劉 禮，孫東寶，王慶鎖

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

我國(guó)北方旱作區(qū)56%以上的農(nóng)田依靠自然降水發(fā)展雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)[1]。該地區(qū)全年總降水量少，季節(jié)分布不均，約60%～70%的降水集中在7—9月，春季干旱多發(fā)[2-3]。春玉米是北方旱區(qū)的主要糧食作物，苗期和拔節(jié)期干旱是限制玉米生長(zhǎng)的主要因素，加之同期氣溫高、葉面積指數(shù)小，地表裸露面積大，土壤水分蒸發(fā)損失嚴(yán)重，加劇了土壤干旱程度。與此同時(shí)，干旱還限制了土壤養(yǎng)分的運(yùn)移和玉米根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)一步抑制玉米生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致減產(chǎn)[4]。因此，有效緩解苗期和拔節(jié)期干旱是該地區(qū)玉米穩(wěn)產(chǎn)與高產(chǎn)的重要保證。

保水劑作為一種新型節(jié)水材料，具有良好的吸水、保水特性。施入土壤后能保留大量的水分和養(yǎng)分，在水分缺乏時(shí)可根據(jù)作物需求緩慢釋放，提高土壤水分、養(yǎng)分的有效性，從而改善作物生長(zhǎng)狀況[5-7]，特別是在干旱地區(qū)，效果更為顯著[8]。研究發(fā)現(xiàn)，保水劑能顯著提高旱地玉米出苗率及幼苗成活率[9-10]，同時(shí)促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)玉米株高、葉面積指數(shù)、光合能力以及地上部、根部生物量的累積[11-13]等均具有明顯的促進(jìn)作用，提高了玉米水肥利用效率[14-16]，從而達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的目的。保水劑的施用效果又受到保水劑種類(lèi)、施用量、土壤條件和氣象等多種因素的影響。近年來(lái)許多研究結(jié)果證實(shí)施用保水劑能顯著提高玉米產(chǎn)量[14,17]，但大多數(shù)研究主要是關(guān)于單一保水劑類(lèi)型及不同保水劑用量對(duì)土壤改良和作物產(chǎn)量的影響[17-19]，關(guān)于玉米生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)不同類(lèi)型保水劑在土壤中應(yīng)用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究較少?；谝陨犀F(xiàn)狀，本研究選擇了市面上常見(jiàn)的3種類(lèi)型保水劑作為研究對(duì)象，分別為腐殖酸類(lèi)(黃腐酸)、聚丙烯酸鹽類(lèi)(聚丙烯酸鉀)和聚丙烯酰胺，以山西典型旱地玉米田為研究對(duì)象，進(jìn)行了為期兩年的田間定位試驗(yàn)，比較研究了不同類(lèi)型保水劑對(duì)旱地玉米各生理指標(biāo)、干物質(zhì)累積動(dòng)態(tài)、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，為保水劑在山西旱地玉米田的推廣和選擇應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2012年4月—2013年10月在農(nóng)業(yè)部壽陽(yáng)旱地農(nóng)業(yè)重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于山西省壽陽(yáng)縣宗艾鎮(zhèn)宗艾村( 37°51′N(xiāo)，113°05′E，海拔1 135 m)。試驗(yàn)地區(qū)屬于暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫8.11℃，≥10℃積溫2 994℃·d，無(wú)霜期130 d，多年平均降水量474.2 mm。土壤類(lèi)型為褐土，質(zhì)地為砂質(zhì)粘土。播前土壤含水量為25.05%，供試土壤基本理化性質(zhì)為：pH 8.4，有機(jī)質(zhì)17.6 g·kg-1，全氮0.956 g·kg-1，有效磷1.8 mg·kg-1，速效鉀25.2 g·kg-1。氣象資料由壽陽(yáng)氣象站提供，試驗(yàn)期間2012年和2013年玉米生育降水量分別為471.4 mm和496.6 mm，降水分布見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)杲邓考捌浞植糉ig.1 Annual precipitation and its distribution

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為春玉米，品種為大豐30號(hào)。播種深度為5～7 cm，行距60 cm，株距30 cm，種植密度為55 000株·hm-2。播種日期分別為 2012年4月30日和2013年4月27日,并于每年10月1日收獲。2年試驗(yàn)期間分別在玉米不同生長(zhǎng)階段進(jìn)行取樣測(cè)定，取樣時(shí)間分別為：苗期(2012年6月11日、2013年6月14日)、拔節(jié)期(2012年7月11日、2013年7月15日)、開(kāi)花期(2012年8月3日、2013年8月5日)和灌漿期(2012年9月7日、2013年9月5日)。

供試保水劑類(lèi)型有3種，分別為：聚丙烯酸鉀PAAS(甘肅海瑞達(dá)有限公司生產(chǎn)的聚丙烯酸鹽類(lèi)保水劑)；黃腐酸HA和聚丙烯酰胺PAM(山東濟(jì)南運(yùn)澤化工有限公司生產(chǎn)的腐植酸類(lèi)、非離子性聚合物保水劑)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為：不施保水劑(CK)，保水劑PAAS，保水劑HA，保水劑PAM；每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為80 m2(8 m×10 m)。施用方法為保水劑與基肥混勻后穴施，保水劑施用量為50 kg·hm-2，種肥施用量為100 kg·hm-2，為避免肥料對(duì)種子的影響，種肥施于距離種子15 cm的位置；拔節(jié)后期追施尿素180 kg·hm-2。對(duì)照除不施用PAAS、PAM和HA外，其它管理措施均與上述3個(gè)處理一致。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 葉面積指數(shù) 在玉米定苗后，每個(gè)小區(qū)選擇3株代表性植株，對(duì)其每個(gè)葉片的長(zhǎng)度和最大寬度進(jìn)行測(cè)定。之后每10 d測(cè)定一次，并采用系數(shù)法計(jì)算葉面積。葉面積指數(shù)LAI是指葉片總面積與土地面積的比值。

A=0.74×Lk×Wk

(1)

(2)

式中，A為葉片葉面積；0.74為葉面積系數(shù)；Lk為第k片葉片的長(zhǎng)度；Wk為第k片葉片的寬度；LAI為葉面積指數(shù)，S為土地面積。

1.4.2 生理指標(biāo)的測(cè)定 葉綠素含量(SPAD)：采用便攜式葉綠素儀(SPAD-502)測(cè)定。分別在玉米5葉、10葉、抽穗期和灌漿期選擇5片發(fā)育完全的幼葉進(jìn)行測(cè)定并記錄數(shù)據(jù)。

玉米凈光合速率(Pn)與蒸騰速率(Tr)：使用LI-6400便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀(利用自然光源和田間CO2)測(cè)定玉米葉片的凈光合速率、蒸騰速率。分別在玉米苗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期和灌漿期從每個(gè)處理中選擇具代表性的3株玉米，于上午10∶00—11∶00間進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定部位為植株頂部第一片全展葉的中部。

(3)

式中，F(xiàn)為空氣流量(μmol·s-1)；Ws為樣品水摩爾比(mmol·mol-1);Wr為參比水摩爾比(mmol·mol-1)；S為葉面積(m2)。

(4)

式中,Cs為樣品室CO2濃度(μmol·mol-1)；Cr為參比室CO2濃度(μmol·mol-1)。

1.4.3 玉米地上部干物質(zhì)累積量(SDM) 分別在玉米苗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期和收獲期從每個(gè)處理選取3株代表性植株，取地上部分在105℃烘箱中殺青30 min，然后在85℃下烘干至恒重，稱(chēng)重并記錄干物質(zhì)重量。

1.4.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 玉米成熟后，每個(gè)小區(qū)將除去邊行的其余部分全部收獲，然后分別測(cè)定玉米穗數(shù)、每穗穗長(zhǎng)、禿尖長(zhǎng)。待玉米自然風(fēng)干后脫粒，測(cè)定其穗粒重、千粒重、籽粒產(chǎn)量，并將籽粒產(chǎn)量換算成公頃產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析分別采用Microsoft Excel 2013和SAS 6.12。在5%的概率水平下，采用F值進(jìn)行方差分析比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保水劑對(duì)玉米葉面積指數(shù)(LAI)的影響

隨生育期的推進(jìn)，不同保水劑處理下玉米葉面積指數(shù)(LAI)變化如圖2所示。2012、2013年不同處理LAI隨時(shí)間推移變化趨勢(shì)基本一致，均在8月5日左右達(dá)到最大值。與對(duì)照相比，PAAS、PAM和HA處理下玉米平均最大葉面積指數(shù)分別增加了6.2%、3.6%和2.4%。不同保水劑在玉米不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)葉面積指數(shù)的增加效應(yīng)不同，在玉米生育前期(6月—7月中旬)LAI顯著增加，且PAAS>PAM>HA。如2012年7月1日，PAAS、PAM和HA三種處理下玉米葉面積指數(shù)分別比對(duì)照增加了45.9%、35.1%和24.3%；2013年7月15日，LAI分別增加了47.1%、33.7%和24.4%。但生長(zhǎng)后期(7月25日后)PAAS、PAM和HA處理下玉米葉面積指數(shù)與對(duì)照處理均無(wú)顯著性差異，保水劑對(duì)植株生長(zhǎng)的作用不明顯，甚至低于對(duì)照。以PAAS為例，2012年7月15日至8月15日LAI由2.28提高到2.81，增長(zhǎng)23.2%。而對(duì)照組LAI由1.56提高到2.57，同期增加64.7%。這可能是由于降雨充足時(shí)，對(duì)照處理玉米發(fā)生補(bǔ)償生長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，土壤中添加保水劑可顯著促進(jìn)玉米生長(zhǎng)前期葉片膨大，尤其是PAAS效果更優(yōu)。

圖2 不同保水劑對(duì)玉米生育期葉面積指數(shù)的影響Fig.2 Effect of different water-retention agents on leaf area index in maize growth period

2.2 不同保水劑對(duì)玉米各生理指標(biāo)的影響

2.2.1 葉綠素含量(SPAD值) SPAD值可以反映葉片的相對(duì)葉綠素濃度和植物的營(yíng)養(yǎng)狀況。隨生育期的動(dòng)態(tài)變化，不同保水劑處理下玉米SPAD值變化如圖3所示。與對(duì)照相比，PAAS、PAM和HA處理下玉米苗期、拔節(jié)期SPAD值顯著增加，苗期SPAD值依次提高了17.9%、10.6%和5.6%,拔節(jié)期分別提高了19.6%、14.6%和9.0%。不同保水劑間PAAS>PAM>HA，且PAAS顯著高于PAM和HA，PAM和HA間差異不顯著。同時(shí)PAAS也可明顯提高玉米抽穗期葉綠素含量，與對(duì)照相比提高了13.0%；而PAM和HA則與對(duì)照無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，保水劑能顯著增加玉米生長(zhǎng)前期SPAD值，而PAAS效果更為顯著。

注：圖中不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). The same below.圖3 不同保水劑對(duì)玉米葉綠素含量的影響(2012年)Fig.3 Effect of different water-retention agents on chlorophyll content of maize (2012)

2.2.2 凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr) 隨生育期的動(dòng)態(tài)變化，不同保水劑處理下玉米凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)變化如圖4所示。與對(duì)照相比，施用保水劑顯著提高了玉米苗期、拔節(jié)期的Pn和Tr。在玉米苗期，PAAS、PAM和HA處理Pn分別提高了48.6%、29.6%和12.4%，Tr分別提高了27.4%、4.2%和22.2%。拔節(jié)期保水劑的作用效果更為顯著，Pn分別比對(duì)照提高了60.2%、49.4%和42.0%,Tr分別提高了28.3%、17.4%和9.7%;不同保水劑間表現(xiàn)為PAAS>PAM>HA，且PAAS顯著高于HA。到了抽穗期，PAAS和PAM處理玉米Pn和Tr仍有所提高，但幅度較小，Pn分別比對(duì)照提高了9.9%和9.3%，而HA處理則與對(duì)照無(wú)顯著性差異。玉米灌漿期，保水劑對(duì)Pn和Tr無(wú)影響，處理間差異不顯著，原因可能是這一時(shí)期雨量較充沛，葉片光合和蒸騰作用受干旱脅迫的影響小。由此可見(jiàn)，施用保水劑能夠顯著提高玉米生長(zhǎng)前期凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)，且PAAS的作用效果更好。

圖4 不同保水劑對(duì)玉米凈光合速率和蒸騰速率的影響(2012年)Fig.4 Effects of different water-retention agents on net photosynthetic rate and transpiration rate of maize (2012)

2.3 不同保水劑對(duì)玉米干物質(zhì)累積量(SDM)的影響

不同保水劑處理玉米不同生育階段地上部分干物質(zhì)累積量變化特征如圖5。總的來(lái)看，保水劑處理玉米SDM較對(duì)照處理顯著增加(P<0.05)。與CK 相比，2012年P(guān)AAS、PAM和HA 處理的地上干物質(zhì)累積量增加了8.7%～14.5%，2013年增加了9.3%～24.9%。不同保水劑對(duì)SDM累積的影響不同，其中PAAS對(duì)SDM的促進(jìn)作用最好，HA的作用不明顯，兩者間差異顯著，而PAAS與PAM兩年的SDM無(wú)顯著性差異。

不同保水劑處理下，不同生長(zhǎng)階段的SDM累積比例不同。出苗到拔節(jié)階段，2012年保水劑處理下的SDM與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異，而2013年P(guān)AAS

和HA處理的SDM顯著高于CK，PAM處理下有所增加，但差異不顯著。可能是因?yàn)橥寥浪謼l件不同，2012年土壤底墑?shì)^高，而2013年苗期降水量較少(圖1)，同時(shí)HA 的作用效果低于PAAS和PAM。拔節(jié)到開(kāi)花階段降水量較少，干旱脅迫相對(duì)較嚴(yán)重，2012、2013年保水劑處理玉米SDM均較CK 處理顯著增加。如2012年，PAAS、PAM和HA的SDM較對(duì)照處理分別提高了36.0%、22.2%和12.6%。但開(kāi)花到灌漿階段，降水較多，2012、2013年保水劑處理下SDM與對(duì)照間均無(wú)顯著性差異。由此可見(jiàn)施用保水劑能顯著提高玉米開(kāi)花前地上干物質(zhì)累積量。以PAAS為例，2012年和2013年開(kāi)花前SDM累積比例分別為51.6%和58.1%，對(duì)照組分別為42.5%和50.3%(圖5)。這種差異主要是由于保水劑顯著提高了玉米生育前期的凈光合速率(圖4)。

圖5 不同保水劑對(duì)玉米地上部干物質(zhì)累積的影響Fig.5 Effect of different water-retention agents on dry matter accumulation in maize above ground

2.4 不同保水劑對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可知，3種不同保水劑處理下玉米穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、單穗重均較不施保水劑(CK)處理顯著增加(P<0.05)，其中以聚丙烯酸鉀(PAAS)處理增幅最大；與CK相比，PAAS處理下2個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴萦衩姿腴L(zhǎng)平均增加11.4%，穗粒數(shù)平均增加120粒，單穗重平均增加21.6%；其次是聚丙烯酰胺(PAM)，黃腐酸(HA)的增幅最小，且與PAAS有顯著性差異。不同保水劑處理間玉米千粒重?zé)o顯著性差異，可能是因?yàn)橛衩坠酀{期降水較充足，水分和養(yǎng)分均不是限制玉米生長(zhǎng)的主要因子，故玉米灌漿基本沒(méi)有受到影響。就禿尖長(zhǎng)而言，保水劑處理明顯降低了玉米禿尖長(zhǎng)，其中PAAS的降幅最大，與CK相比減小了1.2 cm；PAM與HA處理下玉米禿尖長(zhǎng)有所減小，但差異并不顯著。

表1 不同保水劑對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

保水劑處理顯著增加了玉米產(chǎn)量。與對(duì)照相比，PAAS、PAM和HA處理下玉米產(chǎn)量分別提高了21.6%、16.8%和11.8%。增產(chǎn)效果表現(xiàn)為：PAAS>PAM>HA，且PAAS處理下玉米產(chǎn)量顯著高于HA。以上結(jié)果表明，PAAS保水劑能顯著提高玉米產(chǎn)量，主要是由于玉米穗長(zhǎng)增加、禿尖長(zhǎng)變短，穗粒數(shù)增多以及穗粒重的增加，而與千粒重?zé)o關(guān)。

3 討 論

在旱作玉米生產(chǎn)過(guò)程中，由于降水在年內(nèi)分布極不均衡，生育前期干旱脅迫成為限制旱地玉米生產(chǎn)的主要因素；玉米生長(zhǎng)后期降水相對(duì)充足但對(duì)產(chǎn)量影響較小。保水劑為高吸水性聚合物，能迅速吸收比自身重百倍甚至上千倍的水分，并且具有反復(fù)吸水的功能。在玉米前期缺水階段可根據(jù)作物需求釋放水分，緩解干旱脅迫，因此保水劑的應(yīng)用成為提高旱地玉米產(chǎn)量的有效措施。

本研究發(fā)現(xiàn)，保水劑對(duì)玉米苗期和拔節(jié)期的形態(tài)和生理指標(biāo)的影響顯著，而對(duì)生育后期的影響不顯著。這是因?yàn)樽魑锏某晒ΨN植取決于土壤水分的有效性，并且經(jīng)常受到該地區(qū)土壤水位差的限制[20]。施用保水劑相當(dāng)于向土壤中加入了一個(gè)高保水性又具有高水勢(shì)的附加系統(tǒng)[21]，當(dāng)土壤水分含量較低時(shí)，保水劑吸收的水分可以緩慢釋放以供玉米吸收，從而提高玉米的光合速率、蒸騰速率以及促進(jìn)其形態(tài)發(fā)育；同時(shí)蒸騰速率的提高可以加速營(yíng)養(yǎng)元素向玉米根區(qū)的質(zhì)量流動(dòng)[22]，使玉米能夠在有限的供水條件下正常生長(zhǎng)。而在降水較多的生育后期，土壤水分不是玉米生長(zhǎng)的限制因子，因此施用保水劑的效果不顯著。但本研究發(fā)現(xiàn)，玉米生長(zhǎng)后期，對(duì)照處理玉米葉面積增長(zhǎng)速率和干物質(zhì)累積速率明顯高于保水劑處理，可見(jiàn)在干旱脅迫后的大量降雨或復(fù)水條件下玉米會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償性生長(zhǎng)，這與Wenkert等[23]的研究結(jié)果一致；但總的來(lái)看，CK處理玉米的最大葉面積指數(shù)、干物質(zhì)累積總量和籽粒產(chǎn)量均顯著低于保水劑處理，表明這種補(bǔ)償作用不能完全彌補(bǔ)前期干旱脅迫造成的影響，因此旱地玉米高產(chǎn)的關(guān)鍵在其生長(zhǎng)前期。

施用保水劑可顯著提高旱地玉米的產(chǎn)量。本試驗(yàn)中，玉米產(chǎn)量的增加主要是由于穗粒數(shù)以及單穗重的增加。保水劑的添加有效地改善了植物營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和玉米的光合能力，增加了玉米前期生長(zhǎng)階段的干物質(zhì)累積量，這為穗粒數(shù)的形成奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，保水劑處理玉米LAI和Pn顯著增加，這也增強(qiáng)了玉米穗分化階段光合產(chǎn)物的供應(yīng)能力，從而降低種子敗育率，使禿頂長(zhǎng)變小。本研究中PAAS、PAM和HA處理下玉米禿尖長(zhǎng)均低于對(duì)照處理，進(jìn)一步證明了這一觀點(diǎn)。同時(shí)不同保水劑類(lèi)型對(duì)玉米各生長(zhǎng)生理指標(biāo)、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響不同，均表現(xiàn)為PAAS效果更優(yōu)、PAM次之、HA 最弱，這可能與保水劑本身性質(zhì)有關(guān)。其中PAAS 為鉀離子性聚合物，其吸水、保水性能優(yōu)于PAM(非離子性聚合物)，但其穩(wěn)定性、耐鹽性及使用壽命低于PAM；而HA為有機(jī)弱酸，能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，但對(duì)植物根系的作用效果更為顯著，且HA通常作為重金屬吸附劑被廣泛應(yīng)用[24]。PAAS和PAM通常作為保水劑應(yīng)用，我們可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需求去選擇應(yīng)用。

4 結(jié) 論

研究表明，施用保水劑能有效緩解試驗(yàn)地區(qū)玉米生長(zhǎng)前期的干旱脅迫，顯著提高玉米苗期、拔節(jié)期的葉面積指數(shù)、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率以及地上部干物質(zhì)累積量，降低玉米籽粒敗育率，使禿頂長(zhǎng)變小，同時(shí)玉米穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)以及單穗重增加，從而提高旱地玉米產(chǎn)量。不同保水劑類(lèi)型作用效果不同，表現(xiàn)為PAAS>PAM>HA。因此，PAAS可作為試驗(yàn)當(dāng)?shù)卮河衩滋锉Ｋ畡╊?lèi)型的最佳選擇。