土壤改良剂对燕麦土壤理化性状及微生物量碳的影响
发布时间：2022-03-18
摘要：采用聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、腐殖酸钾、聚丙烯酸钾+腐殖酸钾和聚丙烯酰胺+腐殖酸钾复配5种土壤改良剂，研究其对燕麦土壤理化性状及微生物量碳的影响。结果表明，不同土壤改良剂均能提高土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，各 指 标 分 别 比 对 照 增 加 了 8.24%～30.22%，7.60%～19.29%，5.15%～29.45%和27.86%～68.86%;各土壤改良剂处 理0-60cm 各土层土壤容重均有不同程度的降低，其中，聚丙烯酸钾+腐殖酸钾均降低幅度最大，各处理间差异不显著;各土壤改良剂均能显著提高0-10cm，10-20cm 和20-40cm 各土层>0.25mm 团聚体含量，其中>2mm 和2～1mm 土壤团粒结构增幅较大，聚丙烯酸钾+腐殖酸钾和聚丙烯酰胺+腐殖酸钾复配处理显著高于单施处理;土壤改良剂能促使燕麦全生育期内0-10cm，10-20cm 和20-40cm 各土层的土壤微生物量碳含量显著提高，复配较单施效果显著，随着土壤深度增加土壤微生物量碳逐层递减;各土壤改良剂处理籽粒产量和生物产量均显著高于对照，其中聚丙烯酸钾+腐殖酸钾和聚丙烯酰胺 +腐殖酸钾籽粒产量较其他处理高，分 别 为4694.2kg/hm2和4566.9kg/hm2，较对照增产21.66%和18.36%，两处理生物产量也表现较佳。
关键词：土壤改良剂;燕麦;土壤理化性状;土壤微生物量碳;产量
燕麦作为一种优质的粮饲兼用作物，在内蒙古的栽培面积约占全国的40%，居全国之首，其籽粒中含有丰富的蛋白质、脂肪、粗纤维等高营养物质，为我国北方地区人们喜爱的特色作物[1]。但由于生态环境的持续恶化，干旱缺水和土壤贫瘠成为内蒙古地区燕麦高产的主要限制因素。尤其是近年来，气候的全球性恶化导致该区水土流失，土壤质量严重退化，对燕麦生产造成了直接的威胁。在这种形势下，土壤改良剂的出现为解决上述问题提供了一个有效的途径。土壤改良剂能够有效地促进土壤团粒形成[2]、提高土壤保水性[3]、降低土壤容重、改善土壤理化性状和土壤养分状况[4]，并对土壤微生物产生积极影响，从而提高退化土壤的生产力[5]，增加作物产量[6]。目前关于燕麦的研究主要集中在遗传育种、抗病性及燕麦草加工等方面，但关于不同土壤改良剂对燕麦土壤理化性状及微生物量的影响研究甚少。本文通过研究不同土壤改良剂对燕麦土壤理化性状及土壤微生物量碳的变化情况，以期为该区土壤改良剂合理施用和燕麦高产优质生产提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2011年在内蒙古武川县大豆铺乡大田进行，位于41°10′N，111°36′E，属中温带大陆性季风气候，海拔1555m，年均气温2.6 ℃，年均降水量358.3mm，年均日照时数2787.9h，无霜期110d左右。试验地土壤为沙壤，耕层土壤有机质含量8.8g/kg，碱解氮含量32.4mg/kg，速 效 磷 含 量6.6mg/kg，速 效 钾 含 量54mg/kg，pH 为7.6。
1.2 试验材料与设计
供试作物：燕麦，品种为燕科1号。土壤改良剂：聚丙烯酸钾(PAA-K)，由东营华业新材料有限公司提供;聚丙烯酰胺(PAM)由唐山博亚公司提供;腐殖酸钾(HA-K)由内蒙古武川县农业局提供。所施肥料：磷酸二铵(N∶P2O5=18∶46)。
试验设6个处理：CK，不施(对照);A1，75kg/hm2PAA-K;A2，75kg/hm2PAA-K+1500kg/hm2 HA-K;A3，75kg/hm2PAM;A4，75kg/hm2PAM+1500kg/hm2 HA-K;A5，1500kg/hm2 HA-K。随机区组排列，重复3次，小区面积5m×6m。试验于2011年5月25日播种，9月25日成熟收获。播种前将不同土壤改良剂均匀撒施于各小区内，之后用旋耕机将其旋入地下，耕深15cm。旋耕后采用机播燕麦，播种量150kg/hm2，行距25cm，以150kg/hm2 磷酸二铵作为基肥在播种时同时施入。全生育期内田间管理同当地常规大田，无追肥，无灌水。
1.3 测定项目与数据处理
有机质用 K2Cr2O7 滴定法[7];速效氮用 NaOH-碱解扩散法[7];速效磷用 NaHCO3-钼锑抗比色法[7];速效钾用 NH4OAc-火焰光度法[7];土壤容重用环刀法[8];土壤粒级用筛分法进行级配试验[8];土壤微生物量碳用氯仿熏蒸 K2SO4 提取法[9];在燕麦收获时每小区实收2m2 进行测产，并取20株进行考种。试验数据均采用 Excel软件和SPSS13.0统计软件进行处理和分析。
2 结果与分析
2.1 土壤改良剂对土壤养分的影响
由表1可以看出，A1、A2、A3、A4和 A5土壤有机质含 量 分 别 比 对 照 增 加 15.93%，30.22%，10.99%，23.63%和8.24%，各处理均与 CK 达到显著差异，A2显著高于其他处理。土壤改良剂处理下土壤碱 解 氮、速 效 钾 和 速 效 磷 分 别 比 对 照 增加7.60%～19.29%，27.86%～68.86%和5.15%～29.45%。各 处 理 碱 解 氮 含 量 均 与 CK 差 异 显著，其中 A2和 A4显著高于其他处理，A1、A3、A5次之;各处理速效磷含量均与 CK 达到显著差异，A2含量最高，但与其他处理差异不显著;各处理速效钾含量除 A3外均与 CK 差异显著，A2显著高于其他处理，表现为：A2>A1>A4>A5>A3>CK，这是由于聚丙烯酸钾能够解离出钾离子使得速效钾含量增加，腐殖酸钾中也可释放出少量钾离子，在一定程度上使速效钾含量升高。
2.2 土壤改良剂对土壤容重的影响
由表2可 知，各 处 理 播 前 土 壤 容 重 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 其他因素作用下，土壤容重 显 著 增 加，但是经过冬春休闲期，在冻融及生物作用影响下，土壤容重有所下降。土壤改良剂对0-60cm 各层土壤容重均有不同程度的改善，对60-80cm 和80-100cm 土层无明显作用，0-10cm，10-20cm，20-40cm 和40-60cm各土层分别较对照降低1.38%～4.20%，1.34%～5.37%，1.32%～5.26%和0.65%～1.99%，降低幅度表现为10-20cm>20-40cm>0-10cm>40-60cm。各层中 A2均降幅最大，整体表现为：A2>A4>A1>A3>A5>CK，但各处理间差异均不显著。说明土壤改良剂对0-60cm 土壤容重有影响作用，而对10-20cm和20-40cm 影响较大，其中复配土壤改良剂由于自身特殊结构和相互耦合作用对改善土壤容重效果更佳。图1 土壤改良剂对不同土层土壤团聚体的影响
2.3 土壤改良剂对土壤团粒结构的影响
由图1可知，土壤改良剂对土壤各粒径团聚体含量的影响程度不同。随着土壤深度的增加，各处理的小团粒结构向大团粒结 构 转 化 程 度 增 加。在 不 同 土层土壤改良剂均使>0.5mm 团聚体含量增多，<0.5mm 团聚体含 量 减 少。各粒径团聚体增加最多的是>2mm 和2～1mm 部分，土壤团粒结构增加幅度较大。在0-10cm 土层中，<0.25mm 团聚体含量最多，其中 CK 团 聚 体 含 量 较 其 他 处 理 均 高，且 和 各 处理差异显著，>2mm 土壤团聚体含量最少，各处理其含量均显著高于 CK，其中 A2最高，A4次之，但土壤改良剂处理之间无显著差异，各粒径团聚体含量由高到低依次为<0.25mm，1～0.5mm，>2mm，2～1mm，0.5～0.25mm。10-20cm 土层，>2mm 土壤团聚体含量最高，各处理>2mm 团聚体含量顺序为：A2>A4>A1>A3>A5>CK，除 A3和 A5外，其他均与对照差异显著，0.5～0.25mm 团聚体含量最少，CK 其含量显著高于其他处理，A2与 A4差异不显著，但显著低于其他处理，A3和 A5差异不显著，但显著高于 A1、A2和 A4。各粒径团聚体含量由高到低依次为>2mm，<0.25mm，1～0.5mm，2～1mm，0.5～0.25mm。20-40cm 土 层 状 况 与10-20cm 土 层 相 似，但>2mm，2～1mm 和1～0.5mm 团聚体含量均高于0-10cm 和10-20cm，逐层递增，0.5～0.25mm 和<0.25mm 团聚体含量低于前2层。直径<0.25mm 团聚体聚合形成大团聚体(直径>0.25mm)，大团聚体破碎形成小团聚体，二者既互为基础又互为消长。因此，3个土层各处理>2mm，2～1mm 和1～0.5mm 团聚体含量均表现一致：A2>A4>A1>A3>A5>CK，而0.5～0.25mm 和<0.25mm 团聚体含量表现一致，但各处理顺序相图2 土壤改良剂对>0.25mm 土壤团聚体的影响反。各土层>2mm 和2～1mm 土壤团粒结构增幅较大。
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通常认为，>0.25mm 土壤团聚体可作为评价土壤结构的标准。由图2可见，土壤改良剂明显提高了>0.25mm 土壤团聚体 含 量，且随着土壤深度增加而增加。在 0-10cm 土 层，A1、A2、A3、A4 和 A5 分 别 较 对 照 增 加 了 12.85%，19.69%，11.04%，15.89%和5.38%，除 A5外均与 CK 差异显著，A2和A4与其他处理间差异显著，但二者差异不显著;10-20cm 土层，分别增加了13.76%，26.53%，11.63%，17.39%和7.87%，各处理均与 CK 差异显著，A2显著高于其他处理，A1与 A3和A4差异不显著，A4与 其 他 处 理 差 异 显 著;在20-40cm 分 别 增 加 了11.94%，18.40%，9.09%，15.35%和4.38%。各处理均与 CK 达显著差异，除 A4外 A2与其他处理均差异显著，A4显著高于除 A1和 A2外的其他处理，A1与 A3差异不显著。10-20cm 土层增量最多，其次是0-10cm 土层，20-40cm 土层较少。各土层不同处理较对照>0.25mm 土壤团聚体含量均表现一致：A2>A4>A1>A4>A5>CK。由此可知，土壤改良剂能明显提高0-40cm各土层>0.25mm团聚体含量，其影响程度表现为0-10cm>10-20cm>20-40cm。
2.4 土壤改良剂对土壤微生物量碳的影响
从图3可知，0-10cm，10-20cm 和20-40cm 土层各处理土壤微生物量碳含量均随着生育期的推进呈现单峰变化趋势，即苗期到抽穗期持续上升，抽穗期达到最大，抽穗期到成熟期又逐渐下降，各生育期表现为抽穗期>拔节期>灌 浆 期>成 熟 期 > 苗 期。全 生 育 期 0-10cm 土层 A1、A2、A3、A4和 A5各处理平均土壤 微 生 物量碳 分 别 较 对 照 增 加 了 48.32，70.55，45.13，68.46，30.78mg/kg，各改良剂处理土壤微生物量碳不同生育期均显著高于 CK，A2和 A4均显著高于其他处理，二者之间无显著差异，A1、A3和 A5之 间 差 异 不 显 著;10-20cm 土 层 各 处 理 较 对 照 分 别 增 加 了 44.09，72.19，42.66，58.63，30.74mg/kg，各改良剂处理土壤微生物量碳不同生育期均显著高于 CK，除苗期外其他生育期表现均同于0-10cm;20-40cm 土层各处理分别较对照增加了20.02，48.13，18.08，43.06，6.63mg/kg，各处理土壤微生物量碳不同生育期 A2和 A4显著高于 CK，其他处理间差异不显著。从土壤深度来看，各生育期所有处理土壤微生物量碳含量均随着土壤深度增加呈逐渐减小的趋势，即0-10cm>10-20cm>20-40cm，以抽穗期 A2处理为例，0-10cm 土层土壤微生物量碳含量最高，为241.68mg/kg，10-20cm 和20-40cm 分别为216.38mg/kg和126.04mg/kg，0-10cm 土层比10-20cm 土层高11.69%，10-20cm 土层比20-40cm 土层高71.68%，各层土壤均表现为：A2>A4>A1>A3>A5>CK。总之，各土壤改良剂处理均能提高土壤微生物量碳，且土壤微生物量碳随土层加深逐渐降低，处理间的差值范围也随之减小，抽穗期土壤微生物量碳含量较其他时期高，苗期最低。
2.5 土壤改良剂对燕麦产量及其构成因素的影响
从表3中可以看出，土壤改良剂处理下燕麦穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量和生物产量都高于对照，各土壤改良剂处理穗数除 A3和 A5与CK 差异不显著外，其他处理均与 CK 差异显著，其中 A2最高;从穗粒数看，除 A1、A3、A5外 其 他 处 理 均 显 著高于 CK，其中 A4较高;对于千粒重，除 A5外各处理均与 CK 呈显 著 差 异，各 处 理 比 对 照 增 加 了0.9～2.7g，大小顺序为：A2>A4>A3>A1>A5>CK;对照的穗数、穗粒数和千粒重都低于其他处理，根据单位面积产量=单位面积穗数×穗粒数×千粒重的关系，因而导致产量之间的差异，各土壤改良剂处理籽粒产量均显著高于对照，其中复配 A2和 A4籽粒产量较其他单施处理高，分别为4694.2kg/hm2 和4566.9kg/hm2，较对照增产21.66%和18.36%，A1、A3和 A5分别比对照增加16.91%，11.66%和8.01%;各处理生物产量A1、A2、A4显著高于对照，其他处理与对照差异不显著，各处理表现为：A2>A4>A1>A3>A5>CK。由此可知，土壤改良剂能够显著提高燕麦产量，也说明聚丙烯酸钾和聚丙烯酰胺与腐殖酸钾混施不仅不影响各自的增产效果，还能够产生交互作用，增产效果更加明显。
3 结论与讨论
土壤养分是土壤肥力的核心，是土壤综合肥力评价的根本。毛思帅等[10]研究发现，土壤经聚丙烯酸钾保水剂处理后，燕麦收获期土壤中全氮、速效磷和速效钾含量相对较多，原因可能是聚合物与土壤混在一起，自身结构吸附了水分和养分，当作物需要时，这些被吸附的水分和养分被释放出来。腐殖酸钾对土壤中的全量养分影响不明显，但可显著提高土壤速效氮、磷、钾含量[11]。本研究认为，聚丙烯酸钾、聚丙烯酸钾+腐殖酸钾、聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺+腐殖酸钾和腐殖酸钾均能显著提高土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，各指标分别比对照增加8.24%～30.22%，7.60%～19.29%，5.15%～29.45%和27.86%～68.86%，其中有机质、碱解氮和速效磷整体均表现为聚丙烯酸钾+腐殖酸钾>聚丙烯酰胺+腐殖酸钾>聚丙烯酸钾>聚丙烯酰胺>腐殖酸钾，速效钾表现为聚丙烯酸钾+腐殖酸钾>聚丙烯酸钾>聚丙烯酰胺+腐殖酸钾>腐殖酸钾>聚丙烯酰胺。
曹丽花等人[12]研究认为，施用 PAM、沃特保水剂、腐殖酸、β-环糊精土壤结构改良剂后的土壤，由于气孔结构的改善，其内部孔隙增多，因而土壤容重降低。本研究结果认为，土壤改良剂对0-60cm 各土层土壤容重均有不同程度的改善，对60-80cm 和80-100cm 土层无明显影响作用，0-10cm，10-20cm，20-40cm 和40-60cm 各土层土壤容重分别较对照 降 低1.38%～4.2%，1.34%～5.37%，1.32%～5.26%和0.65%～1.99%。各层中复配土壤改良剂由于自身特殊结构和相互耦合作用对改善土壤容重效果更佳，聚丙烯酸钾+腐殖酸钾降低幅度最大，各改良剂处理差异不显著。
聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺是水溶性高分子聚合物，分子链扩展较宽，且能够分散到土壤间隙中与土壤中的微小颗粒结合，微小颗粒之间表面形成双电层，并且产生电势差，从而增加了彼此间的吸附作用，使得土壤中较小粒级的颗粒向大粒级颗粒团聚。同时，聚丙烯酸盐具有较高的离子交换和吸附的能力，能吸附和粘结土壤微粒，促进土壤颗粒团聚。腐殖酸具有很强的凝结能力，能把分散的土壤颗粒聚集在一起，促使水稳性团粒结构的形成。聚丙烯酸盐能够促进土壤团粒结构的形成，特 别 是 对 土 壤1～0.5 mm 粒 径 的 团 粒 形 成 有 显 著 影响[13]。本试验结果认为，各土壤改良剂均能显著提高0-10cm，10-20cm 和20-40cm 各土层>0.25mm团聚体含量，0-40cm 平均分别较对照增加了12.85%，21.54%，10.59%，16.21%和5.88%，其中>2mm 和2～1mm 土壤团粒结构增幅较大，聚丙烯酸钾+腐殖酸钾和聚丙烯酰胺+腐殖酸钾复配处理显著高于单施处理，二者之间差异不显著。
对于土壤微生物量，大多数研究侧重于耕作方式及施肥对其的影响，而关于土壤改良剂对其的影响研究甚少。本研究认为，土壤改良剂能改善土壤结构和通透性，使土壤散水、散热、散气随之提高，根系分泌物相应增加，从而促使燕麦全生育期内0-10cm，10-20cm 和20-40cm 各土层的土壤微生物量碳含量显著提高，复配较单施效果显著，随着土壤深度增加土壤微生物量均呈逐层递减的趋势，且不同土层微生物量碳全生育期变化趋势一致，即苗期到成熟期先升后降，抽穗期达到最大值，这是由于抽穗期土壤温度较高，降水多使土壤湿度大，燕麦生长旺盛，根系生长活力较强，能供给土壤微生物充足的营养源，土壤微生物活跃;而生育前期和生育后期土壤温度较低，土壤含水量低，不利于微生物的生长和繁殖，微生物代谢变慢。这与沈宏等[14]的研究结果一致。但焦晓光等[15]研究认为，在大豆的生育期内不同施肥处理的土壤微生物量碳从播种期开始降低到生育中期降低，成熟期又升高，在大豆的生育中期土壤微生物量低主要是由于大豆在生长旺盛期根系对养分吸收强烈，而土壤中的养分不能既满足根系吸收又满足微生物繁殖的需要，因此土壤微生物量含量减少。这可能是由于不同作物对养分需求时期不同，且不同土质、不同降雨和不同气候条件等都会使土壤微生物量受到影响，还需要进一步探讨。
不同土壤改良剂都能改善土壤环境，增加作物可利用养分与水分，为作物生长发育提供良好的土壤环境条件，为作物优质高产打下良好的基础。在本研究中，聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、腐殖酸钾及其复配对燕麦产量及产量构成因素均有显著影响，各土壤改良剂处理籽粒产量均显著高于对照，其中聚丙烯酸钾+腐殖酸钾和聚丙烯酰胺+腐殖酸钾籽 粒 产 量 较 其 他 单 施 处 理 高，分 别 为 4694.2kg/hm2 和 4566.9kg/hm2，较 对 照 增 产21.66%和18.36%，各处理籽粒产量由高到低依次为聚丙烯酸钾+腐殖酸钾>聚丙烯酰胺+腐殖酸钾>聚丙烯酸钾>聚丙烯酰胺>腐殖酸钾>对照;生物产量也明显高于对照，效果最佳为聚丙烯酸钾+腐殖酸钾，其次为聚丙烯酰胺+腐殖酸钾，可以看出聚丙烯酸盐和聚丙烯酰胺与腐殖酸混施不仅不影响各自的增产效果，还能够产生交互作用，增产效果更加明显。结果与符云鹏等[16]的结果一致。——论文作者：刘慧军1，刘景辉1，于 健2，徐胜涛1，史吉刚2
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