長期施用保水劑對小麥生長和水分利用的影響

康永亮,武繼承,鄭惠玲,楊永輝,潘曉瑩,田志浩

(1.禹州市農業技術推廣中心，河南 禹州 461670;2.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002;3.農業部 作物高效用水原陽科學觀測試驗站，河南 原陽 453514;4.河南省土壤肥料站，河南 鄭州 450008)

干旱缺水是我國農業綠色持續發展的重要限制因素。尤其在我國北方淺山丘陵區的旱作區，降水是解決農作物季節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，調控缺水時期的土壤水分和降水在土壤中的存留時間是提高旱地作物水分利用效率的關鍵問題。

保水劑是一種高分子聚合物[1-2]，能夠改善土壤的結構[3]，促進團粒形成[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，保水劑的應用是現代農業節水中的一項重要措施[6]，也是旱作節水農業研究的熱點[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]，調節土壤孔隙度[16]及土壤團聚體結構特性[17-18]，增強土壤微生物活性[19]，激發作物生長發育[20]，光合作用[21]，從而實現作物產量[22-24]及降水與水分利用效率[25-26]的共同提高。

目前保水劑對作物的增產效應研究多集中于短期研究，而對于保水劑長期應用后對作物產量及水分利用效率的研究還鮮見報道。因此，本文借助國家科技支撐計劃和國家重點研發項目，開展保水劑長期施用對作物增產和水分利用效率的研究，旨在為解決淺山丘陵旱作區資源利用效率和生產效率的關鍵技術提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗安排在河南省農科院節水農業禹州試驗基地的崗旱地，年降水量674 mm，其中60%以上集中在夏季，存在較嚴重的春旱、伏旱和秋旱；土壤為壤質褐土，土壤母質為黃土性物質，耕層土壤有機質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。

試驗用保水劑為河南省農科院自主研發的營養型抗旱保水劑，吸水倍數為168，營養成分≥5%，試驗設置4個處理：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個處理。小區面積3.6 m×4 m=14.4 m2，重復3次，隨機排列。

試驗用小麥品種為矮抗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%時進行適量補灌，補灌量為30～60 mm/次。

土壤水分觀測采用重量烘干法與遠程水分監測儀相互校正的方法獲得，降水量采用試驗所在地天圻自動氣象觀測數據和禹州市氣象觀測站數據，小麥生育期降水量采用10月上旬到次年5月份下旬小麥收獲時的降水量。水分利用效率為經濟產量除以總耗水量，總耗水量為生育期降水量+灌水量+土壤耗水量。

2 結果與分析

2.1 降水和土壤水分消耗的時空變化特征

由圖1可以看出，土壤耗水量在生育期內同年份變化不大，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 研究區小麥生育期降水特征

相對于平水年而言，貧水年的土壤耗水量相對較大，如2011和2019年；富水年因為小麥長勢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，補水量不足時，土壤水分消耗量增大；降水豐足，空氣濕度大，適量補水，土壤水分消耗量降低。

2.2 保水劑對小麥生長發育的影響

從圖3可以看出，施用保水劑處理有利于改善小麥生長發育，提高單位群體數量、株高、穗長、小穗數、穗粒數和千粒質量，降低不孕穗。其中不同生育期群體動態表現為從播種期到返青期逐步升高，然后逐步下降，至抽穗期后趨于穩定的變化趨勢，成熟期成穗數分別達到5 535～5 940萬穗(n=9)，較CK增加3.67～6.67萬穗。

圖3 施用保水劑對研究區小麥生長發育的影響

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

2.3 保水劑對小麥產量與增產率的影響

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

圖4 施用保水劑對研究區小麥產量的影響

小麥增產率與產量的變化趨勢一致。CK相比，保水劑用量處理增產幅度達到2.31%～19.20%，以V處理平均增幅最高達到15.52%(n=9)，T處理平均增幅11.12%，F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，其增產趨勢有著明顯的不同(見圖5)，其中F處理至第4 a(2014年)后對小麥的增產幅度上下差別變小，均在8%以上，上下增幅小于0.3%；T處理對小麥產量的增產率隨施用年限的增加逐步提升，至2019年增產幅度達到14.48%；V處理則表現為先增再減再增，再減再逐步提高的過程，即從最初的增產幅度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%。因為不同保水劑用量的土壤持水能力和供水能力有一定的差異[13-14]，同時不同保水劑用量對土壤結構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、對土壤結構改良的影響較小，穩定性較短；保水劑高用量的田間持水能力和供水能力較高、對土壤結構的改良影響較大、持續時間較長。同時，不同保水劑用量影響小麥根系生長[12]和生理特性[11,20]，從而影響其抗旱性能的差異。而且不同年份增產率的差異說明保水劑對小麥的增產作用在一定程度上尚受氣候的影響還比較大，其持續增產效果尚有待于進一步研究。

圖5 施用保水劑對研究區小麥增產率的影響

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

表1 研究區小麥產量、水分利用效率、土壤耗水量、總耗水量之間的相關性分析

2.4 保水劑對水分利用率的影響

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處理總耗水量增加2.14～6.40 mm。小麥總耗水量則表現為：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 保水劑對研究區小麥耗水量的影響

小麥水分利用效率則表現為先降低再升高(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基本一致，與貧水年的降水量和耗水量的變化趨勢相反，即相對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。總之，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、農藥、耕地、播種、拌種、收獲和小麥收購價格均按當年價格計算，通過單位投入產出進一步分析表明(見圖8)，不同保水劑單位凈收益均較對照有顯著提高，并表現為：V>T>F>CK。

圖8 保水劑對研究區單位凈收入的影響

與CK相比，F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 保水劑對研究區小麥水分利用效率的影響

3 結論和討論

施用保水劑及其不同用量可以顯著提高小麥產量和水分利用效率[22-29]，是因為施用保水劑可以提高土壤持水能力和供水能力[13-15]，促進根系生長[12,28]，改善小麥生長發育與生理特性[20,29]，提高光合性能[21，30]。本研究則進一步揭示了長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率的變化特征。

(1) 施用保水劑處理有利于改善小麥生長發育，提高單位群體數量、株高、穗長、小穗數、穗粒數和千粒質量，降低不孕穗。與CK相比，成熟期小麥成穗數分別增加3.67～6.67萬穗，株高增加1.8～5 cm，穗長增長0.1～0.3 cm，小穗數增加0.3～1.1個，穗粒數增加1.9～5.7粒，千粒質量增加2.2～4.5 g，不孕穗分別降低0.5～1.6個。該試驗結果與楊永輝等[4,12]、武繼承等[22,24]的研究結果一致，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發育土壤耗水量略有增加。不同處理間土壤耗水量表現為：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較大，富水年因為小麥長勢不一，土壤耗水量有很大差異，表現為：2019>2014>2015>2011>2012>2016>2018>2013>2017。小麥總耗水量則表現為：2018>2015>2012>2014>2017>2013>2016>2011>2019，并與生育期降水量趨勢基本一致，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) 保水劑應用對小麥產量提高具有積極效果，并表現為：V>T>F>CK。與CK相比，保水劑用量處理增產幅度分別達到2.31%～19.20%。但不同保水劑處理隨著施用年限的延長，其增產趨勢有著明顯的不同，F處理至第4 a后對小麥的增產幅度趨于穩定，T處理的增產率隨施用年限的增加逐步提升，V處理則表現為先增再減增，再減再逐步提高的過程。并顯著地提高了單位凈收益，與產量趨勢一致，即V>T>F>CK。與CK相比，F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，其趨勢與產量變化一致，即V>T>F>CK。不同年份間表現為先降低再升高，再降低再升高的過程。與土壤耗水量變化趨勢一致，與貧水年降水量、總耗水量的變化趨勢相反。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，小麥產量、水分利用效率、土壤耗水量、總耗水量之間呈顯著的正相關關系。因此，基于不同降水年型、小麥產量、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。