王洪波，喬 木，閆曼曼，周生斌，王成福，吳 旭

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所/荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.新疆維吾爾自治區(qū)水利科技推廣總站，新疆 烏魯木齊 830000；4.新疆維吾爾自治區(qū)水利廳，新疆 烏魯木齊 830000)

農(nóng)業(yè)磁化水灌溉是一項(xiàng)能促進(jìn)農(nóng)作物生長和增產(chǎn)的灌溉技術(shù)，原理是灌溉水被磁化后，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，由原來的大分子團(tuán)簇變成單個(gè)水分子或者二聚體，水表面張力系數(shù)降低[1-3]；變小的分子團(tuán)加速了土壤中礦物質(zhì)的結(jié)晶[4]；在細(xì)胞代謝過程中具有更強(qiáng)的滲透性、溶解性[5]；促使土壤中的養(yǎng)分更易于被作物根系吸收利用，從而更有效地促進(jìn)作物的生長[6-7]。利用這一原理，國內(nèi)外已開展了磁化水技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉上的試驗(yàn)與應(yīng)用研究，在水稻、大豆以及小麥等農(nóng)作物上取得了一定成果[8-9]。但原有單一的滴灌或磁化水灌溉存在諸多不足：首先，單一的農(nóng)作物磁化水灌溉其所處的環(huán)境是開放系統(tǒng)，受微地形、土壤質(zhì)地、地下水等的干擾，磁化水控制的范圍相對較小、分布和強(qiáng)度不均一；其次，單一的農(nóng)作物滴灌技術(shù)不能更有效促進(jìn)作物對土壤養(yǎng)分、水分的吸收利用，會(huì)影響作物產(chǎn)量進(jìn)一步的提升。因此利用上述的磁化水灌溉的原理，將磁化水與滴灌結(jié)合，在新疆干旱綠洲環(huán)境下開展谷子磁化水滴灌豐產(chǎn)技術(shù)試驗(yàn)。本試驗(yàn)研究不同磁化強(qiáng)度水對谷子產(chǎn)量的影響，結(jié)合土壤含水量、土壤鹽分、土壤氧分等的變化，旨在探究影響谷子產(chǎn)量提升的因素及適宜于谷子產(chǎn)量提升的最佳磁場強(qiáng)度范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

谷子磁化水滴灌豐產(chǎn)技術(shù)試驗(yàn)于2016—2017年在瑪納斯縣下莊子村開展，試驗(yàn)田面積為19.3 hm2。試驗(yàn)區(qū)土地規(guī)整、集中連片，有完善的滴灌系統(tǒng)，地下水埋深在1m以下。試驗(yàn)區(qū)地理坐標(biāo)為86°27′31″E，44°14′19″N，屬干旱半干旱氣候區(qū)。年平均氣溫7.2℃，全年無霜期165～172 d，多年平均降水量187.3 mm，年平均蒸發(fā)量1 805.8 mm。供試土壤為灌淤土，土壤質(zhì)地為沙壤土，其保水、保肥性較差。供試土壤鹽分為0.631 g·kg-1，全氮0.065 g·kg-1，有效磷18.13 mg·kg-1，速效鉀484.05 mg·kg-1。谷子種植模式為一膜六行，滴灌帶按照三管六行進(jìn)行鋪設(shè)，播種量為7.5 kg·hm-2，播種深度在3～5 cm，播后鎮(zhèn)壓2～3次。于2016年4月16日播種，4月25日出苗，9月27日收獲。全生育期灌水總量5 625 m3·hm-2，灌水下限為田間持水量的65%，滴灌5次。施肥以基肥為主，追肥為輔，耕作前施入農(nóng)家肥2 500～4 000 kg·hm-2，播種時(shí)施入磷酸二氨150 kg·hm-2。追肥的最佳時(shí)期是拔節(jié)后至抽穗期，據(jù)此隨灌水施肥2次，拔節(jié)期施入尿素180 kg·hm-2，抽穗期施入尿素75 kg·hm-2，其它田間管理措施同大田。

1.2 灌水磁化處理與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置選取外圈直徑105 mm、內(nèi)圈直徑85 mm的農(nóng)業(yè)注水磁化器，滴頭流量50 L·h-1。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)磁場強(qiáng)度1 200、2 400、3 600 Gs及無磁化(CK)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)及依據(jù)農(nóng)田特點(diǎn)，將磁化器按N至S極垂直切割水流方向連接于主管與支管接口處。每次灌水流經(jīng)磁化器均被磁化，據(jù)此構(gòu)建成磁化水滴灌試驗(yàn)和對照滴灌試驗(yàn)，其它田間管理措施同大田。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤含水量的測定 在谷子生長發(fā)育的主要生育期(幼苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期)分別在灌前一天和灌后第三天，用土鉆取30 cm土層土樣，采用烘干法測定含水量。

1.3.2 土壤鹽分及其鹽離子測定 在播種前及收獲后，用土鉆距滴灌帶10 cm處取30 cm土層土樣，土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后過1 mm和0.25 mm 篩，利用離子色譜儀、DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀、梅特勒G20型電位滴定儀測定土壤總鹽、八大鹽離子的含量。

1.3.3 谷子株高、葉片數(shù)的測定 采用定點(diǎn)定株的方式，在谷子生長發(fā)育的主要生育期(幼苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期)對其進(jìn)行測定。每個(gè)處理定3個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)選代表性的谷子植株5株，共15株做定點(diǎn)定株調(diào)查，每處理取平均值。

1.3.4 谷子產(chǎn)量的測定 每個(gè)處理隨機(jī)取3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)取6.67m2，對長勢不均勻的試驗(yàn)田視情況適當(dāng)增加樣點(diǎn)數(shù)。每個(gè)樣點(diǎn)選取有代表性的雙行，實(shí)數(shù)收獲穗數(shù)，計(jì)算每公頃收獲穗數(shù)；每個(gè)樣點(diǎn)內(nèi)隨機(jī)抓取10個(gè)穗，計(jì)數(shù)平均穗粒數(shù)。將10穗脫粒，取1 000粒稱重，重復(fù)3次，求取平均值計(jì)為千粒重。最終產(chǎn)量計(jì)算見公式(1)：

Y=S×G×W×0.85×10-6

(1)

式中，Y為產(chǎn)量(kg·hm-2)；S為穗數(shù)(個(gè)·hm-2)；G為穗粒數(shù)(個(gè))；W為千粒重(g)；0.85是歷史多年實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量計(jì)算的比值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用DPS和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn)(P<0.05)，利用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化水滴灌對土壤含水量的影響

在谷子生長發(fā)育的4個(gè)關(guān)鍵時(shí)期對土壤含水量進(jìn)行測定，由圖1知，磁化處理土壤含水量均高于CK處理。各個(gè)時(shí)期土壤含水量均表現(xiàn)為：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK，以3 600 Gs最佳。在谷子出苗期，各處理間的土壤含水量差異不顯著；在谷子拔節(jié)期，磁化處理與CK(無磁化)處理存在顯著性差異，磁化處理土壤含水量明顯高于CK處理。在抽穗期3 600 Gs、2 400 Gs與CK處理差異顯著，但1 200 Gs與CK不存在顯著性差異。在成熟期，3 600 Gs與其它處理存在顯著性差異，但2 400 Gs、1 200 Gs與CK處理差異不顯著，各磁化處理分別較CK提高了14.4%、4.5%、1.5%。結(jié)果表明：磁化處理可有效提高土壤含水量，以3 600 Gs最佳，在4個(gè)生育時(shí)期，3 600 Gs處理分別較CK提高了1.9%、23.8%、13.6%、14.4%。

注：同時(shí)期不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同 Note: Different letters in the same growth stage meant significant difference at 0.05 level among treatments, the same as below圖1 不同處理的土壤含水量(0～30 cm土層平均值)Fig.1 Soil moisture content (average value of 0～30 cm) under different treatments

2.2 磁化水滴灌對土壤鹽分的影響

表1 不同處理下的土壤鹽分和鹽離子的變化(0～30 cm土層平均值)Table 1 Variation of soil salinity and salt ions (average value of 0～30 cm) under different treatments

2.3 磁化水滴灌對土壤養(yǎng)分吸收的影響

在播種前及收獲后對土壤養(yǎng)分進(jìn)行測定，由表2知，播種前各處理的土壤養(yǎng)分含量相近，不存在顯著性差異；收獲后，3 600、2 400 Gs處理有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量均與CK處理存在顯著性差異；1 200 Gs處理有機(jī)質(zhì)、堿解氮的含量與CK處理差異不顯著，有效磷、速效鉀的含量存在顯著性差異。收獲后，磁化處理的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的降低量、降低率均高于CK處理，磁化處理與CK處理差異顯著，土壤養(yǎng)分降低率均表現(xiàn)為：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK。結(jié)果表明：各處理有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的降低率均存在顯著性差異，3 600 Gs處理對有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀的降低率分別達(dá)到12.1%、23.0%、28.6%、5.3%，均顯著高于CK處理。

表2 不同處理下土壤養(yǎng)分的變化(0～30 cm土層平均值)Table 2 Changes of soil nutrients (average value of 0～30 cm) under different treatments

注：不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters meant significant difference atP<0.05 level among treatments. The same below.

2.4 磁化水滴灌對谷子生長發(fā)育的影響

由表3知，磁化處理在4個(gè)監(jiān)測時(shí)期谷子的株高、葉片數(shù)均高于CK處理，3 600 Gs、2 400 Gs處理與CK處理的株高差異顯著，但1 200 Gs處理只有在拔節(jié)期與CK處理存在顯著性差異。在谷子成熟期，株高表現(xiàn)為：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK，分別較CK處理提高了13.0%、7.8%、2.5%。葉片數(shù)在成熟期時(shí)，3 600 Gs磁化處理比CK處理高4.8%；在抽穗期，1 200 Gs與CK的葉片數(shù)差異顯著，在其余三個(gè)時(shí)期不存在顯著性差異；3 600 Gs、2 400 Gs處理的葉片數(shù)在4個(gè)監(jiān)測時(shí)期均與CK處理差異顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明：CK處理的谷子植株形態(tài)矮小、葉片數(shù)少，磁化處理的谷子植株高、葉片數(shù)多。磁化處理促進(jìn)了谷子植株?duì)I養(yǎng)生長，增加了谷子植株光合作用的有效面積，為后期光合產(chǎn)物向生殖器官的累積及谷子產(chǎn)量的提升奠定基礎(chǔ)。

表3 不同處理對不同生育階段谷子的株高和葉片數(shù)的影響Table 3 Effects of different treatment on plant height and leaf number at different growth stages in foxtail millet field

2.5 磁化水滴灌對谷子生物量的影響

由圖2知，磁化處理的谷子地上部生物量均高于CK處理，3 600 Gs處理與2 400 Gs處理間差異不顯著，與1 200 Gs處理及CK處理存在顯著性差異，1 200 Gs處理及CK處理間不存在顯著性差異。其中3 600 Gs處理谷子的地上部生物量達(dá)到1 538.2 kg·hm-2，較CK提高了31.7%，2 400 Gs處理和1 200 Gs處理谷子的地上部生物量分別為1 444.7 kg·hm-2、1 209.9 kg·hm-2，較CK處理提高了23.7%和3.6%。這說明磁化處理有利于谷子地上部生物量的累積，有利于促進(jìn)谷子最終產(chǎn)量的形成，其中，以3 600 Gs磁化處理的地上部生物量最大，效果較為顯著。

圖2 不同處理谷子的地上部生物量Fig. 2 Above ground biomass of foxtail millet under different treatments

2.6 磁化水滴灌對谷子穗粒性狀的影響

據(jù)表4知，不同磁化強(qiáng)度水處理谷子的穗長、單穗重、單穗粒重均高于CK處理，均表現(xiàn)為：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK。磁化水處理谷子的穗長較CK處理高1.3～2.5 cm，3 600 Gs處理與1 200 Gs處理及CK處理差異顯著，與2 400 Gs處理不存在顯著性差異。磁化處理谷子的單穗重較CK增重1.5～2.4 g，3 600 Gs處理較CK處理提高12.4%，2 400 Gs處理與1 200 Gs處理分別較CK高9.8%、7.7%，磁化處理間差異不顯著，與CK處理差異顯著。在單穗粒重上，磁化處理與CK處理存在顯著性差異，3 600 Gs處理最佳，較CK處理提高7.6%。這說明磁化水滴灌有效地促進(jìn)谷子穗長、單穗重、單穗粒重的增加，對產(chǎn)量的提高有利。

表4 磁化水對谷子穗粒性狀的影響Table 4 Effect of the characters of ear or kernel after magnetized treated water in foxtail millet field

2.7 磁化水滴灌對谷子產(chǎn)量的影響

為探究磁化水滴灌對玉米產(chǎn)量的影響，對谷子的穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重進(jìn)行了測定。由表5知，3 600 Gs處理與2 400 Gs處理的谷子產(chǎn)量差異不顯著，與1 200 Gs處理及CK處理存在顯著性差異。最終測產(chǎn)以3 600 Gs處理最佳，產(chǎn)量為8 385 kg·hm-2，較CK提高了23.9%，2 400 Gs與1 200 Gs分別較CK處理提高了17.5%和2.9%。穗數(shù)表現(xiàn)為：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK，3 600 Gs與2 400 Gs處理之間不存在顯著性差異，分別較CK提高13.2%、9.3%，1 200 Gs與CK處理間差異不顯著。在穗粒數(shù)上，各處理間差異不顯著，3 600 Gs、2 400 Gs處理分別較CK處理提高了3.0%、3.2%。千粒重以3 600 Gs處理最佳，為2.56 g，較CK高6.2%，2 400 Gs與1 200 Gs分別較CK提高4.1%、2.5%，各處理間差異不顯著。綜合看，在谷子的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量上，磁化處理均高于CK處理，有效地促進(jìn)了谷子產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的提升，以3 600 Gs處理最佳，2 400 Gs處理次之。

表5 磁化水對谷子產(chǎn)量的影響Table 5 Effect of magnetized treated water on foxtail millet yield

3 討 論

本研究表明，與CK相比，磁化水滴灌可以提高土壤水分含量，這與Khoshravesh等[10]的研究結(jié)果一致。土壤含水量提高的原因是土壤中的礦物質(zhì)結(jié)晶增加了土壤的滲透壓，從而降低土壤水分的蒸發(fā)，因此有更多的水分留在土壤中。磁化處理土壤中的離子降低率高于CK處理的原因，是水經(jīng)過磁化后，加快土壤中的礦物質(zhì)結(jié)晶，從而降低土壤中可溶性鹽的含量，這與Madsen[4]研究結(jié)果一致。另外，朱練峰[11]等通過研究磁化水灌溉處理和普通水灌溉處理對水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，磁化水灌溉可顯著增加水稻的有效穗數(shù)、干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的提升，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

磁化水滴灌影響土壤含水量、土壤離子及土壤養(yǎng)分，這些因素的相互作用，從而影響谷子作物的產(chǎn)量。磁化水滴灌提升農(nóng)作物產(chǎn)量的可能原因：(1)由于鹽分過高會(huì)抑制作物的生長[12-14]，磁化水加速土壤鹽分向下運(yùn)動(dòng)，將鹽分淋洗到耕作層以下[15]，促進(jìn)作物植株生理活性的增強(qiáng)；(2)磁化水滴灌將更多的土壤水分保留在土壤中，由于新疆蒸發(fā)量大，更多的水分有利于植株的生長發(fā)育；(3)磁化水滴灌在一定程度上增強(qiáng)了作物根系的生理活性，加速吸收土壤中的養(yǎng)分，Ca2+、Mg2+、K+是葉綠素合成及光合作用的必需元素，堿解氮、有效磷、速效鉀是作物生長的養(yǎng)分供應(yīng)；(4)磁化水滴灌促進(jìn)作物株高的增長、葉片數(shù)的增加，有效地增加了光合作用的有效面積，加強(qiáng)植株對太陽光的吸收利用，最終促進(jìn)植株地上部生物量積累及產(chǎn)量的增加[16-17]。但本研究區(qū)為非鹽漬化耕地，因此不存在鹽分脅迫的原因。

綜合分析不同磁化強(qiáng)度對土壤、谷子生育性狀及產(chǎn)量的影響，針對谷子作物產(chǎn)量以3 600 Gs處理最佳，2 400 Gs次之，3 600 Gs處理的產(chǎn)量為8 385 kg·hm-2，較CK提高了23.9%。因此，磁化水滴灌谷子作物，可以將磁化器的磁場強(qiáng)度限定為2 400～3 600 Gs。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究表明，磁化水滴灌可有效保持土壤中水分含量，并可促進(jìn)土壤鹽分淋洗到耕作層以下；磁化水滴灌加速谷子植株吸收利用土壤中的養(yǎng)分、Ca2+、Mg2+、K+，從而促進(jìn)谷子的生長發(fā)育及谷子植株地上部生物量的累積。磁化水滴灌有效地提高了谷子產(chǎn)量構(gòu)成要素及產(chǎn)量，最終產(chǎn)量以3 600 Gs處理最佳，為8 385 kg·hm-2，較CK提高了23.9%，2 400 Gs、1 200 Gs分別比CK處理提高了17.5%和2.9%。綜上所述，磁化水灌溉直接影響土壤含水量及土壤鹽分，間接影響了玉米作物的生長發(fā)育及生物量的累積。磁化水滴灌有效地提高谷子產(chǎn)量，針對谷子作物，其最佳磁場強(qiáng)度范圍應(yīng)控制在2 400～3 600 Gs。