新型生態保水劑對青貯玉米光合特性及產量的影響

鄧超超，宿翠翠，周 琦，施志國，張 靖，王振龍，周彥芳

（甘肅省農業工程技術研究院，甘肅 武威 733006）

0 引 言

河西灌區是甘肅省玉米種植的主要區域，地處我國西北干旱半干旱區氣候區，該區地勢平坦，光熱資源充裕，其農業特點是“非灌不殖”[1,2]。農業灌溉缺水和有限灌溉水利用率低是困擾河西灌區農業可持續、綠色發展的瓶頸[3]。同時《甘肅省循環農業產業發展專項行動計劃》指出：發展循環農業要通過節約農業用水，減少農業投入，形成資源高效利用、產品優質安全的循環農業發展之路[4]。青貯玉米是現代畜牧業發展的重要優質青貯原材料，在國家大力實行“糧改飼”的政策下，青貯玉米種植在河西地區農業生產中占有重要地位和較大比重，已成為該區農民鄉村振興的支柱產業[5]，但該區降雨少，蒸發量大，灌溉水資源利用率低，嚴重制約了該區青貯玉米穩產和相關產業發展[3]。如何提高有限降水和灌溉水資源的利用效率，調控缺水時期的土壤水分和灌溉水在土壤中的存留時間是緩解該區資源型缺水的關鍵。近年來，在干旱半干旱農業區應用保水劑進行農業抗旱節水增產愈來愈引起國內外專家的高度重視[6,7]，保水劑能夠在土壤水分充足時吸收水分，干旱缺水時釋放水分為作物生長提供水分，被稱為“土壤微型水庫”[8,9]。研究表明：施用保水劑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]，調節土壤孔隙度及土壤團聚體結構特性[14]，增強土壤微生物活性[15]，增強作物光合作用和促進作物生長發育[16,17]，從而實現作物產量和水資源利用效率的共同提高[18,19]。目前，關于保水劑的研究主要集中在旱作區大田或盆栽條件下保水劑的抗旱節水效應方面，關于滴灌條件下施用保水劑對土壤保水保肥效果及對玉米生長的影響研究較少。因此，針對河西灌區降雨少，蒸發量大，灌溉水資源利用率低，土壤保水保肥性差等問題，本研究以中國科學院上海應用物理研究所研發的新型生態保水劑為材料，探究滴灌條件下施用新型生態保水劑對土壤水分及青貯玉米光合特性、產量和品質的影響，以期為河西地區青貯玉米種植中節水抗旱和新型生態保水劑的合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年4-10月在甘肅省農業工程技術研究院原種場試驗田進行（北緯37°30′，東經103°15′）。試點溫帶大陸性干旱氣候區，年平均氣溫7.7 ℃；日照時數2 873 h，≥0 ℃積溫為3 514 ℃，≥10 ℃積溫為2 985 ℃；年平均降雨量156 mm，年平均蒸發量2 400 mm 以上。試驗地的前茬作物為大麥，地塊的地力均勻，田間持水量22%，土壤有機質含量13.43 g/kg，全氮量0.86 g/kg，全磷量1.41 g/kg，速效鉀含量157.28 mg/kg，。

1.2 試驗材料與設計

供試青貯玉米品種為先玉1 225（國審玉20180092），該玉米品種鮮草產量高、飼用品質好、抗逆性能強，適宜在甘肅省河西地區種植。保水劑（名稱：新型生態保水劑）由中國科學院上海應用物理研究所提供，白色顆粒狀，非化學物質，無污染。

試驗采用單因素隨機區組試驗設計，設置對照組（CK：0 kg/ hm2）和試驗組（B3：45 kg/ hm2，B5：75 kg/ hm2，B7：105 kg/ hm2）4 個處理，3 次重復，小區面積43.2 m2（5.4 m×8.0 m），隨機區組排列，試驗田四周設保護行。試驗農田土壤鉀含量富集，本試驗只施用氮肥與磷肥，施純氮360 kg/hm2（按基肥：大喇叭口期：開花后15 d=3∶5∶2 分施），施純磷（P2O5）180 kg/hm2，均為基肥。灌溉方式為滴灌，追施氮肥隨滴灌追施，試驗田采取機械化精量播種，株距20 cm，行距60 cm。保水劑按小區用量與細土以l∶10比例混合均勻，離玉米種穴約5 cm，深度15 cm 穴施，然后覆土。其他田間管理按當地常規農事操作進行。本年度試驗玉米于2021年4月28日播種，9月14日收獲。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤體積含水量測定

用水分測定儀TDR350（美國SPECTRUM）測定播種前和青貯玉米各生育時期0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層土壤體積含水量。

1.3.2 青貯玉米葉綠素相對含量（SPAD）測定

青貯玉米拔節期-成熟期玉米葉片葉綠素相對含量（SPAD）測定與土壤水分測定同期。用手持葉綠素儀（SPAD-502Plus，美能達，日本）隨機測定各處理10 株青貯玉米穗位葉片的葉綠素相對含量（SPAD）值，每葉片測定6 次，取平均值。

1.3.3 青貯玉米光合特性指標測定

在青貯玉米大喇叭口期、開花期和灌漿期，選擇晴朗天氣早晨9:00-11:00，用便攜式光合儀（LI-6400XT，美國）測定青貯玉米穗位葉的光合速率（Pn：Photosynthetic rate）、蒸騰速率（Tr：Transpiration rate） 和氣孔導度（Gs：Stomatal conductance），各處理重復測定3 次，并計算葉片水分利用效率（WUEL），單位：μmol/mmol。

式中：Pn為光合速率，μmol；Tr為蒸騰速率，mmol。

1.3.4 青貯玉米生物鮮重測定和經濟收益計算

青貯玉米刈割：在青貯玉米籽粒乳線達1/3～1/2，全株含水量約65%時，按小區從地上部10 cm 處隨機全株刈割20 株，計青貯玉米生物鮮重，最后換算每公頃青貯玉米生物鮮重產量，t/hm2；并根據保水劑施用量計算增收產值，元/hm2。

式中：其余生產資料投入相同，故僅考慮保水劑費用。

1.3.5 青貯玉米飼料品質測定

樣品處理：在青貯玉米刈割時，每小區隨機選取3株青貯玉米全株（地上部10 cm 以上），然后在105 ℃條件下烘2 h后，再用60 ℃溫度烘干至恒重粉碎，以備品質測定。

品質測定：用多功能近紅外分析儀（福斯NIRS DS2500，瑞典）測定粉碎樣品的粗蛋白(CP：Crude protein)、粗脂肪（EE：Ether extract）、酸性洗滌纖維（ADF：Acid detergent fiber)、中性洗滌纖維（NDF：Neutral detergent fiber）和可溶性碳水化合物（WSC：Water-soluble carbohydrates）含量，每個樣品重復裝樣掃描3次，取平均值。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016 進行數據處理、制圖和表，利用SPSS 21.0進行方差分析、多重比較和相關分析。

2 結果與分析

2.1 生態保水劑施用量對青貯玉米全生育期土壤含水量的影響

由圖1可知，玉米播前，土壤體積含水量隨著土層深度遞增逐漸增大，處理間0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層土壤體積含水量差異不顯著。玉米苗期，土壤體積含水量由于播種后灌水土壤體積含水量提高，B5 和B7 處理0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土層土壤體積含水量顯著高于CK 處理，B5和B7 處理間土壤體積含水量差異不顯著。玉米拔節期、大喇叭口期、開花期、灌漿期和成熟期0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土層土壤體積含水量也是B5 和B7 處理顯著高于CK 處理，B5和B7處理間差異不顯著。因此，施用保水劑能夠提高土壤體積含水量。

圖1 保水劑施用量對青貯玉米各生育時期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層土壤體積含水量的影響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

分析不同處理青貯玉米全生育期（苗期-收獲期）0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層平均土壤體積含水量（表1）。結果表明：施用生態保水劑能顯著提高青貯玉米全生育期0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm 土層土壤體積含水量，隨著保水劑施用量的增加，土壤體積含水量逐漸增加后趨于穩定。B5和B7 處理玉米全生育期0～40 cm 平均土壤體積含水量較CK 處理分別提高11.27%和12.15%，B5 和B7 處理間差異不顯著。表明施用生態保水劑可以抑制土壤水分的蒸散與流失，提高土壤含水量，為作物的生長發育奠定良好的水分環境。

表1 保水劑施用量對青貯玉米生育期土層平均土壤體積含水量的影響（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 生態保水劑施用量對青貯玉米葉綠素相對含量(SPAD)的影響

由圖2可知，青貯玉米葉綠素相對含量(SPAD)隨生育期的推進呈現先增加后降低的總趨勢。施用生態保水劑能提高玉米拔節期至灌漿期葉綠素相對含量，其中B5和B7處理葉綠素相對含量與CK 處理差異顯著，B5 和B7 處理間葉綠素相對含量差異不顯著，B5和B7處理玉米全生育期玉米葉綠素相對含量分別較CK 處理提高7.67%和7.45%。說明適宜的保水劑施用量能提高玉米葉綠素相對含量。

圖2 保水劑施用量對青貯玉米各生育時期葉綠素相對含量(SPAD)的影響Fig.2 Effect of application amount of water retaining agent on relative chlorophyll content (SPAD) of silage maize at different growth stages

2.3 生態保水劑對不同生育期玉米光合特性的影響

由表2可知，施用保水劑能提高玉米大喇叭口期至灌漿期凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Sc）和葉片水分利用效率（WUEL），且隨著保水劑施用量的增加，玉米凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉片水分利用效率呈現先提高后趨于穩定的趨勢，其中B5和B7處理與CK處理差異顯著，B5和B7處理間差異不顯著。

表2 保水劑施用量對青貯玉米光合特性的影響Tab.2 Effects of water retaining agent application rate on photosynthetic characteristics of silage maize

比較玉米大喇叭口期-灌漿期凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉片水分利用效率的均值大小表現為B5>B7>B3>CK的總趨勢，其中B5 處理玉米的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉片水分利用效率較CK 處理分別提高58.32%、32.94%、35.22%和17.63%，B5和B7處理間差異不顯著。

2.4 生態保水劑對青貯玉米鮮草產量和經濟效益的影響

施用生態保水劑能顯著提高青貯玉米鮮草產量和經濟效益（表3）。隨著保水劑用量增加，青貯玉米鮮草產量表現為先增加后穩定的趨勢，B5 和B7 處理青貯玉米鮮草產量顯著高于B3 和CK 處理，B5 和B7 處理間差異不顯著，其中B5 和B7 處理青貯玉米鮮草產量較CK 處理提高27.22%和27.77%。隨生態保水劑用量及成本費用的增加，經濟效益表現為B5>B7>B3>CK，其中B5 處理增加最高，為3 802.2元/hm2。

表3 保水劑施用量對青貯玉米產量和經濟效益的影響Tab.3 Effect of application amount of water retaining agent on Yield and economic benefit of silage maize

2.5 生態保水劑施用量對青貯玉米飼料品質的影響

施用生態保水劑能顯著影響青貯玉米飼料品質（表4）。B5和B7處理青貯玉米粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維和可溶性碳水合物含量較CK 處理差異顯著，B5 和B7 處理間差異不顯著。其中B5 處理青貯玉米粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水化合物含量較CK 處理分別提高19.16%、24.24%和24.22%，酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量分別降低12.14%和7.73%。表明適宜的生態保水劑施用量能改善青貯玉米飼草品質。

表4 保水劑施用量對青貯玉米品質的影響Tab.4 Effect of application amount of water retaining agent on the quality of silage maize

2.6 青貯玉米生育期土壤水分、光合性狀、品質、產量間的相關性分析

不同生態保水劑施用量下青貯玉米生育期土壤體積含水量（SVMC）、葉綠素相對含量（SPAD）、光合特性指標（Pn、Tr、Gs、WUEL） 均值、品質指標（CP、EE、ADF、NDF、WSC）、產量（Yield）間相關性分析（表5）。結果表明，青貯玉米生育期土壤體積含水量均值與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*）的均值達到極顯著和顯著水平正相關，與ADF（-0.861**）和NDF（-0.655*）達到極顯著和顯著負相關；SPAD、Pn、Tr、Gs、WUEL各指標與EE、ADF、NDF、WSC、Yield各指標間達到顯著或極顯著相關。表明適宜的生態保水劑施用量提高了青貯玉米生育期土壤含水量，改善了青貯玉米光和特性，進而促進青貯玉米的飼料品質和產量的提高。

表5 青貯玉米生育期土壤水分、光合性狀、品質、產量間的相關性分析Tab.5 Correlation analysis among soil moisture, photosynthetic characteristics, quality and yield during the growth period of silage maize

3 討 論

3.1 生態保水劑施用量對青貯玉米全生育期土壤含水量的影響

水分是限制作物生長與發育的重要因素之一。施用保水劑可以顯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，施用生態保水劑能顯著提高青貯玉米全生育期0～10 cm、10～20 cm 和20～40 cm 土層土壤體積含水量，且隨著保水劑施用量的增加，土壤體積含水量逐漸增加后趨于穩定；青貯玉米全生育期平均土壤體積含水量B5 和B7 處理較CK 處理分別提高11.27%和12.15%，B5 和B7 處理差異不顯著。這與李榮[21]和秦舒浩[22]等研究結果基本一致，即施用保水劑提高了作物不同生育階段0～40 cm 土層的土壤含水量，以供作物利用。其原因是保水劑施入土壤后，通過自身吸收膨脹等特性，部分灌溉水滯留在保水劑施用層附近，使土壤保持較高的含水量，為作物的生長發育奠定良好的水分環境[21,23]。

3.2 生態保水劑施用量對玉米葉綠素和光合特性的影響

作物通過光合作用進行物質生產，為其各項生命活動提供必要的物質基礎，而葉綠素含量和光合特性則是衡量光合作用強弱的重要指標[16]。本試驗結果表明，施用生態保水劑不僅顯著提高了玉米生育期葉片葉綠素含量；同時提高了玉米葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉片水分利用效率，其中B5 和B7 處理玉米生育期平均葉綠素含量較CK 處理分別提高7.67%和7.45%，B5 處理玉米葉片光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉片水分利用效率較CK 處理分別提高58.32%、32.94%、35.22%和17.63%。這與王依慧[16]和楊永輝[17]的研究結果一致，即適量的保水劑對提高作物的葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度有一定的促進作用。究其原因是施用保水劑可以使土壤保持較高的水分環境，為作物的生長發育奠定良好的水分環境，延緩了干旱脅迫對作物光合作用的抑制，進而了提高光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉片水分利用效率[24]。

3.3 生態保水劑施用量對青貯玉米鮮草產量和飼料品質的影響

施用保水劑不僅會促進作物的生長，還會提高作物產量及其經濟效益。青貯玉米全株所含有效成分的種類及數量決定其營養價值的高低，是評價其作為飼料優良與否的重要指標[25]。李榮等[21]研究表明，施用保水劑可促進玉米增產，其經濟效益也顯著提高。鄒超煜等[26]研究結果表明施用保水劑可顯著增加玉米、西瓜和馬鈴薯的經濟收益。本研究結果表明，隨生態保水劑用量的增加，鮮草產量表現先增加后穩定的趨勢，經濟效益隨生態保水劑用量及成本費用的增加表現先增加后降低的趨勢，其中B5 和B7 處理青貯玉米產量較CK 處理提高27.22%和27.77%，B5 處理經濟收益最高，為3 802.2 元/hm2；同時研究表明，隨著保水劑施用量的增加，青貯玉米全株的粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水合物含量逐漸增加，而酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量降低逐漸降低，進而改善了青貯玉米全株的飼料品質。其中B5 處理青貯玉米粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水化合物含量較CK 處理分別提高19.16%、24.24%和24.22%，酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量分別降低12.14%和7.73%。因此適量施用保水劑能夠吸收和保蓄水分，改善土壤水分環境，通過吸附營養元素，減少淋溶，達到了節水節肥[27,28,21]，調節作物地下和地上部分二者協調生長，促進光合性能，使其農作物的產量得到提高，品質得到改善[29,30]。

4 結 論

綜上所述，在河西地區青貯玉米覆膜滴灌常規種植中，配施75 kg/hm2新型生態保水劑，不僅有利于提高作物耕層土壤水分含量，為作物生長奠定良好的土壤水分環境，促進有限灌水資源的利用效率；同時可以促進青貯玉米葉綠素含量、光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉片水分利用效率的提高，調節作物地下和地上部分二者協調生長，進而達到產量、品質和經濟效益的多重提升。