基于大田试验条件下PAM对加工番茄的节水作用

高维廷　许凌露　李远超　林佳奕　贺宇欣　庄文化

摘    要： 为研究聚丙烯酰胺在加工番茄实际生产中的节水作用，试验于2018年6—9月在新疆昌吉州五家渠市进行大田试验。试验设置了 50、100、200 g·m-?等3种剂量水平的PAM，以当地加工番茄传统灌水量为标准（E），设置2个灌水量水平E和0.7E。测定了番茄花果期土壤水敏感区（縱向5～20 cm深度土层，径向向距植株 0～15 cm区域内）的土壤体积含水率，番茄产量以及番茄灌溉水利用效率。结果表明，（1）PAM 可有效提高番茄土壤水敏感区持水能力，在传统灌水量下，随着PAM剂量的升高，敏感区内土壤含水率呈增加的趋势，在亏缺30%灌溉处理下，MP-0.7E（PAM剂量为100 g·m-?，亏水30%）效果最为显著且保水效果最好;（2）施加不同剂量PAM可以提高番茄产量，其中MP-0.7E效果最为显著，相比不施加PAM的正常种植组增产296%。（3）施加不同剂量PAM可以提高灌溉水利用效率。其中MP-0.7E效果最为显著，相比不施加PAM的正常种植组增加了3.9倍。揭示了PAM在新疆加工番茄实际生产中的使用效益。

关键词： 加工番茄; 聚丙烯酰胺（PAM）; 土壤含水率; 灌溉水利用效率

Abstract： In order to find out the water-saving effect of PAM on processed tomato in production， the field experiment was conducted in the field trial of Wujiaqu city， Changji Prefecture， Xinjiang Province from June to September in 2018. Three dose levels of PAM were set in this research， which were 50 g·m-2， 100 g·m-2 and 200 g·m-2. The traditional irrigation of locally processed tomatoes （E） was used as the standard， and two irrigation levels E and 0.7E were carried out in this study. The soil water content （potential depth of 5-20 cm in the longitudinal direction and 0-15 cm in the radial direction） at tomato flowering stage， tomato yield and tomato irrigation water utilization efficiency were measured. The results showed that： （1） PAM could effectively improve the water-holding capacity of tomato water sensitive area. Under the traditional irrigation amount， with the increase of PAM applying， the soil moisture content in the sensitive area increased， and the deficit was 30% irrigation. Under the treatment， with the increase of PAM applying， MP-0.7E （PAM dose is 100 g·m-2， deficit 30%） was the most effective and the water retention effect was the best; （2） Applying of PAM could increase tomato yield. Among them， MP-0.7E showed the most significant， which increased by 296% compared with the normal planting group without PAM. （3） Applying PAM could improve irrigation water use efficiency， MP-0.7E showed the most significant， which was 3.9 times higher than the normal planting group without PAM. It revealed the use efficiency of PAM in the actual production of processed tomato in Xinjiang.

Key words： Processed tomato; Polyacrylamide （PAM）; Soil moisture content; Water use efficiency

新疆加工番茄产量占全国90%以上，在兵团农民企业的产业规模优势下，新疆加工番茄生产水平在全世界处于领先地位，在每年的番茄酱贸易中，新疆出口量为全球的25%[1-2]。然而农业用水紧缺、用水效率低下是制约新疆番茄生产发展的主要因素，因此在番茄种植过程中，如何推进和发展节水灌溉方式来提高番茄生产技术效率已成为新疆番茄种植的主要问题[3-4]。而施用聚丙烯酰胺（PAM）有望在不减少番茄产量的基础上提高土壤持水能力，增加土壤含水率。

聚丙烯酰胺（PAM）是一种高分子聚合物，不同分子量的聚丙烯酰胺通过和不同离子基团形成配位键可以得到不同的性能。目前在全世界范围内，作为水溶性保水剂得到了极大的推广。大量研究表明，PAM在溶于水后具有很强的絮凝能力，其分子与土壤颗粒相互作用。在PAM的絮凝作用下，土壤分散颗粒的团聚作用增强，有效改善了土壤结构，增加了土壤中大团聚体的数量，使土壤表面更加粗糙，增加农作物根须附近供水通道，保持土壤团聚体之间的稳定，构成良好的孔隙结构，在灌溉农作物时显著提高土壤入渗率，增强土壤持水能力[5-9]。张淑芬[10]的结果表明，在土壤水能够充分供应植物生长且有剩余时，PAM可以有效吸收土壤孔隙中的自由水并保存起来，增加水势梯度，从而可以在灌溉过程中减少水分渗入时间，降低土壤表面蒸发量;吴云霄[11]对川渝地区常见护坡植物施用PAM，使边坡土壤结构得到改良，从而强化边坡植物的稳定性和水土保持性，进而提高其护坡能力;张妙[12]研究表明，生物炭和PAM共同作用增加了土壤的孔隙率和饱和导水率，从而提高了玉米的产量;汪立刚等[13]研究表明，在农作物缺水情况下，由于土壤含水率下降，PAM之前吸收的水分会为农作物进行二次灌溉以保证植株生长。除此之外PAM的施用还可以提高农作物出苗率、水分利用效率、农作物品质等施用的效果，取决于PAM的施用方式、使用剂量、土壤类型等因素[14]。

尽管许多学者研究了PAM对改善土壤结构、减缓土壤侵蚀的作用和PAM对农业生产的影响，但是研究地域多集中在黄土高原、河套地区、川渝地区等地[10-15]，基于大田试验，结合新疆地区实际生产的研究报道相对较少。笔者在真实的农业生产环境中进行，探究施用不同剂量PAM，对开花结果初期阶段番茄土壤水分敏感区的土壤含水率及番茄灌溉水利用效率的影响，为PAM在新疆番茄生产中的应用及推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2018年6—9月在新疆昌吉地区一零一团番茄地进行，北纬44°27′，东经87°49′，海拔高度634 m，无霜期162 d，10 ℃以上积温3 490 ℃，年平均日照量为2 955.2 h，年平均蒸发量2 000 mm，年平均降水量为190 mm。番茄种植完全符合当地机械化生产管理。

1.2 材料

番茄种植由当地具有多年种植经验的农户进行常规管理，番茄品种为加工番茄早熟品种（品种为‘石红41，产自新疆石河子蔬菜所）。原始土壤pH值为8.14，全氮含量0.164 g·kg-1，全磷含量0.949 g·kg-1，全钾含量19.3 g·kg-1，土壤质地为黏质土，土壤肥力较为均一。试验地长256 m，宽6 m。番茄采用宽窄相间的沟垄形式种植，垄上为宽行，宽1.0 m，为操作行;沟内为窄行，宽0.5 m，为种植行，番茄植株播种于沟坡上。种植行行距1.0 m，株距0.25 m。灌溉采用滴灌形式，每行滴灌带位于两垄番茄中间，相邻两滴头间的距离为0.3 m，滴头流量为3.8 L·h-1。

1.3 试验处理方法

根据前人对PAM施用方法的研究，选择了一种较为合理的施用方法[16]：按照试验设计均匀地将PAM撒在地表，用旋耕机将PAM施于距离地表10 cm的位置。番茄于6月21日播种，8月4号出现花蕾进入开花期。将试验田分为18块10 m×3 m的处理组和1块21 m×6 m的对照组，区块之间为防止干扰相隔15 m。试验设PAM施用量和灌水量2个变量，其中PAM设置3个水平，分别为200 g·m-2（HP）、100 g·m-2（MP）和50 g·m-2（LP）。灌水量以每塊处理组面积的正常种植灌水量E（429.86 mm）为基数，设置0.7 E、1.0 E 2个水平。以上变量设置6组处理，完全随机分配在试验田中，分别为HP-1.0 E、HP-0.7 E、MP-1.0 E、MP-0.7 E、LP-1.0 E、LP-0.7 E（表1），NP-1.0 E为对照，每个处理3次重复，每个小区2沟2垄（2行植株）。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤体积含水率 试验于8月1—28日实施，即番茄开花期及结果初期。用TDR350土壤水分测量仪（美国 Spectrum 公司）在番茄的土壤水分敏感区（在番茄开花结果初期，其根系在水平及垂直方向伸长生长均较明显，在开花结果后期，其根系在主要以垂直生长为主，水平方向生长相对减弱。在此阶段番茄根系纵向生长约30 cm，横向生长约20 cm，且在番茄根系生长的过程中，此区域的土壤含水率变化较大，表明在番茄开花结果期内，在水分充沛的条件下番茄根须才能良好生长，水分不足会导致番茄根须生长受限）[17]测定土壤含水率：分别测定距根茎5 cm和15 cm处距地表垂直距离为7.6、12、20 cm处的土壤体积含水率。为了保证测定结果的准确性，每个区块随机挑选3株植株，重复测定3次，在每次灌溉前后各测一次。

1.4.2 产量 番茄产量以hm2产量计产，首先采用随机取样的方法对每个处理组取样10株，称量所有果实质量并计算单株平均产量，然后按照新疆加工番茄机械化管理收益现状还原为hm2产量（照每hm2 52 500株计算）[18]。

1.4.3 灌溉水利用效率 灌溉水利用效率（IWUE，Irrigation water use efficiency，kg·m-3）指作物利用单位灌水量所能生产的产量，计算公式如下：[19]IWUE=[100YI]式中： Y 为产量（t·hm-2） ，I 为灌水量（mm），100为单位转换系数。

1.5 数据分析

试验数据采用 Microsoft Excel 2016软件进行初步整理并画图，用 SAS 9.3软件对试验数据进行统计分析，采用混合效应线性模型，用约束最大似然估计法原理计算协方差矩阵获得统计数据的差异。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率

2.1.1 传统灌水下PAM对根系层土壤含水率的影响 由图1可得，在传统灌水量（1.0E）下，垂直于地表20 cm范围内的土壤含水率和PAM施用量密切相关。整体分析看来施用不同剂量的PAM处理下，含水率均维持在35%～42%之间，土壤含水率均高于不施用PAM的处理。针对灌水10 d后（8月1日、8月28日）数据进行分析，HP、MP、LP的土壤含水率均高于不施用PAM 25%以上，达到显著差异。表明在高温干燥的环境中，PAM中的阴离子原子团能够有效吸收土壤中多余的水分，其对水分子的吸附力大于蒸发作用从而达到增强土壤持水能力的目的。

在HP处理下土壤含水率变化趋势最平稳，极差仅仅只有1.93%，在MP处理下土壤含水率极差为5.52%，在LP处理下土壤含水率极差为5.27%，在NP处理下土壤含水率极差为10.85%。表明在不进行水分亏缺时，随着PAM的施用剂量增加，土壤持水能力不断增强。

2.1.2 亏缺灌水下PAM对根系层土壤含水率的影响 分析图1可得，在灌水量为0.7E下，考虑PAM的保水作用以及番茄的正常生长，不设置不施加PAM的处理组。0～20 cm土壤含水率在不同剂量PAM处理下表现为MP>LP>HP，并且在8月15日、8月20日、8月25日，MP处理组均比HP处理组土壤含水率高出20%以上，LP处理组均比HP处理组土壤含水率高出15%以上，达到显著差异。说明在亏缺灌水下并不是PAM浓度越高保水效果越好，PAM施用剂量过大时，土壤含水率会下降。

2.1.3 根系層土壤剖面含水率变化 分析图2可得，距离土表面较近的同一土层深度，距植株根茎不同水平距离处土壤含水率有所差异，均表现为5 cm处土壤含水率大于15 cm处土壤含水率。分析同一日期下测定的土壤含水率，施用不同剂量的PAM可以减少距植株根茎不同距离处土壤含水率的差异，减小程度为HP>MP>LP>NP，在HP处理组中最大变幅为6.2%;在MP处理中最大变幅为8.3%;在LP处理组中最大差异为9.4%;在NP处理组中最大变幅为15.4%。说明在番茄植株径向方向上，随着PAM施用剂量的增加，田间有效持水量随之增加。

2.2 番茄产量及灌溉水利用效率

由图3可知，不同剂量PAM及不同灌水量组合对番茄产量影响极大。其中在MP-0.7E处理下产量最高，达到了93.91 t·hm-2，分别较HP-1.0E、HP-0.7E、MP-1.0E、LP-1.0E、LP-0.7E、NP-1.0E处理增产了17%、179%、4%、165%、74%、296%，其中MP-0.7E、MP-1.0E较HP-0.7E、LP-1.0E、NP-1.0E达到显著差异，HP-1.0E、LP-0.7E较NP-1.0E也达到显著差异，HP-1.0E、HP-0.7E、LP-1.0E、LP-0.7E之间无显著差异。

不同剂量PAM及不同灌水量组合对灌溉水利用效率（IWUE）的影响见图3。由显著差异分析可知在施用PAM处理下对IWUE影响显著，施用不同剂量PAM均能够提高灌溉水利用效率。其中MP-0.7E处理组效果最为显著，为28.28 kg·m-3，较HP-0.7E、LP-1.0E、NP-1.0E均达到显著差异，NP-1.0E处理组的灌溉水利用效率最低，为5.74 kg·m-3，最大值为最小值的3.9倍。说明适宜的PAM施用剂量和灌水量的组合能够使灌溉水利用效率达到最优。

3 讨论与结论

根据PAM吸水、保水机制分析，在PAM的絮凝作用下，稳定的土壤机构限制了水分子的运动，通过水合作用，聚丙烯酰胺高分子网束展开，吸收土壤中的自由水并储存在孔腔中，土壤缺水时，在渗透压的作用下储存在PAM中的水分作为后备供给给植物，从而有效防止水分流失和无效蒸发，起到提高土壤保水能力的作用[17]。员学锋等[20]研究中表明，在亏水情况下，PAM对水分的吸持能力和其施用剂量成正比，与本试验结果不符。本试验结果与耿桂俊[15]研究成果一致，PAM施用剂量过大时，土壤含水率会下降。这主要是因为虽然PAM是一种可溶于水的高分子有机物，但是其自身组成的网状物质透水性很弱，颗粒状的PAM在经过较长时间的浸泡之后，逐渐变为多枝纤维状，与之前相比，此形态下的PAM溶于水之后会增大其黏滞度，其中的分子长链会堵塞土壤中的水流通道，减少了原本土壤中允许水流通过的路径，加大了水流通过土壤入渗的阻力，所以加大的施用量并不能提高土壤含水量，反而会因为土壤孔隙的减少而降低水分入渗速度，从而使土壤含水量降低[21]。

因此PAM施用剂量和灌水量的不同组合可以使土壤持水能力有所提升，针对本试验中农作物生长环境：北疆地区夏季气温炎热，降雨稀少，平均温度在35 ℃以上，地面蒸发强烈，土壤水分消耗速度较快，施用PAM限制了土壤水分蒸发，保证了番茄根须附近有充足的水分，为番茄增产提供了可能性。

灌水、入渗、地表蒸发以及番茄生长过程中的根系吸水和蒸腾会引起土壤含水率在水平方向发生变化，而径向向距植株0～20 cm 区域内均为番茄开花及结果初期的土壤水分敏感区即根须主要分布区域，张军等[17]的研究表明，由于开花结果期初期对水分需求较大，根系在水平及垂直方向均伸长生长，此时番茄生长受土壤水分亏缺的影响较为敏感，施用PAM阻断了土壤表层的毛管，提高土壤入渗率，减小土壤流失量，不仅极大的提高了土壤的持水能力，并且减小了水平及垂直方向的土壤水含量差异，使得土壤含水率在番茄根须生长的敏感时期均保持在了一个较高的水品，为花果期番茄主根的生长提供了湿润稳定的土壤环境，为番茄产量的

在一些研究中表明，在合理的灌水条件下，番茄的产量随灌水量的增加而增加，也有研究表明，缺水会影响番茄生长，降低植株产量[22-24]。在本研究中得到的数据说明，由于PAM对土壤的节水作用，改变了番茄正常的生长规律，番茄产量不再和灌水量成正相关，在不同剂量PAM作用下，不同灌水量的番茄产量均得到了提高，并且亏水30%的处理是产量增值最高的，这说明适当亏缺水分，PAM的作用可能发挥的更加充分。根据石小虎等[21]的研究，番茄产量随着根系表面积增长而增长，因为根系生长更加旺盛，植株对水分和营养物质的吸收更加充分，作物产量也相应增加，由此再结合前文对番茄水敏感区土壤含水率的分析：在不同剂量PAM的作用下，土壤含水率均有明显的提升，有效促进了番茄根须的生长，这可能就是产量提高的一个主要原因。Agbna等[22]研究发现，随着灌水量的增加，灌溉水利用效率反而降低。而Kuscu等[25]研究发现亏缺灌溉虽然比充分灌溉产量高，但是降低了灌溉水利用效率。上述结果与本研究得到的结论不符，本试验结果反映在PAM的作用下，亏缺30%灌溉同时提升了植株产量与灌溉水利用效率。

综合以上分析来看，施用PAM促进了番茄生长，提高了番茄的产量，提高了灌溉水效率。对节水灌溉有着重要的实际意义

土壤含水率的数据表明，不同剂量的PAM和不同灌水量组合处理下均提高了花果期番茄土壤水敏感区的土壤持水能力，有研究表明，在农作物生长过程中保证充足的水分十分重要，而在农作物的特定生长阶段对水分的需求也各不相同，尤其在细胞伸长生长时期植物对水分的亏缺最为敏感，花果期是加工番茄植株生长及产量形成的重要时期，其根须主要分布在纵向5～30 cm深度土层，径向向距植株0～20 cm区域内[26]，PAM在维持此区域土壤保持湿润起到了重要的作用，并且显著影响了番茄产量以及灌溉水利用效率。本试验的6个施加PAM处理均比不施加PAM处理组产量要高，这与杜社妮等[27]在PAM对玉米产量影响的研究结论一致，在亏水30%的情况下施用100 g·m-2的PAM对番茄产量以及灌溉水效率的提升最为显著，在以后的研究当中可以减小施用剂量的范围，在本试验的基础之上，寻找最适合北疆地区加工番茄的PAM施用剂量和灌溉水用量的组合。

我国学者已做过许多PAM作为保水剂对农作物影响的研究，但基于大田试验的研究很少，因此笔者对北疆地区加工番茄实际生产中施用PAM进行了验证，主要得到以下结论：

（1）与不施加PAM的正常种植组相比，施加不同剂量PAM均能提高番茄水分敏感区（纵向5～30 cm 深度土层，径向向距植株 0～20 cm 区域内）的土壤含水率，其中在正常灌水情况下HP（200 g·m-2）保水效果最显著;亏水30%灌水情况下MP（100 g·m-2）保水效果最显著。

（2）施加不同剂量PAM和不同灌水量组合可以提高番茄产量。其中MP-0.7E（PAM剂量为100 g·m-2，亏水30%）效果最为显著，相比不施加PAM的正常种植组增产296%。

（3）施加不同剂量PAM和不同灌溉水组合可以提高灌溉水利用效率。其中MP-0.7E（PAM剂量为100 g·m-2，亏水30%）效果最为显著，相比不施加PAM的正常种植组增加了3.9倍。

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