李 榮 勉有明 侯賢清 李培富 王西娜

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川 750021)

0 引言

玉米是寧夏的三大糧食作物之一，是播種面積和單產(chǎn)增長(zhǎng)速度最快的作物，總產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)的46%，位居糧食作物之首[1]，提高玉米產(chǎn)量對(duì)保障寧夏糧食安全至關(guān)重要。寧夏鹽環(huán)定(鹽池、環(huán)縣、定邊)揚(yáng)黃灌區(qū)光熱資源豐富，玉米單產(chǎn)水平高，發(fā)展?jié)摿Υ骩2]。然而，該區(qū)玉米種植不僅缺水，且土壤以荒漠草原植被類型下形成的灰鈣土為主，部分區(qū)域嚴(yán)重沙化形成風(fēng)沙土，土壤瘠薄，肥力低下，成為限制玉米生產(chǎn)的主要因素之一[3]。

在節(jié)水技術(shù)措施中，使用化學(xué)保水材料是旱區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)比較理想的措施[4]，保水劑應(yīng)用是近年來(lái)受到重視的一種化學(xué)抗旱節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等諸多方面具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景[5-7]。保水劑是一種具有強(qiáng)吸水能力的新型高分子聚合物，能夠反復(fù)吸水、釋水[8]，疏松土壤，減緩?fù)寥浪值尼尫潘俣?，顯著抑制水分的蒸發(fā)，具有抗旱保水、改良土壤、水土保持與促進(jìn)養(yǎng)分吸收等多重功能，可為作物提供適宜的水分環(huán)境，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)及提高水分的利用效率[9]。將保水劑施于土壤后，能加強(qiáng)土壤的吸水能力，增加土壤含水率，同時(shí)又能有效改善土壤持水性等物理特性[10-11]。但保水劑在不同地區(qū)、氣候、土壤類型下應(yīng)用效果差異較大，使得實(shí)際生產(chǎn)中保水劑的應(yīng)用效果千差萬(wàn)別[12]。

秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的土壤培肥措施，既可充分利用秸稈資源、減輕焚燒對(duì)生態(tài)環(huán)境的不良影響，又是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的有效途徑之一，其主要作用體現(xiàn)在改善土壤物理結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤生物活性，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量等方面[13-14]。保水劑可有效減少土壤水分和養(yǎng)分流失，促進(jìn)作物的干物質(zhì)積累，顯著提高水肥利用效率[15-16]。寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃灌區(qū)季節(jié)性干旱頻發(fā)，沙地土壤貧瘠，且漏水漏肥嚴(yán)重，將保水劑的保水保肥功能和秸稈還田增加土壤肥力的功能有機(jī)結(jié)合，對(duì)促進(jìn)該地區(qū)砂性土壤改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實(shí)意義，特別是對(duì)砂性土壤容重達(dá)到1.5 kg/cm3以上的土壤改良。然而，灌區(qū)秸稈還田條件下施用保水劑對(duì)砂性土壤性狀改良及作物產(chǎn)量的影響鮮有研究。因此，本文針對(duì)寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃灌區(qū)土壤沙化嚴(yán)重、保水保肥性能差等特點(diǎn)，在秸稈還田條件下，采用沃特多功能保水劑研究其不同用量對(duì)砂性土壤理化性質(zhì)及玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，探明其對(duì)土壤性狀的改良和培肥效應(yīng)，以期為寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃灌區(qū)砂性土的培肥增產(chǎn)及秸稈還田條件下合理施用保水劑提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年4月—2018年10月在寧夏回族自治區(qū)鹽池縣馮記溝鄉(xiāng)三墩子村天朗現(xiàn)代農(nóng)業(yè)公司玉米試驗(yàn)田進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于寧夏東部，東與青山接壤，西與靈武市馬家灘鎮(zhèn)毗鄰，北與王樂(lè)井鄉(xiāng)搭界，南與惠安堡、大水坑鄉(xiāng)相連。該區(qū)為寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃灌區(qū)(37°40′N，106°51′E，海拔1 300 m左右)，屬中溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)，年均氣溫22.4℃，年均降水量280 mm左右，年內(nèi)降水分布極不平衡，主要集中在6—9月，而同期蒸發(fā)量高達(dá)2 000～3 000 mm，無(wú)霜期151 d；大于等于10℃積溫2 949.9℃，日照時(shí)數(shù)2 800 h。2016—2018年月度降水量和氣溫如圖1所示，3年玉米生育期平均降水量為207.1 mm，平均氣溫為9.4℃。其中，2016年玉米生育期(4—9月)降水量為224.2 mm，2017年為173.8 mm，2018年為223.4 mm。土壤開(kāi)墾多年，因周邊過(guò)度放牧，原灰鈣土表層被深厚風(fēng)積沙土層覆蓋，土壤砂性，土壤上層為沙壤土，下層為淡灰鈣土，偏堿性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。設(shè)保水劑施用水平為30(W30)、60(W60)、90(W90)、120 kg/hm2(W120)，以不施保水劑為對(duì)照(CK)，5個(gè)處理，3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為120 m2(12 m×10 m)。供試保水劑為勝利油田東營(yíng)華業(yè)新材料有限公司生產(chǎn)的沃特多功能保水劑(有機(jī)無(wú)機(jī)雜化保水劑，吸水倍率為500～600，0.18～2.0 mm粒徑大于等于95%，pH值為6.0～8.0)。保水劑施用具體方法：2016、2017年在玉米苗期(三葉期)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)保水劑用量計(jì)算出試驗(yàn)小區(qū)用量，將保水劑與小區(qū)內(nèi)細(xì)土按質(zhì)量比1∶10混合均勻后，根據(jù)小區(qū)植株密度計(jì)算出保水劑不同穴施量，在玉米種植行兩株玉米中間(株距22 cm)距離玉米植株10 cm范圍內(nèi)用手鏟(長(zhǎng)15 cm、寬5 cm)挖穴(穴長(zhǎng)10 cm、寬5 cm、深10 cm)，按處理區(qū)不同施用量施入整個(gè)穴中。2018年，在玉米播種期，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)保水劑和基肥(磷酸二銨)用量計(jì)算出試驗(yàn)小區(qū)用量，將保水劑不同用量與磷酸二銨(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于18%，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于46%)混合作為種肥，采用氣吸式播種機(jī)施入15 cm深土層中。

試驗(yàn)地前茬作物為春玉米，經(jīng)測(cè)定2016年處理前耕層(0～40 cm)土壤容重高達(dá)1.787 g/cm3，總孔隙度僅為32.6%，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為4.7 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量比分別為35.2、4.6、67.5 mg/kg，按照國(guó)家第二次農(nóng)田土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)屬低等肥力，土壤保肥和供肥差。試驗(yàn)所用玉米秸稈有機(jī)養(yǎng)分質(zhì)量比分別為有機(jī)碳705.8 g/kg、全氮12.0 g/kg、全磷2.6 g/kg、全鉀12.7 g/kg。試驗(yàn)布設(shè)前將前一年收獲后的玉米秸稈利用秸稈還田機(jī)切碎成3～5 cm小段，進(jìn)行翻壓還田(還田深度20 cm)，還田量為9 000 kg/hm2，并配施300 kg/hm2尿素，有助于秸稈腐解。供試玉米品種2016年為隴單9號(hào)，2017、2018年為先玉1225。采用氣吸式播種機(jī)精量播種，播種、鋪滴灌帶、覆土一體完成。玉米寬窄行種植，寬行70 cm，窄行30 cm，株距22 cm，種植密度為95 250株/hm2。滴灌帶鋪設(shè)于窄行之間，干土播種，播種后滴水。3年試驗(yàn)期間玉米播種時(shí)基施磷酸二銨用量300 kg/hm2，玉米生育期灌水及施肥方式采用滴灌施肥，灌水和施肥情況見(jiàn)表1。研究期間玉米生育期平均總灌水量為2 400 m3/hm2，生育期追施尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于46%)和硫酸鉀(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于50%)用量分別為780 kg/hm2和165 kg/hm2。玉米分別于2016年4月20日、2017年4月22日和2018年4月26日播種，于2016年9月28日、2017年9月30日和2018年10月2日收獲。

表1 玉米不同生育期灌水和施肥情況Tab.1 Irrigation and fertilization in different growing periods of maize

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

(1)土壤容重：在2016年4月中旬試驗(yàn)處理前及2018年10月收獲后玉米種植行兩株玉米行中間(玉米株距22 cm)，采用環(huán)刀取樣法測(cè)定0～20 cm和20～40 cm層土壤容重，并計(jì)算土壤孔隙度。土壤孔隙度P計(jì)算式為

P=(1-γ/ρ)×100%

(1)

式中γ——土壤容重，g/cm3

ρ——土壤密度近似值，取2.65 g/cm3

(2)土壤含水率：在玉米播種、拔節(jié)、抽雄、吐絲、灌漿和收獲期采用土鉆(直徑為0.08 m)干燥法分別測(cè)定0～100 cm層土壤質(zhì)量含水率(每20 cm取1個(gè)土樣)，并結(jié)合降水量和灌水量，計(jì)算玉米的總耗水量。

土壤貯水量W(mm)計(jì)算式為

W=10aγh

(2)

式中a——土壤質(zhì)量含水率，%

h——土層深度，cm

試驗(yàn)區(qū)因地下水位較深，多在50 m以下，故地下水上移補(bǔ)給量、深層滲漏量、地面徑流均忽略不計(jì)，則作物耗水量ET計(jì)算式為

ET=R+I+ΔW

(3)

式中R——作物生育期降雨量，mm

I——生育期灌水量(濕潤(rùn)層按1 m計(jì)算，m3/hm2換算為mm，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.1)

ΔW——玉米播種期和收獲期土壤貯水量之差，mm

水分利用效率WUE以單位耗水量下作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值表示，計(jì)算式為

WUE=Y/ET

(4)

式中Y——作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg/hm2

(3)土壤養(yǎng)分：在2016年試驗(yàn)處理前、2017年和2018年玉米收獲后，分別測(cè)定0～40 cm層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。

(4)玉米生長(zhǎng)：在玉米主要生育期，每處理區(qū)隨機(jī)選取代表性的植株5株，分別測(cè)定玉米植株株高、莖粗和地上部生物量。株高：用卷尺測(cè)量從玉米莖的基部至頂端(心葉)的高度(cm)；莖粗：用游標(biāo)卡尺測(cè)量玉米植株莖基部的直徑(mm)；地上部生物量：選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的植株，殺青干燥，測(cè)定其地上部生物量(g/株)。

(5)產(chǎn)量：玉米收獲期，每個(gè)處理選取3點(diǎn)，每點(diǎn)收獲3 m雙行果穗，脫粒，干燥，稱量(籽粒產(chǎn)量以含水率14%計(jì)算)。同時(shí)，計(jì)算其經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003制圖，SAS 8.0進(jìn)行方差分析，并用LSD法(P<0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑施用量對(duì)0～40 cm層土壤容重及孔隙度的影響

土壤容重和孔隙度是衡量土壤供肥、保肥能力及土壤緊實(shí)狀況的重要指標(biāo)。由圖2a(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)看出，保水劑施用量對(duì)玉米收獲期耕層(0～40 cm)土壤容重有顯著影響。3年秸稈還田后，施用保水劑各處理耕層土壤容重由大到小表現(xiàn)為處理前、CK、W30、W120、W90、W60。與試驗(yàn)處理前相比，各處理耕層平均土壤容重顯著降低，降幅為10.9%～22.6%。W60、W90、W120處理0～20 cm層土壤容重分別較CK顯著降低9.5%、7.3%和4.4%，20～40 cm層分別較CK顯著降低11.7%、7.9%和7.6%；而W30與CK處理間土壤容重?zé)o顯著差異，W30、W60、W90、W120處理間無(wú)顯著差異。這表明施用適量保水劑對(duì)耕層土壤容重降幅顯著。

秸稈還田條件下保水劑可降低土壤容重，增加土壤孔隙度，各處理0～40 cm層土壤孔隙度與容重變化趨勢(shì)相反。保水劑不同用量下耕層土壤孔隙度顯著高于試驗(yàn)處理前(圖2b)。各處理土壤孔隙度與試驗(yàn)處理前相比提高幅度為18.4%～39.4%。0～20 cm，W60和W90處理土壤孔隙度均顯著高于CK，分別較CK提高12.4%、9.7%，而W30和W120處理與CK間差異均不顯著，W60、W90、W120處理間亦無(wú)顯著差異。20～40 cm層，施用保水劑各處理土壤孔隙度均較對(duì)照顯著增加，以W60處理土壤孔隙度增幅最高，其次是W90和W12處理，分別較CK顯著提高17.8%、12.4%和12.0%，而保水劑不同用量處理間差異均不顯著，W30與CK處理間無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，秸稈還田條件下適量施用保水劑能顯著改善0～40 cm層土壤的孔隙狀況。

2.2 保水劑施用量對(duì)玉米生育期土壤水分變化的影響

由于當(dāng)?shù)亟邓?、灌水量及保水劑施用量的不同，玉米生育期各處?～100 cm層土壤貯水量變化較大(圖3)。不同生育期降水量、灌水量及玉米耗水強(qiáng)度不同，2016、2018年各處理土壤貯水量呈升高-降低-升高，而2017年則呈降低-升高-降低的變化趨勢(shì)。玉米生育前期植株較小，地面裸露面積大，保水劑施用量與對(duì)照均存在顯著差異。2016年玉米拔節(jié)期，施用保水劑各處理土壤貯水量均高于對(duì)照，其中W90、W120處理分別較CK顯著提高18.4%、21.5%。2017年拔節(jié)期，施用保水劑各處理土壤貯水量均顯著高于對(duì)照，W30、W60、W90和W120處理土壤貯水量分別較CK顯著提高18.3%、21.7%、16.1%、10.6%；2018年，隨保水劑施用量增加，土壤貯水量顯著增加，W30、W60、W90、W120處理分別較CK顯著提高13.0%、18.5%、24.8%、27.9%。

在生育中期(抽雄-吐絲期)，氣溫較高，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，作物耗水量增加，各處理土壤貯水量降至最低。2016年，隨保水劑施用量的增加，各處理土壤貯水量升高，其保墑效果逐漸增強(qiáng)。在玉米抽雄期，W90、W120處理分別較CK顯著提高20.1%、22.4%；在吐絲期，保水劑不同施用量下土壤貯水量較對(duì)照均有不同程度增加，W30、W60、W90、W120處理分別較CK顯著提高6.1%、16.2%、19.9%、27.3%。2017年抽雄至吐絲期，施用保水劑各處理土壤貯水量均顯著高于對(duì)照，以W30、W60和W90處理保水效果最佳，分別較CK顯著提高22.2%、27.7%和22.9%。2018年，施用保水劑各處理土壤貯水量同2016、2017年變化一致，且均隨保水劑施用量的增加而升高，W30、W60、W90和W120處理分別平均較CK顯著提高13.6%、17.6%、27.9%和36.5%。

玉米生育后期(灌漿-收獲期)，不同處理0～100 cm層土壤水分有所恢復(fù)。2016年，施用保水劑各處理與對(duì)照相比，土壤保水效果得到顯著改善，其中W60、W90和W120處理最佳，分別平均較CK顯著提高12.4%、14.3%、17.7%。2017年，施用保水劑W60處理保水效果最佳，W90和W120處理次之，分別較CK顯著提高19.9%、20.2%、15.1%。2018年，施用保水劑各處理土壤貯水量均顯著高于對(duì)照，以W120處理保水效果最佳，W90和W60處理次之，分別較CK平均顯著提高47.0%、37.6%和32.2%。綜合3年研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用保水劑W60和W90處理在玉米整個(gè)生育期土壤貯水量較高，保水效果最佳。

2.3 保水劑施用量對(duì)玉米收獲期土壤養(yǎng)分變化的影響

試驗(yàn)處理前及玉米收獲后各處理土壤養(yǎng)分含量變化(表2)表明，2016年玉米收獲期土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量與試驗(yàn)處理前相比，W60和W90處理均明顯增加，但差異不顯著，其他處理則均不利于有機(jī)質(zhì)和有效磷含量的提升，其中CK和W30處理有機(jī)質(zhì)和有效磷含量的消耗程度最大。土壤速效鉀含量2016年各處理均顯著低于試驗(yàn)處理前。經(jīng)過(guò)第2年和第3年秸稈還田后，2017、2018年玉米收獲期土壤有機(jī)質(zhì)含量與試驗(yàn)處理前相比，W60和W90處理均增加，增幅為8.5%～18.0%，而其他處理均略有降低。施用保水劑各處理土壤有效磷和速效鉀含量均顯著高于試驗(yàn)處理前，而不施保水劑處理與試驗(yàn)處理前差異不顯著。3年土壤堿解氮含量各處理均低于試驗(yàn)處理前，施用保水劑W60(除2018年外)和W90處理與試驗(yàn)處理前差異均不顯著，而其他處理均顯著低于試驗(yàn)處理前，這是由于秸稈還田后秸稈腐解消耗土壤中一定的氮素，導(dǎo)致土壤堿解氮含量明顯下降。

表2 保水劑施用量對(duì)0～40 cm層土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.2 Effects of super absorbent polymer dosages on soil nutrient content in 0～40 cm layer

秸稈還田條件下保水劑的保肥作用有助于有機(jī)質(zhì)進(jìn)行緩慢厭氧分解，從而有利于土壤保肥。2016年，保水劑不同處理0～40 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量均較對(duì)照明顯增加，其中W60、W90和W120處理增幅高，分別較CK顯著提高42.2%、42.2%和33.8%。土壤堿解氮含量以W60和W90處理高，分別較CK顯著增加26.0%和18.6%。不同處理下土壤有效磷含量由高到低表現(xiàn)為W60、W90、W120、W30、CK，而各處理下土壤速效鉀含量由高到低則表現(xiàn)為W60、W90、W30、CK、W120，均以W60和W90處理最為顯著。2017、2018年，秸稈還田配施保水劑各處理0～40 cm層土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量均較對(duì)照明顯增加，其中W60和W90處理最為顯著。W60、W90處理平均土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較CK顯著提高34.4%和25.3%，平均土壤堿解氮含量分別顯著提高52.0%和27.3%。不同處理下土壤有效磷含量?jī)赡暧筛叩降途憩F(xiàn)為W60、W30、W90、W120、CK，W30、W60、W90處理平均分別較CK顯著提高36.8%、45.5%和16.9%；土壤速效鉀含量由高到低為W60、W90、W30、W120、CK，W30、W60、W90和W120處理平均分別較CK顯著提高14.3%、23.2%、24.5%和10.4%?？梢?jiàn)，連續(xù)秸稈還田條件下增施保水劑能增加土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，一定程度上緩解對(duì)土壤氮素的消耗，提高土壤的保肥供肥能力，其中保水劑施用量60 kg/hm2和90 kg/hm2效果較好。

2.4 保水劑施用量對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響

施用保水劑能改善玉米不同生育期土壤的水肥狀況，從而促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育(表3)。3年研究期間，各處理下玉米生育期株高和莖粗均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。2016年，W60和W90處理整個(gè)生育期玉米株高分別較CK顯著增高13.2%和12.1%，而W30、W120處理在拔節(jié)期和收獲期與CK無(wú)顯著差異。玉米莖粗在抽雄期達(dá)到最大，W30、W60、W90處理整個(gè)生育期玉米莖粗分別較CK顯著提高10.7%、17.0%和11.3%。2017年，各處理下玉米生育期株高和莖粗均呈先升高后降低的趨勢(shì)。保水劑各處理玉米整個(gè)生育期株高和莖粗均顯著高于對(duì)照，W30、W60、W90和W120處理株高分別較CK增高10.4%、18.9%、20.4%和13.7%，莖粗分別提高7.0%、15.2%、18.6%、13.5%，其中W60和W90處理對(duì)玉米生長(zhǎng)促進(jìn)作用最為顯著。2018年，W60和W90處理玉米生育期株高和莖粗均與CK差異顯著，株高分別較CK顯著提高14.6%和14.8%，莖粗分別較CK顯著提高14.3%和12.2%?？梢?jiàn)，W60和W90處理與其他保水劑施用量處理相比，對(duì)提高玉米株高和莖粗的效果最為顯著。

表3 保水劑施用量對(duì)玉米不同生育期株高和莖粗的影響Tab.3 Effects of super absorbent polymer dosages on plant height and stem diameter at growing stage of maize

圖4為不同保水劑施用量對(duì)玉米地上部生物量的影響。不同處理下玉米主要生育期地上部生物量呈逐漸上升的變化趨勢(shì)，收獲期達(dá)到最大。2016年，W60處理整個(gè)生育期玉米地上部生物量均顯著高于CK。拔節(jié)期，W60、W90和W120處理分別較CK顯著提高70.8%、54.2%、43.8%；抽雄期，W60處理較CK顯著提高76.8%；玉米吐絲期，W60和W90處理分別較CK顯著提高41.3%、40.3%；灌漿期，W60和W90處理分別較CK顯著提高71.5%、65.3%；收獲期， W60、W90和W120處理分別較CK顯著提高51.4%、48.2%、45.7%。2017年，施用保水劑各處理地上部生物量與株高變化趨勢(shì)一致，W60、W90處理對(duì)玉米整個(gè)生育期地上部生物量影響最為顯著，其次為W120和W30處理。W60和W90處理、W30和W120處理間差異不顯著，但均顯著高于CK。W60、W90處理平均玉米地上部生物量分別較CK顯著提高66.7%和58.3%，W30、W120處理分別較CK顯著提高23.9%和45.0%。2018年，在生育前期(拔節(jié)-抽雄期)，由于植株較小，地上部生物量變化幅度不大。生育中后期(吐絲期以后)，各處理地上部生物量快速增加，由大到小表現(xiàn)為W60、W90、W120、W30、CK。收獲期，W60和W90處理分別較CK顯著增加13.1%和12.5%?？梢?jiàn)，施用保水劑可促進(jìn)玉米地上部生物量累積，其中以施用保水劑60、90 kg/hm2效果最佳。

2.5 保水劑施用量對(duì)玉米產(chǎn)量、水分利用效率及經(jīng)濟(jì)效益的影響

表4為不同保水劑施用量下玉米產(chǎn)量、水分利用效率與經(jīng)濟(jì)效益分析。秸稈還田條件下保水劑施用量不同，使玉米產(chǎn)量存在顯著差異。2016年，各處理玉米產(chǎn)量由高到低表現(xiàn)為W60、W90、W30、W120、CK。施用保水劑各處理下玉米產(chǎn)量均高于對(duì)照，W30、W60和W90處理玉米產(chǎn)量分別較CK顯著提高26.5%、41.8%、39.8%，而W120處理與CK差異不顯著。2017年，各處理玉米產(chǎn)量由高到低表現(xiàn)為W60、W90、W120、W30、CK。W30、W60、W90和W120處理玉米產(chǎn)量均顯著高于CK，而W30、W90和W120處理間無(wú)顯著差異。W30、W60、W90和W120處理玉米籽粒產(chǎn)量分別較CK顯著提高23.5%、34.5%、29.1%和20.3%，其中W60處理最為顯著。2018年，與CK相比，各保水劑處理增產(chǎn)幅度由高到低依次為W60、W90、W30、W120，增產(chǎn)幅度顯著，分別為29.4%、23.8%、21.7%和21.4%。綜合3年研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下施用保水劑60、90 kg/hm2處理玉米的增產(chǎn)效果較好。

表4 不同保水劑施用量下玉米的產(chǎn)量、水分利用效率與經(jīng)濟(jì)效益Tab.4 Yield and water use efficiency and economic benefit of maize under super absorbent dosages

施用保水劑對(duì)作物耗水量和水分利用效率產(chǎn)生一定的影響(表4)。2016年，不同保水劑施用量下作物耗水量較對(duì)照降低0.6%～6.4%，其中W60、W90、W120處理作物耗水量較CK顯著降低4.0%、4.4%、6.4%。各處理玉米水分利用效率由高到低依次為W60、W90、W30、W120、CK，W60處理的水分利用效率最高，與CK處理相比顯著增加47.7%；其次為W90處理，較CK顯著提高46.2%；W30、W120處理次之，其水分利用效率分別較CK顯著提高27.2%、21.7%。2017年，保水劑各處理作物耗水量較對(duì)照顯著降低1.4%～6.8%，其中W60、W90處理分別較CK顯著降低6.1%、6.8%。各處理玉米水分利用效率由高到低依次為W60、W90、W120、W30、CK，W60處理的水分利用效率最高，較CK處理顯著增加43.2%；其次為W90處理，較CK顯著提高38.5%；W30、W120處理水分利用效率分別較CK提高25.3%、26.5%。2018年，W60處理玉米水分利用效率最高(28.30 kg/(hm2·mm))，其次為W90處理(25.10 kg/(hm2·mm))，分別較CK顯著增加40.8%和24.9%；而W30和W120處理水分利用效率分別較CK顯著提高23.9%、20.9%。

如表4所示，由于保水劑施用量的不同，不同處理的投入存在一定的差異。2016年，各處理投入由高到低依次為W120、W90、W60、W30、CK，而各處理純收益由高到低依次為W60、W30、W90、CK、W120。W60處理純收益最高，W30和W90處理次之，W30、W60、W90處理純收益分別較CK顯著提高23.9%、33.9%、21.7%，而W120處理較CK顯著降低20.4%。2017年各處理投入與2016年基本一致，各處理純收益由高到低依次為W60、W30、CK、W90、W120。W60處理的純收益最高，W30處理次之。W30、W60和W90處理的純收益較CK顯著提高20.6%、25.9%和11.0%，而W120處理較CK略有降低，但差異不顯著。2018年，W60處理純收益最高，W30處理次之，分別較CK顯著提高28.6%、29.7%，而W120較CK處理顯著降低8.8%?？梢?jiàn)，結(jié)合考慮成本分析，保水劑施用量60 kg/hm2時(shí)，玉米增產(chǎn)增效最佳。

3 討論

保水劑反復(fù)進(jìn)行吸水膨脹、釋水收縮這一過(guò)程可明顯改善土壤的容重和孔隙度[17]。白崗栓等[18]研究表明，保水劑施用量為60 kg/hm2處理可顯著降低0～20 cm和20～40 cm層土壤容重，而施用量為45、75 kg/hm2處理對(duì)土壤容重未產(chǎn)生顯著影響。韓玉國(guó)等[19]和李興等[20]研究報(bào)道，保水劑能夠改善土壤孔隙度，并隨保水劑濃度的增大，土壤孔隙度逐漸增加。本研究發(fā)現(xiàn)，施用保水劑能夠降低0～40 cm層土壤容重，這是由于沃特多功能保水劑為有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化保水劑，具有較高的吸水倍率和膨脹性能，穴施可降低表層土壤容重[21]。然而，本研究中當(dāng)保水劑施用量超過(guò)90 kg/hm2后對(duì)土壤容重和孔隙度改善的效果增加并不明顯。究其原因是由于過(guò)量施用保水劑會(huì)降低土壤孔隙度，減弱其通氣性，施用保水劑并非越多越好，只有適量的保水劑才能改善土壤物理性狀，而過(guò)量或低量施用保水劑均達(dá)不到最佳作用效果[22-23]。有研究表明，保水劑能提高作物不同生育期土壤蓄水和持水能力，可較長(zhǎng)時(shí)間抵御干旱，且保水劑在試驗(yàn)用量范圍內(nèi)(30～60 kg/hm2)土壤貯水量隨保水劑施用量的增加而增加[24-25]。馬征等[16]研究認(rèn)為，保水劑在玉米生長(zhǎng)中后期的保水效果逐漸顯現(xiàn)。在3年研究中，秸稈還田配施保水劑不同處理，其整個(gè)生育期0～100 cm層平均土壤貯水量以保水劑施用量60～90 kg/hm2保水效果較佳，這可能由于施用適宜用量的保水劑改善了表層土壤結(jié)構(gòu)，有利于下層土壤水分的蓄存[21]。

提文祥[26]研究認(rèn)為，施入保水劑后，土壤速效養(yǎng)分釋放得到明顯改善，達(dá)到緩釋作用，具有保水保肥效果。王帥等[27]研究發(fā)現(xiàn)，適量施用腐殖酸保水劑能在一定程度上緩解白漿土因玉米生長(zhǎng)而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的消耗程度。馬煥成等[28]研究表明，在森林土壤中增施保水劑可顯著提高土壤中速效養(yǎng)分含量，使土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量顯著提高。本研究結(jié)果表明，秸稈還田條件下施用保水劑能有效改善土壤肥力狀況，同時(shí)在一定程度上緩解有機(jī)質(zhì)礦化分解及對(duì)土壤氮素的消耗，提高土壤的保肥和供肥能力，分析其原因是由于秸稈還田后施用保水劑能改善砂性土壤的理化性狀[13]，促進(jìn)秸稈向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化[29]，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應(yīng)，保蓄土壤的有效養(yǎng)分[30]。同時(shí)，在灌水施肥后，由于保水劑對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸持能力，使保水劑層土壤養(yǎng)分含量明顯升高[31]。

在干旱砂性土中施用保水劑能在一定程度上緩解土壤缺水狀況，保障作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育[30]。劉世亮等[32]研究認(rèn)為，施用適宜濃度的松土保水劑可有效提高玉米株高、單株葉面積和生物量。吳陽(yáng)生等[33]報(bào)道，在吉林半干旱區(qū)，秸稈還田條件下施用保水劑有利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育，于明英等[34]研究表明，保水劑可促進(jìn)作物幼苗株高、葉片數(shù)、葉面積增加及干物質(zhì)積累，當(dāng)保水劑施用量為90 kg/hm2時(shí)，作用最為顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田條件下施用保水劑可促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，當(dāng)保水劑施用量在60～90 kg/hm2時(shí)效果較好。這是由于秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)具有良好的調(diào)控作用[35]，施入適量保水劑既可發(fā)揮秸稈還田改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，又能增強(qiáng)保水劑的保水保肥效果，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[36]，但保水劑施用量過(guò)低時(shí)其效果不明顯，過(guò)高時(shí)反而抑制作物的生長(zhǎng)[37]。

研究表明，在干旱缺水條件下，施用45 kg/hm2保水劑+120 kg/hm2黃腐酸效果最好，其水分利用效率提高90%，玉米產(chǎn)量增加50%[38]。保水劑與水混合用量為1 kg/m3能促進(jìn)小?？Х壬L(zhǎng)，水分利用效率最高，而當(dāng)用量為1.5 kg/m3時(shí)不利于干物質(zhì)累積，水分利用效率也無(wú)明顯提高[39]。本研究結(jié)果表明，施用保水劑60～90 kg/hm2時(shí)可顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率。這是由于保水劑具有較強(qiáng)的吸釋水和保肥的功能，可改善土壤的水肥環(huán)境，從而提高產(chǎn)量和水分利用效率[40]。然而保水劑用量過(guò)大(120 kg/hm2)，會(huì)引起作物減產(chǎn)和水分利用效率降低，分析其原因：保水劑的最佳用量受土壤和作物種類等諸多因素影響，保水劑施量過(guò)多時(shí)，在干旱情況下易與作物爭(zhēng)奪部分水分，從而使植株受干旱脅迫的程度相對(duì)較大，使得膜透性和膜損傷程度增大，影響產(chǎn)量的增加[41-42]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理施用保水劑，能起到節(jié)水、增產(chǎn)、提高土壤養(yǎng)分有效性的作用[43]，但因施用方式、施用時(shí)間及施用量的不同，其在不同地區(qū)、土壤類型對(duì)改善土壤理化性質(zhì)、作物生長(zhǎng)、增產(chǎn)效果也不同[21]。劉禮等[44]研究認(rèn)為，不同保水劑類型對(duì)玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響不同，均表現(xiàn)為鉀離子性聚合物效果更優(yōu)、非離子性聚合物次之、有機(jī)弱酸最弱，因此鉀離子性聚合物可作為旱作春玉米田保水劑類型的最佳選擇。鄒超煜等[45]根據(jù)不同作物施用保水劑的產(chǎn)值，建議干旱半干旱區(qū)推廣應(yīng)用保水劑應(yīng)優(yōu)先選擇馬鈴薯、西瓜，干旱區(qū)應(yīng)優(yōu)先選擇向日葵、玉米。本研究也發(fā)現(xiàn)，在秸稈還田和滴灌條件下施用保水劑(兩年玉米苗期穴施和一年玉米播種期條施)60 kg/hm2，對(duì)砂性土能表現(xiàn)出水分和養(yǎng)分間較好的協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物增產(chǎn)增收，對(duì)寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃灌區(qū)春玉米田合理施用保水劑具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。然而，半干旱偏旱區(qū)施用土壤保水劑對(duì)砂性土改良及玉米收益效應(yīng)除與保水劑自身吸水保水特性相關(guān)，更重要的是保水劑對(duì)土壤的直接和間接效應(yīng)，如改良土壤結(jié)構(gòu)，以及保水劑施用方式對(duì)土壤水肥下移造成的植物根際水分、養(yǎng)分不均衡分布等，這還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

秸稈還田配施保水劑能有效降低0～40 cm層土壤容重，改善土壤的孔隙狀況，同時(shí)增加0～40 cm層土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮磷鉀含量。施用保水劑60、90 kg/hm2處理對(duì)提高土壤的保肥供肥效果最佳，顯著促進(jìn)玉米生長(zhǎng)。與不施保水劑相比，施用保水劑60 kg/hm2處理的玉米增產(chǎn)和水分利用效率提高效果最佳，保水劑90 kg/hm2處理次之。結(jié)合3年砂性土改良和玉米收益分析，秸稈還田條件下配施保水劑60 kg/hm2，可有效改善土壤保水保肥效果，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)玉米的增產(chǎn)增收，可在寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃灌區(qū)玉米田推薦應(yīng)用。