聚丙烯酰胺連年施用對(duì)燕麥生產(chǎn)的影響

馬 斌，劉景輝，楊彥明，米俊珍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)/內(nèi)蒙古雜糧工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

聚丙烯酰胺連年施用對(duì)燕麥生產(chǎn)的影響

馬 斌，劉景輝，楊彥明，米俊珍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)/內(nèi)蒙古雜糧工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

為探明聚丙烯酰胺(PAM)施用后對(duì)燕麥不同生育階段水分利用的影響，在長(zhǎng)城沿線旱作丘陵區(qū)，設(shè)置6個(gè)處理，分別為對(duì)照(CK)、PAM施用一年(M1)、PAM連續(xù)施用二年(M2)、PAM連續(xù)施用三年(M3)、PAM連續(xù)施用四年(M4)、PAM連續(xù)施用五年(M5)，通過大田試驗(yàn)，研究PAM施用不同年限對(duì)燕麥不同生育階段的土壤保水、燕麥耗水特征、水分利用效率等特性的影響。結(jié)果表明，施用PAM提高了燕麥田不同生育階段0～60 cm土層的土壤含水量，促進(jìn)了燕麥生物量的積累，降低了燕麥總耗水量，提高了燕麥產(chǎn)量和水分利用效率。各處理中，M4和 M5處理的土壤含水量及貯水量均高于其他處理，而總耗水量最低，差異均顯著(P<0.05)；M1、M2處理的多數(shù)被測(cè)指標(biāo)與CK無顯著差異。苗期0～10 cm、拔節(jié)期10～20 cm、抽穗期20～40 cm 、灌漿期0～10 cm、成熟期10～20 cm和40～60 cm土層土壤含水量對(duì)產(chǎn)量的影響最大。各生育階段，除播種-苗期及抽穗-灌漿期外，M5處理耗水量均顯著低于M4處理。M4處理的經(jīng)濟(jì)效益和水分利用效率均最高，較對(duì)照分別增加35.67%和3.67 kg·hm-2·mm-1。綜合考慮產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、水分利用效率，燕麥旱作地區(qū)應(yīng)連續(xù)4年施用聚丙烯酰胺。

燕麥；土壤含水量；耗水量；水分利用效率；產(chǎn)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

燕麥?zhǔn)羌Z飼兼用作物[1]，在內(nèi)蒙古自治區(qū)多種植于長(zhǎng)城沿線的旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)，由于該地區(qū)長(zhǎng)期干旱，嚴(yán)重影響了作物的播種和出苗，出苗后很難保證能提供作物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的水分，最終影響作物產(chǎn)量[2]。因此，如何提高土壤蓄水保墑能力，使有限的降雨得到充分利用，減少水分的浪費(fèi)，成為當(dāng)前仍待解決的問題。保水材料的出現(xiàn)成為解決這些問題的一種有效途徑。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、穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，減少土壤退化；提高土壤滲透率，保持大量土壤水分，減少生育期間灌水量[3-5]。

在干旱和半干旱地區(qū)，保水材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)節(jié)水和生態(tài)恢復(fù)，可在有限的水分供應(yīng)條件下改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，達(dá)到作物增產(chǎn)的目的[6-7]。聚丙烯酰胺(PAM)是一種線型水溶性高分子聚合物，可溶于水且具有很強(qiáng)的吸水保水作用；作為保水材料施用后，可以改善土壤物理性質(zhì)[8-9]，影響土壤水分分布[10]，增加土壤水分入滲量，提高土壤保水、持水能力[11-12]，還可減少土壤水分的損耗[13]，提高土壤水分的有效性和利用率，最終增加作物產(chǎn)量[14-15]。

目前，關(guān)于保水材料的研究大多集中在不同類型、粒徑、施用量等應(yīng)用效果的比較，有關(guān)大田條件下保水材料一次施入后的長(zhǎng)效性及連續(xù)施用對(duì)燕麥生長(zhǎng)的影響方面的研究甚少。因此，本研究在降雨少且分布不均勻、灌溉困難的內(nèi)蒙古長(zhǎng)城沿線旱作區(qū)，通過5年田間試驗(yàn)，研究施用保水材料PAM對(duì)不同土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化、耗水特征、燕麥水分利用效率等特性的影響，以期為內(nèi)蒙古長(zhǎng)城沿線旱作區(qū)燕麥生產(chǎn)中合理施用PAM提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2011-2015年在內(nèi)蒙古清水河縣一間房村進(jìn)行，該地區(qū)是長(zhǎng)城沿線典型的旱作丘陵地區(qū)，年平均溫度7.1 ℃，≥10 ℃積溫2 370 ℃，無霜期140 d，年日照時(shí)數(shù)為2 914 h，年平均大風(fēng)日數(shù)達(dá)19 d，年均降雨量365 mm，年蒸發(fā)量2 577 mm，屬典型的中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)地土壤類型為黃綿土，其中，0～60 cm土層土壤總孔隙度為43.65%，團(tuán)聚體118.80 mg·kg-1(>0.25 mm)，土壤容重為1.45 g·cm-3，有機(jī)質(zhì)含量10.25 g·kg-1，堿解氮45.10 mg·kg-1，速效磷7.40 mg·kg-1，速效鉀123.80 mg·kg-1，pH為7.84。

圖1為2015年試驗(yàn)地日平均氣溫和降雨量。當(dāng)年降雨集中在6月份以后，且在播種前降雨量極少，月降雨量為27.5 mm，而播種期的日降雨量為0 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

供試燕麥品種為壩莜一號(hào)。供試保水材料聚丙烯酰胺(PAM)由北京漢力淼公司提供，為白色顆粒狀，分子量約2 100萬，密度為1.30 g·cm-3，遇水膨脹，幾乎不溶于有機(jī)溶劑，120 ℃以上易分解。PAM中含有農(nóng)作物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)元素氮。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年開始連續(xù)進(jìn)行5年，采用燕麥-谷子輪作模式。設(shè)6個(gè)PAM處理，分別為：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(對(duì)照，不施用PAM)。各處理隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)。PAM于燕麥播種前均勻撒施于小區(qū)表面，后進(jìn)行旋耕，旋耕深度為15 cm，根據(jù)廠家建議及課題組前期研究，施用量為75 kg·hm2。每年5月25日機(jī)播，播量為150 kg·hm-2，行距25 cm，播前一次性施入磷酸二銨150 kg·hm-2、尿素10 kg·hm-2，其他管理同大田。

圖1 2015年5-9月日均氣溫和降雨量分布

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 土壤容重(d)測(cè)定

于2015年5月25日(播前)和2015年9月15日(收獲后)，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。計(jì)算公式為：d=m/V，式中，m為干土質(zhì)量(g)，V為環(huán)刀體積(cm3)。

1.4.2 土壤含水量

采用鋁盒烘干稱重法在燕麥播前(0 d)及播種后20 d(苗期)、50 d(拔節(jié)期)、73 d(抽穗期)、87 d(灌漿期)、113 d(成熟期)分別測(cè)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 土壤貯水量(W)的測(cè)定

1.4.4 田間耗水量(ET)測(cè)定

燕麥從播種到收獲期間無灌水，試驗(yàn)地平整，地下水位深，無明排，土層深厚及土壤質(zhì)地均一。ET=p±Δh，式中，p為生育期間的有效降水量(mm)，Δh為生育期間土壤貯水量的變化(mm)。

1.4.5 水分利用效率(WUE)測(cè)定

WUE=Y/ET，式中，Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，ET為田間耗水量(mm)。

1.4.6 燕麥產(chǎn)量測(cè)定

于2015年9月15日燕麥成熟后，測(cè)定有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重；每小區(qū)隨機(jī)選取1 m2測(cè)籽粒及生物學(xué)產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 Sigma Plot 10.0 進(jìn)行繪圖；用SAS 9.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM處理對(duì)燕麥生育期土壤含水量的影響

如圖2所示， 0～100 cm土層，隨深度的增加，土壤含水量(SMC)總體呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，其中，表層土(0～10 cm)SMC較低(播后113 d除外)，不同時(shí)期變化較大。在播后20 d(苗期)、50 d(拔節(jié)期)、113 d(成熟期)，0～100 cm各土層SMC平均值均在5%以上；播后73 d(抽穗期)、87 d(灌漿期)，0～80 cm各土層SMC平均值均在5%以下，這主要是由于8月中下旬降雨稀少，導(dǎo)致表層土壤水分相對(duì)匱乏，燕麥加大了對(duì)深層水分的吸收使得40～80 cm土層SMC也較低(黃綿土類型土壤萎蔫系數(shù)為3%，燕麥根系最深可達(dá)200 cm)。

施用不同年限的PAM均可以起到保持水分的作用，但保水效果存在差異。不同處理各生育時(shí)期土壤含水量基本呈M5>M4>M3>M2>M1>CK趨勢(shì)。苗期0～10 cm土層，PAM處理下的SMC較CK增幅為21.76%～84.70%，差異顯著(P<0.05)，其中，M5、M4處理更為明顯；10～20 cm土層，PAM處理的SMC增幅為9.37%～36.73%，M1處理較CK無顯著差異；20～40 cm土層，PAM處理的SMC提高了4.29%～37.04%；40～60 cm土層，PAM處理下的SMC在7.96%～11.12%之間，M5、M4處理較CK分別增加了27.88%和16.96%。拔節(jié)期，M5、M4、M3、M2處理的SMC均顯著高于CK，0～10 cm土層SMC增幅分別達(dá)71.79%、66.06%、56.81%、33.30%；10～20 cm土層SMC增幅最高，分別達(dá)98.86%、87.48%、70.94%、26.36%。抽穗期0～40 cm各土層PAM處理間差異不顯著，但均顯著優(yōu)于CK(M1處理除外,(P<0.05))。灌漿期0～10 cm土層，M5和M4與其他處理間有顯著差異(P<0.05)，較CK增幅為72.20%和50.97%，說明在極其干旱的時(shí)期，PAM連續(xù)4 a、5 a施用可顯著降低表層土壤水分蒸發(fā)并吸收空氣中的水分，提高SMC。成熟期，PAM各處理SMC最高增幅集中在10～20 cm和40～60 cm土層。

2.2 PAM對(duì)燕麥生育期土壤貯水量的影響

由表1可知，0～100 cm土壤貯水量隨著燕麥生育期推移基本呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)。這種波動(dòng)與降水量相關(guān)。播前(0 d)M5、M4、M3處理的土壤貯水量顯著高于CK，增幅為30.96%～47.22%。播后20～87 d土壤貯水量基本持續(xù)下降，由于該地區(qū)降雨量非常少，隨著作物的生長(zhǎng)，對(duì)土壤水分的需求增加，加之氣溫的逐漸升高，土壤蒸發(fā)散失的水分增加，導(dǎo)致土壤貯水量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。到成熟期降雨量增加，土壤貯水量逐漸上升。PAM對(duì)不同生育時(shí)期土壤貯水量的影響大小依次為：播前>播后50 d>播后113 d>播后87 d>播后20 d>播后73 d。不同處理間土壤貯水量總體表現(xiàn)為M5>M4>M3>M2>M1>CK，其中，苗期(播后20 d)，M3、M4、M5土壤貯水量分別較CK增加10.19%、15.16%、22.81%，差異顯著。就整個(gè)生育期而言，連續(xù)3年、4年、5年施用PAM可以顯著增加土壤的貯水性能，使土壤水分保持相對(duì)較高水平。

2.3 PAM對(duì)燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表2可知，不同PAM處理使燕麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量及生物產(chǎn)量具有不同程度的提高，對(duì)生物產(chǎn)量的改善效果最為明顯，其次為千粒重，對(duì)穗數(shù)的提高不顯著。M3、M4、M5處理的穗數(shù)(M3除外)、穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量均較CK有顯著提高。M1、M2處理對(duì)穗數(shù)、穗粒和產(chǎn)量的影響均不顯著。說明，連續(xù)3年施用PAM即可對(duì)燕麥有較好增產(chǎn)效果。

圖2 不同PAM處理下20～113 d土壤含水量的垂直變化

表1 PAM對(duì)燕麥不同生育時(shí)期0～100 cm土壤貯水量的影響Table 1 Effect of PAM on soil water storage of 0 to 100 cm depth at different stage

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(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處理的水分效應(yīng)

由表3可知，在不同生育階段，PAM對(duì)燕麥的耗水量影響極顯著(花后87～113 d除外)，總體表現(xiàn)為拔節(jié)期-抽穗期>抽穗期-灌漿期>播種-苗期>苗期-拔節(jié)期>灌漿期-成熟期。燕麥總耗水量表現(xiàn)為M1>M2>CK>M3>M5>M4，以M4處理的節(jié)水作用最好，M3、M4、M5處理全生育時(shí)期耗水量較CK分別降低7.50%、10.70%、9.97%。M3、M4、M5處理的水分利用效率較CK顯著提高，分別提高了21.06%、34.23%、33.60%。說明連續(xù)3年施用PAM，可顯著降低燕麥總耗水量、提高水分利用效率。

表2 PAM對(duì)燕麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Table 2 Effect of PAM on grain yield and its components of oat

P<0.05.

表3 不同PAM處理下燕麥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 燕麥產(chǎn)量與0～60 cm土層土壤含水量之間的關(guān)系

將與作物生長(zhǎng)最相關(guān)的0～60 cm各土層SMC和燕麥籽粒產(chǎn)量進(jìn)行多元線性回歸分析。由表4可知，除灌漿期外，從苗期至成熟期，作物根系不斷向下生長(zhǎng)，影響作物籽粒產(chǎn)量的SMC的土層呈逐漸加深趨勢(shì)，苗期0～10 cm、拔節(jié)期10～20 cm、抽穗期20～40 cm和40～60 cm、灌漿期0～10 cm、成熟期10～20 cm和40～60 cm土層SMC對(duì)產(chǎn)量的影響較大。在灌漿期，0～10 cm土層 SMC對(duì)產(chǎn)量的影響顯著，這是由于在該地區(qū)作物灌漿期時(shí)，降雨量極少，表層土壤水分蒸發(fā)對(duì)產(chǎn)量的形成造成了嚴(yán)重影響。

2.6 2015年燕麥經(jīng)濟(jì)效益分析

由表5可知，PAM各處理燕麥的經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)為：M4>M5>M3>M2>M1，M1、M2、M3、M4、M5處理較CK分別增加4.99%、13.00%、21.51%、35.67%、29.25%，由此可見，連續(xù)4年施用PAM效益最高。

表4 各生育時(shí)期不同土層水分與燕麥產(chǎn)量的多元線性回歸分析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分別代表苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期；1、2、3、4分別代表0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層。

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P(guān)AM處理的經(jīng)濟(jì)效益Table 5 Economic efficiency under the treatments of PAM in 2015

2015年各處理總投入分別按5 000元·hm-2計(jì)算，而M5處理需要額外投入PAM，按450元·hm-2計(jì)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 討 論

保水材料能改善沙質(zhì)春小麥、大豆田土壤水環(huán)境，阻止水分的流失[16-17]。在本研究中，施用PAM主要提高了燕麥田0～40 cm土層SMC，這是由于PAM本身屬于高分子聚合物，可以吸收大量水分[18], 且PAM施入土壤后能吸附土壤表面顆粒，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成[19]，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)地，從而提高土壤的蓄水保水能力[20-21]。隨著施用PAM年份的增加，影響SMC的土層深度亦有所增加(40～60 cm)，這可能是由于PAM能防止表層水分蒸發(fā)，減少了燕麥根系向更深土層吸收水分。PAM對(duì)60 cm以下土層SMC的影響不大，處理間差異基本不顯著，這可能與降雨量大小有關(guān)[22]。

李海燕等[22]研究表明，保水材料施用量為25 kg·hm-2時(shí)，作物全生育期都具有良好的節(jié)水效果，施用量為15 kg·hm-2時(shí)，在播后101 d 內(nèi)效果顯著，之后效果逐步衰減，而施用量(<5 kg·hm-2)過小則無明顯作用。胡明芳等[23]研究認(rèn)為，施用保水材料對(duì)棉花耗水量的影響不明顯。在本研究中，M3處理的耗水量較CK顯著降低，一方面是由于施用量較高，保水效果更好，另一方面是因?yàn)镻AM的壽命較長(zhǎng)，施用后蓄水保墑能力可維持4年左右[16]。施入PAM可提高旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)有效降雨的利用率，且隨施用年限的增加作用增強(qiáng)，表明在黃綿土類型土壤連續(xù)多年施用PAM有利于減輕短期極端天氣對(duì)作物帶來的惡劣影響，對(duì)改善土壤生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，施用保水材料能提高冬小麥、大豆水分利用效率，增加作物產(chǎn)量[16, 24-25]。本研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)3年施用PAM，可顯著提高燕麥水分利用效率，增加籽粒產(chǎn)量；隨著燕麥生育時(shí)期的推移，影響燕麥籽粒產(chǎn)量的土層逐漸加深，這是由于PAM可以起到蓄水保墑的作用，當(dāng)根系不斷地向下生長(zhǎng)時(shí)，PAM提高了燕麥更深土層的SMC，從而有利于提高水分利用率[25]，為作物高產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

PAM處理在生育初期降水量較少的情況下，能更有效地利用有限的降水，是由于PAM處理吸納降雨和貯存水分后，可以在土壤表層形成一層薄膜，阻礙土壤水分蒸發(fā)，減少水分無效損耗[26]。

通過本研究得出，燕麥田PAM施用的作用效果為連續(xù)施用5年>連續(xù)4年>連續(xù)3年>連續(xù)2年>僅1年>對(duì)照，連續(xù)施用3年以上與對(duì)照差異顯著。建議在該地區(qū)連續(xù)3年施用PAM，以最大限度的利用僅有的水資源，提高旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)燕麥產(chǎn)量，從種植戶的經(jīng)濟(jì)效益考慮，連續(xù)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)

時(shí)間：2017-09-13

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劉景輝(E-mail:cauljh@163.com)