研究不同施肥处理对晋南旱塬麦田土壤微生物功能多样性的影响,可从微生物功能多样性的角度为旱地小麦减肥增产和肥力提升提供理论依据.本研究依托晋南黄土旱塬冬小麦种植区的长期定位试验田,设置秸秆炭(SF)、菌肥(BF)、有机肥(OF)、腐殖酸(HF)、测控施肥(MF)、农户施肥(FF)和不施肥(CK)7种处理,基于Biolog-ECO微平板法,研究了不同施肥处理下晋南旱塬麦田土壤微生物的碳源利用能力和功能多样性的差异.结果表明:不同施肥处理均能提高黄土旱塬麦田土壤微生物代谢活性和功能多样性,但不同处理的增效不同,SF处理下土壤微生物对碳源的利用最强,能够显著提高土壤微生物对31种碳源的总体利用能力和不同类型碳源的利用能力;SF处理下基于碳源利用的微生物功能多样性、物种丰富度、优势度均显著高于其他5个施肥处理,而其均匀度仅高于BF处理.主成分分析和双向聚类热图分析表明,不同施肥处理对土壤微生物群落代谢功能产生显著影响,SF处理对土壤微生物群落功能多样性有显著促进作用,这种促进作用主要体现在微生物对碳水化合物、羧酸类和氨基酸类碳源的利用上.综上,秸秆炭化还田对晋南旱塬麦田土壤微生物活性有较好的促进作用.

土壤水库是旱作农业区粮食稳产和可持续发展的基础.本文结合长期田间定位试验,通过对黄土高原南部长武旱塬2012-2015年冬小麦土壤水分变化的研究,分析了土壤水库的年际与年内变化特征和动态规律.结果表明:研究区冬小麦田间平均土壤含水量垂直分布曲线均呈“双峰双谷”形,第1处峰点在10～20 cm土层,第1处谷点在50 cm左右,第2处峰点在100 cm左右,第2处谷点在280 cm左右.无论何种降水年型下,土壤水库对降水的响应滞后且滞后的程度一致.降水年型对土壤水库的年际与年内动态变化影响较大.与丰水年相比,枯水年、平水年土壤水库对大气干旱的调节能力降低,表现为主要供水层上移;枯水年、平水年降水量虽少,但对土壤水分的补充作用较丰水年明显;丰水年土壤水库有较大盈余(84.2 mm),水分平衡出现正补偿,枯水年土壤水库稍有亏缺(1.5 mm),水分平衡出现负补偿,平水年土壤水库稍有盈余(9.5 mm),水分平衡出现正补偿.长武旱塬冬小麦田间土壤水分动态可分为4个时期:苗期耗水期、缓慢消耗期、大量消耗期、收获期,整体蒸散耗水大小顺序为:大量消耗期＞苗期耗水期＞收获期＞缓慢消耗期.

以黄土高原30年长期肥料定位试验为基础,依据降水将生育年划分为干旱年、平水年和丰水年,研究不同施肥方式对黄土高原冬小麦产量、肥料贡献率和降水利用率的影响.结果表明:小麦连续种植30年中,氮磷配施和氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率显著高于不施肥和单施肥处理,氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率分别达到3480 kg·hm-2、61.45 kg·kg-1、6.13 kg·mm-1·hm-2;不同降水年型下,丰水年小麦产量、肥料贡献率和降水利用率相对较高;使用逐步回归分析可知,不同降水年型下小麦产量主要受氮磷肥施用量、休闲期降水和越冬期降水影响.黄土旱塬可以通过提高氮磷用量同时适当施用钾肥,以及在休闲期做好蓄水保墒工作来提高小麦产量.

垄膜沟播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的影响均不同.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传统农户施肥 (FF) 、监控施肥 (MF) 、监控施肥配施有机肥 (MFM) 和监控施肥配施生物有机肥 (MFB) 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MFB处理籽粒产量最高, 达4 107-5 400 kg/hm2, 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MFM和MFB处理间的土壤微生物碳和氮差异不显著, 而MFB处理由于混合磷细菌的作用, 其土壤微生物量磷较MFM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.

合理施用氮磷化肥是提高小麦产量的主要措施之一.用二元二次回归方程探讨不同降水年型下的氮磷优化用量,为黄土旱塬小麦施肥提供依据.结果表明:不同降水年型小麦最高产量所需要的氮磷肥用量不同,平水年小麦最高产量4229 kg·hm-2时的氮用量为172kg hm-2、磷用量164 kg hm-2;丰水年最高产量4896 kg·hm-2时,施氮量较平水年多2％,为175 kg·hm-2,施磷量较平水年少约1％,为162 kg· hm-2;干旱年施氮磷量较平水年少约16％和5％,当施氮磷量超出这个用量时,小麦产量开始呈下降趋势.不同降水年型最佳经济施肥量不同,平水年最佳经济施氮量为161 kg· hm-2、施磷量为151 kg· hm-2;而干旱年的最佳氮、磷量为135、143 kg·hm-2;丰水年最佳经济氮、磷量分别较平水年多约3％和1％,为167、153kg·hm-2.最佳经济氮磷施用量比最高产量氮磷施用量低6％～8％.实际生产中建议氮磷减少10％的用量,提高肥料利用率,获得最大经济效益.

土壤水分研究是统筹农业生产和生态环境建设的关键环节.本研究结合4年田间定位试验,通过对黄土高原南部长武旱塬冬小麦和春玉米2012-2015年土壤水分状况的研究,分析农田土壤干层形成情况、土壤水分对作物生长的影响、降水对土壤水库的影响以及作物对土壤水分状况的影响.结果表明:降水年型是冬小麦地土壤干层形成的主导因素,年内降水分布不均是春玉米地土壤干层形成的主导因素.长武旱塬区冬小麦和春玉米一年一季的种植制度不会导致永久性干层的产生;相较于春玉米,冬小麦根系生长习性更符合黄土旱塬区土壤水分循环特征,黄土旱塬区土壤水分有效性可保证作物产量稳定;降水作用下,冬小麦土壤水库充、放水过程呈现收获期、休闲期和苗期连续充水、缓慢消耗期和大量消耗期连续失水相互交替的特点.0～300和300～600 cm土层土壤水库不一致性现象明显,以最大根深作为野外监测试验中土壤含水量的取样深度时,由于深层土壤水库负反馈作用,不同降水年型下,休闲期和苗期的蒸散均会被高估,缓慢消耗期和大量消耗期的蒸散均会被低估.冬小麦田间过渡层存在的范围为140～360 cm;作物生长的时间跨度影响土壤水库效应的发挥,土壤水库对冬小麦供水表现为年际间的调节作用,土壤水库对春玉米供水表现为季节间的调节作用.

以长武黄土高原农业生态试验站的长期定位试验为平台,通过荧光实时定量PCR(real-time PCR)技术,研究不同施肥制度下的黄土旱塬农田土壤微生物群落丰度,揭示长期不同施肥制度对土壤微生物群落的影响规律.结果表明:单施化肥处理细菌数量较CK裸地增加21％,古菌增加32％;化肥配施有机肥处理细菌数量增加37％,古菌数量增加36％.化肥配施有机肥处理显著增加了土壤细菌和古菌的丰度.30年长期施氮肥处理导致氨氧化细菌(AOB)的增幅达7.13倍,而氨氧化古菌(AOA)的增幅仅为0.2倍.AOB对施肥的响应程度较高,尤其是对氮肥具有较高的敏感性.与单施氮肥和氮肥混施有机肥处理相比,施磷肥处理显著增加了固氮酶铁蛋白和甲烷氧化菌含量,撂荒地的固氮酶铁蛋白、亚硝酸还原酶和甲烷氧化菌含量显著高于耕作土壤.结合土壤基本理化性质的相关性分析结果,pH、全氮和有机碳含量是影响土壤微生物群落丰度的重要因子.总之,长期施肥显著改变了黄土旱塬农田土壤各微生物丰度,不同施肥模式、耕作方式对微生物群落丰度具有显著影响.

为探究长武怀豆和黑麦草两种绿肥在黄土旱塬区农田土壤中的腐解状况,应用尼龙网袋法研究了在不同氮肥条件下两种绿肥翻埋后的腐解规律碳、氮养分释放特征及其对土壤耕层有机碳、全氮影响.试验设计施氮区长武怀豆(N1B)、施氮区黑麦草(N1R)、施氮区裸地(N1CK)、不施氮区长武怀豆(N0B)、不施氮区黑麦草(N0R)、不施氮区裸地(N0CK)共6个处理.结果表明:0—105天是长武怀豆、黑麦草腐解的快速上升时期,105—238天进入缓慢腐解阶段,238—281天为中低速增长时期,试验结束时(281天)N1B、N0B、N1R、N0R的累积腐解率分别达到83.84％、82.64％、81.91％和81.04％.绿肥碳、氮均在翻埋后快速释放,其中碳在33天累积释放率达70.04％—74.13％,而氮在前15天释放较快,累积释放率为49.50％—60.04％.在0—20 cm土层各处理间土壤有机碳含量无显著差异,但翻埋绿肥显著提高了土壤全氮含量:与裸地对照相比,翻压长武怀豆能使土壤0—20 cm土层氮含量提高40.57％—41.51％;而翻压黑麦草可提高18.87％—19.81％.农田施肥管理能在腐解前期加快绿肥腐解及氮释放速率,却不影响土壤氮累积.长武怀豆更适合作为该地区土壤培肥夏闲绿肥的选择.

秸秆覆盖深松耕能保护土壤并调节土壤结构,但长期连续深松并不能获得持续增产与培肥土壤效果.为实现持续培肥增产的目的,于2007-2016年在黄土旱塬区连作春玉米田进行了深松轮耕长期定位试验,设置免耕/翻耕/深松(NT/CT/ST)与深松/翻耕(ST/CT)轮耕处理,并以连续深松(ST)为对照,对比分析不同耕作模式对土壤理化性质和玉米产量的影响.结果 表明:与ST相比,NT/CT/ST处理机械稳定性团聚体(DRo.25)和水稳定性团聚体(WR0.25)较ST分别显著增加9.2％和21.9％,团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)显著增加;ST/CT处理WR0.25显著增加了11.9％.在0～ 20 cm土层,NT/CT/ST和ST/CT处理土壤容重较ST分别显著降低7.0％和11.5％,土壤孔隙度分别增加8.4％和13.9％;在20～40 cm土层,ST/CT处理土壤容重增加了6.9％,土壤孔隙度降低了5.7％.NT/CT/ST比ST显著增加了土壤全氮和有机质含量,但降低了土壤全磷和全钾含量.NT/CT/ST处理玉米籽粒产量多年平均值较ST/CT和ST分别提高4.8％和10.2％.DR0.25、WR0.25、土壤全氮、有机碳含量均与产量呈显著正相关,说明深松轮耕模式提高了DRo.25、WRo.25、土壤全氮、有机碳含量,有利于玉米籽粒产量提高.综合考虑土壤肥力和玉米产量,NT/CT/ST处理有利于培肥土壤,提高土壤结构稳定性,并且可获得较高的玉米产量,为推荐轮耕模式.

研究长期施肥对黄土旱塬农田土壤有机磷组分及小麦产量的影响,可为提高磷素转化利用率及合理利用肥料提供理论支持.本研究依托长武旱塬农田生态系统长期(1984-2016年)定位试验站,选取不施肥(CK)、单施氮肥(N)、单施磷肥(P)、施氮磷肥(NP)、单施有机肥(M)、氮肥配施有机肥(MN)、磷肥配施有机肥(MP)、氮磷肥配施有机肥(MNP)8个处理,研究其对土壤有机磷组分、小麦产量和土壤性质的影响.结果 表明:长期施肥后土壤有机磷含量为244.7～429.1 mg· kg-1,除N处理外,其余各处理有机磷含量比CK均显著增加了15.4％ ～47.9％.长期施用磷肥改变了黄土旱塬农田表层土壤(0～20 cm)各有机磷组分含量,MP、MNP处理显著提高了活性有机磷及中活性有机磷含量;N、P和NP处理显著降低了中稳性有机磷含量;N、P、NP、MN、MP、MNP处理均显著提高了高稳性有机磷含量.各处理土壤有机磷组分与总有机磷含量比值为:中活性有机磷＞高稳性有机磷＞活性有机磷＞中稳性有机磷.长期施肥后,与CK相比,氮、磷肥配施,尤其是与有机肥配施,显著增加了小麦生物产量和籽粒产量.土壤指标中,有机质、速效磷和无机磷与小麦产量呈显著正相关.MP、M处理可以显著提高黄土旱塬黑垆土中的速效磷、总磷、总无机磷、活性有机磷和中活性有机磷含量,表明有机肥与磷肥配施可以提高该地区更容易被作物吸收的磷组分.总之,氮磷肥配施并配施有机肥可以提高该地区磷供给,对小麦增产有促进作用,对提高黄土旱塬地区土壤质量有重要意义.