长期施用保水剂对小麦生长和水分利用的影响

康永亮,武继承,郑惠玲,杨永辉,潘晓莹,田志浩

(1.禹州市农业技术推广中心，河南 禹州 461670;2.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002;3.农业部 作物高效用水原阳科学观测试验站，河南 原阳 453514;4.河南省土壤肥料站，河南 郑州 450008)

干旱缺水是我国农业绿色持续发展的重要限制因素。尤其在我国北方浅山丘陵区的旱作区，降水是解决农作物季节性干旱问题的主要水源，如何提高有限降水和土壤水分资源的利用效率，调控缺水时期的土壤水分和降水在土壤中的存留时间是提高旱地作物水分利用效率的关键问题。

保水剂是一种高分子聚合物[1-2]，能够改善土壤的结构[3]，促进团粒形成[4]。保水剂被称为“微型土壤水库”，在水分充足条件下能够吸收数百倍甚至上千倍的水分[5]，在土壤干旱缺水条件下，迅速为作物提供水分。因此，保水剂的应用是现代农业节水中的一项重要措施[6]，也是旱作节水农业研究的热点[7-10]。

研究表明，施用保水剂可以改善小麦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]，调节土壤孔隙度[16]及土壤团聚体结构特性[17-18]，增强土壤微生物活性[19]，激发作物生长发育[20]，光合作用[21]，从而实现作物产量[22-24]及降水与水分利用效率[25-26]的共同提高。

目前保水剂对作物的增产效应研究多集中于短期研究，而对于保水剂长期应用后对作物产量及水分利用效率的研究还鲜见报道。因此，本文借助国家科技支撑计划和国家重点研发项目，开展保水剂长期施用对作物增产和水分利用效率的研究，旨在为解决浅山丘陵旱作区资源利用效率和生产效率的关键技术提供参考。

1 试验材料与方法

试验安排在河南省农科院节水农业禹州试验基地的岗旱地，年降水量674 mm，其中60%以上集中在夏季，存在较严重的春旱、伏旱和秋旱；土壤为壤质褐土，土壤母质为黄土性物质，耕层土壤有机质14.2 g/kg，全氮0.87 g/kg，水解氮87.2 mg/kg，速效磷12.4 mg/kg，速效钾124.3 mg/kg。主要种植模式为小麦—玉米两熟制。

试验用保水剂为河南省农科院自主研发的营养型抗旱保水剂，吸水倍数为168，营养成分≥5%，试验设置4个处理：①未施保水剂(CK，下同)；②保水剂15 kg/hm2(F)；③保水剂30 kg/hm2(T)；④保水剂45 kg/hm2(V)等4个处理。小区面积3.6 m×4 m=14.4 m2，重复3次，随机排列。

试验用小麦品种为矮抗58，播种量210 kg/hm2，播种日期为每年的10月15—18日，收获日期为每年的5月29—31日。水肥管理、病虫草害管理等农田管理措施保持一致，氮磷钾配比为210∶90∶90，其中氮肥底追比为70%∶30%，磷钾肥随耕作1次施入，保水剂随底肥条施。根据土壤墒情变化情况，小麦返青到灌浆期土壤含水量低于7%时进行适量补灌，补灌量为30～60 mm/次。

土壤水分观测采用重量烘干法与远程水分监测仪相互校正的方法获得，降水量采用试验所在地天圻自动气象观测数据和禹州市气象观测站数据，小麦生育期降水量采用10月上旬到次年5月份下旬小麦收获时的降水量。水分利用效率为经济产量除以总耗水量，总耗水量为生育期降水量+灌水量+土壤耗水量。

2 结果与分析

2.1 降水和土壤水分消耗的时空变化特征

由图1可以看出，土壤耗水量在生育期内同年份变化不大，但不同年份之间有一定的差异。同年份不同处理土壤耗水量表现为：V>T>F>CK。与CK相比，V处理土壤耗水量增加6.13～9.80 mm，T处理土壤耗水量增加4.31～7.57 mm，F处理土壤耗水量增加2.14～4.09 mm。

不同年份之间，从年度降水量看(见图2)，2011，2015和2017年为富水年，2012年为平水年，其他年份为贫水年。但生育期则表现为2012，2014，2015，2017和2018年为富水年，2019年为极端贫水年，2011为贫水年，其他年份为平水年。

注：不同小写字母表示显著性分析(p<0.05)差异显著。下同。

图2 研究区小麦生育期降水特征

相对于平水年而言，贫水年的土壤耗水量相对较大，如2011和2019年；富水年因为小麦长势不一土壤耗水量有很大差异，如2017年，2018年耗水量明显降低，2012年略有降低，但2014和2015年耗水量显著增加(图1)。

小麦生育期降水量在不同年份之间表现为：2018年>2012年>2017年>2015年>2014年>2013年>2016年>2011年>2019年，土壤耗水量表现为2019年>2014年>2015年>2011年>2012年>2016年>2018年>2013年>2017年。总之，降水缺少，补水量不足时，土壤水分消耗量增大；降水丰足，空气湿度大，适量补水，土壤水分消耗量降低。

2.2 保水剂对小麦生长发育的影响

从图3可以看出，施用保水剂处理有利于改善小麦生长发育，提高单位群体数量、株高、穗长、小穗数、穗粒数和千粒质量，降低不孕穗。其中不同生育期群体动态表现为从播种期到返青期逐步升高，然后逐步下降，至抽穗期后趋于稳定的变化趋势，成熟期成穗数分别达到5 535～5 940万穗(n=9)，较CK增加3.67～6.67万穗。

图3 施用保水剂对研究区小麦生长发育的影响

与CK相比，小麦株高增加1.8～5 cm，穗长增长0.1～0.3 cm，小穗数增加0.3～1.1个，穗粒数增加1.9～5.7粒，千粒质量增加2.2～4.5 g，均以V处理表现最佳；不孕穗分别降低0.5～1.6个，以F处理减低最多。从而为小麦产量与有效水分资源利用效率的提高奠定了基础。

2.3 保水剂对小麦产量与增产率的影响

从图4可以看出，保水剂的应用对小麦产量提高具有积极效果，其中V处理表现最佳，其次为T处理，并表现为：V>T>F>CK。随着施用年限的变化，每年的产量水平差异也很大，与初始试验年2011年相比，2015，2019和2014年的小麦产量处于前3位；而2013和2017年受气候、病虫害的影响产量低于初始试验年2011年小麦产量，不同年份之间表现为：2015年>2019年>2014年>2012年>2016年>2018年>2011年>2013年>2017年。

图4 施用保水剂对研究区小麦产量的影响

小麦增产率与产量的变化趋势一致。CK相比，保水剂用量处理增产幅度达到2.31%～19.20%，以V处理平均增幅最高达到15.52%(n=9)，T处理平均增幅11.12%，F处理平均增幅7.03%。但不同保水剂处理随着施用年限的延长，其增产趋势有着明显的不同(见图5)，其中F处理至第4 a(2014年)后对小麦的增产幅度上下差别变小，均在8%以上，上下增幅小于0.3%；T处理对小麦产量的增产率随施用年限的增加逐步提升，至2019年增产幅度达到14.48%；V处理则表现为先增再减再增，再减再逐步提高的过程，即从最初的增产幅度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%。因为不同保水剂用量的土壤持水能力和供水能力有一定的差异[13-14]，同时不同保水剂用量对土壤结构改良的作用也不相同[17]，保水剂低用量的田间持水能力和供水能力较低、对土壤结构改良的影响较小，稳定性较短；保水剂高用量的田间持水能力和供水能力较高、对土壤结构的改良影响较大、持续时间较长。同时，不同保水剂用量影响小麦根系生长[12]和生理特性[11,20]，从而影响其抗旱性能的差异。而且不同年份增产率的差异说明保水剂对小麦的增产作用在一定程度上尚受气候的影响还比较大，其持续增产效果尚有待于进一步研究。

图5 施用保水剂对研究区小麦增产率的影响

小麦产量、水分利用效率、土壤耗水量、总耗水量之间的相关性分析表明(表1)，小麦产量与水分利用效率、土壤耗水量和总耗水量呈正相关关系，水分利用效率与产量、土壤耗水量和总耗水量也呈正相关关系。因此，小麦产量、增产率、水分利用效率的高低与土壤耗水量、总耗水量密切相关。

表1 研究区小麦产量、水分利用效率、土壤耗水量、总耗水量之间的相关性分析

2.4 保水剂对水分利用率的影响

从图6—7可以看出施用保水剂处理的耗水量有明显增加，小麦水分利用效率也显著提高，不同处理间土壤耗水量和水分利用效率均表现为：V>T>F>CK，但不同年份之间有明显的差异。与CK相比，V处理总耗水量增加6.13～12.72 mm，T处理总耗水量增加4.31～10.76 mm，F处理总耗水量增加2.14～6.40 mm。小麦总耗水量则表现为：2018年>2015年>2012年>2014年>2017年>2013年>2016年>2011年>2019年，并与生育期降水量趋势基本一致，即不同年份间丰水年小麦总耗水量较大、贫水年总耗水量较小。

图6 保水剂对研究区小麦耗水量的影响

小麦水分利用效率则表现为先降低再升高(2012—2016年)，再降低再升高(2017—2019年)的过程。小麦水分利用效率与土壤耗水量变化趋势基本一致，与贫水年的降水量和耗水量的变化趋势相反，即相对缺水年份水分利用效率较高，富水年作物耗水量过大，水分利用效率相对较低。与CK相比，V处理的水分利用效率提高幅度最大，分别提高1.70～4.51 kg/(hm2·mm)，其次为T处理，分别提高了1.06～3.71 kg/(hm2·mm)，F处理提高幅度较小，分别提高0.4～2.02 kg/(hm2·mm)，均以2019年提高幅度最大。总之，施用保水剂增加了小麦水分消耗，提高了小麦水分利用效率。

小麦种植使用的肥料、种子、农药、耕地、播种、拌种、收获和小麦收购价格均按当年价格计算，通过单位投入产出进一步分析表明(见图8)，不同保水剂单位净收益均较对照有显著提高，并表现为：V>T>F>CK。

图8 保水剂对研究区单位净收入的影响

与CK相比，F处理起始年降低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，表现为：2015年>2014年>2019年>2016年>2018年>2017年>2013年>2012年>2011年；T处理增加276.09～1 748.28元/hm2，平均增加1 077.60元，表现为：2019年>2018年>2015年>2016年>2017年>2014年>2012年>2013年>2011年；V处理增加了720.65～2 051.91元/hm2，平均增加了1 413.09元/hm2，表现为：2014年>2019年>2018年>2015年>2011年>2016年>2017年>2013年>2012年。

图7 保水剂对研究区小麦水分利用效率的影响

3 结论和讨论

施用保水剂及其不同用量可以显著提高小麦产量和水分利用效率[22-29]，是因为施用保水剂可以提高土壤持水能力和供水能力[13-15]，促进根系生长[12,28]，改善小麦生长发育与生理特性[20,29]，提高光合性能[21，30]。本研究则进一步揭示了长期施用保水剂小麦土壤耗水量、总耗水量、水分利用率及其不同用量增产率的变化特征。

(1) 施用保水剂处理有利于改善小麦生长发育，提高单位群体数量、株高、穗长、小穗数、穗粒数和千粒质量，降低不孕穗。与CK相比，成熟期小麦成穗数分别增加3.67～6.67万穗，株高增加1.8～5 cm，穗长增长0.1～0.3 cm，小穗数增加0.3～1.1个，穗粒数增加1.9～5.7粒，千粒质量增加2.2～4.5 g，不孕穗分别降低0.5～1.6个。该试验结果与杨永辉等[4,12]、武继承等[22,24]的研究结果一致，并以保水剂用量45 kg/hm2最佳[21,24-25]，在用量效果上，与不同保水剂用量的效果有一定的差异[15,30]。

(2) 同一年份施用保水剂处理随小麦生长发育土壤耗水量略有增加。不同处理间土壤耗水量表现为：V>T>F>CK。与CK相比，V处理增加了6.13～9.80 mm，T处理增加了4.31～7.57 mm，F处理增加了2.14～4.09 mm。不同年份之间，贫水年的土壤耗水量相对较大，富水年因为小麦长势不一，土壤耗水量有很大差异，表现为：2019>2014>2015>2011>2012>2016>2018>2013>2017。小麦总耗水量则表现为：2018>2015>2012>2014>2017>2013>2016>2011>2019，并与生育期降水量趋势基本一致，即不同年份间丰水年小麦总耗水量较大、贫水年总耗水量较小。

(3) 保水剂应用对小麦产量提高具有积极效果，并表现为：V>T>F>CK。与CK相比，保水剂用量处理增产幅度分别达到2.31%～19.20%。但不同保水剂处理随着施用年限的延长，其增产趋势有着明显的不同，F处理至第4 a后对小麦的增产幅度趋于稳定，T处理的增产率随施用年限的增加逐步提升，V处理则表现为先增再减增，再减再逐步提高的过程。并显著地提高了单位净收益，与产量趋势一致，即V>T>F>CK。与CK相比，F平均增加767.39元/hm2，T处理平均增加1 077.60元，V处理平均增加1 413.09元/hm2。

(4) 施用保水剂可以显著提高小麦水分利用效率，其趋势与产量变化一致，即V>T>F>CK。不同年份间表现为先降低再升高，再降低再升高的过程。与土壤耗水量变化趋势一致，与贫水年降水量、总耗水量的变化趋势相反。与CK相比，V处理提高幅度最大，分别提高1.70～4.51 kg/(hm2·mm)。说明保水剂可显著提高小麦水分利用效率，这与武继承等[7,22,25]、黄凤球等[9]、黄占斌等[10]、杨永辉等[21,25，27]、雷巧等[26]、李中阳等[28]的结果基本一致，但保水剂用量和年限有明显差异[9,10,26,28]。同时，小麦产量、水分利用效率、土壤耗水量、总耗水量之间呈显著的正相关关系。因此，基于不同降水年型、小麦产量、水分利用效率、净收益等综合考虑，小麦最佳的保水剂用量为45 kg/hm2。