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在干旱半干旱地区耕地退化严重影响着土壤生产力,威胁着我国粮食安全。近些年来,越来越多的研究表明土壤改良剂具有修复退化土壤和提高作物生产力的作用。然而,关于大田条件下一次性和连续多年施用土壤改良剂对该地区土壤质量和作物产量的研究很少。本研究以坝莜一号为试验材料,选用4种不同的土壤改良剂,分别是聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酸钾(PAM-K)、腐殖质改良剂(HA)、改性膨润土(BHA),通过5年大田定位试验,在内蒙古黄土高原旱作区研究不同土壤改良剂只施用1年和连续施用多年对燕麦田土壤质量及作物特性的影响。研究结果如下:1.旱作农田施用PAM和PAM-K的微生态效应存在时空差异。PAM以及PAM-K在重复施用4年后,0-60 cm的土壤含水量平均提高34%及27%;土壤容重、土壤电导率分别平均降低7%和2%、23%和30%;显著增加了耕层土壤的有效养分含量(碱解氮、有效磷以及速效钾)(P<0.05);土壤微生物量碳、氮、磷增幅平均达70%、35%、53%和24%、32%、47%,尤其是连续4年施用PAM,10-20 cm的土壤微生物量氮增加达99%及0-10cm、20-40cm的土壤微生物量碳与土壤微生物量磷的增幅最明显,分别是31%和74%、62%和50%。与此同时,植株株高、鲜重、干重、籽粒产量,分别增加了 34%和76%、91%和147%、102%和128%、19%和22%。可见,重复多年施用PAM和PAM-K对施入层(0-20 cm)和近施入层(20-40cm)改善效果显著;PAM相对于PAM-K来说,更适宜旱作地区土壤,能更好的改善土壤质量并提高作物产量。2.与只施用1年和不施PAM相比,PAM连年施用提高(P<0.05)土壤剖面贮水量,降低耕层(0-20cm)与深层(20-60cm)的土壤容重及电导率。改善土壤微生态环境,提高土壤脲酶(106%)、蔗糖酶(94%)及过氧化氢酶活性(45%),促进土壤养分有效化(如,植株有效氮素提高达76%),促进植株生长,提高籽粒蛋白含量(31%)、蛋白产量(58%)、籽粒产量(20%)、水分利用效率(3.67 kghm-2 mm-1)及氮素的部分因子生产力(20%)和经济效益(36%)。综合分析土壤质量和作物氮素生产力改善效果,连续2-3年以上施用PAM,可有效缓解干旱对旱作地区燕麦品质造成的不利影响。3.HA连续多年施用在较湿润和干旱年份均可促进植株生长、提高籽粒蛋白含量(达25%)、籽粒产量(18%)、水分利用效率(20%),氮素的部分因子生产力(18%)及经济效益(25%)。大量植物残茬返还能增加0-20和20-60 cm的有机碳,改善土壤微环境,降低土壤pH值、电导率和容重。提高土壤微生物量碳、氮、磷及脲酶(128%)、蔗糖酶(95%)和过氧化氢酶活性(68%),促进土壤养分的有效化(如碱解氮提高67%),有利于提高土壤生产力。连续2年施用HA在应对旱区土壤退化提供一种有效的经济措施,为旱作地区作物的可持续生产奠定理论基础。4.随着BHA一次性施用量的增加,土壤剖面贮水量呈分段线性加峰值的趋势增加,而表层(0-20 cm)和深层(20-60 cm)土壤电导率、pH和容重呈相反趋势。改善的土壤环境促进土壤脲酶、蔗糖酶及过氧化氢酶活性增加,在21-24 Mg BHA hm-2分别达到峰值,增幅分别为97%、37%和32%,这进而促进土壤养分转化,土壤有效磷增加40%,BHA最佳施用量约24Mghm-2时,籽粒产量、蛋白产量、水分利用效率和氮素部分因子生产力分别提高20%、62%、41%和20%。5.连续多年施用PAM的经济效益增长率(477CNYhm-2)高于PAM-K(468 CNY hm-2)、HA(453 CNY hm-2)及 BHA(67 CNY hm-2)。综上所述,不同土壤改良剂对土壤水分利用、有机碳含量、养分周转、微生物量、酶活性及燕麦作物特性具有长效性和累积效果,但效果因材料类型、施用方式及年季间降雨量、生育期作物水分利用、土层深度的差异而不同。由线性模型可知,连续5年施用PAM经济效益最佳,并且这一措施能应对干旱和半干旱地区土地退化,同时能够改善其农田土壤微生态环境,增加该地区粮食产量。