连续施用保水材料对旱作条件下土壤特性及燕麦生长的影响

马 斌,刘景辉,*,杨彦明,赵宝平,袁梦君,米俊珍

1 内蒙古农业大学,内蒙古杂粮工程技术研究中心,呼和浩特 010019 2 内蒙古大学,呼和浩特 010021

连续施用保水材料对旱作条件下土壤特性及燕麦生长的影响

马 斌1,刘景辉1,*,杨彦明1,赵宝平1,袁梦君2,米俊珍1

1 内蒙古农业大学,内蒙古杂粮工程技术研究中心,呼和浩特 010019 2 内蒙古大学,呼和浩特 010021

以坝莜一号为材料,研究连续4a施用保水材料聚丙烯酰胺(PAM)与聚丙烯酸钾(PAM-K),对旱作农田不同土层土壤微生物量变化与相应土层土壤含水量、容重、电导率、养分及燕麦生长的影响。结果表明,旱区农田施用PAM-K和PAM的微生态效应存在时空差异,以连续施用4a效果最佳,其大小顺序表现为连续施用4a>施用3a>2a>1a>对照。连续施用4a PAM-K和PAM,0—60 cm土层土壤含水量平均增加了27.18%和34.40%；土壤容重、土壤电导率分别平均降低了2.33%和6.64%、29.50%和22.70%；相对显著增加了耕层土壤养分(有机质、碱解氮、有效磷、速效钾)含量；土壤微生物生物量碳、氮、磷增幅平均达24.11%、31.89%、46.52%和69.96%、35.21%、52.70%,尤其是连续施用4a PAM,10—20cm土层土壤微生物量氮增幅达98.95%及0—10cm、20—40cm土层土壤微生物生物量碳和土壤微生物量磷的增加最明显,增幅分别达31.13%和74.49%、62.27%和49.91%。连续施用4a PAM-K和PAM,植株鲜重、干重、株高、籽粒产量,分别增加了90.53%和146.91%、101.56%和128.13%、33.67%和76.39%、19.27%和22.40%。可见,连续多年施用PAM-K和PAM对施入层(0—20 cm)和近施入层(20—40 cm)改善效果显著；PAM对旱区土壤的适宜性优于PAM-K,可改善土壤质量,提高作物产量。

保水材料；土壤含水量；土壤电导率；土壤容重；土壤养分；土壤微生物量；燕麦

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,在干旱和半干旱地区,保水材料的使用已经显示了潜在的改善土壤理化性质及促进一些作物品种增长的效果,广泛应用于农业节水和生态恢复[1]。保水材料可以提高土壤水分保持能力,稳定土壤结构,提高土壤渗透率,减少沟灌溉田水的使用、土壤养分流失及土壤侵蚀[2- 4]；保持大量的土壤水分和养分,在植物所需时的释放[5- 7],减少作物生育期间灌水量[8-9]。土壤微生物作为土壤养分循环的基础,参与土壤物质循环和能量转化之中,它促进土壤有机质的分解、腐殖质的形成及土壤养分循环和转换,是植物重要的养分来源[10],其易受到土壤环境变化的影响[11],而关于多年施用保水材料对土壤微生物量的研究较少[1]。Azzam研究证实保水材料可以促进种子萌发和出苗[12]。Li等室内研究表明施用保水材料有利于卷心菜的生长[1]。Yazdani等研究同样认为在干旱胁迫下,施用保水材料促进大豆生长,增加了生物产量[13]。Busscher等同样得出在美国东南海岸平原的深翻耕土壤,施用保水材料提高了沙质海岸平原作物产量[14]。

可见,关于保水材料的研究大多集中在短期对作物生长及土壤理化性质方面的影响,本研究以旱作燕麦田土壤为研究对象,通过4a定位试验,探讨连续多年施用保水材料PAM、PAM-K对旱作农田作物生长、产量及不同土层土壤微生物量C、N、P的变化特征及其影响因子,分析PAM、PAM-K对作物鲜重、干重、产量及土壤微生物量的影响,为了解不同保水材料对该地区作物生长及土壤微生物碳氮磷的影响及其作用机制提供基础数据与科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地情况

试验于2011—2014年在内蒙古清水河县一间房村进行,该地区是长城沿线典型的旱作丘陵地区,丘陵山地占90%以上,平均海拔1374 m,年平均温度7.1℃,≥10℃积温2 370℃,无霜期140 d,年日照时数为2914 h,年平均大风日数达19 d,年总辐射量为570.6 kJ/cm2,年均降雨量365 mm,年蒸发量2577 mm,属典型的中温带半干旱大陆性季风气候。试验地土壤类型为黄绵土,其中总孔隙度为43.65%,团聚体118.80 mg/kg,土壤体积质量为1.45 g/cm3,有机质含量10.25 g/kg,碱解氮45.10 mg/kg,速效磷7.40 mg/kg,速效钾123.80 mg/kg,pH为7.84。

1.2 试验材料

图1 两种保水材料化学结构式Fig.1 Chemical structure of Water-retaining materials PAM-K: 聚丙烯酸钾 Potassium Polyacrylate;PAM: 聚丙烯酰胺 polyacrylamide

供试燕麦品种为‘坝莜一号’；供试两种保水材料由北京汉力淼公司提供,属于高分子聚合物。聚丙烯酸钾(PAM-K)为淡黄色颗粒,分子量约1000万,密度为1.09g/cm3,溶于水、乙醇和异丙醇等,300℃以上易分解；聚丙烯酰胺(PAM)为白色颗粒状,分子量约2100万,密度为1.30 g/cm3,遇水膨胀,几乎不溶于有机溶剂,120℃以上易分解。PAM-K和PAM分别含有农作物生长所需营养元素钾和氮,化学结构式如图1所示：

1.3 试验设计

试验于2011年开始,设9个处理,随机区组设计,重复3次,小区面积4 m×5 m。其中对照(CK)不做任何处理,PAM-K和PAM各处理于每年5月25日(即播种前)分别均匀撒施于小区表面(表1),后进行旋耕,旋耕深度为15 cm。供试作物燕麦机播,播量150 kg/hm2,行距25 cm,其它管理同大田。

表1 试验设计

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

1.4 测定项目与方法

于2014年6月15日,燕麦苗期取土样及植物样,取0—10、10—20、 20—40、40—60、60—80 、80—100 cm土层土样进行土壤质量含水量(SMC)及土壤容重(SBD)的测定[15]。取植株地上部分进行鲜重(AFB)、干重(ADB)、株高(plant height,PTH)的测定[16]。用土钻随机钻取0—10、10—20、20—40、40—60 cm土层土壤样品,每个小区钻取五点,将土样混匀后带回实验室：一部分土壤自然风干后过1 mm筛,用于土壤化学性状指标的测定[17]有机质用K2Cr2O7滴定法(SOM)、碱解氮用NaOH-扩散法(N)、有效磷用NaHCO3-钼锑抗比色法(P)和速效钾用NH4OAc-火焰光度法(K),采用DDB- 11A便携式电导率仪进行土壤电导率(SEC)的测定(土∶水=1∶5)。另一部分新鲜的土样去除其中动植物残体,通过2 mm筛,用去离子水调节土壤样品湿度至40%田间持水量,于25 ℃下黑暗培养15 d,之后进行土壤微生物量的测定[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)计算公式为：MBC=EC/kEC,式中EC=熏蒸土样TOC-未熏蒸土样TOC,kEC=0.38,单位以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)计算公式为：MBN=mEmin-N,式中Emin-N=熏蒸土样值-未熏蒸土样值,m=5.00,单位以mg/g干土表示。

(3)土壤微生物生物量磷 熏蒸提取-全磷测定法。土壤微生物生物量磷(MBP)计算公式为：MBP=EPt/kp,式中EPt=熏蒸土样值-未熏蒸土样值,kp=0.40,单位以mg/g干土表示。

燕麦产量 于2014年9月20日燕麦成熟后,各小区随机选取1 m2测量籽粒及生物产量(折算公顷产量),计算穗粒数、千粒质量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 10.0进行绘图,采用 SAS 9.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验及R 3.3.1软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 两种保水材料对土壤理化学性质的影响

2.1.1 两种保水材料对土壤含水量的影响

从图2可知0—10 cm土层各处理SMC均在8.5%以下,不同PAM-K和PAM处理条件下SMC较CK增幅为-6.16%—25.93%和11.35%—37.76%,M4、M3、A4处理保水持水能力显著高于A2、A1及CK处理(P<0.05)；10—20 cm土层SMC为8.91%—11.98%,不同PAM-K、PAM处理均高于CK,M4、M3、A4和A3处理显著高于其他处理(P<0.01),较CK增幅为21.10%、19.12%、34.46%和15.31%；20—40 cm土层SMC为9.23%—13.46%,M4、A4处理较CK分别增加了34.65%和45.82%(P<0.01)；40—60 cm土层SMC为7.96%—11.12%,M4、A4处理较CK分别增加了25.68%和39.76%；60—80、80—100 cm土层不同处理SMC均在6.26%和5.90%左右,较为稳定。

图2 不同处理0—100 cm土层土壤质量含水量Fig.2 Soil moisture content in 0—100 cm soil layers under different treatments图中不同小写字母表示在0.05水平上的差异,数据为平均值±标准差(n=3)；CK：不施保水材料Without water-retaining material；A和M分别代表PAM-K和PAM,数字1、2、3和4分别代表只施入1a、连续2a施入、连续3a施入和连续4a施入

2.1.2 两种保水材料对土壤电导率的影响

图3 不同处理下0—60 cm土层土壤电导率 Fig.3 Soil electric conductivity in 0—60 cm soil layers under different treatmentsNS：不显著no significant

PAM-K和PAM处理下SEC均低于CK,其中A4和M4最优,0—10 cm土层分别较CK降低了38.44%和13.36%；10—20 cm土层SEC分别比CK降低了31.58%和34.41%(P<0.05)；20—40 cm土层SEC分别比CK降低了26.93%和28.29%(P<0.05)；40—60 cm土层SEC分别比CK降低了22.08%和28.09%(P<0.05)(图3)。

2.1.3 两种保水材料对土壤养分的影响

从图4可以看出,随着PAM-K和PAM施用年限的增加,各土层土壤有机质(SOM)、碱解氮(N)、有效磷(P)和速效钾(K)显著升高(P<0.05),0—60 cm土层土壤养分改善效果大小顺序为碱解氮>有机质>有效磷>速效钾。A4和M4处理增幅最大,0—10 cm土层碱解氮、有机质、有效磷、速效钾与CK比较,增幅分别为44.14%和51.95%、38.06%和44.96%、30.34%和33.01%、33.94%和14.64%；10—20 cm土层,升高幅度为47.24%和56.61%、27.56%和30.62%、27.96%和18.93%、9.74%和5.48%；20—40 cm土层升高幅度则为16.45%和32.78%、21.20%和31.41%、27.70%和21.86%、8.97%和5.14%；40—60 cm土层分别为27.59%和54.94%、20.76%和31.61%、15.73%和31.29%、12.75和11.53%。这表明,保水材料本身具有保肥的功能,可减少土壤养分过度损失[2]。同时,PAM-K与PAM中分别含作物所需的钾元素和氮元素,且每年施用量为75 kg/hm2折合5 kg/667m2,这也是连续四年施用PAM-K与PAM能显著增加土壤养分的原因之一。

图4 不同处理下0—60 cm土层土壤养分Fig.4 Soil nutrients in 0—60 cm soil layers under different treatments

2.1.4 两种保水材料对土壤容重的影响

由表2可知,9个处理播前SBD均低于收获后,这是由于经过一个生育时期,在其自身重力及其它因素的作用下,SBD显著增加,但是经过冬春休闲期,在冻融及生物作用影响下,SBD有所下降[19]。PAM-K、PAM各处理在0—100 cm土层SBD表现一致,随着土层深度的增加呈升-降-升的“N”型变化,表现为：0—10 cm<10—20 cm<60—80 cm<80—100 cm<40—60 cm <20—40 cm。以10—20 cm土层为例,CK处理SBD为1.57 g/cm3,显著高于M4、M3、M2、M1、A4、A3及A2处理,与A1处理无显著差异,不同处理(PAM-K、PAM)均低于CK,降幅为3.99%—14.20%。说明PAM-K、PAM减小了SBD,有利于根系的生长,对土壤培肥具有重要作用[19-21]。

表2 不同处理不同土层的土壤容重

表中同列不同小写字母表示在0.05水平上的差异

2.2 两种保水材料对土壤微生物量的影响

2.2.1 两种保水材料对土壤微生物量碳的影响

图5所示,0—60 cm范围内,随着土层深度的增加,各处理土壤微生物量碳(MBC)呈现“V” 型曲线规律,其中0—10、10—20、40—60 cm土层MBC显著高于20—40 cm土层。0—60 cm土层,随着施用年限的增加呈现增加的趋势,与CK相比,施用PAM-K、PAM可以显著提高MBC。其中0—10 cm土层M4、M3、A4处理显著高于M2、A2、M1、A1和CK处理,PAM-K及PAM处理分别较CK提高了3.85%—18.21%和1.94%—31.13%；10—20 cm土层、20—40 cm土层及40—60 cm土层均为M4处理最优,增幅为26.88%、62.27%和17.32%。可见施用PAM, PAM-K的年限不同,对不同土层MBC的影响存在一定的差异,对0—10 cm与20—40 cm土层的改善作用显著高于10—20 cm与40—60 cm土层。总体看,连续4a>连续3a>连续3a>1a,PAM处理优于PAM-K处理,但都提高了MBC对调节土壤环境和土壤碳储存的作用[22],增加了土壤有机质中易变化且活性高的部分,促进了养分的有效化,对土壤肥力和植物营养提供了重要的养分来源[23-24]。

图5 不同处理不同土层的土壤微生物量碳Fig.5 Soil microbial biomass C at different soil layers under different treatments

2.2.2 两种保水材料对土壤微生物量氮的影响

“国……国亡了！我……我也……老了！你们还年青，你们去救国吧！我的老骨头再……再也不中用了！我是个老亡国奴，我不会眼见你们把日本旗撕碎，等着我埋在坟里……也要把中国旗子插在坟顶，我是中国人！我要中国旗子。我不当亡国奴，生是中国人，死是中国鬼……不……不是亡……亡国奴……“

分析图6可知,0—60 cm范围内,随着土层深度的增加,各处理土壤微生物量氮(MBN)呈先上升后下降的趋势(CK除外),0—10、10—20、20—40 cm土层,MBN显著高于40—60 cm土层。0—60 cm土层,随着施用年限的增加MBN呈现增加的趋势,不同施用年限PAM-K、PAM处理对MBN影响不同,以10—20cm土层为例,MBN表现为M4 >A4>M3>A3>M2>A2>M1>A1>CK,A4与M4显著高于其他处理,与CK相比增幅为90.49%和98.95%。可见施用PAM-K、PAM促进了土壤微生物对有机氮矿化与固持作用,增加了土壤的活性氮“库”和“源”[25-26],对0—20 cm土层MBN改善作用最明显,犁底层(20—40 cm)、心土层(40—60 cm)改善效果依次减小,但也有显著的改善效果,以M4效果最佳。

图6 不同处理不同土层的土壤微生物量氮Fig.6 Soil microbial biomass N at different soil layers under different treatments

2.2.3 两种保水材料对土壤微生物量P的影响

土壤微生物量磷(MBP)是土壤有机磷中较活跃的部分,通过生物量磷释放的磷对作物生长相当重要,它与土壤微生物量碳、氮一样受环境因素影响很大[27]。如图7所示,随土层深度的增加各处理MBP呈下降的趋势,40—60 cm土层显著低于其他土层。0—60 cm土层,随着施用年限的增加MBP呈增加的趋势,PAM-K、PAM处理均优于CK。其中0—10 cm土层为M4处理显著高于其他处理,A1和CK处理差异不显著,PAM-K、PAM处理分别较CK提高了1.76%—52.04%和15.38%—74.49%。MBP周转速度快, 是提供作物有效磷的重要来源,因此施用PAM-K、PAM具有促进作物生长的作用,同时PAM-K、PAM也促进了0—20 cm土层MBP对于调控土壤磷的植物有效性及磷的生物地球化学循环的重要作用[26,28-31]。

图7 不同处理不同土层的土壤微生物量磷Fig.7 Soil microbial biomass P at different soil layers under different treatments

2.3 两种保水材料对燕麦生长特性的影响

2.3.1 两种保水材料对燕麦鲜干重及株高的影响

从图8可见,不同PAM-K、PAM处理条件下AFB均高于CK处理,分别较CK提高了0.00%、14.81%、36.01%、90.53%、72.02%、94.24%、127.98%和146.91%；ADB分别比CK提高了-6.25%、9.38%、15.63%、101.56%、76.56%、84.38%、128.13%和123.59%。显著性分析结果表明,M4、M3处理的AFB显著高于其他处理,M2、A4、M1处理显著高于A3、A2、A1、CK处理,A3处理显著高于A1、CK,A2、A1及CK处理间差异不显著。从图9可知,不同PAM-K、PAM处理下株高均高于CK处理,增幅为5.18%、11.72%、12.24%、33.67%、27.72%、28.76%、32.98%和76.39%,以A4和M4处理的燕麦株高增长最快,植株最高。

图8 不同处理下燕麦地上部分鲜干重 Fig.8 Oat aboveground fresh and dry biomass under different treatments

图9 不同处理下燕麦株高Fig.9 Oat plant height under different treatments

2.3.2 两种保水材料对燕麦产量及其构成因素的影响

表3 不同施用年限各处理燕麦产量及其构成因素的变化

2.4 PAM和PAM-K施用与燕麦生长特性及土壤理化性质之间的相关性

将燕麦籽粒产量与代表性最强的10—20 cm土层A4和M4处理土壤养分、含水量、容重、电导率、土壤微生物量C、微生物量N和微生物量P进行相关性分析,结果如图10所示。作物产量与土壤性状相关性分析可以看出,A4中P、SOM、MBC、K及SEC的相关性,与M4中N、MBC、K、SOM及SBD(按相关系数大小排序)的相关性,明显高于CK。微生物量与土壤性状相关性分析看出,A4中MBP与SEC和SBD相关性高于CK,M4中MBC和MBN与SBD的相关性高于CK。

图10 不同处理下燕麦产量及土壤理化性质之间的相关性Fig.10 Correlation analysis of grain yield and soil physical-chemical properties under different treatmentsSOM： 有机质 soil organic matter；N： 碱解氮 available N；P： 有效磷available P；K： 速效钾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： 土壤电导率soil electrical conductivity；GY: 籽粒产量 grain yield;彩色圆圈表示相关性(P < 0.05)

3 讨论

大量研究表明,保水材料具有超强吸水和保水的能力,施用当年能显著提高土壤水分保持能力[13,32-34]。本试验进一步研究表明,连续多年施用PAM和PAM-K能够显著提高施入层(0—20 cm)和近施入层(20—60 cm)土层SMC,且随着土层深度增加,受PAM-K和PAM影响减弱,但连续多年施用对远施入层(60—100 cm)土壤水分也有一定的影响。这是由于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黄绵土土壤质量,提高了旱作农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土层SEC均有所减小,其原因可能是施用保水材料能有效降低土壤含盐量[36-37],也可能是由于SEC受土壤水分运移特征的影响[38],施用PAM-K和PAM改变了0—60 cm土壤含水量,二者综合作用的结果。

施用PAM-K和PAM,降低施入层(0—20 cm)和近施入层(20—60 cm)土壤容重,与韩凤鹏等[39]研究结果相同。其原因一方面是PAM-K和PAM是一种线型水溶性高分子聚合物,分子量较大,分子链扩展较宽,具有增稠性、粘合性、絮凝性等特点,能够改善0—60土壤物理结构,另一方面施用PAM-K和PAM增加0—60 cm土壤有机质,改善了土壤的物理性状[40],降低0—60 cm土壤容重。

马海林等研究表明保水剂可显著提高侧柏容器苗根际MBC和MBN,改善侧柏根际土壤微生态环境[41]。连续多年施用PAM-K、PAM能显著增加MBC、MBN和MBP,这可能是PAM-K通过降低SEC和SBD,提高MBP；PAM通过降低SBD,提高MBC和MBN。其对土壤环境因子产生微小的改变,为土壤微生物提供了适宜的繁殖条件而导致土壤微生物量的变化[42],这也进一步表明保水材料对提高SMC及减小SBD、SEC有着重要的生态学意义。

本研究发现,PAM-K和PAM处理对改善10—20 cm土层MBN有显著的作用,其可能由于表土层(0—10 cm)影响因素大于稳定层(10—20 cm),因此改善效果没有稳定层(10—20 cm)改善效果显著,也可能由于PAM-K、PAM主要施入0—15 cm土层,因此对10—20 cm土层改善作用最显著；而连续多年施用PAM和PAM-K对SMBC和SMBP的影响主要集中在0—10 cm及20—40 cm土层,出现了交替影响的现象,需要进一步研究。

本研究中40—60 cm土层M4和A4处理SMBN最高可达6.25 g/kg和5.60 g/kg,较CK提高了133.27%和109.01%,可能是由于土壤自身质量差,连续4a施用PAM和PAM-K后40—60 cm土层SMBN改善显著。此外,连续多年施用PAM和PAM-K对SMBP的影响优于对SMBC及SMBN影响,这可能是由于PAM-K、PAM具有减小土壤板结程度的作用[43],而本研究也表明在旱作地区SBD是影响SMBP的关键因子,这进一步说明PAM和PAM-K改善旱作农业地区SBD的重要作用。

本研究中施用保水材料能够显著提高燕麦植株鲜重、干重、株高和产量,这与前人的研究结果相一致[1,6,32- 34 ]。推测其原因,可能是由于PAM-K通过提高P、SOM、MBC和K,增加0—60 cm土层土壤养分及减小0—60 cm土层SEC,减缓了旱作农业地区土壤降雨后地表形成结皮或结壳,使土壤透气性和可耕性得到改善[38,44],为作物生长发育提供更佳的土壤环境条件；PAM通过提高0—60 cm土壤N、MBC、K和SOM及减小了土壤施入层(0—20 cm)和近施入层(20—60 cm)SBD,有利于土壤水分的保持和运输,有效地缓解了土壤紧实对作物生长的障碍[45-46]。同时,PAM-K和PAM本身含有的营养元素,也影响了土壤养分和植株生长状况,进而促进作物产量的形成[20,40,47]。

4 结论

连续多年施用PAM-K和PAM能明显增加0—60 cm土层旱作燕麦田土壤水分、降低土壤容重和电导率,进而提高土壤养分,改善土壤微生态环境,有利于微生物量C、N、P增加,促进了作物生长,达到增产的累积效应,尤其是对10—20 cm土层微生物量N及0—10、20—40 cm土层微生物量C、微生物量P的增加显著,降低施入层(0—20 cm)和近施入层(20—60 cm)土壤容重与电导率,其作用效果为连续施用4a>连续3a>连续2a>仅1a>对照,并以PAM的效果优于PAM-K。因此,建议旱作农业地区应用聚丙烯酰胺作为土壤改良剂,并且连续施用多年,以达到改良土壤,使贫瘠干旱土壤地区丰收的目的,实现我国中低产田农业的可持续发展。

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

国家自然科学基金项目(31160267)；国家科技支撑计划资助项目(2015BAD22B04)；全国农业科研杰出人才及其创新团队；内蒙古自治区燕麦种质资源创新与利用科技创新团队(20140401)；国家现代农业产业技术体系(CARS-08-B-5)资助

2016- 04- 13; < class="emphasis_bold">网络出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201604130676

*通讯作者Corresponding author.E-mail: cauljh@163.com

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