PAM与SAP联合施用对旱作坡耕地的水分保蓄影响

王 富，魏占民，付晨星，杨旭东，赵 炜

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

内蒙古农牧交错带位于内蒙古北部牧业带与南部农业带之间，是一条由鄂尔多斯高原东部向东延伸至大兴安岭北端东南侧的狭长地带，地形结构以山地丘陵为主，其间分布广泛的坡耕地，坡耕地达333万hm2，占耕地总面积的44.6%，是重要的农业生产资源。区内坡耕地的分布地区大部分属于旱区，水资源贫乏，自然降雨是农业生产的可利用水资源的重要组成部分，而降雨主要发生在雨季，多为急促的暴雨。由于雨季大强度降雨、地形等自然因素和人为耕作方式的综合作用，造成坡耕地耕作层土壤退化、表层土壤结皮、表层土壤和养分随径流大量流失。因此，为保持农业合理良好的发展，当下急需解决坡耕地土壤侵蚀和水分养分流失的问题，保证作物稳产、增产。近年来，采取施用土壤结构调理剂PAM(聚丙烯酰胺 Polyacrylamide)、保水剂SAP(高分子吸水性聚合物 Super Absorbent Polymers)等化学措施提高土壤肥力，防止水土流失已成为研究旱地农业发展的新领域，研究成果时见报导。

PAM是一种线性水溶性高分子聚合物，利用它极强的絮凝能力可以将土壤中松散的颗粒吸附起来，结合成新的团聚体，增加孔隙度[1]。另外还能提高水分入渗能力和水分利用效率[2]，减少耕作层土壤侵蚀和水分蒸发，抑制表层土壤结皮，提高土壤固土截流能力[3,4]。土壤施用PAM后可以提高土壤养分含量，减少养分流失[5]，抑制氮素向土壤深层移动[6]。SAP又名高吸水性树脂，是一种具有超强的吸水能力的保水剂。最大可以结合比自身重千倍以上的纯水，并且具有良好的保水和反复吸水的能力[7,8]。黄震等[9]通过试验研究发现，使用保水剂能减少水分向深层渗漏。包开花，李中阳等[10,11]研究认为，SAP可增加旱作耕地的土壤含水率，使农田干旱得到有效缓解，并且可使作物水分利用效率提高和亩产增加，武继承，吕美琴等[12,13]研究表明，农田中施用保水剂用量为30～90 kg/hm2最为适宜，成果也展示出了良好的经济效益。

当前试验研究多集中在单独施加PAM或SAP的上，关于PAM和SAP联合施用对水分保蓄和作物生长情况的研究相对较少。本次试验针对旱作坡耕地，选择研究对象为马铃薯，使用田间喷灌模拟降雨，设计对照与两种施用方法的多个施用量试验组，分析PAM和SAP联合施用对旱作坡耕地田间含水率、累计贮水量及水分利用效率的影响，寻找最佳施用方式、施用量，为旱作坡耕地种植马铃薯保水、稳产和增产提供技术模式和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古农牧交错带的卓资县福生庄乡，地处北温带，海拔1 400 m左右，年平均气温2.9 ℃，最低气温-38.2 ℃，极端最高气温为35.2 ℃，无霜期90～110 d。年均降水量为100～300 mm，年均蒸发量为2 900～3 100 mm，年平均湿度45%，年均风速2.8 m/s[14]。

试验区内选取土地平整，坡度为10°的旱作耕地。土壤经粒径分析得知：砂粒含量为50.04%，粉粒含量为47.19%，黏粒含量为2.77%，按照美国制质地分类标准，属于砂质壤土。经过测定，0～80 cm土层土壤平均密度为1.47 g/cm3。

1.2 试验材料及方法

供试PAM的分子量为800 万Da(Da表示一个碳12原子质量的1/2)，属于阴离子型；SAP(高吸水树脂)的粒度为20～40目≥90%，pH值为6.8～8.0；供试肥料为复合肥；作物品种为马铃薯，选用当地适用品种。

顺坡布置的试验小区长8 m，宽4 m，面积32 m2，设计21个径流试验小区。小区周围设置隔离土墙，宽0.3 m，防止径流在小区间渗漏。各处理的试验材料在播种前施入小区内，马铃薯5月1日开始播种，植株距与行距为50 cm×70 cm，密度为24 255 株/hm2。采用开穴点播的方式，肥料以底肥的方式施入土壤，后期不追肥，定期进行除草，9月26日收获，马铃薯生育期降雨量见图1。

图1 试验期间降水量

本次试验总共设计7组，每组重复3次，所用的SAP均为混施的施用方式，设置3个施用量为45、60、75 kg/hm2；PAM采取喷施和混施两种方式，设置3个施用量为45、60、75 kg/hm2，以不施试验材料为对照组(CK)，具体见因素水平表1。混施SAP方式为：根据试验设计的施用量，将耕作层土壤过2 mm筛的细土与SAP按质量比30∶1混合均匀后，撒入小区土壤表层，后经旋耕机旋入耕地表面20 cm土层；混施PAM同理。喷施方式为将PAM与水按质量比1∶100混合均匀，利用喷壶均匀喷洒在耕地土壤表层。

表1 试验水平设计

1.3 样品取样方式和测试方法

在种前(4月30日)、苗期(7月1日)、盛花期(7月20日)、块茎膨大期(8月11日)、成熟期(9月27日)，每个时期用土钻以10 cm为单位分层取样，深度80 cm。采用室内烘箱烘干法测定每层土样的土壤含水率w，%。利用土壤测定的质量含水率、平均密度以及土层厚度(10 cm)，代入公式分别计算出各土层的土壤水层厚度，mm。试验需计算各处理小区深度0～80 cm土层的土壤水层厚度，mm。

h=10Hswγ

(1)

式中：h为土壤水层厚度，mm；Hs为土层深度，cm；w为质量含水率，%；γ为土壤容重(0～80 cm土层的土壤平均密度，g/cm3)。

收获期测定马铃薯块茎产量，地上生物量，马铃薯各处理生长期间的田间管理措施均无差异。因试验区地下水位深达50～60 m，所以可忽略地下水对耕层土壤水分补给，坡耕地不产生深层渗漏。根据各处理的地上生物量、块茎产量和生育期内有效降雨量、灌水量，计算作物耗水量、水分利用效率、水分产出效率[15]。监测数据采用Excel 2010制作图表，SPSS 18.0进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 PAM与SAP联合施用对各土层含水率的影响

各小区在马铃薯盛花期(7月20日)的土壤含水率的变化如图2所示，土壤含水率在不同处理条件下差异较大。0～20 cm土层为PAM、SAP施用层，土壤含水率的变化与其材料施用量的大小密切相关，H2、H3与P3处理显著高于对照(P<0.05)。在PAM采取混施方式时，土壤中混施PAM用量越多，含水率越高，H1、H2、H3处理的土壤含水率分别比对照提高了19.05%、27.84%、31.64%；PAM采用喷施方式时，含水率随着SAP用量增加而增大，P1、P2、P3处理分别比对照提高了8.93%、19.07%、26.99%；结果还表明：在PAM和SAP相同施用量的条件下，采用混施PAM(H2)处理小区土壤含水量高于喷施PAM(P2)处理的小区，但差异不显著。20～40 cm土层为马铃薯根系层，经过处理小区的含水率变化情况总体上与0～20 cm土层类似，但变化趋势减缓。当PAM采取混施方式时，H1、H2、H3处理土壤含水率比对照提高了5.60%、12.78%、22.07%；PAM采用喷施方法时，P1、P2、P3处理分别比对照提高5.88%、8.35%、14.96%。40～60 cm土层，对照与各处理的含水率出现差异，大部分处理的土壤含水率低于对照，H3的土壤含水率略高与对照，P2的土壤含水率最小，7个试验组土壤含水率的大小顺序为H3>CK>P3>H2>P1>H1>P2，对照与各处理无显著差异。60～80 cm土层，H3(11.98%)与P3(12.35%)的土壤含水率高于对照(11.04%)，混施PAM处理的H1、H2与喷施PAM处理的P1、P2在此土层含水率略低于对照，各处理之间没有显著性差异。PAM与SAP联合施用对前40 cm土层含水率影响较大，而对根系层以下土壤的含水率影响效果甚微。

图2 不同处理0～80 cm土壤含水率变化情况

2.2 PAM与SAP联合施用对生育期0～80 cm土层土壤贮水量

根据马铃薯生长过程划分作物关键生育期，苗期时的对照土层土壤贮水量为154.76 mm，P1、P2、P3处理土壤贮水量分别为157.5、159.7、168.5 mm，当喷施PAM用量一定时，土壤贮水量随着SAP的施用量增加而增大。对照小区的土壤贮水量显著低于P3处理小区的土壤贮水量(P<0.05)。H1、H2、H3处理分别为162.4、168.5、171.1 mm，说明混施SAP用量一定时，混施PAM用量增加同样可以提高土壤贮水量。其中，对照在苗期的土壤贮水量显著的低于H2和H3(P<0.05)。分析PAM不同施用方式对土壤贮水量的影响，H2处理高于P2处理，表明混施PAM比喷施PAM更能保蓄更多的水分，因为PAM混施入土壤可以更好地与土壤结合成新的吸水团聚体。

苗期到块茎膨大期的有效降雨量为69.9 mm，灌溉量为80 mm。对照土层在块茎膨大期0～80 cm土层土壤贮水量为131.0 mm。P1、P2、P3分别为128.9、124.0、124.6 mm，低于对照但没有显著差异，土壤贮水量随着SAP混施用量增大而减小，P2的土壤贮水量还略小于P3。H1、H2、H3分别为128.4、124.1、123.9 mm，低于对照没有显著差异，土壤贮水量随着混施PAM施用量的增大而降低，P2与H2相对比没有差异。这主要是此时马铃薯块茎生长量大，耗水迅速，导致PAM喷施与混施处理的土壤贮水量差异不明显。

收获期对照的土壤贮水量为145.1 mm，P1、P2、P3处理在137.4～140.8 mm之间，H1、H2、H3处理在134.8～139.0 mm之间，各处理方式的土壤贮水量均不同程度要低于对照。喷施PAM相同量时，P1、P2、P3与对照相比差异不显著，土壤贮水量的变化依据SAP用量的增加呈现出减小趋势，但减小的趋势不大，P2土壤贮水量最小。收获期H2与H3的贮水量显著低于对照(P<0.05)，当混施SAP相同量时，比较混施PAM用量发现H2在0～80 cm土层贮水量的最小，H3处理土壤贮水量略高于H2。这说明混施PAM用量并不是越大越有利于块茎吸收水分，PAM施用量对土壤贮水量的影响有一定界限，当施用方式不同时，H2的土壤贮水量低于P2，但差异不显著(表2)。

表2 各处理不同生育期0～80 cm土层土壤贮水量 mm

2.3 PAM与SAP联合施用对产量与水分利用率的影响

根据收获期马铃薯产量得知，经过联合施用PAM和SAP小区的生物总量均不同程度的高于对照。两种PAM施用方式对马铃薯产量的影响效果也各不相同，大致规律呈现为块茎产量随着PAM或者SAP施用量的增加而提高，但并非呈现正相关增长，增产幅度最大的处理为施用PAM和SAP各60 kg/hm2。采用喷施PAM处理时，P2处理马铃薯块茎产量最高，较对照产量增加32.55%；当采用混施PAM处理时，H2处理块茎产量为最大值，较对照产量增加30.11%。当混施SAP相同量时，对比P2与H2，发现P2马铃薯产量略高于H2，即喷施PAM产量大于混施PAM。

播种前0～80 cm土层土壤水含量为160.3 mm，马铃薯从种植到收获灌溉3次，累计灌水量200 mm，全生育期观测气象降雨量共计182.9 mm，试验田有效利用的降雨量154.5 mm。经过PAM与SAP处理小区与对照的总耗水量的范围是375.5～385.8 mm。播种到收获期喷施PAM各处理的水分利用效率均不同程度的高于对照，P2的水分利用效率最高，较对照提高29.54%，达到显著水平。H2的水分利用效率为混施PAM处理中的最大值，较对照提高25.80%。PAM与SAP相同施用量时，P2的水分利用效率高于H2，增加2.98%，这与增产效果的结论相呼应。各处理与对照的水分产出效率变化幅度大致与水分利用效率变化规律类似，但因为只与块茎产量有关系，整体要低于水分利用效率，P2与H2的水分产出效率分别为喷施PAM处理和混施PAM处理的最大值。由此可知道增大施用量对于作物的水分利用效率和水分产出效率影响并不是线性关系，其到达一定范围就不会再增长。混施SAP用量为60 kg/hm2时，比较施用PAM方式对于水分利用效率的影响，发现P2同样高于H2，但未达到显著水平(表3)。

表3 不同处理耗水量及水分效率

3 结 语

(1)PAM和SAP联合施用可使土壤更多地吸收灌溉补充的水分，增加耕作层的土壤含水量，尤其在马铃薯根系和块茎形成的0～40 cm土层。比较0～20 cm土层的含水率，发现采用混施PAM较喷施PAM更能提高土壤水分。

(2)PAM和SAP联合施用对各生育期0～80 cm土层贮水量影响各不相同。施用材料后可增加苗期的土壤贮水量，这是因为PAM和SAP与土壤颗粒结合形成新的团聚体，获得更多的水分。收获期经过处理的土壤贮水量低于对照，说明马铃薯块茎在形成至膨大的过程中能够获得更多的水分。

(3)PAM和SAP联合施用增加耗水量，对马铃薯生长具有促进作用，有利于块茎产量的提高，说明施用PAM和SAP更有利于作物的生长。试验结果表明，当喷施PAM 60 kg/hm2与混施SAP 60 kg/hm2联合施用时，水分利用效率和水分产出效率达到最大值。