蘗期土壤水分、與0～20 cm成熟期土壤水分分別呈顯著正相關(guān)；20～40 cm土壤水分與微生物量碳在分蘗期、灌漿期均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.631（P＜0.01）和 0.548（P＜0.05）。

表3 不同生育期土壤水分與小麥產(chǎn)量、微生物量碳含量的相關(guān)性分析

3 小結(jié)與討論

施用秸稈、生物炭和保水劑均可有效提高砂質(zhì)土壤保水效果，本研究中20～40 cm土層土壤水分和微生物量碳呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。土壤微生物量碳氮是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一［13］，水分是限制生物活動(dòng)的主要影響因子之一，土壤水分的提升，促進(jìn)微生物數(shù)量和活性的增強(qiáng)，加速土壤中動(dòng)植物殘?bào)w的分解，進(jìn)而提高土壤中養(yǎng)分含量、微生物量碳氮含量和可溶性碳氮含量［13］，提升土壤的養(yǎng)分供應(yīng)。施用秸稈或秸稈配合生物炭為土壤微生物提供了更多的營(yíng)養(yǎng)底物，顯著增加了土樣的微生物數(shù)量，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的改變也會(huì)引起土壤微生物結(jié)構(gòu)的改變［14-15］。同時(shí)在本研究中，小麥生育早期，0～20 cm耕層土壤微生物量碳含量以秸稈還田最高，而生物炭處理較低，而小麥生育后期的灌漿期，生物炭處理微生物量碳含量顯著高于秸稈處理，可以歸因于秸稈比生物炭更快被微生物所用，作為微生物的生長(zhǎng)底物分解代謝，而生物炭相對(duì)比較穩(wěn)定，到小麥生育后期隨著物質(zhì)周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分吸收，加之生物炭處理后期兼具較好的保水效果，微生物量碳含量顯著高于其他處理。

不同保水措施處理的小麥產(chǎn)量也有不同幅度的提升，尤其以秸稈和保水劑配合施用增產(chǎn)最為顯著。姚寧等研究表明水分含量低是制約該地區(qū)作物的高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的重要因素［16］。秸稈和保水劑施用在一定程度上可緩解黃淮海平原小麥生長(zhǎng)季水資源利用率低的問題［8］。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈配合保水劑處理的保水效果主要在小麥生育早期，且雖然保水材料主要施用在0～20 cm土層，其顯著提高了除灌漿期外各生育期20～40 cm土層水分含量，說明保水劑和秸稈配施能顯著抑制耕層以下層水分的蒸發(fā)，提高了水分在土層中的儲(chǔ)量。

各生育期土壤水分與產(chǎn)量分析表明，分蘗期水分含量和成熟期水分含量分別和產(chǎn)量達(dá)到顯著正相關(guān)，提高水分對(duì)小麥的增產(chǎn)作用，除了直接作用還有水分對(duì)砂質(zhì)潮土養(yǎng)分供應(yīng)的間接作用。產(chǎn)量性狀中，分蘗數(shù)大小直接影響小麥穗數(shù)，只有穗數(shù)達(dá)到甚至突破適宜范圍的高限又不倒伏，才能使小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［17］，本研究秸稈配合保水劑處理的穗數(shù)顯著高于其它處理，推測(cè)是受其分蘗期水分含量較高的影響。雖然生物炭單施和秸稈配合生物炭也能提高砂質(zhì)潮土水分含量，但是生物炭的最佳保水作用出現(xiàn)在小麥生長(zhǎng)中后期，小麥生育前期的水分不足使分蘗受到影響，其每平米穗數(shù)低于秸稈和保水劑配施處理，這可能是這兩個(gè)處理產(chǎn)量沒有顯著提升的主要因素。

秸稈對(duì)砂質(zhì)潮土的保水效果在拔節(jié)期最大，在分蘗期和小麥生育后期保水效果均不佳，推測(cè)為隨著秸稈在土壤中的腐熟，秸稈的吸水性和持水性逐漸增加，但是沙土透氣性強(qiáng)，隨著氣溫增加，秸稈分解速度加快，有研究表明秸稈在砂質(zhì)潮土的降解率半年內(nèi)達(dá)到50%以上［18］，所以本試驗(yàn)土壤上單獨(dú)添加秸稈處理小麥生育后期的保水效果較差。而生物炭或秸稈配施生物炭前期保水效果不佳，在拔節(jié)期以后保水效果達(dá)到最佳，甚至高于保水劑。因?yàn)樯锾亢徒斩捓砘再|(zhì)不同，其在土壤中的分解速率較慢，但隨著其施入時(shí)間的延長(zhǎng)，生物炭在土壤中會(huì)發(fā)生表面結(jié)構(gòu)的老化［19］，其物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，改變其吸水和持水的能力。Mukherjee等［20］發(fā)現(xiàn)新鮮生物炭與在土壤中老化1年以上的生物炭相比，物理化學(xué)性質(zhì)的差異很大，生物炭老化能顯著增加土壤的陽(yáng)離子交換能力，但其缺乏對(duì)生物炭老化后吸水性能的研究。因此，本研究中麥稈生物炭隨著施用時(shí)間在砂質(zhì)潮土中的老化現(xiàn)象、對(duì)砂質(zhì)潮土持水性影響規(guī)律需要進(jìn)一步的研究，以探清其在砂質(zhì)潮土的吸水保水規(guī)律。