多年覆膜改善冬小麥/油菜輪作地土壤提高產(chǎn)量

王　靜，王弋博，呼麗萍，劉艷梅, 王　瀟

（1. 天水師范學(xué)院生物工程與技術(shù)學(xué)院，天水 741000；2. 甘肅省農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天水 741000；3. 甘肅省大櫻桃工程技術(shù)研究中心，天水 741000；4.甘肅省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730030）

0　引　言

甘谷地處甘肅省中東部的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，多年平均降雨量為400 mm，年平均溫度11.5 ℃，冬小麥和油菜是該區(qū)保障口糧的主要作物。水資源緊缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水主要依靠自然降水，且降水和作物需水規(guī)律不吻合是限制該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力提高、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因子。全膜覆蓋不僅能明顯減少土壤水分蒸發(fā)量，集春季5 mm以下的無效降雨為有效降水，并在休閑期完全補(bǔ)充作物生育期消耗的0～200 cm土壤水分，保持作物的土壤水分年際平衡[1-3]。王紅麗等[4]研究發(fā)現(xiàn)全膜雙壟溝播種植提高玉米水分利用率265.6%～315.5%，玉米收獲指數(shù)提高132.5%。侯慧芝等[5]研究發(fā)現(xiàn)小麥苗期全膜覆土穴播在0～25 cm土層的平均地溫比露地穴播提高1.4～3.5 ℃，全膜覆土穴播的春小麥產(chǎn)量達(dá)1 750～3 180 kg/hm2，水分利用效率為5.5～11.5 kg/（hm2·mm），分別比露地穴播增加40%～220%和27%～239%。孫夢(mèng)媛等[6]研究發(fā)現(xiàn)全膜壟作能提高馬鈴薯各生育階段 0～100 cm土層土壤含水率，特別是對(duì)0～20 cm土層影響最為顯著，在馬鈴薯需水關(guān)鍵期塊莖形成期和塊莖膨大期，0～100 cm土層土壤含水率可分別提高了 27.93%和 36.35%；馬鈴薯產(chǎn)量提高65.40%。全膜覆蓋種植技術(shù)已在甘肅省82個(gè)農(nóng)業(yè)縣均有分布，截止2016年全膜覆土穴播種植小麥面積已累計(jì)超過20萬hm2[7]，全膜雙壟溝播種植玉米面積已累計(jì)超過483.3萬hm2[8]，周年全膜覆蓋種植技術(shù)成為西北干旱半干旱地區(qū)作物的最佳種植模式。

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最具活力的組成部分。土壤微生物生物量被用作評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量早期變化的有效指標(biāo)[9-11]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中溫度和水分兩大環(huán)境因子直接或間接地控制土壤微生物活性的變化，由于不同耕作措施輸入的有機(jī)質(zhì)數(shù)量不同和對(duì)土壤的擾動(dòng)程度不同，以及作物各生育期根系新陳代謝不同，改變了土壤的溫度、水分環(huán)境因素和土壤物理性質(zhì)，進(jìn)而影響到土壤微生物量活性及其在各生育期的分布[12-13]。國(guó)內(nèi)就全膜覆蓋種植方式下土壤微生物活性在作物生育期間動(dòng)態(tài)變化與其環(huán)境因子關(guān)系研究較少[14-15]，全膜覆蓋種植方式對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境的影響對(duì)于土壤管理具有重要意義。為此本試驗(yàn)從2012-2016年對(duì)采用不同全膜覆蓋方式土壤微生物量碳、氮含量，酶活性的動(dòng)態(tài)變化以及土壤水熱動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，旨在為黃土高原溝壑區(qū)旱作農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)的有效運(yùn)用提供科學(xué)參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn) 2012年 10月在甘肅省甘谷縣西坪鄉(xiāng)（34°54'4″N，105°26'57″E）進(jìn)行。試區(qū)屬中溫帶半干旱區(qū)，海拔1 450 m，年均氣溫8.4 ℃，年平均降水400.9 mm。土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，儲(chǔ)水性能良好。0～30 cm土壤凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%。主要理化性質(zhì)如表1所示。降雨分布及氣溫見圖1，2012-2013年冬小麥和2013-2014年油菜全生育期內(nèi)降雨量分別為399.5和413 mm。2014-2015年冬小麥和 2015-2016年油菜全生育期內(nèi)降雨量分別為 300.4和282.5 mm。

表1　試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)Table 1　Physical and chemical properties of soil tested

圖1　2012-2016年試驗(yàn)區(qū)降雨分布和平均氣溫變化Fig.1　Distribution of precipitation and average air temperature in test areas from 2012 to 2016

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，采用冬小麥/油菜輪作，每個(gè)處理3次重復(fù)，共9小區(qū)，小區(qū)面積20 m2。各處理分別為露地穴播（M0）、全膜覆土穴播（M1）、全膜穴播（M2）。施有機(jī)肥 60 000 kg/hm2，施 N150 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2。冬小麥品種為蘭天20號(hào)，油菜籽為隴油6號(hào)。田間管理同大田。2012年10月1日播種小麥，2013年6月29日收獲；2013年9月14日播種油菜，2014年6月4日收獲；2014年10月3日播種小麥，2015年6月27日收獲；2015年9月12日播種油菜，2016年6月1日收獲。

露地穴播（M0）為將地平整后，采用穴播機(jī)播種，播種深度一般為3～5 cm，行距為18～20 cm，穴距為10 cm。冬小麥播種密度為45萬/hm2左右，每穴8～12粒，播種量225 kg/hm2左右；油菜播種密度為33萬～34萬株/hm2，每穴3～4粒/穴，播種量3.3 kg/hm2左右，春季保苗15萬株/hm2。

全膜覆土穴播（M1）為全地面、全生育期地膜覆蓋，鋪膜時(shí)膜面要求平整，使地膜緊貼地面，同時(shí)在膜上覆一層薄土，覆土厚度以1～2 cm左右為宜，鋪膜覆土1～2 d后進(jìn)行播種，播種方式同上。

全膜穴播（M2）與M1處理的覆膜方式相同，不同之處是M2處理在膜上不覆土，鋪膜1d后進(jìn)行播種, 播種方式同上。

1.3　土樣采集及測(cè)定

分別在冬小麥的起身期，拔節(jié)期，抽穗期，成熟期和油菜起身期，開花期，苗薹期，成熟期，用“S”形取樣法分別采取0～30 cm土層土樣混合均勻后裝入無菌袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

土壤溫度用曲管地溫計(jì)按小區(qū)定點(diǎn)定時(shí)測(cè)試，每7 d分別在8∶00、14∶00、20∶00測(cè)量0、10、20 、30 cm土層的土壤溫度，然后計(jì)算平均值。

土壤含水量采用烘干稱重法[16]；土壤微生物量碳、氮采用Vance等的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，浸提液中微生物量碳（BC）采用重鉻酸鉀氧化滴定法測(cè)定[17]，微生物量氮（BN）采用凱氏定氮法測(cè)定[18]。BC=EC/0.38，BN=EN /0.54，其中EC和EN為熏蒸土樣與未熏蒸土樣之差；土壤蔗糖酶采用3.5-二硝基水楊酸比色法[19]；脲酶采用靛酚藍(lán)比色法[19]；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[19]。

1.4　數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2010和spss16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件處理數(shù)據(jù)，Tukey法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同覆膜方式對(duì)土壤含水量和溫度的影響

不同覆膜方式對(duì)土壤含水量存在影響。2012～2013年小麥和2013～2014年油菜全生育期降雨充足（圖1）。不同處理間土壤含水量差異不顯著（表2）。2014-2015年和2015-2016年小麥和油菜生育期降雨量少（圖1），小麥拔節(jié)期和油菜開花期前，M1和M2的土壤含水量較M0高。M1和M2在冬小麥拔節(jié)和油菜開花前的土壤含水量較 M0分別提高 3.83%～15.85%和 2.53%～15.53%；小麥孕穗期和油菜苗薹期，M1和M2的土壤含水量較M0低，這主要是M1和M2地上植株生長(zhǎng)旺盛，消耗了大量土壤水分，故此階段M0的土壤含水量高于M1和M2。

表2　不同覆膜方式對(duì)土壤含水量和溫度的影響Table 2　Effects of film mulching on soil moisture and temperature

從小麥和油菜整個(gè)生育期看，各處理0～30 cm平均土壤溫度表現(xiàn)為隨生育期的推進(jìn)地溫逐漸上升（表2）。0～30 cm土層，小麥拔節(jié)期前和油菜開花期前，與M0處理相比，M1的平均地溫分別提高0.9～1.7 ℃和0.8～1.5 ℃，M2分別提高1.4～2.1 ℃，0.8～2.7 ℃。小麥孕穗期到成熟期和油菜開花期到成熟期，M1和M2平均地溫高于M0，但增溫幅度小于拔節(jié)前。

2.1　不同覆膜方式對(duì)土壤微生物量的影響

2.1.1不同覆膜方式對(duì)土壤微生物量碳的影響

不同覆膜方式對(duì)土壤微生物碳含量存在顯著影響（圖2）。小麥季，返青至拔節(jié)期，M1的土壤微生物碳含量較M0平均增加25.64%，處理間差異顯著；M2的土壤微生物碳含量較M0平均增加23.55%，處理間差異顯著（p＜0.05）。在孕穗期M1的土壤微生物碳較M0增加20.07%（2013年）和3.61%（2015年），2013年處理間差異顯著（p＜0.05），2015年處理間差異不顯著。2013年在成熟期M1、M2的土壤微生物碳含量高于M0，M1與M0差異顯著（p＜0.05），M2與M0差異不顯著；2015年M1和M2在成熟期的土壤微生物碳含量顯著高于M0。

油菜季，與M0相比較，返青期M1土壤微生物碳增加23.57%（2014年）、28.43%（2016年），開花期M1土壤微生物碳增加 10.67%（2014年）、17.99%（2016年），苗薹期M1土壤微生物碳增加17.77%（2014年）、20.09%（2016年），處理間差異顯著（p＜0.05）；M2的土壤微生物碳也顯著高于 M0。即在返青-拔節(jié)期 M1和M2土壤微生物量碳分別平均增加24.7%，24.63%。2014年和2016年在成熟期的土壤微生物碳含量M1和M2低于M0，處理間差異不顯著。

由此可見，M1和M2可增加小麥返青期到孕穗期和油菜返青期到苗薹期的土壤微生物碳含量，且此階段土壤微生物碳增幅2015年高于2013年，2016年高于2014年。

圖2　不同覆膜方式對(duì)土壤微生物碳含量的影響Fig.2　Effects of film mulching on soil microbial biomass carbon content

2.2.2不同覆膜方式對(duì)土壤微生物氮的影響

不同覆膜方式對(duì)土壤微生物氮含量的影響存在差異（圖3）。小麥季，返青至拔節(jié)期，M1的土壤微生物氮含量較M0平均增加15.91%（2013年）、18.79%（2015年），處理間差異顯著（p＜0.05）；M2的土壤微生物氮含量較M0分別增加9.23%（2013年）、16.09%（2015年），處理間差異顯著（除2013年拔節(jié)期）。在孕穗期和成熟期，2013年M1和M2的土壤微生物氮顯著高于M0，2015年M1顯著低于M0。

油菜季，返青至苗薹期，M1的土壤微生物氮較M0平均增加12.32%（2014年）、24.52%（2016年），處理間差異顯著（除2014年苗薹期）；M2的土壤微生物氮也顯著高于M0。2014年在成熟期土壤微生物氮含量表現(xiàn)為M1＞M0＞M2，M1與M0差異顯著，M2與M0差異不顯著；2016年表現(xiàn)為M0＞M1＞M2，處理間差異不顯著。

圖3　不同覆膜方式對(duì)土壤微生物氮含量的影響Fig.3　Effects of film mulching on soil microbial biomass nitrogen content

由此可見，M1和M2可有利于提高小麥和油菜生長(zhǎng)前期的土壤微生物氮含量，且此階段土壤微生物氮增幅整體表現(xiàn)為2015年高于2013年，2016年高于2014年。

2.3　不同覆膜方式對(duì)土壤酶活性的影響

2.3.1不同覆膜方式對(duì)土壤脲酶活性的影響

由圖4可以看出，小麥季，返青至拔節(jié)期，M1的土壤脲酶活性較M0平均增加17.68%（2013年）、17.42%（2015年）；M2的較M0平均增加13.46%（2013年）、23.95%（2015年），差異顯著（p＜0.05）。在孕穗期和成熟期，M1和M2土壤脲酶活性顯著高于M0（除2013年孕穗期）。油菜季，返青期至成熟期，M1的土壤脲酶活性較M0平均增加16.29%（2014年）、16.94%（2016年），處理間差異顯著（p＜0.05）。2014和2016兩年的土壤脲酶活性均表現(xiàn)為M2顯著高于M0。

2.3.2不同覆膜方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

不同覆膜方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響存在差異（圖5）。

小麥全生育期內(nèi)，M1的土壤蔗糖酶活性較M0平均增加5.12%（2013年）、10.29%（2015年），處理間差異顯著（除2013年成熟期）。2015年各生育期M2的土壤蔗糖酶活性高于M0，2013年各生育期M2低于M0（除孕穗期）。

油菜季，在返青期、開花期、苗薹期、成熟期 M1的土壤蔗糖酶活性較M0分別平均增加9.03%、13.80%、7.04%、6.59%，處理間差異顯著（p＜0.05）。M2土壤蔗糖酶活性高于M0，在2016年苗薹期和兩年成熟期差異不顯著，其他生育期差異均達(dá)到顯著水平（p＜0.05）。

圖4　不同覆膜方式對(duì)土壤脲酶活性的影響Fig.4　Effects of film mulching on soil urease activity

圖5　不同覆膜方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響Fig.5　Effects of film mulching on soil sucrease activity

2.3.3不同覆膜方式對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響

由圖6可知，小麥季，2013年在返青期、拔節(jié)期M1的土壤堿性磷酸酶活性較 M0分別平均降低 12.08%、14.68%，處理間差異顯著（p＜0.05）。油菜季，2014和2016年在各生育期M1和M2均顯著低于M0，除2014年返青期和開花期。

由此看見，M1和M2可增加小麥和油菜生育前期的土壤脲酶和蔗糖活性，而堿性磷酸酶活性有所降低。同時(shí)，整個(gè)小麥和油菜生育前期中，2015年和2016年M1的土壤脲酶和蔗糖酶活性增幅整體高于 2013和2014年。

2.4　相關(guān)性分析

由表 3可知，土壤含水量與脲酶和堿性磷酸酶呈負(fù)相關(guān)，差異不顯著（p＞0.05），與微生物量碳、微生物量氮和蔗糖酶呈正相關(guān)，其中土壤含水量與土壤溫度、蔗糖酶呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。土壤溫度與微生物量碳、微生物量氮、脲酶、堿性磷酸酶呈顯著或極顯著正相關(guān)。土壤微生物量碳、微生物量氮與脲酶、蔗糖酶呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。

圖6　不同覆膜方式對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響Fig.6　Effects of film mulching on soil alkaline phosphatase activity

表3　土壤水分、溫度、微生物量碳氮和酶活性的相關(guān)分析Table 3　Correlation between soil moisture, temperature, microbial biomass carbon, nitrogen and enzyme activities

2.5　不同覆膜方式對(duì)冬小麥和油菜產(chǎn)量的影響

全膜穴播種植方式可顯著提高冬小麥和油菜的產(chǎn)量（表4）。2012-2013年和2013-2014年冬小麥和油菜生育期降雨量較多，M1和M2的冬小麥產(chǎn)量分別為7 188和6 784 kg/hm2，較M0分別提高19.56%和5.96%；M1和M2的油菜產(chǎn)量較M0提高了16.87%和9.21%，M1與M0差異顯著性（p＜0.05），M2與 M0差異不顯著。2014-2015和2015-2016年冬小麥和油菜生育期降雨量較少，春季無有效降雨，嚴(yán)重影響了冬小麥和油菜的出苗，致使各處理產(chǎn)量不高，M1和M2的冬小麥產(chǎn)量較M0提高41.31%和38.53%，差異顯著性（p＜0.05）；M1和M2的油菜產(chǎn)量較M0提高25.85% 和18.83%，差異顯著性（p＜0.05）。較 M0，M1和 M2多年冬小麥平均增產(chǎn)30.44%、22.25%；油菜平均增量21.36%、14.02%。

表4　不同覆膜方式對(duì)冬小麥和油菜產(chǎn)量的影響Table 4　Effects of film mulching on winter wheat and rape yield

3　討　論

地膜覆蓋能夠阻斷土壤水分的垂直蒸發(fā)和亂流，迫使膜下水分橫向遷移，減少水分的無效蒸散，從而達(dá)到蓄水保墑的目的。本試驗(yàn)結(jié)果表明，M1和M2可增加冬小麥拔節(jié)期和油菜開花期前的土壤溫度和土壤含水量，提高冬小麥和油菜產(chǎn)量。本試驗(yàn)冬小麥和油菜全生育期中 2012-2013、2013-2014年降雨量較多，2014-2015、2015-2016年降雨量少。其中，＞10 mm的降水，2015年春季0次，2016年僅為1次，為11.0 mm，且發(fā)生于播種后第219天。而這兩年M1和 M2在冬小麥拔節(jié)期和油菜開花期前的土壤含水量顯著高于M0，且增幅較2013和2014年大。這與侯慧芝等研究結(jié)果一致[5]。冬小麥拔節(jié)和油菜開花以后，由于M1和M2的冬小麥和油菜生長(zhǎng)旺盛，消耗大量的土壤水分，致使土壤含水量急劇下降，甚至低于M0。由此可見，全膜覆蓋可改善作物生長(zhǎng)前期土壤水熱條件，提高作物產(chǎn)量，且在降雨量少的年份效果較為明顯。

地膜覆蓋能夠大幅度提高土壤微生物活性[20-22]。本研究結(jié)果表明，作物生長(zhǎng)前期（冬小麥返青期-拔節(jié)期和油菜返青期-開花期），M1和M2可提高土壤微生物量碳、氮含量、脲酶、蔗糖酶活性。這是由于地膜覆蓋后，耕層土壤含水量增加[23]，地表溫度提高[24]，改善了春季地表水溫條件，有利于土壤微生物活的生長(zhǎng)和繁殖。生長(zhǎng)中后期（冬小麥孕穗期-成熟期和油菜苗薹期-成熟期），土壤含水量和土壤溫度伴隨著降雨量和氣溫的升高，環(huán)境因子得以改善，且M1和M2地上植株生長(zhǎng)較旺盛，消耗了大量的土壤水，故在此階段M1和M2的土壤微生物活性與M0差異不顯著或相反。此外，全膜穴播種植方式下土壤磷酸酶活性降低。土壤磷酸酶強(qiáng)弱與土壤 pH值有密切關(guān)系。本試驗(yàn)在土壤pH的測(cè)定中發(fā)現(xiàn)[25]，全膜覆蓋穴播種植方式（M1和 M2）的與傳統(tǒng)耕作方式（M0）相比土壤pH下降了近1個(gè)單位，pH的下降有利于石灰性土壤中磷酸鈣中磷的釋放，土壤無機(jī)磷含量升高不但抑制堿性磷酸酶活性，而且也影響根系合成堿性磷酸酶[26]，從而造成傳統(tǒng)耕作土壤堿性磷酸酶活性較地膜覆蓋的高。

植物和微生物的許多生命活動(dòng)需要水分的參與和溫度的保障。在旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物量和酶活性在作物生育期內(nèi)主要受環(huán)境條件（干濕、氣溫）和植物生長(zhǎng)等因子的綜合影響。Verburg等[27]發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)含量高或低的森林土壤中，土壤溫度的升高可使微生物活性增強(qiáng)。Mensah等[28]研究發(fā)現(xiàn)干旱的土壤因?yàn)樗诌M(jìn)入變得濕潤(rùn)后，土壤微生物碳的數(shù)量激增。葉德練等[29]研究表明免耕條件下灌溉方式與灌溉量顯著影響了土壤微生物活性，水分脅迫明顯抑制土壤微生物和土壤酶活性。程冬冬等[30]研究發(fā)現(xiàn)相同土壤含水量下，土壤脲酶活性在35 ℃顯著高于25 ℃，而土壤堿性磷酸酶活性在35 ℃低于25 ℃。本試驗(yàn)中，土壤微生物量碳、氮含量、蔗糖酶活性與土壤水分、溫度之間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，因此可以說全膜穴播種植方式顯著提高旱地土壤水分和土壤溫度，有助于土壤微生物碳、N含量和脲酶活性的提高。脲酶、蔗糖酶與土壤微生物量存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，表明土壤微生物對(duì)尿素和磷的水解能力較強(qiáng)?；趯?duì)土壤水熱環(huán)境和微生物活性的影響，M1和M2均可提高冬小麥和油菜產(chǎn)量，而且干旱年份的增加幅度更高

4　結(jié)　論

多年連續(xù)試驗(yàn)，較露地穴播，全膜覆土穴播M1和全膜穴播 M2種植方式均可提高冬小麥和油菜生長(zhǎng)前期土壤水分2.53%～15.85%，土壤增溫0.8～2.7℃，有助于土壤微生物量碳、氮含量、脲酶、蔗糖酶活性的提高，冬小麥平均分別增產(chǎn)30.44%、22.25%、油菜平均增量21.36%、14.02%，且在干旱年分效果較為明顯。土壤微生物量碳、氮含量、蔗糖酶活性與土壤水分、溫度之間存在顯著或極顯著的相關(guān)性。綜上所述，全膜穴播種植方式是適合該區(qū)旱作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效模式之一。

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