連續施用保水材料對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,袁夢君,米俊珍

1 內蒙古農業大學,內蒙古雜糧工程技術研究中心,呼和浩特 010019 2 內蒙古大學,呼和浩特 010021

連續施用保水材料對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,袁夢君2,米俊珍1

1 內蒙古農業大學,內蒙古雜糧工程技術研究中心,呼和浩特 010019 2 內蒙古大學,呼和浩特 010021

以壩莜一號為材料,研究連續4a施用保水材料聚丙烯酰胺(PAM)與聚丙烯酸鉀(PAM-K),對旱作農田不同土層土壤微生物量變化與相應土層土壤含水量、容重、電導率、養分及燕麥生長的影響。結果表明,旱區農田施用PAM-K和PAM的微生態效應存在時空差異,以連續施用4a效果最佳,其大小順序表現為連續施用4a>施用3a>2a>1a>對照。連續施用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、土壤電導率分別平均降低了2.33%和6.64%、29.50%和22.70%；相對顯著增加了耕層土壤養分(有機質、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24.11%、31.89%、46.52%和69.96%、35.21%、52.70%,尤其是連續施用4a PAM,10—20cm土層土壤微生物量氮增幅達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31.13%和74.49%、62.27%和49.91%。連續施用4a PAM-K和PAM,植株鮮重、干重、株高、籽粒產量,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%。可見,連續多年施用PAM-K和PAM對施入層(0—20 cm)和近施入層(20—40 cm)改善效果顯著；PAM對旱區土壤的適宜性優于PAM-K,可改善土壤質量,提高作物產量。

保水材料；土壤含水量；土壤電導率；土壤容重；土壤養分；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,保水材料的使用已經顯示了潛在的改善土壤理化性質及促進一些作物品種增長的效果,廣泛應用于農業節水和生態恢復[1]。保水材料可以提高土壤水分保持能力,穩定土壤結構,提高土壤滲透率,減少溝灌溉田水的使用、土壤養分流失及土壤侵蝕[2- 4]；保持大量的土壤水分和養分,在植物所需時的釋放[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分循環的基礎,參與土壤物質循環和能量轉化之中,它促進土壤有機質的分解、腐殖質的形成及土壤養分循環和轉換,是植物重要的養分來源[10],其易受到土壤環境變化的影響[11],而關于多年施用保水材料對土壤微生物量的研究較少[1]。Azzam研究證實保水材料可以促進種子萌發和出苗[12]。Li等室內研究表明施用保水材料有利于卷心菜的生長[1]。Yazdani等研究同樣認為在干旱脅迫下,施用保水材料促進大豆生長,增加了生物產量[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海岸平原作物產量[14]。

可見,關于保水材料的研究大多集中在短期對作物生長及土壤理化性質方面的影響,本研究以旱作燕麥田土壤為研究對象,通過4a定位試驗,探討連續多年施用保水材料PAM、PAM-K對旱作農田作物生長、產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對作物鮮重、干重、產量及土壤微生物量的影響,為了解不同保水材料對該地區作物生長及土壤微生物碳氮磷的影響及其作用機制提供基礎數據與科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地情況

試驗于2011—2014年在內蒙古清水河縣一間房村進行,該地區是長城沿線典型的旱作丘陵地區,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,年日照時數為2914 h,年平均大風日數達19 d,年總輻射量為570.6 kJ/cm2,年均降雨量365 mm,年蒸發量2577 mm,屬典型的中溫帶半干旱大陸性季風氣候。試驗地土壤類型為黃綿土,其中總孔隙度為43.65%,團聚體118.80 mg/kg,土壤體積質量為1.45 g/cm3,有機質含量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 試驗材料

圖1 兩種保水材料化學結構式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’；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,幾乎不溶于有機溶劑,120℃以上易分解。PAM-K和PAM分別含有農作物生長所需營養元素鉀和氮,化學結構式如圖1所示：

1.3 試驗設計

試驗于2011年開始,設9個處理,隨機區組設計,重復3次,小區面積4 m×5 m。其中對照(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表面(表1),后進行旋耕,旋耕深度為15 cm。供試作物燕麥機播,播量150 kg/hm2,行距25 cm,其它管理同大田。

表1 試驗設計

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

1.4 測定項目與方法

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土層土樣進行土壤質量含水量(SMC)及土壤容重(SBD)的測定[15]。取植株地上部分進行鮮重(AFB)、干重(ADB)、株高(plant height,PTH)的測定[16]。用土鉆隨機鉆取0—10、10—20、20—40、40—60 cm土層土壤樣品,每個小區鉆取五點,將土樣混勻后帶回實驗室：一部分土壤自然風干后過1 mm篩,用于土壤化學性狀指標的測定[17]有機質用K2Cr2O7滴定法(SOM)、堿解氮用NaOH-擴散法(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便攜式電導率儀進行土壤電導率(SEC)的測定(土∶水=1∶5)。另一部分新鮮的土樣去除其中動植物殘體,通過2 mm篩,用去離子水調節土壤樣品濕度至40%田間持水量,于25 ℃下黑暗培養15 d,之后進行土壤微生物量的測定[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-全磷測定法。土壤微生物生物量磷(MBP)計算公式為：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。

燕麥產量 于2014年9月20日燕麥成熟后,各小區隨機選取1 m2測量籽粒及生物產量(折算公頃產量),計算穗粒數、千粒質量。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 10.0進行繪圖,采用 SAS 9.0統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗及R 3.3.1軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 兩種保水材料對土壤理化學性質的影響

2.1.1 兩種保水材料對土壤含水量的影響

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處理條件下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,較為穩定。

圖2 不同處理0—100 cm土層土壤質量含水量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,數據為平均值±標準差(n=3)；CK：不施保水材料Without water-retaining material；A和M分別代表PAM-K和PAM,數字1、2、3和4分別代表只施入1a、連續2a施入、連續3a施入和連續4a施入

2.1.2 兩種保水材料對土壤電導率的影響

圖3 不同處理下0—60 cm土層土壤電導率 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,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 兩種保水材料對土壤養分的影響

從圖4可以看出,隨著PAM-K和PAM施用年限的增加,各土層土壤有機質(SOM)、堿解氮(N)、有效磷(P)和速效鉀(K)顯著升高(P<0.05),0—60 cm土層土壤養分改善效果大小順序為堿解氮>有機質>有效磷>速效鉀。A4和M4處理增幅最大,0—10 cm土層堿解氮、有機質、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,可減少土壤養分過度損失[2]。同時,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,這也是連續四年施用PAM-K與PAM能顯著增加土壤養分的原因之一。

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

2.1.4 兩種保水材料對土壤容重的影響

由表2可知,9個處理播前SBD均低于收獲后,這是由于經過一個生育時期,在其自身重力及其它因素的作用下,SBD顯著增加,但是經過冬春休閑期,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表現一致,隨著土層深度的增加呈升-降-升的“N”型變化,表現為：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 兩種保水材料對土壤微生物量的影響

2.2.1 兩種保水材料對土壤微生物量碳的影響

圖5所示,0—60 cm范圍內,隨著土層深度的增加,各處理土壤微生物量碳(MBC)呈現“V” 型曲線規律,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增加的趨勢,與CK相比,施用PAM-K、PAM可以顯著提高MBC。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,增幅為26.88%、62.27%和17.32%。可見施用PAM, PAM-K的年限不同,對不同土層MBC的影響存在一定的差異,對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。總體看,連續4a>連續3a>連續3a>1a,PAM處理優于PAM-K處理,但都提高了MBC對調節土壤環境和土壤碳儲存的作用[22],增加了土壤有機質中易變化且活性高的部分,促進了養分的有效化,對土壤肥力和植物營養提供了重要的養分來源[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，你們去救國吧！我的老骨頭再……再也不中用了！我是個老亡國奴，我不會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,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(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呈現增加的趨勢,不同施用年限PAM-K、PAM處理對MBN影響不同,以10—20cm土層為例,MBN表現為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%。可見施用PAM-K、PAM促進了土壤微生物對有機氮礦化與固持作用,增加了土壤的活性氮“庫”和“源”[25-26],對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 兩種保水材料對土壤微生物量P的影響

土壤微生物量磷(MBP)是土壤有機磷中較活躍的部分,通過生物量磷釋放的磷對作物生長相當重要,它與土壤微生物量碳、氮一樣受環境因素影響很大[27]。如圖7所示,隨土層深度的增加各處理MBP呈下降的趨勢,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,PAM-K、PAM處理均優于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具有促進作物生長的作用,同時PAM-K、PAM也促進了0—20 cm土層MBP對于調控土壤磷的植物有效性及磷的生物地球化學循環的重要作用[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 兩種保水材料對燕麥生長特性的影響

2.3.1 兩種保水材料對燕麥鮮干重及株高的影響

從圖8可見,不同PAM-K、PAM處理條件下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 兩種保水材料對燕麥產量及其構成因素的影響

表3 不同施用年限各處理燕麥產量及其構成因素的變化

2.4 PAM和PAM-K施用與燕麥生長特性及土壤理化性質之間的相關性

將燕麥籽粒產量與代表性最強的10—20 cm土層A4和M4處理土壤養分、含水量、容重、電導率、土壤微生物量C、微生物量N和微生物量P進行相關性分析,結果如圖10所示。作物產量與土壤性狀相關性分析可以看出,A4中P、SOM、MBC、K及SEC的相關性,與M4中N、MBC、K、SOM及SBD(按相關系數大小排序)的相關性,明顯高于CK。微生物量與土壤性狀相關性分析看出,A4中MBP與SEC和SBD相關性高于CK,M4中MBC和MBN與SBD的相關性高于CK。

圖10 不同處理下燕麥產量及土壤理化性質之間的相關性Fig.10 Correlation analysis of grain yield and soil physical-chemical properties under different treatmentsSOM： 有機質 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： 土壤電導率soil electrical conductivity；GY: 籽粒產量 grain yield;彩色圓圈表示相關性(P < 0.05)

3 討論

大量研究表明,保水材料具有超強吸水和保水的能力,施用當年能顯著提高土壤水分保持能力[13,32-34]。本試驗進一步研究表明,連續多年施用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,但連續多年施用對遠施入層(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量,提高了旱作農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,分子鏈擴展較寬,具有增稠性、粘合性、絮凝性等特點,能夠改善0—60土壤物理結構,另一方面施用PAM-K和PAM增加0—60 cm土壤有機質,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柏容器苗根際MBC和MBN,改善側柏根際土壤微生態環境[41]。連續多年施用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MBP；PAM通過降低SBD,提高MBC和MBN。其對土壤環境因子產生微小的改變,為土壤微生物提供了適宜的繁殖條件而導致土壤微生物量的變化[42],這也進一步表明保水材料對提高SMC及減小SBD、SEC有著重要的生態學意義。

本研究發現,PAM-K和PAM處理對改善10—20 cm土層MBN有顯著的作用,其可能由于表土層(0—10 cm)影響因素大于穩定層(10—20 cm),因此改善效果沒有穩定層(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10—20 cm土層改善作用最顯著；而連續多年施用PAM和PAM-K對SMBC和SMBP的影響主要集中在0—10 cm及20—40 cm土層,出現了交替影響的現象,需要進一步研究。

本研究中40—60 cm土層M4和A4處理SMBN最高可達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量差,連續4a施用PAM和PAM-K后40—60 cm土層SMBN改善顯著。此外,連續多年施用PAM和PAM-K對SMBP的影響優于對SMBC及SMBN影響,這可能是由于PAM-K、PAM具有減小土壤板結程度的作用[43],而本研究也表明在旱作地區SBD是影響SMBP的關鍵因子,這進一步說明PAM和PAM-K改善旱作農業地區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、株高和產量,這與前人的研究結果相一致[1,6,32- 34 ]。推測其原因,可能是由于PAM-K通過提高P、SOM、MBC和K,增加0—60 cm土層土壤養分及減小0—60 cm土層SEC,減緩了旱作農業地區土壤降雨后地表形成結皮或結殼,使土壤透氣性和可耕性得到改善[38,44],為作物生長發育提供更佳的土壤環境條件；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輸,有效地緩解了土壤緊實對作物生長的障礙[45-46]。同時,PAM-K和PAM本身含有的營養元素,也影響了土壤養分和植株生長狀況,進而促進作物產量的形成[20,40,47]。

4 結論

連續多年施用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率,進而提高土壤養分,改善土壤微生態環境,有利于微生物量C、N、P增加,促進了作物生長,達到增產的累積效應,尤其是對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)土壤容重與電導率,其作用效果為連續施用4a>連續3a>連續2a>僅1a>對照,并以PAM的效果優于PAM-K。因此,建議旱作農業地區應用聚丙烯酰胺作為土壤改良劑,并且連續施用多年,以達到改良土壤,使貧瘠干旱土壤地區豐收的目的,實現我國中低產田農業的可持續發展。

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

國家自然科學基金項目(31160267)；國家科技支撐計劃資助項目(2015BAD22B04)；全國農業科研杰出人才及其創新團隊；內蒙古自治區燕麥種質資源創新與利用科技創新團隊(20140401)；國家現代農業產業技術體系(CARS-08-B-5)資助

2016- 04- 13; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201604130676

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

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