保水劑對冬菠菜耗水特性及產量的影響研究

史中興，劉 騰，陳 琳，費良軍，劉 樂

(1.西安理工大學水利水電學院，西安 710048；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 白銀 730400)

0 引 言

我國是一個水資源嚴重短缺的國家，隨著現代化的發展，水資源越來越成為經濟發展的重要制約因素之一[1]。農業用水在我國水資源利用中占了很大的比例，因此提高農業水資源利用效率是目前亟待解決的問題。保水劑是一種高吸水性樹脂，其不溶解于水，但遇水時能吸水膨脹，在短時間內吸收比自身重量大百倍甚至千倍的水分，形成固體凝膠，在缺水時，可緩慢釋放80%～95%的水分供作物吸收利用，并且其具有反復吸水的功能[2,3]。第一代保水劑是在20世紀50年代后期開發出來的，美國農業部森林服務部和一些大學采用Terra-sorb(TAB)進行了一系列試驗，研究表明使用保水劑可以有效地增加土壤的持水能力，提高水資源利用效率[4-11]。國內對于保水劑的研究從上世紀80年代初期開始，通過不斷地突破創新，將研制出的高質量保水劑推廣應用于我國工業和農業發展中[12]。國內學者做了很多關于保水劑在大田作物上的應用研究，楊永輝[13]、韓波[14]等研究了保水劑對小麥生長的影響，結果表明，施加保水劑可以提高土壤含水量，降低小麥的耗水量，提高其水分利用效率；候賢清[15]、穆俊祥[16]等研究了保水劑不同施用量對馬鈴薯生長的影響，表明施用保水劑可以有效地提高土壤儲水能力，加速土壤有機質的分解，提高養分利用率；對于保水劑在蔬菜種植中的應用目前研究較少，并且這些研究[17-19]主要注重于保水劑的施加對于蔬菜出苗以及苗期生長的影響，而對于保水劑對蔬菜生長狀況，產量及耗水規律的研究較少，而水分對于蔬菜的生長發育以及產量和品質的形成有很大的影響，不同生育階段對于水分的需求也存在很大差異[19-21]。本文采用正交試驗設計，試驗研究了不同保水劑含量、不同拌施深度以及不同灌水定額對菠菜的生長指標，產量及耗水規律的影響，為保水劑在蔬菜種植中的應用提供理論支撐。

1 材料與方法

試驗在西安理工大學進行，供試作物是菠菜，品種為綠箭2618，保水劑種類為γ-PGA，以谷氨酸為單元體聚合而成。試驗采用盆栽法，盆栽塑料箱尺寸為35 cm×35 cm×15 cm(長×寬×高)，每箱裝土17.5 kg，土箱置于透光遮雨棚下，因此試驗不考慮降雨因素。菠菜于2017年10月18日播種， 2018年3月9日收獲。每箱均勻點播種子，種子個數25，干籽播種，播種前澆足底水，基底肥施史丹利，每個處理所施的基底肥量為600 kg/hm2；待幼苗的2～4片真葉充分展開后定苗，土壤顆粒組成為黏粒(<0.002 mm)占13.58%，粉粒(0.002～0.02 mm)占71.55%，砂粒(0.02～2 mm)占14.87%。試驗以保水劑含量，保水劑拌施深度以及灌水定額作為影響因素，每個因素三個水平，共設9個處理，1個對照，正交試驗設計方案表見表1。所有數據均采用Excel2010,SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同因素對菠菜葉面積的影響特征

圖1表示不同因素的菠菜葉面積的變化規律，可以看出，在菠菜全生育期內，葉面積的變化大致分為三個階段。從11月1日至1月8日葉面積變化速度較慢，1月中旬到2月中旬菠菜葉面積變化速率有明顯的增高，2月中旬至3月上旬菠菜葉面積基本不再發生變化。當保水劑用量較低時，菠菜葉面積的值為S3>S2>S4>S5>S1>S6>CK，且S3、S2和S4均顯著較其他處理的高，表明適當的施加保水劑可以有效地提高菠菜葉面積，而保水劑用量較大的S7、S8、S9葉面積均較未施加保水劑的低，并且當S7、S8、S9的葉面積值基本不在變化時，其他處理的還在繼續生長，表明保水劑用量過大會抑制菠菜葉片的發育，影響菠菜的生長。

表1 正交試驗設計方案表

圖1 不同影響因素的菠菜葉面積變化圖

表2為不同處理3月9日所測葉面積的方差分析結果。可以看出，保水劑拌施土層厚度對菠菜株高的影響不顯著(p>0.05)，保水劑用量和灌水定額顯著大于拌施土層厚度對菠菜葉面積的影響(p<0.01)，對葉面積影響極顯著。

表2 不同處理菠菜葉面積指標方差分析

注：α=0.05，*表示顯著，**表示極顯著，P<0.05時具有統計學意義。

2.2 保水劑對菠菜產量、耗水量及水分利用效率的影響特征

上述分析可知，保水劑用量和灌水定額對菠菜的生長指標有顯著的影響，而保水劑拌施土層厚度對菠菜生長的影響并不明顯，因此選擇對菠菜生長有較明顯影響的兩個因素分析其對菠菜產量，耗水量及菠菜水分利用效率的影響，結果分別見圖2,、圖3、圖4。從圖2可以看出，當保水劑含量小于300 kg/hm2時，菠菜產量隨保水劑用量的增加而增加；當保水劑用量大于300 kg/hm2時，菠菜產量隨保水劑用量的增加而減少，這可能是由于在較高保水劑用量及灌水定額的條件下，土壤含水率較大，影響了菠菜根系活動以及對營養物質的吸收。當灌水定額小于157.4 m3/hm2、保水劑含量在0～300 kg/hm2變化時，保水劑用量的變化對菠菜產量的影響相比灌水定額較為明顯，保水劑用量在300～824.6 kg/hm2時，菠菜產量對保水劑用量變化敏感性減弱，灌水定額對菠菜產量的影響逐漸明顯，這可能是由于較高的保水劑用量吸收了菠菜生長所需的水分，菠菜處于比較缺水的狀態，因此灌水定額對產量的影響占主導因素；當灌水定額大于157.4 m3/hm2、保水劑用量在0～300 kg/hm2變化時，灌水定額的增加對菠菜產量變化的影響逐漸增加，當保水劑用量在300～824.6 kg/hm2時，菠菜產量對保水劑用量的變化相比于灌水定額較為敏感。當保水劑用量為310.9 kg/hm2，灌水定額為172.4 m3/hm2時，菠菜單株產量為17.0 g/株，單株產量達到最大值。

圖2 不同影響因素的單株產量變化圖

從圖3可以看出，保水劑用量對菠菜水分利用效率的影響較為明顯，當保水劑用量小于300 kg/hm2，灌水定額小于160.4 m3/hm2時，菠菜水分利用效率對保水劑用量的增加而增加，此時灌水定額對水分利用效率的影響并不明顯；當灌水定額大于160.4 m3/hm2時，水分利用效率隨灌水定額的增加而增加，此時菠菜水分利用效率對保水劑用量變化敏感性減弱，灌水定額對菠菜水分利用效率的影響逐漸明顯。當保水劑用量大于300 kg/hm2時，保水劑用量的變化對菠菜水分利用效率有明顯影響，隨著保水劑用量的增加，菠菜水分利用效率降低。此時灌水定額對菠菜水分利用效率的影響較弱。當保水劑用量為281.9 kg/hm2，灌水定額為120和180 m3/hm2時，菠菜水分利用效率均為2.8，達到最大值。

圖3 不同影響因素的水分利用效率變化圖

從圖4可以看出，隨著保水劑用量的增加，菠菜單株耗水量呈現出先增加后降低的趨勢，并且當灌水定額高于10.0 mm時，菠菜單株耗水量對保水劑的變化相比于灌水定額較為敏感。當灌水定額低于10.0 mm時，菠菜單株耗水量對保水劑用量的敏感程度降低，灌水定額對菠菜單株耗水量的影響逐漸體現。當保水劑用量為524.7 kg/hm2，灌水定額為180 m3/hm2時，菠菜單株耗水量達到了最大值6.4 mm。當菠菜產量達到最大值時所對應的保水劑用量和灌水定額條件下的菠菜單株耗水量為6.0 mm，小于最大單株耗水量，并且從圖2中可以得出此時菠菜水分利用效率也達到了較大值；當保水劑用量為547.2 kg/hm2，灌水定額為117 m3/hm2時菠菜也獲得較大產量，但其單株耗水量達到了最大值6.4 mm，并且由圖2可知其水分利用效率也較低。綜上所述，考慮高產高效及經濟效益，當保水劑施用量為310.9 kg/hm2，灌水定額為173.9 m3/hm2時為最優。

圖4 不同影響因素的耗水量變化圖

2.3 菠菜不同生育期的耗水規律

圖5表示菠菜不同生育時期耗水規律。可以看出，耗水量在整個生育期的變化可以由各個生育期的平均耗水量變化表示，菠菜整個生育期的耗水規律表現為先上升后下降的趨勢，在生長中期達到最大值，菠菜在發芽期耗水量較少，平均耗水量僅為6.21 mm，約占整個生育期耗水量的5%，這是由于這一時期真葉逐漸形成，但葉片數量較少，因此在這一階段用于蒸騰作用所需水量較少；幼苗期至生長中期耗水量大量增加，約占全生育期總耗水量的76.5%，幼苗期耗水量較發芽期的明顯增大，平均耗水量為24.88 mm，約占全生育期耗水量的21.9%，這可能是由于在這一階段內，真葉數量逐漸增多且葉片面積變大，增加了蒸騰量，從而導致了耗水量的上升；生長前期耗水量較幼苗期只有輕微的增長，平均耗水量為26.6 mm，約占全生育期耗水量的23.42%，這可能是由于在這一段時間菠菜越冬，溫度降低，呼吸作用減弱，菠菜各項生理活動減慢，只維持基本的生理活動，因此這一時期對于水分的需求較低；生長中期菠菜的耗水量達到了全生育期的最大值，平均耗水量為35.45 mm，占全生育期耗水量的31.21%，這一階段溫度開始回升，菠菜開始迅速生長，葉片面積明顯增加，從而增加了蒸騰作用，使得菠菜對水分的需求增大，因此這一階段是菠菜產量形成的重要時期。進入生長后期，菠菜耗水量明顯下降，平均耗水量為20.44 mm，約占全生育期總耗水量的18%，這一階段的菠菜生長已經進入后期，株高和葉面積均不再發生明顯變化，導致這一階段的耗水量逐漸降低。

圖5 不同生育時期耗水規律

2.4 菠菜產量與總耗水量之間的關系

對保水劑施用量與菠菜總產量做相關分析可知，保水劑施用量與菠菜產量之間的相關系數達到0.92，表明保水劑的使用量對菠菜產量呈極顯著正相關關系，通過保水劑用量與菠菜耗水量的相關性分析可知，保水劑的施用量與菠菜耗水量呈負相關關系。為確定適宜保水劑施用量，對菠菜產量和耗水量的試驗數值進行回歸分析，得出產量與耗水量之間呈二次拋物線關系從而確定適宜的保水劑施用量，見圖6，其方程為：

Y=-0.93w2+241.14w-13 630

(1)

式中：Y為菠菜總產量，15 kg/hm2；w為菠菜生育期灌水總量，mm。式(1)擬合的相關系數R2=0.836 2，達顯著水平。

圖6 菠菜產量與總耗水量之間的關

從圖6還可以看出，當全生育期總耗水量小于129.65 mm時，產量隨著耗水量的增加而增加；當全生育期耗水總量大于129.65 mm時，產量隨著耗水量的增加而降低。通過對產量與耗水量之間的函數關系的分析，可以得出當產量達到最大時，菠菜需水量為129.65 mm，實現了水資源的高效利用。分析數據可知，S3處理菠菜產量達到最大值(400 g)，但耗水量為152.73 mm，也達到最大值，此時的高產是以較高的耗水量為代價得到的，因此不作為最佳處理。當保水劑施用量為285.6 kg/hm2、拌施土層厚度為5～10 cm、灌水定額為150 m3/hm2(即S2處理)時，菠菜耗水量為130.55 mm，菠菜總產量為314 g，達到較高水平。

3 結 語

通過不同因素對冬菠菜生長指標、產量、耗水量及水分利用效率的影響特性研究，得出以下結論。

(1)適量的施加保水劑可以有效地提高土壤含水量，促進菠菜葉面積的生長；菠菜葉面積對保水劑含量及灌水定額的變化十分敏感。

(2)不同灌水定額條件下保水劑含量的變化對菠菜單株產量，耗水量及水分利用效率的影響不同，適量施用保水劑可以有效提高菠菜單株產量，降低單株耗水量，提高水分利用效率。

(3)菠菜生長對水分需求最大的時期為生長中期，此時水分狀況對菠菜的產量及品質形成有很大的影響，因此在這一階段要保證水分的充足供應；通過對菠菜總產量和總耗水量之間的關系研究，揭示了菠菜產量與全生育期耗水量之間呈二次拋物線關系，隨著耗水量的增加產量呈現先增加后減少的趨勢，最佳耗水量為129.65 mm。

研究表明，保水劑含量285.6 kg/hm2、拌施深度5～10 cm，灌水定額150 m3/hm2可以實現冬菠菜高產、高效，過高或過低的保水劑施用量均不利于菠菜的生長發育和產量形成。