PAM對礫石土水肥保蓄及釀酒葡萄產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

紀立東，李 磊，司海麗，楊 洋

（寧夏農(nóng)林科學院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002）

0 引 言

【研究意義】寧夏賀蘭山東麓地區(qū)是賀蘭山?jīng)_積扇與黃河沖積平原之間的寬闊地帶，是得天獨厚的優(yōu)質(zhì)葡萄生產(chǎn)基地，被國內(nèi)外專家認定為世界釀酒葡萄生長最佳生態(tài)區(qū)之一[1-2]。然而，賀蘭山東麓地區(qū)土壤多為礫石土或沙土，土壤結(jié)構(gòu)差、保水保肥能力弱，養(yǎng)分有效性低，已成為制約寧夏釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”問題，嚴重影響到釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟社會效益[3-5]，開展賀蘭山東麓地區(qū)土壤水肥保蓄等方面的研究對于釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要的支撐作用。【研究進展】長期以來，研究者從工程、農(nóng)藝、材料等方面研究水土保蓄的最佳方法，期望在保證農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)的同時減少水土流失，改善土壤結(jié)構(gòu)[6-8]。其中，新型高分子聚合物材料聚丙烯酰胺（Polyacrylamide），簡稱PAM）被認為是一種較好的土壤結(jié)構(gòu)改良劑[9]。PAM 具有增加土壤表層顆粒間的凝聚力，維系良好的土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤結(jié)皮、增加土壤水分入滲，減少地表徑流量及抑制土壤水分蒸發(fā)等作用[10-11]，且表層土壤含水率隨PAM 添加量的增加而升高[12]；也有研究證明：PAM可以有效地降低土壤體積質(zhì)量[13-15]，提高田間持水率及土壤水穩(wěn)性團聚體量[16]。目前，PAM 已在以色列干旱地帶全面推廣運用，不僅提高肥料的利用率和作物的產(chǎn)量，而且對生態(tài)環(huán)境也有一定的改善效果[17-19]。【切入點】雖然PAM 在土壤水分保蓄、結(jié)構(gòu)改良等方面體現(xiàn)出積極的促進作用，但涉及土壤類型多集中于黃綿土、風沙土等，施用方式多為和化肥配施，施用位置聚焦于耕作層淺層，而對于礫石土深根系作物種植條件下，PAM 和有機肥配合調(diào)節(jié)水肥供應(yīng)的作用，相關(guān)研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究針對寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄園礫石土質(zhì)地松散，水肥保蓄能力差、生產(chǎn)力不高等問題，在有機肥配施的前提下，開展高分子聚合物PAM 不同施用量對礫石土物理性質(zhì)、持水特性及釀酒葡萄生長生理、產(chǎn)量品質(zhì)的影響研究，以期提出基于水肥保蓄效應(yīng)最佳目標的PAM 與有機肥配施比例，為PAM 應(yīng)用于礫石土土壤改良與質(zhì)量提升提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在寧夏志輝酒莊葡萄基地進行，該地區(qū)位于“賀蘭山東麓葡萄酒原產(chǎn)地域”的核心區(qū)域，屬溫帶大陸性半干旱氣候，全年累積日照時間高達2 800 h以上，晝夜溫差大，有效積溫1 534.9左右；年均氣溫8.8左右，最熱月平均氣溫基本保持在22～23之間；年均降水量在180～200 mm之間。

1.2 供試材料

供試葡萄為當?shù)刂髟詺W亞品種（Vitis viniferaL.）赤霞珠（Cabernet Sauvignon），2015年布設(shè)試驗時是3 a 生植株，連續(xù)布設(shè)試驗2 a，數(shù)據(jù)采集當年為4 a 生植株。

1.3 供試土壤

試驗區(qū)成土母質(zhì)以沖積物為主，地貌為沖積傾斜平原，地形平坦，土壤侵蝕嚴重。土壤類型為干旱土土綱，淡灰鈣土，礫石量高，田間持水率較低，體積質(zhì)量較高，超過1.6 g/cm2。土壤呈堿性，有機質(zhì)量低，堿解氮為六級水平，屬于極缺狀態(tài)，有效磷稍缺四級水平，速效鉀為稍缺四級水平，整體肥力水平低下。土壤物理化學性質(zhì)詳見表1、表2。

表1 土壤基本物理性質(zhì)Table1 Soil physical characteristics

表2 土壤基本化學性質(zhì)Table2 Soil chemical properties

1.4 試驗設(shè)計

試驗于2015年、2016年進行，2016年采集檢測數(shù)據(jù)。采用單因素多水平設(shè)計，以PAM 用量為主因子，設(shè)計6個處理，分別為①CK（常規(guī)施肥），在葡萄關(guān)鍵生育期滴施化肥4次（展葉期1次、果實膨大期（2次）、果實著色期1次），化肥總量為N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為26∶10∶12；②有機肥（簡稱BOF），施用量為6 000 kg/hm2，一次性基施；在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上減量25 %（N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為19.5∶7.5∶9）滴灌施入化肥，施用方法同常規(guī)施肥；③BOF（施用量為6 000 kg/hm2）+PAM（施用量為300 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常規(guī)施肥；④BOF（施用量為6 000 kg/hm2）+PAM（施用量為600 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常規(guī)施肥；⑤BOF（施用量為6 000 kg/hm2）+PAM（施用量為900 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常規(guī)施肥；⑥BOF（施用量為6 000 kg/hm2）+PAM（施用量為1 200 kg/hm2），一次性基施；化肥施用量及方法同常規(guī)施肥。

每個處理整行設(shè)計，隨機區(qū)組布置，每行（長×寬=110 m×4 m）=440 m2，合計2 640 m2，每行11個桿空，具體監(jiān)測中，以臨近路邊桿空作為保護行，其后以3個桿空（30株樹）作為一個重復(fù)小區(qū)展開試驗監(jiān)測。施肥方法為沿行向、距離主桿25 cm 開外，機械開溝20 cm，深度50 cm，均勻撒入有機肥及PAM，機械回土攪勻，使土和肥均勻混合后填土，一次性施入。統(tǒng)一水肥一體化管理，配套文丘里施肥器，灌水量通過水表精確控制；田間其他管理同大田。

1.5 測定項目及方法

1）土壤理化性質(zhì)的測定。施肥前選取代表性樣地，統(tǒng)一樹行東側(cè)挖取剖面，并進行形態(tài)描述；采用環(huán)刀法采樣測定土壤體積質(zhì)量和田間持水率；采集原狀土樣，采用TTF-100 型土壤團粒分析儀測定土壤水穩(wěn)定性團聚體[20]。參照土壤農(nóng)化分析方法，采用pH 計測定pH值；DDS-11 電導(dǎo)率儀測定全鹽量；重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定有機質(zhì)量；硫酸消煮法測定全氮量；堿解擴散法測定堿解氮量；用0.5 mol/L 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷量；用1 mol/L 醋酸銨溶液浸提一火焰光度法測定速效鉀量[21-22]。

2）土壤含水率的測定。于每個處理預(yù)埋3根1 m長探管，采用時域反射技術(shù)（TDR）監(jiān)測不同處理土壤含水率。土壤貯水量計算方法為：

式中：W為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；γ為土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；θ為土壤含水率（%）。

3）葉片鮮、干質(zhì)量的測定。每個處理選取30棵樹并做特殊標記，成熟期選取葡萄結(jié)果母枝上的第5～6 節(jié)位的成熟葉片，稱量百葉鮮質(zhì)量、干質(zhì)量以及百葉柄鮮質(zhì)量、干質(zhì)量。

4）葉片光合特性以及葉綠素量的測定。選取30棵樹同一位置相同部位的葉片也進行標記，花后30 d早晨09:00—11:00 采用美國CI-340 手持光和測量系統(tǒng)測定光合指標，包括凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2摩爾分數(shù)量，多點重復(fù)，測量時葉片充滿葉室，垂直光照，植被歸一化指數(shù)NDVI用NDVI-10000 計測定。

5）釀酒葡萄形態(tài)指標及產(chǎn)量的測定。釀酒葡萄成熟期隨機選取30粒，用電子天平進行稱量，重復(fù)3次測定，求得平均單粒質(zhì)量，用游標卡尺量取橫、縱徑，求得平均數(shù)，此外，選取10 串葡萄用直尺測定果穗長。產(chǎn)量實際測定，求得單株、小區(qū)產(chǎn)量，最后折算理論產(chǎn)量。

6）釀酒葡萄品質(zhì)的測定。每個處理行隨機選取長勢一致的10棵植株，每棵植株選取同一方向的果穗并采摘中部果粒30粒用攪拌機打成勻漿測定品質(zhì)。手持糖量計測定果實可溶性固形物量；NaOH 滴定法測定果實與葡萄酒可滴定酸量（以酒石酸計）；3,5-二硝基水楊酸法測定果實還原糖量[23]；單寧、花色苷、總酚需要用液氮保存24 h 后測定。

福林-丹尼斯法測定單寧量[24]，單寧酸標準曲線為：y=0.001 5x-0.015 8；福林-肖卡法測定總酚量[25]，總酚酸標準曲線為：y=0.010 7x-0.000 8。

采用pH 示差法測定花色苷量[26]，用pH值=1.0和pH值=4.5的緩沖液提取定容后分別測定其在520 nm 和700 nm 處的吸光值，以相應(yīng)的pH值緩沖液為空白對照。

式中：A=（A520 nm，pH 1.0-A700 nm，pH 1.0）（-A520 nm，pH 4.5-A700 nm，pH 4.5），DF為稀釋倍數(shù)；MW為矢車菊素-3-葡萄糖苷分子量（449.2 g/mol）；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消化系數(shù)（26 900 L/（cm·mol））；1為光程的厘米數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 軟件進行處理作圖，采用SAS 8.1 軟件進行統(tǒng)計分析，并對相關(guān)性指標進行顯著性檢驗，顯著性水平為（p＜0.05，n=5）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布的影響

圖1為土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布特征。隨著PAM 用量的增加，＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，而＞0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，說明施用PAM 具有增加土壤水穩(wěn)性大團聚體量的作用；不同層次之間，0～30 cm土層＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量明顯高于30～60 cm 土層，可能是PAM 施用深度集中于20～50 cm之間和灌水向下淋洗導(dǎo)致有機物質(zhì)深層遷移的原因。

圖1 土壤水穩(wěn)性團聚體粒徑分布特征Fig.1 Distribution of water-stable soil aggregate particle size

0.25～2 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量在上下層之間差異不大，但是30～60 cm 土層＞2 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量明顯高于上層，說明施用PAM 明顯增加了＞2 mm粒徑水穩(wěn)性大團聚體量。綜上所述，施用PAM具有增加礫石土＞2 mm粒徑水穩(wěn)性大團聚體量、減少＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量的作用，土壤結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性較強；且PAM 施用量與＞2 mm粒徑水穩(wěn)性大團聚體量顯著正相關(guān)，擬合結(jié)果為y=0.004 7x+87.556，R2=0.951 8；與＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量呈顯著負相關(guān)，擬合結(jié)果為y=-0.005 3x+12.953，R2=0.939 5。

2.2 不同處理對土壤水分保蓄的影響

圖2為不同生育期PAM 配施下土壤含水率分布。不同生育期土壤含水率變化趨勢較為一致，隨著土層深度的增加，土壤含水率表現(xiàn)出逐步增加的趨勢。受自然蒸發(fā)的影響，土壤表層0～10 cm 內(nèi)含水率整體較低，變幅為1.5%～4.5%之間；隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸升高，變幅為5.89%～12.65%之間。隨著PAM 施用量的增加，土壤含水率表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；不同處理之間，PAM 300、CK 和BOF處理土壤水分曲線有交叉現(xiàn)象，土壤含水率變化規(guī)律不明顯；而PAM 施用量600 kg/hm2以上時，不同處理土壤含水率顯著增加，以PAM 施用量1 200 kg/hm2土壤含水率最高。綜上所述，在有機肥基礎(chǔ)上配施PAM 具有顯著提高礫石土土壤含水率、保蓄土壤水分的作用，且水分保蓄能力隨著PAM 添加量的增加而增加。

圖3為同生育期土壤0～80 cm層次貯水量，隨著PAM 施用量的增加，土壤0～80 cm 土層貯水量在不同生育期表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。與CK相比，不同用量PAM 施入顯著增加了土壤貯水量，不同生育期以著色期、成熟期表現(xiàn)最優(yōu)，其中成熟期PAM 600、PAM 900、PAM 1 200 處理土壤0～80 cm 土層貯水量同比CK 分別增加了12.01%、17.71%、32.22%，原因為成熟期雨季降水的大量補充，PAM 保蓄水分能力得到充分發(fā)揮。

圖2 不同生育期PAM 配施下土壤含水率分布Fig.2 Distribution of vineyard soil moisture content of PAM under different growth period

不同處理之間以處理PAM 施用量1 200 kg/hm2土壤貯水量最大。表明礫石土施入PAM 具有保蓄土壤水分、提高土壤貯水量、調(diào)節(jié)葡萄水分供給的作用，且PAM 施用量和土壤貯水量呈正比。

圖3 不同生育期土壤0～80 cm層次貯水量Fig.3 Effects on water storage in soil layer 0～80 cm deep under different growth period

2.3 不同處理對百葉鮮、干質(zhì)量及鮮干比的影響

表3為不同處理葡萄葉片、葉柄鮮干質(zhì)量及鮮干比，隨著PAM 施用量的增加，葡萄百葉鮮、干質(zhì)量表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，不同處理百葉鮮質(zhì)量以PAM 900 最高，同比CK 增加29.65%，PAM 900 同比其他處理顯著增加了葉片鮮干比；不同處理百葉干質(zhì)量以PAM 600 最高，同比CK 增加23.86%；同比CK 和BOF，施用PAM 增加了葡萄葉柄鮮、干質(zhì)量，但不同PAM 施用量之間規(guī)律不明顯；不同處理百葉柄鮮質(zhì)量以PAM 1 200 最高，同比CK 增加20.01%；不同處理百葉柄干質(zhì)量以PAM 600 最高，同比CK 增加20.0%；不同處理百葉柄鮮干比差異不顯著。說明施用PAM 具有促進葡萄葉片、葉柄干物質(zhì)積累的作用，但過量的PAM 投入對葡萄葉片干物質(zhì)積累會產(chǎn)生一定的抑制作用。

表3 不同處理葡萄葉片、葉柄鮮干質(zhì)量及鮮干比Table3 Effect on FW,DW and FW/DW of wine grape leaf and petiole

2.4 不同處理對釀酒葡萄形態(tài)指標及產(chǎn)量的影響

表4為不同處理葡萄形態(tài)指標及產(chǎn)量。相比單施有機肥處理，配施PAM處理有助于增加葡萄果穗長，且整體表現(xiàn)出PAM 施用量越高，果穗越長，尤其當PAM 施用量達到900 kg/hm2時釀酒葡萄果穗長達到最大，相比施用量300、600、1 200 kg/hm2分別增加了18.09%、15.49%、10.0%；單粒質(zhì)量以及粒徑在各處理下無顯著性差異；同比常規(guī)施肥，PAM 配施量600 kg/hm2以上時能顯著提高釀酒葡萄產(chǎn)量，其中PAM 施用量900 kg/hm2時產(chǎn)量最高，相比CK 增幅高達44.08%，PAM 施用量1 200 kg/hm2時產(chǎn)量相比PAM 施用量900 kg/hm2處理降低了12.3%。模擬PAM施用量與葡萄產(chǎn)量的關(guān)系為，y=-0.001 1x2+2.554 7x+ 3 083.7，R2=0.821 7，計算得出最高理論產(chǎn)量PAM 施用量為1 161.23 kg/hm2。

2.5 不同處理對釀酒葡萄品質(zhì)的影響

表5 列出了不同處理葡萄品質(zhì)指標。有機肥配施PAM 均可提高可溶性固形物的量，尤其在PAM 施用量為900 kg/hm2處理下可溶性固形物量相比CK 以及單施有機肥分別增加了8.80%、12.86%，單施有機肥處理可溶性固形物量最低，僅24.10%；CK 下可滴定酸量最高，單施有機肥以及配施PAM 均降低可滴定酸量，當PAM 施用量為900、1 200 kg/hm2降幅最大；還原糖在單施有機肥處理下增加不太明顯，但配施PAM 效果顯著，尤其PAM 施用量為900 kg/hm2處理下還原糖含量達到20.70%，相比CK 增加了54.94%；總酚、花色苷量跟還原糖表現(xiàn)為相同趨勢，單施有機肥處理下總酚量最低，僅為7.73 mg/g，比CK 降低了20.80%。配施PAM 有助于促進總酚積累，但過量施用也會導(dǎo)致總酚量的降低。有機肥配施PAM處理下單寧量均高于單施有機肥處理，且差異顯著，同時隨著PAM的施用量增加表現(xiàn)為減少的趨勢。

表4 不同處理葡萄形態(tài)指標及產(chǎn)量Table4 Effect on morphological index and yield of wine grape

表5 不同處理葡萄品質(zhì)指標Table5 Effect on quality of wine grape

2.6 不同處理對土壤化學性質(zhì)的影響

表6為不同處理土壤化學性質(zhì)，與常規(guī)施肥相比，有機肥配施PAM 顯著提高了土壤有機質(zhì)、速效氮磷鉀等養(yǎng)分指標，土壤肥力水平顯著提升。與單施有機肥相比，配施PAM 600 kg/hm2以上顯著提高了土壤有機質(zhì)量；配施PAM 300 kg/hm2以上顯著提高了土壤堿解氮、速效鉀量，對土壤pH值、全鹽及速效鉀量的促進作用不明顯。隨著PAM 施用量的增加，土壤有機質(zhì)表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，處理PAM 900 和PAM 1 200之間差異不顯著，但同比其他處理達到顯著水平；土壤堿解氮表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；土壤速效鉀呈先升高后降低的趨勢，不同處理以PAM 900表現(xiàn)最佳。PAM 不同施用量對土壤pH值、全鹽及速效磷量無明顯影響。綜上所述，有機肥配施不同用量PAM 具有提高土壤有機質(zhì)，保蓄土壤氮鉀養(yǎng)分的作用。

表6 不同處理土壤化學性質(zhì)Table6 Effects on soil chemical properties

3 討 論

PAM 作為新型水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性與吸附性，在水土關(guān)系中充當載體，可以有效地將流動的水分結(jié)合土粒固定成團塊狀，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的保濕效果，供給植株生長發(fā)育的需要[27-28]。本試驗結(jié)果表明，在施用有機肥的基礎(chǔ)上配施一定量的PAM 有助于提高＞2 mm 團聚體量，其基本量保持在50%以上，表現(xiàn)為持水孔隙與空氣孔隙并存，同時使0.25～2 mm之間的團聚體處于相對均勻的比例，這與夏海江等[29]研究結(jié)果基本一致。此外，PAM的配施有利于提高土壤含水率，尤其在20 cm層次效果最為明顯，60 cm 土層以下出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，且高濃度PAM的投入土壤含水率最高，這與郭月峰等[30]、閆功雙等[31]研究結(jié)果基本一致，說明PAM 有助于減少水分滲漏，對干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵性作用。

釀酒葡萄葉柄可直接穩(wěn)定地反映出釀酒葡萄養(yǎng)分狀況[32]，配施PAM處理下葉片、葉柄養(yǎng)分量均高于單施有機肥和常規(guī)施肥，具體表現(xiàn)在PAM 施用量900 kg/hm2顯著提高了葉片鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及鮮干比，PAM 施用量600 kg/hm2顯著提高了葉柄干質(zhì)量，促進葡萄葉片干物質(zhì)的積累，從而為后期生長貯存更多的營養(yǎng)物質(zhì)。

PAM的施用不僅對土壤結(jié)構(gòu)有良好的改善作用，而且通過保蓄水分、以水調(diào)肥對釀酒葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)起到明顯的促進作用。當PAM 施用量900 kg/hm2時，釀酒葡萄產(chǎn)量達到4 824.25 kg/hm2，同比CK 增產(chǎn)44.08%、增加投入8 100 元/hm2（有機肥增加投入3 600 元/hm2、PAM 增加投入4 500 元/hm2）、實現(xiàn)增收8 856 元/hm2，實現(xiàn)凈利潤增加756 元/hm2；同比BOF 增產(chǎn)47.32%，增加投入4 500 元/hm2，實現(xiàn)增收9 298.5 元/hm2，實現(xiàn)凈利潤增加4 798.5 元/hm2，增產(chǎn)增收效應(yīng)明顯。在PAM 施用量為900 kg/hm2處理下可溶性固形物量相比單施有機肥增加12.86%，且顯著降低可滴定酸量；還原糖量相比CK 增加了54.94%；總酚、花色苷量均有增加，但過量施用會導(dǎo)致總酚量的降低。這與李晶晶等[33]、白崗栓等[34]在蘋果上以及唐澤軍等[35]在玉米上研究結(jié)果相一致。由此可見，合理的PAM 施用量有利于提高釀酒葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)，可為釀酒葡萄優(yōu)質(zhì)高效栽培創(chuàng)造良好條件。

4 結(jié) 論

1）有機肥基礎(chǔ)上配施PAM 具有增加礫石土＞2 mm粒徑水穩(wěn)性大團聚體量、減少＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量的作用，且PAM 施用量與＞2 mm粒徑水穩(wěn)性大團聚體量顯著正相關(guān)，與＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體量顯著負相關(guān)。

2）有機肥基礎(chǔ)上配施PAM 具有顯著增加土體20～60 cm層次土壤含水率的作用，不同處理以PAM施用量1 200 kg/hm2時土壤貯水量最高，且PAM 施用量和土壤貯水量成正比。

3）PAM 施用量超過600 kg/hm2可以顯著提高葡萄產(chǎn)量，模擬結(jié)果顯示最高理論產(chǎn)量PAM 施用量為1 161.23 kg/hm2；PAM 施用量 900 kg/hm2時具有顯著提高葡萄可溶性固形物、還原糖及總酚量，提升土壤有機質(zhì)，保蓄土壤氮鉀養(yǎng)分的作用。

4）賀蘭山東麓礫石土釀酒葡萄園PAM 與有機肥最佳配施用量為900 kg/hm2。