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］，對我國農(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比研究，并深入研究其對區(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)耕作無保水措施的對照（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，裝于無菌自封袋中作待測樣品，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 測定方法

1.4.1 土壤水分測定

于小麥生長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法測定［12］。對小麥生育早期分蘗期和后期灌漿期采集的新鮮土樣進(jìn)行測定。

1.4.3 小麥產(chǎn)量

小麥?zhǔn)斋@期，對每小區(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，測其穗粒數(shù)，將采集的小麥穗全部烘干后，脫粒，測千粒重。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之間無顯著差異，均顯著高于對照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照T，但是它們之間無顯著差異。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 不同保水措施對土壤水分的影響

綜上，保水劑和生物炭對砂質(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，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，分別比對照T處理增加212.7%、80.1%和203.4%，以TS和TS+W最高，二者無顯著差異。隨著小麥生育期的延長，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 不同保水措施對小麥產(chǎn)量的影響

不同保水措施對小麥產(chǎn)量影響見表2，與對照處理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，但二者無顯著差異。從處理T、處理TB和處理TS+B對比可以看出，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養(yǎng)底物，顯著增加了土樣的微生物數(shù)量，營養(yǎng)物質(zhì)的改變也會引起土壤微生物結(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，作為微生物的生長底物分解代謝，而生物炭相對比較穩(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)，提高水分對小麥的增產(chǎn)作用，除了直接作用還有水分對砂質(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，生物炭在土壤中會發(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離子交換能力，但其缺乏對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。