磁化水滴灌對土壤鹽分及玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響①

王洪波，王成福，吳 旭，喬 木，周生斌，閆曼曼

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磁化水滴灌對土壤鹽分及玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響①

王洪波1, 2，王成福3，吳 旭4，喬 木1*，周生斌1，閆曼曼1

(1中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所/荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，烏魯木齊 830011；2中國科學院大學，北京 100049； 3 新疆維吾爾自治區(qū)水利科技推廣總站，烏魯木齊 830011；4新疆維吾爾自治區(qū)水利廳，烏魯木齊 830000)

以玉米為對象，研究不同強度磁化水灌溉對玉米產(chǎn)量、品質(zhì)及生長狀況的影響，并結(jié)合土壤鹽分和養(yǎng)分的變化情況，探尋磁化水玉米增產(chǎn)提質(zhì)的最佳磁化強度。結(jié)果表明：磁化水灌溉能夠有效提高土壤鹽分淋洗效率，加速對鹽分的淋洗作用，磁化水灌溉可有效促進玉米產(chǎn)量的增加及品質(zhì)的提升，以1 200 ~ 2 400 Gs效果最佳。磁化水灌溉使玉米產(chǎn)量增加了4% ~ 16.2%。磁化處理的可溶性糖、蛋白質(zhì)及淀粉含量分別較CK提升了1.4% ~ 38.2%、11.7% ~ 39.6%、9.6% ~ 12.8%。這些結(jié)果不僅表明磁化水有效地促進玉米植株的生長及產(chǎn)量、品質(zhì)的提升，也可以作為一種技術(shù)方法大面積推廣。

磁化水；滴灌；玉米；土壤鹽分；產(chǎn)量；品質(zhì)

瑪納斯河流域的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有較大的潛力，但氣候干旱、降水稀少、水資源供需緊張，又在一定程度上制約了當?shù)剞r(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。如何在水量一定的前提下，保證農(nóng)作物增產(chǎn)增效，是保持本區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定急需解決的問題[1]。磁化水灌溉可有效地提升作物的產(chǎn)量及品質(zhì)；20世紀中期以來，在我國便開展了農(nóng)業(yè)磁化水灌溉技術(shù)，并取得了巨大經(jīng)濟效益和技術(shù)突破；在新建膜下滴灌技術(shù)條件下，磁化水脫鹽抑鹽的效果非常顯著[2]，但并未得到大面積推廣。所謂磁化水，是以一定的速度通過磁場，垂直切割磁力線被磁場磁化的水[3]。灌溉水被磁化后，水的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[4]，水表面張力系數(shù)降低[5-7]，變成單個而有活力的小分子團，這種變小的分子團在細胞代謝過程中具有更強的滲透性，溶解性增強，在灌溉中促進了礦物質(zhì)溶解和植物根系吸收以及植物的生長[8-10]。水經(jīng)過磁化后其理化性質(zhì)發(fā)生了改變，對作物的生長有了積極影響[11]。利用這一原理，在水稻、大豆以及小麥等農(nóng)作物上取得了顯著成果[12-15]。但是在玉米的研究上存在不足，未具體探索不同磁場強度對玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響，以及產(chǎn)量增加并不顯著等缺點。本文旨在研究不同磁化強度條件下磁化水對玉米產(chǎn)量品質(zhì)的影響，并根據(jù)玉米的生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)及土壤鹽分、養(yǎng)分等參數(shù)的結(jié)果，探索出適宜于玉米灌溉管理的最佳磁場強度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2016年初選擇了瑪納斯縣樂土驛鎮(zhèn)上莊子村18.7 hm2為試驗區(qū)，進行了玉米磁化水滴灌豐產(chǎn)技術(shù)的布局試驗。該試驗區(qū)特點是條田走向，地表平坦，肥力相對較高，地理坐標為86°28′ E，44°13′ N，屬于干旱半干旱氣候區(qū)。該地區(qū)年平均降水量181.1 mm，年平均蒸發(fā)量1 803.5 mm。選取生育期為156 d的制種玉米，于2016年4月17日進行播種，9月20日收獲。供試土壤鹽分含量為0.58 g/kg，全氮73.12 mg/kg，有效磷9.45 mg/kg，速效鉀356 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗磁化裝置是包頭磁性材料廠生產(chǎn)的農(nóng)用磁化器，試驗選取磁場強度為1 200、2 400、3 600 Gs的3組磁化器，滴頭流量50 L/h。試驗設(shè)計3個磁場強度1 200、2 400、3 600 Gs及CK(無磁化)，每處理3次重復。試驗采取隨機區(qū)組設(shè)計及依據(jù)農(nóng)田特點，將磁化器按N至S極垂直切割水流方向連接于主管與支管接口處。據(jù)此構(gòu)建成磁化滴灌試驗和對照(CK)常規(guī)滴灌對比2個小區(qū)，其他田間管理措施同大田。在玉米生長至果實成熟期嚴格地控制灌溉水量，于5月23日、6月7日、6月16日、7月3日、7月15日、7月26日、8月5日、8月19日進行灌水，共灌水8次，總灌溉量6 000 m3/hm2，灌水下限為田間持水量的65%。施肥采用基肥為主、追肥為輔原則，耕作前施基肥，每公頃施入尿素250 kg，磷酸二氫氨510 kg。隨灌水施肥1次，在拔節(jié)期每公頃施入尿素190 kg。

1.3 試驗測定方法

1.3.1 土壤含水率的測定 分別在谷子生長發(fā)育的幼苗期(6月7日)、拔節(jié)期(6月16日)及抽穗成熟期(7月26日)的灌前一天和灌后第三天，用土鉆取0 ~ 30 cm土層土樣。迅速帶回稱量其土樣濕重后，在105 ℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重測其干重，計算土壤含水率，每處理重復3次，最終測其平均值。最終土壤含水率計算公式如下：

1.3.2 土壤鹽分及土壤養(yǎng)分的測定 在播種前(4月15日)及收獲后(9月22日)，用土鉆取0 ~ 30 cm土層土樣。土壤樣品經(jīng)風干后過1 mm和0.25 mm 篩，利用離子色譜儀、電感耦合等離子發(fā)射光譜、DDSJ-308A型電導率儀、梅特勒G20型電位滴定儀測定土壤總鹽、八大鹽離子的含量。土壤養(yǎng)分交由中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所中心實驗室測定。每處理重復3次，最終測其土壤鹽分及土壤養(yǎng)分的平均值。

1.3.3 玉米株高、葉片的測定 采用定點定株的方式，在玉米生長發(fā)育的關(guān)鍵時期(幼苗期、拔節(jié)期、抽穗期)，對玉米進行監(jiān)測。每處理定3個點，每點選代表性的玉米植株5株，共15株做定點定株調(diào)查，最終每處理取平均值進行比較分析。

1.3.4 玉米產(chǎn)量的計算 每個處理隨機取3個樣點，每個樣點取6.67 m2，對長勢不均勻的試驗田視情況適當增加樣點數(shù)。每個樣點選取有代表性的雙行，實數(shù)收獲穗數(shù)，計算每公頃收獲穗數(shù)；每個樣點內(nèi)隨機抓取10個穗，計數(shù)平均穗粒數(shù)。將10穗脫粒，查取1 000粒稱重，重復3次，求取平均值計為千粒重。最終產(chǎn)量計算公式如下：

式中：為產(chǎn)量(kg/hm2)；為穗數(shù)(個/hm2)；為穗粒數(shù)(個)；為千粒重(g)；0.85是歷史多年實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量計算的比值。

1.3.5 玉米品質(zhì)的測定 采用HASS便攜式溶解氧測定儀測定玉米穗?？扇苄蕴呛?，蛋白質(zhì)含量由FOSS全自動定氮儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化水滴灌對土壤含水率的影響

由圖1可知，3個時期的監(jiān)測數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為磁化處理的土壤含水率高于對照組，各時期均表現(xiàn)為2400 Gs處理最佳。在幼苗期(6月7日為例)，各處理間差異不顯著，磁化處理的土壤含水率均高于CK處理；在拔節(jié)期(6月16日為例)，各磁化處理與CK處理間差異顯著，2400 Gs與3600 Gs處理間不存在顯著性差異，土壤含水率表現(xiàn)為：2400 Gs>3600 Gs>1200 Gs>CK，分別較CK提高了16.0%、9.7%、4.9%；在抽穗成熟期(7月26日為例)，2400 Gs與1200 Gs間差異不顯著，但與CK處理存在顯著性差異，3600 Gs與CK處理不存在顯著性差異，土壤含水率表現(xiàn)為：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分別較CK提高了13.0%、10.1%、3.0%。結(jié)果表明：磁化處理可有效提高土壤含水率，2400 Gs處理效果最佳，在幼苗期、拔節(jié)期、抽穗成熟期分別較CK高2.7%、16.0%、13.0%。

(圖柱上方小寫字母不同表示處理間差異達到P<0.05顯著水平，下同)

2.2 磁化水滴灌對土壤鹽分的影響

據(jù)表1可知，4個處理均可以降低土壤的總鹽含量，是因為滴灌灌溉方式可以對土壤起到洗鹽壓鹽作用。但磁化水灌溉對土壤的洗鹽壓鹽效果更明顯，磁化處理的土壤鹽分脫鹽率均高于CK(無磁化)。處理間脫鹽率表現(xiàn)為：2400 Gs>3600 Gs>1200 Gs>CK，磁化處理脫鹽率較CK分別提高了14.5%、11.7%、2.8%。磁化處理土壤中的SO2– 4、Cl–、Na+的含量均降低，但HCO– 3的含量除2400 Gs處理表現(xiàn)為下降，其他處理HCO– 3的含量均升高。Na+的含量脫鹽率表現(xiàn)為：2400 Gs>3600 Gs>1200 Gs>CK。CO2– 3在本試驗中含量微量。Cl–脫鹽率以2400 Gs處理最佳，為29.0%，較CK提高了49.5%。各磁化處理的土壤中Ca2+、Mg2+、K+的含量均表現(xiàn)為降低，但CK(無磁化)處理土壤中的Mg2+、K+含量表現(xiàn)為增加。結(jié)果表明：磁化水灌溉可以有效降低土壤鹽分含量，鹽隨水走，更多鹽分被淋洗到耕作層以下。

表1 不同處理土壤鹽分和八大離子的變化(0 ~ 30 cm土層平均值)

注：CO2– 3微量未標注。

2.3 磁化水滴灌對土壤養(yǎng)分吸收的影響

試驗測定結(jié)果(表2)表明：磁化處理土壤中的堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)含量的變化率均高于CK處理。有機質(zhì)的變化率表現(xiàn)為：1200 Gs>2400 Gs>3600 Gs>CK，2400 Gs處理有機質(zhì)溶解率較CK提高了67.4%。磁化處理的堿解氮、有效磷、速效鉀含量的變化率分別為12.7% ~ 14.5%、31.6% ~ 54.3%、6.6% ~ 10.6%，均表現(xiàn)為：3600 Gs>2400 Gs>1200 Gs> CK。

鉆孔灌注樁由于其自身的優(yōu)勢發(fā)展迅猛，在成本效益意識日益增強，環(huán)保要求越來越高的時代，半濕孔作業(yè)法將憑借快速、節(jié)約、穩(wěn)定及環(huán)保等優(yōu)點給工程建設(shè)質(zhì)量提供了更多保障。本文是基于鄭州西部地層特性樁基半濕孔成孔的可行性討論，對本區(qū)域樁工建設(shè)及其他地區(qū)類似地層提供參考。

表2 不同處理的土壤養(yǎng)分變化(0 ~ 30 cm土層平均值)

注：變化量=灌溉前量–灌溉后量。

2.4 磁化水滴灌對玉米生長發(fā)育的影響

由圖2可以看出：在苗期(6月7日為例)及拔節(jié)時期(6月29日為例)，磁化處理的玉米株高、葉片數(shù)均高于對照組，但各處理間差異不顯著，且葉片增加緩慢。在抽穗成熟期(7月13日為例)，株高表現(xiàn)為：3600 Gs>2400 Gs>1200 Gs>CK，分別較CK提高了11.5%、9.6%、8.0%，磁化處理與CK處理差異顯著，但各磁化處理間不存在顯著性差異；葉片數(shù)表現(xiàn)為：3600 Gs>2400 Gs>1200 Gs>CK，分別較CK提高了19.7 %、11.5%、1.6%，3600 Gs、2400Gs處理與CK處理差異顯著，1200 Gs處理與CK處理間差異不顯著，2400 Gs處理的葉片數(shù)比CK處理高11.5%。試驗結(jié)果表明：磁化處理可以在一定程度上促進玉米植株的增長、葉片數(shù)的增加。

圖2 不同處理對不同生育階段玉米的株高和葉片數(shù)的影響

2.5 磁化水滴灌對玉米生物量的影響

圖3顯示，磁化處理的玉米地上部生物量均大于CK對照組，磁化處理與CK對照組間存在顯著性差異，2400 Gs與1200 Gs、3600 Gs處理間差異顯著，但1200 Gs與3600 Gs處理間不存在顯著性差異。2400 Gs處理玉米植株的地上部生物量達到263.5 g/株，較CK提高了71.2%。1200 Gs處理和3600 Gs處理地上部生物量為216.3、209.1 g/株，較CK處理分別提高了40.5% 和35.9%。結(jié)果表明：磁化處理均明顯促進了玉米植株的地上部生物量的積累，進而有效促進玉米作物最終產(chǎn)量的形成，以2400 Gs處理最佳。

圖3 不同處理玉米的地上部生物量

2.6 磁化水滴灌對玉米穗粒性狀的影響

從調(diào)查的結(jié)果來看(表3)，磁化處理玉米的穗長及穗粗均高于CK對照組，經(jīng)磁化處理玉米的禿尖長均低于CK處理，但各處理間均表現(xiàn)為差異不顯著。磁化處理玉米的單穗粒重較CK處理增重23.2 ~ 41.2 g，磁化處理與CK處理之間差異顯著，2400 Gs處理與1200 Gs、3600 Gs處理間差異性顯著，但1200 Gs、3600 Gs處理間無顯著性差異。單穗粒重表現(xiàn)為：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分別較CK提高了45.8%、28.6%、25.8%。試驗數(shù)據(jù)表明：磁化處理有利于促進玉米穗長、穗粗、單穗粒重的增加，并可一定程度上減少禿尖長度。

2.7 磁化水滴灌對玉米產(chǎn)量的影響

由表4看出，各磁化處理的玉米的產(chǎn)量與CK處理間均表現(xiàn)為顯著性差異，2400 Gs處理與1200 Gs處理無顯著性差異，但與3600 Gs處理差異顯著。最終測產(chǎn)以2400 Gs處理最佳，產(chǎn)量為8 182 kg/hm2，較CK提高了16.2%。1200 Gs與3600 Gs分別比CK處理提高了14.0% 和4.0%。在穗粒數(shù)上，磁化處理均高于CK對照組，2400 Gs處理較1200 Gs、3600 Gs及CK處理分別提高了6.6%、8.8% 和25.9%，各處理間差異不顯著。穗數(shù)表現(xiàn)為：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分別較CK提高了9.7%、8.1%、6.3%，各處理間不存在顯著性差異。千粒重以2400 Gs最佳，為345.4 g，較CK提高6.0%，各處理間差異不顯著。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：磁化水滴灌可有效提高玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量，以2400 Gs處理最佳，1200 Gs次之。

表3 磁化水滴灌對玉米穗粒性狀的影響

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異達<0.05顯著水平，下表同。

表4 磁化水滴灌對玉米產(chǎn)量的影響

2.8 磁化水滴灌對玉米品質(zhì)的影響

由表5結(jié)果可知，2400 Gs處理可溶性糖含量最高，為1.99 g/kg，分別較3600 Gs、1200 Gs、CK提高了36.3%、7.0% 和38.2%；2400 Gs處理與1200 Gs不存在顯著性差異，但與CK處理之間差異顯著，3600 Gs處理與CK處理間差異不顯著。蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分別較CK提高了39.6%、17.9%、11.7%，2400 Gs與其他處理間差異顯著。2400 Gs處理淀粉含量最高，為5.65 g/kg，較CK提高了12.8%；1200 Gs與3600 Gs分別較CK提高了10.8% 和9.6%；各磁化處理間不存在顯著性差異，但與CK之間差異顯著。試驗數(shù)據(jù)表明：磁化水灌溉可以有效地提高玉米穗粒的品質(zhì)，以2400 Gs最佳，1200 Gs處理次之。

表5 磁化水滴灌對玉米籽粒品質(zhì)的影響

3 討論

本試驗結(jié)果表明：與非磁化水相比，磁化水灌溉可以提高土壤含水率，這與Khoshravesh等[16]研究結(jié)果一致。土壤含水率增加的原因：①水經(jīng)過磁化后，連接水分子之間的氫鍵斷裂，由大分子團簇變成二聚體或者單個水分子，所以水分子更易附著在土壤顆粒表面、更易滲透到土壤顆粒間隙中；②磁化水加速了土壤中的礦物質(zhì)晶體的形成[17]，這些在水中運動的晶體增加了土壤的滲透壓，從而降低土壤水分的蒸發(fā)，因此有更多的水分留在土壤中。

磁化水灌溉的鹽分淋洗效果明顯高于普通灌溉水，這與鄭德明等[2]及張瑞喜等[18]的研究結(jié)果相一致。普通灌溉水可以對土壤鹽分進行淋洗[19-20]，單效果不如磁化水顯著，因此，在干旱地區(qū)使用磁化水灌溉淋洗可以起到事半功倍的效果。土壤鹽分含量降低，可以減輕作物受到的鹽害脅迫程度，在一定程度上增強了作物的生理活性[21]，有利于作物產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的改善。

另外，磁化水處理自身也具有改善作物生理活性的功能，對作物增產(chǎn)增收具有一定作用[22]。磁化處理在一定程度上促進玉米植株的增長、葉片數(shù)的增加，有利于促進玉米穗長、穗粗、單穗粒重的增加，有效地控制了禿尖長[23-25]。葉片數(shù)的增多有效地增加了光合作用的有效面積，加強對太陽光的吸收利用，可更好地促進玉米植株養(yǎng)分的積累，在后期玉米干物質(zhì)積累及品質(zhì)的提升中發(fā)揮了重要作用。

磁化水灌溉提升了土壤含水率，降低土壤鹽分，加速對土壤養(yǎng)分的溶解率，這些因素的相互作用，為玉米作物生長發(fā)育及最終產(chǎn)量、品質(zhì)的提升奠定了基礎(chǔ)。但磁化強度不是越高越好，針對玉米作物產(chǎn)量以2400 Gs效果最佳，產(chǎn)量為8 182 kg/hm2，較CK提高了16.2%。品質(zhì)表現(xiàn)為2400 Gs處理最佳，1200 Gs處理次之。3600 Gs對玉米株高、葉片數(shù)的提高表現(xiàn)最佳，但最終的玉米產(chǎn)量、品質(zhì)低于2400 Gs處理、1200 Gs處理，因此3600 Gs處理的玉米植株屬于徒勞增長，并未較高提高玉米產(chǎn)量及品質(zhì)。因此，磁化水滴灌玉米作物，可以把磁化器的磁場強度限定為1200 Gs ~ 2400 Gs。

4 結(jié)論

1)磁化水滴灌可有效提高土壤含水率、降低土壤鹽分含量。

2)經(jīng)磁化水灌溉的玉米植株，可有效提高玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量，2400 Gs、1200 Gs與3600 Gs分別比CK處理提高了16.2%、14.0% 和4.0%，以2400 Gs處理最佳。

3)經(jīng)磁化水灌溉的玉米植株，磁化水灌溉可以有效地提高玉米籽粒品質(zhì)，其可溶性糖含量較CK提高了1.4% ~ 38.2%；蛋白質(zhì)含量較CK提高了11.7% ~ 39.6%；淀粉含量較CK提高了9.6% ~ 12.8%。

4)綜合分析土壤鹽分、作物產(chǎn)量和品質(zhì)因素，磁化水滴灌玉米，可以把磁化器的磁場強度限定為1200 Gs ~ 2400 Gs。

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Effects of Drip Irrigation with Different Magnetic Water on Soil Salinity, Maize Yield and Quality

WANG Hongbo1, 2, WANG Chengfu3, WU Xu4, QIAO Mu1*, ZHOU Shengbin1, YAN Manman1

(1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Water Conservancy Science and Technology Extension Station of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China; 4 Department of Water Resources of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830000, China)

A field experiment was conducted to study the effects of drip irrigation with different magnetic water on soil salinity and nutrients, maize yield and quality and to determine the optimal magnetic intensity. The results showed that drip irrigation with magnetic water accelerated the elution of soil salts and improved the elution efficiency, increased maize yield by 4%-16.2%, promoted soluble sugar, protein and starch in maize ears and kernels by 1.4%-38.2%, 11.7%-39.6% and 9.6%-12.8%, respectively, compared with CK, and in which magnetic intensity of 1200-2400 Gs had the best effect. Thus, drip irrigation with magnetic water is an effective technique to be popularized in Xinjiang and similar regions.

Magnetic water; Drip irrigation; Maize; Soil salinity; Yield; Quality

新疆水利科技項目(Y652201001)資助。

(qiaomu@ms.xjb.ac.cn)

王洪波(1992—)，女，黑龍江人，碩士研究生，主要從事土壤化學研究。E-mail: 2467727742@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.016

S156.4

A