基于大田試驗條件下PAM對加工番茄的節水作用

高維廷　許凌露　李遠超　林佳奕　賀宇欣　莊文化

摘? ? 要： 為研究聚丙烯酰胺在加工番茄實際生產中的節水作用，試驗于2018年6—9月在新疆昌吉州五家渠市進行大田試驗。試驗設置了 50、100、200 g·m-?等3種劑量水平的PAM，以當地加工番茄傳統灌水量為標準（E），設置2個灌水量水平E和0.7E。測定了番茄花果期土壤水敏感區（縱向5～20 cm深度土層，徑向向距植株 0～15 cm區域內）的土壤體積含水率，番茄產量以及番茄灌溉水利用效率。結果表明，（1）PAM 可有效提高番茄土壤水敏感區持水能力，在傳統灌水量下，隨著PAM劑量的升高，敏感區內土壤含水率呈增加的趨勢，在虧缺30%灌溉處理下，MP-0.7E（PAM劑量為100 g·m-?，虧水30%）效果最為顯著且保水效果最好;（2）施加不同劑量PAM可以提高番茄產量，其中MP-0.7E效果最為顯著，相比不施加PAM的正常種植組增產296%。（3）施加不同劑量PAM可以提高灌溉水利用效率。其中MP-0.7E效果最為顯著，相比不施加PAM的正常種植組增加了3.9倍。揭示了PAM在新疆加工番茄實際生產中的使用效益。

關鍵詞： 加工番茄; 聚丙烯酰胺（PAM）; 土壤含水率; 灌溉水利用效率

Abstract： In order to find out the water-saving effect of PAM on processed tomato in production， the field experiment was conducted in the field trial of Wujiaqu city， Changji Prefecture， Xinjiang Province from June to September in 2018. Three dose levels of PAM were set in this research， which were 50 g·m-2， 100 g·m-2 and 200 g·m-2. The traditional irrigation of locally processed tomatoes （E） was used as the standard， and two irrigation levels E and 0.7E were carried out in this study. The soil water content （potential depth of 5-20 cm in the longitudinal direction and 0-15 cm in the radial direction） at tomato flowering stage， tomato yield and tomato irrigation water utilization efficiency were measured. The results showed that： （1） PAM could effectively improve the water-holding capacity of tomato water sensitive area. Under the traditional irrigation amount， with the increase of PAM applying， the soil moisture content in the sensitive area increased， and the deficit was 30% irrigation. Under the treatment， with the increase of PAM applying， MP-0.7E （PAM dose is 100 g·m-2， deficit 30%） was the most effective and the water retention effect was the best; （2） Applying of PAM could increase tomato yield. Among them， MP-0.7E showed the most significant， which increased by 296% compared with the normal planting group without PAM. （3） Applying PAM could improve irrigation water use efficiency， MP-0.7E showed the most significant， which was 3.9 times higher than the normal planting group without PAM. It revealed the use efficiency of PAM in the actual production of processed tomato in Xinjiang.

Key words： Processed tomato; Polyacrylamide （PAM）; Soil moisture content; Water use efficiency

新疆加工番茄產量占全國90%以上，在兵團農民企業的產業規模優勢下，新疆加工番茄生產水平在全世界處于領先地位，在每年的番茄醬貿易中，新疆出口量為全球的25%[1-2]。然而農業用水緊缺、用水效率低下是制約新疆番茄生產發展的主要因素，因此在番茄種植過程中，如何推進和發展節水灌溉方式來提高番茄生產技術效率已成為新疆番茄種植的主要問題[3-4]。而施用聚丙烯酰胺（PAM）有望在不減少番茄產量的基礎上提高土壤持水能力，增加土壤含水率。

聚丙烯酰胺（PAM）是一種高分子聚合物，不同分子量的聚丙烯酰胺通過和不同離子基團形成配位鍵可以得到不同的性能。目前在全世界范圍內，作為水溶性保水劑得到了極大的推廣。大量研究表明，PAM在溶于水后具有很強的絮凝能力，其分子與土壤顆粒相互作用。在PAM的絮凝作用下，土壤分散顆粒的團聚作用增強，有效改善了土壤結構，增加了土壤中大團聚體的數量，使土壤表面更加粗糙，增加農作物根須附近供水通道，保持土壤團聚體之間的穩定，構成良好的孔隙結構，在灌溉農作物時顯著提高土壤入滲率，增強土壤持水能力[5-9]。張淑芬[10]的結果表明，在土壤水能夠充分供應植物生長且有剩余時，PAM可以有效吸收土壤孔隙中的自由水并保存起來，增加水勢梯度，從而可以在灌溉過程中減少水分滲入時間，降低土壤表面蒸發量;吳云霄[11]對川渝地區常見護坡植物施用PAM，使邊坡土壤結構得到改良，從而強化邊坡植物的穩定性和水土保持性，進而提高其護坡能力;張妙[12]研究表明，生物炭和PAM共同作用增加了土壤的孔隙率和飽和導水率，從而提高了玉米的產量;汪立剛等[13]研究表明，在農作物缺水情況下，由于土壤含水率下降，PAM之前吸收的水分會為農作物進行二次灌溉以保證植株生長。除此之外PAM的施用還可以提高農作物出苗率、水分利用效率、農作物品質等施用的效果，取決于PAM的施用方式、使用劑量、土壤類型等因素[14]。

盡管許多學者研究了PAM對改善土壤結構、減緩土壤侵蝕的作用和PAM對農業生產的影響，但是研究地域多集中在黃土高原、河套地區、川渝地區等地[10-15]，基于大田試驗，結合新疆地區實際生產的研究報道相對較少。筆者在真實的農業生產環境中進行，探究施用不同劑量PAM，對開花結果初期階段番茄土壤水分敏感區的土壤含水率及番茄灌溉水利用效率的影響，為PAM在新疆番茄生產中的應用及推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2018年6—9月在新疆昌吉地區一零一團番茄地進行，北緯44°27′，東經87°49′，海拔高度634 m，無霜期162 d，10 ℃以上積溫3 490 ℃，年平均日照量為2 955.2 h，年平均蒸發量2 000 mm，年平均降水量為190 mm。番茄種植完全符合當地機械化生產管理。

1.2 材料

番茄種植由當地具有多年種植經驗的農戶進行常規管理，番茄品種為加工番茄早熟品種（品種為‘石紅41，產自新疆石河子蔬菜所）。原始土壤pH值為8.14，全氮含量0.164 g·kg-1，全磷含量0.949 g·kg-1，全鉀含量19.3 g·kg-1，土壤質地為黏質土，土壤肥力較為均一。試驗地長256 m，寬6 m。番茄采用寬窄相間的溝壟形式種植，壟上為寬行，寬1.0 m，為操作行;溝內為窄行，寬0.5 m，為種植行，番茄植株播種于溝坡上。種植行行距1.0 m，株距0.25 m。灌溉采用滴灌形式，每行滴灌帶位于兩壟番茄中間，相鄰兩滴頭間的距離為0.3 m，滴頭流量為3.8 L·h-1。

1.3 試驗處理方法

根據前人對PAM施用方法的研究，選擇了一種較為合理的施用方法[16]：按照試驗設計均勻地將PAM撒在地表，用旋耕機將PAM施于距離地表10 cm的位置。番茄于6月21日播種，8月4號出現花蕾進入開花期。將試驗田分為18塊10 m×3 m的處理組和1塊21 m×6 m的對照組，區塊之間為防止干擾相隔15 m。試驗設PAM施用量和灌水量2個變量，其中PAM設置3個水平，分別為200 g·m-2（HP）、100 g·m-2（MP）和50 g·m-2（LP）。灌水量以每塊處理組面積的正常種植灌水量E（429.86 mm）為基數，設置0.7 E、1.0 E 2個水平。以上變量設置6組處理，完全隨機分配在試驗田中，分別為HP-1.0 E、HP-0.7 E、MP-1.0 E、MP-0.7 E、LP-1.0 E、LP-0.7 E（表1），NP-1.0 E為對照，每個處理3次重復，每個小區2溝2壟（2行植株）。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤體積含水率 試驗于8月1—28日實施，即番茄開花期及結果初期。用TDR350土壤水分測量儀（美國 Spectrum 公司）在番茄的土壤水分敏感區（在番茄開花結果初期，其根系在水平及垂直方向伸長生長均較明顯，在開花結果后期，其根系在主要以垂直生長為主，水平方向生長相對減弱。在此階段番茄根系縱向生長約30 cm，橫向生長約20 cm，且在番茄根系生長的過程中，此區域的土壤含水率變化較大，表明在番茄開花結果期內，在水分充沛的條件下番茄根須才能良好生長，水分不足會導致番茄根須生長受限）[17]測定土壤含水率：分別測定距根莖5 cm和15 cm處距地表垂直距離為7.6、12、20 cm處的土壤體積含水率。為了保證測定結果的準確性，每個區塊隨機挑選3株植株，重復測定3次，在每次灌溉前后各測一次。

1.4.2 產量 番茄產量以hm2產量計產，首先采用隨機取樣的方法對每個處理組取樣10株，稱量所有果實質量并計算單株平均產量，然后按照新疆加工番茄機械化管理收益現狀還原為hm2產量（照每hm2 52 500株計算）[18]。

1.4.3 灌溉水利用效率 灌溉水利用效率（IWUE，Irrigation water use efficiency，kg·m-3）指作物利用單位灌水量所能生產的產量，計算公式如下：[19]IWUE=[100YI]式中： Y 為產量（t·hm-2） ，I 為灌水量（mm），100為單位轉換系數。

1.5 數據分析

試驗數據采用 Microsoft Excel 2016軟件進行初步整理并畫圖，用 SAS 9.3軟件對試驗數據進行統計分析，采用混合效應線性模型，用約束最大似然估計法原理計算協方差矩陣獲得統計數據的差異。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率

2.1.1 傳統灌水下PAM對根系層土壤含水率的影響 由圖1可得，在傳統灌水量（1.0E）下，垂直于地表20 cm范圍內的土壤含水率和PAM施用量密切相關。整體分析看來施用不同劑量的PAM處理下，含水率均維持在35%～42%之間，土壤含水率均高于不施用PAM的處理。針對灌水10 d后（8月1日、8月28日）數據進行分析，HP、MP、LP的土壤含水率均高于不施用PAM 25%以上，達到顯著差異。表明在高溫干燥的環境中，PAM中的陰離子原子團能夠有效吸收土壤中多余的水分，其對水分子的吸附力大于蒸發作用從而達到增強土壤持水能力的目的。

在HP處理下土壤含水率變化趨勢最平穩，極差僅僅只有1.93%，在MP處理下土壤含水率極差為5.52%，在LP處理下土壤含水率極差為5.27%，在NP處理下土壤含水率極差為10.85%。表明在不進行水分虧缺時，隨著PAM的施用劑量增加，土壤持水能力不斷增強。

2.1.2 虧缺灌水下PAM對根系層土壤含水率的影響 分析圖1可得，在灌水量為0.7E下，考慮PAM的保水作用以及番茄的正常生長，不設置不施加PAM的處理組。0～20 cm土壤含水率在不同劑量PAM處理下表現為MP>LP>HP，并且在8月15日、8月20日、8月25日，MP處理組均比HP處理組土壤含水率高出20%以上，LP處理組均比HP處理組土壤含水率高出15%以上，達到顯著差異。說明在虧缺灌水下并不是PAM濃度越高保水效果越好，PAM施用劑量過大時，土壤含水率會下降。

2.1.3 根系層土壤剖面含水率變化 分析圖2可得，距離土表面較近的同一土層深度，距植株根莖不同水平距離處土壤含水率有所差異，均表現為5 cm處土壤含水率大于15 cm處土壤含水率。分析同一日期下測定的土壤含水率，施用不同劑量的PAM可以減少距植株根莖不同距離處土壤含水率的差異，減小程度為HP>MP>LP>NP，在HP處理組中最大變幅為6.2%;在MP處理中最大變幅為8.3%;在LP處理組中最大差異為9.4%;在NP處理組中最大變幅為15.4%。說明在番茄植株徑向方向上，隨著PAM施用劑量的增加，田間有效持水量隨之增加。

2.2 番茄產量及灌溉水利用效率

由圖3可知，不同劑量PAM及不同灌水量組合對番茄產量影響極大。其中在MP-0.7E處理下產量最高，達到了93.91 t·hm-2，分別較HP-1.0E、HP-0.7E、MP-1.0E、LP-1.0E、LP-0.7E、NP-1.0E處理增產了17%、179%、4%、165%、74%、296%，其中MP-0.7E、MP-1.0E較HP-0.7E、LP-1.0E、NP-1.0E達到顯著差異，HP-1.0E、LP-0.7E較NP-1.0E也達到顯著差異，HP-1.0E、HP-0.7E、LP-1.0E、LP-0.7E之間無顯著差異。

不同劑量PAM及不同灌水量組合對灌溉水利用效率（IWUE）的影響見圖3。由顯著差異分析可知在施用PAM處理下對IWUE影響顯著，施用不同劑量PAM均能夠提高灌溉水利用效率。其中MP-0.7E處理組效果最為顯著，為28.28 kg·m-3，較HP-0.7E、LP-1.0E、NP-1.0E均達到顯著差異，NP-1.0E處理組的灌溉水利用效率最低，為5.74 kg·m-3，最大值為最小值的3.9倍。說明適宜的PAM施用劑量和灌水量的組合能夠使灌溉水利用效率達到最優。

3 討論與結論

根據PAM吸水、保水機制分析，在PAM的絮凝作用下，穩定的土壤機構限制了水分子的運動，通過水合作用，聚丙烯酰胺高分子網束展開，吸收土壤中的自由水并儲存在孔腔中，土壤缺水時，在滲透壓的作用下儲存在PAM中的水分作為后備供給給植物，從而有效防止水分流失和無效蒸發，起到提高土壤保水能力的作用[17]。員學鋒等[20]研究中表明，在虧水情況下，PAM對水分的吸持能力和其施用劑量成正比，與本試驗結果不符。本試驗結果與耿桂俊[15]研究成果一致，PAM施用劑量過大時，土壤含水率會下降。這主要是因為雖然PAM是一種可溶于水的高分子有機物，但是其自身組成的網狀物質透水性很弱，顆粒狀的PAM在經過較長時間的浸泡之后，逐漸變為多枝纖維狀，與之前相比，此形態下的PAM溶于水之后會增大其黏滯度，其中的分子長鏈會堵塞土壤中的水流通道，減少了原本土壤中允許水流通過的路徑，加大了水流通過土壤入滲的阻力，所以加大的施用量并不能提高土壤含水量，反而會因為土壤孔隙的減少而降低水分入滲速度，從而使土壤含水量降低[21]。

因此PAM施用劑量和灌水量的不同組合可以使土壤持水能力有所提升，針對本試驗中農作物生長環境：北疆地區夏季氣溫炎熱，降雨稀少，平均溫度在35 ℃以上，地面蒸發強烈，土壤水分消耗速度較快，施用PAM限制了土壤水分蒸發，保證了番茄根須附近有充足的水分，為番茄增產提供了可能性。

灌水、入滲、地表蒸發以及番茄生長過程中的根系吸水和蒸騰會引起土壤含水率在水平方向發生變化，而徑向向距植株0～20 cm 區域內均為番茄開花及結果初期的土壤水分敏感區即根須主要分布區域，張軍等[17]的研究表明，由于開花結果期初期對水分需求較大，根系在水平及垂直方向均伸長生長，此時番茄生長受土壤水分虧缺的影響較為敏感，施用PAM阻斷了土壤表層的毛管，提高土壤入滲率，減小土壤流失量，不僅極大的提高了土壤的持水能力，并且減小了水平及垂直方向的土壤水含量差異，使得土壤含水率在番茄根須生長的敏感時期均保持在了一個較高的水品，為花果期番茄主根的生長提供了濕潤穩定的土壤環境，為番茄產量的

在一些研究中表明，在合理的灌水條件下，番茄的產量隨灌水量的增加而增加，也有研究表明，缺水會影響番茄生長，降低植株產量[22-24]。在本研究中得到的數據說明，由于PAM對土壤的節水作用，改變了番茄正常的生長規律，番茄產量不再和灌水量成正相關，在不同劑量PAM作用下，不同灌水量的番茄產量均得到了提高，并且虧水30%的處理是產量增值最高的，這說明適當虧缺水分，PAM的作用可能發揮的更加充分。根據石小虎等[21]的研究，番茄產量隨著根系表面積增長而增長，因為根系生長更加旺盛，植株對水分和營養物質的吸收更加充分，作物產量也相應增加，由此再結合前文對番茄水敏感區土壤含水率的分析：在不同劑量PAM的作用下，土壤含水率均有明顯的提升，有效促進了番茄根須的生長，這可能就是產量提高的一個主要原因。Agbna等[22]研究發現，隨著灌水量的增加，灌溉水利用效率反而降低。而Kuscu等[25]研究發現虧缺灌溉雖然比充分灌溉產量高，但是降低了灌溉水利用效率。上述結果與本研究得到的結論不符，本試驗結果反映在PAM的作用下，虧缺30%灌溉同時提升了植株產量與灌溉水利用效率。

綜合以上分析來看，施用PAM促進了番茄生長，提高了番茄的產量，提高了灌溉水效率。對節水灌溉有著重要的實際意義

土壤含水率的數據表明，不同劑量的PAM和不同灌水量組合處理下均提高了花果期番茄土壤水敏感區的土壤持水能力，有研究表明，在農作物生長過程中保證充足的水分十分重要，而在農作物的特定生長階段對水分的需求也各不相同，尤其在細胞伸長生長時期植物對水分的虧缺最為敏感，花果期是加工番茄植株生長及產量形成的重要時期，其根須主要分布在縱向5～30 cm深度土層，徑向向距植株0～20 cm區域內[26]，PAM在維持此區域土壤保持濕潤起到了重要的作用，并且顯著影響了番茄產量以及灌溉水利用效率。本試驗的6個施加PAM處理均比不施加PAM處理組產量要高，這與杜社妮等[27]在PAM對玉米產量影響的研究結論一致，在虧水30%的情況下施用100 g·m-2的PAM對番茄產量以及灌溉水效率的提升最為顯著，在以后的研究當中可以減小施用劑量的范圍，在本試驗的基礎之上，尋找最適合北疆地區加工番茄的PAM施用劑量和灌溉水用量的組合。

我國學者已做過許多PAM作為保水劑對農作物影響的研究，但基于大田試驗的研究很少，因此筆者對北疆地區加工番茄實際生產中施用PAM進行了驗證，主要得到以下結論：

（1）與不施加PAM的正常種植組相比，施加不同劑量PAM均能提高番茄水分敏感區（縱向5～30 cm 深度土層，徑向向距植株 0～20 cm 區域內）的土壤含水率，其中在正常灌水情況下HP（200 g·m-2）保水效果最顯著;虧水30%灌水情況下MP（100 g·m-2）保水效果最顯著。

（2）施加不同劑量PAM和不同灌水量組合可以提高番茄產量。其中MP-0.7E（PAM劑量為100 g·m-2，虧水30%）效果最為顯著，相比不施加PAM的正常種植組增產296%。

（3）施加不同劑量PAM和不同灌溉水組合可以提高灌溉水利用效率。其中MP-0.7E（PAM劑量為100 g·m-2，虧水30%）效果最為顯著，相比不施加PAM的正常種植組增加了3.9倍。

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