PAM对砾石土水肥保蓄及酿酒葡萄产量与品质的影响

纪立东，李 磊，司海丽，杨 洋

（宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所，银川 750002）

0 引 言

【研究意义】宁夏贺兰山东麓地区是贺兰山冲积扇与黄河冲积平原之间的宽阔地带，是得天独厚的优质葡萄生产基地，被国内外专家认定为世界酿酒葡萄生长最佳生态区之一[1-2]。然而，贺兰山东麓地区土壤多为砾石土或沙土，土壤结构差、保水保肥能力弱，养分有效性低，已成为制约宁夏酿酒葡萄产业发展的“瓶颈”问题，严重影响到酿酒葡萄产业的经济社会效益[3-5]，开展贺兰山东麓地区土壤水肥保蓄等方面的研究对于酿酒葡萄产业健康发展具有重要的支撑作用。【研究进展】长期以来，研究者从工程、农艺、材料等方面研究水土保蓄的最佳方法，期望在保证农作物产量及品质的同时减少水土流失，改善土壤结构[6-8]。其中，新型高分子聚合物材料聚丙烯酰胺（Polyacrylamide），简称PAM）被认为是一种较好的土壤结构改良剂[9]。PAM 具有增加土壤表层颗粒间的凝聚力，维系良好的土壤结构，防止土壤结皮、增加土壤水分入渗，减少地表径流量及抑制土壤水分蒸发等作用[10-11]，且表层土壤含水率随PAM 添加量的增加而升高[12]；也有研究证明：PAM可以有效地降低土壤体积质量[13-15]，提高田间持水率及土壤水稳性团聚体量[16]。目前，PAM 已在以色列干旱地带全面推广运用，不仅提高肥料的利用率和作物的产量，而且对生态环境也有一定的改善效果[17-19]。【切入点】虽然PAM 在土壤水分保蓄、结构改良等方面体现出积极的促进作用，但涉及土壤类型多集中于黄绵土、风沙土等，施用方式多为和化肥配施，施用位置聚焦于耕作层浅层，而对于砾石土深根系作物种植条件下，PAM 和有机肥配合调节水肥供应的作用，相关研究较少。【拟解决的关键问题】本研究针对宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄园砾石土质地松散，水肥保蓄能力差、生产力不高等问题，在有机肥配施的前提下，开展高分子聚合物PAM 不同施用量对砾石土物理性质、持水特性及酿酒葡萄生长生理、产量品质的影响研究，以期提出基于水肥保蓄效应最佳目标的PAM 与有机肥配施比例，为PAM 应用于砾石土土壤改良与质量提升提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在宁夏志辉酒庄葡萄基地进行，该地区位于“贺兰山东麓葡萄酒原产地域”的核心区域，属温带大陆性半干旱气候，全年累积日照时间高达2 800 h以上，昼夜温差大，有效积温1 534.9左右；年均气温8.8左右，最热月平均气温基本保持在22～23之间；年均降水量在180～200 mm之间。

1.2 供试材料

供试葡萄为当地主栽欧亚品种（Vitis viniferaL.）赤霞珠（Cabernet Sauvignon），2015年布设试验时是3 a 生植株，连续布设试验2 a，数据采集当年为4 a 生植株。

1.3 供试土壤

试验区成土母质以冲积物为主，地貌为冲积倾斜平原，地形平坦，土壤侵蚀严重。土壤类型为干旱土土纲，淡灰钙土，砾石量高，田间持水率较低，体积质量较高，超过1.6 g/cm2。土壤呈碱性，有机质量低，碱解氮为六级水平，属于极缺状态，有效磷稍缺四级水平，速效钾为稍缺四级水平，整体肥力水平低下。土壤物理化学性质详见表1、表2。

表1 土壤基本物理性质Table1 Soil physical characteristics

表2 土壤基本化学性质Table2 Soil chemical properties

1.4 试验设计

试验于2015年、2016年进行，2016年采集检测数据。采用单因素多水平设计，以PAM 用量为主因子，设计6个处理，分别为①CK（常规施肥），在葡萄关键生育期滴施化肥4次（展叶期1次、果实膨大期（2次）、果实着色期1次），化肥总量为N、P2O5、K2O 质量比为26∶10∶12；②有机肥（简称BOF），施用量为6 000 kg/hm2，一次性基施；在常规施肥基础上减量25 %（N、P2O5、K2O 质量比为19.5∶7.5∶9）滴灌施入化肥，施用方法同常规施肥；③BOF（施用量为6 000 kg/hm2）+PAM（施用量为300 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常规施肥；④BOF（施用量为6 000 kg/hm2）+PAM（施用量为600 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常规施肥；⑤BOF（施用量为6 000 kg/hm2）+PAM（施用量为900 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常规施肥；⑥BOF（施用量为6 000 kg/hm2）+PAM（施用量为1 200 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常规施肥。

每个处理整行设计，随机区组布置，每行（长×宽=110 m×4 m）=440 m2，合计2 640 m2，每行11个杆空，具体监测中，以临近路边杆空作为保护行，其后以3个杆空（30株树）作为一个重复小区展开试验监测。施肥方法为沿行向、距离主杆25 cm 开外，机械开沟20 cm，深度50 cm，均匀撒入有机肥及PAM，机械回土搅匀，使土和肥均匀混合后填土，一次性施入。统一水肥一体化管理，配套文丘里施肥器，灌水量通过水表精确控制；田间其他管理同大田。

1.5 测定项目及方法

1）土壤理化性质的测定。施肥前选取代表性样地，统一树行东侧挖取剖面，并进行形态描述；采用环刀法采样测定土壤体积质量和田间持水率；采集原状土样，采用TTF-100 型土壤团粒分析仪测定土壤水稳定性团聚体[20]。参照土壤农化分析方法，采用pH 计测定pH值；DDS-11 电导率仪测定全盐量；重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质量；硫酸消煮法测定全氮量；碱解扩散法测定碱解氮量；用0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷量；用1 mol/L 醋酸铵溶液浸提一火焰光度法测定速效钾量[21-22]。

2）土壤含水率的测定。于每个处理预埋3根1 m长探管，采用时域反射技术（TDR）监测不同处理土壤含水率。土壤贮水量计算方法为：

式中：W为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；γ为土壤体积质量（g/cm3）；θ为土壤含水率（%）。

3）叶片鲜、干质量的测定。每个处理选取30棵树并做特殊标记，成熟期选取葡萄结果母枝上的第5～6 节位的成熟叶片，称量百叶鲜质量、干质量以及百叶柄鲜质量、干质量。

4）叶片光合特性以及叶绿素量的测定。选取30棵树同一位置相同部位的叶片也进行标记，花后30 d早晨09:00—11:00 采用美国CI-340 手持光和测量系统测定光合指标，包括净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2摩尔分数量，多点重复，测量时叶片充满叶室，垂直光照，植被归一化指数NDVI用NDVI-10000 计测定。

5）酿酒葡萄形态指标及产量的测定。酿酒葡萄成熟期随机选取30粒，用电子天平进行称量，重复3次测定，求得平均单粒质量，用游标卡尺量取横、纵径，求得平均数，此外，选取10 串葡萄用直尺测定果穗长。产量实际测定，求得单株、小区产量，最后折算理论产量。

6）酿酒葡萄品质的测定。每个处理行随机选取长势一致的10棵植株，每棵植株选取同一方向的果穗并采摘中部果粒30粒用搅拌机打成匀浆测定品质。手持糖量计测定果实可溶性固形物量；NaOH 滴定法测定果实与葡萄酒可滴定酸量（以酒石酸计）；3,5-二硝基水杨酸法测定果实还原糖量[23]；单宁、花色苷、总酚需要用液氮保存24 h 后测定。

福林-丹尼斯法测定单宁量[24]，单宁酸标准曲线为：y=0.001 5x-0.015 8；福林-肖卡法测定总酚量[25]，总酚酸标准曲线为：y=0.010 7x-0.000 8。

采用pH 示差法测定花色苷量[26]，用pH值=1.0和pH值=4.5的缓冲液提取定容后分别测定其在520 nm 和700 nm 处的吸光值，以相应的pH值缓冲液为空白对照。

式中：A=（A520 nm，pH 1.0-A700 nm，pH 1.0）（-A520 nm，pH 4.5-A700 nm，pH 4.5），DF为稀释倍数；MW为矢车菊素-3-葡萄糖苷分子量（449.2 g/mol）；ε为矢车菊素-3-葡萄糖苷的摩尔消化系数（26 900 L/（cm·mol））；1为光程的厘米数。

1.6 数据分析方法

试验数据采用Excel 2010 软件进行处理作图，采用SAS 8.1 软件进行统计分析，并对相关性指标进行显著性检验，显著性水平为（p＜0.05，n=5）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤水稳性团聚体粒径分布的影响

图1为土壤水稳性团聚体粒径分布特征。随着PAM 用量的增加，＜0.25 mm粒径水稳性团聚体量表现出逐渐降低的趋势，而＞0.25 mm粒径水稳性团聚体量表现出逐渐增加的趋势，说明施用PAM 具有增加土壤水稳性大团聚体量的作用；不同层次之间，0～30 cm土层＜0.25 mm粒径水稳性团聚体量明显高于30～60 cm 土层，可能是PAM 施用深度集中于20～50 cm之间和灌水向下淋洗导致有机物质深层迁移的原因。

图1 土壤水稳性团聚体粒径分布特征Fig.1 Distribution of water-stable soil aggregate particle size

0.25～2 mm粒径水稳性团聚体量在上下层之间差异不大，但是30～60 cm 土层＞2 mm粒径水稳性团聚体量明显高于上层，说明施用PAM 明显增加了＞2 mm粒径水稳性大团聚体量。综上所述，施用PAM具有增加砾石土＞2 mm粒径水稳性大团聚体量、减少＜0.25 mm粒径水稳性团聚体量的作用，土壤结构体稳定性较强；且PAM 施用量与＞2 mm粒径水稳性大团聚体量显著正相关，拟合结果为y=0.004 7x+87.556，R2=0.951 8；与＜0.25 mm粒径水稳性团聚体量呈显著负相关，拟合结果为y=-0.005 3x+12.953，R2=0.939 5。

2.2 不同处理对土壤水分保蓄的影响

图2为不同生育期PAM 配施下土壤含水率分布。不同生育期土壤含水率变化趋势较为一致，随着土层深度的增加，土壤含水率表现出逐步增加的趋势。受自然蒸发的影响，土壤表层0～10 cm 内含水率整体较低，变幅为1.5%～4.5%之间；随着土层深度的增加，土壤含水率逐渐升高，变幅为5.89%～12.65%之间。随着PAM 施用量的增加，土壤含水率表现出逐渐增加的趋势；不同处理之间，PAM 300、CK 和BOF处理土壤水分曲线有交叉现象，土壤含水率变化规律不明显；而PAM 施用量600 kg/hm2以上时，不同处理土壤含水率显著增加，以PAM 施用量1 200 kg/hm2土壤含水率最高。综上所述，在有机肥基础上配施PAM 具有显著提高砾石土土壤含水率、保蓄土壤水分的作用，且水分保蓄能力随着PAM 添加量的增加而增加。

图3为同生育期土壤0～80 cm层次贮水量，随着PAM 施用量的增加，土壤0～80 cm 土层贮水量在不同生育期表现出逐渐增大的趋势。与CK相比，不同用量PAM 施入显著增加了土壤贮水量，不同生育期以着色期、成熟期表现最优，其中成熟期PAM 600、PAM 900、PAM 1 200 处理土壤0～80 cm 土层贮水量同比CK 分别增加了12.01%、17.71%、32.22%，原因为成熟期雨季降水的大量补充，PAM 保蓄水分能力得到充分发挥。

图2 不同生育期PAM 配施下土壤含水率分布Fig.2 Distribution of vineyard soil moisture content of PAM under different growth period

不同处理之间以处理PAM 施用量1 200 kg/hm2土壤贮水量最大。表明砾石土施入PAM 具有保蓄土壤水分、提高土壤贮水量、调节葡萄水分供给的作用，且PAM 施用量和土壤贮水量呈正比。

图3 不同生育期土壤0～80 cm层次贮水量Fig.3 Effects on water storage in soil layer 0～80 cm deep under different growth period

2.3 不同处理对百叶鲜、干质量及鲜干比的影响

表3为不同处理葡萄叶片、叶柄鲜干质量及鲜干比，随着PAM 施用量的增加，葡萄百叶鲜、干质量表现出先增加后降低的趋势，不同处理百叶鲜质量以PAM 900 最高，同比CK 增加29.65%，PAM 900 同比其他处理显著增加了叶片鲜干比；不同处理百叶干质量以PAM 600 最高，同比CK 增加23.86%；同比CK 和BOF，施用PAM 增加了葡萄叶柄鲜、干质量，但不同PAM 施用量之间规律不明显；不同处理百叶柄鲜质量以PAM 1 200 最高，同比CK 增加20.01%；不同处理百叶柄干质量以PAM 600 最高，同比CK 增加20.0%；不同处理百叶柄鲜干比差异不显著。说明施用PAM 具有促进葡萄叶片、叶柄干物质积累的作用，但过量的PAM 投入对葡萄叶片干物质积累会产生一定的抑制作用。

表3 不同处理葡萄叶片、叶柄鲜干质量及鲜干比Table3 Effect on FW,DW and FW/DW of wine grape leaf and petiole

2.4 不同处理对酿酒葡萄形态指标及产量的影响

表4为不同处理葡萄形态指标及产量。相比单施有机肥处理，配施PAM处理有助于增加葡萄果穗长，且整体表现出PAM 施用量越高，果穗越长，尤其当PAM 施用量达到900 kg/hm2时酿酒葡萄果穗长达到最大，相比施用量300、600、1 200 kg/hm2分别增加了18.09%、15.49%、10.0%；单粒质量以及粒径在各处理下无显著性差异；同比常规施肥，PAM 配施量600 kg/hm2以上时能显著提高酿酒葡萄产量，其中PAM 施用量900 kg/hm2时产量最高，相比CK 增幅高达44.08%，PAM 施用量1 200 kg/hm2时产量相比PAM 施用量900 kg/hm2处理降低了12.3%。模拟PAM施用量与葡萄产量的关系为，y=-0.001 1x2+2.554 7x+ 3 083.7，R2=0.821 7，计算得出最高理论产量PAM 施用量为1 161.23 kg/hm2。

2.5 不同处理对酿酒葡萄品质的影响

表5 列出了不同处理葡萄品质指标。有机肥配施PAM 均可提高可溶性固形物的量，尤其在PAM 施用量为900 kg/hm2处理下可溶性固形物量相比CK 以及单施有机肥分别增加了8.80%、12.86%，单施有机肥处理可溶性固形物量最低，仅24.10%；CK 下可滴定酸量最高，单施有机肥以及配施PAM 均降低可滴定酸量，当PAM 施用量为900、1 200 kg/hm2降幅最大；还原糖在单施有机肥处理下增加不太明显，但配施PAM 效果显著，尤其PAM 施用量为900 kg/hm2处理下还原糖含量达到20.70%，相比CK 增加了54.94%；总酚、花色苷量跟还原糖表现为相同趋势，单施有机肥处理下总酚量最低，仅为7.73 mg/g，比CK 降低了20.80%。配施PAM 有助于促进总酚积累，但过量施用也会导致总酚量的降低。有机肥配施PAM处理下单宁量均高于单施有机肥处理，且差异显著，同时随着PAM的施用量增加表现为减少的趋势。

表4 不同处理葡萄形态指标及产量Table4 Effect on morphological index and yield of wine grape

表5 不同处理葡萄品质指标Table5 Effect on quality of wine grape

2.6 不同处理对土壤化学性质的影响

表6为不同处理土壤化学性质，与常规施肥相比，有机肥配施PAM 显著提高了土壤有机质、速效氮磷钾等养分指标，土壤肥力水平显著提升。与单施有机肥相比，配施PAM 600 kg/hm2以上显著提高了土壤有机质量；配施PAM 300 kg/hm2以上显著提高了土壤碱解氮、速效钾量，对土壤pH值、全盐及速效钾量的促进作用不明显。随着PAM 施用量的增加，土壤有机质表现出逐渐增加的趋势，处理PAM 900 和PAM 1 200之间差异不显著，但同比其他处理达到显著水平；土壤碱解氮表现出逐渐增加的趋势；土壤速效钾呈先升高后降低的趋势，不同处理以PAM 900表现最佳。PAM 不同施用量对土壤pH值、全盐及速效磷量无明显影响。综上所述，有机肥配施不同用量PAM 具有提高土壤有机质，保蓄土壤氮钾养分的作用。

表6 不同处理土壤化学性质Table6 Effects on soil chemical properties

3 讨 论

PAM 作为新型水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性与吸附性，在水土关系中充当载体，可以有效地将流动的水分结合土粒固定成团块状，改善土壤结构，提高土壤的保湿效果，供给植株生长发育的需要[27-28]。本试验结果表明，在施用有机肥的基础上配施一定量的PAM 有助于提高＞2 mm 团聚体量，其基本量保持在50%以上，表现为持水孔隙与空气孔隙并存，同时使0.25～2 mm之间的团聚体处于相对均匀的比例，这与夏海江等[29]研究结果基本一致。此外，PAM的配施有利于提高土壤含水率，尤其在20 cm层次效果最为明显，60 cm 土层以下出现交叉现象，且高浓度PAM的投入土壤含水率最高，这与郭月峰等[30]、闫功双等[31]研究结果基本一致，说明PAM 有助于减少水分渗漏，对干旱地区农业发展起到关键性作用。

酿酒葡萄叶柄可直接稳定地反映出酿酒葡萄养分状况[32]，配施PAM处理下叶片、叶柄养分量均高于单施有机肥和常规施肥，具体表现在PAM 施用量900 kg/hm2显著提高了叶片鲜质量、干质量及鲜干比，PAM 施用量600 kg/hm2显著提高了叶柄干质量，促进葡萄叶片干物质的积累，从而为后期生长贮存更多的营养物质。

PAM的施用不仅对土壤结构有良好的改善作用，而且通过保蓄水分、以水调肥对酿酒葡萄的产量和品质起到明显的促进作用。当PAM 施用量900 kg/hm2时，酿酒葡萄产量达到4 824.25 kg/hm2，同比CK 增产44.08%、增加投入8 100 元/hm2（有机肥增加投入3 600 元/hm2、PAM 增加投入4 500 元/hm2）、实现增收8 856 元/hm2，实现净利润增加756 元/hm2；同比BOF 增产47.32%，增加投入4 500 元/hm2，实现增收9 298.5 元/hm2，实现净利润增加4 798.5 元/hm2，增产增收效应明显。在PAM 施用量为900 kg/hm2处理下可溶性固形物量相比单施有机肥增加12.86%，且显著降低可滴定酸量；还原糖量相比CK 增加了54.94%；总酚、花色苷量均有增加，但过量施用会导致总酚量的降低。这与李晶晶等[33]、白岗栓等[34]在苹果上以及唐泽军等[35]在玉米上研究结果相一致。由此可见，合理的PAM 施用量有利于提高酿酒葡萄产量和品质，可为酿酒葡萄优质高效栽培创造良好条件。

4 结 论

1）有机肥基础上配施PAM 具有增加砾石土＞2 mm粒径水稳性大团聚体量、减少＜0.25 mm粒径水稳性团聚体量的作用，且PAM 施用量与＞2 mm粒径水稳性大团聚体量显著正相关，与＜0.25 mm粒径水稳性团聚体量显著负相关。

2）有机肥基础上配施PAM 具有显著增加土体20～60 cm层次土壤含水率的作用，不同处理以PAM施用量1 200 kg/hm2时土壤贮水量最高，且PAM 施用量和土壤贮水量成正比。

3）PAM 施用量超过600 kg/hm2可以显著提高葡萄产量，模拟结果显示最高理论产量PAM 施用量为1 161.23 kg/hm2；PAM 施用量 900 kg/hm2时具有显著提高葡萄可溶性固形物、还原糖及总酚量，提升土壤有机质，保蓄土壤氮钾养分的作用。

4）贺兰山东麓砾石土酿酒葡萄园PAM 与有机肥最佳配施用量为900 kg/hm2。