黄土高原内蒙古段是我国典型的旱作农业生产区域，该区域降雨量少，土壤贫瘠，加之长期不合理的土地利用方式导致了土壤质量下降，水肥利用率低，农业生产受限等问题，改善该区域农业生产条件的关键是改良土壤。近年来，国内外大量研究集中于在该区域采取土壤保水培肥措施，包括免耕秸秆覆盖^[1]、增施有机肥^[2]、施用土壤改良剂^[3]、土壤保水材料^[4]、土壤功能性肥料^[5]等。其中保水剂由于其特殊的高分子结构，具有不溶于水、高膨胀性和吸水力的特性，其作用机理是将土壤的有限水分进行吸收、保存，随着作物的生长而进行释放，起到蓄水保墒的作用，研究表明其在保持旱作农田土壤水分、改善土壤结构、提高土壤养分含量、促进作物生长以及增产上具有明显效果^[6-9]； 微生物菌肥是以添加有效微生物菌来改善土壤环境的功能性肥料^[10]，研究表明其具有增加土壤肥力、改善土壤结构^[11]，增强作物抗逆性^[12]，提高作物品质^[5]等效果，同时其能够有效培肥地力、提高化肥利用率^[13]。近年来保水剂、微生物菌肥单独施用已被广泛应用于农业生产，但对其研究重点集中于种类选择^[14-16]、用量选择^[17-18] 以及与水分胁迫^[19-20]、化肥等^[21-24] 的配合使用上，同时研究发现保水剂单独施用存在功能单一以及长期使用是否造成土壤污染^[25-26]等问题。微生物菌肥施用受到环境条件的限制，研究表明微生物菌群的繁殖和生长需要良好的环境，在不同水分、肥力条件及不同土壤类型等影响下，其效果均表现不一致^[27]。目前，将保水剂和微生物菌肥配合的研究仅见于干旱区造林^[28-30]，未见将二者结合应用于农业生产。因此，本研究针对黄土高原旱作区土壤缺水缺肥以及保水剂、微生物菌肥单独施用的局限性，拟探究保水剂和微生物菌肥配施对旱作土壤理化性质和燕麦产量的影响，以期为黄土高原旱作区农田生产提供一种有效的保水培肥措施，为指导该区域旱作农业生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古清水河县（111°39′E，40 °6 ′N）。试验地海拔1374m，年平均温度7.1℃，有效积温2370℃，无霜期140d，年均降水量365mm，年蒸发量2577mm，属典型的中温带半干旱大陆性季风气候。试验地土壤基本理化性质见表1，试验地试验期间降雨量及气温数据见图1。

1.2 试验材料与试验设计

1.2.1 试验材料

保水剂：选用农林保水剂（钾盐型）。

微生物菌肥：有效活菌数≥ 1.0亿·g^-1，总养分 ≥ 15%，总N ≥ 12.0%，有机质≥ 20%，水分≤ 3.0%。

燕麦品种：坝莜18号。

1.2.2 试验设计

试验于2019年6～10月进行，设不施保水剂和微生物菌肥（CK）、保水剂和微生物菌肥配施（A）、单施微生物菌肥（B）和单施保水剂（C） 4个处理，其中保水剂施用量为22.5kg·hm^-2、微生物菌肥施用量为1500kg·hm^-2。试验采用随机区组设计，重复3次，共计12个小区，小区面积5m×8m=40m²。保水剂和微生物菌肥均在播种前与种肥进行混合，种肥采用磷酸二铵，施用量为150kg·hm^-2，燕麦采用机械条播，播种量150kg·hm^-2，种植行距25cm，保水剂、微生物菌肥、种肥均通过分层播种机随播种施入土壤。2019年6月17日进行播种，10月11日收获。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤物理性质指标

土壤贮水量：于燕麦苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期分别取0～20、20～40cm土样，采用烘干法测定土壤含水量，并计算土壤贮水量。

土壤贮水量计算公式为：W=h×a×b×10，式中：W为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；a为土壤容重（g·cm-3）；b为土壤质量含水量（%）。

土壤容重：于燕麦收获期，采取环刀法测定0～10、10～20、20～40cm土层土壤容重。

土壤孔隙度：土壤孔隙度利用土壤容重计算。土壤孔隙度=（1-容重/比重）×100%，土壤比重为2.65g·cm^-3。

土壤粒级及土壤团聚体：于燕麦收获后按S形5点法分别取0～10、10～20、20～40cm土层土壤样品，带回实验室自然风干，去除样品中残茬和石块，并将大土块按照自然裂痕剥离，将风干土样一次性过5mm孔径筛，采取机械干筛法^[31] 进行土壤粒级分析，并计算>0.25mm土壤团聚体含量。

1.3.2 土壤化学性质指标

于燕麦收获期按S形5点法分别取0～10、 10～20、20～40cm土层土壤样品，测定土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量。测定方法^[32]：土壤有机质采取重铬酸钾—浓硫酸外加热法；碱解氮采取碱解扩散法；有效磷采取碳酸氢钠浸提法；速效钾采取醋酸铵浸提火焰光度法。

1.3.3 燕麦产量指标

燕麦成熟后，于每小区选取生育期内未取样的1m² 样点3个，晒干，带回实验室进行测产、考种，项目分别包括收获期穗数、穗粒数、单穗粒重、千粒重。

1.4 数据处理与分析

采用Ecxel2016进行数据计算、处理，并作图，采用SPSS 17.0软件进行显著性、相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理0～40 cm土壤贮水量变化

不同处理燕麦生育期内0～40cm土壤贮水量变化如图2所示。随着生育期的推进，各处理0～40cm土层土壤贮水量呈现先增加后降低的趋势，这是由燕麦生长需水、降雨以及土壤蒸发变化等共同决定的。同一生育时期，不同处理间基本表现为处理A>C>B>CK，且除苗期外，与2个单施处理（B、C）以及CK相比，配施（A）在全生育时期土壤贮水量均能显著提高，仅在苗期与单施保水剂处理（C）差异不显著；单施保水剂（C）全生育时期均显著高于CK，但仅在苗期显著高于单施微生物菌肥（B）；单施微生物菌肥（B）除苗期、拔节期外，均显著高于CK。由此可见，保水剂、微生物菌肥单施、配施均能不同程度改善土壤水分状况，其中生育前期单施保水剂（C）效果略优于单施微生物菌肥（B），随着生育期的推进，2个单施处理差异不显著，而保水剂和微生物菌肥配施（A）在全生育时期较其余3个处理0～40cm土壤贮水量均较高，且基本差异显著，说明在该区域保水剂和微生物菌肥配施具有较好蓄水保水作用。与CK、单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）相比，全生育时期配施（A）0～40cm土壤贮水量提高幅度分别为7.6%～22.1%、5.9%～10.8%、 2.0%～11.6%。

2.2 不同处理土壤容重和总孔隙度变化

不同处理土壤容重、总孔隙度变化如表2所示。各土层，燕麦收获后各处理土壤容重均高于播前，总孔隙度（A处理0～10cm除外）均低于播前，这是由土壤自身重力、作物生长、耕作、田间管理等多种因素造成的。不同土层间，各处理土壤容重均表现为随着土层深度的加深，土壤容重变大，总孔隙度变小，这是由土壤本身结构特性以及作物生长等造成的。不同处理对不同土层土壤容重和孔隙度影响程度不同，总体表现为对10～20cm土层影响最大，0～10cm次之，对20～40cm土层无显著影响。与CK相比，配施处理（A）能够显著降低0～10、10～20cm土层土壤容重，增加总孔隙度，且在0～10cm土层，配施处理（A）土壤容重显著低于2个单施处理（B、C）；单施保水剂（C）能够显著降低10～20cm土层土壤容重，但单施微生物菌肥（B）对0～40cm土层土壤容重均无显著影响。以10～20cm土层为例，配施处理（A）较CK土壤容重降低5.5%，土壤总孔度增加9.0%；较单施微生物菌肥（B）土壤容重降低3.6%，土壤总孔隙度增加5.7%；较单施保水剂（C）土壤容重降低2.2%，土壤总孔隙度增加3.2%。

注：表中同一行不同小写字母表示差异达0.05显著水平。

2.3 不同处理土壤粒级分布和>0.25 mm土壤团聚体变化

不同处理土壤粒级分布见图3所示，>0.25mm土壤团聚体见图4所示。如图3所示，3个土层土壤各粒级含量均呈现先升高后降低再升高的趋势，且峰值均出现在0.05～0.1mm土壤粒级，这是由土壤本身的特性所决定的。同一土层不同处理间，受到施用保水剂和微生物菌肥的影响，各土层不同处理各组成粒级含量不同，且不同处理对10～20cm土层土壤粒级组成影响最大，各处理间差异最明显，0～10cm土层次之，20～40cm土层各处理在各粒级组成间基本无差异。以10～20cm土层为例，<0.05、0.05～0.1和0.1～0.25mm，各处理间差异不明显，基本表现为CK>B>C>A， 0.25～0.5、0.5～1.0、1～2和>2mm，各处理差异较之前粒级增大，基本表现为A>C>B>CK，且在0.5～1和1～2mm差异最明显，说明保水剂、微生物菌肥单施及配施能够促进土壤中0.5～1和1～2mm土壤粒级的形成，从而增加土壤团聚体含量。与CK、单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）相比，配施处理（A）0.5～1和1～2mm土壤粒级分别提高20.2%和31.2%、0.7%和14.8%、 9.9%和20.9%，可见，单施保水剂促进土壤团聚体形成的效果优于单施微生物菌肥，且将2者进行配施后具有更好效果。

土壤学中，通常将>0.25mm土壤团聚体含量作为评价土壤结构的重要指标。由图4可知，不同土层间>0.25mm土壤团聚体含量表现为10～20cm>0～10cm>20～40cm。各处理对不同土层>0.25mm土壤团聚体含量的影响程度表现为对10～20cm土层影响最明显，0～10cm次之，对20～40cm影响不明显。由显著性分析可知，仅有配施处理（A）可以同时显著提高0～10、10～20cm土层>0.25mm土壤团聚体含量，单施保水剂（C）可以显著提高10～20cm土层>0.25mm土壤团聚体含量，但单施微生物菌肥在对>0.25mm土壤团聚体含量影响上均不显著。以10～20cm为例，与CK、单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）相比，配施处理（A）>0.25mm土壤团聚体含量分别提高17.7%、5.9%、11.2%，可见，保水剂和微生物菌肥配施能够更好地促进0～20cm土层土壤团聚体形成。

2.4 不同处理土壤有机质和养分含量变化

不同处理土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾变化如表3所示，不同土层间土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾变化趋势基本一致，均表现为10～20cm>0～10cm>20～40cm，且不同处理对3个土层土壤有机质、养分含量的影响程度基本一致，均表现为对10～20cm土层影响最为明显， 0～10cm次之，对20～40cm土层影响不明显。

分析土壤有机质含量变化可知，各土层均表现为处理A>B>C>CK，且配施（A）能够显著提高0～10、10～20cm土壤有机质含量，单施微生物菌肥（B）仅可显著提高10～20cm土层土壤有机质含量，而单施保水剂（C）则对有机质含量影响不显著，以10～20cm为例，与CK、单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）相比，配施处理（A） 土壤有机质含量分别提高13.2%、6.5%、3.1%。

分析土壤碱解氮含量变化可知，各土层均表现为处理A>B>C>CK，且配施（A）和单施微生物菌肥（B）均能够显著提高0～10、10～20cm土壤碱解氮含量，单施保水剂（C）可提高10～20cm土层土壤碱解氮含量，且在10～20cm土层，配施（A）显著高于2个单施处理，单施微生物菌肥（B）显著高于单施保水剂（C）。以10～20cm为例，与CK、单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）相比，配施处理（A）土壤碱解氮含量分别提高14.2%、7.3%、3.2%。

分析土壤有效磷含量变化可知，各土层均表现为处理A>B>C>CK，且3个施用处理仅在10～20cm土层对土壤有效磷有显著影响，均显著高于CK，同时配施（A）显著高于2个单施处理，2个单施处理间差异不显著。以10～20cm为例，与CK、单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）相比，配施处理（A）土壤有效磷含量分别提高19.6%、8.7%、7.9%。

分析土壤速效钾含量变化可知，除20～40cm土层外，表现为处理A>C>B>CK，且配施（A）能够显著提高0～10、10～20cm土壤速效钾含量，但在0～10cm土层其与2个单施处理间差异不显著，在10～20cm土层与2个单施处理差异显著；单施微生物菌肥（B）和单施保水剂（C）仅能显著提高10～20cm土层土壤速效钾含量，且单施保水剂（C）显著高于单施微生物菌肥（B），这是由于所用保水剂为钾盐型，其可直接向土壤中加入钾，使得其在土壤中速效钾的提升效果优于微生物菌肥。以10～20cm为例，与CK、单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）相比，配施处理（A） 土壤速效钾含量分别提高13.6%、5.6%、8.3%。

注：表中同一行不同小写字母表示差异达0.05显著水平。

2.5 燕麦产量构成变化

燕麦产量构成变化如表4所示。产量构成因素除千粒重外，收获穗数、穗粒数、单穗粒重均表现为处理A>C>B>CK，千粒重表现为处理A>B>C>CK。分析产量构成因素显著性可知，与CK处理比较，仅有配施（A）可以同时显著提高收获穗数、穗粒数和单穗粒重，单施保水剂（C）和单施微生物菌肥（B）仅能显著提高穗粒数，且两者之间以单施保水剂效果优于单施微生物菌肥；与单施保水剂相比，配施仅可以显著提高收获穗数； 与单施微生物菌肥相比，配施可以显著提高收获穗数和穗粒数。以收获穗数为例，配施较单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）和CK分别提高了11.5%、12.7%和18.3%。

分析籽粒产量和生物产量，籽粒产量表现为处理A>C>B>CK。生物产量表现为处理A>B>C>CK。显著性均表现为配施（A）显著高于其他3个处理； 单施处理中，单施保水剂（C）籽粒产量显著高于CK，单施微生物菌肥（B）生物产量显著高于CK，但2个单施处理在籽粒产量和生物产量之间差异均不显著。配施较单施保水剂（C）、单施微生物菌肥（B）、CK的籽粒产量和生物产量分别提高了8.4%、11.7%、20.1%和15.8%、10.8%、25.1%。

综合分析产量构成因素和籽粒产量，相对于其余3个处理，保水剂和微生物菌肥配施在显著提高籽粒产量上主要是显著提高了收获穗数。

注：表中同一列不同小写字母表示差异达0.05显著水平。

2.6 燕麦产量与土壤理化性质的相关性分析

燕麦产量与土壤理化性质之间的相关性分析见表5。燕麦产量与土壤贮水量、团聚体含量、容重、有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量均存在相关关系，其中与土壤团聚体、碱解氮、有效磷和速效钾呈极显著正相关关系，与土壤贮水量、有机质含量呈显著正相关关系，与容重呈显著负相关关系。可见，施用保水剂、微生物菌肥以及2者配施通过改善土壤理化性质对旱作燕麦产量形成具有重要作用。

注：表中 * 表示在0.05水平显著相关，** 表示在0.01水平极显著相关。

3 讨论

保水剂、微生物菌肥单施和2者配施均能改善土壤水分状况，尤其以配施表现较好，在全生育时期配施处理均能显著提高0～40cm土层土壤贮水量。保水剂由于其特殊的分子结构，能够将土壤中有效的水分进行固持，施用当年就具有显著提高土壤水分保持能力效果^[33-34]；微生物菌肥在发挥功效的过程中，其疏松多孔的结构和较大的比表面积使其具有高吸附的性能，能够储存大量的水分，从而提高土壤含水量^[35]，这与前人研究结果一致。2者配施后能在短时间满足微生物菌肥生存环境，更好地促进了土壤水分的保持。宋双双等^[30]研究表明保水剂和微生物菌肥混施改善了油松生长土壤固持水分的能力，这与本研究结果一致。

保水剂单施、保水剂和微生物菌肥配施能够降低土壤容重，提高>0.25mm土壤团聚体含量，保水剂分子量较大，分子链扩展较宽，具有增稠性、粘合性、絮凝性等特点，施入土壤后与土壤颗粒进行结合，促进土壤团聚体形成^[35]，改善土壤结构，降低土壤容重。马斌等^[4]研究表明连续多年施用保水剂能够有效改善土壤结构和0～60cm土层土壤容重；刘慧军等^[3]研究表明保水剂聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺施用能够改善土壤结构，降低土壤容重，增加>0.25mm土壤团聚体含量，且对10～20和20～40cm土层容重影响显著，对0～10cm土层团聚体含量影响显著。微生物菌肥对土壤结构的影响，与前人研究结果不一致，韦建玉等^[36]研究表明施用微生物菌肥可以显著降低土壤容重，增加土壤养分含量；王涛等^[16]研究表明不同微生物菌肥对土壤结构影响不一致，仅有添加木霉菌的微生物菌肥能够显著改善土壤结构，降低土壤容重，提高团聚体含量。本研究中单施微生物菌肥对土壤容重、>0.25mm土壤团聚体含量影响均不显著，这可能是由于土壤本身结构较差、水肥水平低，功能性肥料对土壤结构的改善需要过程，不能在短时间实现；同时本研究中保水剂、保水剂和微生物菌肥配施对10～20cm土层土壤结构影响显著，对20～40cm土层影响不显著，这是由于本试验中保水剂和微生物菌肥均通过播种机施入10～15cm，其余试验均为撒施地表进行翻耕。本研究中保水剂和微生物菌肥配施，不仅能够显著降低施入层土壤容重和提高>0.25mm土壤团聚体含量，而且对0～10cm土层也有显著影响，说明配施后，相比于单施保水剂，能够促进土壤中残茬等物质的分解，使土壤结构变得疏松透气，能够影响到上层土壤结构。宋双双等^[29]研究结果表明，适量的保水剂和微生物菌肥配施后能够显著提高土壤水稳性团聚体含量，与本研究结果一致。

保水剂、微生物菌肥单施和配施均能不同程度改善土壤养分状况，保水剂由于其具有吸附性，在吸收土壤水分的同时可以保存溶解于水中的各种养分，减少养分损失，协调土壤水肥耦合环境，达到保肥作用^[37]，研究表明保水剂施用后对土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量影响均较明显^{[3-4，38-39]}。其中马斌等^[4]研究表明保水剂聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺能够提高0～60cm土层土壤养分含量，其中对各指标的影响程度表现为碱解氮> 有机质> 有效磷> 速效钾。微生物菌肥可以改善土壤微生物生存环境，促进微生物繁殖，提高土壤微生物活性，增加土壤碳、氮代谢，从而促进土壤中养分转化和有机质提升^[40]，其在土壤养分提升上具有显著作用^[41]，但部分研究表明其对碱解氮影响不大，对有效磷、速效钾影响较大^[42]。毛骁等^[43]研究表明微生物菌肥对土壤有机质、有效磷影响显著，但对土壤速效氮和速效钾影响不显著。本研究中，保水剂、微生物菌肥单施及其配施对10～20cm土层土壤养分含量影响显著，但对20～40cm土层影响不明显，这与马斌等^[4]研究不一致，这可能是由于施入方式、施入位置以及施入年限造成的；同时本研究得出保水剂单施对10～20cm土壤碱解氮、有效磷、速效钾影响显著，尤其对速效钾含量，但对有机质影响不显著，这与部分前人研究结果不一致，这是由于试验区域土壤贫瘠，土壤养分含量低，在无外源养分添加的基础上，土壤有机质变化较为缓慢，对于速效钾含量是由于本保水剂为钾盐型，其能够解离出钾离子使得速效钾含量增加显著；单施微生物菌肥、保水剂与微生物菌肥配施均能显著提高10～20cm土层土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，微生物肥由于自身带有碳源、氮源以及其他微量元素，加之微生物活动，促进施入层土壤残茬分解，从而提高了10～20cm土层养分含量，同时将2者配施后，保水剂能够为微生物菌肥的功能发挥提供更好的环境，从而更好地促进土壤养分含量提高，且配施处理能够显著提高0～10cm土壤有机质、碱解氮和速效钾含量，说明配施后不仅能影响施入层，由于其较好的改土培肥能力，能够影响到上层土壤养分含量。武毅等^[28]、宋双双等^[30]研究结果表明保水剂和微生物菌肥混施处理可不同程度地提高油松土壤中速效氮、有效磷、速效钾的含量，对土壤具有保氮释磷促钾作用，这与本研究结果一致。

4 结论

通过在黄土高原旱作区开展保水剂、微生物菌肥配施对土壤理化性质及旱作燕麦产量影响试验研究与分析，得出如下结论：

（1）保水剂、微生物菌肥单施和配施均能显著提高0～40cm土壤贮水量，且以配施处理在全生育时期表现最好。与CK相比，提高7.6%～22.1%；与单施处理相比，提高2.0%～11.6%。

（2）保水剂、微生物菌肥单施和配施对土壤结构均有一定影响，以配施表现最好。能够显著降低0～10、10～20cm土层土壤容重，降低2.2%～5.5%；提高土壤孔隙度，提高3.2%～9.0%。同时促进土壤团聚体形成，显著提高0～10、10～20cm土层>0.25mm土壤团聚体含量，提高5.9%～17.7%。

（3）保水剂、微生物菌肥单施和配施均能提高土壤养分含量，但影响效果不一致，以配施处理表现较好。配施处理能够同时显著提高0～10、 10～20cm土壤有机质、碱解氮和速效钾含量，对有效磷在10～20cm土层影响显著，土壤有机质提高3.1%～13.2%、土壤碱解氮提高3.2%～14.2%、土壤有效磷提高7.3%～19.6%、土壤速效钾提高5.4%～13.6%。

（4）保水剂、微生物菌肥单施和配施能够不同程度促进燕麦籽粒产量和生物产量形成，但仅有配施处理能够同时显著提高燕麦籽粒产量和生物产量。其中籽粒产量提高8.4%～20.1%，生物产量提高11.7%～25.1%。

综上所述，保水剂和微生物菌肥配施能够有效改善黄土高原旱作区土壤理化性质，较单施具有明显优势。

参考文献