不同保水剂对旱地春玉米生长发育和产量的影响

刘 礼，孙东宝，王庆锁

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部旱作节水农业重点开放实验室，北京 100081)

我国北方旱作区56%以上的农田依靠自然降水发展雨养农业[1]。该地区全年总降水量少，季节分布不均，约60%～70%的降水集中在7—9月，春季干旱多发[2-3]。春玉米是北方旱区的主要粮食作物，苗期和拔节期干旱是限制玉米生长的主要因素，加之同期气温高、叶面积指数小，地表裸露面积大，土壤水分蒸发损失严重，加剧了土壤干旱程度。与此同时，干旱还限制了土壤养分的运移和玉米根系对养分的吸收，进一步抑制玉米生长发育，导致减产[4]。因此，有效缓解苗期和拔节期干旱是该地区玉米稳产与高产的重要保证。

保水剂作为一种新型节水材料，具有良好的吸水、保水特性。施入土壤后能保留大量的水分和养分，在水分缺乏时可根据作物需求缓慢释放，提高土壤水分、养分的有效性，从而改善作物生长状况[5-7]，特别是在干旱地区，效果更为显著[8]。研究发现，保水剂能显著提高旱地玉米出苗率及幼苗成活率[9-10]，同时促进玉米生长发育，对玉米株高、叶面积指数、光合能力以及地上部、根部生物量的累积[11-13]等均具有明显的促进作用，提高了玉米水肥利用效率[14-16]，从而达到节水增产的目的。保水剂的施用效果又受到保水剂种类、施用量、土壤条件和气象等多种因素的影响。近年来许多研究结果证实施用保水剂能显著提高玉米产量[14,17]，但大多数研究主要是关于单一保水剂类型及不同保水剂用量对土壤改良和作物产量的影响[17-19]，关于玉米生长发育对不同类型保水剂在土壤中应用的动态响应研究较少。基于以上现状，本研究选择了市面上常见的3种类型保水剂作为研究对象，分别为腐殖酸类(黄腐酸)、聚丙烯酸盐类(聚丙烯酸钾)和聚丙烯酰胺，以山西典型旱地玉米田为研究对象，进行了为期两年的田间定位试验，比较研究了不同类型保水剂对旱地玉米各生理指标、干物质累积动态、产量及其构成因素的影响，为保水剂在山西旱地玉米田的推广和选择应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012年4月—2013年10月在农业部寿阳旱地农业重点野外科学观测试验站进行，该试验站位于山西省寿阳县宗艾镇宗艾村( 37°51′N，113°05′E，海拔1 135 m)。试验地区属于暖温带大陆性半湿润气候，年平均气温8.11℃，≥10℃积温2 994℃·d，无霜期130 d，多年平均降水量474.2 mm。土壤类型为褐土，质地为砂质粘土。播前土壤含水量为25.05%，供试土壤基本理化性质为：pH 8.4，有机质17.6 g·kg-1，全氮0.956 g·kg-1，有效磷1.8 mg·kg-1，速效钾25.2 g·kg-1。气象资料由寿阳气象站提供，试验期间2012年和2013年玉米生育降水量分别为471.4 mm和496.6 mm，降水分布见图1。

图1 试验年降水量及其分布Fig.1 Annual precipitation and its distribution

1.2 试验材料

供试材料为春玉米，品种为大丰30号。播种深度为5～7 cm，行距60 cm，株距30 cm，种植密度为55 000株·hm-2。播种日期分别为 2012年4月30日和2013年4月27日,并于每年10月1日收获。2年试验期间分别在玉米不同生长阶段进行取样测定，取样时间分别为：苗期(2012年6月11日、2013年6月14日)、拔节期(2012年7月11日、2013年7月15日)、开花期(2012年8月3日、2013年8月5日)和灌浆期(2012年9月7日、2013年9月5日)。

供试保水剂类型有3种，分别为：聚丙烯酸钾PAAS(甘肃海瑞达有限公司生产的聚丙烯酸盐类保水剂)；黄腐酸HA和聚丙烯酰胺PAM(山东济南运泽化工有限公司生产的腐植酸类、非离子性聚合物保水剂)。

1.3 试验设计

本试验共设4个处理，分别为：不施保水剂(CK)，保水剂PAAS，保水剂HA，保水剂PAM；每个处理3次重复，共12个小区，小区面积为80 m2(8 m×10 m)。施用方法为保水剂与基肥混匀后穴施，保水剂施用量为50 kg·hm-2，种肥施用量为100 kg·hm-2，为避免肥料对种子的影响，种肥施于距离种子15 cm的位置；拔节后期追施尿素180 kg·hm-2。对照除不施用PAAS、PAM和HA外，其它管理措施均与上述3个处理一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 叶面积指数 在玉米定苗后，每个小区选择3株代表性植株，对其每个叶片的长度和最大宽度进行测定。之后每10 d测定一次，并采用系数法计算叶面积。叶面积指数LAI是指叶片总面积与土地面积的比值。

A=0.74×Lk×Wk

(1)

(2)

式中，A为叶片叶面积；0.74为叶面积系数；Lk为第k片叶片的长度；Wk为第k片叶片的宽度；LAI为叶面积指数，S为土地面积。

1.4.2 生理指标的测定 叶绿素含量(SPAD)：采用便携式叶绿素仪(SPAD-502)测定。分别在玉米5叶、10叶、抽穗期和灌浆期选择5片发育完全的幼叶进行测定并记录数据。

玉米净光合速率(Pn)与蒸腾速率(Tr)：使用LI-6400便携式光合系统测定仪(利用自然光源和田间CO2)测定玉米叶片的净光合速率、蒸腾速率。分别在玉米苗期、拔节期、开花期和灌浆期从每个处理中选择具代表性的3株玉米，于上午10∶00—11∶00间进行测定，测定部位为植株顶部第一片全展叶的中部。

(3)

式中，F为空气流量(μmol·s-1)；Ws为样品水摩尔比(mmol·mol-1);Wr为参比水摩尔比(mmol·mol-1)；S为叶面积(m2)。

(4)

式中,Cs为样品室CO2浓度(μmol·mol-1)；Cr为参比室CO2浓度(μmol·mol-1)。

1.4.3 玉米地上部干物质累积量(SDM) 分别在玉米苗期、拔节期、开花期和收获期从每个处理选取3株代表性植株，取地上部分在105℃烘箱中杀青30 min，然后在85℃下烘干至恒重，称重并记录干物质重量。

1.4.4 产量及其构成因素 玉米成熟后，每个小区将除去边行的其余部分全部收获，然后分别测定玉米穗数、每穗穗长、秃尖长。待玉米自然风干后脱粒，测定其穗粒重、千粒重、籽粒产量，并将籽粒产量换算成公顷产量(kg·hm-2)。

1.5 数据处理

数据处理和统计分析分别采用Microsoft Excel 2013和SAS 6.12。在5%的概率水平下，采用F值进行方差分析比较。

2 结果与分析

2.1 不同保水剂对玉米叶面积指数(LAI)的影响

随生育期的推进，不同保水剂处理下玉米叶面积指数(LAI)变化如图2所示。2012、2013年不同处理LAI随时间推移变化趋势基本一致，均在8月5日左右达到最大值。与对照相比，PAAS、PAM和HA处理下玉米平均最大叶面积指数分别增加了6.2%、3.6%和2.4%。不同保水剂在玉米不同生长时期对叶面积指数的增加效应不同，在玉米生育前期(6月—7月中旬)LAI显著增加，且PAAS>PAM>HA。如2012年7月1日，PAAS、PAM和HA三种处理下玉米叶面积指数分别比对照增加了45.9%、35.1%和24.3%；2013年7月15日，LAI分别增加了47.1%、33.7%和24.4%。但生长后期(7月25日后)PAAS、PAM和HA处理下玉米叶面积指数与对照处理均无显著性差异，保水剂对植株生长的作用不明显，甚至低于对照。以PAAS为例，2012年7月15日至8月15日LAI由2.28提高到2.81，增长23.2%。而对照组LAI由1.56提高到2.57，同期增加64.7%。这可能是由于降雨充足时，对照处理玉米发生补偿生长。由此可见，土壤中添加保水剂可显著促进玉米生长前期叶片膨大，尤其是PAAS效果更优。

图2 不同保水剂对玉米生育期叶面积指数的影响Fig.2 Effect of different water-retention agents on leaf area index in maize growth period

2.2 不同保水剂对玉米各生理指标的影响

2.2.1 叶绿素含量(SPAD值) SPAD值可以反映叶片的相对叶绿素浓度和植物的营养状况。随生育期的动态变化，不同保水剂处理下玉米SPAD值变化如图3所示。与对照相比，PAAS、PAM和HA处理下玉米苗期、拔节期SPAD值显著增加，苗期SPAD值依次提高了17.9%、10.6%和5.6%,拔节期分别提高了19.6%、14.6%和9.0%。不同保水剂间PAAS>PAM>HA，且PAAS显著高于PAM和HA，PAM和HA间差异不显著。同时PAAS也可明显提高玉米抽穗期叶绿素含量，与对照相比提高了13.0%；而PAM和HA则与对照无显著差异。由此可见，保水剂能显著增加玉米生长前期SPAD值，而PAAS效果更为显著。

注：图中不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). The same below.图3 不同保水剂对玉米叶绿素含量的影响(2012年)Fig.3 Effect of different water-retention agents on chlorophyll content of maize (2012)

2.2.2 净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr) 随生育期的动态变化，不同保水剂处理下玉米净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)变化如图4所示。与对照相比，施用保水剂显著提高了玉米苗期、拔节期的Pn和Tr。在玉米苗期，PAAS、PAM和HA处理Pn分别提高了48.6%、29.6%和12.4%，Tr分别提高了27.4%、4.2%和22.2%。拔节期保水剂的作用效果更为显著，Pn分别比对照提高了60.2%、49.4%和42.0%,Tr分别提高了28.3%、17.4%和9.7%;不同保水剂间表现为PAAS>PAM>HA，且PAAS显著高于HA。到了抽穗期，PAAS和PAM处理玉米Pn和Tr仍有所提高，但幅度较小，Pn分别比对照提高了9.9%和9.3%，而HA处理则与对照无显著性差异。玉米灌浆期，保水剂对Pn和Tr无影响，处理间差异不显著，原因可能是这一时期雨量较充沛，叶片光合和蒸腾作用受干旱胁迫的影响小。由此可见，施用保水剂能够显著提高玉米生长前期净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)，且PAAS的作用效果更好。

图4 不同保水剂对玉米净光合速率和蒸腾速率的影响(2012年)Fig.4 Effects of different water-retention agents on net photosynthetic rate and transpiration rate of maize (2012)

2.3 不同保水剂对玉米干物质累积量(SDM)的影响

不同保水剂处理玉米不同生育阶段地上部分干物质累积量变化特征如图5。总的来看，保水剂处理玉米SDM较对照处理显著增加(P<0.05)。与CK 相比，2012年PAAS、PAM和HA 处理的地上干物质累积量增加了8.7%～14.5%，2013年增加了9.3%～24.9%。不同保水剂对SDM累积的影响不同，其中PAAS对SDM的促进作用最好，HA的作用不明显，两者间差异显著，而PAAS与PAM两年的SDM无显著性差异。

不同保水剂处理下，不同生长阶段的SDM累积比例不同。出苗到拔节阶段，2012年保水剂处理下的SDM与对照相比无显著性差异，而2013年PAAS

和HA处理的SDM显著高于CK，PAM处理下有所增加，但差异不显著。可能是因为土壤水分条件不同，2012年土壤底墒较高，而2013年苗期降水量较少(图1)，同时HA 的作用效果低于PAAS和PAM。拔节到开花阶段降水量较少，干旱胁迫相对较严重，2012、2013年保水剂处理玉米SDM均较CK 处理显著增加。如2012年，PAAS、PAM和HA的SDM较对照处理分别提高了36.0%、22.2%和12.6%。但开花到灌浆阶段，降水较多，2012、2013年保水剂处理下SDM与对照间均无显著性差异。由此可见施用保水剂能显著提高玉米开花前地上干物质累积量。以PAAS为例，2012年和2013年开花前SDM累积比例分别为51.6%和58.1%，对照组分别为42.5%和50.3%(图5)。这种差异主要是由于保水剂显著提高了玉米生育前期的净光合速率(图4)。

图5 不同保水剂对玉米地上部干物质累积的影响Fig.5 Effect of different water-retention agents on dry matter accumulation in maize above ground

2.4 不同保水剂对玉米产量及其构成因素的影响

由表1可知，3种不同保水剂处理下玉米穗长、穗粒数、单穗重均较不施保水剂(CK)处理显著增加(P<0.05)，其中以聚丙烯酸钾(PAAS)处理增幅最大；与CK相比，PAAS处理下2个试验年份玉米穗长平均增加11.4%，穗粒数平均增加120粒，单穗重平均增加21.6%；其次是聚丙烯酰胺(PAM)，黄腐酸(HA)的增幅最小，且与PAAS有显著性差异。不同保水剂处理间玉米千粒重无显著性差异，可能是因为玉米灌浆期降水较充足，水分和养分均不是限制玉米生长的主要因子，故玉米灌浆基本没有受到影响。就秃尖长而言，保水剂处理明显降低了玉米秃尖长，其中PAAS的降幅最大，与CK相比减小了1.2 cm；PAM与HA处理下玉米秃尖长有所减小，但差异并不显著。

表1 不同保水剂对玉米产量及其构成因素的影响

保水剂处理显著增加了玉米产量。与对照相比，PAAS、PAM和HA处理下玉米产量分别提高了21.6%、16.8%和11.8%。增产效果表现为：PAAS>PAM>HA，且PAAS处理下玉米产量显著高于HA。以上结果表明，PAAS保水剂能显著提高玉米产量，主要是由于玉米穗长增加、秃尖长变短，穗粒数增多以及穗粒重的增加，而与千粒重无关。

3 讨 论

在旱作玉米生产过程中，由于降水在年内分布极不均衡，生育前期干旱胁迫成为限制旱地玉米生产的主要因素；玉米生长后期降水相对充足但对产量影响较小。保水剂为高吸水性聚合物，能迅速吸收比自身重百倍甚至上千倍的水分，并且具有反复吸水的功能。在玉米前期缺水阶段可根据作物需求释放水分，缓解干旱胁迫，因此保水剂的应用成为提高旱地玉米产量的有效措施。

本研究发现，保水剂对玉米苗期和拔节期的形态和生理指标的影响显著，而对生育后期的影响不显著。这是因为作物的成功种植取决于土壤水分的有效性，并且经常受到该地区土壤水位差的限制[20]。施用保水剂相当于向土壤中加入了一个高保水性又具有高水势的附加系统[21]，当土壤水分含量较低时，保水剂吸收的水分可以缓慢释放以供玉米吸收，从而提高玉米的光合速率、蒸腾速率以及促进其形态发育；同时蒸腾速率的提高可以加速营养元素向玉米根区的质量流动[22]，使玉米能够在有限的供水条件下正常生长。而在降水较多的生育后期，土壤水分不是玉米生长的限制因子，因此施用保水剂的效果不显著。但本研究发现，玉米生长后期，对照处理玉米叶面积增长速率和干物质累积速率明显高于保水剂处理，可见在干旱胁迫后的大量降雨或复水条件下玉米会进行补偿性生长，这与Wenkert等[23]的研究结果一致；但总的来看，CK处理玉米的最大叶面积指数、干物质累积总量和籽粒产量均显著低于保水剂处理，表明这种补偿作用不能完全弥补前期干旱胁迫造成的影响，因此旱地玉米高产的关键在其生长前期。

施用保水剂可显著提高旱地玉米的产量。本试验中，玉米产量的增加主要是由于穗粒数以及单穗重的增加。保水剂的添加有效地改善了植物营养状态和玉米的光合能力，增加了玉米前期生长阶段的干物质累积量，这为穗粒数的形成奠定了良好的基础。此外，保水剂处理玉米LAI和Pn显著增加，这也增强了玉米穗分化阶段光合产物的供应能力，从而降低种子败育率，使秃顶长变小。本研究中PAAS、PAM和HA处理下玉米秃尖长均低于对照处理，进一步证明了这一观点。同时不同保水剂类型对玉米各生长生理指标、产量及其构成因素的影响不同，均表现为PAAS效果更优、PAM次之、HA 最弱，这可能与保水剂本身性质有关。其中PAAS 为钾离子性聚合物，其吸水、保水性能优于PAM(非离子性聚合物)，但其稳定性、耐盐性及使用寿命低于PAM；而HA为有机弱酸，能够促进作物生长发育，但对植物根系的作用效果更为显著，且HA通常作为重金属吸附剂被广泛应用[24]。PAAS和PAM通常作为保水剂应用，我们可以根据实际生产的需求去选择应用。

4 结 论

研究表明，施用保水剂能有效缓解试验地区玉米生长前期的干旱胁迫，显著提高玉米苗期、拔节期的叶面积指数、叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率以及地上部干物质累积量，降低玉米籽粒败育率，使秃顶长变小，同时玉米穗长、穗粒数以及单穗重增加，从而提高旱地玉米产量。不同保水剂类型作用效果不同，表现为PAAS>PAM>HA。因此，PAAS可作为试验当地春玉米田保水剂类型的最佳选择。