保水劑施用方式對土壤水鹽及番茄生長的影響

耿桂俊，白崗栓，杜社妮?，于健，李曼

(1.中國科學院教育部水土保持與生態環境研究中心，712100，陜西楊凌;2.西北農林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌;3.內蒙古水利科學研究院，010020，呼和浩特;4.內蒙古農業大學農學院，010020，呼和浩特)

保水劑(super absorbent或super absorbent polymer，SAP)作為一種高分子化合物，具有很強的吸水、保水及反復吸水功能，能迅速吸收自身質量幾百倍甚至上千倍的水分，吸持后的水分85% ～95%可緩慢釋放供作物利用［1-5］。保水劑可提高土壤持水性，改善土壤結構，減緩土壤水分蒸發，抑制土壤鹽分積累，增加土壤水分入滲，調節土壤水、肥、氣、熱狀況，改善作物生長條件，在節水農業和生態環境恢復中得到了廣泛應用［6-13］。內蒙古河套灌區光熱資源豐富，是繼新疆之后我國第二大番茄(Lycopersicon esculentum)生產基地。河套灌區地處干旱、半干旱荒漠草原地帶，年降水量僅130～250 mm，為無灌溉便無農業的區域，且土壤凍融造成的鹽漬化對農作物危害十分嚴重［14］。隨著河套灌區農業、社會經濟的發展和國家對黃河流域水資源的調配，河套灌區水資源，特別是灌溉水資源愈趨緊張，干旱和鹽漬化成為限制番茄發展的關鍵性因素。有關地面覆蓋、滴灌等農藝和工程節水抑鹽方面的研究較多［15-18］，但有關保水劑施用方式對土壤水分、鹽分及番茄生長的影響研究較少。為了促進河套灌區番茄產業的持續發展和保水劑的應用與推廣，開展了保水劑不同施用方式對土壤水分、鹽分和番茄生長影響的研究。

1 研究區自然概況

試驗地位于河套灌區西部的磴口縣壩楞村，海拔1 048.7 m，地處干旱、半干旱、半荒漠草原帶，為中溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7.6℃，日照時間3 209.5 h，作物生長期5—9月光合有效輻射16.8萬J/cm2，年降雨量142.7 mm，年均蒸發量2381.8 mm，干燥度4.08，無霜期136～144 d，年均風速3.0 m/s。該區域地帶性土壤為棕鈣土和漠鈣土，非地帶性土壤為草甸土和鹽化草甸土。試驗地土壤為灌淤土，灌淤層超過1.0 m，質地為壤土，耕層土壤有機質質量分數約10.0 g/kg，田間持水量23.23%(10 cm土層土壤水層厚度34.38 mm)，凋萎系數7.48%(10 cm土層土壤水層厚度11.07 mm)，0～80 cm土層土壤體積質量較為一致，平均為1.48 g/cm3，地下水位在3.0 m以下，耕層土壤含鹽量0.1%左右。番茄移栽時0～80 cm土層土壤質量含水率為22.06%(水層厚度261.24 mm)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與設計

試驗用BJ2101-L保水劑為白色顆粒，粒徑1.6～4.0 mm，三維立體網狀結構，為脫鈉處理的聚丙烯酸鈉高吸水樹脂［13］，由北京漢力淼公司提供;參照吳娜等［9］、黃占斌等［10］、杜社妮等［12］的試驗結果，BJ2101-L保水劑的施用量為45 kg/hm2。供試番茄品種為石番97-10(新疆石河子亞心種業有限公司生產)，128育苗盤育苗，5葉1心，5月20日移栽。

試驗設5個處理，以不施為對照，探討溝施、混施、撒施、穴施BJ2101-L保水劑對土壤水分、鹽分和番茄生長的影響。對照為番茄移栽前先開溝(深10 cm，寬15 cm)施化肥，耱平小溝，覆蓋地膜，最后用點播器移栽番茄。溝施是在開溝施肥時將保水劑與化肥同時撒施在溝內。混施是在開溝施化肥前將保水劑均勻撒施在番茄定植行上(寬15 cm)，然后開溝施化肥。穴施是在開溝施化肥后，在距番茄定植處10 cm用點播器穴施保水劑(深度8～10 cm)。撒施是在開溝施化肥、耱平小溝后將保水劑撒施在定植行(寬15 cm)上。

試驗以單壟為1小區，長20 m，定植番茄80株。每個小區為1個處理，每個處理重復3次，隨機區組設計。

2.2 農藝措施

供試番茄采用壟溝栽培，壟寬100 cm，溝寬20 cm，溝深20 cm，溝內及壟面兩側覆約30 cm寬的地膜(地膜寬120 cm、厚0.008 mm)。壟上定植2行番茄，南北行向，行距70 cm，株距50 cm，定植行距壟邊沿15 cm，密度為3萬3 333株/hm2。施肥量磷酸二銨375.0 kg/hm2，氯化鉀37.5 kg/hm2。試驗地采用溝灌，在番茄緩苗期(5月27日)、苗期(6月23日)、開花期(7月2日)、坐果期(8月12日)、果實轉色期(8月30日)各灌水1次，每次灌溉量為20 mm，整個生育期共灌水100 mm。番茄生育期內不同處理的灌溉量、灌溉次數、施肥、除草等管理均相同。

2.3 測定項目

1)土壤水分。移栽前采用棋盤法在試驗地壟面上選擇5個樣點，用土鉆每間隔10 cm土層采樣1次，烘干法測定0～80 cm土層土壤水分。緩苗期(5月27日)、開花期(7月2日)、坐果期(8月12日)、拉秧期(9月28日)沿定植行測定不同處理0～80 cm土層土壤質量含水率(%)。測定點沿定植行選取，距植株20 cm。根據不同土層的土壤體積質量、土層厚度和土壤含水率換算出不同土層的土壤水分(水層厚度，mm)［12］。

式中:w為土壤質量含水率，%;Sw為濕土質量，g;Sd為干土質量，g。

式中:h為土壤水層厚度，mm;Hs為土層厚度，cm;d為土壤密度，g/cm3。

0～80 cm土層土壤水層厚度為0～10，10～20，…，70～80 cm土層土壤水層厚度之和。

2)幼苗成活率。緩苗期后(6月5日)測定幼苗成活率。

3)生物量。采收期測定不同處理的果實產量，烘干法測定果實含水量，根據果實產量及含水量折算果實生物量。拉秧期常規方法測定莖、葉(包括枯葉)生物量及青果(未成熟果實)的個數、生物量。分層挖掘根系，測定根系生物量。

4)土壤鹽分。在緩苗期，沿定植行在距離植株20 cm處用土鉆每間隔10 cm土層采樣1次，用電導法分層測定0～80 cm土層土壤鹽分(DDS-307電導率儀測定水土質量比為5∶1土壤浸提液的電導率，然后換算成土壤水溶性全鹽含量)。

小區旁設有農田小氣候監測儀，測定番茄生長期間的降水量。

試驗地平整，土層深厚及土壤質地均一，假定試驗地不產生滲漏、無地下水補給和水分的水平運動，可根據不同處理番茄生物量和生長期間有效降水量、灌溉量，計算不同處理的水分利用效率［12］。

式中:Et為田間耗水量，mm;p為生育期間的有效降水量，mm;I為生育期間的灌水量，mm;Δh為生育期間土壤水含量變化值，mm。

式中:P為有效降水量，mm;λ為降水有效利用系數;p'為降水量，mm。當1次降水量或24 h降水量≤5 mm時，λ=0;當降水量 ＞5～≤50 mm時，λ=1.00;當降水量 ＞50～≤150 mm時，λ=0.75～0.85;當降水量＞150 mm時，λ=0.7。

式中:W為水分利用效率，kg/(mm·hm2);B為地上部生物總量，kg/hm2。

2.4 數據處理

試驗結果為3次重復的算術平均值。試驗數據采用Excel 2003制作圖表，用SPSS 10.0軟件進行單因素方差分析;如果差異顯著，則采用Duncan’s檢驗進行多重比較，檢驗處理間的差異顯著性。

3 結果與分析

3.1 番茄生長期間的降水量

河套灌區降水量比較小，從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，開花期、坐果期降水較少(圖1)。

圖1 番茄生長期間的降水量Fig.1 Precipitation during the growth period of Lycopersicon esculentum

3.2 對土壤水分的影響

受灌水、降水、番茄生長及土壤表面蒸發等的影響，土壤水分表現為緩苗期最高，坐果期最低(圖2)。

圖2 番茄不同處理不同生長期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

移栽到緩苗期連續3日(5月25日—5月27日)降水，降水25.2 mm。緩苗期不同處理0～80 cm土層土壤含水量受春季凍融及降水的影響，基本在240～260 mm之間，表現為溝施＞混施＞穴施＞撒施＞對照，其中:溝施、混施、穴施、撒施均顯著高于對照(P ＜0.05)，溝施顯著高于穴施和撒施，混施顯著高于撒施。緩苗期耕層(0～20 cm)土壤水分對照為45.23 mm，撒施為48.86 mm，溝施、混施、穴施在52～55 mm之間，均極顯著高于對照，顯著高于撒施。

緩苗后到開花期降水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)。開花期0～80 cm土層土壤水含量基本維持在230～260 mm之間，表現為溝施＞混施＞穴施＞撒施＞對照，其中:溝施、混施均顯著高于其他處理，穴施顯著高于對照，而撒施與對照差異不顯著。開花期耕層土壤水分對照為42.16 mm，撒施為44.12 mm，穴施為47.11 mm，混施為48.48 mm，溝施50.23 mm，溝施、混施和穴施顯著高于撒施及對照，開花期良好的土壤水分是開花坐果的前提。

坐果期是番茄果實產量形成的主要時期，是植株需水量最大的時期。坐果期氣溫較高，地面蒸發強烈，且無有效降水，此期僅灌水40 mm(7月7日20 mm，8月4日20 mm)。坐果期各處理的土壤水分含量較低，0～80 cm土層土壤水分基本在160～190 mm之間，表現為溝施＞穴施＞混施＞撒施＞對照，溝施、穴施、混施均顯著高于對照，溝施顯著高于混施、撒施;穴施顯著高于撒施;混施顯著高于對照。坐果期耕層土壤水分對照為23.64 mm，撒施26.12 mm，穴施 34.09 mm，混施 32.14 mm，溝施 37.43 mm，溝施、穴施和混施極顯著高于撒施和對照。施用保水劑后形成了相對良好水分的環境，可有效提高坐果率及促進果實膨大。

坐果末期到拉秧期有效降水37.2 mm，灌水20 mm(8月30日)。隨著果實的大量采收及氣溫的不斷降低，番茄需水量逐漸減少，拉秧期各處理0～80 cm土層土壤水含量基本維持在180～200 mm之間，不同處理表現為對照＞撒施＞穴施＞混施＞溝施，溝施、混施和穴施相互之間差異不顯著，但均顯著低于對照;撒施顯著高于溝施，但與對照差異不顯著。拉秧期對照的土壤水分含量較高，保水劑處理的含量較低，主要與拉秧前的降水量和番茄生長狀況相關。拉秧前降水量較多，此期對照番茄生長衰弱，而保水劑處理的番茄仍生長旺盛，青果較多，蒸騰作用強烈，消耗水分較多，因此其土壤含水量低于對照。

3.3 對土壤鹽分的影響

河套灌區土壤在春季凍融條件下隨土壤水分的強烈蒸發，土壤鹽分被提升到表層，致使表層土壤鹽分含量增加。不同處理0～80 cm土層土壤鹽分表現為0～10 cm土層土壤鹽分較高，10～30 cm土層土壤鹽分較低，40～80 cm土層則隨土層深度逐漸增大(表1)。緩苗期0～10 cm土層的土壤鹽分表現為對照＞撒施＞混施＞穴施＞溝施，且相互之間達到極顯著差異。10～40 cm土層土壤鹽分較0～10 cm土層有所減小，但對照仍顯著高于撒施，極顯著高于穴施、溝施和混施。40 cm土層以下土壤鹽分含量較高，其中40～60 cm土層不同處理間土壤鹽分差異逐漸減小，60～80 cm不同處理間鹽分差異不顯著。表層土壤鹽分與土壤水分含量和土壤水分蒸發密切相關，土壤水分越高，土壤鹽分越低。溝施、穴施、混施和撒施表層土壤鹽分含量均顯著低于對照，番茄幼苗成活率提高了14.78%、12.09%、9.14%和5.05%，均顯著或極顯著高于對照。

表1 不同處理對番茄緩苗期土壤水溶性鹽及成活率的影響Tab.1 Soil salinity and survival rate under different treatments at revival time of Lycopersicon esculentum

3.4 對番茄生物量及產量的影響

施用保水劑后減緩了土壤水分蒸發，提高了土壤水分，抑制了土壤返鹽，為番茄生長提供了相對良好的土壤環境。

拉秧期不同施用方式的莖稈生物量達到顯著差異，且均極顯著高于對照。不同處理的葉片生物量達到顯著差異，其中溝施與穴施極顯著高于其他處理，混施與撒施極顯著高于對照。不同處理根系生物量表現為:穴施與溝施極顯著高于其他處理，混施、撒施、對照相互之間差異達極顯著;不同處理的青果生物量表現為溝施、穴施達極顯著差異，且極顯著高于其他處理，混施與撒施極顯著高于對照。不同處理的單株生物量，溝施、穴施、混施和撒施分別比對照提高了 76.54%、60.59%、43.66%、34.18%。

不同施用方式均顯著提高了番茄單株產量。溝施、穴施、混施和撒施分別比對照提高了37.13%、30.53%、25.75%和12.57%，其中:溝施極顯著高于其他處理，穴施與混施極顯著高于撒施和對照，撒施極顯著高于對照。保水劑改善了土壤的水分狀況，延長了番茄的生育期，拉秧期的青果數極顯著高于對照(表2)。

表2 拉秧期不同處理的單株生物量和產量Tab.2 Biomass and product under different treatments at uprooting time after harvest

3.5 對番茄水分利用效率的影響

番茄生育期間灌溉5次，灌水量為100.0 mm，生長期間的有效降水量為88.4 mm。從移栽到拉秧期不同處理的耗水量為溝施＞混施＞穴施＞撒施＞對照，之間無顯著性差異;水分利用效率為溝施＞穴施＞混施＞撒施＞對照，其中，溝施、穴施、混施和撒施比對照提高了 55.71%、44.36%、32.24%和23.58%，不同施用方式間均達到顯著差異，且都極顯著高于對照(表3)。

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

4 結論與討論

保水劑對土壤水分和作物生長的影響不僅與其吸水性和持水性有關，而且與土壤質地、降水量、灌水量、作物種類等密切相關。河套灌區地處干旱、半干旱、半荒漠草原帶，降水量小而蒸發量大，為無灌溉便無農業的區域。試驗地土壤為壤土，BJ2101-L保水劑撒施于地表，吸水后直徑可達30～40 mm，大面積暴露于大氣中，吸收的水分易散失到大氣中，對土壤水分貢獻較少。BJ2101-L保水劑混施于土壤，吸水后隨著水分的緩慢釋放進行收縮，膨脹—收縮會形成較大的土壤空隙，有的空隙直接與大氣相通，促進了土壤與大氣之間的水分交換，土壤水分較易散失。溝施的BJ2101-L保水劑在膨脹—收縮過程中也會形成較大的空隙，但該空隙與地表有土層間隔，吸收、保持的水分與大氣交換較弱，因而可保持較高的水分。穴施BJ2101-L保水劑與土壤接觸面積小，保水量較小且過分集中，在土壤水分相對充足的緩苗期，易導致土壤通氣不良而影響番茄生長及成活。王志剛等［7］在盆栽狀況下通過混施、溝施保水劑，認為混施對作物成苗的效果優于溝施，其主要原因是溝施造成局部土壤水分含量過高影響了作物正常出苗，與本研究得出的結論一致。溝施、混施、穴施、撒施的BJ2101-L保水劑在土壤中的分布深度不同，決定了其保水層在土壤中的分布深度。溝施、穴施的保水層相對較深，混施的相對較淺，撒施的則直接暴露于大氣中，故溝施、穴施吸收、保持的水分不易散失，混施的較易散失，而撒施的則最易散失。這與杜社妮等［19］在雨養農業的陜北丘陵溝壑區，通過撒施、溝施、穴施沃特保水劑，認為溝施、穴施可提高土壤水分，促進玉米生長的研究結論一致。

河套灌區隨著春季氣溫的回升和凍土層的消融，土壤水分蒸發強烈，鹽分聚集地表，而番茄原產于秘魯森林邊緣地帶，不耐鹽堿。保水劑可減少土壤蒸發［20］，從而有效抑制土壤鹽分表聚，為作物生長營造一個濕潤且低鹽的土壤環境，使作物能較長時間地維持體內水分平衡，保持生長活力，促進根系生長，因而，不同施用方式的表層土壤鹽分降低，番茄移栽成活率提高。

番茄在開花坐果期適宜的土壤水分是高產優質的關鍵。河套灌區受灌水體制及降水等的影響，開花期到坐果期土壤水分較低，特別是坐果期達到最低值，對果實膨大影響較大。開花期到坐果期BJ2101-L保水劑不同施用方式提高了土壤水分，特別是坐果期溝施、混施、穴施顯著提高了土壤水分，為番茄豐產提供了相對良好的土壤水分環境，故不同施用方式番茄的生長發育、產量明顯優于對照。不同施用方式的耗水量及灌水量與對照差異不大，但其生物量顯著提高，因而其水分利用效率顯著提高。

在河套灌區番茄生產中，溝施、穴施、混施、撒施BJ2101-L保水劑均可顯著提高番茄成活率、產量和水分利用效率，其中溝施效果最佳;因此，河套灌區番茄生產中BJ2101-L保水劑應以溝施為主。

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