新型生態(tài)保水劑對(duì)青貯玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

鄧超超，宿翠翠，周 琦，施志國，張 靖，王振龍，周彥芳

（甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威 733006）

0 引 言

河西灌區(qū)是甘肅省玉米種植的主要區(qū)域，地處我國西北干旱半干旱區(qū)氣候區(qū)，該區(qū)地勢平坦，光熱資源充裕，其農(nóng)業(yè)特點(diǎn)是“非灌不殖”[1,2]。農(nóng)業(yè)灌溉缺水和有限灌溉水利用率低是困擾河西灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)、綠色發(fā)展的瓶頸[3]。同時(shí)《甘肅省循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》指出：發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)要通過節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，減少農(nóng)業(yè)投入，形成資源高效利用、產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)安全的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展之路[4]。青貯玉米是現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的重要優(yōu)質(zhì)青貯原材料，在國家大力實(shí)行“糧改飼”的政策下，青貯玉米種植在河西地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位和較大比重，已成為該區(qū)農(nóng)民鄉(xiāng)村振興的支柱產(chǎn)業(yè)[5]，但該區(qū)降雨少，蒸發(fā)量大，灌溉水資源利用率低，嚴(yán)重制約了該區(qū)青貯玉米穩(wěn)產(chǎn)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[3]。如何提高有限降水和灌溉水資源的利用效率，調(diào)控缺水時(shí)期的土壤水分和灌溉水在土壤中的存留時(shí)間是緩解該區(qū)資源型缺水的關(guān)鍵。近年來，在干旱半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)用保水劑進(jìn)行農(nóng)業(yè)抗旱節(jié)水增產(chǎn)愈來愈引起國內(nèi)外專家的高度重視[6,7]，保水劑能夠在土壤水分充足時(shí)吸收水分，干旱缺水時(shí)釋放水分為作物生長提供水分，被稱為“土壤微型水庫”[8,9]。研究表明：施用保水劑可以改善作物根系活力和生理特性[10,11]，提高土壤持水特性和供水能力[12,13]，調(diào)節(jié)土壤孔隙度及土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特性[14]，增強(qiáng)土壤微生物活性[15]，增強(qiáng)作物光合作用和促進(jìn)作物生長發(fā)育[16,17]，從而實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量和水資源利用效率的共同提高[18,19]。目前，關(guān)于保水劑的研究主要集中在旱作區(qū)大田或盆栽條件下保水劑的抗旱節(jié)水效應(yīng)方面，關(guān)于滴灌條件下施用保水劑對(duì)土壤保水保肥效果及對(duì)玉米生長的影響研究較少。因此，針對(duì)河西灌區(qū)降雨少，蒸發(fā)量大，灌溉水資源利用率低，土壤保水保肥性差等問題，本研究以中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研發(fā)的新型生態(tài)保水劑為材料，探究滴灌條件下施用新型生態(tài)保水劑對(duì)土壤水分及青貯玉米光合特性、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為河西地區(qū)青貯玉米種植中節(jié)水抗旱和新型生態(tài)保水劑的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年4-10月在甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院原種場試驗(yàn)田進(jìn)行（北緯37°30′，東經(jīng)103°15′）。試點(diǎn)溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.7 ℃；日照時(shí)數(shù)2 873 h，≥0 ℃積溫為3 514 ℃，≥10 ℃積溫為2 985 ℃；年平均降雨量156 mm，年平均蒸發(fā)量2 400 mm 以上。試驗(yàn)地的前茬作物為大麥，地塊的地力均勻，田間持水量22%，土壤有機(jī)質(zhì)含量13.43 g/kg，全氮量0.86 g/kg，全磷量1.41 g/kg，速效鉀含量157.28 mg/kg，。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試青貯玉米品種為先玉1 225（國審玉20180092），該玉米品種鮮草產(chǎn)量高、飼用品質(zhì)好、抗逆性能強(qiáng)，適宜在甘肅省河西地區(qū)種植。保水劑（名稱：新型生態(tài)保水劑）由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所提供，白色顆粒狀，非化學(xué)物質(zhì)，無污染。

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置對(duì)照組（CK：0 kg/ hm2）和試驗(yàn)組（B3：45 kg/ hm2，B5：75 kg/ hm2，B7：105 kg/ hm2）4 個(gè)處理，3 次重復(fù)，小區(qū)面積43.2 m2（5.4 m×8.0 m），隨機(jī)區(qū)組排列，試驗(yàn)田四周設(shè)保護(hù)行。試驗(yàn)農(nóng)田土壤鉀含量富集，本試驗(yàn)只施用氮肥與磷肥，施純氮360 kg/hm2（按基肥：大喇叭口期：開花后15 d=3∶5∶2 分施），施純磷（P2O5）180 kg/hm2，均為基肥。灌溉方式為滴灌，追施氮肥隨滴灌追施，試驗(yàn)田采取機(jī)械化精量播種，株距20 cm，行距60 cm。保水劑按小區(qū)用量與細(xì)土以l∶10比例混合均勻，離玉米種穴約5 cm，深度15 cm 穴施，然后覆土。其他田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)農(nóng)事操作進(jìn)行。本年度試驗(yàn)玉米于2021年4月28日播種，9月14日收獲。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤體積含水量測定

用水分測定儀TDR350（美國SPECTRUM）測定播種前和青貯玉米各生育時(shí)期0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層土壤體積含水量。

1.3.2 青貯玉米葉綠素相對(duì)含量（SPAD）測定

青貯玉米拔節(jié)期-成熟期玉米葉片葉綠素相對(duì)含量（SPAD）測定與土壤水分測定同期。用手持葉綠素儀（SPAD-502Plus，美能達(dá)，日本）隨機(jī)測定各處理10 株青貯玉米穗位葉片的葉綠素相對(duì)含量（SPAD）值，每葉片測定6 次，取平均值。

1.3.3 青貯玉米光合特性指標(biāo)測定

在青貯玉米大喇叭口期、開花期和灌漿期，選擇晴朗天氣早晨9:00-11:00，用便攜式光合儀（LI-6400XT，美國）測定青貯玉米穗位葉的光合速率（Pn：Photosynthetic rate）、蒸騰速率（Tr：Transpiration rate） 和氣孔導(dǎo)度（Gs：Stomatal conductance），各處理重復(fù)測定3 次，并計(jì)算葉片水分利用效率（WUEL），單位：μmol/mmol。

式中：Pn為光合速率，μmol；Tr為蒸騰速率，mmol。

1.3.4 青貯玉米生物鮮重測定和經(jīng)濟(jì)收益計(jì)算

青貯玉米刈割：在青貯玉米籽粒乳線達(dá)1/3～1/2，全株含水量約65%時(shí)，按小區(qū)從地上部10 cm 處隨機(jī)全株刈割20 株，計(jì)青貯玉米生物鮮重，最后換算每公頃青貯玉米生物鮮重產(chǎn)量，t/hm2；并根據(jù)保水劑施用量計(jì)算增收產(chǎn)值，元/hm2。

式中：其余生產(chǎn)資料投入相同，故僅考慮保水劑費(fèi)用。

1.3.5 青貯玉米飼料品質(zhì)測定

樣品處理：在青貯玉米刈割時(shí)，每小區(qū)隨機(jī)選取3株青貯玉米全株（地上部10 cm 以上），然后在105 ℃條件下烘2 h后，再用60 ℃溫度烘干至恒重粉碎，以備品質(zhì)測定。

品質(zhì)測定：用多功能近紅外分析儀（福斯NIRS DS2500，瑞典）測定粉碎樣品的粗蛋白(CP：Crude protein)、粗脂肪（EE：Ether extract）、酸性洗滌纖維（ADF：Acid detergent fiber)、中性洗滌纖維（NDF：Neutral detergent fiber）和可溶性碳水化合物（WSC：Water-soluble carbohydrates）含量，每個(gè)樣品重復(fù)裝樣掃描3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、制圖和表，利用SPSS 21.0進(jìn)行方差分析、多重比較和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)保水劑施用量對(duì)青貯玉米全生育期土壤含水量的影響

由圖1可知，玉米播前，土壤體積含水量隨著土層深度遞增逐漸增大，處理間0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層土壤體積含水量差異不顯著。玉米苗期，土壤體積含水量由于播種后灌水土壤體積含水量提高，B5 和B7 處理0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土層土壤體積含水量顯著高于CK 處理，B5和B7 處理間土壤體積含水量差異不顯著。玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期、灌漿期和成熟期0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土層土壤體積含水量也是B5 和B7 處理顯著高于CK 處理，B5和B7處理間差異不顯著。因此，施用保水劑能夠提高土壤體積含水量。

圖1 保水劑施用量對(duì)青貯玉米各生育時(shí)期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層土壤體積含水量的影響Fig.1 Effect of application rate of water-retaining agent on volumetric soil water content in 0～10 cm, 10～20 cm and 20～40 cm soil layers of silage maize at each growth stage

分析不同處理青貯玉米全生育期（苗期-收獲期）0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層平均土壤體積含水量（表1）。結(jié)果表明：施用生態(tài)保水劑能顯著提高青貯玉米全生育期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層土壤體積含水量，隨著保水劑施用量的增加，土壤體積含水量逐漸增加后趨于穩(wěn)定。B5和B7 處理玉米全生育期0～40 cm 平均土壤體積含水量較CK 處理分別提高11.27%和12.15%，B5 和B7 處理間差異不顯著。表明施用生態(tài)保水劑可以抑制土壤水分的蒸散與流失，提高土壤含水量，為作物的生長發(fā)育奠定良好的水分環(huán)境。

表1 保水劑施用量對(duì)青貯玉米生育期土層平均土壤體積含水量的影響（0～40 cm）Fig.1 Effect of water-retaining agent application rate on average soil volumetric water content during the growth period of silage maize（0～40 cm）

2.2 生態(tài)保水劑施用量對(duì)青貯玉米葉綠素相對(duì)含量(SPAD)的影響

由圖2可知，青貯玉米葉綠素相對(duì)含量(SPAD)隨生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先增加后降低的總趨勢。施用生態(tài)保水劑能提高玉米拔節(jié)期至灌漿期葉綠素相對(duì)含量，其中B5和B7處理葉綠素相對(duì)含量與CK 處理差異顯著，B5 和B7 處理間葉綠素相對(duì)含量差異不顯著，B5和B7處理玉米全生育期玉米葉綠素相對(duì)含量分別較CK 處理提高7.67%和7.45%。說明適宜的保水劑施用量能提高玉米葉綠素相對(duì)含量。

圖2 保水劑施用量對(duì)青貯玉米各生育時(shí)期葉綠素相對(duì)含量(SPAD)的影響Fig.2 Effect of application amount of water retaining agent on relative chlorophyll content (SPAD) of silage maize at different growth stages

2.3 生態(tài)保水劑對(duì)不同生育期玉米光合特性的影響

由表2可知，施用保水劑能提高玉米大喇叭口期至灌漿期凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Sc）和葉片水分利用效率（WUEL），且隨著保水劑施用量的增加，玉米凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率呈現(xiàn)先提高后趨于穩(wěn)定的趨勢，其中B5和B7處理與CK處理差異顯著，B5和B7處理間差異不顯著。

表2 保水劑施用量對(duì)青貯玉米光合特性的影響Tab.2 Effects of water retaining agent application rate on photosynthetic characteristics of silage maize

比較玉米大喇叭口期-灌漿期凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率的均值大小表現(xiàn)為B5>B7>B3>CK的總趨勢，其中B5 處理玉米的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率較CK 處理分別提高58.32%、32.94%、35.22%和17.63%，B5和B7處理間差異不顯著。

2.4 生態(tài)保水劑對(duì)青貯玉米鮮草產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

施用生態(tài)保水劑能顯著提高青貯玉米鮮草產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益（表3）。隨著保水劑用量增加，青貯玉米鮮草產(chǎn)量表現(xiàn)為先增加后穩(wěn)定的趨勢，B5 和B7 處理青貯玉米鮮草產(chǎn)量顯著高于B3 和CK 處理，B5 和B7 處理間差異不顯著，其中B5 和B7 處理青貯玉米鮮草產(chǎn)量較CK 處理提高27.22%和27.77%。隨生態(tài)保水劑用量及成本費(fèi)用的增加，經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)為B5>B7>B3>CK，其中B5 處理增加最高，為3 802.2元/hm2。

表3 保水劑施用量對(duì)青貯玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響Tab.3 Effect of application amount of water retaining agent on Yield and economic benefit of silage maize

2.5 生態(tài)保水劑施用量對(duì)青貯玉米飼料品質(zhì)的影響

施用生態(tài)保水劑能顯著影響青貯玉米飼料品質(zhì)（表4）。B5和B7處理青貯玉米粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維和可溶性碳水合物含量較CK 處理差異顯著，B5 和B7 處理間差異不顯著。其中B5 處理青貯玉米粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水化合物含量較CK 處理分別提高19.16%、24.24%和24.22%，酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量分別降低12.14%和7.73%。表明適宜的生態(tài)保水劑施用量能改善青貯玉米飼草品質(zhì)。

表4 保水劑施用量對(duì)青貯玉米品質(zhì)的影響Tab.4 Effect of application amount of water retaining agent on the quality of silage maize

2.6 青貯玉米生育期土壤水分、光合性狀、品質(zhì)、產(chǎn)量間的相關(guān)性分析

不同生態(tài)保水劑施用量下青貯玉米生育期土壤體積含水量（SVMC）、葉綠素相對(duì)含量（SPAD）、光合特性指標(biāo)（Pn、Tr、Gs、WUEL） 均值、品質(zhì)指標(biāo)（CP、EE、ADF、NDF、WSC）、產(chǎn)量（Yield）間相關(guān)性分析（表5）。結(jié)果表明，青貯玉米生育期土壤體積含水量均值與SPAD（0.902**）、Pn（0.900**）、Tr（0.846**）、Gs（0.952**）、EE（0.825**）、WSC（0.751**）、Yield（0.969**）和WUEL（0.673*）的均值達(dá)到極顯著和顯著水平正相關(guān)，與ADF（-0.861**）和NDF（-0.655*）達(dá)到極顯著和顯著負(fù)相關(guān)；SPAD、Pn、Tr、Gs、WUEL各指標(biāo)與EE、ADF、NDF、WSC、Yield各指標(biāo)間達(dá)到顯著或極顯著相關(guān)。表明適宜的生態(tài)保水劑施用量提高了青貯玉米生育期土壤含水量，改善了青貯玉米光和特性，進(jìn)而促進(jìn)青貯玉米的飼料品質(zhì)和產(chǎn)量的提高。

表5 青貯玉米生育期土壤水分、光合性狀、品質(zhì)、產(chǎn)量間的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis among soil moisture, photosynthetic characteristics, quality and yield during the growth period of silage maize

3 討 論

3.1 生態(tài)保水劑施用量對(duì)青貯玉米全生育期土壤含水量的影響

水分是限制作物生長與發(fā)育的重要因素之一。施用保水劑可以顯著提高作物生育期土壤持水能力和供水能力[19,20]。本研究表明，施用生態(tài)保水劑能顯著提高青貯玉米全生育期0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土層土壤體積含水量，且隨著保水劑施用量的增加，土壤體積含水量逐漸增加后趨于穩(wěn)定；青貯玉米全生育期平均土壤體積含水量B5 和B7 處理較CK 處理分別提高11.27%和12.15%，B5 和B7 處理差異不顯著。這與李榮[21]和秦舒浩[22]等研究結(jié)果基本一致，即施用保水劑提高了作物不同生育階段0～40 cm 土層的土壤含水量，以供作物利用。其原因是保水劑施入土壤后，通過自身吸收膨脹等特性，部分灌溉水滯留在保水劑施用層附近，使土壤保持較高的含水量，為作物的生長發(fā)育奠定良好的水分環(huán)境[21,23]。

3.2 生態(tài)保水劑施用量對(duì)玉米葉綠素和光合特性的影響

作物通過光合作用進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)，為其各項(xiàng)生命活動(dòng)提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，而葉綠素含量和光合特性則是衡量光合作用強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[16]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生態(tài)保水劑不僅顯著提高了玉米生育期葉片葉綠素含量；同時(shí)提高了玉米葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率，其中B5 和B7 處理玉米生育期平均葉綠素含量較CK 處理分別提高7.67%和7.45%，B5 處理玉米葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率較CK 處理分別提高58.32%、32.94%、35.22%和17.63%。這與王依慧[16]和楊永輝[17]的研究結(jié)果一致，即適量的保水劑對(duì)提高作物的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度有一定的促進(jìn)作用。究其原因是施用保水劑可以使土壤保持較高的水分環(huán)境，為作物的生長發(fā)育奠定良好的水分環(huán)境，延緩了干旱脅迫對(duì)作物光合作用的抑制，進(jìn)而了提高光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率[24]。

3.3 生態(tài)保水劑施用量對(duì)青貯玉米鮮草產(chǎn)量和飼料品質(zhì)的影響

施用保水劑不僅會(huì)促進(jìn)作物的生長，還會(huì)提高作物產(chǎn)量及其經(jīng)濟(jì)效益。青貯玉米全株所含有效成分的種類及數(shù)量決定其營養(yǎng)價(jià)值的高低，是評(píng)價(jià)其作為飼料優(yōu)良與否的重要指標(biāo)[25]。李榮等[21]研究表明，施用保水劑可促進(jìn)玉米增產(chǎn)，其經(jīng)濟(jì)效益也顯著提高。鄒超煜等[26]研究結(jié)果表明施用保水劑可顯著增加玉米、西瓜和馬鈴薯的經(jīng)濟(jì)收益。本研究結(jié)果表明，隨生態(tài)保水劑用量的增加，鮮草產(chǎn)量表現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢，經(jīng)濟(jì)效益隨生態(tài)保水劑用量及成本費(fèi)用的增加表現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中B5 和B7 處理青貯玉米產(chǎn)量較CK 處理提高27.22%和27.77%，B5 處理經(jīng)濟(jì)收益最高，為3 802.2 元/hm2；同時(shí)研究表明，隨著保水劑施用量的增加，青貯玉米全株的粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水合物含量逐漸增加，而酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量降低逐漸降低，進(jìn)而改善了青貯玉米全株的飼料品質(zhì)。其中B5 處理青貯玉米粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水化合物含量較CK 處理分別提高19.16%、24.24%和24.22%，酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量分別降低12.14%和7.73%。因此適量施用保水劑能夠吸收和保蓄水分，改善土壤水分環(huán)境，通過吸附營養(yǎng)元素，減少淋溶，達(dá)到了節(jié)水節(jié)肥[27,28,21]，調(diào)節(jié)作物地下和地上部分二者協(xié)調(diào)生長，促進(jìn)光合性能，使其農(nóng)作物的產(chǎn)量得到提高，品質(zhì)得到改善[29,30]。

4 結(jié) 論

綜上所述，在河西地區(qū)青貯玉米覆膜滴灌常規(guī)種植中，配施75 kg/hm2新型生態(tài)保水劑，不僅有利于提高作物耕層土壤水分含量，為作物生長奠定良好的土壤水分環(huán)境，促進(jìn)有限灌水資源的利用效率；同時(shí)可以促進(jìn)青貯玉米葉綠素含量、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率的提高，調(diào)節(jié)作物地下和地上部分二者協(xié)調(diào)生長，進(jìn)而達(dá)到產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益的多重提升。