多年覆膜改善冬小麦/油菜轮作地土壤提高产量

王　静，王弋博，呼丽萍，刘艳梅, 王　潇

（1. 天水师范学院生物工程与技术学院，天水 741000；2. 甘肃省农业固体废弃物资源化利用重点实验室，天水 741000；3. 甘肃省大樱桃工程技术研究中心，天水 741000；4.甘肃省环境科学设计研究院，兰州 730030）

0　引　言

甘谷地处甘肃省中东部的黄土高原丘陵沟壑区，多年平均降雨量为400 mm，年平均温度11.5 ℃，冬小麦和油菜是该区保障口粮的主要作物。水资源紧缺，农业生产用水主要依靠自然降水，且降水和作物需水规律不吻合是限制该区农业生产力提高、农业经济发展的主要因子。全膜覆盖不仅能明显减少土壤水分蒸发量，集春季5 mm以下的无效降雨为有效降水，并在休闲期完全补充作物生育期消耗的0～200 cm土壤水分，保持作物的土壤水分年际平衡[1-3]。王红丽等[4]研究发现全膜双垄沟播种植提高玉米水分利用率265.6%～315.5%，玉米收获指数提高132.5%。侯慧芝等[5]研究发现小麦苗期全膜覆土穴播在0～25 cm土层的平均地温比露地穴播提高1.4～3.5 ℃，全膜覆土穴播的春小麦产量达1 750～3 180 kg/hm2，水分利用效率为5.5～11.5 kg/（hm2·mm），分别比露地穴播增加40%～220%和27%～239%。孙梦媛等[6]研究发现全膜垄作能提高马铃薯各生育阶段 0～100 cm土层土壤含水率，特别是对0～20 cm土层影响最为显著，在马铃薯需水关键期块茎形成期和块茎膨大期，0～100 cm土层土壤含水率可分别提高了 27.93%和 36.35%；马铃薯产量提高65.40%。全膜覆盖种植技术已在甘肃省82个农业县均有分布，截止2016年全膜覆土穴播种植小麦面积已累计超过20万hm2[7]，全膜双垄沟播种植玉米面积已累计超过483.3万hm2[8]，周年全膜覆盖种植技术成为西北干旱半干旱地区作物的最佳种植模式。

微生物是土壤生态系统中最具活力的组成部分。土壤微生物生物量被用作评价土壤肥力和土壤质量早期变化的有效指标[9-11]。农田生态系统中温度和水分两大环境因子直接或间接地控制土壤微生物活性的变化，由于不同耕作措施输入的有机质数量不同和对土壤的扰动程度不同，以及作物各生育期根系新陈代谢不同，改变了土壤的温度、水分环境因素和土壤物理性质，进而影响到土壤微生物量活性及其在各生育期的分布[12-13]。国内就全膜覆盖种植方式下土壤微生物活性在作物生育期间动态变化与其环境因子关系研究较少[14-15]，全膜覆盖种植方式对土壤微生态环境的影响对于土壤管理具有重要意义。为此本试验从2012-2016年对采用不同全膜覆盖方式土壤微生物量碳、氮含量，酶活性的动态变化以及土壤水热动态变化进行了研究，旨在为黄土高原沟壑区旱作农业耕作技术的有效运用提供科学参考依据。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

试验 2012年 10月在甘肃省甘谷县西坪乡（34°54'4″N，105°26'57″E）进行。试区属中温带半干旱区，海拔1 450 m，年均气温8.4 ℃，年平均降水400.9 mm。土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，储水性能良好。0～30 cm土壤凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%。主要理化性质如表1所示。降雨分布及气温见图1，2012-2013年冬小麦和2013-2014年油菜全生育期内降雨量分别为399.5和413 mm。2014-2015年冬小麦和 2015-2016年油菜全生育期内降雨量分别为 300.4和282.5 mm。

表1　试验区土壤理化性质Table 1　Physical and chemical properties of soil tested

图1　2012-2016年试验区降雨分布和平均气温变化Fig.1　Distribution of precipitation and average air temperature in test areas from 2012 to 2016

1.2　试验设计

试验设3个处理，采用冬小麦/油菜轮作，每个处理3次重复，共9小区，小区面积20 m2。各处理分别为露地穴播（M0）、全膜覆土穴播（M1）、全膜穴播（M2）。施有机肥 60 000 kg/hm2，施 N150 kg/hm2，P2O5100 kg/hm2。冬小麦品种为兰天20号，油菜籽为陇油6号。田间管理同大田。2012年10月1日播种小麦，2013年6月29日收获；2013年9月14日播种油菜，2014年6月4日收获；2014年10月3日播种小麦，2015年6月27日收获；2015年9月12日播种油菜，2016年6月1日收获。

露地穴播（M0）为将地平整后，采用穴播机播种，播种深度一般为3～5 cm，行距为18～20 cm，穴距为10 cm。冬小麦播种密度为45万/hm2左右，每穴8～12粒，播种量225 kg/hm2左右；油菜播种密度为33万～34万株/hm2，每穴3～4粒/穴，播种量3.3 kg/hm2左右，春季保苗15万株/hm2。

全膜覆土穴播（M1）为全地面、全生育期地膜覆盖，铺膜时膜面要求平整，使地膜紧贴地面，同时在膜上覆一层薄土，覆土厚度以1～2 cm左右为宜，铺膜覆土1～2 d后进行播种，播种方式同上。

全膜穴播（M2）与M1处理的覆膜方式相同，不同之处是M2处理在膜上不覆土，铺膜1d后进行播种, 播种方式同上。

1.3　土样采集及测定

分别在冬小麦的起身期，拔节期，抽穗期，成熟期和油菜起身期，开花期，苗薹期，成熟期，用“S”形取样法分别采取0～30 cm土层土样混合均匀后装入无菌袋，带回实验室，4 ℃保存备用。

土壤温度用曲管地温计按小区定点定时测试，每7 d分别在8∶00、14∶00、20∶00测量0、10、20 、30 cm土层的土壤温度，然后计算平均值。

土壤含水量采用烘干称重法[16]；土壤微生物量碳、氮采用Vance等的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，浸提液中微生物量碳（BC）采用重铬酸钾氧化滴定法测定[17]，微生物量氮（BN）采用凯氏定氮法测定[18]。BC=EC/0.38，BN=EN /0.54，其中EC和EN为熏蒸土样与未熏蒸土样之差；土壤蔗糖酶采用3.5-二硝基水杨酸比色法[19]；脲酶采用靛酚蓝比色法[19]；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法[19]。

1.4　数据处理与分析

用Excel 2010和spss16.0统计分析软件处理数据，Tukey法检验处理间的差异显著性。

2　结果与分析

2.1　不同覆膜方式对土壤含水量和温度的影响

不同覆膜方式对土壤含水量存在影响。2012～2013年小麦和2013～2014年油菜全生育期降雨充足（图1）。不同处理间土壤含水量差异不显著（表2）。2014-2015年和2015-2016年小麦和油菜生育期降雨量少（图1），小麦拔节期和油菜开花期前，M1和M2的土壤含水量较M0高。M1和M2在冬小麦拔节和油菜开花前的土壤含水量较 M0分别提高 3.83%～15.85%和 2.53%～15.53%；小麦孕穗期和油菜苗薹期，M1和M2的土壤含水量较M0低，这主要是M1和M2地上植株生长旺盛，消耗了大量土壤水分，故此阶段M0的土壤含水量高于M1和M2。

表2　不同覆膜方式对土壤含水量和温度的影响Table 2　Effects of film mulching on soil moisture and temperature

从小麦和油菜整个生育期看，各处理0～30 cm平均土壤温度表现为随生育期的推进地温逐渐上升（表2）。0～30 cm土层，小麦拔节期前和油菜开花期前，与M0处理相比，M1的平均地温分别提高0.9～1.7 ℃和0.8～1.5 ℃，M2分别提高1.4～2.1 ℃，0.8～2.7 ℃。小麦孕穗期到成熟期和油菜开花期到成熟期，M1和M2平均地温高于M0，但增温幅度小于拔节前。

2.1　不同覆膜方式对土壤微生物量的影响

2.1.1不同覆膜方式对土壤微生物量碳的影响

不同覆膜方式对土壤微生物碳含量存在显著影响（图2）。小麦季，返青至拔节期，M1的土壤微生物碳含量较M0平均增加25.64%，处理间差异显著；M2的土壤微生物碳含量较M0平均增加23.55%，处理间差异显著（p＜0.05）。在孕穗期M1的土壤微生物碳较M0增加20.07%（2013年）和3.61%（2015年），2013年处理间差异显著（p＜0.05），2015年处理间差异不显著。2013年在成熟期M1、M2的土壤微生物碳含量高于M0，M1与M0差异显著（p＜0.05），M2与M0差异不显著；2015年M1和M2在成熟期的土壤微生物碳含量显著高于M0。

油菜季，与M0相比较，返青期M1土壤微生物碳增加23.57%（2014年）、28.43%（2016年），开花期M1土壤微生物碳增加 10.67%（2014年）、17.99%（2016年），苗薹期M1土壤微生物碳增加17.77%（2014年）、20.09%（2016年），处理间差异显著（p＜0.05）；M2的土壤微生物碳也显著高于 M0。即在返青-拔节期 M1和M2土壤微生物量碳分别平均增加24.7%，24.63%。2014年和2016年在成熟期的土壤微生物碳含量M1和M2低于M0，处理间差异不显著。

由此可见，M1和M2可增加小麦返青期到孕穗期和油菜返青期到苗薹期的土壤微生物碳含量，且此阶段土壤微生物碳增幅2015年高于2013年，2016年高于2014年。

图2　不同覆膜方式对土壤微生物碳含量的影响Fig.2　Effects of film mulching on soil microbial biomass carbon content

2.2.2不同覆膜方式对土壤微生物氮的影响

不同覆膜方式对土壤微生物氮含量的影响存在差异（图3）。小麦季，返青至拔节期，M1的土壤微生物氮含量较M0平均增加15.91%（2013年）、18.79%（2015年），处理间差异显著（p＜0.05）；M2的土壤微生物氮含量较M0分别增加9.23%（2013年）、16.09%（2015年），处理间差异显著（除2013年拔节期）。在孕穗期和成熟期，2013年M1和M2的土壤微生物氮显著高于M0，2015年M1显著低于M0。

油菜季，返青至苗薹期，M1的土壤微生物氮较M0平均增加12.32%（2014年）、24.52%（2016年），处理间差异显著（除2014年苗薹期）；M2的土壤微生物氮也显著高于M0。2014年在成熟期土壤微生物氮含量表现为M1＞M0＞M2，M1与M0差异显著，M2与M0差异不显著；2016年表现为M0＞M1＞M2，处理间差异不显著。

图3　不同覆膜方式对土壤微生物氮含量的影响Fig.3　Effects of film mulching on soil microbial biomass nitrogen content

由此可见，M1和M2可有利于提高小麦和油菜生长前期的土壤微生物氮含量，且此阶段土壤微生物氮增幅整体表现为2015年高于2013年，2016年高于2014年。

2.3　不同覆膜方式对土壤酶活性的影响

2.3.1不同覆膜方式对土壤脲酶活性的影响

由图4可以看出，小麦季，返青至拔节期，M1的土壤脲酶活性较M0平均增加17.68%（2013年）、17.42%（2015年）；M2的较M0平均增加13.46%（2013年）、23.95%（2015年），差异显著（p＜0.05）。在孕穗期和成熟期，M1和M2土壤脲酶活性显著高于M0（除2013年孕穗期）。油菜季，返青期至成熟期，M1的土壤脲酶活性较M0平均增加16.29%（2014年）、16.94%（2016年），处理间差异显著（p＜0.05）。2014和2016两年的土壤脲酶活性均表现为M2显著高于M0。

2.3.2不同覆膜方式对土壤蔗糖酶活性的影响

不同覆膜方式对土壤蔗糖酶活性的影响存在差异（图5）。

小麦全生育期内，M1的土壤蔗糖酶活性较M0平均增加5.12%（2013年）、10.29%（2015年），处理间差异显著（除2013年成熟期）。2015年各生育期M2的土壤蔗糖酶活性高于M0，2013年各生育期M2低于M0（除孕穗期）。

油菜季，在返青期、开花期、苗薹期、成熟期 M1的土壤蔗糖酶活性较M0分别平均增加9.03%、13.80%、7.04%、6.59%，处理间差异显著（p＜0.05）。M2土壤蔗糖酶活性高于M0，在2016年苗薹期和两年成熟期差异不显著，其他生育期差异均达到显著水平（p＜0.05）。

图4　不同覆膜方式对土壤脲酶活性的影响Fig.4　Effects of film mulching on soil urease activity

图5　不同覆膜方式对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.5　Effects of film mulching on soil sucrease activity

2.3.3不同覆膜方式对土壤碱性磷酸酶活性的影响

由图6可知，小麦季，2013年在返青期、拔节期M1的土壤碱性磷酸酶活性较 M0分别平均降低 12.08%、14.68%，处理间差异显著（p＜0.05）。油菜季，2014和2016年在各生育期M1和M2均显著低于M0，除2014年返青期和开花期。

由此看见，M1和M2可增加小麦和油菜生育前期的土壤脲酶和蔗糖活性，而碱性磷酸酶活性有所降低。同时，整个小麦和油菜生育前期中，2015年和2016年M1的土壤脲酶和蔗糖酶活性增幅整体高于 2013和2014年。

2.4　相关性分析

由表 3可知，土壤含水量与脲酶和碱性磷酸酶呈负相关，差异不显著（p＞0.05），与微生物量碳、微生物量氮和蔗糖酶呈正相关，其中土壤含水量与土壤温度、蔗糖酶呈极显著正相关（p＜0.01）。土壤温度与微生物量碳、微生物量氮、脲酶、碱性磷酸酶呈显著或极显著正相关。土壤微生物量碳、微生物量氮与脲酶、蔗糖酶呈极显著正相关（p＜0.01）。

图6　不同覆膜方式对土壤碱性磷酸酶活性的影响Fig.6　Effects of film mulching on soil alkaline phosphatase activity

表3　土壤水分、温度、微生物量碳氮和酶活性的相关分析Table 3　Correlation between soil moisture, temperature, microbial biomass carbon, nitrogen and enzyme activities

2.5　不同覆膜方式对冬小麦和油菜产量的影响

全膜穴播种植方式可显著提高冬小麦和油菜的产量（表4）。2012-2013年和2013-2014年冬小麦和油菜生育期降雨量较多，M1和M2的冬小麦产量分别为7 188和6 784 kg/hm2，较M0分别提高19.56%和5.96%；M1和M2的油菜产量较M0提高了16.87%和9.21%，M1与M0差异显著性（p＜0.05），M2与 M0差异不显著。2014-2015和2015-2016年冬小麦和油菜生育期降雨量较少，春季无有效降雨，严重影响了冬小麦和油菜的出苗，致使各处理产量不高，M1和M2的冬小麦产量较M0提高41.31%和38.53%，差异显著性（p＜0.05）；M1和M2的油菜产量较M0提高25.85% 和18.83%，差异显著性（p＜0.05）。较 M0，M1和 M2多年冬小麦平均增产30.44%、22.25%；油菜平均增量21.36%、14.02%。

表4　不同覆膜方式对冬小麦和油菜产量的影响Table 4　Effects of film mulching on winter wheat and rape yield

3　讨　论

地膜覆盖能够阻断土壤水分的垂直蒸发和乱流，迫使膜下水分横向迁移，减少水分的无效蒸散，从而达到蓄水保墒的目的。本试验结果表明，M1和M2可增加冬小麦拔节期和油菜开花期前的土壤温度和土壤含水量，提高冬小麦和油菜产量。本试验冬小麦和油菜全生育期中 2012-2013、2013-2014年降雨量较多，2014-2015、2015-2016年降雨量少。其中，＞10 mm的降水，2015年春季0次，2016年仅为1次，为11.0 mm，且发生于播种后第219天。而这两年M1和 M2在冬小麦拔节期和油菜开花期前的土壤含水量显著高于M0，且增幅较2013和2014年大。这与侯慧芝等研究结果一致[5]。冬小麦拔节和油菜开花以后，由于M1和M2的冬小麦和油菜生长旺盛，消耗大量的土壤水分，致使土壤含水量急剧下降，甚至低于M0。由此可见，全膜覆盖可改善作物生长前期土壤水热条件，提高作物产量，且在降雨量少的年份效果较为明显。

地膜覆盖能够大幅度提高土壤微生物活性[20-22]。本研究结果表明，作物生长前期（冬小麦返青期-拔节期和油菜返青期-开花期），M1和M2可提高土壤微生物量碳、氮含量、脲酶、蔗糖酶活性。这是由于地膜覆盖后，耕层土壤含水量增加[23]，地表温度提高[24]，改善了春季地表水温条件，有利于土壤微生物活的生长和繁殖。生长中后期（冬小麦孕穗期-成熟期和油菜苗薹期-成熟期），土壤含水量和土壤温度伴随着降雨量和气温的升高，环境因子得以改善，且M1和M2地上植株生长较旺盛，消耗了大量的土壤水，故在此阶段M1和M2的土壤微生物活性与M0差异不显著或相反。此外，全膜穴播种植方式下土壤磷酸酶活性降低。土壤磷酸酶强弱与土壤 pH值有密切关系。本试验在土壤pH的测定中发现[25]，全膜覆盖穴播种植方式（M1和 M2）的与传统耕作方式（M0）相比土壤pH下降了近1个单位，pH的下降有利于石灰性土壤中磷酸钙中磷的释放，土壤无机磷含量升高不但抑制碱性磷酸酶活性，而且也影响根系合成碱性磷酸酶[26]，从而造成传统耕作土壤碱性磷酸酶活性较地膜覆盖的高。

植物和微生物的许多生命活动需要水分的参与和温度的保障。在旱作农业生态系统中，土壤微生物量和酶活性在作物生育期内主要受环境条件（干湿、气温）和植物生长等因子的综合影响。Verburg等[27]发现在有机质含量高或低的森林土壤中，土壤温度的升高可使微生物活性增强。Mensah等[28]研究发现干旱的土壤因为水分进入变得湿润后，土壤微生物碳的数量激增。叶德练等[29]研究表明免耕条件下灌溉方式与灌溉量显著影响了土壤微生物活性，水分胁迫明显抑制土壤微生物和土壤酶活性。程冬冬等[30]研究发现相同土壤含水量下，土壤脲酶活性在35 ℃显著高于25 ℃，而土壤碱性磷酸酶活性在35 ℃低于25 ℃。本试验中，土壤微生物量碳、氮含量、蔗糖酶活性与土壤水分、温度之间存在显著或极显著的相关性，因此可以说全膜穴播种植方式显著提高旱地土壤水分和土壤温度，有助于土壤微生物碳、N含量和脲酶活性的提高。脲酶、蔗糖酶与土壤微生物量存在显著或极显著相关关系，表明土壤微生物对尿素和磷的水解能力较强。基于对土壤水热环境和微生物活性的影响，M1和M2均可提高冬小麦和油菜产量，而且干旱年份的增加幅度更高

4　结　论

多年连续试验，较露地穴播，全膜覆土穴播M1和全膜穴播 M2种植方式均可提高冬小麦和油菜生长前期土壤水分2.53%～15.85%，土壤增温0.8～2.7℃，有助于土壤微生物量碳、氮含量、脲酶、蔗糖酶活性的提高，冬小麦平均分别增产30.44%、22.25%、油菜平均增量21.36%、14.02%，且在干旱年分效果较为明显。土壤微生物量碳、氮含量、蔗糖酶活性与土壤水分、温度之间存在显著或极显著的相关性。综上所述，全膜穴播种植方式是适合该区旱作农业可持续发展的有效模式之一。

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