保水劑與微生物菌肥配施對黃土高原旱作燕麥生長及水分利用的影響

田 露, 劉景輝, 趙寶平, 米俊珍, 李英浩, 費 楠

(內蒙古農業大學/內蒙古農業大學雜糧產業協同創新中心, 內蒙古 呼和浩特 010019)

黃土高原內蒙古段是中國北方典型旱作農業生產區域。該區域降雨量少且分布不均勻，土壤水分虧缺是制約其農業生產的重要因素[1]。如何提高該區域農業生產中對有限降水的利用顯得尤為重要。保水劑是近年來研究發現在旱作農業生產中具有較好保水效果的高分子材料，它不溶于水、具有高膨脹性和吸水力，被稱為土壤“微型水庫”，具有蓄水保墑作用[2]。大量研究表明，保水劑在保持旱作農田土壤水分，促進作物生長以及增產上具有明顯效果[3-6]。目前，保水劑在農業生產中的應用還集中在單施及其與化肥、有機肥等配施方面[7-8]。然而，保水劑單施存在功能單一問題，配施化肥、有機肥又存在投入高和利用率低的問題[9]。微生物菌肥是一種以添加有效微生物菌來改善土壤環境的有機肥料[10]，能夠增加土壤肥力，改善土壤結構，增強作物抗逆性，改善作物品質等[11-12]，具有培肥地力，提高化肥利用率的效果[13]。但微生物菌肥施用受環境條件限制，在不同水分條件、不同肥力條件、不同土壤類型等影響下，效果均表現不一致[14]。目前關于微生物菌肥在農業生產中的應用多集中在單施及其與化肥的配施方面[15-18]。關于將保水劑與微生物菌肥配施的研究僅見其應用于半干旱區造林中[19-21]，未見相關應用于農作物的研究。本研究針對黃土高原旱作區土壤缺水、肥力低的現狀，將保水劑與微生物菌肥配施，分析其對旱作燕麥生長、土壤水分保持以及利用的影響，以期為黃土高原旱作區農田生產提供一種有效的保水培肥措施，為指導該區域旱作農業生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區清水河縣(111°39′E，40°6′N)，海拔高度為1 374 m，年平均溫度7.1 ℃，有效積溫2 370 ℃，無霜期140 d，年均降雨量365 mm，年蒸發量2 577 mm，屬典型的中溫帶半干旱大陸性季風氣候。試驗地0—20 cm土層土壤為黃綿土，總孔隙度43.65%，有機質含量為10.96 g/kg，堿解氮含量為37.1 g/kg，速效磷含量為6.55 mg/kg，速效鉀含量為118.9 mg/kg。

1.2 試驗材料與試驗設計

1.2.1 試驗材料 保水劑選用農林保水劑(鉀鹽型)，選購于任丘市鵬宇化工有限公司。微生物菌肥選購于內蒙古阜豐生物科技有限公司，其有效活菌數≥1.0×108 cfu/g，總養分≥15%，總N≥12.0%，有機質≥20%，水分≤3.0%。燕麥品種為壩莜18號。

1.2.2 試驗設計 試驗于2019年6—10月進行，設不施保水劑和微生物菌肥(CK)、單施保水劑(A) 、單施微生物菌肥(M)、保水劑和生物菌肥配施(AM)4個處理。其中，保水劑施用量為22.5 kg/hm2，微生物菌肥施用量為1 500 kg/hm2。試驗采用隨機區組設計，重復3次，共計12個小區，小區面積5 m×8 m。保水劑和生物菌肥均在播種前與種肥進行混合，種肥采用磷酸二銨，施用量為150 kg/hm2。燕麥采用機械條播，播種量150 kg/hm2。種植行距25 cm。肥料均通過分層播種機隨播種施入土壤。2019年6月17日進行播種，10月11日收獲。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 試驗地降雨量 試驗地降雨量數據來源于試驗地農田氣候監測系統。數據由當地農業氣象部門提供。

1.3.2 土壤質量含水率 于播種前、燕麥苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期采用土鉆分層(0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm)采集0—100 cm土壤樣品。將采集的土壤樣品置于鋁盒中，稱取鮮重后，置于恒溫烘箱中105 ℃烘干至恒重后稱重。利用下式計算土壤質量含水率。

土壤質量含水率=(土壤鮮質量-土壤干質量)/土壤干質量×100%

(1)

1.3.3 生育期耗水及水分利用效率計算 參照馮福學[22]等人研究中計算方法進行計算，計算公式為：

ET1—2=Si+M+P0+K

(2)

CD=ET1-2/D

(3)

CP=ET1—2/ETa×100

(4)

A=Y1/ETa

(5)

WUE=Y2/ETa

(6)

式中：ET1—2為階段耗水量(mm)；M為階段內灌水量(mm)；P0為階段內降水量(mm)；K為階段內地下水補給量(mm)；Si為階段土壤貯水消耗量，即階段初和階段末土壤貯水量之差。本試驗中試驗期間無灌水(M=0)，地下水埋深在10 m 以下。地下水埋深大于2.5 m時K值可以忽略不計(K=0)； CD為階段耗水強度(mm/d)； CP為階段耗水模系數(%)；D為該階段持續天數(d)； ETa為全生育期總耗水量(mm)；A為水分產出率〔kg/(mm·hm2)〕； WUE為水分利用效率〔kg/(mm·hm2)〕；Y1為籽粒產量(kg/hm2)；Y2為生物產量(kg/hm2)。

1.3.4 燕麥株高、單株葉面積、干物質 株高于燕麥出苗穩定后在田間采取定位標記方法，每小區定株標記燕麥植株15株，待燕麥拔節期、抽穗期、灌漿期分別用卷尺自地面向上至植株最高部位進行測量。單株葉面積采用長寬系數法。于燕麥拔節期、抽穗期、灌漿期在每小區取生長均勻的燕麥15株進行測定，測量單株燕麥所有葉片的長和寬。

單株葉面積=葉長×葉寬×0.73[23]

(7)

于燕麥拔節期、抽穗期、灌漿期在每小區取30 cm長樣段，自根部去除，將地上部分帶回實驗室用烘干法測定干物質，105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至質量恒定。

1.3.5 燕麥產量指標 燕麥成熟后，于每小區選取生育期內未取樣的1 m2樣點3個，曬干，帶回實驗室進行測產和考種(包括收獲期穗數、穗粒數、單穗粒重、千粒重)。

1.4 數據處理與分析

采用Ecxel進行數據計算、處理，并制圖，采用SPASS 17.0軟件進行統計分析，采用LSD最小顯著性差異法進行顯著性分析(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 試驗期間試驗地降雨量分析

試驗期間試驗地降雨量如圖1所示。燕麥全生育時期(播種期—收獲期)，降雨量為255.3 mm。燕麥播種期—收獲期降雨量呈現先增加后降低趨勢，播種前7 d降雨量僅為17.1 mm。播種期—苗期，歷時24 d，降雨量為30 mm，日平均降雨量為1.25 mm，嚴重影響出苗。苗期—拔節期，歷時20 d，降雨量為47.2 mm，日平均降雨量2.36 mm。拔節期后，降雨量增加，到拔節期—抽穗期，歷時27 d，降雨量為72.9 mm，日平均降雨量為1.97 mm。抽穗期后，降雨量減少。抽穗期—灌漿期歷時16 d，降雨量為53.5 mm，日平均降雨量3.34 mm。灌漿期后，由于進入秋季，降雨量增加。灌漿期—收獲期歷時31 d，降雨量為51.7 mm，日平均降雨量為1.67 mm。燕麥全生育時期試驗地日平均降雨量均較低，影響燕麥生長及產量形成，如何在有限降水下實現保水蓄水顯得尤為重要。

圖1 試驗期間試驗地降雨量

2.2 不同處理對燕麥生長的影響

隨著生育時期的推進，燕麥株高、單株葉面積以及地上部干物質均呈增長趨勢。施用保水劑、微生物菌肥以及配施均能不同程度改善燕麥生長，促進其株高、單株葉面積以及地上部分干物質積累(見表1)。拔節期各處理表現為：AM>A>M>CK，抽穗期和灌漿期表現為：AM>M>A>CK。與CK和A，M處理相比，AM處理在3個時期均能顯著提高燕麥株高、單株葉面積和地上部干物質積累；處理A在促進燕麥株高和單株葉面積形成上具有顯著效果，但其對于地上部干物質積累僅在抽穗期表現顯著；處理M生育前期(拔節期)在各指標上均表現不顯著，隨著生育期推進，其促進生長效果逐漸發揮。到灌漿期其在燕麥株高、單株葉面積和地上部干物質積累上均表現顯著，但2個單施處理之間(A，M)差異不顯著。以灌漿期為例，處理A，M，AM分別較CK株高提高了16.45%，22.26%，25.96%；單株葉面積分別提高了10.72%，13.95%，23.06%；地上部干物質分別提高了6.35%，9.33%，21.88%；處理AM較處理A和M株高提高8.17%和3.02%；單株葉面積提高11.15%和7.99%；地上部干物質提高14.60%和11.48%。可見，單施保水劑利于燕麥前期生長，但后期作用不及單施微生物菌肥，這與試驗地降雨以及土壤條件有一定關系，結合對試驗期間降雨量分析得知，試驗前期降雨量較少，土壤水分有限，保水劑能夠將有限水分進行固持，供燕麥生長，且燕麥生長前期水分對其影響遠大于肥料[24]，而微生物菌肥施用后在有限水分條件下具有適應過程。隨著生育期推進，自拔節期以后，試驗地降雨增多，土壤水分條件得到改善，微生物菌肥適應土壤環境，同時燕麥生長后期需肥量增多，單施微生物菌肥的作用逐漸發揮。但將其配施后，在燕麥全生育時期均表現較好，能夠較好地克服兩者在該區域的作用局限。

表1 不同處理燕麥生長狀況

2.3 不同處理對燕麥生育期內土壤水分的影響

隨著燕麥生育時期的推進，0—60 cm土層土壤含水量均呈現先增高后降低的趨勢(見圖2)，這是由燕麥生長以及降雨情況共同造成的。結合試驗期間降雨量分析可知，在拔節期，試驗地降雨較多，使得土壤含水量增加，到抽穗期達到最大，之后降雨減少，燕麥生長需水增多，導致后期土壤含水量下降。60—100 cm土層土壤含水量在燕麥全生育時期變化幅度較小，且各處理在該范圍土層之間無明顯規律性變化。不同處理間，以0—20，20—40 cm土層土壤含水量差異較明顯，對40—60 cm土層土壤含水量影響較小，這可能是由于保水劑、微生物菌肥均施入15—20 cm土層，對近施入層的土壤含水量的影響較大。不同處理間0—20，20—40 cm土層土壤含水量在全生育時期整體表現為：AM>A>M>CK。苗期處理AM與其余處理差異較明顯，0—20 cm土層較CK土壤含水量提高5.89%，20—40 cm土層提高9.22%。處理A，M，CK間整體差異不大，說明單施保水劑和微生物菌肥，在土壤水分條件有限的條件下對土壤水分作用不明顯，而將2者配施能夠更好地促進兩種材料作用在有限土壤水分條件下的發揮。隨著生育期的推進以及降雨量的增加，拔節期、抽穗期，各處理土壤含水量均較苗期有所增加，且處理間差異也逐漸明顯。各處理差異最大表現在抽穗期，與CK相比，處理A，M，AM在0—20 cm和20—40 cm土層土壤含水量分別提高了5.85%和5.78%，3.01%和3.96%，11.50%和10.44%；全生育時期，處理AM 0—20 cm土層土壤含水量，與處理CK，A，M相比提高幅度分別為5.89%～11.50%，2.66%～5.62%，3.79%～8.24%；在20—40 cm土層分別為8.03%～10.44%，2.83%～4.40%，5.52%～6.97%。可見配施處理在全生育時期土壤水分保持效果優于兩個單施處理，且單施保水劑的效果優于單施微生物菌肥。

注： CK為不施保水劑和微生物菌肥處理； A為單施保水劑處理；M為單施微生物菌肥處理；AM為保水劑和生物菌肥配施處理

2.4 不同處理對燕麥不同生育階段耗水特征的影響

隨著生育階段的推進，燕麥耗水量、階段耗水強度、耗水模系數均呈現先增加后降低的趨勢，但不同生育階段耗水量、耗水強度、耗水模系數處理間變化不一致(見表2)。從播種到苗期，燕麥生長需水較少，該階段耗水量主要由田間蒸發造成，處理間表現為：CK>M>A>AM，且處理AM顯著低于CK和處理M，但與處理A間差異不顯著。可見在該時期保水劑和微生物菌肥單施、配施均具有一定保水作用，以配施效果最好，與不施用相比降低17.60%，與單施保水劑相比降低12.41%，與單施微生物菌肥相比降低16.78%。耗水強度、耗水模系數處理間表現與耗水量基本一致；苗期—拔節期溫度不斷升高，農田蒸發增大，燕麥對水分的需求增大，耗水量、耗水強度、耗水模系數各處理均表現為：CK>AM>M>A，且各處理間差異不顯著。這說明該階段配施處理(AM)燕麥生長較快，需水高于2個單施處理，但此階段農田耗水主要決定因素仍為農田蒸發，因此CK處理由于保水性差，耗水量仍最大。拔節期—抽穗期、抽穗期—灌漿期耗水量、耗水強度、耗水模系數處理間表現一致。這兩個階段耗水模系數達到50%左右，為燕麥生長需水最大時期，各處理間差異最為明顯，其整體表現為：AM>M>A>CK。此階段燕麥生長較快，燕麥冠層增大，光合蒸騰耗水增加，農田耗水主要來源于燕麥生長需水。與CK相比，在拔節期—抽穗期和抽穗期—灌漿期單施保水劑(A)、單施微生物菌肥(M)、配施(AM)耗水量分別增加0.95%和2.24%，2.46%和2.26%，3.52%和3.26%；階段耗水強度分別增加0.95%和2.22%，2.52%和2.00%，3.48%和3.11%；耗水模系數增加1.80%和3.38%，2.53%和2.44%，4.91%和4.92%。灌漿期—成熟期，隨著大氣溫度的降低，農田蒸發減少，且燕麥生長需水也較之前有所降低，使得各處理農田耗水量、耗水強度、耗水模系數均降低，處理間差異均不顯著。各處理全生育時期耗水量表現為：CK>M>A>AM，且差異不顯著。配施與不施用相比，全生育時期耗水量降低1.26%，與單施保水劑相比降低0.46%，與單施微生物菌肥相比降低1.16%。可見，保水劑、微生物菌肥單施及配施均能一定程度影響燕麥生育期農田耗水量，尤其表現在生育前期，在燕麥生長需水較少時，能夠保持土壤水分，顯著降低農田耗水量。隨著燕麥生長發育，農田耗水量提高，但全生育時期3個處理耗水量均低于CK，說明施用保水劑、微生物菌肥和配施均能實現用較少的水分促進燕麥生長，其中以配施效果最優。

表2 不同處理下燕麥不同生育階段耗水量特征

2.5 不同處理對燕麥產量構成的影響

產量構成因素除千粒重外，收獲穗數、穗粒數、單穗粒重各處理均表現為：AM>A>M>CK，千粒重表現為：AM>M>A>CK。與CK相比，僅有處理AM可以同時顯著提高收獲穗數、穗粒數和單穗粒重。處理A，M僅能顯著提高穗粒數。與處理A相比，處理AM僅可以顯著提高收獲穗數。與處理M相比，處理AM可以顯著提高收獲穗數和穗粒數。以收獲穗數為例，處理AM較A，M和CK分別提高了11.53%，12.68%和18.27%。分析籽粒產量和生物產量可以發現，籽粒產量表現為：AM>A>M>CK，生物產量表現：AM>M>A>CK。處理AM可同時顯著提高燕麥籽粒產量和生物產量。處理A僅可顯著提高燕麥籽粒產量，處理M僅可顯著提高燕麥生物產量，且處理A和M在籽粒和生物產量間差異均不顯著。處理AM較A，M，CK在籽粒產量和生物產量上分別提高8.40%和15.81%，11.69%和10.80%，20.12%和25.09%。可見相對于其余3個處理，保水劑和微生物菌肥配施在顯著提高籽粒產量上主要是顯著提高了收獲穗數(詳見表3)。

表3 不同處理下燕麥產量構成

2.6 不同處理對燕麥水分利用的影響

生育期內總耗水量、土壤貯水消耗處理間整體表現為：CK>M>A>AM。保水劑、微生物菌肥單施(A，M)和配施(AM)對生育期內耗水量無顯著影響，但單施保水劑(A)和配施(AM)可以顯著降低土壤貯水消耗，單施微生物菌肥(M)與不施用(CK)間差異不顯著，與處理A，M，CK相比，處理AM土壤貯水消耗量上分別降低了7.70%，17.51%，18.76%。水分利用效率各處理表現為：AM>M>A>CK，水分產出率表現為：AM>A>M>CK。處理AM可同時顯著提高水分利用效率和水分產出率，處理A僅可顯著提高水分產出率，處理M僅可顯著提高水分利用效率，且處理A和M在水分利用率和水分產出率之間差異不顯著。處理AM較處理A，M，CK在水分利用效率和水分產出率上分別提高了16.38%和8.94%，12.19%和13.08%，26.80%和21.77%(詳見表4)。

表4 不同處理下燕麥水分利用情況

3 討論與結論

前人研究表明，保水劑由于其特殊的分子結構，能夠將土壤中有效的水分進行固持，施用當年就具有提高土壤水分保持能力效果[25-26]；微生物菌肥在發揮功效過程中，其疏松多孔的結構和較大的比表面積使其具有高吸附性能，能夠儲存大量水分，從而提高土壤含水量[27]。本研究表明保水劑、微生物菌肥單施和二者配施均能改善土壤水分狀況，尤其以配施表現較好，且不論單施、配施均對0—20，20—40 cm土層影響顯著，且隨著降雨的增多，土壤水分條件的改善，處理間差異較大。這與前人研究結果一致，同時二者配施后能在短時間滿足微生物菌肥生存環境要求，同時發揮保水劑和微生物菌肥功效，更好地促進了土壤水分的保持。宋雙雙等[20]研究表明，保水劑和微生物菌肥混施改善了樟子松生長土壤固持水分的能力，這與本研究結果一致。

關于保水劑對作物耗水量影響的研究結果不盡一致，楊永輝等[28]研究表明施用保水劑能夠顯著降低小麥各生育階段耗水量。杜社妮等[29]研究表明施用保水劑與不施用相比全生育時期玉米耗水量無顯著差異。本研究表明單施保水劑、單施微生物菌肥雖然能夠影響燕麥各生育階段耗水特征，但其與CK處理基本無顯著性差異，將保水劑和微生物菌肥配施后，對燕麥部分階段耗水量有顯著影響。在播種期—苗期，耗水量顯著降低，拔節期—抽穗期和抽穗期—灌漿期，耗水量顯著升高，說明在燕麥生長需水不作為關鍵耗水因素時，配施能夠有效減少土壤水分無效散失，保水作用較好，但隨著燕麥生長及農田環境變化，生長后期，作物生長需水起到關鍵作用，使保水劑、微生物菌肥單施和配施耗水量均較高，全生育時期耗水量雖表現為：配施<單施保水劑<單施微生物菌肥<不施用，但差異不顯著。同時本研究得出，保水劑和微生物菌肥配施能夠顯著降低作物生長對農田土壤原貯水的消耗，說明它能充分利用有限降水，這與楊永輝等[28]關于保水劑作用研究結果不一致，與杜社妮等[29]關于保水劑研究結果一致，這可能是由于旱作區域影響階段耗水關鍵因素為降雨，研究區域降雨分布和土壤條件不一致造成的。

關于保水劑、微生物菌肥單施對作物生長及產量形成的研究均表明保水劑施用能夠實現作物保苗[30]，促進作物生長發育[1,3]，最終實現作物增產[31]，提高水分利用效率[32]。微生物菌肥能夠改善土壤性狀[33-34]，促進作物生長發育，實現作物增產[16-17]。本研究得出單施保水劑和微生物菌肥具有促進作物生長以及提高水分利用的效果，這與前人研究結果一致。將二者配施后，能夠在全生育時期顯著促進燕麥生長，實現燕麥增產，提高水分利用效率，其作用效果顯著優于單施保水劑和微生物菌肥，彌補了保水劑和微生物菌肥單施存在的問題[35-36]，這是由于微生物菌肥的作用需要良好的水分條件[14,37]，保水劑在生育前期將土壤中的水分進行貯存，給微生物菌肥進入土壤的適應環境和菌種繁殖提供了良好的水分條件，同時微生物菌肥在菌種繁殖、肥力發揮作用的同時，其含有的功能微生物產生大量的代謝產物，這些代謝產物會使土壤結構變松散，達到改善土壤結構的效果[30,38]。良好的土壤結構又為保水劑的長效發揮提供了基礎。部分研究表明，保水劑在不同土壤結構中效果表現不一致[39-40]，在良好的土壤結構中能夠較好地發揮其保水蓄水功能[41-42]，同時微生物菌肥能夠增加土壤中養分含量。保水劑在鎖住水分的同時也可以鎖住養分，為旱作區作物生長提供較好的水肥水平，從而促進了旱作燕麥生長及產量形成，提高了水分利用效率。

綜上所述，保水劑、微生物菌肥單施和配施均能在一定程度上改善燕麥生長發育，促進農田蓄水保墑，促進燕麥產量形成和水分利用率提高。其中，施用效果表現為:配施>保水劑單施>微生物菌肥單施。保水劑和微生物菌肥配施能夠顯著提高燕麥關鍵生育時期株高、單株葉面積和地上部干物質積累量，提高幅度分別為3.27%～25.96%，7.94%～23.06%和11.48%～21.88%；能夠較好地實現農田蓄水保墑，提高農田土壤含水量(提高幅度為5.89%～11.50%)，降低燕麥對土壤貯水的消耗(降低幅度為7.70%～18.76%)；能夠實現燕麥收獲穗數、穗粒數的顯著增加，進而實現籽粒產量增加(提高幅度為8.40%～20.12%)，有效促進生物產量形成(提高幅度為10.80%～25.09%)，提高水分利用效率(提高幅度為12.19%～26.80%)和水分產出率(提高幅度為8.94%～21.77%)。本研究針對黃土高原旱作區農業生產現狀，結合當前農業措施存在的問題，提出保水劑和微生物菌肥配施應用于作物生產；但本研究僅選取兩種材料推薦用量進行配施，未對用量進行深入研究，因此下一步研究擬結合作物生產區域特點，進行用量配比研究，以期為黃土高原旱作區農業生產提供有效的蓄水保墑栽培措施。