不同磁化强度水对谷子产量的影响

王洪波，乔 木，闫曼曼，周生斌，王成福，吴 旭

(1.中国科学院新疆生态与地理研究所/荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院大学，北京 100049；3.新疆维吾尔自治区水利科技推广总站，新疆 乌鲁木齐 830000；4.新疆维吾尔自治区水利厅，新疆 乌鲁木齐 830000)

农业磁化水灌溉是一项能促进农作物生长和增产的灌溉技术，原理是灌溉水被磁化后，其结构发生了改变，由原来的大分子团簇变成单个水分子或者二聚体，水表面张力系数降低[1-3]；变小的分子团加速了土壤中矿物质的结晶[4]；在细胞代谢过程中具有更强的渗透性、溶解性[5]；促使土壤中的养分更易于被作物根系吸收利用，从而更有效地促进作物的生长[6-7]。利用这一原理，国内外已开展了磁化水技术在农业灌溉上的试验与应用研究，在水稻、大豆以及小麦等农作物上取得了一定成果[8-9]。但原有单一的滴灌或磁化水灌溉存在诸多不足：首先，单一的农作物磁化水灌溉其所处的环境是开放系统，受微地形、土壤质地、地下水等的干扰，磁化水控制的范围相对较小、分布和强度不均一；其次，单一的农作物滴灌技术不能更有效促进作物对土壤养分、水分的吸收利用，会影响作物产量进一步的提升。因此利用上述的磁化水灌溉的原理，将磁化水与滴灌结合，在新疆干旱绿洲环境下开展谷子磁化水滴灌丰产技术试验。本试验研究不同磁化强度水对谷子产量的影响，结合土壤含水量、土壤盐分、土壤氧分等的变化，旨在探究影响谷子产量提升的因素及适宜于谷子产量提升的最佳磁场强度范围。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

谷子磁化水滴灌丰产技术试验于2016—2017年在玛纳斯县下庄子村开展，试验田面积为19.3 hm2。试验区土地规整、集中连片，有完善的滴灌系统，地下水埋深在1m以下。试验区地理坐标为86°27′31″E，44°14′19″N，属干旱半干旱气候区。年平均气温7.2℃，全年无霜期165～172 d，多年平均降水量187.3 mm，年平均蒸发量1 805.8 mm。供试土壤为灌淤土，土壤质地为沙壤土，其保水、保肥性较差。供试土壤盐分为0.631 g·kg-1，全氮0.065 g·kg-1，有效磷18.13 mg·kg-1，速效钾484.05 mg·kg-1。谷子种植模式为一膜六行，滴灌带按照三管六行进行铺设，播种量为7.5 kg·hm-2，播种深度在3～5 cm，播后镇压2～3次。于2016年4月16日播种，4月25日出苗，9月27日收获。全生育期灌水总量5 625 m3·hm-2，灌水下限为田间持水量的65%，滴灌5次。施肥以基肥为主，追肥为辅，耕作前施入农家肥2 500～4 000 kg·hm-2，播种时施入磷酸二氨150 kg·hm-2。追肥的最佳时期是拔节后至抽穗期，据此随灌水施肥2次，拔节期施入尿素180 kg·hm-2，抽穗期施入尿素75 kg·hm-2，其它田间管理措施同大田。

1.2 灌水磁化处理与设计

试验装置选取外圈直径105 mm、内圈直径85 mm的农业注水磁化器，滴头流量50 L·h-1。试验设计3个磁场强度1 200、2 400、3 600 Gs及无磁化(CK)处理，每个处理3次重复。试验采取随机区组设计及依据农田特点，将磁化器按N至S极垂直切割水流方向连接于主管与支管接口处。每次灌水流经磁化器均被磁化，据此构建成磁化水滴灌试验和对照滴灌试验，其它田间管理措施同大田。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤含水量的测定 在谷子生长发育的主要生育期(幼苗期、拔节期、抽穗期、成熟期)分别在灌前一天和灌后第三天，用土钻取30 cm土层土样，采用烘干法测定含水量。

1.3.2 土壤盐分及其盐离子测定 在播种前及收获后，用土钻距滴灌带10 cm处取30 cm土层土样，土壤样品经风干后过1 mm和0.25 mm 筛，利用离子色谱仪、DDSJ-308A型电导率仪、梅特勒G20型电位滴定仪测定土壤总盐、八大盐离子的含量。

1.3.3 谷子株高、叶片数的测定 采用定点定株的方式，在谷子生长发育的主要生育期(幼苗期、拔节期、抽穗期、成熟期)对其进行测定。每个处理定3个点，每点选代表性的谷子植株5株，共15株做定点定株调查，每处理取平均值。

1.3.4 谷子产量的测定 每个处理随机取3个样点，每个样点取6.67m2，对长势不均匀的试验田视情况适当增加样点数。每个样点选取有代表性的双行，实数收获穗数，计算每公顷收获穗数；每个样点内随机抓取10个穗，计数平均穗粒数。将10穗脱粒，取1 000粒称重，重复3次，求取平均值计为千粒重。最终产量计算见公式(1)：

Y=S×G×W×0.85×10-6

(1)

式中，Y为产量(kg·hm-2)；S为穗数(个·hm-2)；G为穗粒数(个)；W为千粒重(g)；0.85是历史多年实际产量与理论产量计算的比值。

1.4 数据处理

利用DPS和SPSS软件对数据进行显著性差异检验(P<0.05)，利用Microsoft Excel进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 磁化水滴灌对土壤含水量的影响

在谷子生长发育的4个关键时期对土壤含水量进行测定，由图1知，磁化处理土壤含水量均高于CK处理。各个时期土壤含水量均表现为：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK，以3 600 Gs最佳。在谷子出苗期，各处理间的土壤含水量差异不显著；在谷子拔节期，磁化处理与CK(无磁化)处理存在显著性差异，磁化处理土壤含水量明显高于CK处理。在抽穗期3 600 Gs、2 400 Gs与CK处理差异显著，但1 200 Gs与CK不存在显著性差异。在成熟期，3 600 Gs与其它处理存在显著性差异，但2 400 Gs、1 200 Gs与CK处理差异不显著，各磁化处理分别较CK提高了14.4%、4.5%、1.5%。结果表明：磁化处理可有效提高土壤含水量，以3 600 Gs最佳，在4个生育时期，3 600 Gs处理分别较CK提高了1.9%、23.8%、13.6%、14.4%。

注：同时期不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同 Note: Different letters in the same growth stage meant significant difference at 0.05 level among treatments, the same as below图1 不同处理的土壤含水量(0～30 cm土层平均值)Fig.1 Soil moisture content (average value of 0～30 cm) under different treatments

2.2 磁化水滴灌对土壤盐分的影响

表1 不同处理下的土壤盐分和盐离子的变化(0～30 cm土层平均值)Table 1 Variation of soil salinity and salt ions (average value of 0～30 cm) under different treatments

2.3 磁化水滴灌对土壤养分吸收的影响

在播种前及收获后对土壤养分进行测定，由表2知，播种前各处理的土壤养分含量相近，不存在显著性差异；收获后，3 600、2 400 Gs处理有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的含量均与CK处理存在显著性差异；1 200 Gs处理有机质、碱解氮的含量与CK处理差异不显著，有效磷、速效钾的含量存在显著性差异。收获后，磁化处理的土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的降低量、降低率均高于CK处理，磁化处理与CK处理差异显著，土壤养分降低率均表现为：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK。结果表明：各处理有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的降低率均存在显著性差异，3 600 Gs处理对有机质、碱解氮、有效磷、速效钾的降低率分别达到12.1%、23.0%、28.6%、5.3%，均显著高于CK处理。

表2 不同处理下土壤养分的变化(0～30 cm土层平均值)Table 2 Changes of soil nutrients (average value of 0～30 cm) under different treatments

注：不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters meant significant difference atP<0.05 level among treatments. The same below.

2.4 磁化水滴灌对谷子生长发育的影响

由表3知，磁化处理在4个监测时期谷子的株高、叶片数均高于CK处理，3 600 Gs、2 400 Gs处理与CK处理的株高差异显著，但1 200 Gs处理只有在拔节期与CK处理存在显著性差异。在谷子成熟期，株高表现为：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK，分别较CK处理提高了13.0%、7.8%、2.5%。叶片数在成熟期时，3 600 Gs磁化处理比CK处理高4.8%；在抽穗期，1 200 Gs与CK的叶片数差异显著，在其余三个时期不存在显著性差异；3 600 Gs、2 400 Gs处理的叶片数在4个监测时期均与CK处理差异显著。试验结果表明：CK处理的谷子植株形态矮小、叶片数少，磁化处理的谷子植株高、叶片数多。磁化处理促进了谷子植株营养生长，增加了谷子植株光合作用的有效面积，为后期光合产物向生殖器官的累积及谷子产量的提升奠定基础。

表3 不同处理对不同生育阶段谷子的株高和叶片数的影响Table 3 Effects of different treatment on plant height and leaf number at different growth stages in foxtail millet field

2.5 磁化水滴灌对谷子生物量的影响

由图2知，磁化处理的谷子地上部生物量均高于CK处理，3 600 Gs处理与2 400 Gs处理间差异不显著，与1 200 Gs处理及CK处理存在显著性差异，1 200 Gs处理及CK处理间不存在显著性差异。其中3 600 Gs处理谷子的地上部生物量达到1 538.2 kg·hm-2，较CK提高了31.7%，2 400 Gs处理和1 200 Gs处理谷子的地上部生物量分别为1 444.7 kg·hm-2、1 209.9 kg·hm-2，较CK处理提高了23.7%和3.6%。这说明磁化处理有利于谷子地上部生物量的累积，有利于促进谷子最终产量的形成，其中，以3 600 Gs磁化处理的地上部生物量最大，效果较为显著。

图2 不同处理谷子的地上部生物量Fig. 2 Above ground biomass of foxtail millet under different treatments

2.6 磁化水滴灌对谷子穗粒性状的影响

据表4知，不同磁化强度水处理谷子的穗长、单穗重、单穗粒重均高于CK处理，均表现为：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK。磁化水处理谷子的穗长较CK处理高1.3～2.5 cm，3 600 Gs处理与1 200 Gs处理及CK处理差异显著，与2 400 Gs处理不存在显著性差异。磁化处理谷子的单穗重较CK增重1.5～2.4 g，3 600 Gs处理较CK处理提高12.4%，2 400 Gs处理与1 200 Gs处理分别较CK高9.8%、7.7%，磁化处理间差异不显著，与CK处理差异显著。在单穗粒重上，磁化处理与CK处理存在显著性差异，3 600 Gs处理最佳，较CK处理提高7.6%。这说明磁化水滴灌有效地促进谷子穗长、单穗重、单穗粒重的增加，对产量的提高有利。

表4 磁化水对谷子穗粒性状的影响Table 4 Effect of the characters of ear or kernel after magnetized treated water in foxtail millet field

2.7 磁化水滴灌对谷子产量的影响

为探究磁化水滴灌对玉米产量的影响，对谷子的穗数、穗粒数及千粒重进行了测定。由表5知，3 600 Gs处理与2 400 Gs处理的谷子产量差异不显著，与1 200 Gs处理及CK处理存在显著性差异。最终测产以3 600 Gs处理最佳，产量为8 385 kg·hm-2，较CK提高了23.9%，2 400 Gs与1 200 Gs分别较CK处理提高了17.5%和2.9%。穗数表现为：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK，3 600 Gs与2 400 Gs处理之间不存在显著性差异，分别较CK提高13.2%、9.3%，1 200 Gs与CK处理间差异不显著。在穗粒数上，各处理间差异不显著，3 600 Gs、2 400 Gs处理分别较CK处理提高了3.0%、3.2%。千粒重以3 600 Gs处理最佳，为2.56 g，较CK高6.2%，2 400 Gs与1 200 Gs分别较CK提高4.1%、2.5%，各处理间差异不显著。综合看，在谷子的穗数、穗粒数、千粒重及产量上，磁化处理均高于CK处理，有效地促进了谷子产量及产量构成要素的提升，以3 600 Gs处理最佳，2 400 Gs处理次之。

表5 磁化水对谷子产量的影响Table 5 Effect of magnetized treated water on foxtail millet yield

3 讨 论

本研究表明，与CK相比，磁化水滴灌可以提高土壤水分含量，这与Khoshravesh等[10]的研究结果一致。土壤含水量提高的原因是土壤中的矿物质结晶增加了土壤的渗透压，从而降低土壤水分的蒸发，因此有更多的水分留在土壤中。磁化处理土壤中的离子降低率高于CK处理的原因，是水经过磁化后，加快土壤中的矿物质结晶，从而降低土壤中可溶性盐的含量，这与Madsen[4]研究结果一致。另外，朱练峰[11]等通过研究磁化水灌溉处理和普通水灌溉处理对水稻生长发育及产量品质的影响，结果表明，磁化水灌溉可显著增加水稻的有效穗数、干物质的积累和产量的提升，这与本试验结果一致。

磁化水滴灌影响土壤含水量、土壤离子及土壤养分，这些因素的相互作用，从而影响谷子作物的产量。磁化水滴灌提升农作物产量的可能原因：(1)由于盐分过高会抑制作物的生长[12-14]，磁化水加速土壤盐分向下运动，将盐分淋洗到耕作层以下[15]，促进作物植株生理活性的增强；(2)磁化水滴灌将更多的土壤水分保留在土壤中，由于新疆蒸发量大，更多的水分有利于植株的生长发育；(3)磁化水滴灌在一定程度上增强了作物根系的生理活性，加速吸收土壤中的养分，Ca2+、Mg2+、K+是叶绿素合成及光合作用的必需元素，碱解氮、有效磷、速效钾是作物生长的养分供应；(4)磁化水滴灌促进作物株高的增长、叶片数的增加，有效地增加了光合作用的有效面积，加强植株对太阳光的吸收利用，最终促进植株地上部生物量积累及产量的增加[16-17]。但本研究区为非盐渍化耕地，因此不存在盐分胁迫的原因。

综合分析不同磁化强度对土壤、谷子生育性状及产量的影响，针对谷子作物产量以3 600 Gs处理最佳，2 400 Gs次之，3 600 Gs处理的产量为8 385 kg·hm-2，较CK提高了23.9%。因此，磁化水滴灌谷子作物，可以将磁化器的磁场强度限定为2 400～3 600 Gs。

4 结 论

本试验研究表明，磁化水滴灌可有效保持土壤中水分含量，并可促进土壤盐分淋洗到耕作层以下；磁化水滴灌加速谷子植株吸收利用土壤中的养分、Ca2+、Mg2+、K+，从而促进谷子的生长发育及谷子植株地上部生物量的累积。磁化水滴灌有效地提高了谷子产量构成要素及产量，最终产量以3 600 Gs处理最佳，为8 385 kg·hm-2，较CK提高了23.9%，2 400 Gs、1 200 Gs分别比CK处理提高了17.5%和2.9%。综上所述，磁化水灌溉直接影响土壤含水量及土壤盐分，间接影响了玉米作物的生长发育及生物量的累积。磁化水滴灌有效地提高谷子产量，针对谷子作物，其最佳磁场强度范围应控制在2 400～3 600 Gs。