磁化水滴灌对土壤盐分及玉米产量品质的影响①

王洪波，王成福，吴 旭，乔 木，周生斌，闫曼曼



磁化水滴灌对土壤盐分及玉米产量品质的影响①

王洪波1, 2，王成福3，吴 旭4，乔 木1*，周生斌1，闫曼曼1

(1中国科学院新疆生态与地理研究所/荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 830011；2中国科学院大学，北京 100049； 3 新疆维吾尔自治区水利科技推广总站，乌鲁木齐 830011；4新疆维吾尔自治区水利厅，乌鲁木齐 830000)

以玉米为对象，研究不同强度磁化水灌溉对玉米产量、品质及生长状况的影响，并结合土壤盐分和养分的变化情况，探寻磁化水玉米增产提质的最佳磁化强度。结果表明：磁化水灌溉能够有效提高土壤盐分淋洗效率，加速对盐分的淋洗作用，磁化水灌溉可有效促进玉米产量的增加及品质的提升，以1 200 ~ 2 400 Gs效果最佳。磁化水灌溉使玉米产量增加了4% ~ 16.2%。磁化处理的可溶性糖、蛋白质及淀粉含量分别较CK提升了1.4% ~ 38.2%、11.7% ~ 39.6%、9.6% ~ 12.8%。这些结果不仅表明磁化水有效地促进玉米植株的生长及产量、品质的提升，也可以作为一种技术方法大面积推广。

磁化水；滴灌；玉米；土壤盐分；产量；品质

玛纳斯河流域的农业发展具有较大的潜力，但气候干旱、降水稀少、水资源供需紧张，又在一定程度上制约了当地农业的生产。如何在水量一定的前提下，保证农作物增产增效，是保持本区生态环境稳定急需解决的问题[1]。磁化水灌溉可有效地提升作物的产量及品质；20世纪中期以来，在我国便开展了农业磁化水灌溉技术，并取得了巨大经济效益和技术突破；在新建膜下滴灌技术条件下，磁化水脱盐抑盐的效果非常显著[2]，但并未得到大面积推广。所谓磁化水，是以一定的速度通过磁场，垂直切割磁力线被磁场磁化的水[3]。灌溉水被磁化后，水的结构发生了变化[4]，水表面张力系数降低[5-7]，变成单个而有活力的小分子团，这种变小的分子团在细胞代谢过程中具有更强的渗透性，溶解性增强，在灌溉中促进了矿物质溶解和植物根系吸收以及植物的生长[8-10]。水经过磁化后其理化性质发生了改变，对作物的生长有了积极影响[11]。利用这一原理，在水稻、大豆以及小麦等农作物上取得了显著成果[12-15]。但是在玉米的研究上存在不足，未具体探索不同磁场强度对玉米产量品质的影响，以及产量增加并不显著等缺点。本文旨在研究不同磁化强度条件下磁化水对玉米产量品质的影响，并根据玉米的生长发育、产量品质及土壤盐分、养分等参数的结果，探索出适宜于玉米灌溉管理的最佳磁场强度。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2016年初选择了玛纳斯县乐土驿镇上庄子村18.7 hm2为试验区，进行了玉米磁化水滴灌丰产技术的布局试验。该试验区特点是条田走向，地表平坦，肥力相对较高，地理坐标为86°28′ E，44°13′ N，属于干旱半干旱气候区。该地区年平均降水量181.1 mm，年平均蒸发量1 803.5 mm。选取生育期为156 d的制种玉米，于2016年4月17日进行播种，9月20日收获。供试土壤盐分含量为0.58 g/kg，全氮73.12 mg/kg，有效磷9.45 mg/kg，速效钾356 mg/kg。

1.2 试验设计

试验磁化装置是包头磁性材料厂生产的农用磁化器，试验选取磁场强度为1 200、2 400、3 600 Gs的3组磁化器，滴头流量50 L/h。试验设计3个磁场强度1 200、2 400、3 600 Gs及CK(无磁化)，每处理3次重复。试验采取随机区组设计及依据农田特点，将磁化器按N至S极垂直切割水流方向连接于主管与支管接口处。据此构建成磁化滴灌试验和对照(CK)常规滴灌对比2个小区，其他田间管理措施同大田。在玉米生长至果实成熟期严格地控制灌溉水量，于5月23日、6月7日、6月16日、7月3日、7月15日、7月26日、8月5日、8月19日进行灌水，共灌水8次，总灌溉量6 000 m3/hm2，灌水下限为田间持水量的65%。施肥采用基肥为主、追肥为辅原则，耕作前施基肥，每公顷施入尿素250 kg，磷酸二氢氨510 kg。随灌水施肥1次，在拔节期每公顷施入尿素190 kg。

1.3 试验测定方法

1.3.1 土壤含水率的测定 分别在谷子生长发育的幼苗期(6月7日)、拔节期(6月16日)及抽穗成熟期(7月26日)的灌前一天和灌后第三天，用土钻取0 ~ 30 cm土层土样。迅速带回称量其土样湿重后，在105 ℃的烘箱内烘干至恒重测其干重，计算土壤含水率，每处理重复3次，最终测其平均值。最终土壤含水率计算公式如下：

1.3.2 土壤盐分及土壤养分的测定 在播种前(4月15日)及收获后(9月22日)，用土钻取0 ~ 30 cm土层土样。土壤样品经风干后过1 mm和0.25 mm 筛，利用离子色谱仪、电感耦合等离子发射光谱、DDSJ-308A型电导率仪、梅特勒G20型电位滴定仪测定土壤总盐、八大盐离子的含量。土壤养分交由中国科学院新疆生态与地理研究所中心实验室测定。每处理重复3次，最终测其土壤盐分及土壤养分的平均值。

1.3.3 玉米株高、叶片的测定 采用定点定株的方式，在玉米生长发育的关键时期(幼苗期、拔节期、抽穗期)，对玉米进行监测。每处理定3个点，每点选代表性的玉米植株5株，共15株做定点定株调查，最终每处理取平均值进行比较分析。

1.3.4 玉米产量的计算 每个处理随机取3个样点，每个样点取6.67 m2，对长势不均匀的试验田视情况适当增加样点数。每个样点选取有代表性的双行，实数收获穗数，计算每公顷收获穗数；每个样点内随机抓取10个穗，计数平均穗粒数。将10穗脱粒，查取1 000粒称重，重复3次，求取平均值计为千粒重。最终产量计算公式如下：

式中：为产量(kg/hm2)；为穗数(个/hm2)；为穗粒数(个)；为千粒重(g)；0.85是历史多年实际产量与理论产量计算的比值。

1.3.5 玉米品质的测定 采用HASS便携式溶解氧测定仪测定玉米穗粒可溶性糖含量，蛋白质含量由FOSS全自动定氮仪测定。

2 结果与分析

2.1 磁化水滴灌对土壤含水率的影响

由图1可知，3个时期的监测数据均表现为磁化处理的土壤含水率高于对照组，各时期均表现为2400 Gs处理最佳。在幼苗期(6月7日为例)，各处理间差异不显著，磁化处理的土壤含水率均高于CK处理；在拔节期(6月16日为例)，各磁化处理与CK处理间差异显著，2400 Gs与3600 Gs处理间不存在显著性差异，土壤含水率表现为：2400 Gs>3600 Gs>1200 Gs>CK，分别较CK提高了16.0%、9.7%、4.9%；在抽穗成熟期(7月26日为例)，2400 Gs与1200 Gs间差异不显著，但与CK处理存在显著性差异，3600 Gs与CK处理不存在显著性差异，土壤含水率表现为：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分别较CK提高了13.0%、10.1%、3.0%。结果表明：磁化处理可有效提高土壤含水率，2400 Gs处理效果最佳，在幼苗期、拔节期、抽穗成熟期分别较CK高2.7%、16.0%、13.0%。

(图柱上方小写字母不同表示处理间差异达到P<0.05显著水平，下同)

2.2 磁化水滴灌对土壤盐分的影响

据表1可知，4个处理均可以降低土壤的总盐含量，是因为滴灌灌溉方式可以对土壤起到洗盐压盐作用。但磁化水灌溉对土壤的洗盐压盐效果更明显，磁化处理的土壤盐分脱盐率均高于CK(无磁化)。处理间脱盐率表现为：2400 Gs>3600 Gs>1200 Gs>CK，磁化处理脱盐率较CK分别提高了14.5%、11.7%、2.8%。磁化处理土壤中的SO2– 4、Cl–、Na+的含量均降低，但HCO– 3的含量除2400 Gs处理表现为下降，其他处理HCO– 3的含量均升高。Na+的含量脱盐率表现为：2400 Gs>3600 Gs>1200 Gs>CK。CO2– 3在本试验中含量微量。Cl–脱盐率以2400 Gs处理最佳，为29.0%，较CK提高了49.5%。各磁化处理的土壤中Ca2+、Mg2+、K+的含量均表现为降低，但CK(无磁化)处理土壤中的Mg2+、K+含量表现为增加。结果表明：磁化水灌溉可以有效降低土壤盐分含量，盐随水走，更多盐分被淋洗到耕作层以下。

表1 不同处理土壤盐分和八大离子的变化(0 ~ 30 cm土层平均值)

注：CO2– 3微量未标注。

2.3 磁化水滴灌对土壤养分吸收的影响

试验测定结果(表2)表明：磁化处理土壤中的碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量的变化率均高于CK处理。有机质的变化率表现为：1200 Gs>2400 Gs>3600 Gs>CK，2400 Gs处理有机质溶解率较CK提高了67.4%。磁化处理的碱解氮、有效磷、速效钾含量的变化率分别为12.7% ~ 14.5%、31.6% ~ 54.3%、6.6% ~ 10.6%，均表现为：3600 Gs>2400 Gs>1200 Gs> CK。

钻孔灌注桩由于其自身的优势发展迅猛，在成本效益意识日益增强，环保要求越来越高的时代，半湿孔作业法将凭借快速、节约、稳定及环保等优点给工程建设质量提供了更多保障。本文是基于郑州西部地层特性桩基半湿孔成孔的可行性讨论，对本区域桩工建设及其他地区类似地层提供参考。

表2 不同处理的土壤养分变化(0 ~ 30 cm土层平均值)

注：变化量=灌溉前量–灌溉后量。

2.4 磁化水滴灌对玉米生长发育的影响

由图2可以看出：在苗期(6月7日为例)及拔节时期(6月29日为例)，磁化处理的玉米株高、叶片数均高于对照组，但各处理间差异不显著，且叶片增加缓慢。在抽穗成熟期(7月13日为例)，株高表现为：3600 Gs>2400 Gs>1200 Gs>CK，分别较CK提高了11.5%、9.6%、8.0%，磁化处理与CK处理差异显著，但各磁化处理间不存在显著性差异；叶片数表现为：3600 Gs>2400 Gs>1200 Gs>CK，分别较CK提高了19.7 %、11.5%、1.6%，3600 Gs、2400Gs处理与CK处理差异显著，1200 Gs处理与CK处理间差异不显著，2400 Gs处理的叶片数比CK处理高11.5%。试验结果表明：磁化处理可以在一定程度上促进玉米植株的增长、叶片数的增加。

图2 不同处理对不同生育阶段玉米的株高和叶片数的影响

2.5 磁化水滴灌对玉米生物量的影响

图3显示，磁化处理的玉米地上部生物量均大于CK对照组，磁化处理与CK对照组间存在显著性差异，2400 Gs与1200 Gs、3600 Gs处理间差异显著，但1200 Gs与3600 Gs处理间不存在显著性差异。2400 Gs处理玉米植株的地上部生物量达到263.5 g/株，较CK提高了71.2%。1200 Gs处理和3600 Gs处理地上部生物量为216.3、209.1 g/株，较CK处理分别提高了40.5% 和35.9%。结果表明：磁化处理均明显促进了玉米植株的地上部生物量的积累，进而有效促进玉米作物最终产量的形成，以2400 Gs处理最佳。

图3 不同处理玉米的地上部生物量

2.6 磁化水滴灌对玉米穗粒性状的影响

从调查的结果来看(表3)，磁化处理玉米的穗长及穗粗均高于CK对照组，经磁化处理玉米的秃尖长均低于CK处理，但各处理间均表现为差异不显著。磁化处理玉米的单穗粒重较CK处理增重23.2 ~ 41.2 g，磁化处理与CK处理之间差异显著，2400 Gs处理与1200 Gs、3600 Gs处理间差异性显著，但1200 Gs、3600 Gs处理间无显著性差异。单穗粒重表现为：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分别较CK提高了45.8%、28.6%、25.8%。试验数据表明：磁化处理有利于促进玉米穗长、穗粗、单穗粒重的增加，并可一定程度上减少秃尖长度。

2.7 磁化水滴灌对玉米产量的影响

由表4看出，各磁化处理的玉米的产量与CK处理间均表现为显著性差异，2400 Gs处理与1200 Gs处理无显著性差异，但与3600 Gs处理差异显著。最终测产以2400 Gs处理最佳，产量为8 182 kg/hm2，较CK提高了16.2%。1200 Gs与3600 Gs分别比CK处理提高了14.0% 和4.0%。在穗粒数上，磁化处理均高于CK对照组，2400 Gs处理较1200 Gs、3600 Gs及CK处理分别提高了6.6%、8.8% 和25.9%，各处理间差异不显著。穗数表现为：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分别较CK提高了9.7%、8.1%、6.3%，各处理间不存在显著性差异。千粒重以2400 Gs最佳，为345.4 g，较CK提高6.0%，各处理间差异不显著。数据分析结果表明：磁化水滴灌可有效提高玉米穗数、穗粒数、千粒重及产量，以2400 Gs处理最佳，1200 Gs次之。

表3 磁化水滴灌对玉米穗粒性状的影响

注：表中同列数据小写字母不同表示处理间差异达<0.05显著水平，下表同。

表4 磁化水滴灌对玉米产量的影响

2.8 磁化水滴灌对玉米品质的影响

由表5结果可知，2400 Gs处理可溶性糖含量最高，为1.99 g/kg，分别较3600 Gs、1200 Gs、CK提高了36.3%、7.0% 和38.2%；2400 Gs处理与1200 Gs不存在显著性差异，但与CK处理之间差异显著，3600 Gs处理与CK处理间差异不显著。蛋白质含量表现为：2400 Gs>1200 Gs>3600 Gs>CK，分别较CK提高了39.6%、17.9%、11.7%，2400 Gs与其他处理间差异显著。2400 Gs处理淀粉含量最高，为5.65 g/kg，较CK提高了12.8%；1200 Gs与3600 Gs分别较CK提高了10.8% 和9.6%；各磁化处理间不存在显著性差异，但与CK之间差异显著。试验数据表明：磁化水灌溉可以有效地提高玉米穗粒的品质，以2400 Gs最佳，1200 Gs处理次之。

表5 磁化水滴灌对玉米籽粒品质的影响

3 讨论

本试验结果表明：与非磁化水相比，磁化水灌溉可以提高土壤含水率，这与Khoshravesh等[16]研究结果一致。土壤含水率增加的原因：①水经过磁化后，连接水分子之间的氢键断裂，由大分子团簇变成二聚体或者单个水分子，所以水分子更易附着在土壤颗粒表面、更易渗透到土壤颗粒间隙中；②磁化水加速了土壤中的矿物质晶体的形成[17]，这些在水中运动的晶体增加了土壤的渗透压，从而降低土壤水分的蒸发，因此有更多的水分留在土壤中。

磁化水灌溉的盐分淋洗效果明显高于普通灌溉水，这与郑德明等[2]及张瑞喜等[18]的研究结果相一致。普通灌溉水可以对土壤盐分进行淋洗[19-20]，单效果不如磁化水显著，因此，在干旱地区使用磁化水灌溉淋洗可以起到事半功倍的效果。土壤盐分含量降低，可以减轻作物受到的盐害胁迫程度，在一定程度上增强了作物的生理活性[21]，有利于作物产量的提高和品质的改善。

另外，磁化水处理自身也具有改善作物生理活性的功能，对作物增产增收具有一定作用[22]。磁化处理在一定程度上促进玉米植株的增长、叶片数的增加，有利于促进玉米穗长、穗粗、单穗粒重的增加，有效地控制了秃尖长[23-25]。叶片数的增多有效地增加了光合作用的有效面积，加强对太阳光的吸收利用，可更好地促进玉米植株养分的积累，在后期玉米干物质积累及品质的提升中发挥了重要作用。

磁化水灌溉提升了土壤含水率，降低土壤盐分，加速对土壤养分的溶解率，这些因素的相互作用，为玉米作物生长发育及最终产量、品质的提升奠定了基础。但磁化强度不是越高越好，针对玉米作物产量以2400 Gs效果最佳，产量为8 182 kg/hm2，较CK提高了16.2%。品质表现为2400 Gs处理最佳，1200 Gs处理次之。3600 Gs对玉米株高、叶片数的提高表现最佳，但最终的玉米产量、品质低于2400 Gs处理、1200 Gs处理，因此3600 Gs处理的玉米植株属于徒劳增长，并未较高提高玉米产量及品质。因此，磁化水滴灌玉米作物，可以把磁化器的磁场强度限定为1200 Gs ~ 2400 Gs。

4 结论

1)磁化水滴灌可有效提高土壤含水率、降低土壤盐分含量。

2)经磁化水灌溉的玉米植株，可有效提高玉米穗数、穗粒数、千粒重及产量，2400 Gs、1200 Gs与3600 Gs分别比CK处理提高了16.2%、14.0% 和4.0%，以2400 Gs处理最佳。

3)经磁化水灌溉的玉米植株，磁化水灌溉可以有效地提高玉米籽粒品质，其可溶性糖含量较CK提高了1.4% ~ 38.2%；蛋白质含量较CK提高了11.7% ~ 39.6%；淀粉含量较CK提高了9.6% ~ 12.8%。

4)综合分析土壤盐分、作物产量和品质因素，磁化水滴灌玉米，可以把磁化器的磁场强度限定为1200 Gs ~ 2400 Gs。

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Effects of Drip Irrigation with Different Magnetic Water on Soil Salinity, Maize Yield and Quality

WANG Hongbo1, 2, WANG Chengfu3, WU Xu4, QIAO Mu1*, ZHOU Shengbin1, YAN Manman1

(1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Water Conservancy Science and Technology Extension Station of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China; 4 Department of Water Resources of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830000, China)

A field experiment was conducted to study the effects of drip irrigation with different magnetic water on soil salinity and nutrients, maize yield and quality and to determine the optimal magnetic intensity. The results showed that drip irrigation with magnetic water accelerated the elution of soil salts and improved the elution efficiency, increased maize yield by 4%-16.2%, promoted soluble sugar, protein and starch in maize ears and kernels by 1.4%-38.2%, 11.7%-39.6% and 9.6%-12.8%, respectively, compared with CK, and in which magnetic intensity of 1200-2400 Gs had the best effect. Thus, drip irrigation with magnetic water is an effective technique to be popularized in Xinjiang and similar regions.

Magnetic water; Drip irrigation; Maize; Soil salinity; Yield; Quality

新疆水利科技项目(Y652201001)资助。

(qiaomu@ms.xjb.ac.cn)

王洪波(1992—)，女，黑龙江人，硕士研究生，主要从事土壤化学研究。E-mail: 2467727742@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.016

S156.4

A