長(zhǎng)期施用保水劑對(duì)小麥生長(zhǎng)和水分利用的影響

康永亮,武繼承,鄭惠玲,楊永輝,潘曉瑩,田志浩

(1.禹州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河南 禹州 461670;2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002;3.農(nóng)業(yè)部 作物高效用水原陽科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，河南 原陽 453514;4.河南省土壤肥料站，河南 鄭州 450008)

干旱缺水是我國(guó)農(nóng)業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。尤其在我國(guó)北方淺山丘陵區(qū)的旱作區(qū)，降水是解決農(nóng)作物季節(jié)性干旱問題的主要水源，如何提高有限降水和土壤水分資源的利用效率，調(diào)控缺水時(shí)期的土壤水分和降水在土壤中的存留時(shí)間是提高旱地作物水分利用效率的關(guān)鍵問題。

保水劑是一種高分子聚合物[1-2]，能夠改善土壤的結(jié)構(gòu)[3]，促進(jìn)團(tuán)粒形成[4]。保水劑被稱為“微型土壤水庫”，在水分充足條件下能夠吸收數(shù)百倍甚至上千倍的水分[5]，在土壤干旱缺水條件下，迅速為作物提供水分。因此，保水劑的應(yīng)用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水中的一項(xiàng)重要措施[6]，也是旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)[7-10]。

研究表明，施用保水劑可以改善小麥根系活力及其生理特性[11-12]，提高土壤持水特性和供水能力[13-15]，調(diào)節(jié)土壤孔隙度[16]及土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特性[17-18]，增強(qiáng)土壤微生物活性[19]，激發(fā)作物生長(zhǎng)發(fā)育[20]，光合作用[21]，從而實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量[22-24]及降水與水分利用效率[25-26]的共同提高。

目前保水劑對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)研究多集中于短期研究，而對(duì)于保水劑長(zhǎng)期應(yīng)用后對(duì)作物產(chǎn)量及水分利用效率的研究還鮮見報(bào)道。因此，本文借助國(guó)家科技支撐計(jì)劃和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，開展保水劑長(zhǎng)期施用對(duì)作物增產(chǎn)和水分利用效率的研究，旨在為解決淺山丘陵旱作區(qū)資源利用效率和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵技術(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)安排在河南省農(nóng)科院節(jié)水農(nóng)業(yè)禹州試驗(yàn)基地的崗旱地，年降水量674 mm，其中60%以上集中在夏季，存在較嚴(yán)重的春旱、伏旱和秋旱；土壤為壤質(zhì)褐土，土壤母質(zhì)為黃土性物質(zhì)，耕層土壤有機(jī)質(zhì)14.2 g/kg，全氮0.87 g/kg，水解氮87.2 mg/kg，速效磷12.4 mg/kg，速效鉀124.3 mg/kg。主要種植模式為小麥—玉米兩熟制。

試驗(yàn)用保水劑為河南省農(nóng)科院自主研發(fā)的營(yíng)養(yǎng)型抗旱保水劑，吸水倍數(shù)為168，營(yíng)養(yǎng)成分≥5%，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：①未施保水劑(CK，下同)；②保水劑15 kg/hm2(F)；③保水劑30 kg/hm2(T)；④保水劑45 kg/hm2(V)等4個(gè)處理。小區(qū)面積3.6 m×4 m=14.4 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)排列。

試驗(yàn)用小麥品種為矮抗58，播種量210 kg/hm2，播種日期為每年的10月15—18日，收獲日期為每年的5月29—31日。水肥管理、病蟲草害管理等農(nóng)田管理措施保持一致，氮磷鉀配比為210∶90∶90，其中氮肥底追比為70%∶30%，磷鉀肥隨耕作1次施入，保水劑隨底肥條施。根據(jù)土壤墑情變化情況，小麥返青到灌漿期土壤含水量低于7%時(shí)進(jìn)行適量補(bǔ)灌，補(bǔ)灌量為30～60 mm/次。

土壤水分觀測(cè)采用重量烘干法與遠(yuǎn)程水分監(jiān)測(cè)儀相互校正的方法獲得，降水量采用試驗(yàn)所在地天圻自動(dòng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和禹州市氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)，小麥生育期降水量采用10月上旬到次年5月份下旬小麥?zhǔn)斋@時(shí)的降水量。水分利用效率為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量除以總耗水量，總耗水量為生育期降水量+灌水量+土壤耗水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水和土壤水分消耗的時(shí)空變化特征

由圖1可以看出，土壤耗水量在生育期內(nèi)同年份變化不大，但不同年份之間有一定的差異。同年份不同處理土壤耗水量表現(xiàn)為：V>T>F>CK。與CK相比，V處理土壤耗水量增加6.13～9.80 mm，T處理土壤耗水量增加4.31～7.57 mm，F(xiàn)處理土壤耗水量增加2.14～4.09 mm。

不同年份之間，從年度降水量看(見圖2)，2011，2015和2017年為富水年，2012年為平水年，其他年份為貧水年。但生育期則表現(xiàn)為2012，2014，2015，2017和2018年為富水年，2019年為極端貧水年，2011為貧水年，其他年份為平水年。

注：不同小寫字母表示顯著性分析(p<0.05)差異顯著。下同。

圖2 研究區(qū)小麥生育期降水特征

相對(duì)于平水年而言，貧水年的土壤耗水量相對(duì)較大，如2011和2019年；富水年因?yàn)樾←滈L(zhǎng)勢(shì)不一土壤耗水量有很大差異，如2017年，2018年耗水量明顯降低，2012年略有降低，但2014和2015年耗水量顯著增加(圖1)。

小麥生育期降水量在不同年份之間表現(xiàn)為：2018年>2012年>2017年>2015年>2014年>2013年>2016年>2011年>2019年，土壤耗水量表現(xiàn)為2019年>2014年>2015年>2011年>2012年>2016年>2018年>2013年>2017年。總之，降水缺少，補(bǔ)水量不足時(shí)，土壤水分消耗量增大；降水豐足，空氣濕度大，適量補(bǔ)水，土壤水分消耗量降低。

2.2 保水劑對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響

從圖3可以看出，施用保水劑處理有利于改善小麥生長(zhǎng)發(fā)育，提高單位群體數(shù)量、株高、穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，降低不孕穗。其中不同生育期群體動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為從播種期到返青期逐步升高，然后逐步下降，至抽穗期后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，成熟期成穗數(shù)分別達(dá)到5 535～5 940萬穗(n=9)，較CK增加3.67～6.67萬穗。

圖3 施用保水劑對(duì)研究區(qū)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響

與CK相比，小麥株高增加1.8～5 cm，穗長(zhǎng)增長(zhǎng)0.1～0.3 cm，小穗數(shù)增加0.3～1.1個(gè)，穗粒數(shù)增加1.9～5.7粒，千粒質(zhì)量增加2.2～4.5 g，均以V處理表現(xiàn)最佳；不孕穗分別降低0.5～1.6個(gè)，以F處理減低最多。從而為小麥產(chǎn)量與有效水分資源利用效率的提高奠定了基礎(chǔ)。

2.3 保水劑對(duì)小麥產(chǎn)量與增產(chǎn)率的影響

從圖4可以看出，保水劑的應(yīng)用對(duì)小麥產(chǎn)量提高具有積極效果，其中V處理表現(xiàn)最佳，其次為T處理，并表現(xiàn)為：V>T>F>CK。隨著施用年限的變化，每年的產(chǎn)量水平差異也很大，與初始試驗(yàn)?zāi)?011年相比，2015，2019和2014年的小麥產(chǎn)量處于前3位；而2013和2017年受氣候、病蟲害的影響產(chǎn)量低于初始試驗(yàn)?zāi)?011年小麥產(chǎn)量，不同年份之間表現(xiàn)為：2015年>2019年>2014年>2012年>2016年>2018年>2011年>2013年>2017年。

圖4 施用保水劑對(duì)研究區(qū)小麥產(chǎn)量的影響

小麥增產(chǎn)率與產(chǎn)量的變化趨勢(shì)一致。CK相比，保水劑用量處理增產(chǎn)幅度達(dá)到2.31%～19.20%，以V處理平均增幅最高達(dá)到15.52%(n=9)，T處理平均增幅11.12%，F(xiàn)處理平均增幅7.03%。但不同保水劑處理隨著施用年限的延長(zhǎng)，其增產(chǎn)趨勢(shì)有著明顯的不同(見圖5)，其中F處理至第4 a(2014年)后對(duì)小麥的增產(chǎn)幅度上下差別變小，均在8%以上，上下增幅小于0.3%；T處理對(duì)小麥產(chǎn)量的增產(chǎn)率隨施用年限的增加逐步提升，至2019年增產(chǎn)幅度達(dá)到14.48%；V處理則表現(xiàn)為先增再減再增，再減再逐步提高的過程，即從最初的增產(chǎn)幅度19.20%，下降到第2 a(2012年)的11.50%，在逐步提升到第4 a(2014年)的17.52%，然后逐步下降到第6 a(2016年)的13.07%，在逐步提升到2019年的18.02%。因?yàn)椴煌Ｋ畡┯昧康耐寥莱炙芰凸┧芰τ幸欢ǖ牟町怺13-14]，同時(shí)不同保水劑用量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改良的作用也不相同[17]，保水劑低用量的田間持水能力和供水能力較低、對(duì)土壤結(jié)構(gòu)改良的影響較小，穩(wěn)定性較短；保水劑高用量的田間持水能力和供水能力較高、對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良影響較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)，不同保水劑用量影響小麥根系生長(zhǎng)[12]和生理特性[11,20]，從而影響其抗旱性能的差異。而且不同年份增產(chǎn)率的差異說明保水劑對(duì)小麥的增產(chǎn)作用在一定程度上尚受氣候的影響還比較大，其持續(xù)增產(chǎn)效果尚有待于進(jìn)一步研究。

圖5 施用保水劑對(duì)研究區(qū)小麥增產(chǎn)率的影響

小麥產(chǎn)量、水分利用效率、土壤耗水量、總耗水量之間的相關(guān)性分析表明(表1)，小麥產(chǎn)量與水分利用效率、土壤耗水量和總耗水量呈正相關(guān)關(guān)系，水分利用效率與產(chǎn)量、土壤耗水量和總耗水量也呈正相關(guān)關(guān)系。因此，小麥產(chǎn)量、增產(chǎn)率、水分利用效率的高低與土壤耗水量、總耗水量密切相關(guān)。

表1 研究區(qū)小麥產(chǎn)量、水分利用效率、土壤耗水量、總耗水量之間的相關(guān)性分析

2.4 保水劑對(duì)水分利用率的影響

從圖6—7可以看出施用保水劑處理的耗水量有明顯增加，小麥水分利用效率也顯著提高，不同處理間土壤耗水量和水分利用效率均表現(xiàn)為：V>T>F>CK，但不同年份之間有明顯的差異。與CK相比，V處理總耗水量增加6.13～12.72 mm，T處理總耗水量增加4.31～10.76 mm，F(xiàn)處理總耗水量增加2.14～6.40 mm。小麥總耗水量則表現(xiàn)為：2018年>2015年>2012年>2014年>2017年>2013年>2016年>2011年>2019年，并與生育期降水量趨勢(shì)基本一致，即不同年份間豐水年小麥總耗水量較大、貧水年總耗水量較小。

圖6 保水劑對(duì)研究區(qū)小麥耗水量的影響

小麥水分利用效率則表現(xiàn)為先降低再升高(2012—2016年)，再降低再升高(2017—2019年)的過程。小麥水分利用效率與土壤耗水量變化趨勢(shì)基本一致，與貧水年的降水量和耗水量的變化趨勢(shì)相反，即相對(duì)缺水年份水分利用效率較高，富水年作物耗水量過大，水分利用效率相對(duì)較低。與CK相比，V處理的水分利用效率提高幅度最大，分別提高1.70～4.51 kg/(hm2·mm)，其次為T處理，分別提高了1.06～3.71 kg/(hm2·mm)，F(xiàn)處理提高幅度較小，分別提高0.4～2.02 kg/(hm2·mm)，均以2019年提高幅度最大?？傊?，施用保水劑增加了小麥水分消耗，提高了小麥水分利用效率。

小麥種植使用的肥料、種子、農(nóng)藥、耕地、播種、拌種、收獲和小麥?zhǔn)召弮r(jià)格均按當(dāng)年價(jià)格計(jì)算，通過單位投入產(chǎn)出進(jìn)一步分析表明(見圖8)，不同保水劑單位凈收益均較對(duì)照有顯著提高，并表現(xiàn)為：V>T>F>CK。

圖8 保水劑對(duì)研究區(qū)單位凈收入的影響

與CK相比，F(xiàn)處理起始年降低20.13元/hm2，其他年份增加450.83～1 144.42元/hm2，平均增加767.39元/hm2，表現(xiàn)為：2015年>2014年>2019年>2016年>2018年>2017年>2013年>2012年>2011年；T處理增加276.09～1 748.28元/hm2，平均增加1 077.60元，表現(xiàn)為：2019年>2018年>2015年>2016年>2017年>2014年>2012年>2013年>2011年；V處理增加了720.65～2 051.91元/hm2，平均增加了1 413.09元/hm2，表現(xiàn)為：2014年>2019年>2018年>2015年>2011年>2016年>2017年>2013年>2012年。

圖7 保水劑對(duì)研究區(qū)小麥水分利用效率的影響

3 結(jié)論和討論

施用保水劑及其不同用量可以顯著提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率[22-29]，是因?yàn)槭┯帽Ｋ畡┛梢蕴岣咄寥莱炙芰凸┧芰13-15]，促進(jìn)根系生長(zhǎng)[12,28]，改善小麥生長(zhǎng)發(fā)育與生理特性[20,29]，提高光合性能[21，30]。本研究則進(jìn)一步揭示了長(zhǎng)期施用保水劑小麥土壤耗水量、總耗水量、水分利用率及其不同用量增產(chǎn)率的變化特征。

(1) 施用保水劑處理有利于改善小麥生長(zhǎng)發(fā)育，提高單位群體數(shù)量、株高、穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，降低不孕穗。與CK相比，成熟期小麥成穗數(shù)分別增加3.67～6.67萬穗，株高增加1.8～5 cm，穗長(zhǎng)增長(zhǎng)0.1～0.3 cm，小穗數(shù)增加0.3～1.1個(gè)，穗粒數(shù)增加1.9～5.7粒，千粒質(zhì)量增加2.2～4.5 g，不孕穗分別降低0.5～1.6個(gè)。該試驗(yàn)結(jié)果與楊永輝等[4,12]、武繼承等[22,24]的研究結(jié)果一致，并以保水劑用量45 kg/hm2最佳[21,24-25]，在用量效果上，與不同保水劑用量的效果有一定的差異[15,30]。

(2) 同一年份施用保水劑處理隨小麥生長(zhǎng)發(fā)育土壤耗水量略有增加。不同處理間土壤耗水量表現(xiàn)為：V>T>F>CK。與CK相比，V處理增加了6.13～9.80 mm，T處理增加了4.31～7.57 mm，F(xiàn)處理增加了2.14～4.09 mm。不同年份之間，貧水年的土壤耗水量相對(duì)較大，富水年因?yàn)樾←滈L(zhǎng)勢(shì)不一，土壤耗水量有很大差異，表現(xiàn)為：2019>2014>2015>2011>2012>2016>2018>2013>2017。小麥總耗水量則表現(xiàn)為：2018>2015>2012>2014>2017>2013>2016>2011>2019，并與生育期降水量趨勢(shì)基本一致，即不同年份間豐水年小麥總耗水量較大、貧水年總耗水量較小。

(3) 保水劑應(yīng)用對(duì)小麥產(chǎn)量提高具有積極效果，并表現(xiàn)為：V>T>F>CK。與CK相比，保水劑用量處理增產(chǎn)幅度分別達(dá)到2.31%～19.20%。但不同保水劑處理隨著施用年限的延長(zhǎng)，其增產(chǎn)趨勢(shì)有著明顯的不同，F(xiàn)處理至第4 a后對(duì)小麥的增產(chǎn)幅度趨于穩(wěn)定，T處理的增產(chǎn)率隨施用年限的增加逐步提升，V處理則表現(xiàn)為先增再減增，再減再逐步提高的過程。并顯著地提高了單位凈收益，與產(chǎn)量趨勢(shì)一致，即V>T>F>CK。與CK相比，F(xiàn)平均增加767.39元/hm2，T處理平均增加1 077.60元，V處理平均增加1 413.09元/hm2。

(4) 施用保水劑可以顯著提高小麥水分利用效率，其趨勢(shì)與產(chǎn)量變化一致，即V>T>F>CK。不同年份間表現(xiàn)為先降低再升高，再降低再升高的過程。與土壤耗水量變化趨勢(shì)一致，與貧水年降水量、總耗水量的變化趨勢(shì)相反。與CK相比，V處理提高幅度最大，分別提高1.70～4.51 kg/(hm2·mm)。說明保水劑可顯著提高小麥水分利用效率，這與武繼承等[7,22,25]、黃鳳球等[9]、黃占斌等[10]、楊永輝等[21,25，27]、雷巧等[26]、李中陽等[28]的結(jié)果基本一致，但保水劑用量和年限有明顯差異[9,10,26,28]。同時(shí)，小麥產(chǎn)量、水分利用效率、土壤耗水量、總耗水量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。因此，基于不同降水年型、小麥產(chǎn)量、水分利用效率、凈收益等綜合考慮，小麥最佳的保水劑用量為45 kg/hm2。