不同覆盖材料对土壤理化性状和微生物量碳氮含量的影响

任江波，李钠钾，秦平伟，陈庆明，汪代斌，江厚龙*

(1. 重庆市烟草公司彭水分公司，重庆 409600；2. 重庆烟草科学研究所，重庆 400715)

【研究意义】干旱是我国北方农业可持续发展的主要障碍因素之一[1]，严重制约了该区域的农业生产和农村经济的发展。地膜覆盖作为一种现代农业生产技术，于1978年引进我国，成为解决我国干旱、半干旱地区农业长期缺水问题的关键性措施之一。目前，我国已经成为世界上地膜覆盖栽培作物面积最大的国家[2]。地膜覆盖栽培技术虽然缓解了干旱、半干旱地区农业缺水问题，改善了农作物生长环境，促进了作物的生长发育及产量和效益的提升[3]，但土壤中大量的残膜也破坏了土壤性状[4]，危害了作物生长[5]，影响了机械化作业[6]，制约了农业可持续发展[7]。【前人研究进展】近年来，农业工作者们进行了各种替代覆盖材料研究，并取得了较好的效果。李富春等[8]以裸地栽培为对照，研究了生物可降解膜覆盖和秸秆覆盖对土壤含水量及玉米的根干重、根长、根表面积和根体积的影响时发现，生物可降解地膜覆盖具有较高土壤含水量，同时玉米根系的长度、表面积和体积也较大。段义忠[9]研究发现，不同覆盖材料的水分利用效率大小为液体地膜>绿肥>秸秆>普通地膜>传统裸地。王敏[10]对比研究了生物降解膜、塑料地膜、液态膜、秸秆覆盖和裸地平作种植玉米的土壤水温效应及玉米生长的影响时认为，覆盖秸秆种植玉米具有较好的可行性和应用价值。董海强等[11]对比分析了裸地栽培与白地膜、黑地膜、地布和麦草覆盖对苹果树体生长及土壤理化特性的影响，结果表明地布覆盖综合效果最佳。景明[12]研究不同覆盖株间蒸发量时发现，秸秆覆盖能最大限度地降低株间蒸发量，地膜覆盖的效果较差，二者均好于裸地栽培。【本研究切入点】为了进一步探讨不同覆盖物对土壤理化性状及微生物量的影响，本文以塑料地膜、小麦秸秆和玉米秸秆等3种覆盖材料进行栽培试验，拟通过研究不同覆盖材料对土壤温度、水分、养分、生物量碳氮量的影响，旨在为该地区筛选出蓄水保墒、低碳环保、低成本、无污染的覆盖材料提供理论依据。【拟解决的关键问题】为改进和完善作物覆盖种植技术、降低肥料流失、增加种植效益提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年在重庆市武隆县兴顺乡进行，海拔1300 m，地势平坦，肥力均匀，为中壤土。pH值为6.10，有机质含量为24.20 g·kg-1，碱解氮含量为96.41 mg·kg-1，速效磷含量为17.95 mg·kg-1，速效钾含量为292.34 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验共设3个处理：T1为覆盖地膜，除宽行垄沟外均覆盖地膜，于7月10日揭膜；T2为覆盖小麦秸杆，垄体、垄沟均覆盖长度约为10 cm的麦秸，覆盖厚度为10 cm；T3为覆盖玉米秸秆，垄体、垄沟均覆盖长度约为10 cm的玉米秸秆，覆盖厚度为10 cm；试验以地面不进行任何覆盖为对照(CK)；小区面积为12 m×10 m，每个处理3次重复，随机排列。供试植物材料为：烤烟品种K3326，栽培密度为16 500株·hm-1，肥料用量为当地常规施肥量。

1.3 样品采集

土壤温度于5月15日、6月15日、7月15日、8月15日、9月15日进行测。测定土壤温度时，分别取各小区土壤样品，测定水分、碱解氮、速效磷、速效钾、微生物碳和氮等含量。径流液分别于5月10日、6月13日、8月18日、9月12日降雨当天在各小区中部收集，分别于径流形成的初期、中期和后期分3次收集后混合，用于测定硝态氮、全磷和钾离子。

1.4 测定方法

土壤含水量采烘干法测定[13]。土壤温度采用曲管式温度计每日观测5～20 cm耕作层的土壤温度，每日观测记录3次(8：00、14：00和20：00时)，取平均值为当日土壤温度。参考鲍士旦[14]的方法进行各养分指标的测定，即碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用乙酸铵提取法测定。径流液养分测定参照鲁如坤[15]的方法进行，即硝态氮含量用紫外分光光度法测定，全磷含量用硫酸-高氯酸氧化—钼锑抗比色法，钾离子含量用火焰光度计法测定。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定[16]。

2 结果与分析

2.1 覆盖对土壤温度的影响

温度是表征土壤性质的重要参数，对其物理、化学和生物学过程有着重要的影响[17]，决定着植物根系生长及其对水分、养分的吸收[18]。由图1可知，不同处理间的土壤温度呈极显著性差异，前期(5月15日和6月15日)以T1最高，极显著地高于T2、T3和CK；中后期(7月15日、8月15日和9月15日)以T1和CK最高，且与T2和T3间差异极显著；T1和CK与T2和T3间的土壤温度不具显著性差异。T2和T3间差异不显著，T1和CK间差异不显著。5次测定中，T2、T3的土温分别较CK降低了2.2和2.0 ℃。姚健等[19]研究发现覆盖水稻秸秆和玉米秸秆均降低了土壤温度。程宏波[20]在研究春小麦覆盖栽培时也得到了类似的结论。

2.2 覆盖对土壤含水量的影响

由图2可知，不同覆盖材料间土壤水分含量存在极显著性差异，各处理的土壤含水量均以6月15日和9月15日较高，这主要是因为测定前期的有效降雨有关；8月15日的土壤含水量最大。5月15日的土壤含水量为T1>T2>T3>CK，说明覆盖地膜的保墒效果最好，CK的效果最差；其它时期的土壤含水量均以T2最高，T3次之，T2与T3间的差异不显著性；CK和T1的土壤含水量较低，且不具显著性差异。说明覆盖地膜和秸秆均有较好的保墒作用，覆盖地膜虽然保墒效果最好，也降低了自然降水利用率。覆盖小麦和玉米秸秆既能起到有效保墒的作用，又有利于充分利用降水。也有学者报道了覆盖秸秆可以降低作物棵间蒸发[21]，进而提高土壤含水量[22]。

同列数值不同大写字母表示在1 %水平差异显著(P<0.01)，下同Different capital letters in the same column meant significant difference at 0.01 levels respectively. The same as below图1 不同覆盖材料对土壤温度的影响Fig.1 Effect of different mulching materials on soil temperature

图2 不同覆盖材料对土壤含水量的影响Fig.2 Effect of different mulching materials on soil moisture content

2.3 覆盖对土壤速效养分含量的影响

速效养分是植物可以直接吸收利用[23]，其含量受施肥措施、种植制度、田间管理等影响[24]。由图3可知，不同覆盖材料间土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量存在极显著性差异，且随测定时期的推延，速效养分含量均呈逐渐下降趋势。5月15日测定结果显示，碱解氮含量以T1最高，T2次之，CK的碱解氮含量最低。其它测定时期的碱解氮含量均以T1最低。这可能与覆盖地膜后改变了土壤的水热条件，影响了养分的矿化有关[25]。

速效磷、速效钾含量与碱解氮呈现相似的变化规律。前期以T1最高，T2、T3次之；后期以T2和T3的速效养分含量较高，T1次之；CK的速效磷和速效钾含量均维持较低水平。这主要是因为覆膜促进了土壤养分转化成速效养分而被植物吸收，揭膜后遇降雨淋失而进一步降低；而T2、T3处理的土壤温湿度维持在适宜范围内，保障了养分缓慢而持续的释放[26]。

图3 不同覆盖材料对土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量的影响Fig.3 Effect of different mulching materials on available N, P and K contents

(mg·kg-1)

注：同列数值不同大写字母表示在1 %水平差异显著(P<0.01)，下同。

Note：Different capital letters in the same column meant significant difference at 0.01 levels respectively. The same as below.

2.4 覆盖对土壤微生物量碳、氮含量的影响

微生物是土壤生态系统的重要组成部分[27]，是土壤物质转化和养分循环的动力[28]。土壤微生物量碳、氮是土壤有机碳、氮循环的重要指标[29]，是评价土壤综合质量和肥力状况的指标之一[30]。如表1所示，不同覆盖材料间土壤微生物量碳和氮含量存在极显著差异，均在7月15日前后达到最高。就T1而言，揭膜前微生物量碳、氮含量均低于其它处理，揭膜后其含量逐渐提高并于后期高于对照(CK)。这主要是因为在高温干旱条件下覆盖地膜后改变了土壤的水热状况，进而影响了土壤微生物数量和种类[31]。而T2、T3的土壤微生物量碳、氮含量一直维持在较高水平，极显著地高于T1和CK。这可能与覆盖秸秆降低了地表径流[32]，增加了土壤养分[33]，改善土壤理化性状[34]，进而促进了微生物繁育[35]。顾爱星等[36]在研究秸秆覆盖时也发现了类似的结论。

2.5 覆盖对土壤养分流失的影响

地表径流和降雨是土壤养分流失的主要动力，也是造成农业面源污染的主要原因[37]。秸秆覆盖是降低地表径流和减少养分流失的有效耕作措施之一[38]。由表2可知，覆盖秸秆极显著地降低了土壤径流液中硝态氮、全磷和钾离子的浓度。T1前期径流液的养分浓度显著低于其它处理，揭膜后浓度显著高于CK，T2和T3。T2和T3径流液的养分浓度变化平稳，且极显著地低于CK和T1(揭膜后)，T2和T3间不具极显著性差异。说明覆盖秸秆能有效减少土壤养分的流失，降低农业生产造成的面源污染。

表2 不同覆盖材料对土壤径流液中氮、磷、钾浓度的影响

3 讨 论

地表覆盖作为一种传统的农作措施，具有显著的蓄水保墒作用[39]；同时稳定了土壤温度，防止土温过高而损失根系[40]。本研究表明，覆盖地膜的增温保温效果最好，但高温季节也易导致地温过高而伤害根系；同时覆膜虽然减少了土壤水分的散失，但也降低了自然降水的利用率；因此，在生产上必须适时揭膜。覆盖秸秆的增温保温效果虽不及覆盖地膜，但土壤温度的变幅较裸地栽培小[41-42]，对作物根系生长发育的影响小[43]。兰雪梅[44]也报道了覆盖秸秆种植可有效平抑土壤温度的激变。另外，秸秆覆盖也降低了土壤水分蒸发，增加了自然降水的利用率。同时，秸秆留在土壤中也具有改良土壤的作用。高飞[45]、吴婕等[46]也报道了类似的研究结论。

本文研究表明，覆盖栽培增加了土壤中速效氮、磷、钾的含量，但揭膜后的T1和CK的速效养分含量不具显著性差异，这是因为覆盖后土壤水热状况好[47]，其速效养分含量较其它处理高。覆盖秸秆的速效养分含量较高、且变幅较小，这可能与秸秆覆盖改良了土壤氧化还原状况[48]，稳定了土壤水热条件有关[22]。时向东[49]研究表明，覆盖地膜栽培不同程度地提高了根际土壤速效氮、磷、钾含量，夏冬[50]也得出相似的研究结论。

土壤微生物量碳、氮是可溶性有机碳、氮的重要来源[51]，是反应土壤被干扰程度的重要指标[52]。灌溉[53]、施肥[54]、覆盖[55]等都影响土壤微生物量碳、氮的含量。本研究显示，覆盖地膜在一定程度上降低了土壤微生物量碳和氮的含量。这主要是因为在高温干旱条件下覆盖地膜后导致土壤温湿度的剧烈变化，进而降低了土壤微生物的数量和种类[31]。张成娥[56]研究发现，地膜覆盖栽培在一定程度上降低了玉米地的微生物量碳、氮含量。史建国[57]则发现连续覆膜有利于增加土壤微生物量氮含量。本研究发现，覆盖秸秆可增加土壤微生物量碳和氮的含量，这与覆盖秸秆后降低了地温的剧烈变化，改善了土壤的物理性状，刺激了土壤微生物活性有关[58]。王仁杰[59]也报道了相似的研究结果。

自然降雨和地表径流是土壤养分流失的主要动力，也是造成农业面源污染的主要原因[37]。覆盖栽培是降低地表径流和减少养分流失的有效耕作措施之一[38]。本研究表明，覆盖栽培技术极显著地降低了径流液中的硝态氮、全磷和钾离子的浓度，有效降低了土壤养分的流失。其中，T1的效果最好，T2、T3次之，CK的养分流失量最大。林超文[60]研究发现，秸秆覆盖不仅显著减少地表径流，而且降低了氮、磷和钾的流失量。邓伟[61]的研究得出了与本文相同的结果。

4 结 论

本文对比分析了不同覆盖物对土壤温度、水分、养分、微生物量碳氮量的影响。结果显示，覆盖秸秆具有良好的调温保墒作用，促进了土壤养分的转化、提升了速效养分的含量，同时也降低了因降雨或地表径流而造成的养分流失；并且覆盖小麦秸秆的效果显著好于覆盖玉米秸秆，二者均好于覆盖塑料地膜处理，裸地栽培效果最差。因此，考虑覆盖后对土壤、养分及作物的影响认为，覆盖小麦秸秆或玉米秸秆的综合效果较好，既有利于改善土壤理化性状，增强保水保肥特性，这种覆盖方式可在该区域逐渐推广应用。