本试验于2018年10月至2019年5月在重庆市云阳县宝坪镇江南村试验地(108°54′E，30°55′N)进行. 试验地土壤类型为紫色土，试验区前茬作物为高粱，试验前土壤有机质质量分数为18.3 g/kg，全氮、全磷、全钾质量分数分别为0.79，0.57，14.96 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾质量分数分别为84.00，5.68，188.03 mg/kg，试验期间气象数据如图 1所示.

试验采用3×3双因素随机区组设计. A因素为不同保水剂添加处理：不加保水剂、常规农用保水剂(吸水性树脂，产自日本触媒公司，施用量为22.50 kg/hm²)、微生物保水剂(长沙圣华科技发展有限公司，施用量为22.50 kg/hm²); B因素为不同覆盖处理：不覆盖、黑色地膜覆盖(厚度为0.006 mm，宽度为60 cm，起垄覆盖，垄沟比40∶40)、秸秆覆盖(高粱秸秆，用量为7 500 kg/hm²). 试验共设计9个处理，分别为不施加保水剂+无覆盖(A₁B₁)、单一地膜覆盖(A₁B₂)、单一秸秆覆盖(A₁B₃)、单施常规农用保水剂(A₂B₁)、地膜覆盖配施常规农用保水剂(A₂B₂)、秸秆覆盖配施常规农用保水剂(A₂B₃)、单施微生物保水剂(A₃B₁)、地膜覆盖配施微生物保水剂(A₃B₂)、秸秆覆盖配施微生物保水剂(A₃B₃)，各小区随机排列，每个处理3次重复，共计27个小区，小区面积16 m²(4 m×4 m).

供试作物为油菜(Brassica napus L.)，品种为“渝油28”，2018年10月18日播种，2019年5月6日收获. 各处理播种密度均为150 000株/hm²(行距40 cm，株距33.3 cm)，将“宜施壮”缓释型油菜专用配方肥(N∶P∶K=25∶7∶8)作为基肥全部穴施，按纯氮量225 kg/hm²施入，保水剂按22.50 kg/hm²与细土混合，均匀撒入播种穴内，播种后用土将穴填平. 大区四周设置保护行，生育期内不灌水，其他管理操作同当地常规耕作方式.

于成熟期在每个小区随机选取具有代表性的植株4株，用剪刀沿根茎分割部位剪断，收集地上部，根部采用挖掘法小心挖出，装入尼龙网带. 用卷尺测量油菜的株高(根茎分割处到生长点)，游标卡尺测量茎粗，将每个小区的油菜植株全部采收脱粒，晾干后称质量测产.

采用五点取样法钻取0~20 cm土层土壤(含水量测定于油菜各生育时期内钻取的土样)，自然风干后研磨过筛; 在油菜成熟期取根际土壤样品，将植株根系用铁铲从土壤中挖出，慢慢抖掉与根系结合比较松散的土壤，然后用经火焰灭菌的镊子刮取附着在作物根系上的薄层土壤(＜10 mm)作为根际土壤，按四分法取样，除去杂物后迅速过2 mm筛，于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物的测定.

土壤水分与土壤养分含量测定参照鲍士旦^[19]方法：土壤含水量采用铝盒烘干法测定; 土壤碱解氮采用碱解扩散吸收法测定; 土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提，钼锑抗比色法测定; 土壤速效钾采用1 mol/L NH₄Ac浸提，原子吸收分光光度计法(AA-7000，日本岛津)测定; 土壤有机质采用水合热法测定. 土壤酶活测定参照关松荫^[20]方法：蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定; 过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定.

土壤微生物群落功能测定：采用Biolog-ECO生态板法，将土样放在25 ℃条件下活化24 h，取相当于10 g风干土质量的鲜土样于100 mL三角瓶中，加入100 mL经灭菌的氯化钠溶液(0.9 mol/L，下同)，以200 r/min震荡30 min，静置2 min，取一定量上清液并用氯化钠溶液稀释至1 000倍，制备出接种液. 用接种液接种Biolog-ECO生态板，接种量为150 μL，每样1板，每板3次重复. 接种好的微孔板放入25 ℃恒温培养箱中培养240 h，每隔24 h使用Infinite M200 Pro(TECAN公司)多功能酶标仪测定吸光度. 测定波长分别为590 nm(颜色+浊度)和750 nm(浊度). 微生物代谢活性用590 nm下的吸光度值减去750 nm下的吸光度值表示，其中数值小于0.06时按0处理. 相关计算公式如下^[21-22].

(1) 孔的平均颜色变化率(Average Well Color Development，AWCD)：

式中：C_i为第i个非对照孔的吸光值; R为对照孔的吸光值; n为培养基碳源种类数(n=31).

(2) Richness丰富度指数(R)，指被利用的碳源总数目，本研究中为每孔中(C_i-R)的值大于0.25的孔数.

(3) Shannon-Wiener香农指数(H)：

式中：P_i为第i个非对照孔中的吸光值与所有非对照孔吸光值总和的比值，即

(4) Simpson优势度指数(D)：

(5) Pielou均匀度指数(J)：

式中：R为被利用的碳源总数.

用Microsoft Excel 2019进行数据统计分析，用SPSS 18.0统计软件中的General Linear Model进行单因变量方差分析，多重比较采用Duncan新复极差法，用Origin 2022软件进行主成分分析及图形绘制. 本研究数据结果均采用3次重复的平均值±标准误差的形式呈现，各处理在p＜0.05水平差异有统计学意义.

在油菜整个生育期内，0~20 cm土层土壤含水量整体表现为先下降后升高再降低的趋势，花期前各处理下的土壤含水量均大于对照处理(图 2). 苗期时，除A₃B₁处理外，其余处理土壤含水量显著高于对照处理; 除A₂B₃外，施用保水剂及添加覆盖材料的处理能提高土壤含水量，覆盖材料配施保水剂对土壤含水量的提升效果要优于单一保水剂或覆盖材料处理. 蕾薹期时，各处理土壤含水量变化范围为12.48%~13.59%，A₃B₂处理下土壤含水量最高，处理间差异无统计学意义. 花期时，由于降水量较大，各处理的土壤含水量均保持在较高水平，A₃B₂处理达到最高的18.74%，处理间差异无统计学意义. 成熟期时，A₂B₂处理的土壤含水量最高，在相同保水剂水平下，土壤含水量表现为B₂＞B₁＞B₃.

表 1为成熟期土壤养分情况. 除A₁B₂处理外，其余处理的土壤碱解氮质量分数均高于对照处理，其中A₃B₂和A₂B₂处理的碱解氮质量分数相较于A₁B₁处理显著提高了12.93%，10.91%. 在相同覆盖条件下，各处理的土壤碱解氮质量分数均表现为A₃＞A₂＞A₁，地膜覆盖配施保水剂可以显著提高土壤碱解氮质量分数，且微生物保水剂的效果要优于常规农用保水剂. 与碱解氮类似，各处理的土壤速效磷质量分数均高于对照处理，A₃B₃和A₁B₃处理土壤速效磷质量分数较对照显著提高了12.97%，11.79%. 在相同保水剂处理条件下，各处理土壤速效磷质量分数均表现为B₃＞B₂＞B₁. A₂B₃处理下的速效钾质量分数最高，显著高于A₂B₂，A₃B₁，A₃B₂处理，和其他处理差异无统计学意义. 保水剂及覆盖材料处理对土壤速效钾质量分数的影响不大. 除A₁B₂，A₂B₁处理外，其他处理土壤有机质质量分数均显著高于对照处理，其中A₃B₂处理最高，增幅达45.79%.

不同处理下的蔗糖酶活性均高于对照组(表 2)，其中A₃B₂，A₂B₃处理较对照显著提升了40.99%，35.76%. 在同一覆盖处理下，蔗糖酶活性表现为A₃B₁＞A₂B₁＞A₁B₁，A₃B₂＞A₂B₂＞A₁B₂，A₂B₃＞A₁B₃＞A₃B₃，其中A₃B₂处理显著高于A₁B₂处理，说明保水剂的施用有利于提高土壤蔗糖酶活性，在地膜覆盖条件下效果显著; 在同一保水剂处理条件下，蔗糖酶活性分别表现为A₁B₃＞A₁B₂＞A₁B₁，A₂B₃＞A₂B₂＞A₂B₁，A₃B₂＞A₃B₁＞A₃B₃，其中A₃B₂处理显著高于A₃B₃处理. 各处理之间的土壤过氧化氢酶活性差异无统计学意义.

随着培养时间的增加，各处理的土壤微生物活性不断升高(图 3a). 从培养24 h起，AWCD值迅速升高，144 h以后颜色变化趋于平缓，此时，除A₁B₂处理外，各处理下的土壤微生物AWCD值相较于对照处理有不同程度的提高，其中A₂B₁和A₃B₂处理较对照处理显著提高了24.72%和21.91%(图 3b). 对不同处理根际土壤培养144 h后各碳源AWCD值进行主成分分析，从31种碳源中提取6个主成分因子，其占比分别为43.15%，15.76%，10.71%，8.98%，6.94%和5.84%，累计方差贡献率为91.38%，可以基本表征不同处理下土壤中微生物的碳源利用特征. 选取占比较大的PC1和PC2作图(图 4)，结果显示，A₂B₁处理的综合得分最高，A₃B₂处理次之，且所有处理综合得分均高于对照处理，表明施加保水剂和覆盖处理均能影响土壤微生物的碳源利用率.

各处理下的胺类碳源的AWCD值相较于对照处理均有不同程度的提高(图 5a)，A₃B₂处理显著高于对照处理，增幅达48.53%，其余处理差异无统计学意义; 与胺类碳源类似，施加保水剂及添加覆盖材料的各处理对氨基酸类碳源的利用强度均有提高，与对照处理相比，A₂B₁，A₃B₂处理的AWCD值显著提高了34.71%和33.94%，无覆盖条件下，AWCD值表现为A₂＞A₃＞A₁，其中A₂B₁显著高于A₁B₁，地膜覆盖条件下表现为A₃＞A₂＞A₁，且A₃B₂显著高于A₁B₂(图 5b); 对于糖类碳源，各处理下的AWCD值变化规律与氨基酸类碳源表现基本一致，但不覆盖、地膜覆盖、秸秆覆盖条件下的各处理间差异无统计学意义，施加常规农用保水剂条件下，AWCD值表现为B₁＞B₃＞B₂，且A₂B₁显著高于A₂B₂(图 5c); 对于羧酸类碳源，A₂B₁处理显著高于A₁B₂和A₃B₃处理，其他处理与对照处理之间差异无统计学意义(图 5d); 对于双氢化合物类、聚合物类两类碳源，各处理均高于对照(聚合物类A₁B₂处理除外)，且均以A₃B₂处理的AWCD值最高，增幅分别为49.15%和19.14%，但处理间差异并无统计学意义(图 5e-5f).

各处理的香农指数(H)和优势度指数(D)表现变化一致，均表现为A₃B₂处理最高，A₃B₁处理最低(表 3)，其中A₃B₂＞A₃B₃＞A₃B₁，且A₃B₂显著高于A₃B₁，说明施加微生物保水剂情况下，地膜覆盖可以提高土壤微生物的香农指数(H)和优势度指数(D); 不同处理之间的丰富度指数(R)和均匀度指数(J)差异无统计学意义.

A₃B₂，A₂B₂，A₃B₃处理下的油菜株高显著高于对照处理，不同处理下的茎粗均大于对照处理，但处理间差异无统计学意义，油菜的地上及地下部分干质量均以A₃B₂处理最高，且显著高于对照处理(表 4). 值得注意的是，在相同保水剂处理中，地膜覆盖处理下的地上部干物质质量要大于不覆盖及秸秆覆盖处理，而这个规律在地下部干物质质量方面也基本成立.

由图 6可以看出，除去A₂B₃处理后的油菜产量要低于对照A₁B₁处理的油菜产量，其余处理的油菜产量均高于对照组. 其中A₃B₂处理下的油菜产量最高，A₂B₂处理次之，分别较对照处理显著提高34.45%和24.88%.

相对于无覆盖的地表，地膜覆盖和秸秆覆盖处理避免了农田土壤直接暴露于空气中，地膜与秸秆形成的屏障截获土壤中蒸发的水汽，在地膜或秸秆上冷凝后再次回到土壤中，减少了水分散失^[23]. 保水剂是一种高分子聚合物，以其强的吸水、释水能力来增加土壤含水量^[24]. 本研究中，施用保水剂及添加覆盖材料的处理能提高0~20 cm土层土壤含水量，覆盖材料配施保水剂对土壤含水量的提升效果要优于单一保水剂或覆盖材料处理，但是在成熟期，秸秆覆盖处理下的土壤含水量却低于对照处理，这是由于随着生育进程的推进，油菜自身冠层和植被覆盖度会增加，并且随着秸秆的腐解程度加深，其抑制水分蒸发的效果会减弱，秸秆覆盖对表层土壤含水量的影响变小^[25]. 此外秸秆覆盖的抑制蒸发的作用与降雨量有关，微降雨时期，部分雨水会被地表覆盖的秸秆截获和吸收，日间温度较高会加速雨水蒸发，一定程度上阻碍了雨水的下渗^[26].

研究表明，保水剂对土壤中的氮、磷、钾元素有较强的吸附作用，在调节土壤水分状况的同时，有效降低土壤养分流失^[27]. 徐媛等^[28]的研究指出，地膜覆盖能够增加土壤速效氮、速效磷及有机质质量分数，有效地保持土壤养分. 秸秆作为外来碳源，其矿化分解形成的营养元素首先会被土壤中的微生物转化为自身的生物量，随着微生物的死亡这部分营养很快被再次释放出来，增加了土壤中可以直接供植物吸收利用的养分源^[29]，提高土壤肥力^[30]. 本研究中，地膜覆盖、秸秆覆盖和保水剂处理均能提高土壤中速效养分质量分数和有机质的质量分数，这与前人研究一致. 在农田土壤中，无论是覆盖地膜还是有机物料秸秆，都可以减缓雨水对土壤的冲击，降低地表径流量^[31]，这也避免了由于强降水而使土壤养分随雨水流失^{[10, 32]}，其次，地表覆盖形成的隔离层有效地遏制了杂草种子及幼芽的萌发，削弱了杂草与作物之间的养分竞争^[33].

土壤中足够的养分供应是保证植物生长发育的前提条件，从本试验结果来看，施加保水剂和覆盖地膜处理有利于油菜的生长发育，地膜覆盖配施微生物保水剂处理显著提高了油菜株高及地上部、地下部干物质质量以及油菜籽粒产量. 保水剂、地膜覆盖及秸秆覆盖缓和了作物生长发育过程中的水分供求矛盾，减少了土壤中的有效养分的流失，提高了作物的光合速率及干物质积累量^[34]，增加了作物的产量^[35-36]. 而本研究中，秸秆覆盖处理下的油菜生长指标并未见提高，这可能由于前期秸秆覆盖处理不利于油菜的出苗，种子萌发到突破秸秆层的这段时间里，作物所吸收的光照不足，苗期的光合作用受到影响，一定程度上限制了油菜幼苗正常的生长发育，从而影响到了最终产量^[37].

土壤酶活性可用作土壤肥力和微生物活性的指标^[38]. 大量研究表明，添加秸秆残留物可以激发土壤中各类催化反应，大幅提高矿化分解外源有机物关键酶的活性^[39-41]. 王静等^[42]的研究表明，地膜覆盖种植能提高土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶等酶的活性，但吴宏亮等^[43]的研究却发现，地膜覆盖处理对过氧化氢酶活性并无显著影响. 保水剂以其蓄水保墒特性，对土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶等的合成具有显著促进作用^[44]，微生物保水剂中复合的微生物菌种，有利于土壤胞外酶的产生^[45]. 本研究中，各处理对于土壤过氧化氢酶活性无明显影响，这与吴宏亮等^[43]的研究类似，保水剂、秸秆覆盖和地膜覆盖处理均有利于提高土壤蔗糖酶活性，当地膜覆盖配施微生物保水剂时，土壤蔗糖酶活性的提升效果显著，但秸秆覆盖配施微生物保水剂处理的效果不佳，这可能与不同类型保水剂与秸秆之间的交互作用以及土壤环境中水热因子的变化相关^[46]，具体原因有待进一步探究.

地膜覆盖通过改变土壤水热条件，促进土壤微生物的生长繁殖，提高微生物活性^[47]; Govaerts等^[48]研究指出秸秆覆盖处理下的土壤微生物群落丰富度和多样性指数均显著高于无覆盖处理，Zhang等^[49]的试验将传统地膜覆盖与秸秆覆盖处理相结合，发现二者协同覆盖不仅可以显著增加土壤真菌数量，还能够缓解单一地膜覆盖对土壤有机质的过度消耗; Zhang等^[50]的试验表明，生物肥料与高吸水聚合物混施对于提高土壤微生物量、种群数量有一定的促进作用. ECO微平板检测获得的AWCD值提供不同微生物对相同碳源的利用情况，反映了微生物对碳源的利用能力，从功能代谢方面显示了微生物群落功能多样性，可用于描述土壤微生物代谢活性^[51].

本实验中，A₂B₁和A₃B₂处理的AWCD值显著高于对照处理，不同保水剂和覆盖材料处理对微生物的代谢活性产生了显著影响，丰富度指数、香农指数和优势度指数均在A₃B₂处理达到峰值，说明A₃B₂处理可以驱动微生物群落结构的正向调节，但这种促进作用并未对微生物多样性产生显著影响; 本研究结果中，秸秆覆盖处理下的微生物丰富度与对照处理差异无统计学意义，这与前人的结论不一致，主要原因可能是：土壤干旱影响土壤孔隙间气体交换^[52]，微生物对气体利用率降低导致短期内的代谢活性受阻^[53]，进而影响微生物丰富度^[54]; 土壤微生物参与的秸秆腐解过程本身需要养分供应，这可能会造成其与微生物保水剂中微生物群的养分存在竞争现象^[55]. 同时，秸秆覆盖处理后期土壤含水量偏低，恶化了土壤中微生物的生存环境. 此外，本研究还发现，A₃B₂处理下微生物对胺类、氨基酸类碳源的利用率明显提高，偏好胺类、氨基酸类的微生物种群得到富集^[21]，这可能是油菜根际分泌物构成的异质性所致^[56]，胺类碳源大多数由氨基酸脱羧而成，根系通过增加分泌胺类、氨基酸类碳源诱导微生物转化更多的氮素养分，促进自身的光合作用及叶绿素的合成，有利于油菜高产量和高品质的形成^[57].

地膜覆盖、秸秆覆盖以及两种不同的保水剂处理可以明显提高土壤含水量，增加土壤速效养分，土壤理化性状的改善促进了土壤微生物及相关酶活性的提高，有利于油菜的生长发育，覆盖材料与保水剂结合的多元化处理模式为改善农田生态环境提供了更多、更全面的选择. 综合而言，地膜覆盖配施微生物保水剂处理(A₃B₂)在土壤特性及油菜生长等指标方面表现得优于其他处理，可以作为西南地区油菜生产中应对季节性干旱和肥力低下问题的有效措施.