保水剂施用方式对土壤水盐及番茄生长的影响

耿桂俊，白岗栓，杜社妮†，于健，李曼

(1.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，712100，陕西杨凌;2.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌;3.内蒙古水利科学研究院，010020，呼和浩特;4.内蒙古农业大学农学院，010020，呼和浩特)

保水剂(super absorbent或super absorbent polymer，SAP)作为一种高分子化合物，具有很强的吸水、保水及反复吸水功能，能迅速吸收自身质量几百倍甚至上千倍的水分，吸持后的水分85% ～95%可缓慢释放供作物利用［1-5］。保水剂可提高土壤持水性，改善土壤结构，减缓土壤水分蒸发，抑制土壤盐分积累，增加土壤水分入渗，调节土壤水、肥、气、热状况，改善作物生长条件，在节水农业和生态环境恢复中得到了广泛应用［6-13］。内蒙古河套灌区光热资源丰富，是继新疆之后我国第二大番茄(Lycopersicon esculentum)生产基地。河套灌区地处干旱、半干旱荒漠草原地带，年降水量仅130～250 mm，为无灌溉便无农业的区域，且土壤冻融造成的盐渍化对农作物危害十分严重［14］。随着河套灌区农业、社会经济的发展和国家对黄河流域水资源的调配，河套灌区水资源，特别是灌溉水资源愈趋紧张，干旱和盐渍化成为限制番茄发展的关键性因素。有关地面覆盖、滴灌等农艺和工程节水抑盐方面的研究较多［15-18］，但有关保水剂施用方式对土壤水分、盐分及番茄生长的影响研究较少。为了促进河套灌区番茄产业的持续发展和保水剂的应用与推广，开展了保水剂不同施用方式对土壤水分、盐分和番茄生长影响的研究。

1 研究区自然概况

试验地位于河套灌区西部的磴口县坝楞村，海拔1 048.7 m，地处干旱、半干旱、半荒漠草原带，为中温带大陆性季风气候，年均气温7.6℃，日照时间3 209.5 h，作物生长期5—9月光合有效辐射16.8万J/cm2，年降雨量142.7 mm，年均蒸发量2381.8 mm，干燥度4.08，无霜期136～144 d，年均风速3.0 m/s。该区域地带性土壤为棕钙土和漠钙土，非地带性土壤为草甸土和盐化草甸土。试验地土壤为灌淤土，灌淤层超过1.0 m，质地为壤土，耕层土壤有机质质量分数约10.0 g/kg，田间持水量23.23%(10 cm土层土壤水层厚度34.38 mm)，凋萎系数7.48%(10 cm土层土壤水层厚度11.07 mm)，0～80 cm土层土壤体积质量较为一致，平均为1.48 g/cm3，地下水位在3.0 m以下，耕层土壤含盐量0.1%左右。番茄移栽时0～80 cm土层土壤质量含水率为22.06%(水层厚度261.24 mm)。

2 材料与方法

2.1 试验材料与设计

试验用BJ2101-L保水剂为白色颗粒，粒径1.6～4.0 mm，三维立体网状结构，为脱钠处理的聚丙烯酸钠高吸水树脂［13］，由北京汉力淼公司提供;参照吴娜等［9］、黄占斌等［10］、杜社妮等［12］的试验结果，BJ2101-L保水剂的施用量为45 kg/hm2。供试番茄品种为石番97-10(新疆石河子亚心种业有限公司生产)，128育苗盘育苗，5叶1心，5月20日移栽。

试验设5个处理，以不施为对照，探讨沟施、混施、撒施、穴施BJ2101-L保水剂对土壤水分、盐分和番茄生长的影响。对照为番茄移栽前先开沟(深10 cm，宽15 cm)施化肥，耱平小沟，覆盖地膜，最后用点播器移栽番茄。沟施是在开沟施肥时将保水剂与化肥同时撒施在沟内。混施是在开沟施化肥前将保水剂均匀撒施在番茄定植行上(宽15 cm)，然后开沟施化肥。穴施是在开沟施化肥后，在距番茄定植处10 cm用点播器穴施保水剂(深度8～10 cm)。撒施是在开沟施化肥、耱平小沟后将保水剂撒施在定植行(宽15 cm)上。

试验以单垄为1小区，长20 m，定植番茄80株。每个小区为1个处理，每个处理重复3次，随机区组设计。

2.2 农艺措施

供试番茄采用垄沟栽培，垄宽100 cm，沟宽20 cm，沟深20 cm，沟内及垄面两侧覆约30 cm宽的地膜(地膜宽120 cm、厚0.008 mm)。垄上定植2行番茄，南北行向，行距70 cm，株距50 cm，定植行距垄边沿15 cm，密度为3万3 333株/hm2。施肥量磷酸二铵375.0 kg/hm2，氯化钾37.5 kg/hm2。试验地采用沟灌，在番茄缓苗期(5月27日)、苗期(6月23日)、开花期(7月2日)、坐果期(8月12日)、果实转色期(8月30日)各灌水1次，每次灌溉量为20 mm，整个生育期共灌水100 mm。番茄生育期内不同处理的灌溉量、灌溉次数、施肥、除草等管理均相同。

2.3 测定项目

1)土壤水分。移栽前采用棋盘法在试验地垄面上选择5个样点，用土钻每间隔10 cm土层采样1次，烘干法测定0～80 cm土层土壤水分。缓苗期(5月27日)、开花期(7月2日)、坐果期(8月12日)、拉秧期(9月28日)沿定植行测定不同处理0～80 cm土层土壤质量含水率(%)。测定点沿定植行选取，距植株20 cm。根据不同土层的土壤体积质量、土层厚度和土壤含水率换算出不同土层的土壤水分(水层厚度，mm)［12］。

式中:w为土壤质量含水率，%;Sw为湿土质量，g;Sd为干土质量，g。

式中:h为土壤水层厚度，mm;Hs为土层厚度，cm;d为土壤密度，g/cm3。

0～80 cm土层土壤水层厚度为0～10，10～20，…，70～80 cm土层土壤水层厚度之和。

2)幼苗成活率。缓苗期后(6月5日)测定幼苗成活率。

3)生物量。采收期测定不同处理的果实产量，烘干法测定果实含水量，根据果实产量及含水量折算果实生物量。拉秧期常规方法测定茎、叶(包括枯叶)生物量及青果(未成熟果实)的个数、生物量。分层挖掘根系，测定根系生物量。

4)土壤盐分。在缓苗期，沿定植行在距离植株20 cm处用土钻每间隔10 cm土层采样1次，用电导法分层测定0～80 cm土层土壤盐分(DDS-307电导率仪测定水土质量比为5∶1土壤浸提液的电导率，然后换算成土壤水溶性全盐含量)。

小区旁设有农田小气候监测仪，测定番茄生长期间的降水量。

试验地平整，土层深厚及土壤质地均一，假定试验地不产生渗漏、无地下水补给和水分的水平运动，可根据不同处理番茄生物量和生长期间有效降水量、灌溉量，计算不同处理的水分利用效率［12］。

式中:Et为田间耗水量，mm;p为生育期间的有效降水量，mm;I为生育期间的灌水量，mm;Δh为生育期间土壤水含量变化值，mm。

式中:P为有效降水量，mm;λ为降水有效利用系数;p'为降水量，mm。当1次降水量或24 h降水量≤5 mm时，λ=0;当降水量 ＞5～≤50 mm时，λ=1.00;当降水量 ＞50～≤150 mm时，λ=0.75～0.85;当降水量＞150 mm时，λ=0.7。

式中:W为水分利用效率，kg/(mm·hm2);B为地上部生物总量，kg/hm2。

2.4 数据处理

试验结果为3次重复的算术平均值。试验数据采用Excel 2003制作图表，用SPSS 10.0软件进行单因素方差分析;如果差异显著，则采用Duncan’s检验进行多重比较，检验处理间的差异显著性。

3 结果与分析

3.1 番茄生长期间的降水量

河套灌区降水量比较小，从移栽到拉秧期共降水94.8 mm，其中有效降水88.4 mm，主要集中在苗期及采收期，开花期、坐果期降水较少(图1)。

图1 番茄生长期间的降水量Fig.1 Precipitation during the growth period of Lycopersicon esculentum

3.2 对土壤水分的影响

受灌水、降水、番茄生长及土壤表面蒸发等的影响，土壤水分表现为缓苗期最高，坐果期最低(图2)。

图2 番茄不同处理不同生长期0～80 cm土壤水分Fig.2 Soil moisture in 0-80 cm soil layer under different treatments in different growth stages of Lycopersicon esculentum

移栽到缓苗期连续3日(5月25日—5月27日)降水，降水25.2 mm。缓苗期不同处理0～80 cm土层土壤含水量受春季冻融及降水的影响，基本在240～260 mm之间，表现为沟施＞混施＞穴施＞撒施＞对照，其中:沟施、混施、穴施、撒施均显著高于对照(P ＜0.05)，沟施显著高于穴施和撒施，混施显著高于撒施。缓苗期耕层(0～20 cm)土壤水分对照为45.23 mm，撒施为48.86 mm，沟施、混施、穴施在52～55 mm之间，均极显著高于对照，显著高于撒施。

缓苗后到开花期降水2次，有效降水26.0 mm，灌水40 mm(5月28日20 mm，6月23日20 mm)。开花期0～80 cm土层土壤水含量基本维持在230～260 mm之间，表现为沟施＞混施＞穴施＞撒施＞对照，其中:沟施、混施均显著高于其他处理，穴施显著高于对照，而撒施与对照差异不显著。开花期耕层土壤水分对照为42.16 mm，撒施为44.12 mm，穴施为47.11 mm，混施为48.48 mm，沟施50.23 mm，沟施、混施和穴施显著高于撒施及对照，开花期良好的土壤水分是开花坐果的前提。

坐果期是番茄果实产量形成的主要时期，是植株需水量最大的时期。坐果期气温较高，地面蒸发强烈，且无有效降水，此期仅灌水40 mm(7月7日20 mm，8月4日20 mm)。坐果期各处理的土壤水分含量较低，0～80 cm土层土壤水分基本在160～190 mm之间，表现为沟施＞穴施＞混施＞撒施＞对照，沟施、穴施、混施均显著高于对照，沟施显著高于混施、撒施;穴施显著高于撒施;混施显著高于对照。坐果期耕层土壤水分对照为23.64 mm，撒施26.12 mm，穴施 34.09 mm，混施 32.14 mm，沟施 37.43 mm，沟施、穴施和混施极显著高于撒施和对照。施用保水剂后形成了相对良好水分的环境，可有效提高坐果率及促进果实膨大。

坐果末期到拉秧期有效降水37.2 mm，灌水20 mm(8月30日)。随着果实的大量采收及气温的不断降低，番茄需水量逐渐减少，拉秧期各处理0～80 cm土层土壤水含量基本维持在180～200 mm之间，不同处理表现为对照＞撒施＞穴施＞混施＞沟施，沟施、混施和穴施相互之间差异不显著，但均显著低于对照;撒施显著高于沟施，但与对照差异不显著。拉秧期对照的土壤水分含量较高，保水剂处理的含量较低，主要与拉秧前的降水量和番茄生长状况相关。拉秧前降水量较多，此期对照番茄生长衰弱，而保水剂处理的番茄仍生长旺盛，青果较多，蒸腾作用强烈，消耗水分较多，因此其土壤含水量低于对照。

3.3 对土壤盐分的影响

河套灌区土壤在春季冻融条件下随土壤水分的强烈蒸发，土壤盐分被提升到表层，致使表层土壤盐分含量增加。不同处理0～80 cm土层土壤盐分表现为0～10 cm土层土壤盐分较高，10～30 cm土层土壤盐分较低，40～80 cm土层则随土层深度逐渐增大(表1)。缓苗期0～10 cm土层的土壤盐分表现为对照＞撒施＞混施＞穴施＞沟施，且相互之间达到极显著差异。10～40 cm土层土壤盐分较0～10 cm土层有所减小，但对照仍显著高于撒施，极显著高于穴施、沟施和混施。40 cm土层以下土壤盐分含量较高，其中40～60 cm土层不同处理间土壤盐分差异逐渐减小，60～80 cm不同处理间盐分差异不显著。表层土壤盐分与土壤水分含量和土壤水分蒸发密切相关，土壤水分越高，土壤盐分越低。沟施、穴施、混施和撒施表层土壤盐分含量均显著低于对照，番茄幼苗成活率提高了14.78%、12.09%、9.14%和5.05%，均显著或极显著高于对照。

表1 不同处理对番茄缓苗期土壤水溶性盐及成活率的影响Tab.1 Soil salinity and survival rate under different treatments at revival time of Lycopersicon esculentum

3.4 对番茄生物量及产量的影响

施用保水剂后减缓了土壤水分蒸发，提高了土壤水分，抑制了土壤返盐，为番茄生长提供了相对良好的土壤环境。

拉秧期不同施用方式的茎秆生物量达到显著差异，且均极显著高于对照。不同处理的叶片生物量达到显著差异，其中沟施与穴施极显著高于其他处理，混施与撒施极显著高于对照。不同处理根系生物量表现为:穴施与沟施极显著高于其他处理，混施、撒施、对照相互之间差异达极显著;不同处理的青果生物量表现为沟施、穴施达极显著差异，且极显著高于其他处理，混施与撒施极显著高于对照。不同处理的单株生物量，沟施、穴施、混施和撒施分别比对照提高了 76.54%、60.59%、43.66%、34.18%。

不同施用方式均显著提高了番茄单株产量。沟施、穴施、混施和撒施分别比对照提高了37.13%、30.53%、25.75%和12.57%，其中:沟施极显著高于其他处理，穴施与混施极显著高于撒施和对照，撒施极显著高于对照。保水剂改善了土壤的水分状况，延长了番茄的生育期，拉秧期的青果数极显著高于对照(表2)。

表2 拉秧期不同处理的单株生物量和产量Tab.2 Biomass and product under different treatments at uprooting time after harvest

3.5 对番茄水分利用效率的影响

番茄生育期间灌溉5次，灌水量为100.0 mm，生长期间的有效降水量为88.4 mm。从移栽到拉秧期不同处理的耗水量为沟施＞混施＞穴施＞撒施＞对照，之间无显著性差异;水分利用效率为沟施＞穴施＞混施＞撒施＞对照，其中，沟施、穴施、混施和撒施比对照提高了 55.71%、44.36%、32.24%和23.58%，不同施用方式间均达到显著差异，且都极显著高于对照(表3)。

表3 不同处理的耗水量及水分利用效率Tab.3 Water consumption and water use efficiency for different treatments

4 结论与讨论

保水剂对土壤水分和作物生长的影响不仅与其吸水性和持水性有关，而且与土壤质地、降水量、灌水量、作物种类等密切相关。河套灌区地处干旱、半干旱、半荒漠草原带，降水量小而蒸发量大，为无灌溉便无农业的区域。试验地土壤为壤土，BJ2101-L保水剂撒施于地表，吸水后直径可达30～40 mm，大面积暴露于大气中，吸收的水分易散失到大气中，对土壤水分贡献较少。BJ2101-L保水剂混施于土壤，吸水后随着水分的缓慢释放进行收缩，膨胀—收缩会形成较大的土壤空隙，有的空隙直接与大气相通，促进了土壤与大气之间的水分交换，土壤水分较易散失。沟施的BJ2101-L保水剂在膨胀—收缩过程中也会形成较大的空隙，但该空隙与地表有土层间隔，吸收、保持的水分与大气交换较弱，因而可保持较高的水分。穴施BJ2101-L保水剂与土壤接触面积小，保水量较小且过分集中，在土壤水分相对充足的缓苗期，易导致土壤通气不良而影响番茄生长及成活。王志刚等［7］在盆栽状况下通过混施、沟施保水剂，认为混施对作物成苗的效果优于沟施，其主要原因是沟施造成局部土壤水分含量过高影响了作物正常出苗，与本研究得出的结论一致。沟施、混施、穴施、撒施的BJ2101-L保水剂在土壤中的分布深度不同，决定了其保水层在土壤中的分布深度。沟施、穴施的保水层相对较深，混施的相对较浅，撒施的则直接暴露于大气中，故沟施、穴施吸收、保持的水分不易散失，混施的较易散失，而撒施的则最易散失。这与杜社妮等［19］在雨养农业的陕北丘陵沟壑区，通过撒施、沟施、穴施沃特保水剂，认为沟施、穴施可提高土壤水分，促进玉米生长的研究结论一致。

河套灌区随着春季气温的回升和冻土层的消融，土壤水分蒸发强烈，盐分聚集地表，而番茄原产于秘鲁森林边缘地带，不耐盐碱。保水剂可减少土壤蒸发［20］，从而有效抑制土壤盐分表聚，为作物生长营造一个湿润且低盐的土壤环境，使作物能较长时间地维持体内水分平衡，保持生长活力，促进根系生长，因而，不同施用方式的表层土壤盐分降低，番茄移栽成活率提高。

番茄在开花坐果期适宜的土壤水分是高产优质的关键。河套灌区受灌水体制及降水等的影响，开花期到坐果期土壤水分较低，特别是坐果期达到最低值，对果实膨大影响较大。开花期到坐果期BJ2101-L保水剂不同施用方式提高了土壤水分，特别是坐果期沟施、混施、穴施显著提高了土壤水分，为番茄丰产提供了相对良好的土壤水分环境，故不同施用方式番茄的生长发育、产量明显优于对照。不同施用方式的耗水量及灌水量与对照差异不大，但其生物量显著提高，因而其水分利用效率显著提高。

在河套灌区番茄生产中，沟施、穴施、混施、撒施BJ2101-L保水剂均可显著提高番茄成活率、产量和水分利用效率，其中沟施效果最佳;因此，河套灌区番茄生产中BJ2101-L保水剂应以沟施为主。

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