王 富，魏占民，付晨星，楊旭東，趙 煒

(內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

內蒙古農牧交錯帶位于內蒙古北部牧業(yè)帶與南部農業(yè)帶之間，是一條由鄂爾多斯高原東部向東延伸至大興安嶺北端東南側的狹長地帶，地形結構以山地丘陵為主，其間分布廣泛的坡耕地，坡耕地達333萬hm2，占耕地總面積的44.6%，是重要的農業(yè)生產資源。區(qū)內坡耕地的分布地區(qū)大部分屬于旱區(qū)，水資源貧乏，自然降雨是農業(yè)生產的可利用水資源的重要組成部分，而降雨主要發(fā)生在雨季，多為急促的暴雨。由于雨季大強度降雨、地形等自然因素和人為耕作方式的綜合作用，造成坡耕地耕作層土壤退化、表層土壤結皮、表層土壤和養(yǎng)分隨徑流大量流失。因此，為保持農業(yè)合理良好的發(fā)展，當下急需解決坡耕地土壤侵蝕和水分養(yǎng)分流失的問題，保證作物穩(wěn)產、增產。近年來，采取施用土壤結構調理劑PAM(聚丙烯酰胺 Polyacrylamide)、保水劑SAP(高分子吸水性聚合物 Super Absorbent Polymers)等化學措施提高土壤肥力，防止水土流失已成為研究旱地農業(yè)發(fā)展的新領域，研究成果時見報導。

PAM是一種線性水溶性高分子聚合物，利用它極強的絮凝能力可以將土壤中松散的顆粒吸附起來，結合成新的團聚體，增加孔隙度[1]。另外還能提高水分入滲能力和水分利用效率[2]，減少耕作層土壤侵蝕和水分蒸發(fā)，抑制表層土壤結皮，提高土壤固土截流能力[3,4]。土壤施用PAM后可以提高土壤養(yǎng)分含量，減少養(yǎng)分流失[5]，抑制氮素向土壤深層移動[6]。SAP又名高吸水性樹脂，是一種具有超強的吸水能力的保水劑。最大可以結合比自身重千倍以上的純水，并且具有良好的保水和反復吸水的能力[7,8]。黃震等[9]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，使用保水劑能減少水分向深層滲漏。包開花，李中陽等[10,11]研究認為，SAP可增加旱作耕地的土壤含水率，使農田干旱得到有效緩解，并且可使作物水分利用效率提高和畝產增加，武繼承，呂美琴等[12,13]研究表明，農田中施用保水劑用量為30～90 kg/hm2最為適宜，成果也展示出了良好的經濟效益。

當前試驗研究多集中在單獨施加PAM或SAP的上，關于PAM和SAP聯(lián)合施用對水分保蓄和作物生長情況的研究相對較少。本次試驗針對旱作坡耕地，選擇研究對象為馬鈴薯，使用田間噴灌模擬降雨，設計對照與兩種施用方法的多個施用量試驗組，分析PAM和SAP聯(lián)合施用對旱作坡耕地田間含水率、累計貯水量及水分利用效率的影響，尋找最佳施用方式、施用量，為旱作坡耕地種植馬鈴薯保水、穩(wěn)產和增產提供技術模式和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于內蒙古農牧交錯帶的卓資縣福生莊鄉(xiāng)，地處北溫帶，海拔1 400 m左右，年平均氣溫2.9 ℃，最低氣溫-38.2 ℃，極端最高氣溫為35.2 ℃，無霜期90～110 d。年均降水量為100～300 mm，年均蒸發(fā)量為2 900～3 100 mm，年平均濕度45%，年均風速2.8 m/s[14]。

試驗區(qū)內選取土地平整，坡度為10°的旱作耕地。土壤經粒徑分析得知：砂粒含量為50.04%，粉粒含量為47.19%，黏粒含量為2.77%，按照美國制質地分類標準，屬于砂質壤土。經過測定，0～80 cm土層土壤平均密度為1.47 g/cm3。

1.2 試驗材料及方法

供試PAM的分子量為800 萬Da(Da表示一個碳12原子質量的1/2)，屬于陰離子型；SAP(高吸水樹脂)的粒度為20～40目≥90%，pH值為6.8～8.0；供試肥料為復合肥；作物品種為馬鈴薯，選用當?shù)剡m用品種。

順坡布置的試驗小區(qū)長8 m，寬4 m，面積32 m2，設計21個徑流試驗小區(qū)。小區(qū)周圍設置隔離土墻，寬0.3 m，防止徑流在小區(qū)間滲漏。各處理的試驗材料在播種前施入小區(qū)內，馬鈴薯5月1日開始播種，植株距與行距為50 cm×70 cm，密度為24 255 株/hm2。采用開穴點播的方式，肥料以底肥的方式施入土壤，后期不追肥，定期進行除草，9月26日收獲，馬鈴薯生育期降雨量見圖1。

圖1 試驗期間降水量

本次試驗總共設計7組，每組重復3次，所用的SAP均為混施的施用方式，設置3個施用量為45、60、75 kg/hm2；PAM采取噴施和混施兩種方式，設置3個施用量為45、60、75 kg/hm2，以不施試驗材料為對照組(CK)，具體見因素水平表1?；焓㏒AP方式為：根據試驗設計的施用量，將耕作層土壤過2 mm篩的細土與SAP按質量比30∶1混合均勻后，撒入小區(qū)土壤表層，后經旋耕機旋入耕地表面20 cm土層；混施PAM同理。噴施方式為將PAM與水按質量比1∶100混合均勻，利用噴壺均勻噴灑在耕地土壤表層。

表1 試驗水平設計

1.3 樣品取樣方式和測試方法

在種前(4月30日)、苗期(7月1日)、盛花期(7月20日)、塊莖膨大期(8月11日)、成熟期(9月27日)，每個時期用土鉆以10 cm為單位分層取樣，深度80 cm。采用室內烘箱烘干法測定每層土樣的土壤含水率w，%。利用土壤測定的質量含水率、平均密度以及土層厚度(10 cm)，代入公式分別計算出各土層的土壤水層厚度，mm。試驗需計算各處理小區(qū)深度0～80 cm土層的土壤水層厚度，mm。

h=10Hswγ

(1)

式中：h為土壤水層厚度，mm；Hs為土層深度，cm；w為質量含水率，%；γ為土壤容重(0～80 cm土層的土壤平均密度，g/cm3)。

收獲期測定馬鈴薯塊莖產量，地上生物量，馬鈴薯各處理生長期間的田間管理措施均無差異。因試驗區(qū)地下水位深達50～60 m，所以可忽略地下水對耕層土壤水分補給，坡耕地不產生深層滲漏。根據各處理的地上生物量、塊莖產量和生育期內有效降雨量、灌水量，計算作物耗水量、水分利用效率、水分產出效率[15]。監(jiān)測數(shù)據采用Excel 2010制作圖表，SPSS 18.0進行差異性分析。

2 結果與分析

2.1 PAM與SAP聯(lián)合施用對各土層含水率的影響

各小區(qū)在馬鈴薯盛花期(7月20日)的土壤含水率的變化如圖2所示，土壤含水率在不同處理條件下差異較大。0～20 cm土層為PAM、SAP施用層，土壤含水率的變化與其材料施用量的大小密切相關，H2、H3與P3處理顯著高于對照(P<0.05)。在PAM采取混施方式時，土壤中混施PAM用量越多，含水率越高，H1、H2、H3處理的土壤含水率分別比對照提高了19.05%、27.84%、31.64%；PAM采用噴施方式時，含水率隨著SAP用量增加而增大，P1、P2、P3處理分別比對照提高了8.93%、19.07%、26.99%；結果還表明：在PAM和SAP相同施用量的條件下，采用混施PAM(H2)處理小區(qū)土壤含水量高于噴施PAM(P2)處理的小區(qū)，但差異不顯著。20～40 cm土層為馬鈴薯根系層，經過處理小區(qū)的含水率變化情況總體上與0～20 cm土層類似，但變化趨勢減緩。當PAM采取混施方式時，H1、H2、H3處理土壤含水率比對照提高了5.60%、12.78%、22.07%；PAM采用噴施方法時，P1、P2、P3處理分別比對照提高5.88%、8.35%、14.96%。40～60 cm土層，對照與各處理的含水率出現(xiàn)差異，大部分處理的土壤含水率低于對照，H3的土壤含水率略高與對照，P2的土壤含水率最小，7個試驗組土壤含水率的大小順序為H3>CK>P3>H2>P1>H1>P2，對照與各處理無顯著差異。60～80 cm土層，H3(11.98%)與P3(12.35%)的土壤含水率高于對照(11.04%)，混施PAM處理的H1、H2與噴施PAM處理的P1、P2在此土層含水率略低于對照，各處理之間沒有顯著性差異。PAM與SAP聯(lián)合施用對前40 cm土層含水率影響較大，而對根系層以下土壤的含水率影響效果甚微。

圖2 不同處理0～80 cm土壤含水率變化情況

2.2 PAM與SAP聯(lián)合施用對生育期0～80 cm土層土壤貯水量

根據馬鈴薯生長過程劃分作物關鍵生育期，苗期時的對照土層土壤貯水量為154.76 mm，P1、P2、P3處理土壤貯水量分別為157.5、159.7、168.5 mm，當噴施PAM用量一定時，土壤貯水量隨著SAP的施用量增加而增大。對照小區(qū)的土壤貯水量顯著低于P3處理小區(qū)的土壤貯水量(P<0.05)。H1、H2、H3處理分別為162.4、168.5、171.1 mm，說明混施SAP用量一定時，混施PAM用量增加同樣可以提高土壤貯水量。其中，對照在苗期的土壤貯水量顯著的低于H2和H3(P<0.05)。分析PAM不同施用方式對土壤貯水量的影響，H2處理高于P2處理，表明混施PAM比噴施PAM更能保蓄更多的水分，因為PAM混施入土壤可以更好地與土壤結合成新的吸水團聚體。

苗期到塊莖膨大期的有效降雨量為69.9 mm，灌溉量為80 mm。對照土層在塊莖膨大期0～80 cm土層土壤貯水量為131.0 mm。P1、P2、P3分別為128.9、124.0、124.6 mm，低于對照但沒有顯著差異，土壤貯水量隨著SAP混施用量增大而減小，P2的土壤貯水量還略小于P3。H1、H2、H3分別為128.4、124.1、123.9 mm，低于對照沒有顯著差異，土壤貯水量隨著混施PAM施用量的增大而降低，P2與H2相對比沒有差異。這主要是此時馬鈴薯塊莖生長量大，耗水迅速，導致PAM噴施與混施處理的土壤貯水量差異不明顯。

收獲期對照的土壤貯水量為145.1 mm，P1、P2、P3處理在137.4～140.8 mm之間，H1、H2、H3處理在134.8～139.0 mm之間，各處理方式的土壤貯水量均不同程度要低于對照。噴施PAM相同量時，P1、P2、P3與對照相比差異不顯著，土壤貯水量的變化依據SAP用量的增加呈現(xiàn)出減小趨勢，但減小的趨勢不大，P2土壤貯水量最小。收獲期H2與H3的貯水量顯著低于對照(P<0.05)，當混施SAP相同量時，比較混施PAM用量發(fā)現(xiàn)H2在0～80 cm土層貯水量的最小，H3處理土壤貯水量略高于H2。這說明混施PAM用量并不是越大越有利于塊莖吸收水分，PAM施用量對土壤貯水量的影響有一定界限，當施用方式不同時，H2的土壤貯水量低于P2，但差異不顯著(表2)。

表2 各處理不同生育期0～80 cm土層土壤貯水量 mm

2.3 PAM與SAP聯(lián)合施用對產量與水分利用率的影響

根據收獲期馬鈴薯產量得知，經過聯(lián)合施用PAM和SAP小區(qū)的生物總量均不同程度的高于對照。兩種PAM施用方式對馬鈴薯產量的影響效果也各不相同，大致規(guī)律呈現(xiàn)為塊莖產量隨著PAM或者SAP施用量的增加而提高，但并非呈現(xiàn)正相關增長，增產幅度最大的處理為施用PAM和SAP各60 kg/hm2。采用噴施PAM處理時，P2處理馬鈴薯塊莖產量最高，較對照產量增加32.55%；當采用混施PAM處理時，H2處理塊莖產量為最大值，較對照產量增加30.11%。當混施SAP相同量時，對比P2與H2，發(fā)現(xiàn)P2馬鈴薯產量略高于H2，即噴施PAM產量大于混施PAM。

播種前0～80 cm土層土壤水含量為160.3 mm，馬鈴薯從種植到收獲灌溉3次，累計灌水量200 mm，全生育期觀測氣象降雨量共計182.9 mm，試驗田有效利用的降雨量154.5 mm。經過PAM與SAP處理小區(qū)與對照的總耗水量的范圍是375.5～385.8 mm。播種到收獲期噴施PAM各處理的水分利用效率均不同程度的高于對照，P2的水分利用效率最高，較對照提高29.54%，達到顯著水平。H2的水分利用效率為混施PAM處理中的最大值，較對照提高25.80%。PAM與SAP相同施用量時，P2的水分利用效率高于H2，增加2.98%，這與增產效果的結論相呼應。各處理與對照的水分產出效率變化幅度大致與水分利用效率變化規(guī)律類似，但因為只與塊莖產量有關系，整體要低于水分利用效率，P2與H2的水分產出效率分別為噴施PAM處理和混施PAM處理的最大值。由此可知道增大施用量對于作物的水分利用效率和水分產出效率影響并不是線性關系，其到達一定范圍就不會再增長?；焓㏒AP用量為60 kg/hm2時，比較施用PAM方式對于水分利用效率的影響，發(fā)現(xiàn)P2同樣高于H2，但未達到顯著水平(表3)。

表3 不同處理耗水量及水分效率

3 結 語

(1)PAM和SAP聯(lián)合施用可使土壤更多地吸收灌溉補充的水分，增加耕作層的土壤含水量，尤其在馬鈴薯根系和塊莖形成的0～40 cm土層。比較0～20 cm土層的含水率，發(fā)現(xiàn)采用混施PAM較噴施PAM更能提高土壤水分。

(2)PAM和SAP聯(lián)合施用對各生育期0～80 cm土層貯水量影響各不相同。施用材料后可增加苗期的土壤貯水量，這是因為PAM和SAP與土壤顆粒結合形成新的團聚體，獲得更多的水分。收獲期經過處理的土壤貯水量低于對照，說明馬鈴薯塊莖在形成至膨大的過程中能夠獲得更多的水分。

(3)PAM和SAP聯(lián)合施用增加耗水量，對馬鈴薯生長具有促進作用，有利于塊莖產量的提高，說明施用PAM和SAP更有利于作物的生長。試驗結果表明，當噴施PAM 60 kg/hm2與混施SAP 60 kg/hm2聯(lián)合施用時，水分利用效率和水分產出效率達到最大值。