保水劑施用量對土壤水分和番茄生長的影響

張蕊，耿桂俊，白崗栓

(1.西北農林科技大學林學院，712100，陜西楊凌;2.中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，710065，西安;3.中國科學院 水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌;4.西北農林科技大學水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

內蒙古河套灌區(qū)為無灌溉便無農業(yè)的區(qū)域，隨著國家對黃河流域水資源的調控，該區(qū)域灌水資源日趨短缺。保水劑可以吸收自身質量成百倍、千倍的純水，且具有反復吸水能力［1］。保水劑可顯著提高馬鈴薯(Solanum tuberosum)產量及水分利用效率［2］，顯著提高苗木成活率、保存率，促進苗木生長［3］。保水劑施用量越大，土壤含水量越高，增產、增收的效果越顯著［4］。保水劑可提高燕麥(Avena sativa)產量，促進燕麥籽粒營養(yǎng)物質累積［5］，改善甘蔗(Saccharum sinense)的抗旱機能，且保水劑施用量越多，甘蔗受干旱脅迫越輕［6］。冬小麥(Triticum aestivu)施入保水劑45.0、52.5和60.0 kg/hm2后，冬小麥產量分別提高了30.0%、26.2%，61.6%［7］。保水劑可顯著提高土壤水分含量［8］，提高水分利用效率［9］，促進番茄(Solanum lycopersicum)幼苗生長發(fā)育［10］。保水劑溝施的效果較穴施、混施等方法較好［11-13］。目前有關保水劑方面的應用研究較多，但保水劑的應用效果與氣候、土壤及作物種類等密切相關［14］;相同用量的保水劑在不同區(qū)域、不同作物、不同土壤上的應用效果差異較大。河套灌區(qū)為灌溉農業(yè)區(qū)，為我國第2大番茄生產基地，有關保水劑在該區(qū)域的應用研究較少。筆者探尋保水劑在番茄生產中的適宜施用量，為河套灌區(qū)節(jié)水農業(yè)發(fā)展研究提供參考。

1 試驗區(qū)概況

試驗地位于內蒙古河套灌區(qū)的磴口縣壩楞村，為中溫帶大陸性季風氣候，海拔1 048.7 m，年降水量142.7 mm，年蒸發(fā)量2 381.8 mm，年均氣溫7.6℃，干燥度4.08，無霜期136～144 d。試驗地土壤為灌淤土，質地為壤土，灌淤層為1.0～1.5 m，耕層土壤有機質質量分數(shù)11.26 g/kg，全氮0.82 g/kg，全磷0.78 g/kg，全鉀17.56 g/kg，堿解氮56.70 mg/kg，速效鉀 99.70 mg/kg，速效磷 10.50 g/kg，凋萎系數(shù)11.07%，田間持水量23.23%。0～80 cm土層土壤密度較均勻，平均為1.48 g/cm3。番茄定植前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保水劑由北京漢力淼公司提供［11-13］，為白色顆粒，粒徑為1.6 ～4.0 mm，其中丙烯酰胺70%，丙烯酸鈉30%，土壤中的吸水倍數(shù)為130～180倍。供試番茄品種為石番97-10，為128育苗盤所育的帶基質苗，5葉1心，于05-20定植。

試驗以不施保水劑為對照，參照前人的研究結果［4-8，10-13］，保水劑用量為 4 個水平，分別為 30.0、37.5、45.0 和52.5 kg/hm2，即 BJ30、BJ37.5、BJ45 和BJ52.5。對照為番茄移栽前先開溝(深10 cm，寬15 cm)施化肥，耱平小溝，再覆蓋地膜，最后用點播器移栽番茄。施用保水劑處理的均在開溝施肥時將保水劑與化肥同時施于溝內。試驗以單壟為1小區(qū)，小區(qū)長20 m，定植80株(05-20)。每小區(qū)為1個處理，每個處理重復3次，隨機排列。

2.2 農藝措施

供試番茄為壟溝栽培，壟寬100 cm，溝深20 cm，寬20 cm，溝內及壟面兩側均覆蓋30 cm左右寬的地膜，壟上沿南北方向定植2行番茄，行距70 cm，株距50 cm，密度為3 萬3 333 株/hm2［15］。番茄整個生育期內不同處理的灌溉次數(shù)、灌溉量、除草、施肥等管理相同。

2.3 測定項目及方法

2.3.1 土壤水分與降水量 在番茄移栽前(05-20)、緩苗期(06-06)、開花期(07-02灌水前)、幼果期(08-21灌水前)、拉秧期(09-28)以10 cm土層為單位，烘干法測定0～80 cm土層土壤水分質量含量，根據(jù)土層厚度、土壤密度換算成土壤水層厚度［12］。小區(qū)旁設有農田小氣候觀測儀，測定番茄生長期間的降水量。

式中:w為土壤水分含量，%;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。

2.3.2 生物量 開花期(07-02)、幼果期(08-21)、拉秧期(09-28)每個小區(qū)選擇3株，常規(guī)方法測定不同處理單株莖、葉(包括枯葉)生物量及果實生物量(包含幼果及拉秧前的青果)，分層挖掘番茄根系，測定番茄根系分布狀況與生物量。采收期每個小區(qū)選擇3株，監(jiān)測不同處理單株番茄產量及果實含水量，折算果實生物量。

2.3.3 光合速率 番茄開花期、幼果期選晴朗日，于09:30—10:30時，利用LI-6400便攜式光合儀測定植株頂部第3片功能葉的光合速率及蒸騰速率，計算單葉水分利用效率。每個處理測定5株。測定時利用該儀器攜帶的人工光源、控溫設備和CO2氣源，光強維持在1000 μmol/(m2·s)，CO2濃度400 μmol/(m2·s)，葉溫25 ℃，大氣水氣壓(VPD)1100 Pa。

式中:Wf為單葉水分利用效率，μmol/mmol;Pn為葉片光合速率，μmol/(m2·s);Tr為葉片蒸騰速率，mmol/(m2·s)。

試驗地高低一致，平坦，土壤質地均一，無滲漏、地下水補給及水分的水平運動，根據(jù)番茄生長期間的有效降水量、灌溉量和不同處理的生物量計算不同處理的田間耗水量、水分產出率、水分利用效率［11-13］。

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:λ為降水有效利用系數(shù);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且≤50 mm時，λ=1.00;當降水量＞50且≤150 mm時，λ=0.75且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。

式中:Wp為水分產出率，kg/(mm·hm2);Y為番茄產量，kg/hm2。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)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 降水和灌水情況

從番茄定植(05-20)到拉秧(09-28)共降水94.8 mm，有效降水88.4 mm。苗期及采收期降水較多，開花期、坐果期較少(圖1)。

圖1 番茄生長期間的降水量及灌水量Fig．1 Precipitation and irrigation amount during S．lycopersicum growing stages

在番茄緩苗期(05-27)、苗期(06-23)、開花期(07-02)、幼果期(08-12)、果實轉色期(08-30)各灌水1次，每次20 mm(圖1)。

3.2 土壤水分

受當?shù)亟邓?、灌水、番茄生長及土壤蒸發(fā)的影響，不同時期的土壤水分表現(xiàn)為緩苗期、開花期較高，幼果期最低(圖2)。

圖2 不同處理在不同生長期0～80 cm土層土壤水分Fig．2 Soil moisture in 0-80 cm soil layer of different treatments during different growing stages

緩苗期內連續(xù)3日(05-25—27)降水25.2 mm，灌水20 mm。緩苗期(06-06)不同處理0～80 cm土層土壤水分在247～258 mm之間，隨著保水劑施用量的增加緩慢增加，不同處理間無顯著差異。緩苗期耕層(0～20 cm)土壤水分對照、BJ30、BJ37.5、BJ45、BJ52.5 分別為 49.86、51.75、52.47、52.27和53.36 mm，BJ52.5、BJ45、BJ37.5 均顯著高于對照(P＜0.05)，BJ30與對照無顯著差異。

緩苗期到開花期(07-02)降水2次，降水量為24.4 mm，灌水2次，灌水量為40 mm。開花期0～80 cm土層土壤水含量維持在251～267 mm之間，保水劑施用量越大，土壤水分越高，其中BJ45、BJ52.5顯著高于對照及BJ30。開花期耕層土壤水分對照、BJ30、BJ37.5、BJ45 和 BJ52.5 分別為 47.89、49.82、51.64、53.33和 54.57 mm，BJ45和 BJ52.5顯著高于對照及BJ30。

幼果期是番茄產量形成的主要時期，也是植株大量需水時期。幼果期(07-03—08-21)無有效降水，灌水40 mm(含07-02灌水20 mm)，此期氣溫較高，土壤水分蒸散強烈，0～80 cm土層土壤水分在151～165 mm 之間，但BJ37.5、BJ45、BJ52.5均顯著高于對照及BJ30。幼果期耕層土壤水分對照、BJ30、BJ37.5、BJ45、BJ52.5 分別為 28.67、29.76、30.69、31.23和31.69 mm，均低于萎蔫系數(shù)(耕層32.74 mm)，其中:對照、BJ30顯著低于萎蔫系數(shù);BJ37.5、BJ45和 BJ52.5顯著高于對照，BJ45和BJ52.5顯著高于BJ30。

幼果期(08-22)到拉秧期(09-28)有效降水37.2 mm，灌水20 mm。拉秧期不同處理0～80 cm土層土壤水分在181～194 mm之間，表現(xiàn)為保水劑施用量越大土壤水分含量越低，施用保水劑的土壤水分均顯著低于對照。拉秧期氣溫降低，降水量較大，土壤水分蒸散能力減弱，施用保水劑的番茄生長勢強，產量高，耗水量大，故其土壤水分較對照降低。

保水劑在番茄緩苗期、開花期及幼果期對耕層土壤的水分影響強于對深層土壤的影響。

3.3 光合速率及蒸騰速率

農作物的生長發(fā)育、產量、品質均與光合作用密切相關。光合速率和蒸騰速率的大小反映作物生命活動的強弱，可作為作物響應土壤水分條件的指標。

開花期溝施保水劑的光合速率均極顯著高于對照，其中:以BJ52.5的光合速率最高，極顯著高于BJ30和 BJ37.5，顯著高于 BJ45;BJ45、BJ37.5與BJ30相互之間存在極顯著差異。幼果期BJ45與BJ52.5的光合速率較高，顯著高于對照，其他處理間無顯著差異(圖3(a))。

開花期保水劑的施用量越大，不同處理的蒸騰速率越高，其中BJ52.5顯著高于對照和BJ30。幼果期氣溫高，不同處理的蒸騰速率均高于開花期。幼果期施用保水劑的蒸騰速率均極顯著高于對照，且BJ52.5、BJ45、BJ37.5 均顯著高于BJ30(圖3(b))。

圖3 不同處理的光合速率與蒸騰速率Fig．3 Photosythentic rate and transpiration rate of different treatments

開花期對照、BJ30、BJ37.5、BJ45、BJ52.5 的單葉水分利用效率分別為 1.84、2.10、3.00、2.51 和2.61 μmol/mmol，BJ30 極顯著高于 對照，BJ45、BJ52.5極顯著高于BJ30，BJ37.5極顯著高于BJ45、BJ52.5。幼果期對照、BJ30、BJ37.5、BJ45、BJ52.5的單葉水分利用效率分別為2.34、2.28、2.19、2.21和2.16 μmol/mmol，幼果期對照顯著高于 BJ37.5、BJ45和BJ52.5，施用保水劑的之間無顯著差異。幼果期對照的單葉水分利用效率高，主要是保水劑處理的大量掛果，植株已轉為果實生長發(fā)育盛期，而對照的番茄發(fā)育較晚，處于開花坐果期，葉片仍處于生長盛期，葉片光合速率相對蒸騰速率較高，因而單葉水分利用效率高。

3.4 番茄生長狀況

開花期對照、BJ52.5的株高顯著高于其他處理，不同處理的莖粗、根系深度、根系分布幅度均隨著保水劑施用量的增大而增加，且不同處理間存在著顯著或極顯著差異;開花期的根系、幼果、莖稈、葉片及地上部生物量均隨保水劑施用量的增加而增加，不同處理間存在著顯著或極顯著差異(表1)。

表1 不同生長期不同處理的番茄生長狀況Tab．1 Growth condition of different treatments during different growing stages

幼果期不同處理的株高無顯著差異;莖粗、根系深度、根系分布幅度規(guī)律基本和開花期保持一致，即隨保水劑施用量的增加而增加。幼果期的幼果、葉片生物量表現(xiàn)為BJ45＞BJ52.5＞BJ37.5＞BJ30＞對照，且BJ45和BJ52.5極顯著高于其他處理，施用保水劑的極顯著高于對照;不同處理的根系和莖稈生物量均隨著保水劑施用量的增大而增加，不同處理間存在著顯著或極顯著差異(表1)。

拉秧期對照與BJ45的株高較高，不同處理的莖粗、根系深度、根系幅度隨著保水劑施用量的增大而增加，之間存在顯著或極顯著差異;根系、莖稈、根系生物量隨著保水劑施用量的增大而增加，果實、地上部生物量均為BJ45＞BJ52.5＞BJ37.5＞BJ30＞對照，BJ45顯著高于 BJ52.5，BJ45、BJ52.5均極顯著高于其他處理，其他處理間存在顯著或極顯著差異。

3.5 水分利用效率

番茄生育期間總灌水量100 mm，有效降水量88.4 mm。雖然拉秧期對照的土壤水分顯著高于施用保水劑，但對照與不同處理的耗水量均在250～264 mm之間，之間無顯著差異。BJ30、BJ37.5、BJ45、BJ52.5與對照相比，番茄產量分別提高了3.48%、7.83%、11.01%和10.29%，生物量提高了24.9%、56.7%、94.0%和82.7%。BJ30的水分產出率較對照降低了0.2%，BJ37.5、BJ45、BJ52.5則較對照分別提高了3.9%、6.2%和5.2%，BJ45、BJ52.5與對照達到顯著差異水平。BJ30、BJ37.5、BJ45、BJ52.5的水分利用效率較對照分別提高了19.1%、50.4%、81.5%和69.2%，均達到極顯著差異水平。保水劑不同施用量中，BJ45對番茄水分產出率及水分利用效率影響最為顯著。

4 結論與討論

施用保水劑顯著提高了土壤水分、番茄產量及水分利用效率，這與前人在番茄［10，12］、小麥、燕麥上的研究結果相同［5，7，11，16-17］。試驗地土壤為灌淤土，通氣性差，不利于作物生長，BJ2101-L保水劑是一種大顆粒保水劑，不但可大量吸收、保持土壤水分，而且吸水膨脹后粒徑可達30～40 mm，在吸水-釋水過程可形成大量孔隙，改善土壤結構，提高土壤通氣性，提高水肥利用率［18-19］，促進番茄生長。保水劑在番茄緩苗、幼果期提高了土壤水分，可降低土壤鹽分表聚，減輕土壤鹽分的危害，促進番茄早發(fā)、旺發(fā)，提高番茄移栽成活率［12，15］。

表2 不同處理水分利用效率Tab．2 Water use efficiency of different treatments

保水劑通過改善土壤結構，提高土壤持水能力，提高番茄光合速率和蒸騰速率，提高開花期番茄單葉水分利用效率，促進了番茄根系向深層土壤分布，同時一定程度上降低了土壤表面鹽分，從而提高了番茄產量及生物量，提高了水分產出率及水分利用效率。本試驗表明，不同施用量中，45 kg/hm2的效果最佳。

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