不同磁化強度水對谷子產量的影響

王洪波，喬 木，閆曼曼，周生斌，王成福，吳 旭

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所/荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學，北京 100049；3.新疆維吾爾自治區水利科技推廣總站，新疆 烏魯木齊 830000；4.新疆維吾爾自治區水利廳，新疆 烏魯木齊 830000)

農業磁化水灌溉是一項能促進農作物生長和增產的灌溉技術，原理是灌溉水被磁化后，其結構發生了改變，由原來的大分子團簇變成單個水分子或者二聚體，水表面張力系數降低[1-3]；變小的分子團加速了土壤中礦物質的結晶[4]；在細胞代謝過程中具有更強的滲透性、溶解性[5]；促使土壤中的養分更易于被作物根系吸收利用，從而更有效地促進作物的生長[6-7]。利用這一原理，國內外已開展了磁化水技術在農業灌溉上的試驗與應用研究，在水稻、大豆以及小麥等農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，單一的農作物磁化水灌溉其所處的環境是開放系統，受微地形、土壤質地、地下水等的干擾，磁化水控制的范圍相對較小、分布和強度不均一；其次，單一的農作物滴灌技術不能更有效促進作物對土壤養分、水分的吸收利用，會影響作物產量進一步的提升。因此利用上述的磁化水灌溉的原理，將磁化水與滴灌結合，在新疆干旱綠洲環境下開展谷子磁化水滴灌豐產技術試驗。本試驗研究不同磁化強度水對谷子產量的影響，結合土壤含水量、土壤鹽分、土壤氧分等的變化，旨在探究影響谷子產量提升的因素及適宜于谷子產量提升的最佳磁場強度范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

谷子磁化水滴灌豐產技術試驗于2016—2017年在瑪納斯縣下莊子村開展，試驗田面積為19.3 hm2。試驗區土地規整、集中連片，有完善的滴灌系統，地下水埋深在1m以下。試驗區地理坐標為86°27′31″E，44°14′19″N，屬干旱半干旱氣候區。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，年平均蒸發量1 805.8 mm。供試土壤為灌淤土，土壤質地為沙壤土，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行鋪設，播種量為7.5 kg·hm-2，播種深度在3～5 cm，播后鎮壓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，耕作前施入農家肥2 500～4 000 kg·hm-2，播種時施入磷酸二氨150 kg·hm-2。追肥的最佳時期是拔節后至抽穗期，據此隨灌水施肥2次，拔節期施入尿素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 灌水磁化處理與設計

試驗裝置選取外圈直徑105 mm、內圈直徑85 mm的農業注水磁化器，滴頭流量50 L·h-1。試驗設計3個磁場強度1 200、2 400、3 600 Gs及無磁化(CK)處理，每個處理3次重復。試驗采取隨機區組設計及依據農田特點，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。每次灌水流經磁化器均被磁化，據此構建成磁化水滴灌試驗和對照滴灌試驗，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 在谷子生長發育的主要生育期(幼苗期、拔節期、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，土壤樣品經風干后過1 mm和0.25 mm 篩，利用離子色譜儀、DDSJ-308A型電導率儀、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、葉片數的測定 采用定點定株的方式，在谷子生長發育的主要生育期(幼苗期、拔節期、抽穗期、成熟期)對其進行測定。每個處理定3個點，每點選代表性的谷子植株5株，共15株做定點定株調查，每處理取平均值。

1.3.4 谷子產量的測定 每個處理隨機取3個樣點，每個樣點取6.67m2，對長勢不均勻的試驗田視情況適當增加樣點數。每個樣點選取有代表性的雙行，實數收獲穗數，計算每公頃收獲穗數；每個樣點內隨機抓取10個穗，計數平均穗粒數。將10穗脫粒，取1 000粒稱重，重復3次，求取平均值計為千粒重。最終產量計算見公式(1)：

Y=S×G×W×0.85×10-6

(1)

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

1.4 數據處理

利用DPS和SPSS軟件對數據進行顯著性差異檢驗(P<0.05)，利用Microsoft Excel進行數據分析處理。

2 結果與分析

2.1 磁化水滴灌對土壤含水量的影響

在谷子生長發育的4個關鍵時期對土壤含水量進行測定，由圖1知，磁化處理土壤含水量均高于CK處理。各個時期土壤含水量均表現為：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個生育時期，3 600 Gs處理分別較CK提高了1.9%、23.8%、13.6%、14.4%。

注：同時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分吸收的影響

在播種前及收獲后對土壤養分進行測定，由表2知，播種前各處理的土壤養分含量相近，不存在顯著性差異；收獲后，3 600、2 400 Gs處理有機質、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處理有機質、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質、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，土壤養分降低率均表現為：3 600 Gs>2 400 Gs>1 200 Gs>CK。結果表明：各處理有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀的降低率均存在顯著性差異，3 600 Gs處理對有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀的降低率分別達到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育的影響

由表3知，磁化處理在4個監測時期谷子的株高、葉片數均高于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處理只有在拔節期與CK處理存在顯著性差異。在谷子成熟期，株高表現為：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%。葉片數在成熟期時，3 600 Gs磁化處理比CK處理高4.8%；在抽穗期，1 200 Gs與CK的葉片數差異顯著，在其余三個時期不存在顯著性差異；3 600 Gs、2 400 Gs處理的葉片數在4個監測時期均與CK處理差異顯著。試驗結果表明：CK處理的谷子植株形態矮小、葉片數少，磁化處理的谷子植株高、葉片數多。磁化處理促進了谷子植株營養生長，增加了谷子植株光合作用的有效面積，為后期光合產物向生殖器官的累積及谷子產量的提升奠定基礎。

表3 不同處理對不同生育階段谷子的株高和葉片數的影響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，有利于促進谷子最終產量的形成，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

據表4知，不同磁化強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谷子穗長、單穗重、單穗粒重的增加，對產量的提高有利。

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量的影響

為探究磁化水滴灌對玉米產量的影響，對谷子的穗數、穗粒數及千粒重進行了測定。由表5知，3 600 Gs處理與2 400 Gs處理的谷子產量差異不顯著，與1 200 Gs處理及CK處理存在顯著性差異。最終測產以3 600 Gs處理最佳，產量為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%。穗數表現為：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、穗粒數、千粒重及產量上，磁化處理均高于CK處理，有效地促進了谷子產量及產量構成要素的提升，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]的研究結果一致。土壤含水量提高的原因是土壤中的礦物質結晶增加了土壤的滲透壓，從而降低土壤水分的蒸發，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，是水經過磁化后，加快土壤中的礦物質結晶，從而降低土壤中可溶性鹽的含量，這與Madsen[4]研究結果一致。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育及產量品質的影響，結果表明，磁化水灌溉可顯著增加水稻的有效穗數、干物質的積累和產量的提升，這與本試驗結果一致。

磁化水滴灌影響土壤含水量、土壤離子及土壤養分，這些因素的相互作用，從而影響谷子作物的產量。磁化水滴灌提升農作物產量的可能原因：(1)由于鹽分過高會抑制作物的生長[12-14]，磁化水加速土壤鹽分向下運動，將鹽分淋洗到耕作層以下[15]，促進作物植株生理活性的增強；(2)磁化水滴灌將更多的土壤水分保留在土壤中，由于新疆蒸發量大，更多的水分有利于植株的生長發育；(3)磁化水滴灌在一定程度上增強了作物根系的生理活性，加速吸收土壤中的養分，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分供應；(4)磁化水滴灌促進作物株高的增長、葉片數的增加，有效地增加了光合作用的有效面積，加強植株對太陽光的吸收利用，最終促進植株地上部生物量積累及產量的增加[16-17]。但本研究區為非鹽漬化耕地，因此不存在鹽分脅迫的原因。

綜合分析不同磁化強度對土壤、谷子生育性狀及產量的影響，針對谷子作物產量以3 600 Gs處理最佳，2 400 Gs次之，3 600 Gs處理的產量為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度限定為2 400～3 600 Gs。

4 結 論

本試驗研究表明，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分、Ca2+、Mg2+、K+，從而促進谷子的生長發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量構成要素及產量，最終產量以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育及生物量的累積。磁化水滴灌有效地提高谷子產量，針對谷子作物，其最佳磁場強度范圍應控制在2 400～3 600 Gs。