新型生态保水剂对青贮玉米光合特性及产量的影响

邓超超，宿翠翠，周 琦，施志国，张 靖，王振龙，周彦芳

（甘肃省农业工程技术研究院，甘肃 武威 733006）

0 引 言

河西灌区是甘肃省玉米种植的主要区域，地处我国西北干旱半干旱区气候区，该区地势平坦，光热资源充裕，其农业特点是“非灌不殖”[1,2]。农业灌溉缺水和有限灌溉水利用率低是困扰河西灌区农业可持续、绿色发展的瓶颈[3]。同时《甘肃省循环农业产业发展专项行动计划》指出：发展循环农业要通过节约农业用水，减少农业投入，形成资源高效利用、产品优质安全的循环农业发展之路[4]。青贮玉米是现代畜牧业发展的重要优质青贮原材料，在国家大力实行“粮改饲”的政策下，青贮玉米种植在河西地区农业生产中占有重要地位和较大比重，已成为该区农民乡村振兴的支柱产业[5]，但该区降雨少，蒸发量大，灌溉水资源利用率低，严重制约了该区青贮玉米稳产和相关产业发展[3]。如何提高有限降水和灌溉水资源的利用效率，调控缺水时期的土壤水分和灌溉水在土壤中的存留时间是缓解该区资源型缺水的关键。近年来，在干旱半干旱农业区应用保水剂进行农业抗旱节水增产愈来愈引起国内外专家的高度重视[6,7]，保水剂能够在土壤水分充足时吸收水分，干旱缺水时释放水分为作物生长提供水分，被称为“土壤微型水库”[8,9]。研究表明：施用保水剂可以改善作物根系活力和生理特性[10,11]，提高土壤持水特性和供水能力[12,13]，调节土壤孔隙度及土壤团聚体结构特性[14]，增强土壤微生物活性[15]，增强作物光合作用和促进作物生长发育[16,17]，从而实现作物产量和水资源利用效率的共同提高[18,19]。目前，关于保水剂的研究主要集中在旱作区大田或盆栽条件下保水剂的抗旱节水效应方面，关于滴灌条件下施用保水剂对土壤保水保肥效果及对玉米生长的影响研究较少。因此，针对河西灌区降雨少，蒸发量大，灌溉水资源利用率低，土壤保水保肥性差等问题，本研究以中国科学院上海应用物理研究所研发的新型生态保水剂为材料，探究滴灌条件下施用新型生态保水剂对土壤水分及青贮玉米光合特性、产量和品质的影响，以期为河西地区青贮玉米种植中节水抗旱和新型生态保水剂的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年4-10月在甘肃省农业工程技术研究院原种场试验田进行（北纬37°30′，东经103°15′）。试点温带大陆性干旱气候区，年平均气温7.7 ℃；日照时数2 873 h，≥0 ℃积温为3 514 ℃，≥10 ℃积温为2 985 ℃；年平均降雨量156 mm，年平均蒸发量2 400 mm 以上。试验地的前茬作物为大麦，地块的地力均匀，田间持水量22%，土壤有机质含量13.43 g/kg，全氮量0.86 g/kg，全磷量1.41 g/kg，速效钾含量157.28 mg/kg，。

1.2 试验材料与设计

供试青贮玉米品种为先玉1 225（国审玉20180092），该玉米品种鲜草产量高、饲用品质好、抗逆性能强，适宜在甘肃省河西地区种植。保水剂（名称：新型生态保水剂）由中国科学院上海应用物理研究所提供，白色颗粒状，非化学物质，无污染。

试验采用单因素随机区组试验设计，设置对照组（CK：0 kg/ hm2）和试验组（B3：45 kg/ hm2，B5：75 kg/ hm2，B7：105 kg/ hm2）4 个处理，3 次重复，小区面积43.2 m2（5.4 m×8.0 m），随机区组排列，试验田四周设保护行。试验农田土壤钾含量富集，本试验只施用氮肥与磷肥，施纯氮360 kg/hm2（按基肥：大喇叭口期：开花后15 d=3∶5∶2 分施），施纯磷（P2O5）180 kg/hm2，均为基肥。灌溉方式为滴灌，追施氮肥随滴灌追施，试验田采取机械化精量播种，株距20 cm，行距60 cm。保水剂按小区用量与细土以l∶10比例混合均匀，离玉米种穴约5 cm，深度15 cm 穴施，然后覆土。其他田间管理按当地常规农事操作进行。本年度试验玉米于2021年4月28日播种，9月14日收获。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤体积含水量测定

用水分测定仪TDR350（美国SPECTRUM）测定播种前和青贮玉米各生育时期0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层土壤体积含水量。

1.3.2 青贮玉米叶绿素相对含量（SPAD）测定

青贮玉米拔节期-成熟期玉米叶片叶绿素相对含量（SPAD）测定与土壤水分测定同期。用手持叶绿素仪（SPAD-502Plus，美能达，日本）随机测定各处理10 株青贮玉米穗位叶片的叶绿素相对含量（SPAD）值，每叶片测定6 次，取平均值。

1.3.3 青贮玉米光合特性指标测定

在青贮玉米大喇叭口期、开花期和灌浆期，选择晴朗天气早晨9:00-11:00，用便携式光合仪（LI-6400XT，美国）测定青贮玉米穗位叶的光合速率（Pn：Photosynthetic rate）、蒸腾速率（Tr：Transpiration rate） 和气孔导度（Gs：Stomatal conductance），各处理重复测定3 次，并计算叶片水分利用效率（WUEL），单位：μmol/mmol。

式中：Pn为光合速率，μmol；Tr为蒸腾速率，mmol。

1.3.4 青贮玉米生物鲜重测定和经济收益计算

青贮玉米刈割：在青贮玉米籽粒乳线达1/3～1/2，全株含水量约65%时，按小区从地上部10 cm 处随机全株刈割20 株，计青贮玉米生物鲜重，最后换算每公顷青贮玉米生物鲜重产量，t/hm2；并根据保水剂施用量计算增收产值，元/hm2。

式中：其余生产资料投入相同，故仅考虑保水剂费用。

1.3.5 青贮玉米饲料品质测定

样品处理：在青贮玉米刈割时，每小区随机选取3株青贮玉米全株（地上部10 cm 以上），然后在105 ℃条件下烘2 h后，再用60 ℃温度烘干至恒重粉碎，以备品质测定。

品质测定：用多功能近红外分析仪（福斯NIRS DS2500，瑞典）测定粉碎样品的粗蛋白(CP：Crude protein)、粗脂肪（EE：Ether extract）、酸性洗涤纤维（ADF：Acid detergent fiber)、中性洗涤纤维（NDF：Neutral detergent fiber）和可溶性碳水化合物（WSC：Water-soluble carbohydrates）含量，每个样品重复装样扫描3次，取平均值。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016 进行数据处理、制图和表，利用SPSS 21.0进行方差分析、多重比较和相关分析。

2 结果与分析

2.1 生态保水剂施用量对青贮玉米全生育期土壤含水量的影响

由图1可知，玉米播前，土壤体积含水量随着土层深度递增逐渐增大，处理间0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层土壤体积含水量差异不显著。玉米苗期，土壤体积含水量由于播种后灌水土壤体积含水量提高，B5 和B7 处理0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土层土壤体积含水量显著高于CK 处理，B5和B7 处理间土壤体积含水量差异不显著。玉米拔节期、大喇叭口期、开花期、灌浆期和成熟期0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土层土壤体积含水量也是B5 和B7 处理显著高于CK 处理，B5和B7处理间差异不显著。因此，施用保水剂能够提高土壤体积含水量。

图1 保水剂施用量对青贮玉米各生育时期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层土壤体积含水量的影响Fig.1 Effect of application rate of water-retaining agent on volumetric soil water content in 0～10 cm, 10～20 cm and 20～40 cm soil layers of silage maize at each growth stage

分析不同处理青贮玉米全生育期（苗期-收获期）0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层平均土壤体积含水量（表1）。结果表明：施用生态保水剂能显著提高青贮玉米全生育期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土层土壤体积含水量，随着保水剂施用量的增加，土壤体积含水量逐渐增加后趋于稳定。B5和B7 处理玉米全生育期0～40 cm 平均土壤体积含水量较CK 处理分别提高11.27%和12.15%，B5 和B7 处理间差异不显著。表明施用生态保水剂可以抑制土壤水分的蒸散与流失，提高土壤含水量，为作物的生长发育奠定良好的水分环境。

表1 保水剂施用量对青贮玉米生育期土层平均土壤体积含水量的影响（0～40 cm）Fig.1 Effect of water-retaining agent application rate on average soil volumetric water content during the growth period of silage maize（0～40 cm）

2.2 生态保水剂施用量对青贮玉米叶绿素相对含量(SPAD)的影响

由图2可知，青贮玉米叶绿素相对含量(SPAD)随生育期的推进呈现先增加后降低的总趋势。施用生态保水剂能提高玉米拔节期至灌浆期叶绿素相对含量，其中B5和B7处理叶绿素相对含量与CK 处理差异显著，B5 和B7 处理间叶绿素相对含量差异不显著，B5和B7处理玉米全生育期玉米叶绿素相对含量分别较CK 处理提高7.67%和7.45%。说明适宜的保水剂施用量能提高玉米叶绿素相对含量。

图2 保水剂施用量对青贮玉米各生育时期叶绿素相对含量(SPAD)的影响Fig.2 Effect of application amount of water retaining agent on relative chlorophyll content (SPAD) of silage maize at different growth stages

2.3 生态保水剂对不同生育期玉米光合特性的影响

由表2可知，施用保水剂能提高玉米大喇叭口期至灌浆期净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Sc）和叶片水分利用效率（WUEL），且随着保水剂施用量的增加，玉米净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率呈现先提高后趋于稳定的趋势，其中B5和B7处理与CK处理差异显著，B5和B7处理间差异不显著。

表2 保水剂施用量对青贮玉米光合特性的影响Tab.2 Effects of water retaining agent application rate on photosynthetic characteristics of silage maize

比较玉米大喇叭口期-灌浆期净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率的均值大小表现为B5>B7>B3>CK的总趋势，其中B5 处理玉米的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率较CK 处理分别提高58.32%、32.94%、35.22%和17.63%，B5和B7处理间差异不显著。

2.4 生态保水剂对青贮玉米鲜草产量和经济效益的影响

施用生态保水剂能显著提高青贮玉米鲜草产量和经济效益（表3）。随着保水剂用量增加，青贮玉米鲜草产量表现为先增加后稳定的趋势，B5 和B7 处理青贮玉米鲜草产量显著高于B3 和CK 处理，B5 和B7 处理间差异不显著，其中B5 和B7 处理青贮玉米鲜草产量较CK 处理提高27.22%和27.77%。随生态保水剂用量及成本费用的增加，经济效益表现为B5>B7>B3>CK，其中B5 处理增加最高，为3 802.2元/hm2。

表3 保水剂施用量对青贮玉米产量和经济效益的影响Tab.3 Effect of application amount of water retaining agent on Yield and economic benefit of silage maize

2.5 生态保水剂施用量对青贮玉米饲料品质的影响

施用生态保水剂能显著影响青贮玉米饲料品质（表4）。B5和B7处理青贮玉米粗蛋白、粗脂肪、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维和可溶性碳水合物含量较CK 处理差异显著，B5 和B7 处理间差异不显著。其中B5 处理青贮玉米粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水化合物含量较CK 处理分别提高19.16%、24.24%和24.22%，酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量分别降低12.14%和7.73%。表明适宜的生态保水剂施用量能改善青贮玉米饲草品质。

表4 保水剂施用量对青贮玉米品质的影响Tab.4 Effect of application amount of water retaining agent on the quality of silage maize

2.6 青贮玉米生育期土壤水分、光合性状、品质、产量间的相关性分析

不同生态保水剂施用量下青贮玉米生育期土壤体积含水量（SVMC）、叶绿素相对含量（SPAD）、光合特性指标（Pn、Tr、Gs、WUEL） 均值、品质指标（CP、EE、ADF、NDF、WSC）、产量（Yield）间相关性分析（表5）。结果表明，青贮玉米生育期土壤体积含水量均值与SPAD（0.902**）、Pn（0.900**）、Tr（0.846**）、Gs（0.952**）、EE（0.825**）、WSC（0.751**）、Yield（0.969**）和WUEL（0.673*）的均值达到极显著和显著水平正相关，与ADF（-0.861**）和NDF（-0.655*）达到极显著和显著负相关；SPAD、Pn、Tr、Gs、WUEL各指标与EE、ADF、NDF、WSC、Yield各指标间达到显著或极显著相关。表明适宜的生态保水剂施用量提高了青贮玉米生育期土壤含水量，改善了青贮玉米光和特性，进而促进青贮玉米的饲料品质和产量的提高。

表5 青贮玉米生育期土壤水分、光合性状、品质、产量间的相关性分析Tab.5 Correlation analysis among soil moisture, photosynthetic characteristics, quality and yield during the growth period of silage maize

3 讨 论

3.1 生态保水剂施用量对青贮玉米全生育期土壤含水量的影响

水分是限制作物生长与发育的重要因素之一。施用保水剂可以显著提高作物生育期土壤持水能力和供水能力[19,20]。本研究表明，施用生态保水剂能显著提高青贮玉米全生育期0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土层土壤体积含水量，且随着保水剂施用量的增加，土壤体积含水量逐渐增加后趋于稳定；青贮玉米全生育期平均土壤体积含水量B5 和B7 处理较CK 处理分别提高11.27%和12.15%，B5 和B7 处理差异不显著。这与李荣[21]和秦舒浩[22]等研究结果基本一致，即施用保水剂提高了作物不同生育阶段0～40 cm 土层的土壤含水量，以供作物利用。其原因是保水剂施入土壤后，通过自身吸收膨胀等特性，部分灌溉水滞留在保水剂施用层附近，使土壤保持较高的含水量，为作物的生长发育奠定良好的水分环境[21,23]。

3.2 生态保水剂施用量对玉米叶绿素和光合特性的影响

作物通过光合作用进行物质生产，为其各项生命活动提供必要的物质基础，而叶绿素含量和光合特性则是衡量光合作用强弱的重要指标[16]。本试验结果表明，施用生态保水剂不仅显著提高了玉米生育期叶片叶绿素含量；同时提高了玉米叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率，其中B5 和B7 处理玉米生育期平均叶绿素含量较CK 处理分别提高7.67%和7.45%，B5 处理玉米叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率较CK 处理分别提高58.32%、32.94%、35.22%和17.63%。这与王依慧[16]和杨永辉[17]的研究结果一致，即适量的保水剂对提高作物的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度有一定的促进作用。究其原因是施用保水剂可以使土壤保持较高的水分环境，为作物的生长发育奠定良好的水分环境，延缓了干旱胁迫对作物光合作用的抑制，进而了提高光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率[24]。

3.3 生态保水剂施用量对青贮玉米鲜草产量和饲料品质的影响

施用保水剂不仅会促进作物的生长，还会提高作物产量及其经济效益。青贮玉米全株所含有效成分的种类及数量决定其营养价值的高低，是评价其作为饲料优良与否的重要指标[25]。李荣等[21]研究表明，施用保水剂可促进玉米增产，其经济效益也显著提高。邹超煜等[26]研究结果表明施用保水剂可显著增加玉米、西瓜和马铃薯的经济收益。本研究结果表明，随生态保水剂用量的增加，鲜草产量表现先增加后稳定的趋势，经济效益随生态保水剂用量及成本费用的增加表现先增加后降低的趋势，其中B5 和B7 处理青贮玉米产量较CK 处理提高27.22%和27.77%，B5 处理经济收益最高，为3 802.2 元/hm2；同时研究表明，随着保水剂施用量的增加，青贮玉米全株的粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水合物含量逐渐增加，而酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量降低逐渐降低，进而改善了青贮玉米全株的饲料品质。其中B5 处理青贮玉米粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水化合物含量较CK 处理分别提高19.16%、24.24%和24.22%，酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量分别降低12.14%和7.73%。因此适量施用保水剂能够吸收和保蓄水分，改善土壤水分环境，通过吸附营养元素，减少淋溶，达到了节水节肥[27,28,21]，调节作物地下和地上部分二者协调生长，促进光合性能，使其农作物的产量得到提高，品质得到改善[29,30]。

4 结 论

综上所述，在河西地区青贮玉米覆膜滴灌常规种植中，配施75 kg/hm2新型生态保水剂，不仅有利于提高作物耕层土壤水分含量，为作物生长奠定良好的土壤水分环境，促进有限灌水资源的利用效率；同时可以促进青贮玉米叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率的提高，调节作物地下和地上部分二者协调生长，进而达到产量、品质和经济效益的多重提升。