連續(xù)施用保水材料對(duì)旱作條件下土壤特性及燕麥生長的影響

馬 斌,劉景輝,*,楊彥明,趙寶平,袁夢(mèng)君,米俊珍

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古雜糧工程技術(shù)研究中心,呼和浩特 010019 2 內(nèi)蒙古大學(xué),呼和浩特 010021

連續(xù)施用保水材料對(duì)旱作條件下土壤特性及燕麥生長的影響

馬 斌1,劉景輝1,*,楊彥明1,趙寶平1,袁夢(mèng)君2,米俊珍1

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古雜糧工程技術(shù)研究中心,呼和浩特 010019 2 內(nèi)蒙古大學(xué),呼和浩特 010021

以壩莜一號(hào)為材料,研究連續(xù)4a施用保水材料聚丙烯酰胺(PAM)與聚丙烯酸鉀(PAM-K),對(duì)旱作農(nóng)田不同土層土壤微生物量變化與相應(yīng)土層土壤含水量、容重、電導(dǎo)率、養(yǎng)分及燕麥生長的影響。結(jié)果表明,旱區(qū)農(nóng)田施用PAM-K和PAM的微生態(tài)效應(yīng)存在時(shí)空差異,以連續(xù)施用4a效果最佳,其大小順序表現(xiàn)為連續(xù)施用4a>施用3a>2a>1a>對(duì)照。連續(xù)施用4a PAM-K和PAM,0—60 cm土層土壤含水量平均增加了27.18%和34.40%；土壤容重、土壤電導(dǎo)率分別平均降低了2.33%和6.64%、29.50%和22.70%；相對(duì)顯著增加了耕層土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀)含量；土壤微生物生物量碳、氮、磷增幅平均達(dá)24.11%、31.89%、46.52%和69.96%、35.21%、52.70%,尤其是連續(xù)施用4a PAM,10—20cm土層土壤微生物量氮增幅達(dá)98.95%及0—10cm、20—40cm土層土壤微生物生物量碳和土壤微生物量磷的增加最明顯,增幅分別達(dá)31.13%和74.49%、62.27%和49.91%。連續(xù)施用4a PAM-K和PAM,植株鮮重、干重、株高、籽粒產(chǎn)量,分別增加了90.53%和146.91%、101.56%和128.13%、33.67%和76.39%、19.27%和22.40%?？梢?連續(xù)多年施用PAM-K和PAM對(duì)施入層(0—20 cm)和近施入層(20—40 cm)改善效果顯著；PAM對(duì)旱區(qū)土壤的適宜性優(yōu)于PAM-K,可改善土壤質(zhì)量,提高作物產(chǎn)量。

保水材料；土壤含水量；土壤電導(dǎo)率；土壤容重；土壤養(yǎng)分；土壤微生物量；燕麥

Abstract： A four-year experiment was conducted to investigate the effects of polyacrylamide (PAM) and potassium polyacrylate (PAM-K) application on the growth characteristics of oat (AvenanudaL.) and soil at different soil depths and in different years (2011, 2012, 2013, and 2014). The correlations between the growth characteristics of oat and soil microbial biomass, nutrients, moisture content, electrical conductivity, and bulk density at the respective soil layers in a dry land area of Inner Mongolia were also examined. PAM and PAM-K were applied at a rate of 75 kg/hm2per year. The experiment consisted of a total of 8 treatments and a control. The application groups were as follows: conventional tillage (CK), (1) M1: PAM 2011, (2) M2: PAM 2011 and 2012, (3) M3: PAM 2011, 2012, and 2013, (4) M4: PAM 2011, 2012, 2013, and 2014, (5) A1: PAM-K 2011, (6) A2: PAM-K 2011 and 2012, (7) A3: PAM-K 2011, 2012, and 2013, and (8) A4: PAM-K 2011, 2012, 2013, and 2014. This was a two-factor experiment involving a randomized complete block design with three replications. Each treatment occupied a plot area of 4 × 5 m. Water-retaining materials were spread equally on the surface of the land and then incorporated into the soil by tilling. Oat seeds were sown on May 25 and harvested in late September during the four experimental years (2011, 2012, 2013, and 2014) at a rate of 3750000 plants per hectare with a row spacing of 25 cm and seeding depth of 3—5 cm. With increasing PAM and PAM-K application, differences in micro-ecological effects were observed at different times for the rain-fed farmland. The results showed the following superiority order: 4 years > 3 years > 2 years > 1 year. At a depth of 0—60 cm soil, compared with the control, for the treatments administered continuously for four years (A4 and M4), soil moisture increased by an average of 27.18% in A4 and 34.40% in M4. A decreasing trend was observed for soil bulk density and soil electrical conductivity; soil bulk density decreased by 2.33% and 6.64%, while soil conductivity reduced by an average of 29.50% and 22.70% for A4 and M4, respectively. Soil nutrient content (available P, N, and K, organic matter) increased in both A4 and M4. Microbial biomass carbon (MBC), nitrogen (MBN), and phosphorus (MBP) showed an increasing trend; MBC increased by an average of 24.11% in A4 and 31.89% in M4, MBN increased by 46.52% in A4 and 69.96% in M4, and SMBP increased by 35.21% in A4 and 52.70% in M4. Interestingly, at a depth of 10—20 cm, MBN increased by 98.95% in M4, while at 0—10 cm, MBC increased significantly by 31.13% and MBP increased by 74.49% in M4, respectively. At a depth of 20—40 cm, MBC increased significantly by 62.27%, while MBP increased by 49.91% in M4, respectively. Additionally, the oat seedling aboveground fresh biomass increased for A4 and M4 by 90.53% and 146.91%; aboveground dry biomass increased by 101.56% and 128.13%, plant height increased by 33.67% and 76.39%, and grain yield increased by 19.27% and 22.40%. Significant improvement was observed with continuous application of PAM and PAM-K in the plowing layer (0—20 cm) and near the application layer (20—40 cm). We recommend PAM treatment, which is more suitable for yellow loamy soil, than PAM-K treatments, to improve soil quality and increase crop yield in dry farming areas.

KeyWords: water-retaining material; soil moisture content; soil electrical conductivity; soil bulk density; soil nutrient; soil microbial biomass; oat

目前,在干旱和半干旱地區(qū),保水材料的使用已經(jīng)顯示了潛在的改善土壤理化性質(zhì)及促進(jìn)一些作物品種增長的效果,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)節(jié)水和生態(tài)恢復(fù)[1]。保水材料可以提高土壤水分保持能力,穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),提高土壤滲透率,減少溝灌溉田水的使用、土壤養(yǎng)分流失及土壤侵蝕[2- 4]；保持大量的土壤水分和養(yǎng)分,在植物所需時(shí)的釋放[5- 7],減少作物生育期間灌水量[8-9]。土壤微生物作為土壤養(yǎng)分循環(huán)的基礎(chǔ),參與土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化之中,它促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成及土壤養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)換,是植物重要的養(yǎng)分來源[10],其易受到土壤環(huán)境變化的影響[11],而關(guān)于多年施用保水材料對(duì)土壤微生物量的研究較少[1]。Azzam研究證實(shí)保水材料可以促進(jìn)種子萌發(fā)和出苗[12]。Li等室內(nèi)研究表明施用保水材料有利于卷心菜的生長[1]。Yazdani等研究同樣認(rèn)為在干旱脅迫下,施用保水材料促進(jìn)大豆生長,增加了生物產(chǎn)量[13]。Busscher等同樣得出在美國東南海岸平原的深翻耕土壤,施用保水材料提高了沙質(zhì)海岸平原作物產(chǎn)量[14]。

可見,關(guān)于保水材料的研究大多集中在短期對(duì)作物生長及土壤理化性質(zhì)方面的影響,本研究以旱作燕麥田土壤為研究對(duì)象,通過4a定位試驗(yàn),探討連續(xù)多年施用保水材料PAM、PAM-K對(duì)旱作農(nóng)田作物生長、產(chǎn)量及不同土層土壤微生物量C、N、P的變化特征及其影響因子,分析PAM、PAM-K對(duì)作物鮮重、干重、產(chǎn)量及土壤微生物量的影響,為了解不同保水材料對(duì)該地區(qū)作物生長及土壤微生物碳氮磷的影響及其作用機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地情況

試驗(yàn)于2011—2014年在內(nèi)蒙古清水河縣一間房村進(jìn)行,該地區(qū)是長城沿線典型的旱作丘陵地區(qū),丘陵山地占90%以上,平均海拔1374 m,年平均溫度7.1℃,≥10℃積溫2 370℃,無霜期140 d,年日照時(shí)數(shù)為2914 h,年平均大風(fēng)日數(shù)達(dá)19 d,年總輻射量為570.6 kJ/cm2,年均降雨量365 mm,年蒸發(fā)量2577 mm,屬典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)地土壤類型為黃綿土,其中總孔隙度為43.65%,團(tuán)聚體118.80 mg/kg,土壤體積質(zhì)量為1.45 g/cm3,有機(jī)質(zhì)含量10.25 g/kg,堿解氮45.10 mg/kg,速效磷7.40 mg/kg,速效鉀123.80 mg/kg,pH為7.84。

1.2 試驗(yàn)材料

圖1 兩種保水材料化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of Water-retaining materials PAM-K: 聚丙烯酸鉀 Potassium Polyacrylate;PAM: 聚丙烯酰胺 polyacrylamide

供試燕麥品種為‘壩莜一號(hào)’；供試兩種保水材料由北京漢力淼公司提供,屬于高分子聚合物。聚丙烯酸鉀(PAM-K)為淡黃色顆粒,分子量約1000萬,密度為1.09g/cm3,溶于水、乙醇和異丙醇等,300℃以上易分解；聚丙烯酰胺(PAM)為白色顆粒狀,分子量約2100萬,密度為1.30 g/cm3,遇水膨脹,幾乎不溶于有機(jī)溶劑,120℃以上易分解。PAM-K和PAM分別含有農(nóng)作物生長所需營養(yǎng)元素鉀和氮,化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示：

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年開始,設(shè)9個(gè)處理,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),重復(fù)3次,小區(qū)面積4 m×5 m。其中對(duì)照(CK)不做任何處理,PAM-K和PAM各處理于每年5月25日(即播種前)分別均勻撒施于小區(qū)表面(表1),后進(jìn)行旋耕,旋耕深度為15 cm。供試作物燕麥機(jī)播,播量150 kg/hm2,行距25 cm,其它管理同大田。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

PAM-K: 聚丙烯酸鉀 Potassium Polyacrylate;PAM: 聚丙烯酰胺 polyacrylamide

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

于2014年6月15日,燕麥苗期取土樣及植物樣,取0—10、10—20、 20—40、40—60、60—80 、80—100 cm土層土樣進(jìn)行土壤質(zhì)量含水量(SMC)及土壤容重(SBD)的測(cè)定[15]。取植株地上部分進(jìn)行鮮重(AFB)、干重(ADB)、株高(plant height,PTH)的測(cè)定[16]。用土鉆隨機(jī)鉆取0—10、10—20、20—40、40—60 cm土層土壤樣品,每個(gè)小區(qū)鉆取五點(diǎn),將土樣混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室：一部分土壤自然風(fēng)干后過1 mm篩,用于土壤化學(xué)性狀指標(biāo)的測(cè)定[17]有機(jī)質(zhì)用K2Cr2O7滴定法(SOM)、堿解氮用NaOH-擴(kuò)散法(N)、有效磷用NaHCO3-鉬銻抗比色法(P)和速效鉀用NH4OAc-火焰光度法(K),采用DDB- 11A便攜式電導(dǎo)率儀進(jìn)行土壤電導(dǎo)率(SEC)的測(cè)定(土∶水=1∶5)。另一部分新鮮的土樣去除其中動(dòng)植物殘?bào)w,通過2 mm篩,用去離子水調(diào)節(jié)土壤樣品濕度至40%田間持水量,于25 ℃下黑暗培養(yǎng)15 d,之后進(jìn)行土壤微生物量的測(cè)定[18],

(1)土壤微生物生物量碳 熏蒸提取-容量分析法。土壤微生物生物量碳(MBC)計(jì)算公式為：MBC=EC/kEC,式中EC=熏蒸土樣TOC-未熏蒸土樣TOC,kEC=0.38,單位以mg/g干土表示。

(2)土壤微生物生物量氮 熏蒸提取-茚三酮比色法。土壤微生物生物量氮(MBN)計(jì)算公式為：MBN=mEmin-N,式中Emin-N=熏蒸土樣值-未熏蒸土樣值,m=5.00,單位以mg/g干土表示。

(3)土壤微生物生物量磷 熏蒸提取-全磷測(cè)定法。土壤微生物生物量磷(MBP)計(jì)算公式為：MBP=EPt/kp,式中EPt=熏蒸土樣值-未熏蒸土樣值,kp=0.40,單位以mg/g干土表示。

燕麥產(chǎn)量 于2014年9月20日燕麥成熟后,各小區(qū)隨機(jī)選取1 m2測(cè)量籽粒及生物產(chǎn)量(折算公頃產(chǎn)量),計(jì)算穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 10.0進(jìn)行繪圖,采用 SAS 9.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)及R 3.3.1軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種保水材料對(duì)土壤理化學(xué)性質(zhì)的影響

2.1.1 兩種保水材料對(duì)土壤含水量的影響

從圖2可知0—10 cm土層各處理SMC均在8.5%以下,不同PAM-K和PAM處理?xiàng)l件下SMC較CK增幅為-6.16%—25.93%和11.35%—37.76%,M4、M3、A4處理保水持水能力顯著高于A2、A1及CK處理(P<0.05)；10—20 cm土層SMC為8.91%—11.98%,不同PAM-K、PAM處理均高于CK,M4、M3、A4和A3處理顯著高于其他處理(P<0.01),較CK增幅為21.10%、19.12%、34.46%和15.31%；20—40 cm土層SMC為9.23%—13.46%,M4、A4處理較CK分別增加了34.65%和45.82%(P<0.01)；40—60 cm土層SMC為7.96%—11.12%,M4、A4處理較CK分別增加了25.68%和39.76%；60—80、80—100 cm土層不同處理SMC均在6.26%和5.90%左右,較為穩(wěn)定。

圖2 不同處理0—100 cm土層土壤質(zhì)量含水量Fig.2 Soil moisture content in 0—100 cm soil layers under different treatments圖中不同小寫字母表示在0.05水平上的差異,數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)；CK：不施保水材料Without water-retaining material；A和M分別代表PAM-K和PAM,數(shù)字1、2、3和4分別代表只施入1a、連續(xù)2a施入、連續(xù)3a施入和連續(xù)4a施入

2.1.2 兩種保水材料對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

圖3 不同處理下0—60 cm土層土壤電導(dǎo)率 Fig.3 Soil electric conductivity in 0—60 cm soil layers under different treatmentsNS：不顯著no significant

PAM-K和PAM處理下SEC均低于CK,其中A4和M4最優(yōu),0—10 cm土層分別較CK降低了38.44%和13.36%；10—20 cm土層SEC分別比CK降低了31.58%和34.41%(P<0.05)；20—40 cm土層SEC分別比CK降低了26.93%和28.29%(P<0.05)；40—60 cm土層SEC分別比CK降低了22.08%和28.09%(P<0.05)(圖3)。

2.1.3 兩種保水材料對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

從圖4可以看出,隨著PAM-K和PAM施用年限的增加,各土層土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)、堿解氮(N)、有效磷(P)和速效鉀(K)顯著升高(P<0.05),0—60 cm土層土壤養(yǎng)分改善效果大小順序?yàn)閴A解氮>有機(jī)質(zhì)>有效磷>速效鉀。A4和M4處理增幅最大,0—10 cm土層堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀與CK比較,增幅分別為44.14%和51.95%、38.06%和44.96%、30.34%和33.01%、33.94%和14.64%；10—20 cm土層,升高幅度為47.24%和56.61%、27.56%和30.62%、27.96%和18.93%、9.74%和5.48%；20—40 cm土層升高幅度則為16.45%和32.78%、21.20%和31.41%、27.70%和21.86%、8.97%和5.14%；40—60 cm土層分別為27.59%和54.94%、20.76%和31.61%、15.73%和31.29%、12.75和11.53%。這表明,保水材料本身具有保肥的功能,可減少土壤養(yǎng)分過度損失[2]。同時(shí),PAM-K與PAM中分別含作物所需的鉀元素和氮元素,且每年施用量為75 kg/hm2折合5 kg/667m2,這也是連續(xù)四年施用PAM-K與PAM能顯著增加土壤養(yǎng)分的原因之一。

圖4 不同處理下0—60 cm土層土壤養(yǎng)分Fig.4 Soil nutrients in 0—60 cm soil layers under different treatments

2.1.4 兩種保水材料對(duì)土壤容重的影響

由表2可知,9個(gè)處理播前SBD均低于收獲后,這是由于經(jīng)過一個(gè)生育時(shí)期,在其自身重力及其它因素的作用下,SBD顯著增加,但是經(jīng)過冬春休閑期,在凍融及生物作用影響下,SBD有所下降[19]。PAM-K、PAM各處理在0—100 cm土層SBD表現(xiàn)一致,隨著土層深度的增加呈升-降-升的“N”型變化,表現(xiàn)為：0—10 cm<10—20 cm<60—80 cm<80—100 cm<40—60 cm <20—40 cm。以10—20 cm土層為例,CK處理SBD為1.57 g/cm3,顯著高于M4、M3、M2、M1、A4、A3及A2處理,與A1處理無顯著差異,不同處理(PAM-K、PAM)均低于CK,降幅為3.99%—14.20%。說明PAM-K、PAM減小了SBD,有利于根系的生長,對(duì)土壤培肥具有重要作用[19-21]。

表2 不同處理不同土層的土壤容重

表中同列不同小寫字母表示在0.05水平上的差異

2.2 兩種保水材料對(duì)土壤微生物量的影響

2.2.1 兩種保水材料對(duì)土壤微生物量碳的影響

圖5所示,0—60 cm范圍內(nèi),隨著土層深度的增加,各處理土壤微生物量碳(MBC)呈現(xiàn)“V” 型曲線規(guī)律,其中0—10、10—20、40—60 cm土層MBC顯著高于20—40 cm土層。0—60 cm土層,隨著施用年限的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),與CK相比,施用PAM-K、PAM可以顯著提高M(jìn)BC。其中0—10 cm土層M4、M3、A4處理顯著高于M2、A2、M1、A1和CK處理,PAM-K及PAM處理分別較CK提高了3.85%—18.21%和1.94%—31.13%；10—20 cm土層、20—40 cm土層及40—60 cm土層均為M4處理最優(yōu),增幅為26.88%、62.27%和17.32%?？梢娛┯肞AM, PAM-K的年限不同,對(duì)不同土層MBC的影響存在一定的差異,對(duì)0—10 cm與20—40 cm土層的改善作用顯著高于10—20 cm與40—60 cm土層?？傮w看,連續(xù)4a>連續(xù)3a>連續(xù)3a>1a,PAM處理優(yōu)于PAM-K處理,但都提高了MBC對(duì)調(diào)節(jié)土壤環(huán)境和土壤碳儲(chǔ)存的作用[22],增加了土壤有機(jī)質(zhì)中易變化且活性高的部分,促進(jìn)了養(yǎng)分的有效化,對(duì)土壤肥力和植物營養(yǎng)提供了重要的養(yǎng)分來源[23-24]。

圖5 不同處理不同土層的土壤微生物量碳Fig.5 Soil microbial biomass C at different soil layers under different treatments

2.2.2 兩種保水材料對(duì)土壤微生物量氮的影響

“國……國亡了！我……我也……老了！你們還年青，你們?nèi)ゾ葒?！我的老骨頭再……再也不中用了！我是個(gè)老亡國奴，我不會(huì)眼見你們把日本旗撕碎，等著我埋在墳里……也要把中國旗子插在墳頂，我是中國人！我要中國旗子。我不當(dāng)亡國奴，生是中國人，死是中國鬼……不……不是亡……亡國奴……“

分析圖6可知,0—60 cm范圍內(nèi),隨著土層深度的增加,各處理土壤微生物量氮(MBN)呈先上升后下降的趨勢(shì)(CK除外),0—10、10—20、20—40 cm土層,MBN顯著高于40—60 cm土層。0—60 cm土層,隨著施用年限的增加MBN呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),不同施用年限PAM-K、PAM處理對(duì)MBN影響不同,以10—20cm土層為例,MBN表現(xiàn)為M4 >A4>M3>A3>M2>A2>M1>A1>CK,A4與M4顯著高于其他處理,與CK相比增幅為90.49%和98.95%?？梢娛┯肞AM-K、PAM促進(jìn)了土壤微生物對(duì)有機(jī)氮礦化與固持作用,增加了土壤的活性氮“庫”和“源”[25-26],對(duì)0—20 cm土層MBN改善作用最明顯,犁底層(20—40 cm)、心土層(40—60 cm)改善效果依次減小,但也有顯著的改善效果,以M4效果最佳。

圖6 不同處理不同土層的土壤微生物量氮Fig.6 Soil microbial biomass N at different soil layers under different treatments

2.2.3 兩種保水材料對(duì)土壤微生物量P的影響

土壤微生物量磷(MBP)是土壤有機(jī)磷中較活躍的部分,通過生物量磷釋放的磷對(duì)作物生長相當(dāng)重要,它與土壤微生物量碳、氮一樣受環(huán)境因素影響很大[27]。如圖7所示,隨土層深度的增加各處理MBP呈下降的趨勢(shì),40—60 cm土層顯著低于其他土層。0—60 cm土層,隨著施用年限的增加MBP呈增加的趨勢(shì),PAM-K、PAM處理均優(yōu)于CK。其中0—10 cm土層為M4處理顯著高于其他處理,A1和CK處理差異不顯著,PAM-K、PAM處理分別較CK提高了1.76%—52.04%和15.38%—74.49%。MBP周轉(zhuǎn)速度快, 是提供作物有效磷的重要來源,因此施用PAM-K、PAM具有促進(jìn)作物生長的作用,同時(shí)PAM-K、PAM也促進(jìn)了0—20 cm土層MBP對(duì)于調(diào)控土壤磷的植物有效性及磷的生物地球化學(xué)循環(huán)的重要作用[26,28-31]。

圖7 不同處理不同土層的土壤微生物量磷Fig.7 Soil microbial biomass P at different soil layers under different treatments

2.3 兩種保水材料對(duì)燕麥生長特性的影響

2.3.1 兩種保水材料對(duì)燕麥鮮干重及株高的影響

從圖8可見,不同PAM-K、PAM處理?xiàng)l件下AFB均高于CK處理,分別較CK提高了0.00%、14.81%、36.01%、90.53%、72.02%、94.24%、127.98%和146.91%；ADB分別比CK提高了-6.25%、9.38%、15.63%、101.56%、76.56%、84.38%、128.13%和123.59%。顯著性分析結(jié)果表明,M4、M3處理的AFB顯著高于其他處理,M2、A4、M1處理顯著高于A3、A2、A1、CK處理,A3處理顯著高于A1、CK,A2、A1及CK處理間差異不顯著。從圖9可知,不同PAM-K、PAM處理下株高均高于CK處理,增幅為5.18%、11.72%、12.24%、33.67%、27.72%、28.76%、32.98%和76.39%,以A4和M4處理的燕麥株高增長最快,植株最高。

圖8 不同處理下燕麥地上部分鮮干重 Fig.8 Oat aboveground fresh and dry biomass under different treatments

圖9 不同處理下燕麥株高Fig.9 Oat plant height under different treatments

2.3.2 兩種保水材料對(duì)燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表3 不同施用年限各處理燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化

2.4 PAM和PAM-K施用與燕麥生長特性及土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性

將燕麥籽粒產(chǎn)量與代表性最強(qiáng)的10—20 cm土層A4和M4處理土壤養(yǎng)分、含水量、容重、電導(dǎo)率、土壤微生物量C、微生物量N和微生物量P進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如圖10所示。作物產(chǎn)量與土壤性狀相關(guān)性分析可以看出,A4中P、SOM、MBC、K及SEC的相關(guān)性,與M4中N、MBC、K、SOM及SBD(按相關(guān)系數(shù)大小排序)的相關(guān)性,明顯高于CK。微生物量與土壤性狀相關(guān)性分析看出,A4中MBP與SEC和SBD相關(guān)性高于CK,M4中MBC和MBN與SBD的相關(guān)性高于CK。

圖10 不同處理下燕麥產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性Fig.10 Correlation analysis of grain yield and soil physical-chemical properties under different treatmentsSOM： 有機(jī)質(zhì) soil organic matter；N： 堿解氮 available N；P： 有效磷available P；K： 速效鉀available K；MBC： 微生物量碳 soil microbial biomass C；MBN： 微生物量氮 soil microbial biomass N；MBP： 微生物量磷 soil microbial biomass P；SMC： 土壤含水量soil moisture content；SBD： 土壤容重soil bulk density;EC： 土壤電導(dǎo)率soil electrical conductivity；GY: 籽粒產(chǎn)量 grain yield;彩色圓圈表示相關(guān)性(P < 0.05)

3 討論

大量研究表明,保水材料具有超強(qiáng)吸水和保水的能力,施用當(dāng)年能顯著提高土壤水分保持能力[13,32-34]。本試驗(yàn)進(jìn)一步研究表明,連續(xù)多年施用PAM和PAM-K能夠顯著提高施入層(0—20 cm)和近施入層(20—60 cm)土層SMC,且隨著土層深度增加,受PAM-K和PAM影響減弱,但連續(xù)多年施用對(duì)遠(yuǎn)施入層(60—100 cm)土壤水分也有一定的影響。這是由于PAM和PAM-K本身具有高吸水性和保水性[35],也可能是由于其改善了黃綿土土壤質(zhì)量,提高了旱作農(nóng)田土壤保水和持水能力[36]。

施用不同年限PAM-K和PAM后,0—60 cm土層SEC均有所減小,其原因可能是施用保水材料能有效降低土壤含鹽量[36-37],也可能是由于SEC受土壤水分運(yùn)移特征的影響[38],施用PAM-K和PAM改變了0—60 cm土壤含水量,二者綜合作用的結(jié)果。

施用PAM-K和PAM,降低施入層(0—20 cm)和近施入層(20—60 cm)土壤容重,與韓鳳鵬等[39]研究結(jié)果相同。其原因一方面是PAM-K和PAM是一種線型水溶性高分子聚合物,分子量較大,分子鏈擴(kuò)展較寬,具有增稠性、粘合性、絮凝性等特點(diǎn),能夠改善0—60土壤物理結(jié)構(gòu),另一方面施用PAM-K和PAM增加0—60 cm土壤有機(jī)質(zhì),改善了土壤的物理性狀[40],降低0—60 cm土壤容重。

馬海林等研究表明保水劑可顯著提高側(cè)柏容器苗根際MBC和MBN,改善側(cè)柏根際土壤微生態(tài)環(huán)境[41]。連續(xù)多年施用PAM-K、PAM能顯著增加MBC、MBN和MBP,這可能是PAM-K通過降低SEC和SBD,提高M(jìn)BP；PAM通過降低SBD,提高M(jìn)BC和MBN。其對(duì)土壤環(huán)境因子產(chǎn)生微小的改變,為土壤微生物提供了適宜的繁殖條件而導(dǎo)致土壤微生物量的變化[42],這也進(jìn)一步表明保水材料對(duì)提高SMC及減小SBD、SEC有著重要的生態(tài)學(xué)意義。

本研究發(fā)現(xiàn),PAM-K和PAM處理對(duì)改善10—20 cm土層MBN有顯著的作用,其可能由于表土層(0—10 cm)影響因素大于穩(wěn)定層(10—20 cm),因此改善效果沒有穩(wěn)定層(10—20 cm)改善效果顯著,也可能由于PAM-K、PAM主要施入0—15 cm土層,因此對(duì)10—20 cm土層改善作用最顯著；而連續(xù)多年施用PAM和PAM-K對(duì)SMBC和SMBP的影響主要集中在0—10 cm及20—40 cm土層,出現(xiàn)了交替影響的現(xiàn)象,需要進(jìn)一步研究。

本研究中40—60 cm土層M4和A4處理SMBN最高可達(dá)6.25 g/kg和5.60 g/kg,較CK提高了133.27%和109.01%,可能是由于土壤自身質(zhì)量差,連續(xù)4a施用PAM和PAM-K后40—60 cm土層SMBN改善顯著。此外,連續(xù)多年施用PAM和PAM-K對(duì)SMBP的影響優(yōu)于對(duì)SMBC及SMBN影響,這可能是由于PAM-K、PAM具有減小土壤板結(jié)程度的作用[43],而本研究也表明在旱作地區(qū)SBD是影響SMBP的關(guān)鍵因子,這進(jìn)一步說明PAM和PAM-K改善旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)SBD的重要作用。

本研究中施用保水材料能夠顯著提高燕麥植株鮮重、干重、株高和產(chǎn)量,這與前人的研究結(jié)果相一致[1,6,32- 34 ]。推測(cè)其原因,可能是由于PAM-K通過提高P、SOM、MBC和K,增加0—60 cm土層土壤養(yǎng)分及減小0—60 cm土層SEC,減緩了旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)土壤降雨后地表形成結(jié)皮或結(jié)殼,使土壤透氣性和可耕性得到改善[38,44],為作物生長發(fā)育提供更佳的土壤環(huán)境條件；PAM通過提高0—60 cm土壤N、MBC、K和SOM及減小了土壤施入層(0—20 cm)和近施入層(20—60 cm)SBD,有利于土壤水分的保持和運(yùn)輸,有效地緩解了土壤緊實(shí)對(duì)作物生長的障礙[45-46]。同時(shí),PAM-K和PAM本身含有的營養(yǎng)元素,也影響了土壤養(yǎng)分和植株生長狀況,進(jìn)而促進(jìn)作物產(chǎn)量的形成[20,40,47]。

4 結(jié)論

連續(xù)多年施用PAM-K和PAM能明顯增加0—60 cm土層旱作燕麥田土壤水分、降低土壤容重和電導(dǎo)率,進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分,改善土壤微生態(tài)環(huán)境,有利于微生物量C、N、P增加,促進(jìn)了作物生長,達(dá)到增產(chǎn)的累積效應(yīng),尤其是對(duì)10—20 cm土層微生物量N及0—10、20—40 cm土層微生物量C、微生物量P的增加顯著,降低施入層(0—20 cm)和近施入層(20—60 cm)土壤容重與電導(dǎo)率,其作用效果為連續(xù)施用4a>連續(xù)3a>連續(xù)2a>僅1a>對(duì)照,并以PAM的效果優(yōu)于PAM-K。因此,建議旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)應(yīng)用聚丙烯酰胺作為土壤改良劑,并且連續(xù)施用多年,以達(dá)到改良土壤,使貧瘠干旱土壤地區(qū)豐收的目的,實(shí)現(xiàn)我國中低產(chǎn)田農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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MA Bin1, LIU Jinghui1,*, YANG Yanming1, ZHAO Baoping1, YUAN Mengjun2, MI Junzhen1

1InnerMongoliaCerealEngineering&TechnologyResearchCenter,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China2InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160267)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAD22B04)；全國農(nóng)業(yè)科研杰出人才及其創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)；內(nèi)蒙古自治區(qū)燕麥種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(20140401)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-08-B-5)資助

2016- 04- 13; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201604130676

*通訊作者Corresponding author.E-mail: cauljh@163.com

馬斌,劉景輝,楊彥明.連續(xù)施用保水材料對(duì)旱作條件下土壤特性及燕麥生長的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(17):5650- 5661.

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