保水剂对冬菠菜耗水特性及产量的影响研究

史中兴，刘 腾，陈 琳，费良军，刘 乐

(1.西安理工大学水利水电学院，西安 710048；2.甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃 白银 730400)

0 引 言

我国是一个水资源严重短缺的国家，随着现代化的发展，水资源越来越成为经济发展的重要制约因素之一[1]。农业用水在我国水资源利用中占了很大的比例，因此提高农业水资源利用效率是目前亟待解决的问题。保水剂是一种高吸水性树脂，其不溶解于水，但遇水时能吸水膨胀，在短时间内吸收比自身重量大百倍甚至千倍的水分，形成固体凝胶，在缺水时，可缓慢释放80%～95%的水分供作物吸收利用，并且其具有反复吸水的功能[2,3]。第一代保水剂是在20世纪50年代后期开发出来的，美国农业部森林服务部和一些大学采用Terra-sorb(TAB)进行了一系列试验，研究表明使用保水剂可以有效地增加土壤的持水能力，提高水资源利用效率[4-11]。国内对于保水剂的研究从上世纪80年代初期开始，通过不断地突破创新，将研制出的高质量保水剂推广应用于我国工业和农业发展中[12]。国内学者做了很多关于保水剂在大田作物上的应用研究，杨永辉[13]、韩波[14]等研究了保水剂对小麦生长的影响，结果表明，施加保水剂可以提高土壤含水量，降低小麦的耗水量，提高其水分利用效率；候贤清[15]、穆俊祥[16]等研究了保水剂不同施用量对马铃薯生长的影响，表明施用保水剂可以有效地提高土壤储水能力，加速土壤有机质的分解，提高养分利用率；对于保水剂在蔬菜种植中的应用目前研究较少，并且这些研究[17-19]主要注重于保水剂的施加对于蔬菜出苗以及苗期生长的影响，而对于保水剂对蔬菜生长状况，产量及耗水规律的研究较少，而水分对于蔬菜的生长发育以及产量和品质的形成有很大的影响，不同生育阶段对于水分的需求也存在很大差异[19-21]。本文采用正交试验设计，试验研究了不同保水剂含量、不同拌施深度以及不同灌水定额对菠菜的生长指标，产量及耗水规律的影响，为保水剂在蔬菜种植中的应用提供理论支撑。

1 材料与方法

试验在西安理工大学进行，供试作物是菠菜，品种为绿箭2618，保水剂种类为γ-PGA，以谷氨酸为单元体聚合而成。试验采用盆栽法，盆栽塑料箱尺寸为35 cm×35 cm×15 cm(长×宽×高)，每箱装土17.5 kg，土箱置于透光遮雨棚下，因此试验不考虑降雨因素。菠菜于2017年10月18日播种， 2018年3月9日收获。每箱均匀点播种子，种子个数25，干籽播种，播种前浇足底水，基底肥施史丹利，每个处理所施的基底肥量为600 kg/hm2；待幼苗的2～4片真叶充分展开后定苗，土壤颗粒组成为黏粒(<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%。试验以保水剂含量，保水剂拌施深度以及灌水定额作为影响因素，每个因素三个水平，共设9个处理，1个对照，正交试验设计方案表见表1。所有数据均采用Excel2010,SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同因素对菠菜叶面积的影响特征

图1表示不同因素的菠菜叶面积的变化规律，可以看出，在菠菜全生育期内，叶面积的变化大致分为三个阶段。从11月1日至1月8日叶面积变化速度较慢，1月中旬到2月中旬菠菜叶面积变化速率有明显的增高，2月中旬至3月上旬菠菜叶面积基本不再发生变化。当保水剂用量较低时，菠菜叶面积的值为S3>S2>S4>S5>S1>S6>CK，且S3、S2和S4均显著较其他处理的高，表明适当的施加保水剂可以有效地提高菠菜叶面积，而保水剂用量较大的S7、S8、S9叶面积均较未施加保水剂的低，并且当S7、S8、S9的叶面积值基本不在变化时，其他处理的还在继续生长，表明保水剂用量过大会抑制菠菜叶片的发育，影响菠菜的生长。

表1 正交试验设计方案表

图1 不同影响因素的菠菜叶面积变化图

表2为不同处理3月9日所测叶面积的方差分析结果。可以看出，保水剂拌施土层厚度对菠菜株高的影响不显著(p>0.05)，保水剂用量和灌水定额显著大于拌施土层厚度对菠菜叶面积的影响(p<0.01)，对叶面积影响极显著。

表2 不同处理菠菜叶面积指标方差分析

注：α=0.05，*表示显著，**表示极显著，P<0.05时具有统计学意义。

2.2 保水剂对菠菜产量、耗水量及水分利用效率的影响特征

上述分析可知，保水剂用量和灌水定额对菠菜的生长指标有显著的影响，而保水剂拌施土层厚度对菠菜生长的影响并不明显，因此选择对菠菜生长有较明显影响的两个因素分析其对菠菜产量，耗水量及菠菜水分利用效率的影响，结果分别见图2,、图3、图4。从图2可以看出，当保水剂含量小于300 kg/hm2时，菠菜产量随保水剂用量的增加而增加；当保水剂用量大于300 kg/hm2时，菠菜产量随保水剂用量的增加而减少，这可能是由于在较高保水剂用量及灌水定额的条件下，土壤含水率较大，影响了菠菜根系活动以及对营养物质的吸收。当灌水定额小于157.4 m3/hm2、保水剂含量在0～300 kg/hm2变化时，保水剂用量的变化对菠菜产量的影响相比灌水定额较为明显，保水剂用量在300～824.6 kg/hm2时，菠菜产量对保水剂用量变化敏感性减弱，灌水定额对菠菜产量的影响逐渐明显，这可能是由于较高的保水剂用量吸收了菠菜生长所需的水分，菠菜处于比较缺水的状态，因此灌水定额对产量的影响占主导因素；当灌水定额大于157.4 m3/hm2、保水剂用量在0～300 kg/hm2变化时，灌水定额的增加对菠菜产量变化的影响逐渐增加，当保水剂用量在300～824.6 kg/hm2时，菠菜产量对保水剂用量的变化相比于灌水定额较为敏感。当保水剂用量为310.9 kg/hm2，灌水定额为172.4 m3/hm2时，菠菜单株产量为17.0 g/株，单株产量达到最大值。

图2 不同影响因素的单株产量变化图

从图3可以看出，保水剂用量对菠菜水分利用效率的影响较为明显，当保水剂用量小于300 kg/hm2，灌水定额小于160.4 m3/hm2时，菠菜水分利用效率对保水剂用量的增加而增加，此时灌水定额对水分利用效率的影响并不明显；当灌水定额大于160.4 m3/hm2时，水分利用效率随灌水定额的增加而增加，此时菠菜水分利用效率对保水剂用量变化敏感性减弱，灌水定额对菠菜水分利用效率的影响逐渐明显。当保水剂用量大于300 kg/hm2时，保水剂用量的变化对菠菜水分利用效率有明显影响，随着保水剂用量的增加，菠菜水分利用效率降低。此时灌水定额对菠菜水分利用效率的影响较弱。当保水剂用量为281.9 kg/hm2，灌水定额为120和180 m3/hm2时，菠菜水分利用效率均为2.8，达到最大值。

图3 不同影响因素的水分利用效率变化图

从图4可以看出，随着保水剂用量的增加，菠菜单株耗水量呈现出先增加后降低的趋势，并且当灌水定额高于10.0 mm时，菠菜单株耗水量对保水剂的变化相比于灌水定额较为敏感。当灌水定额低于10.0 mm时，菠菜单株耗水量对保水剂用量的敏感程度降低，灌水定额对菠菜单株耗水量的影响逐渐体现。当保水剂用量为524.7 kg/hm2，灌水定额为180 m3/hm2时，菠菜单株耗水量达到了最大值6.4 mm。当菠菜产量达到最大值时所对应的保水剂用量和灌水定额条件下的菠菜单株耗水量为6.0 mm，小于最大单株耗水量，并且从图2中可以得出此时菠菜水分利用效率也达到了较大值；当保水剂用量为547.2 kg/hm2，灌水定额为117 m3/hm2时菠菜也获得较大产量，但其单株耗水量达到了最大值6.4 mm，并且由图2可知其水分利用效率也较低。综上所述，考虑高产高效及经济效益，当保水剂施用量为310.9 kg/hm2，灌水定额为173.9 m3/hm2时为最优。

图4 不同影响因素的耗水量变化图

2.3 菠菜不同生育期的耗水规律

图5表示菠菜不同生育时期耗水规律。可以看出，耗水量在整个生育期的变化可以由各个生育期的平均耗水量变化表示，菠菜整个生育期的耗水规律表现为先上升后下降的趋势，在生长中期达到最大值，菠菜在发芽期耗水量较少，平均耗水量仅为6.21 mm，约占整个生育期耗水量的5%，这是由于这一时期真叶逐渐形成，但叶片数量较少，因此在这一阶段用于蒸腾作用所需水量较少；幼苗期至生长中期耗水量大量增加，约占全生育期总耗水量的76.5%，幼苗期耗水量较发芽期的明显增大，平均耗水量为24.88 mm，约占全生育期耗水量的21.9%，这可能是由于在这一阶段内，真叶数量逐渐增多且叶片面积变大，增加了蒸腾量，从而导致了耗水量的上升；生长前期耗水量较幼苗期只有轻微的增长，平均耗水量为26.6 mm，约占全生育期耗水量的23.42%，这可能是由于在这一段时间菠菜越冬，温度降低，呼吸作用减弱，菠菜各项生理活动减慢，只维持基本的生理活动，因此这一时期对于水分的需求较低；生长中期菠菜的耗水量达到了全生育期的最大值，平均耗水量为35.45 mm，占全生育期耗水量的31.21%，这一阶段温度开始回升，菠菜开始迅速生长，叶片面积明显增加，从而增加了蒸腾作用，使得菠菜对水分的需求增大，因此这一阶段是菠菜产量形成的重要时期。进入生长后期，菠菜耗水量明显下降，平均耗水量为20.44 mm，约占全生育期总耗水量的18%，这一阶段的菠菜生长已经进入后期，株高和叶面积均不再发生明显变化，导致这一阶段的耗水量逐渐降低。

图5 不同生育时期耗水规律

2.4 菠菜产量与总耗水量之间的关系

对保水剂施用量与菠菜总产量做相关分析可知，保水剂施用量与菠菜产量之间的相关系数达到0.92，表明保水剂的使用量对菠菜产量呈极显著正相关关系，通过保水剂用量与菠菜耗水量的相关性分析可知，保水剂的施用量与菠菜耗水量呈负相关关系。为确定适宜保水剂施用量，对菠菜产量和耗水量的试验数值进行回归分析，得出产量与耗水量之间呈二次抛物线关系从而确定适宜的保水剂施用量，见图6，其方程为：

Y=-0.93w2+241.14w-13 630

(1)

式中：Y为菠菜总产量，15 kg/hm2；w为菠菜生育期灌水总量，mm。式(1)拟合的相关系数R2=0.836 2，达显著水平。

图6 菠菜产量与总耗水量之间的关

从图6还可以看出，当全生育期总耗水量小于129.65 mm时，产量随着耗水量的增加而增加；当全生育期耗水总量大于129.65 mm时，产量随着耗水量的增加而降低。通过对产量与耗水量之间的函数关系的分析，可以得出当产量达到最大时，菠菜需水量为129.65 mm，实现了水资源的高效利用。分析数据可知，S3处理菠菜产量达到最大值(400 g)，但耗水量为152.73 mm，也达到最大值，此时的高产是以较高的耗水量为代价得到的，因此不作为最佳处理。当保水剂施用量为285.6 kg/hm2、拌施土层厚度为5～10 cm、灌水定额为150 m3/hm2(即S2处理)时，菠菜耗水量为130.55 mm，菠菜总产量为314 g，达到较高水平。

3 结 语

通过不同因素对冬菠菜生长指标、产量、耗水量及水分利用效率的影响特性研究，得出以下结论。

(1)适量的施加保水剂可以有效地提高土壤含水量，促进菠菜叶面积的生长；菠菜叶面积对保水剂含量及灌水定额的变化十分敏感。

(2)不同灌水定额条件下保水剂含量的变化对菠菜单株产量，耗水量及水分利用效率的影响不同，适量施用保水剂可以有效提高菠菜单株产量，降低单株耗水量，提高水分利用效率。

(3)菠菜生长对水分需求最大的时期为生长中期，此时水分状况对菠菜的产量及品质形成有很大的影响，因此在这一阶段要保证水分的充足供应；通过对菠菜总产量和总耗水量之间的关系研究，揭示了菠菜产量与全生育期耗水量之间呈二次抛物线关系，随着耗水量的增加产量呈现先增加后减少的趋势，最佳耗水量为129.65 mm。

研究表明，保水剂含量285.6 kg/hm2、拌施深度5～10 cm，灌水定额150 m3/hm2可以实现冬菠菜高产、高效，过高或过低的保水剂施用量均不利于菠菜的生长发育和产量形成。