保水剂用量对马铃薯生长和土壤水分的影响

穆俊祥，孟宁生，刘拴成，曹兴明

(集宁师范学院生物系，内蒙古 乌兰察布 012000)

马铃薯 ( Solanum tuberosum L. ) 是我国重要的粮食作物之一，目前，我国马铃薯种植面积大约400 万hm2，占世界马铃薯种植面积的1/4，居世界首位[1]。在我国，马铃薯种植面积和总产量居第一的地级市是乌兰察布市，该地区地理位置、气候条件非常适宜马铃薯种植品种资源丰富，目前，已成为全国重要的种薯、商品薯和加工专用薯基地[2]。但此地区属干旱半干旱地区，水资源严重短缺且分配不均，严重限制了马铃薯产量和品质。因此，如何充分利用有限的降水资源和节水保水技术是提高该地区马铃薯产量和品质的重要途径。已有大量研究表明，在农作物生产中合理利用保水剂节水抗旱效果显著[3-7]，但保水剂在不同地区、不同气候、不同土壤应用效果差异较大，使得实际生产中保水剂的应用效果千差万别[8-11]。而作为马铃薯主栽地区的乌兰察布地区有关保水剂用量的研究却未见报道，为探求该地区保水剂在马铃薯生产上的效果及最佳用量，本试验通过研究不同用量保水剂对马铃薯的生长和土壤水分利用的影响，为乌兰察布地区马铃薯生产中节水抗旱和保水剂合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于集宁师范学院园艺实训基地，地处阴山山脉灰腾梁南麓，海拔高度1 417 m，年平均气温4.4 ℃，年日照为3 130 h，年均降水量约370 mm，无霜期130 d，试验地土壤类型为沙壤土，试验地耕作层土壤理化性质测定结果为：有机质含量为0.91%、碱解氮含量为(93.16 ± 3.16) mg/kg、速效磷含量(23.23 ±1.56) mg/kg、速效钾含量(183.65 ± 4.50) mg/kg、 pH 值为7.19±0.08、0～80 cm土层平均土壤密度为1.34 g/cm3。

1.2 试验材料

本试验供试马铃薯品种为克新1号(乌兰察布市种子管理站提供)；保水剂为任丘市广汇化工有限公司提供的白色晶体(主要成分为丙烯酸盐聚合交联物和丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物)。

1.3 试验设计与方法

试验采用单因素随机区组设计，已有研究表明在不同地区、气候下马铃薯生产中保水剂施用量不同，一般以45～60 kg/hm2为宜[3,12,13]。因此，本试验共设置对照(不施保水剂)和40、55、70、85 kg/hm24种保水剂用量共5个处理，分别以CK、W40、W55、W70、W85表示，每个处理3次重复。

2015年5月12日播种，9月30日收获。小区面积为4 m×5 m=20 m2，株行距分别为50 cm×50 cm，每小区80株；播种前施有机肥(腐熟羊粪)2 万kg/hm2，施马铃薯专用复合肥(14-14-17，黑龙江爱农复合肥料有限公司)200 kg/hm2。马铃薯出齐苗(7月5日)时在幼苗周围5 cm挖15 cm穴撒入保水剂(苗期穴施)，生育期间不进行灌水，利用自然降水，该地区降水主要集中于7-9月，2015年全年降水量低于近年平均值，从播种到收获累计降水约270 mm(乌兰察布气象局提供数据)。

1.4 测定项目和方法

马铃薯形态指标测定：苗期选取长势一致植株3株做好标记，于苗期(7月8日)、块茎形成期(7月26日)、块茎膨大期(8月13日)、淀粉积累期(9月4日)分别测定马铃薯株高、株幅、叶片脯氨酸含量和叶绿素含量，测定脯氨酸含量和叶绿素含量时取植株倒四叶20g用冰盒带回实验室测定，其中脯氨酸含量用茚三酮法，叶绿素测定用乙醇丙酮混合液法。

土壤含水量和水分利用效率测定：在马铃薯播种时、苗期施用保水剂前和后、块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期和收获期按每处理小区20 cm土层分层取样，用烘干法测定分别测定0～80 cm土层土壤含水量，并根据土壤密度计算土壤贮水量：

W=10hab

(1)

式中：W为土壤贮水量，mm；h为土层深度，cm；a为土壤密度，g/cm3；b为土壤含水量，%。

马铃薯田间耗水量计算公式为：

ET=P+W1-W2

(2)

式中：ET为田间耗水量，mm；P为生育期内降雨量，mm；W1为播种时土壤贮水量，mm；W2为收获后土壤蓄水量，mm。

水分利用效率计算公式为：

WUE=B/ET

(3)

式中：WUE为水分利用效率，kg/(mm·hm2)；B为总生物量，kg/hm2[14]。

产量、生物量、商品率测定：马铃薯成熟后每小区将3株马铃薯取回实验室冲洗，滤纸吸水，按叶片、地上茎、地下茎、块茎将各器官分开，取小样于在105 ℃杀青30 min 80 ℃烘干至恒重，称重换算成单位面积生物量，同时按小区测定并换算产量和商品率(薯块重量≥60 g为商品薯)。

1.5 数据处理

数据处理采用SPSS 19.0和Excel 2003进行分析，方差分析采用单因素方差分析，多重比较采用新复极差法(Duncan法)。

2 结果与分析

2.1 不同保水剂用量对马铃薯地土壤水分的影响

土壤含水量受当地降水、马铃薯生长及保水剂影响，在不同生育时期变化较大。如表1所示，在马铃薯播种之前，各处理间土壤含水量无显著差异，但苗期没施保水剂之前的土壤含水量与播前相比有所降低，这是由于在此期间降水量少而马铃薯生长还需从土壤吸水造成。施用保水剂后，降水量有所增加，所有处理的0～80 cm土层平均土壤含水量随着生育期的推进到块茎膨大期逐渐升高，和对照相比，施用保水剂处理的土壤含水量显著提高，这表明保水剂的施用发挥其保水的作用。同时使用保水剂的各个处理间土壤含水量也存在显著差异，在本试验条件下随着保水剂用量的增加，土壤含水量显著增加。在马铃薯块茎形成期和块茎膨大期W70和W85两个处理间土壤含水量无显著差异，但显著高于W40和W55，其中W55处理土壤含水量显著高于W40。由于淀粉积累期降水量降低，加之地表蒸发加剧，土壤含水量整体降低，但各处理差别不大。可见，保水剂的作用要以一定的降水为前提才能发挥其作用。

表1 马铃薯全生育期0～80 cm土层平均土壤含水量变化 %

注：7月3日和7月10日是分别施用保水剂之前和之后测得的土壤含水量；表1中数据为平均数±标准差，同列不同字母表示新复极差法多重比较时差异显著(P﹤0.05)。下同。

2.2 不同保水剂施用量对马铃薯形态特征的影响

马铃薯株高和株幅是反映其地上部分生长情况的重要指标，如表2所示，随着马铃薯生育时期的推进，各处理的株高和株幅都呈上升趋势，但在苗期，各处理间株高、株幅无显著差异，这是由于此时保水剂还未起作用；从块茎形成期到淀粉积累期，施用保水剂处理的株高、株幅都高于对照，且随着保水剂施用量的增加马铃薯株高、株幅的增加量先升高再降低，其中W55和W70的株高、株幅在各时期都显著大于其他处理， 且W55和W70间无显著差异，这说明保水剂的施用可明显促进马铃薯株高和株幅的生长，但保水剂用量过多，也不利于马铃薯的生长，这可能是由于保水剂用量太多会使马铃薯根系附近通气不良抑制马铃薯的生长，总体来讲在本试验条件下最适合马铃薯株高、株幅生长的保水剂用量是55～70 kg/hm2。

2.3 不同保水剂施用量对马铃薯叶片脯氨酸含量和叶绿素含量的影响

2.3.1 不同保水剂施用量对马铃薯叶片脯氨酸含量的影响

植物体内脯氨酸含量在一定程度上反映了其抗逆性，在水分亏缺或水分过量的情况下植物体内脯氨酸的含量会显著增加。如图1所示，马铃薯叶片脯氨酸含量随生育期的推进逐渐增加；苗期时，和对照相比只有W85的脯氨酸含量显著升高，其他处理无显著变化，这可能是由于W85所施保水剂较多与马铃薯幼苗抢夺水分从而使其干旱胁迫加重导致；从马铃薯块茎形成期到淀粉积累期，各处理间脯氨酸含量差异显著，且随着保水剂用量的增加马铃薯叶片脯氨酸含量先降低后升高，其中在块茎形成期W55和W70处理的脯氨酸含量较低，在块茎膨大期和淀粉积累期W55处理的脯氨酸含量积累最少且显著低于其他处理，这说明保水剂的施用可以明显缓解马铃薯的干旱胁迫，而且保水剂用量为55 kg/hm2左右时植株受到干旱胁迫的程度较小。但保水剂用量过大，也会使得马铃薯叶片膜透性增大，膜损伤程度增大，渗透调节物质脯氨酸含量大量增加，以减轻逆境胁迫。

表2 保水剂用量对马铃薯株高、株幅的影响 cm

图1 保水剂用量对不同生育期马铃薯叶片脯氨酸含量的影响Fig.1 Effect of super absorbent polymer dosage on proline content of potato in different stage

2.3.2 不同保水剂施用量对马铃薯叶片叶绿素含量的影响

叶绿素含量的增加有利于维持马铃薯植株的光合效率，延缓植株衰老，增强对干旱逆境的适应[11]。如图2所示，马铃薯叶绿素含量随生育时期的推进呈单峰曲线变化，施用保水剂各处理的叶绿素含量在块茎形成期达峰值，而对照峰值推迟到块茎膨大期。苗期各处理叶绿素含量无显著差异，在块茎形成期和块茎膨大期施用保水剂各处理叶绿素含量显著高于对照，但保水剂不同用量的处理间叶绿素含量也有显著差异，其中以W55和W70最高，这说明保水剂的使用大大提高了马铃薯光合能力且以保水剂用量为55～70 kg/hm2为宜；淀粉积累期时，各处理叶绿素含量差异变小，对照和W70的叶绿素含量相对较多，其他处理叶绿素含量值较小。

图2 保水剂用量对不同生育期马铃薯叶绿素含量的影响Fig.2 Effect of super absorbent polymer dosage on chlorophyll content of potato in different stage

2.4 不同保水剂施用量对马铃薯产量及商品率的影响

如表3所示，施用保水剂各处理可不同程度地提高马铃薯的产量和商品率，其中以W55处理产量最高，但与W70处理间无显著差异，而W55和W70产量显著高于其他处理，分别比对照增产13.77%和12.64%，这是由于增施保水剂有利于增加马铃薯的生物量，而生物量的积累在生长后期有利于同化产物向块茎的转移运输促进块茎的生长发育[3]，W40和W85处理的产量稍高于对照但与对照无显著差异，保水剂施量过大，不会使马铃薯增产甚至可能减产。对于商品率，施用保水剂的处理显著高于对照，但不同保水剂用量处理间马铃薯商品率差异显著，其中以W55和W70间无显著差异，且显著高于W40和W85，比对照分别增加24.63%和20.82%。可见施用保水剂55 kg/hm2马铃薯的商品薯率最高且增产效果显著。

表3 保水剂用量对马铃薯产量及商品率的影响Tab.3 Effect of super absorbent polymer dosage on potato yields and commodity potato rate

2.5 不同保水剂施用量下马铃薯水分利用效率比较

收获时各处理马铃薯的生物量和水分利用效率如表4所示，马铃薯生育期总耗水量表现为W55、W70和W85处理显著低于对照和W40，这说明增施保水剂有利于马铃薯耗水量的降低，随着保水剂用量的增加各处理马铃薯生物量比对照提高了2.83%，13.77% ，12.65%和5.64%，同时随着保水剂用量的增加马铃薯水分利用效率先增加后降低，各处理分别比对照增加了2.13%、18.67% 、17.85%和10.11%，这说明适量施用保水剂在提高土壤含水量的同时，促进了马铃薯水分利用效率的提高。

表4 保水剂用量对马铃产量水分利用效率的影响Tab.4 Effect of super absorbent polymer dosage on water use efficiency of potato

3 结 语

本研究结果表明，施用保水剂能明显改善马铃薯生育期土壤水分状况，且施用量越大0～60 cm土层土壤平均含水量量越高，这是由于保水剂具有快速吸水、保水、缓慢释水的特性引起，该研究结果与张朝巍、郝东宁等[15-17]研究结果一致。在马铃薯生育期保水剂用量为55～70 kg/hm2时马铃薯株高、株幅增幅显著高于对照，更加有利于马铃薯生物量的积累。

试验结果表明，保水剂用量为55 kg/hm2左右时马铃薯叶片脯氨酸含量最低，可以明显缓解马铃薯生育期的干旱胁迫；保水剂用量为55～70 kg/hm2时马铃薯块茎形成期和膨大期叶绿素含量最高，有利于维持马铃薯植株的光合效率，延缓植株衰老，增强对干旱逆境的适应。

在本试验条件下保水剂用量为55 kg/hm2马铃薯的商品率最高且增产效果最显著，且保水剂用量过大，可能会引起马铃薯减产。这是由于保水剂施量过多时，且在干旱情况下容易与马铃薯争夺部分水分，从而使植株受干旱胁迫的程度相对较大，使得膜透性和膜损伤程度增大，影响产量增加。同时刘殿红研究结果[3]显示保水剂施用量以30 kg/hm2最佳，杜社妮等[9]研究则发现施用沃特、PAM保水剂时以30～45 kg/hm2为宜，但是侯贤清等[4]研究施用沃特保水剂时60～90 kg/hm2马铃薯产量和商品薯率最高。这可能是研究时试验地区气候条件、土壤类型或保水剂类型不同引起，可见对于不同地区寻找适合自己地区马铃薯生产的保水剂最佳用量尤为重要。而对于本研究1 a的试验结果，在不同年限、降水量亦有差别的情况下能否会起到稳定增产效果还需进一步研究。

[1] 李 倩．马铃薯对水分胁迫的生理响应及抗旱调控措施研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2011:1-5．

[2] 周 峰．乌兰察布市马铃薯产业的现状和存在问题及对策分析[D].呼和浩特：内蒙古大学，2012:2-18．

[3] 刘殿红，黄占斌，蔡连捷，等．保水剂用法和用量对马铃薯产量和效益的影响[J]．西北农业学报，2008，17(1):266-270．

[4] 侯贤清，李 荣，何文寿，等．保水剂施用量对土壤水分利用及马铃薯生长的影响[J]．浙江大学学报(农业与生命科学版)，2015，41(5):558-566．

[5] 李 倩，刘景辉，张 磊，等．适当保水剂施用和覆盖促进旱作马铃薯生长发育和产量提高[J]．农业工程学报，2013，29(7):83-90．

[6] Nazarli H, Zardashti R. The effect of drought stress and super absorbent polymer(A 200)on agronomical traits of sunflower under field condition[J]. Cercetari Agronomice in Moldova, 2010,(3):5-14.

[7] 刘 兵，杜贞栋，黄 静，等.冬小麦联合施用旱地龙和保水剂试验研究[J].节水灌溉，2011,(5):14-16.

[8] 闫永利，于 健，任秀苹. 保水剂不同施用方式及施用量对胡萝卜出苗的影响[J].节水灌溉,2013,(9):25-29.

[9] 张 蕊，耿桂俊，白岗栓．保水剂施用量对土壤水分和番茄生长的影响[J]．中国水土保持科学，2013，11(2):108-113．

[10] 杜社妮，白岗栓，赵世伟，等．沃特和PAM保水剂对土壤水分及马铃薯生长的影响研究[J]．农业工程学报，2007， 23(8)：72-79．

[11] 闫永利，魏占民，任秀苹，等. 保水剂对土壤持水性影响及在不同土壤中效果比较[J].节水灌溉，2016,(1):34-38.

[12] 侯贤清，李荣，何文寿，等．保水剂施用量对旱作土壤理化性质及马铃薯生长的影响[J]．水土保持学报，2015，29(5)：325-330．

[13] 黄 伟，张俊花，朱贵鹏，等．保水剂不同施用方式对马铃薯生长和产量的影响[J]．生态学杂志，2015，34(1):1-8．

[14] 张 扬,赵世伟,梁向锋,等．保水剂对宁南山区马铃薯产量及土壤水分利用影响[J].干旱地区农业研究，2009，27(3):27-32.

[15] 张朝巍，董 博，郭天文，等．施肥与保水剂对半干旱区马铃薯增产效应的研究[J]．干旱地区农业研究，2011，29(6):152-156．

[16] 郝冬宁，郭成久，冯 洋，等.锯末和保水剂对坡面棕壤土含水量的影响研究[J]. 中国农村水利水电，2014，(9):12-15.

[17] 王慧勇，程东娟，张 宏，等. 保水剂混施厚度对土壤水分垂直入渗特性的影响[J].节水灌溉，2011,(7):43-44.

[18] 秦舒浩，王 蒂，张俊莲，等．保水剂对旱作马铃薯土壤水分特性及马铃薯产量形成的影响[J]．甘肃农业大学学报，2013，50(2):30-33．