不同聚丙烯酰胺用量对加工番茄产量及土壤环境的影响

李远超 许凌露 贺宇欣

摘要    为了研究不同浓度的聚丙烯酰胺（PAM）对新疆加工番茄产量及土壤环境的具体影响，2018年6—9月在新疆五家渠市（准噶尔盆地东南部）进行大田试验，在2种灌溉方式下，即100%灌溉水量（与当地农业生产保持一致）和70%灌溉水量，设置了3个PAM浓度水平50、100、200 g/m2，考察了其对土壤体积含水率、土壤温度、土壤盐度及番茄株高、茎粗、叶片气孔阻抗和番茄产量的影响。结果表明，PAM可显著提高土壤体积含水率，且在70%灌溉水量处理下，100 g/m2浓度的PAM保水效果最为显著;PAM的施加显著降低了土壤温度，浓度为100 g/m2时最大降低4 ℃;PAM的增產效果显著，同时进行30%灌溉用水亏缺与施加PAM 100 g/m2，番茄产量提高296%。在该试验条件下，PAM提高加工番茄产量的最佳用量为100 g/m2左右。

关键词    加工番茄;聚丙烯酰胺（PAM）;产量;土壤含水率;土壤温度

中图分类号    S156.2;S641.2        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）21-0070-05                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（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

新疆作为世界第三大的番茄生产和加工基地，其得天独厚的条件成就了高品质番茄的生长，加工番茄更是远销海外，得到广泛认可[1]。但是，该地区农业用水亏缺，亟需寻求一种高效节水的农业生产模式[2]。聚丙烯酰胺（PAM）是一种长链聚合物，广泛应用于农业种植中，其具有改善土壤结构的功能，可以有效增加土壤中水稳定性团聚体的含量，从而达到保水保肥的目的，进一步提高农业生产的水分利用效率，且有一定的增产功效[3-5]。

有研究表明[6-11]，由于PAM的长链结构，PAM可显著地改良土壤结构，降低土壤分散系数，增加水稳性大团聚体的数目，使土壤总孔隙度得到提升，进而增强土壤渗透性，提高土壤含水量，达到保水增产的效果。另外，PAM的水溶性强，能深度改善土壤，在维持土壤渗透性和改善土壤板结等方面的有效期较长[12]。土壤性状得到大幅度改良，其通气透水和抗旱能力得到提升，PAM有效增强了土壤保水保肥能力，给作物的增产提供了有利条件[9，13-14]。土壤中的PAM主要由一系列机械活动进行降解，没有毒害作用，其残留的单体（丙烯酞胺，一种致癌物）也不在土壤中累积，可以通过生物进行降解，进入土壤的少量单体，在土壤中也只有不到1 d的半衰期[15-17]。

在国外，PAM已在美国等国得到大面积的普及和使用，截至1996年，仅在3年内其在美国的使用面积从最初的2万hm2增长至100万hm2，并有着显著地增产作用[18-19]。在国内，自20世纪80年代从国外引进PAM以来，无论是试验研究，还是小范围内的大田生产都取得了巨大的成果，但由于我国幅员辽阔，还没有得到大面积推广。

虽然对于PAM的研究已经取得了一定的成果，但针对新疆地区大田种植的加工番茄，PAM的实际应用范围较小，本试验着眼于研究PAM的施加对于新疆地区加工番茄生长及产量的影响，即PAM在新疆滴灌模式下的节水效应、PAM对于新疆加工番茄生长和产量的影响。现将试验结果总结如下。

1    材料与方法

1.1    试验地概况

该试验于2018年6—9月在新疆维吾尔自治区五家渠市农六师101团一般农用地（准噶尔盆地东南部，北纬44°27′、东经87°49′，海拔高度为634 m，属中温带大陆性干旱气候带，年均降水量150～200 mm，年均蒸发量2 000 mm，年均气温6～7 ℃，7—8月平均气温25.7 ℃，平均年日照时长2 800～3 200 h）进行。试验田原始物理化学性质：土壤类型为黏壤土，土壤pH值8.14，全氮含量0.164%，全磷含量9.49%，全钾含量1.93%。

1.2    试验材料

选用新疆农六师加工番茄的早熟品种联创新育2009作为本试验的试验对象。PAM选用阳离子型（GB 17514—2008/GB 120005），1 kg有2 000万分子量，pH值7～9，按照试验设计先均匀撒在地表，再采用表层10 cm深度范围的旋耕机拌施。

1.3    试验设计

该试验同时对灌水量与PAM用量进行控制，其中灌水量分为100%灌溉（灌水量和灌水次数与当地农业生产保持一致，用HW表示）、70%灌溉（灌水量取HW的70%，用LW表示）2種处理，PAM用量分为50、100、200 g/m2（分别用LP、MP、HP表示）3个处理，共组合6个处理，具体各处理设计如表1所示。为方便田间管理及灌水控制，先按照灌水量分为HW和LW组，再采用随机完全区组设计方法，每个处理设置3个重复，并设置不加PAM的对照组（CK，即100%灌溉、无PAM）。

每试验小区大小为10 m×3 m（CK为21 m×6 m），为保证不同浓度PAM处理之间相互不受影响，纵向相邻的试验地块之间间隔15 m。

1.4    试验实施

番茄于6月21日播种，采用垄沟栽培，垄台高15 cm，垄宽100 cm，沟宽50 cm，垄上定植2行番茄，平均每1 m长的支管种植3株番茄（2行交替），株距为66 cm，行距50 cm。试验田的4条垄台处共布置4根纵向滴灌支管，间距1.5 m，支管由2个横向主管控制，采用垄上滴灌模式，滴头间距为30 cm，滴头流量为3.8 L/h，故本次试验中通过控制滴灌时间进一步控制灌溉总量。8月6日进行定苗（一次性剔除不需要的幼苗，保留苗数达到要求苗数，此过程对作物根区土壤扰动剧烈），8月19日开始坐果。其他农艺措施同当地大田管理保持一致。

1.5    测量内容及方法

1.5.1    土壤物理性质测定。在种植作物天数（DAP）为41、45、49、55、60、65、68 d时，使用TDR350（美国Spectrum公司）随机重复取样（所有取样均遵循该原则），对土壤体积含水率（VWC）、土壤温度、土壤电导率（EC）进行测量，得到离作物根部15 cm（背离垄向）处，0～20 cm的土壤深度范围内各项物理性状指标的平均值。本试验采用TDR350的20 cm金属杆直接测量表层土壤的土壤体电导率ECa和土壤体积含水率θw，再计算饱和土壤的电导率，即土壤溶液电导率ECw。有研究表明，ECw在P=0.01置信水平下随土壤水溶性全盐量增加而上升，适度范围内的土壤水溶性全盐是作物存活以及正常生长发育的关键[20]。

根据孙玉龙等[21]、Rhoades等[22]人研究表明，ECa与ECa·θw成线性关系。因此，本试验定义盐分指数SI（salinity index）作为番茄用水效率和土壤肥力的一个定量指标，以满足土壤非饱和状态的试验条件。公式如下：

SI=

式中：ECa为土壤体电导率（mS/cm）;θw为土壤体积含水率（%）。

1.5.2    作物生长指标测定。在DAP为33（作物过小，未测茎粗）、40、46（定苗第2天）、50、59、68 d时，采用米尺和电子游标卡尺对各处理组番茄株高与茎粗进行取样测量。

在DAP为43、46、49 d（均处于坐果前）时，采用AP4植物气孔计（英国Delta-t公司）对各处理组番茄叶表面气孔阻抗（stomatal resistance，SR）进行取样测量。

最后根据新疆农六师加工番茄收益现状，统计各处理组的单株平均果实数量，反推得到单位面积产量[23]。

1.6    数据统计与分析

利用Microsoft Excel 2016对数据进行处理并绘制相关图表，用SAS 9.3软件对数据进行统计分析，根据混合效应线性模型，采用约束最大似然估计法原理计算协方差矩阵获得本试验各组统计数据的差异性。

2    结果与分析

2.1    不同灌水量下PAM对表层土壤含水率的影响

在DAP为41、55、68 d时，表层土壤（0～20 mm深度范围）的平均体积含水率（VWC）测定结果如图1所示。为得到水分亏缺和PAM施加的协同效应对番茄产量及生长的影响，将HW和LW分别同CK组设为同一组进行分析。

由图1可知，在满足当地番茄正常生产的灌溉用水下（HW），DAP为41 d和68 d时，施加PAM后，表层土壤平均体积含水率均显著高于对照组，41 d时处理HP、MP、LP含水率分别较CK增加了42%、43%、34%，68 d时处理HP、MP、LP含水率分别增加了79%、56%、71%。DAP为55 d时，虽然施加PAM后，土壤含水率相对于对照组无显著性差异，但也均高于对照组。PAM由强吸水性树脂制成，在灌溉或者降雨时迅速吸收较自身重数十倍土壤水分形成凝胶，在干旱缺水条件下缓慢释放水分供作物吸收，如此反复从而有效提高土壤含水率[24]。

同时由HW组可知，施加不同浓度的PAM后，处理HP、MP和LP之间的平均体积含水率无显著性差异，也不随PAM的用量改变而呈现一定的规律。这与耿桂俊[25]得出的在0～30 mm范围内的表层土壤，PAM施用量在30.0～37.5 kg/hm2范围内时，土壤含水率随PAM施用量的增加而加大;超过该浓度范围后，随其施用量的增加土壤含水量降低的规律不符。分析其原因可能有3个：一是本试验PAM的用量过多，最小浓度50 g/m2的PAM都远超过上述试验的PAM用量，对土壤含水率的提高作用将不再随PAM浓度的变化而变化;二是本组处理均为正常灌溉处理，灌溉水量充分的情况下，难以显示出浓度变化的优劣势;三是本试验施用PAM方式以及试验地土壤质地同该试验不同，使得PAM发挥的作用效应不一样。由此可见，针对在不同土壤条件下的PAM最佳施用量，应进行不同的试验探讨。

LW组经过水分亏缺灌溉处理之后，在不同时期测定的土壤平均体积含水率，均随PAM用量的增加较正常灌溉的对照组有很大提高，并且随着PAM用量的增加，土壤体积含水率呈现出先上升后下降的变化趋势。在PAM用量为100 g/m2（MP）时达到最高值，并认为本试验条件下，得到最大土壤体积含水率下的最佳PAM用量在100 g/m2左右。當PAM用量达到200 g/m2（HP）时，土壤体积含水率均与CK无显著差异。其中值得注意的是，DAP为41 d和68 d时，在PAM浓度为100 g/m2（MP）下，土壤体积含水率较CK分别增加了45%和68%;即使在55 d时，处理MP较CK土壤含水率提高不太显著，但也可以推得PAM的施用提高了土壤含水率，达到节水灌溉的目的。

2.2    不同灌水量下PAM对表层土壤温度的影响

DAP为41、55、68 d时，表层土壤（0～20 mm深度范围）的平均土壤温度如图2所示。

由图2可知，不论是正常灌溉水量的HW组，还是水分亏缺灌溉的LW组，施加PAM后均能不同程度地降低土壤温度，在同一土层内，温度最多降低了4 ℃，且随着PAM用量的增加，土壤温度呈现出先下降后上升的趋势，在PAM用量为100 g/m2时达到最低值，这一变化与LW组的土壤体积含水率的变化趋势恰好相反。

土壤温度是土壤热量的一项具体表现形式和强度指标，不仅直接影响作物的生长发育过程和最终产量，还与土壤空气、土壤水分和土壤微生物之间相互作用、相互影响。LW组的土壤温度变化与土壤体积含水率变化趋势相反，土壤水分越多，0～20 cm范围内的表层土壤温度越低。可以认为，PAM影响土壤温度的主要原因是PAM增加了土壤含水率，而土壤水分的容积热容量约为土壤空气的3 000倍，土壤整体热容量上升，当吸收等量热量时，施加PAM的土壤温度更低，与土壤含水率成反相关。HW组的土壤温度，虽然和LW组有相同的趋势，但是HW组施加PAM后的土壤体积含水率，并未显示出和PAM用量之间有显著相关性或一定的变化规律，笔者认为PAM影响土壤温度可能还与土壤结构和土壤微生物活动有关，需要进一步试验探究。

2.3    短期内PAM对表层土壤盐度的影响

由表2可知，除了HW组在番茄生长DAP为41、45 d时，在施加PAM后的较短时间内，土壤的SI显著高于CK，其余各组施加PAM对土壤的SI无显著影响。这与张雪辰等[26]得出的PAM能有效降低土壤电导率的结论不符。王效伟等[27]研究表明，短期时间（45 d）内，PAM在土壤中最多仅被分解1.5%。故排除PAM在本试验短期时间内被分解而产生额外离子，进而影响土壤盐分的因素。推测主要原因是本试验中选定的PAM浓度过高，部分聚合物分子将自身缠绕成团，并在土粒表面上形成“双层”吸附层，从而不利于盐分的淋洗[28]。

2.4    PAM对番茄生长状况的影响

由表3可知，不同时间下测定各处理组的株高和茎粗，在HW和LW分组下几乎不存在显著性差异;而LW组的株高和茎粗较HW组整体略低，原因是水分亏缺灌溉而引起的差异。

前人研究[5，25]显示，由于PAM的保水作用，减少了地面蒸发，减缓了作物的水分胁迫，作物的可利用水增加，故而促进了作物的生长，且随着PAM施加浓度的增加呈现上升趋势，尤其在作物幼苗期生长增长较为明显，但本试验结果并未体现该规律。

植物气孔是植物细胞同大气交换CO2、O2和水汽的主要通道，直接影响着植物各项生理活动，而气体在进行交换时所遇到的阻力称为气孔阻抗（RS），主要受土壤条件、光照、温度、湿度和风速等因素影响，因而研究气孔阻抗对深入了解作物生长发育及坐果等过程有着重要的理论及实践意义[29-30]。

由图3可知，番茄坐果前，不同时间下测定各处理组的RS不存在显著性差异，但其中施加PAM的处理组的气孔阻抗大于CK组，而气孔阻抗同蒸腾强度和光合强度呈负相关，施加PAM的处理组气孔阻抗越大，蒸腾强度和光合强度越弱。分析猜测，施加PAM的处理组增大了土壤水的溶质势，尽管使土壤体积含水率得到提升，但水分的有效性反而降低，对作物产生水分胁迫作用，影响作物各项生理代谢反应，并最终导致部分气孔关闭，气孔阻抗变大。程智慧等[31]、李英才等[32]研究结果也同样表明，水分胁迫可显著增大番茄叶片气孔阻抗，影响作物光合速率。总之，PAM对作物内部生理的具体影响还不明确，有待进一步研究。

2.5    PAM对番茄产量的影响

图4为正常灌溉（HW，100%水量）和水分亏缺灌溉（LW，70%灌溉水量）条件下施加不同浓度PAM对番茄产量的影响结果。

由图4可知，无论在番茄灌水量充足情况下或是亏水30%情况下，施加PAM均能提高产量。可以看出，HW组中处理HP、MP、LP产量较CK分别提升了225%、281%和49%，其中处理HP、MP产量较CK有显著提高。LW组中处理HP、MP、LP产量较CK分别提升了42%、296%和128%，其中处理MP产量较CK有显著提高。当PAM浓度低于100 g/m2时，均表现出产量随PAM浓度增加而呈现不断提高的趋势，当PAM浓度高于100 g/m2时，产量反而有所下降，故初步认为PAM提高番茄产量的最佳用量在100 g/m2左右。

武惠平等[33]研究表明，以田间持水量为基点降低土壤含水率，使番茄产量先增后减，当土壤含水率达到70%～80%时，产量达到峰值。周啸尘[34]研究表明，灌水量显著影响番茄产量，过量灌水降低番茄产量，水分亏缺同样显著使其降低。对比HW组和LW组的土壤体积含水率和产量可以得出结论，PAM可以显著提高土壤含水率，在水分亏缺情况下施用PAM，土壤含水率增加更明显、产量更高，在维持产量不变的情况下，根据北疆加工番茄平均1 060 mm的总灌水量，施加100 g/m2的PAM可以平均节约水量3 150 t/hm2左右。因此，在干旱缺水地区农业中进行PAM的推广使用，对节水增产具有巨大的研究和实用意义。

冯玉龙等[35]研究表明，番茄根系温度在30 ℃时，有机物的生成和分配最有利于积累，随着温度上升，有机物的积累迅速降低。本试验种植时间偏晚，整体气温较高，CK土温为33～37 ℃，而PAM的施加能将土壤温度显著降低至30 ℃左右，即番茄光合作用和干物质积累的最佳温度，这可能是PAM能达到增产作用的主要因素，这将为在干旱高温地区和反季节种植作物提供很好的研究方向。

PAM对土壤盐度指数、番茄株高和茎粗影响并不显著，初步认为三者不是影响番茄产量的中间因素。本试验中的植物气孔阻抗测定于作物生长前期，分析认为该测量结果同作物最终产量影响较小，故不纳入考虑。

3    结论与讨论

试验结果表明，PAM的短期施加可有效提高0～20 cm表层土壤的平均体积含水率。本试验中，在满灌条件下，PAM不同浓度设置组之间并未体现出显著性差异;水分亏缺灌溉条件下，随着PAM用量的增加，土壤体积含水率呈现出先上升后下降的变化趋势，得到最大土壤体积含水率下的最佳PAM用量在100 g/m2左右。由此可以得出，PAM在水分亏缺条件下的节水效果更加显著。PAM的施加能在不同程度上降低表层土壤的温度，且无论在满灌条件还是水分亏缺灌溉条件下，均体现出随着PAM用量的增加，土壤温度呈现出先下降后上升的趋势，在浓度为100 g/m2时降至最低。PAM的短期施加对表层土壤盐度指数、番茄株高和茎粗作用效果并不显著;番茄生长前期测得的叶片气孔阻抗，由于PAM的施加并未产生显著性差异，但处理组的气孔阻抗均大于对照组，推测为水分胁迫作用导致[36-37]。因此，为找到PAM能提高产量的中间变量以研究其作用机理，应进行更深入长期的试验。

新疆加工番茄的产量受PAM的影响，提升效果显著。本试验认为，PAM通过其保水持水功能，降低土壤温度以达到增加产量作用，在水分亏缺30%的灌水量下，较晚种的对照组最高能增产296%，并初步认为PAM提高番茄产量的最佳用量在100 g/m2左右。

本试验结果基于大田试验得到，高浓度范围的PAM在新疆农业生产中能显著减少加工番茄的产量损失，并节约用水，这为在干旱高温地区解决农业水资源短缺的问题而推广使用PAM提供依据。

本次试验表明，在新疆滴灌種植模式下，加工番茄施用PAM能够节水增产，且PAM增产效果结合水分亏缺灌溉时效果更显著，但本试验并未探明PAM短期内使得加工番茄产量大幅增加的机理以及长期施加PAM对土壤理化性质和加工番茄影响。因此，进一步探寻PAM对作物的影响机制以及长期使用PAM的最终结果是未来进一步试验的研究方向。

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