不同聚丙烯酰胺用量對加工番茄產量及土壤環境的影響

李遠超 許凌露 賀宇欣

摘要 ? ?為了研究不同濃度的聚丙烯酰胺（PAM）對新疆加工番茄產量及土壤環境的具體影響，2018年6—9月在新疆五家渠市（準噶爾盆地東南部）進行大田試驗，在2種灌溉方式下，即100%灌溉水量（與當地農業生產保持一致）和70%灌溉水量，設置了3個PAM濃度水平50、100、200 g/m2，考察了其對土壤體積含水率、土壤溫度、土壤鹽度及番茄株高、莖粗、葉片氣孔阻抗和番茄產量的影響。結果表明，PAM可顯著提高土壤體積含水率，且在70%灌溉水量處理下，100 g/m2濃度的PAM保水效果最為顯著;PAM的施加顯著降低了土壤溫度，濃度為100 g/m2時最大降低4 ℃;PAM的增產效果顯著，同時進行30%灌溉用水虧缺與施加PAM 100 g/m2，番茄產量提高296%。在該試驗條件下，PAM提高加工番茄產量的最佳用量為100 g/m2左右。

關鍵詞 ? ?加工番茄;聚丙烯酰胺（PAM）;產量;土壤含水率;土壤溫度

中圖分類號 ? ?S156.2;S641.2 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）21-0070-05 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract ? ?In order to study the specific effects of different concentrations of polyacrylamide（PAM）on processed tomato yield and soil environment in Xinjiang，the field experiment was conducted in Wujiaqu City of Xinjiang（southeast of the Junggar Basin） from June to September，2018. With two irrigation quotas，such as 100% irrigation water（full irrigation，consistent with local agricultural production management） and 70% irrigation water，three concentration of PAM（50 g/m2，100 g/m2 and 200 g/m2） was set in the test to analyze its effect on soil volumetric water content，soil temperature，soil salinity，and plant height，stem diameter，leaf stomatal resistance and yield of tomato. The results showed that PAM could effectively increase the volumetric water content of soil. Under the 70% irrigation water treatment，the water retention effect of PAM at a concentration of 100 g/m2 was the most significant. The application of PAM reduced the soil temperature，the maximum decrease reached 4 ℃ when the concentration was 100 g/m2.PAM had a significant yield-increasing effect. The yield of processed tomato increased by 296% with 70% irrigation water and application of 100 g/m2 PAM.To increase the yield of processed tomato，the optimum concentration of PAM is about 100 g/m2 under the conditions of this experiment.

Key words ? ?processed tomato;polyacrylamide（PAM）;yield;soil water content;soil temperature

新疆作為世界第三大的番茄生產和加工基地，其得天獨厚的條件成就了高品質番茄的生長，加工番茄更是遠銷海外，得到廣泛認可[1]。但是，該地區農業用水虧缺，亟需尋求一種高效節水的農業生產模式[2]。聚丙烯酰胺（PAM）是一種長鏈聚合物，廣泛應用于農業種植中，其具有改善土壤結構的功能，可以有效增加土壤中水穩定性團聚體的含量，從而達到保水保肥的目的，進一步提高農業生產的水分利用效率，且有一定的增產功效[3-5]。

有研究表明[6-11]，由于PAM的長鏈結構，PAM可顯著地改良土壤結構，降低土壤分散系數，增加水穩性大團聚體的數目，使土壤總孔隙度得到提升，進而增強土壤滲透性，提高土壤含水量，達到保水增產的效果。另外，PAM的水溶性強，能深度改善土壤，在維持土壤滲透性和改善土壤板結等方面的有效期較長[12]。土壤性狀得到大幅度改良，其通氣透水和抗旱能力得到提升，PAM有效增強了土壤保水保肥能力，給作物的增產提供了有利條件[9，13-14]。土壤中的PAM主要由一系列機械活動進行降解，沒有毒害作用，其殘留的單體（丙烯酞胺，一種致癌物）也不在土壤中累積，可以通過生物進行降解，進入土壤的少量單體，在土壤中也只有不到1 d的半衰期[15-17]。

在國外，PAM已在美國等國得到大面積的普及和使用，截至1996年，僅在3年內其在美國的使用面積從最初的2萬hm2增長至100萬hm2，并有著顯著地增產作用[18-19]。在國內，自20世紀80年代從國外引進PAM以來，無論是試驗研究，還是小范圍內的大田生產都取得了巨大的成果，但由于我國幅員遼闊，還沒有得到大面積推廣。

雖然對于PAM的研究已經取得了一定的成果，但針對新疆地區大田種植的加工番茄，PAM的實際應用范圍較小，本試驗著眼于研究PAM的施加對于新疆地區加工番茄生長及產量的影響，即PAM在新疆滴灌模式下的節水效應、PAM對于新疆加工番茄生長和產量的影響。現將試驗結果總結如下。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗地概況

該試驗于2018年6—9月在新疆維吾爾自治區五家渠市農六師101團一般農用地（準噶爾盆地東南部，北緯44°27′、東經87°49′，海拔高度為634 m，屬中溫帶大陸性干旱氣候帶，年均降水量150～200 mm，年均蒸發量2 000 mm，年均氣溫6～7 ℃，7—8月平均氣溫25.7 ℃，平均年日照時長2 800～3 200 h）進行。試驗田原始物理化學性質：土壤類型為黏壤土，土壤pH值8.14，全氮含量0.164%，全磷含量9.49%，全鉀含量1.93%。

1.2 ? ?試驗材料

選用新疆農六師加工番茄的早熟品種聯創新育2009作為本試驗的試驗對象。PAM選用陽離子型（GB 17514—2008/GB 120005），1 kg有2 000萬分子量，pH值7～9，按照試驗設計先均勻撒在地表，再采用表層10 cm深度范圍的旋耕機拌施。

1.3 ? ?試驗設計

該試驗同時對灌水量與PAM用量進行控制，其中灌水量分為100%灌溉（灌水量和灌水次數與當地農業生產保持一致，用HW表示）、70%灌溉（灌水量取HW的70%，用LW表示）2種處理，PAM用量分為50、100、200 g/m2（分別用LP、MP、HP表示）3個處理，共組合6個處理，具體各處理設計如表1所示。為方便田間管理及灌水控制，先按照灌水量分為HW和LW組，再采用隨機完全區組設計方法，每個處理設置3個重復，并設置不加PAM的對照組（CK，即100%灌溉、無PAM）。

每試驗小區大小為10 m×3 m（CK為21 m×6 m），為保證不同濃度PAM處理之間相互不受影響，縱向相鄰的試驗地塊之間間隔15 m。

1.4 ? ?試驗實施

番茄于6月21日播種，采用壟溝栽培，壟臺高15 cm，壟寬100 cm，溝寬50 cm，壟上定植2行番茄，平均每1 m長的支管種植3株番茄（2行交替），株距為66 cm，行距50 cm。試驗田的4條壟臺處共布置4根縱向滴灌支管，間距1.5 m，支管由2個橫向主管控制，采用壟上滴灌模式，滴頭間距為30 cm，滴頭流量為3.8 L/h，故本次試驗中通過控制滴灌時間進一步控制灌溉總量。8月6日進行定苗（一次性剔除不需要的幼苗，保留苗數達到要求苗數，此過程對作物根區土壤擾動劇烈），8月19日開始坐果。其他農藝措施同當地大田管理保持一致。

1.5 ? ?測量內容及方法

1.5.1 ? ?土壤物理性質測定。在種植作物天數（DAP）為41、45、49、55、60、65、68 d時，使用TDR350（美國Spectrum公司）隨機重復取樣（所有取樣均遵循該原則），對土壤體積含水率（VWC）、土壤溫度、土壤電導率（EC）進行測量，得到離作物根部15 cm（背離壟向）處，0～20 cm的土壤深度范圍內各項物理性狀指標的平均值。本試驗采用TDR350的20 cm金屬桿直接測量表層土壤的土壤體電導率ECa和土壤體積含水率θw，再計算飽和土壤的電導率，即土壤溶液電導率ECw。有研究表明，ECw在P=0.01置信水平下隨土壤水溶性全鹽量增加而上升，適度范圍內的土壤水溶性全鹽是作物存活以及正常生長發育的關鍵[20]。

根據孫玉龍等[21]、Rhoades等[22]人研究表明，ECa與ECa·θw成線性關系。因此，本試驗定義鹽分指數SI（salinity index）作為番茄用水效率和土壤肥力的一個定量指標，以滿足土壤非飽和狀態的試驗條件。公式如下：

SI=

式中：ECa為土壤體電導率（mS/cm）;θw為土壤體積含水率（%）。

1.5.2 ? ?作物生長指標測定。在DAP為33（作物過小，未測莖粗）、40、46（定苗第2天）、50、59、68 d時，采用米尺和電子游標卡尺對各處理組番茄株高與莖粗進行取樣測量。

在DAP為43、46、49 d（均處于坐果前）時，采用AP4植物氣孔計（英國Delta-t公司）對各處理組番茄葉表面氣孔阻抗（stomatal resistance，SR）進行取樣測量。

最后根據新疆農六師加工番茄收益現狀，統計各處理組的單株平均果實數量，反推得到單位面積產量[23]。

1.6 ? ?數據統計與分析

利用Microsoft Excel 2016對數據進行處理并繪制相關圖表，用SAS 9.3軟件對數據進行統計分析，根據混合效應線性模型，采用約束最大似然估計法原理計算協方差矩陣獲得本試驗各組統計數據的差異性。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?不同灌水量下PAM對表層土壤含水率的影響

在DAP為41、55、68 d時，表層土壤（0～20 mm深度范圍）的平均體積含水率（VWC）測定結果如圖1所示。為得到水分虧缺和PAM施加的協同效應對番茄產量及生長的影響，將HW和LW分別同CK組設為同一組進行分析。

由圖1可知，在滿足當地番茄正常生產的灌溉用水下（HW），DAP為41 d和68 d時，施加PAM后，表層土壤平均體積含水率均顯著高于對照組，41 d時處理HP、MP、LP含水率分別較CK增加了42%、43%、34%，68 d時處理HP、MP、LP含水率分別增加了79%、56%、71%。DAP為55 d時，雖然施加PAM后，土壤含水率相對于對照組無顯著性差異，但也均高于對照組。PAM由強吸水性樹脂制成，在灌溉或者降雨時迅速吸收較自身重數十倍土壤水分形成凝膠，在干旱缺水條件下緩慢釋放水分供作物吸收，如此反復從而有效提高土壤含水率[24]。

同時由HW組可知，施加不同濃度的PAM后，處理HP、MP和LP之間的平均體積含水率無顯著性差異，也不隨PAM的用量改變而呈現一定的規律。這與耿桂俊[25]得出的在0～30 mm范圍內的表層土壤，PAM施用量在30.0～37.5 kg/hm2范圍內時，土壤含水率隨PAM施用量的增加而加大;超過該濃度范圍后，隨其施用量的增加土壤含水量降低的規律不符。分析其原因可能有3個：一是本試驗PAM的用量過多，最小濃度50 g/m2的PAM都遠超過上述試驗的PAM用量，對土壤含水率的提高作用將不再隨PAM濃度的變化而變化;二是本組處理均為正常灌溉處理，灌溉水量充分的情況下，難以顯示出濃度變化的優劣勢;三是本試驗施用PAM方式以及試驗地土壤質地同該試驗不同，使得PAM發揮的作用效應不一樣。由此可見，針對在不同土壤條件下的PAM最佳施用量，應進行不同的試驗探討。

LW組經過水分虧缺灌溉處理之后，在不同時期測定的土壤平均體積含水率，均隨PAM用量的增加較正常灌溉的對照組有很大提高，并且隨著PAM用量的增加，土壤體積含水率呈現出先上升后下降的變化趨勢。在PAM用量為100 g/m2（MP）時達到最高值，并認為本試驗條件下，得到最大土壤體積含水率下的最佳PAM用量在100 g/m2左右。當PAM用量達到200 g/m2（HP）時，土壤體積含水率均與CK無顯著差異。其中值得注意的是，DAP為41 d和68 d時，在PAM濃度為100 g/m2（MP）下，土壤體積含水率較CK分別增加了45%和68%;即使在55 d時，處理MP較CK土壤含水率提高不太顯著，但也可以推得PAM的施用提高了土壤含水率，達到節水灌溉的目的。

2.2 ? ?不同灌水量下PAM對表層土壤溫度的影響

DAP為41、55、68 d時，表層土壤（0～20 mm深度范圍）的平均土壤溫度如圖2所示。

由圖2可知，不論是正常灌溉水量的HW組，還是水分虧缺灌溉的LW組，施加PAM后均能不同程度地降低土壤溫度，在同一土層內，溫度最多降低了4 ℃，且隨著PAM用量的增加，土壤溫度呈現出先下降后上升的趨勢，在PAM用量為100 g/m2時達到最低值，這一變化與LW組的土壤體積含水率的變化趨勢恰好相反。

土壤溫度是土壤熱量的一項具體表現形式和強度指標，不僅直接影響作物的生長發育過程和最終產量，還與土壤空氣、土壤水分和土壤微生物之間相互作用、相互影響。LW組的土壤溫度變化與土壤體積含水率變化趨勢相反，土壤水分越多，0～20 cm范圍內的表層土壤溫度越低。可以認為，PAM影響土壤溫度的主要原因是PAM增加了土壤含水率，而土壤水分的容積熱容量約為土壤空氣的3 000倍，土壤整體熱容量上升，當吸收等量熱量時，施加PAM的土壤溫度更低，與土壤含水率成反相關。HW組的土壤溫度，雖然和LW組有相同的趨勢，但是HW組施加PAM后的土壤體積含水率，并未顯示出和PAM用量之間有顯著相關性或一定的變化規律，筆者認為PAM影響土壤溫度可能還與土壤結構和土壤微生物活動有關，需要進一步試驗探究。

2.3 ? ?短期內PAM對表層土壤鹽度的影響

由表2可知，除了HW組在番茄生長DAP為41、45 d時，在施加PAM后的較短時間內，土壤的SI顯著高于CK，其余各組施加PAM對土壤的SI無顯著影響。這與張雪辰等[26]得出的PAM能有效降低土壤電導率的結論不符。王效偉等[27]研究表明，短期時間（45 d）內，PAM在土壤中最多僅被分解1.5%。故排除PAM在本試驗短期時間內被分解而產生額外離子，進而影響土壤鹽分的因素。推測主要原因是本試驗中選定的PAM濃度過高，部分聚合物分子將自身纏繞成團，并在土粒表面上形成“雙層”吸附層，從而不利于鹽分的淋洗[28]。

2.4 ? ?PAM對番茄生長狀況的影響

由表3可知，不同時間下測定各處理組的株高和莖粗，在HW和LW分組下幾乎不存在顯著性差異;而LW組的株高和莖粗較HW組整體略低，原因是水分虧缺灌溉而引起的差異。

前人研究[5，25]顯示，由于PAM的保水作用，減少了地面蒸發，減緩了作物的水分脅迫，作物的可利用水增加，故而促進了作物的生長，且隨著PAM施加濃度的增加呈現上升趨勢，尤其在作物幼苗期生長增長較為明顯，但本試驗結果并未體現該規律。

植物氣孔是植物細胞同大氣交換CO2、O2和水汽的主要通道，直接影響著植物各項生理活動，而氣體在進行交換時所遇到的阻力稱為氣孔阻抗（RS），主要受土壤條件、光照、溫度、濕度和風速等因素影響，因而研究氣孔阻抗對深入了解作物生長發育及坐果等過程有著重要的理論及實踐意義[29-30]。

由圖3可知，番茄坐果前，不同時間下測定各處理組的RS不存在顯著性差異，但其中施加PAM的處理組的氣孔阻抗大于CK組，而氣孔阻抗同蒸騰強度和光合強度呈負相關，施加PAM的處理組氣孔阻抗越大，蒸騰強度和光合強度越弱。分析猜測，施加PAM的處理組增大了土壤水的溶質勢，盡管使土壤體積含水率得到提升，但水分的有效性反而降低，對作物產生水分脅迫作用，影響作物各項生理代謝反應，并最終導致部分氣孔關閉，氣孔阻抗變大。程智慧等[31]、李英才等[32]研究結果也同樣表明，水分脅迫可顯著增大番茄葉片氣孔阻抗，影響作物光合速率。總之，PAM對作物內部生理的具體影響還不明確，有待進一步研究。

2.5 ? ?PAM對番茄產量的影響

圖4為正常灌溉（HW，100%水量）和水分虧缺灌溉（LW，70%灌溉水量）條件下施加不同濃度PAM對番茄產量的影響結果。

由圖4可知，無論在番茄灌水量充足情況下或是虧水30%情況下，施加PAM均能提高產量。可以看出，HW組中處理HP、MP、LP產量較CK分別提升了225%、281%和49%，其中處理HP、MP產量較CK有顯著提高。LW組中處理HP、MP、LP產量較CK分別提升了42%、296%和128%，其中處理MP產量較CK有顯著提高。當PAM濃度低于100 g/m2時，均表現出產量隨PAM濃度增加而呈現不斷提高的趨勢，當PAM濃度高于100 g/m2時，產量反而有所下降，故初步認為PAM提高番茄產量的最佳用量在100 g/m2左右。

武惠平等[33]研究表明，以田間持水量為基點降低土壤含水率，使番茄產量先增后減，當土壤含水率達到70%～80%時，產量達到峰值。周嘯塵[34]研究表明，灌水量顯著影響番茄產量，過量灌水降低番茄產量，水分虧缺同樣顯著使其降低。對比HW組和LW組的土壤體積含水率和產量可以得出結論，PAM可以顯著提高土壤含水率，在水分虧缺情況下施用PAM，土壤含水率增加更明顯、產量更高，在維持產量不變的情況下，根據北疆加工番茄平均1 060 mm的總灌水量，施加100 g/m2的PAM可以平均節約水量3 150 t/hm2左右。因此，在干旱缺水地區農業中進行PAM的推廣使用，對節水增產具有巨大的研究和實用意義。

馮玉龍等[35]研究表明，番茄根系溫度在30 ℃時，有機物的生成和分配最有利于積累，隨著溫度上升，有機物的積累迅速降低。本試驗種植時間偏晚，整體氣溫較高，CK土溫為33～37 ℃，而PAM的施加能將土壤溫度顯著降低至30 ℃左右，即番茄光合作用和干物質積累的最佳溫度，這可能是PAM能達到增產作用的主要因素，這將為在干旱高溫地區和反季節種植作物提供很好的研究方向。

PAM對土壤鹽度指數、番茄株高和莖粗影響并不顯著，初步認為三者不是影響番茄產量的中間因素。本試驗中的植物氣孔阻抗測定于作物生長前期，分析認為該測量結果同作物最終產量影響較小，故不納入考慮。

3 ? ?結論與討論

試驗結果表明，PAM的短期施加可有效提高0～20 cm表層土壤的平均體積含水率。本試驗中，在滿灌條件下，PAM不同濃度設置組之間并未體現出顯著性差異;水分虧缺灌溉條件下，隨著PAM用量的增加，土壤體積含水率呈現出先上升后下降的變化趨勢，得到最大土壤體積含水率下的最佳PAM用量在100 g/m2左右。由此可以得出，PAM在水分虧缺條件下的節水效果更加顯著。PAM的施加能在不同程度上降低表層土壤的溫度，且無論在滿灌條件還是水分虧缺灌溉條件下，均體現出隨著PAM用量的增加，土壤溫度呈現出先下降后上升的趨勢，在濃度為100 g/m2時降至最低。PAM的短期施加對表層土壤鹽度指數、番茄株高和莖粗作用效果并不顯著;番茄生長前期測得的葉片氣孔阻抗，由于PAM的施加并未產生顯著性差異，但處理組的氣孔阻抗均大于對照組，推測為水分脅迫作用導致[36-37]。因此，為找到PAM能提高產量的中間變量以研究其作用機理，應進行更深入長期的試驗。

新疆加工番茄的產量受PAM的影響，提升效果顯著。本試驗認為，PAM通過其保水持水功能，降低土壤溫度以達到增加產量作用，在水分虧缺30%的灌水量下，較晚種的對照組最高能增產296%，并初步認為PAM提高番茄產量的最佳用量在100 g/m2左右。

本試驗結果基于大田試驗得到，高濃度范圍的PAM在新疆農業生產中能顯著減少加工番茄的產量損失，并節約用水，這為在干旱高溫地區解決農業水資源短缺的問題而推廣使用PAM提供依據。

本次試驗表明，在新疆滴灌種植模式下，加工番茄施用PAM能夠節水增產，且PAM增產效果結合水分虧缺灌溉時效果更顯著，但本試驗并未探明PAM短期內使得加工番茄產量大幅增加的機理以及長期施加PAM對土壤理化性質和加工番茄影響。因此，進一步探尋PAM對作物的影響機制以及長期使用PAM的最終結果是未來進一步試驗的研究方向。

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