黄土旱塬垄膜沟播小麦产量及土壤微生物量对施肥的响应.docx

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黄土旱塬垄膜沟播小麦产量及土壤微生物量对施肥的响应

黄土旱塬垄膜沟播小麦产量及土壤微生物量对施肥的响应*

李廷亮1,2孟丽霞3谢英荷1*高志强4洪坚平1,2马红梅1贾俊香1孟会生1

1山西农业大学资源与环境学院太谷030801

2山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心太谷030801

3山西省五台县气象局五台035502

4山西农业大学农学院太谷030801

摘要垄膜沟播种植是黄土旱塬麦田一种典型种植方式，覆膜条件下不同肥料肥效及其对微生物群落结构信息影响均不同。

本研究在晋南黄土旱塬冬小麦种植区，通过2年大田试验系统分析了传统农户施肥（FF）、监控施肥（MF）、监控施肥配施有机肥（MCF）和监控施肥配施生物有机肥（BMF）4种施肥措施对冬小麦产量形成及土壤微生物量碳、氮和磷的影响。

结果表明：

通过优化平衡施肥可显著提高黄土旱塬冬小麦产量，其中BMF处理籽粒产量最高，达4107-5400kghm-2，较FF处理高14.5%-23.2%（P<0.05）。

不同施肥措施主要通过影响成穗数来影响冬小麦的产量形成，对冬小麦穗粒数和千粒重影响均不显著。

土壤微生物量受冬小麦生育期进程和施肥措施共同影响，其中微生物量碳在拔节期至扬花期最高，微生物量氮、磷均在拔节期达最高值。

不同生育期间土壤微生物量碳、氮和磷的变化率总体在50%以下，而优化施肥措施对土壤微生物量碳、氮和磷的平均贡献率则可达90%。

配施生物有机肥或配施有机肥较单施化肥可显著提高冬小麦生育期土壤微生物量碳、氮和磷，但MCF和BMF处理间的土壤微生物碳和氮差异不显著，而BMF处理由于混合磷细菌的作用，其土壤微生物量磷较MCF处理高19.8%-47.1%（P<0.05）。

各处理土壤微生物量碳氮比和碳磷比分别在6.9-9.8和14.4-41.0，且均在冬小麦扬花期达最大值。

综上所述，在黄土旱塬垄膜沟播种植条件下，通过监控施肥配施生物有机肥可有效提高冬小麦产量和土壤微生物量。

（表4图2参39）

关键词黄土旱塬；冬小麦；施肥；产量；土壤微生物量

Responseofwinterwheatyieldandsoilmicrobialbiomasstofertilizationwithridgemulching-furrowplantingindryhighlandofLoessPlateau*

LITingliang1,2，MENGLixia3，XIEYinghe1，GAOZhiqiang4，HONGJianping1，MAHongmei1，JIAJunxiang1，MENGHuisheng1

1CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China

2NationalDemonstrationCenterforAgriculturalResourcesandEnvironmentExperimentalTeaching,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China

3Wutai County Meteorological Bureau,Wutai035502,China

4CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China

AbstractAsthetypicalplantingpatternofwinterwheatindryhighlandofLoessPlateau,ridgemulching-furrowplanting（RMFP）hasplayedanimportantroleinfertilizerefficiencyofdifferentfertilizers,andthenthedifferenceoffertilizerefficiencyfurthercausesthediversityofsoilmicrobialcommunitiesstructure.Theeffectsofdifferentfertilizationpracticesonwinterwheatyieldformation,soilmicrobialbiomasscarbon（SMBC）,soilmicrobialbiomassnitrogen（SMBN）andsoilmicrobialbiomassphosphorus（SMBP）wasinvestigatedbyfieldexperimentduring2014-2016inwinterwheatgrowingregionofdryhighlandinSouthernShanxi.Experimentincludingfourtreatments,farmerfertilization（FF）,monitoringfertilization（MF）,manurepluschemicalfertilizer（MCF）,bio-organicfertilizerpluschemicalfertilizer（BCF）.Obtainedresultsshowedthatasignificantincreasewasfoundinwinterwheatyieldbyoptimizedandbalancedfertilization,thegrainyieldofBCFwashighestamongalltreatments,withthevalueof4107-5400kghm-2,whichwas14.5%-23.2%（p<0.05）higherthanthatofFF.Theeffectsofdifferentfertilizationtreatmentsonthewinterwheatyieldformulationmainlydependedonspikenumber,however,noremarkableeffectwasfoundonkernelnumberperspikeand1000-grainweight.Soilmicrobialbiomasswasaffectedbybothgrowthperiodprogressedandfertilizationpatterns,thecontentofSMBCfromjointingtofloweringstagewashighestduringwinterwheatgrowthperiod,themaximumvaluesofSMBNandSMCPwerepresenttojointingstage.ThechangerateofSMBC,SMBNandSMBPduringthewholegrowthperiodwerelessthan50%,however,theaveragecontributionrateofoptimizedfertilizationonSMBC,SMBNandSMBPcouldreach90%.Comparedtosinglechemicalfertilizerapplication,thecombinedapplicationchemicalfertilizerandmanureorbio-organicfertilizercouldsignificantlyimprovethecontentsofSMBC,SMBNandSMBP,butthecontentsofSMBCandSMBNbetweenMCFandBCFhadnosignificantdifference,theSMBPofBCFwas19.8%-47.1%（P<0.05）higherthanthatofMCFowingtotheeffectofmixedphosphorusbacteria.ThesoilmicrobialbiomassC/NandC/Pofdifferenttreatmentswere6.9-9.8and14.4-41.0,respectively,andthemaximumvaluesoccurredatfloweringstage.Giventheabove,thecombinedapplicationreasonablechemicalfertilizerandbio-organicfertilizercaneffectivelyimprovethewinterwheatyieldandsoilmicrobialbiomassunderRMFPcultivationindryhighlandofLoessPlateau.

KeywordsdryhighlandofLoessPlateau;winterwheat;fertilizationpractices;soilmicrobialbiomass

小麦是黄土高原主要粮食作物之一，垄膜沟播是当地旱作小麦一种典型的种植方式，垄膜沟播种植可通过改善土壤水热状况，进而影响肥料肥效及产量形成，同时对土壤微生物群落结构也有一定影响。

土壤微生物是土壤生态系统各种物质转化和养分循环的驱动力，土壤微生物量是土壤活性养分的储存库。

微生物量因周期转化快和对环境变化的敏感性被作为土壤质量的预警指标，其变化可直接反应土壤微生物活性和土壤肥力状况，因此是国内外土壤学科研究的热点问题[1-2]。

地膜覆盖技术自1978年引入我国，大范围内粮食单产提高20%—30%，对保障我国粮食安全作出了重大贡献[3]。

地膜覆盖具有作物生育前期增温保湿和生育中期降温的小气候效应，可有效减少水分蒸发，促进土壤有机氮矿化，提高水分效率[4-5]。

前人研究表明覆膜后土壤水热条件发生变化，增加了土壤微生物活性及微生物量[6-7]。

覆膜可提高黄土高原苹果园土壤微生物群落的丰富度和功能多样性，但表现出随覆盖年限增加而迅速降低的趋势[8]。

而张成娥等人研究表明，黄土旱塬区地膜覆盖栽培下玉米各生长期土壤微生物量碳、氮均低于裸地种植，微生物量磷在不同生育期表现不同[9]。

于树等通过连续17年的长期定位试验研究则表明，长期地膜覆盖对土壤微生物碳和氮影响不显著，覆膜结合不同施肥条件下土壤微生物量变化趋势不同[10]。

也有研究发现覆膜可通过影响土壤pH和土壤碳氮比影响微生物功能[11]。

可见不同种植系统覆膜对土壤微生物群落结构的作用效果不尽相同，因此非常有必要开展黄土旱塬典型的“垄膜沟播”种植小麦土壤微生物量的研究，而目前该方面相关研究并不多。

另外肥料的投入不仅影响作物养分吸收，同时还会影响到土壤物理化学特性及土壤微生物群落结构。

Wei等人通过35年的长期定位试验研究表明重复使用有机肥或化肥均可以改善微生物活性，有机肥较化肥对微生物群落结构有更显著的影响[12]。

Geisseler和Scow利用Mete分析对64个长期定位试验点的数据总结发现，无机化肥施用下土壤微生物量较不施肥对照有15.1%的增幅，但无机化肥施用对pH<5的土壤微生物量有降低的趋势，对高pH的土壤微生物量有促进作用[13]。

而曹志平等人在高投入的高肥力农业生态系统中研究发现，单施化肥抑制了土壤微生物的活性，微生物生物量碳下降，通过有机物的投入可以减弱这种抑制作用[14]。

Xiong等人研究发现生物有机肥的施用可以减少土壤病害，重塑土壤微生物区系结构和功能[15]。

也有研究表明施用生物复混肥比使用等养分量的有机无机复混肥可显著提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落丰富度和功能多样性，显著增加土壤微生物量碳、氮、磷的含量[16]。

鉴于以上不同环境条件下地膜覆盖土壤微生物活性及微生物量变化情况不一，以及化肥减量化使用下有机肥部分替代化肥的生态需求，本文系统研究了黄土旱塬典型的“垄膜沟播”种植条件下，基于优化监控施肥的配施有机肥或生物有机肥对冬小麦产量及土壤微生物量的影响，以期为我国旱地冬小麦高产高效及土壤健康生产提供依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验于2014—2016年在晋南黄土旱塬冬小麦种植区（36°22′N，111°35′E，海拔648m）进行。

试验区年均气温12.6℃，≥10℃活动积温3327℃，无霜期180—210天，年均降水量约500mm，约70%集中在6—9月份，供试土壤为石灰性褐土。

依据卡庆斯基质地分类标准，试验区土壤质地为中壤土，pH7.6，耕层土壤有机质含量14.5gkg-1，全氮0.75gkg-1，硝态氮12.3mgkg-1，速效磷12.6mgkg-1，速效钾235.6mgkg-1，CEC为31.2cmolkg-1。

试验期间（2014年6月-2016年6月）降水量分布见图1。

图1冬小麦试验期间降水量分布情况

Fig.1Thedistributioncharacteristicsofprecipitationduringtheexperimentperiodofwinterwheat

1.2试验设计

试验共4个处理，处理1为农户施肥处理（FF），施肥量为农民当地习惯施肥，分别为N：

150kghm-2，P2O5：

60kghm-2；处理2为监控施肥处理（MF），具体施肥量采用“1m硝态氮监控施肥，0-40cm土层磷钾恒量施肥”技术[17]；处理3是配施有机肥处理（MCF），即在监控施肥基础上配施有机肥，具体根据测试结果和土壤等养分量供应原则，2014-2015年和2015-2016年分别配施有机肥2449kghm-2和2250kghm-2。

有机肥为腐熟鸡粪，养分含量为N：

1.68%，P2O5：

2.45%，K2O：

1.36%；处理4是配施生物有机肥处理（BMF），在监控施肥基础上配施生物有机肥，具体用量与处理3相同。

生物有机肥是指将拉恩式菌、假单胞菌1、假单胞菌2制成混合磷细菌菌液后，与鸡粪按照1：

9的比例混匀，其活菌数≥0.5×108CFU/g。

处理2、3、4的N、P2O5和K2O总养分供应量（来自土壤和外源肥料）相同。

所有处理的冬小麦种植方式均为垄膜沟播，具体为：

施肥整地后，起垄覆膜、沟内膜侧播种，播种2行，行距20cm，垄宽35cm，垄高10cm，沟宽30cm。

全部肥料做基肥在播种前一次性均匀撒入相应小区，翻入土壤耕层后耙平。

冬小麦供试品种为长8744，播量为150kghm-2，2年播种时间分别为10月1日和10月4日，收获时间在次年6月8日和6月9日，2015年6月中旬至9月下旬为夏休闲期。

每个处理重复4次，采用随机区组排列，由于地块大小原因，小区面积为210—520m2。

全生育期除自然降水外不灌溉。

1.3样品采集与测定方法

分别于冬小麦的返青期（2015年3月14日和2016年3月17日）、拔节期（2015年4月12日和2016年4月14日）、扬花期（2015年5月4日和2016年5月4日）和成熟期（2015年6月7日和2016年6月11日）采集0—20cm土样，一份新鲜样保存在4℃冰箱，用于土壤微生物量碳、氮和磷的测定，另一份风干备用（用于其他指标测定）。

（1）产量及产量构成在收获期于各小区中央收获3m×20m样方小麦，脱粒计产，并代表性选取3个1m长的小麦样段，调查穗数、穗粒数及千粒重。

（2）土壤微生物量碳（SMBC）参照氯仿熏蒸提取—容量分析法[18]，称取过2mm筛的新鲜土壤25g，用氯仿熏蒸后在25℃暗室条件下培养24h后，用100mL0.5molL-1K2SO4溶液浸提（w：

v=1:

4），震荡30min（300rev/min），过滤，滤液中的有机碳采用重铬酸钾氧化—分光光度法测定，同时做没有氯仿熏蒸对照处理，并采用烘干法测定土壤含水量。

土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸样品碳含量之差除以转化系数0.38计算获得。

（3）土壤微生物量氮（SMBN）采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定[19]上述0.5molL-1K2SO4浸提液中总氮，同时做没有氯仿熏蒸对照处理。

土壤微生物量氮以熏蒸和未熏蒸样品总氮含量之差除以转化系数0.54计算获得。

（4）土壤微生物量磷（SMBP）采用氯仿熏蒸—全磷测定法[18]，称取过2mm筛的新鲜土壤5g，用氯仿熏蒸后在25℃暗室条件下培养24h后，用100mL0.5molL-1NaHCO3溶液浸提（w：

v=1:

20），震荡30min（300rev/min），过滤，滤液中全磷通过消化测定，同时做没有氯仿熏蒸对照处理。

土壤微生物量磷含量以熏蒸和未熏蒸样品全磷含量之差除以转化系数0.4计算获得。

1.4计算和统计方法

试验数据用Excel2013软件整理作图，并用SPASS19.0软件对数据进行单因素方差分析与相关性分析。

2结果与分析

2.1不同施肥处理对黄土旱塬小麦产量的影响

试验期间，不同处理间籽粒产量和经济产量分别在3334-5400kghm-2和7367-12559kghm-2之间（表1），2014—2015年度小麦产量整体高于2015—2016年度，原因与2014—2015年度降水量（509.2mm）高于2015—2016年度降水量（324.1mm）有关。

鉴于试验期间冬小麦产量因降水差异引起的年际差异性远远大于施肥处理间的差异，年度和施肥处理双因素方差分析会掩盖施肥之间的差异，本文只进行了相同年份下不同施肥处理间的单因素分析。

各施肥处理产量效益总体表现为监控施肥、配施有机肥和配施生物有机肥均显著高于传统农户施肥处理，其中以配施生物有机肥处理（BMF）经济产量最高，分别较农户模式（FF）和测控施肥（MF）处理高14.5%-23.2%（P<0.05）和6.9%-7.4%（P<0.05），而配施生物有机肥处理（BMF）和配施有机肥处理（MCF）之间经济产量差异不显著，但均高于赵护兵等[27]调研的西北典型区域旱地冬小麦平均产量3729kghm-2。

从产量构成来看，通过监控平衡施肥可提高旱地小麦公顷穗数，其中配施生物有机肥处理（BMF）的公顷穗数显著高于其他处理，2年平均为605万hm-2。

不同处理间穗粒数和千粒重差异不显著，平均值分别为23.5和43.2。

在施肥和年际差异综合作用下，黄土旱塬冬小麦公顷穗数、穗粒数和千粒重的变异系数分别为18.1%，5.1%和2.4%。

相关性分析表明，籽粒产量与公顷穗数、穗粒数及千粒重的相关系数分别为0.9154**、0.3387和0.1291（n=8，r0.01=0.834），说明不同施肥措施主要是通过影响成穗数来影响黄土旱塬冬小麦的产量形成。

表1不同施肥处理对黄土旱塬冬小麦产量及产量构成的影响

Table1Effectsofdifferentfertilizationtreatmentsonyieldandyield-compositionofwinterwheatinLoessDrylandregion

年份

Year

处理

Treatment

籽粒产量

Grainyield

（ρ/kghm-2）

生物产量

Biologicalyield

（ρ/kghm-2）

穗数

Spikenumber

（n/104/hm-2）

穗粒数

Kernelnumberperspike

（N）

千粒重/g

1000-grainweight

（m/g）

2014-2015

FF

4716.0c

10222.8c

550.7c

23.8a

42.2b

MF

5050.9b

11572.7b

641.3bc

24.3a

42.1b

MCF

5236.3ab

12179.4a

657.0b

23.1a

43.6a

BMF

5400.0a

12559.0a

695.6a

23.6a

44.1a

2015-2016

FF

3334.1c

7367.2c

450.2b

22.0b

41.7b

MF

3825.4b

8360.2ab

487.2ab

21.6b

44.1a

MCF

3944.9ab

8152.9b

447.3b

25.2a

43.8a

BMF

4107.2a

8673.3a

513.7a

24.1a

44.2a

同一年份同列不同小写字母表示5%水平上的差异显著；FF：

农户施肥；MF：

化肥；MCF：

化肥配施有机肥，BMF：

化肥配施生物有机肥。

Valuesfollowedbydifferentsmallletterswithinacolumninthesameyearindicatesignificantdifferencesatthe0.05level;FF:

FarmerFertilization;MF:

MonitoringFertilization;MCF:

ManureplusChemicalFertilizer;BMF:

Bio-organicfertilizerplusChemicalFertilizer.

2.2不同施肥处理对土壤微生物量碳的影响

黄土旱塬垄膜沟播种植条件下，冬小麦生育期土壤微生物量碳从返青期至收获期整体上呈先增加而降低的趋势，微生物量碳总体变幅较大（图1）。

2014—2015年各处理微生物量碳总体在拔节期最高，为196.2-356.0mgkg-1。

2015-2016年总体在杨花期最高，达239.5-423.2mgkg-1。

但两年度均表现为在成熟期显著降低，为102.0-299.1mgkg-1。

原因可能是土壤微生物量碳与土壤水热状况及根系活性有关，拔节期至扬花期小麦营养生长阶段，根系活性高，水热条件也有利于微生物代谢活动，土壤微生物量碳含量处于高峰阶段。

扬花期后小麦进入生殖生长阶段，根系活性降低，地膜覆盖下耕层土壤温度升高，土壤微生物量碳在逐渐减少。

在冬小麦整个生育期，不同处理之间以BMF处理和MCF处理微生物量碳最高，较FF处理高63.2%-148.2%（P<0.05），其中MCF处理更能促进土壤微生物新陈代谢，微生物量碳较BMF处理高5.1%-29.3%，但二者差异基本不显著。

两年试验期，MF处理微生物量碳较FF处理有11.6%-59.9%的提高，且在2014—2015年的返青期和成熟期以及2015—2016年的拔节期和扬花期，两处理间差异达显著水平。

2015-2016y

2014-2015y

图2冬小麦生育期不同施肥处理下土壤微生物量碳。

同一