保水劑對(duì)冬菠菜耗水特性及產(chǎn)量的影響研究

史中興，劉 騰，陳 琳，費(fèi)良軍，劉 樂

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 白銀 730400)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，水資源越來(lái)越成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素之一[1]。農(nóng)業(yè)用水在我國(guó)水資源利用中占了很大的比例，因此提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率是目前亟待解決的問(wèn)題。保水劑是一種高吸水性樹脂，其不溶解于水，但遇水時(shí)能吸水膨脹，在短時(shí)間內(nèi)吸收比自身重量大百倍甚至千倍的水分，形成固體凝膠，在缺水時(shí)，可緩慢釋放80%～95%的水分供作物吸收利用，并且其具有反復(fù)吸水的功能[2,3]。第一代保水劑是在20世紀(jì)50年代后期開發(fā)出來(lái)的，美國(guó)農(nóng)業(yè)部森林服務(wù)部和一些大學(xué)采用Terra-sorb(TAB)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，研究表明使用保水劑可以有效地增加土壤的持水能力，提高水資源利用效率[4-11]。國(guó)內(nèi)對(duì)于保水劑的研究從上世紀(jì)80年代初期開始，通過(guò)不斷地突破創(chuàng)新，將研制出的高質(zhì)量保水劑推廣應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展中[12]。國(guó)內(nèi)學(xué)者做了很多關(guān)于保水劑在大田作物上的應(yīng)用研究，楊永輝[13]、韓波[14]等研究了保水劑對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明，施加保水劑可以提高土壤含水量，降低小麥的耗水量，提高其水分利用效率；候賢清[15]、穆俊祥[16]等研究了保水劑不同施用量對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響，表明施用保水劑可以有效地提高土壤儲(chǔ)水能力，加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，提高養(yǎng)分利用率；對(duì)于保水劑在蔬菜種植中的應(yīng)用目前研究較少，并且這些研究[17-19]主要注重于保水劑的施加對(duì)于蔬菜出苗以及苗期生長(zhǎng)的影響，而對(duì)于保水劑對(duì)蔬菜生長(zhǎng)狀況，產(chǎn)量及耗水規(guī)律的研究較少，而水分對(duì)于蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量和品質(zhì)的形成有很大的影響，不同生育階段對(duì)于水分的需求也存在很大差異[19-21]。本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)研究了不同保水劑含量、不同拌施深度以及不同灌水定額對(duì)菠菜的生長(zhǎng)指標(biāo)，產(chǎn)量及耗水規(guī)律的影響，為保水劑在蔬菜種植中的應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

試驗(yàn)在西安理工大學(xué)進(jìn)行，供試作物是菠菜，品種為綠箭2618，保水劑種類為γ-PGA，以谷氨酸為單元體聚合而成。試驗(yàn)采用盆栽法，盆栽塑料箱尺寸為35 cm×35 cm×15 cm(長(zhǎng)×寬×高)，每箱裝土17.5 kg，土箱置于透光遮雨棚下，因此試驗(yàn)不考慮降雨因素。菠菜于2017年10月18日播種， 2018年3月9日收獲。每箱均勻點(diǎn)播種子，種子個(gè)數(shù)25，干籽播種，播種前澆足底水，基底肥施史丹利，每個(gè)處理所施的基底肥量為600 kg/hm2；待幼苗的2～4片真葉充分展開后定苗，土壤顆粒組成為黏粒(<0.002 mm)占13.58%，粉粒(0.002～0.02 mm)占71.55%，砂粒(0.02～2 mm)占14.87%。試驗(yàn)以保水劑含量，保水劑拌施深度以及灌水定額作為影響因素，每個(gè)因素三個(gè)水平，共設(shè)9個(gè)處理，1個(gè)對(duì)照，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表見表1。所有數(shù)據(jù)均采用Excel2010,SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素對(duì)菠菜葉面積的影響特征

圖1表示不同因素的菠菜葉面積的變化規(guī)律，可以看出，在菠菜全生育期內(nèi)，葉面積的變化大致分為三個(gè)階段。從11月1日至1月8日葉面積變化速度較慢，1月中旬到2月中旬菠菜葉面積變化速率有明顯的增高，2月中旬至3月上旬菠菜葉面積基本不再發(fā)生變化。當(dāng)保水劑用量較低時(shí)，菠菜葉面積的值為S3>S2>S4>S5>S1>S6>CK，且S3、S2和S4均顯著較其他處理的高，表明適當(dāng)?shù)氖┘颖Ｋ畡┛梢杂行У靥岣卟げ巳~面積，而保水劑用量較大的S7、S8、S9葉面積均較未施加保水劑的低，并且當(dāng)S7、S8、S9的葉面積值基本不在變化時(shí)，其他處理的還在繼續(xù)生長(zhǎng)，表明保水劑用量過(guò)大會(huì)抑制菠菜葉片的發(fā)育，影響菠菜的生長(zhǎng)。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表

圖1 不同影響因素的菠菜葉面積變化圖

表2為不同處理3月9日所測(cè)葉面積的方差分析結(jié)果?？梢钥闯?，保水劑拌施土層厚度對(duì)菠菜株高的影響不顯著(p>0.05)，保水劑用量和灌水定額顯著大于拌施土層厚度對(duì)菠菜葉面積的影響(p<0.01)，對(duì)葉面積影響極顯著。

表2 不同處理菠菜葉面積指標(biāo)方差分析

注：α=0.05，*表示顯著，**表示極顯著，P<0.05時(shí)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 保水劑對(duì)菠菜產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響特征

上述分析可知，保水劑用量和灌水定額對(duì)菠菜的生長(zhǎng)指標(biāo)有顯著的影響，而保水劑拌施土層厚度對(duì)菠菜生長(zhǎng)的影響并不明顯，因此選擇對(duì)菠菜生長(zhǎng)有較明顯影響的兩個(gè)因素分析其對(duì)菠菜產(chǎn)量，耗水量及菠菜水分利用效率的影響，結(jié)果分別見圖2,、圖3、圖4。從圖2可以看出，當(dāng)保水劑含量小于300 kg/hm2時(shí)，菠菜產(chǎn)量隨保水劑用量的增加而增加；當(dāng)保水劑用量大于300 kg/hm2時(shí)，菠菜產(chǎn)量隨保水劑用量的增加而減少，這可能是由于在較高保水劑用量及灌水定額的條件下，土壤含水率較大，影響了菠菜根系活動(dòng)以及對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。當(dāng)灌水定額小于157.4 m3/hm2、保水劑含量在0～300 kg/hm2變化時(shí)，保水劑用量的變化對(duì)菠菜產(chǎn)量的影響相比灌水定額較為明顯，保水劑用量在300～824.6 kg/hm2時(shí)，菠菜產(chǎn)量對(duì)保水劑用量變化敏感性減弱，灌水定額對(duì)菠菜產(chǎn)量的影響逐漸明顯，這可能是由于較高的保水劑用量吸收了菠菜生長(zhǎng)所需的水分，菠菜處于比較缺水的狀態(tài)，因此灌水定額對(duì)產(chǎn)量的影響占主導(dǎo)因素；當(dāng)灌水定額大于157.4 m3/hm2、保水劑用量在0～300 kg/hm2變化時(shí)，灌水定額的增加對(duì)菠菜產(chǎn)量變化的影響逐漸增加，當(dāng)保水劑用量在300～824.6 kg/hm2時(shí)，菠菜產(chǎn)量對(duì)保水劑用量的變化相比于灌水定額較為敏感。當(dāng)保水劑用量為310.9 kg/hm2，灌水定額為172.4 m3/hm2時(shí)，菠菜單株產(chǎn)量為17.0 g/株，單株產(chǎn)量達(dá)到最大值。

圖2 不同影響因素的單株產(chǎn)量變化圖

從圖3可以看出，保水劑用量對(duì)菠菜水分利用效率的影響較為明顯，當(dāng)保水劑用量小于300 kg/hm2，灌水定額小于160.4 m3/hm2時(shí)，菠菜水分利用效率對(duì)保水劑用量的增加而增加，此時(shí)灌水定額對(duì)水分利用效率的影響并不明顯；當(dāng)灌水定額大于160.4 m3/hm2時(shí)，水分利用效率隨灌水定額的增加而增加，此時(shí)菠菜水分利用效率對(duì)保水劑用量變化敏感性減弱，灌水定額對(duì)菠菜水分利用效率的影響逐漸明顯。當(dāng)保水劑用量大于300 kg/hm2時(shí)，保水劑用量的變化對(duì)菠菜水分利用效率有明顯影響，隨著保水劑用量的增加，菠菜水分利用效率降低。此時(shí)灌水定額對(duì)菠菜水分利用效率的影響較弱。當(dāng)保水劑用量為281.9 kg/hm2，灌水定額為120和180 m3/hm2時(shí)，菠菜水分利用效率均為2.8，達(dá)到最大值。

圖3 不同影響因素的水分利用效率變化圖

從圖4可以看出，隨著保水劑用量的增加，菠菜單株耗水量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，并且當(dāng)灌水定額高于10.0 mm時(shí)，菠菜單株耗水量對(duì)保水劑的變化相比于灌水定額較為敏感。當(dāng)灌水定額低于10.0 mm時(shí)，菠菜單株耗水量對(duì)保水劑用量的敏感程度降低，灌水定額對(duì)菠菜單株耗水量的影響逐漸體現(xiàn)。當(dāng)保水劑用量為524.7 kg/hm2，灌水定額為180 m3/hm2時(shí)，菠菜單株耗水量達(dá)到了最大值6.4 mm。當(dāng)菠菜產(chǎn)量達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的保水劑用量和灌水定額條件下的菠菜單株耗水量為6.0 mm，小于最大單株耗水量，并且從圖2中可以得出此時(shí)菠菜水分利用效率也達(dá)到了較大值；當(dāng)保水劑用量為547.2 kg/hm2，灌水定額為117 m3/hm2時(shí)菠菜也獲得較大產(chǎn)量，但其單株耗水量達(dá)到了最大值6.4 mm，并且由圖2可知其水分利用效率也較低。綜上所述，考慮高產(chǎn)高效及經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)保水劑施用量為310.9 kg/hm2，灌水定額為173.9 m3/hm2時(shí)為最優(yōu)。

圖4 不同影響因素的耗水量變化圖

2.3 菠菜不同生育期的耗水規(guī)律

圖5表示菠菜不同生育時(shí)期耗水規(guī)律?？梢钥闯觯乃吭谡麄€(gè)生育期的變化可以由各個(gè)生育期的平均耗水量變化表示，菠菜整個(gè)生育期的耗水規(guī)律表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，在生長(zhǎng)中期達(dá)到最大值，菠菜在發(fā)芽期耗水量較少，平均耗水量?jī)H為6.21 mm，約占整個(gè)生育期耗水量的5%，這是由于這一時(shí)期真葉逐漸形成，但葉片數(shù)量較少，因此在這一階段用于蒸騰作用所需水量較少；幼苗期至生長(zhǎng)中期耗水量大量增加，約占全生育期總耗水量的76.5%，幼苗期耗水量較發(fā)芽期的明顯增大，平均耗水量為24.88 mm，約占全生育期耗水量的21.9%，這可能是由于在這一階段內(nèi)，真葉數(shù)量逐漸增多且葉片面積變大，增加了蒸騰量，從而導(dǎo)致了耗水量的上升；生長(zhǎng)前期耗水量較幼苗期只有輕微的增長(zhǎng)，平均耗水量為26.6 mm，約占全生育期耗水量的23.42%，這可能是由于在這一段時(shí)間菠菜越冬，溫度降低，呼吸作用減弱，菠菜各項(xiàng)生理活動(dòng)減慢，只維持基本的生理活動(dòng)，因此這一時(shí)期對(duì)于水分的需求較低；生長(zhǎng)中期菠菜的耗水量達(dá)到了全生育期的最大值，平均耗水量為35.45 mm，占全生育期耗水量的31.21%，這一階段溫度開始回升，菠菜開始迅速生長(zhǎng)，葉片面積明顯增加，從而增加了蒸騰作用，使得菠菜對(duì)水分的需求增大，因此這一階段是菠菜產(chǎn)量形成的重要時(shí)期。進(jìn)入生長(zhǎng)后期，菠菜耗水量明顯下降，平均耗水量為20.44 mm，約占全生育期總耗水量的18%，這一階段的菠菜生長(zhǎng)已經(jīng)進(jìn)入后期，株高和葉面積均不再發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致這一階段的耗水量逐漸降低。

圖5 不同生育時(shí)期耗水規(guī)律

2.4 菠菜產(chǎn)量與總耗水量之間的關(guān)系

對(duì)保水劑施用量與菠菜總產(chǎn)量做相關(guān)分析可知，保水劑施用量與菠菜產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92，表明保水劑的使用量對(duì)菠菜產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，通過(guò)保水劑用量與菠菜耗水量的相關(guān)性分析可知，保水劑的施用量與菠菜耗水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。為確定適宜保水劑施用量，對(duì)菠菜產(chǎn)量和耗水量的試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行回歸分析，得出產(chǎn)量與耗水量之間呈二次拋物線關(guān)系從而確定適宜的保水劑施用量，見圖6，其方程為：

Y=-0.93w2+241.14w-13 630

(1)

式中：Y為菠菜總產(chǎn)量，15 kg/hm2；w為菠菜生育期灌水總量，mm。式(1)擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.836 2，達(dá)顯著水平。

圖6 菠菜產(chǎn)量與總耗水量之間的關(guān)

從圖6還可以看出，當(dāng)全生育期總耗水量小于129.65 mm時(shí)，產(chǎn)量隨著耗水量的增加而增加；當(dāng)全生育期耗水總量大于129.65 mm時(shí)，產(chǎn)量隨著耗水量的增加而降低。通過(guò)對(duì)產(chǎn)量與耗水量之間的函數(shù)關(guān)系的分析，可以得出當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到最大時(shí)，菠菜需水量為129.65 mm，實(shí)現(xiàn)了水資源的高效利用。分析數(shù)據(jù)可知，S3處理菠菜產(chǎn)量達(dá)到最大值(400 g)，但耗水量為152.73 mm，也達(dá)到最大值，此時(shí)的高產(chǎn)是以較高的耗水量為代價(jià)得到的，因此不作為最佳處理。當(dāng)保水劑施用量為285.6 kg/hm2、拌施土層厚度為5～10 cm、灌水定額為150 m3/hm2(即S2處理)時(shí)，菠菜耗水量為130.55 mm，菠菜總產(chǎn)量為314 g，達(dá)到較高水平。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)不同因素對(duì)冬菠菜生長(zhǎng)指標(biāo)、產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響特性研究，得出以下結(jié)論。

(1)適量的施加保水劑可以有效地提高土壤含水量，促進(jìn)菠菜葉面積的生長(zhǎng)；菠菜葉面積對(duì)保水劑含量及灌水定額的變化十分敏感。

(2)不同灌水定額條件下保水劑含量的變化對(duì)菠菜單株產(chǎn)量，耗水量及水分利用效率的影響不同，適量施用保水劑可以有效提高菠菜單株產(chǎn)量，降低單株耗水量，提高水分利用效率。

(3)菠菜生長(zhǎng)對(duì)水分需求最大的時(shí)期為生長(zhǎng)中期，此時(shí)水分狀況對(duì)菠菜的產(chǎn)量及品質(zhì)形成有很大的影響，因此在這一階段要保證水分的充足供應(yīng)；通過(guò)對(duì)菠菜總產(chǎn)量和總耗水量之間的關(guān)系研究，揭示了菠菜產(chǎn)量與全生育期耗水量之間呈二次拋物線關(guān)系，隨著耗水量的增加產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，最佳耗水量為129.65 mm。

研究表明，保水劑含量285.6 kg/hm2、拌施深度5～10 cm，灌水定額150 m3/hm2可以實(shí)現(xiàn)冬菠菜高產(chǎn)、高效，過(guò)高或過(guò)低的保水劑施用量均不利于菠菜的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成。