聚丙烯酰胺连年施用对燕麦生产的影响

马 斌，刘景辉，杨彦明，米俊珍

(内蒙古农业大学/内蒙古杂粮工程技术研究中心，内蒙古呼和浩特 010019)

聚丙烯酰胺连年施用对燕麦生产的影响

马 斌，刘景辉，杨彦明，米俊珍

(内蒙古农业大学/内蒙古杂粮工程技术研究中心，内蒙古呼和浩特 010019)

为探明聚丙烯酰胺(PAM)施用后对燕麦不同生育阶段水分利用的影响，在长城沿线旱作丘陵区，设置6个处理，分别为对照(CK)、PAM施用一年(M1)、PAM连续施用二年(M2)、PAM连续施用三年(M3)、PAM连续施用四年(M4)、PAM连续施用五年(M5)，通过大田试验，研究PAM施用不同年限对燕麦不同生育阶段的土壤保水、燕麦耗水特征、水分利用效率等特性的影响。结果表明，施用PAM提高了燕麦田不同生育阶段0～60 cm土层的土壤含水量，促进了燕麦生物量的积累，降低了燕麦总耗水量，提高了燕麦产量和水分利用效率。各处理中，M4和 M5处理的土壤含水量及贮水量均高于其他处理，而总耗水量最低，差异均显著(P<0.05)；M1、M2处理的多数被测指标与CK无显著差异。苗期0～10 cm、拔节期10～20 cm、抽穗期20～40 cm 、灌浆期0～10 cm、成熟期10～20 cm和40～60 cm土层土壤含水量对产量的影响最大。各生育阶段，除播种-苗期及抽穗-灌浆期外，M5处理耗水量均显著低于M4处理。M4处理的经济效益和水分利用效率均最高，较对照分别增加35.67%和3.67 kg·hm-2·mm-1。综合考虑产量、经济效益、水分利用效率，燕麦旱作地区应连续4年施用聚丙烯酰胺。

燕麦；土壤含水量；耗水量；水分利用效率；产量

Abstract: A field experiment was conducted during 2011 to 2015 to verify the effects of polyacrylamide(PAM) application at different growth stages of oat. PAM was applied at a rate of 75 kg·hm-2per year. The experiment consisted of 6 treatments, i.e. conventional tillage(CK), one year PAM application(M1), two consecutive years PAM application(M2), three consecutive years PAM application(M3), four consecutive years PAM application(M4), and five consecutive years of PAM application(M5). Impact of different PAM application years on holding moisture, characteristics of water consumption, and water use efficiency(WUE) was investigated in hilly and drought farming region along the Great Wall. The results indicated that compared with CK, the application of PAM increased soil moisture in 0 to 100 cm depth, and promoted biomass accumulation of oat, but decreased the total water consumption, and raised yield and WUE of oat. Under different treatments, the soil moisture and storage capacity of M5 and M4 treatments were higher than those of other treatments at each growth stage. However, total water consumption of M5 and M4 treatments were lower, which was significant(P<0.05). There was no significant difference among M1, M2 and CK treatments. The largest impact on oat yield by soil moisture content was mainly found in 0 to 10 cm soil layer at seedling stage, 10 to 20 cm at jointing stage, 20 to 40 cm at heading stage, 0 to 10 cm at filling stage, and 10 to 20 cm and 40 to 60 cm at mature stage. At each growing stage, the water consumption of M5 treatment was significantly lower than that of M4 treatment except from sowing to seedling stage and heading to filling stage. Eventually, the highest economic benefit and WUE were found under M4 treatment, which was increased by 35.67% and 3.67 kg·hm-2·mm-1, respectively, compared to CK. Taking WUE, economic benefit and yield into account, PAM application in four consecutive years is more suitable in dry farming regions.

Keywords: Soil moisture content; Water consumption; Water use efficiency; Oat yield

燕麦是粮饲兼用作物[1]，在内蒙古自治区多种植于长城沿线的旱作农业地区，由于该地区长期干旱，严重影响了作物的播种和出苗，出苗后很难保证能提供作物正常生长发育所需的水分，最终影响作物产量[2]。因此，如何提高土壤蓄水保墒能力，使有限的降雨得到充分利用，减少水分的浪费，成为当前仍待解决的问题。保水材料的出现成为解决这些问题的一种有效途径。保水材料具有吸收和保持水分的能力，可以改善土壤保水能力、稳定土壤结构，减少土壤退化；提高土壤渗透率，保持大量土壤水分，减少生育期间灌水量[3-5]。

在干旱和半干旱地区，保水材料已经被广泛应用于农业节水和生态恢复，可在有限的水分供应条件下改善作物生长环境，达到作物增产的目的[6-7]。聚丙烯酰胺(PAM)是一种线型水溶性高分子聚合物，可溶于水且具有很强的吸水保水作用；作为保水材料施用后，可以改善土壤物理性质[8-9]，影响土壤水分分布[10]，增加土壤水分入渗量，提高土壤保水、持水能力[11-12]，还可减少土壤水分的损耗[13]，提高土壤水分的有效性和利用率，最终增加作物产量[14-15]。

目前，关于保水材料的研究大多集中在不同类型、粒径、施用量等应用效果的比较，有关大田条件下保水材料一次施入后的长效性及连续施用对燕麦生长的影响方面的研究甚少。因此，本研究在降雨少且分布不均匀、灌溉困难的内蒙古长城沿线旱作区，通过5年田间试验，研究施用保水材料PAM对不同土层土壤水分动态变化、耗水特征、燕麦水分利用效率等特性的影响，以期为内蒙古长城沿线旱作区燕麦生产中合理施用PAM提供基础数据与科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2011-2015年在内蒙古清水河县一间房村进行，该地区是长城沿线典型的旱作丘陵地区，年平均温度7.1 ℃，≥10 ℃积温2 370 ℃，无霜期140 d，年日照时数为2 914 h，年平均大风日数达19 d，年均降雨量365 mm，年蒸发量2 577 mm，属典型的中温带半干旱大陆性季风气候。试验地土壤类型为黄绵土，其中，0～60 cm土层土壤总孔隙度为43.65%，团聚体118.80 mg·kg-1(>0.25 mm)，土壤容重为1.45 g·cm-3，有机质含量10.25 g·kg-1，碱解氮45.10 mg·kg-1，速效磷7.40 mg·kg-1，速效钾123.80 mg·kg-1，pH为7.84。

图1为2015年试验地日平均气温和降雨量。当年降雨集中在6月份以后，且在播种前降雨量极少，月降雨量为27.5 mm，而播种期的日降雨量为0 mm。

1.2 试验材料

供试燕麦品种为坝莜一号。供试保水材料聚丙烯酰胺(PAM)由北京汉力淼公司提供，为白色颗粒状，分子量约2 100万，密度为1.30 g·cm-3，遇水膨胀，几乎不溶于有机溶剂，120 ℃以上易分解。PAM中含有农作物生长所需营养元素氮。

1.3 试验设计

试验于2011年开始连续进行5年，采用燕麦-谷子轮作模式。设6个PAM处理，分别为：M1(2011年施用)、M2(2011和2012年施用)、M3(2011、2012和2013年施用)、M4(2011、2012、2013和2014年施用)、M5(2011、2012、2013、2014和2015年施用)、CK(对照，不施用PAM)。各处理随机区组排列，重复3次，小区面积20 m2(4 m×5 m)。PAM于燕麦播种前均匀撒施于小区表面，后进行旋耕，旋耕深度为15 cm，根据厂家建议及课题组前期研究，施用量为75 kg·hm2。每年5月25日机播，播量为150 kg·hm-2，行距25 cm，播前一次性施入磷酸二铵150 kg·hm-2、尿素10 kg·hm-2，其他管理同大田。

图1 2015年5-9月日均气温和降雨量分布

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤容重(d)测定

于2015年5月25日(播前)和2015年9月15日(收获后)，采用环刀法测定土壤容重。计算公式为：d=m/V，式中，m为干土质量(g)，V为环刀体积(cm3)。

1.4.2 土壤含水量

采用铝盒烘干称重法在燕麦播前(0 d)及播种后20 d(苗期)、50 d(拔节期)、73 d(抽穗期)、87 d(灌浆期)、113 d(成熟期)分别测定1 m深(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土壤含水量。

1.4.3 土壤贮水量(W)的测定

1.4.4 田间耗水量(ET)测定

燕麦从播种到收获期间无灌水，试验地平整，地下水位深，无明排，土层深厚及土壤质地均一。ET=p±Δh，式中，p为生育期间的有效降水量(mm)，Δh为生育期间土壤贮水量的变化(mm)。

1.4.5 水分利用效率(WUE)测定

WUE=Y/ET，式中，Y为作物籽粒产量(kg·hm-2)，ET为田间耗水量(mm)。

1.4.6 燕麦产量测定

于2015年9月15日燕麦成熟后，测定有效穗数、穗粒数、千粒重；每小区随机选取1 m2测籽粒及生物学产量。

1.5 数据处理

采用 Sigma Plot 10.0 进行绘图；用SAS 9.0对数据进行统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 PAM处理对燕麦生育期土壤含水量的影响

如图2所示， 0～100 cm土层，随深度的增加，土壤含水量(SMC)总体呈先上升后下降再上升的趋势，其中，表层土(0～10 cm)SMC较低(播后113 d除外)，不同时期变化较大。在播后20 d(苗期)、50 d(拔节期)、113 d(成熟期)，0～100 cm各土层SMC平均值均在5%以上；播后73 d(抽穗期)、87 d(灌浆期)，0～80 cm各土层SMC平均值均在5%以下，这主要是由于8月中下旬降雨稀少，导致表层土壤水分相对匮乏，燕麦加大了对深层水分的吸收使得40～80 cm土层SMC也较低(黄绵土类型土壤萎蔫系数为3%，燕麦根系最深可达200 cm)。

施用不同年限的PAM均可以起到保持水分的作用，但保水效果存在差异。不同处理各生育时期土壤含水量基本呈M5>M4>M3>M2>M1>CK趋势。苗期0～10 cm土层，PAM处理下的SMC较CK增幅为21.76%～84.70%，差异显著(P<0.05)，其中，M5、M4处理更为明显；10～20 cm土层，PAM处理的SMC增幅为9.37%～36.73%，M1处理较CK无显著差异；20～40 cm土层，PAM处理的SMC提高了4.29%～37.04%；40～60 cm土层，PAM处理下的SMC在7.96%～11.12%之间，M5、M4处理较CK分别增加了27.88%和16.96%。拔节期，M5、M4、M3、M2处理的SMC均显著高于CK，0～10 cm土层SMC增幅分别达71.79%、66.06%、56.81%、33.30%；10～20 cm土层SMC增幅最高，分别达98.86%、87.48%、70.94%、26.36%。抽穗期0～40 cm各土层PAM处理间差异不显著，但均显著优于CK(M1处理除外,(P<0.05))。灌浆期0～10 cm土层，M5和M4与其他处理间有显著差异(P<0.05)，较CK增幅为72.20%和50.97%，说明在极其干旱的时期，PAM连续4 a、5 a施用可显著降低表层土壤水分蒸发并吸收空气中的水分，提高SMC。成熟期，PAM各处理SMC最高增幅集中在10～20 cm和40～60 cm土层。

2.2 PAM对燕麦生育期土壤贮水量的影响

由表1可知，0～100 cm土壤贮水量随着燕麦生育期推移基本呈先上升后下降再上升的趋势。这种波动与降水量相关。播前(0 d)M5、M4、M3处理的土壤贮水量显著高于CK，增幅为30.96%～47.22%。播后20～87 d土壤贮水量基本持续下降，由于该地区降雨量非常少，随着作物的生长，对土壤水分的需求增加，加之气温的逐渐升高，土壤蒸发散失的水分增加，导致土壤贮水量呈现降低的趋势。到成熟期降雨量增加，土壤贮水量逐渐上升。PAM对不同生育时期土壤贮水量的影响大小依次为：播前>播后50 d>播后113 d>播后87 d>播后20 d>播后73 d。不同处理间土壤贮水量总体表现为M5>M4>M3>M2>M1>CK，其中，苗期(播后20 d)，M3、M4、M5土壤贮水量分别较CK增加10.19%、15.16%、22.81%，差异显著。就整个生育期而言，连续3年、4年、5年施用PAM可以显著增加土壤的贮水性能，使土壤水分保持相对较高水平。

2.3 PAM对燕麦产量及其构成要素的影响

由表2可知，不同PAM处理使燕麦穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量及生物产量具有不同程度的提高，对生物产量的改善效果最为明显，其次为千粒重，对穗数的提高不显著。M3、M4、M5处理的穗数(M3除外)、穗粒数、千粒重和籽粒产量均较CK有显著提高。M1、M2处理对穗数、穗粒和产量的影响均不显著。说明，连续3年施用PAM即可对燕麦有较好增产效果。

图2 不同PAM处理下20～113 d土壤含水量的垂直变化

表1 PAM对燕麦不同生育时期0～100 cm土壤贮水量的影响Table 1 Effect of PAM on soil water storage of 0 to 100 cm depth at different stage

同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Values within a column followed by different lower-case letters indicate significant difference at 0.05 level. **：P<0.01；***：P<0.001.The same in table 2 and table 3.

2.4 不同PAM处理的水分效应

由表3可知，在不同生育阶段，PAM对燕麦的耗水量影响极显著(花后87～113 d除外)，总体表现为拔节期-抽穗期>抽穗期-灌浆期>播种-苗期>苗期-拔节期>灌浆期-成熟期。燕麦总耗水量表现为M1>M2>CK>M3>M5>M4，以M4处理的节水作用最好，M3、M4、M5处理全生育时期耗水量较CK分别降低7.50%、10.70%、9.97%。M3、M4、M5处理的水分利用效率较CK显著提高，分别提高了21.06%、34.23%、33.60%。说明连续3年施用PAM，可显著降低燕麦总耗水量、提高水分利用效率。

表2 PAM对燕麦产量及其构成要素的影响Table 2 Effect of PAM on grain yield and its components of oat

P<0.05.

表3 不同PAM处理下燕麦不同生育期的耗水量及水分利用效率Table 3 Water consumption and water use efficiency of oat in different growth period under different PAM treatments

2.5 燕麦产量与0～60 cm土层土壤含水量之间的关系

将与作物生长最相关的0～60 cm各土层SMC和燕麦籽粒产量进行多元线性回归分析。由表4可知，除灌浆期外，从苗期至成熟期，作物根系不断向下生长，影响作物籽粒产量的SMC的土层呈逐渐加深趋势，苗期0～10 cm、拔节期10～20 cm、抽穗期20～40 cm和40～60 cm、灌浆期0～10 cm、成熟期10～20 cm和40～60 cm土层SMC对产量的影响较大。在灌浆期，0～10 cm土层 SMC对产量的影响显著，这是由于在该地区作物灌浆期时，降雨量极少，表层土壤水分蒸发对产量的形成造成了严重影响。

2.6 2015年燕麦经济效益分析

由表5可知，PAM各处理燕麦的经济效益表现为：M4>M5>M3>M2>M1，M1、M2、M3、M4、M5处理较CK分别增加4.99%、13.00%、21.51%、35.67%、29.25%，由此可见，连续4年施用PAM效益最高。

表4 各生育时期不同土层水分与燕麦产量的多元线性回归分析Table 4 Multiple linear regression analysis between yield and soil moisture in different soil layers and growth stage

方程中，A、B、C、D、E分别代表苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期；1、2、3、4分别代表0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层。

In equations,A, B, C, D and E represent seedling, jointing, filling, heading and mature stages, respectively; 1, 2, 3 and 4 represent 0 to 10 cm, 10 to 20 cm, 20 to 40 cm and 40 to 60 cm soil layers, respectively.

表5 2015年PAM处理的经济效益Table 5 Economic efficiency under the treatments of PAM in 2015

2015年各处理总投入分别按5 000元·hm-2计算，而M5处理需要额外投入PAM，按450元·hm-2计算。

The input of all treatments were calculated as 5 000 yuan·hm-2, while extra input PAM under M5 treatment was calculated as 450 yuan·hm-2in 2015.

3 讨 论

保水材料能改善沙质春小麦、大豆田土壤水环境，阻止水分的流失[16-17]。在本研究中，施用PAM主要提高了燕麦田0～40 cm土层SMC，这是由于PAM本身属于高分子聚合物，可以吸收大量水分[18], 且PAM施入土壤后能吸附土壤表面颗粒，促进土壤大团聚体的形成[19]，增加土壤有机质含量，改善土壤质地，从而提高土壤的蓄水保水能力[20-21]。随着施用PAM年份的增加，影响SMC的土层深度亦有所增加(40～60 cm)，这可能是由于PAM能防止表层水分蒸发，减少了燕麦根系向更深土层吸收水分。PAM对60 cm以下土层SMC的影响不大，处理间差异基本不显著，这可能与降雨量大小有关[22]。

李海燕等[22]研究表明，保水材料施用量为25 kg·hm-2时，作物全生育期都具有良好的节水效果，施用量为15 kg·hm-2时，在播后101 d 内效果显著，之后效果逐步衰减，而施用量(<5 kg·hm-2)过小则无明显作用。胡明芳等[23]研究认为，施用保水材料对棉花耗水量的影响不明显。在本研究中，M3处理的耗水量较CK显著降低，一方面是由于施用量较高，保水效果更好，另一方面是因为PAM的寿命较长，施用后蓄水保墒能力可维持4年左右[16]。施入PAM可提高旱作农业地区有效降雨的利用率，且随施用年限的增加作用增强，表明在黄绵土类型土壤连续多年施用PAM有利于减轻短期极端天气对作物带来的恶劣影响，对改善土壤生态环境具有重要意义。

研究发现，施用保水材料能提高冬小麦、大豆水分利用效率，增加作物产量[16, 24-25]。本研究发现，连续3年施用PAM，可显著提高燕麦水分利用效率，增加籽粒产量；随着燕麦生育时期的推移，影响燕麦籽粒产量的土层逐渐加深，这是由于PAM可以起到蓄水保墒的作用，当根系不断地向下生长时，PAM提高了燕麦更深土层的SMC，从而有利于提高水分利用率[25]，为作物高产打下基础。

PAM处理在生育初期降水量较少的情况下，能更有效地利用有限的降水，是由于PAM处理吸纳降雨和贮存水分后，可以在土壤表层形成一层薄膜，阻碍土壤水分蒸发，减少水分无效损耗[26]。

通过本研究得出，燕麦田PAM施用的作用效果为连续施用5年>连续4年>连续3年>连续2年>仅1年>对照，连续施用3年以上与对照差异显著。建议在该地区连续3年施用PAM，以最大限度的利用仅有的水资源，提高旱作农业地区燕麦产量，从种植户的经济效益考虑，连续施用4年即可。

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EffectofConsecutivePolyacrylamideApplicationonOat(AvenanudaL.)

MABin,LIUJinghui,YANGYanming,MIJunzhen
(Inner Mongolia Agricultural University/Inner Mongolia Cereal Engineering & Technology Research Center，Hohhot，Inner Mongolia 010019,China)

时间：2017-09-13

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170913.1139.034.html

S512.6；S311

A

1009-1041(2017)09-1255-08

2017-03-10

2017-05-11

国家自然科学基金项目(31160267)；国家科技支撑计划资助项目(2015BAD22B04)；全国农业科研杰出人才及其创新团队项目；内蒙古自治区燕麦种质资源创新与利用科技创新团队项目(20140401)；国家现代农业产业技术体系资助项目(CARS-08-B-5)

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刘景辉(E-mail:cauljh@163.com)