殷韶梅，胡笑濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.寧夏農(nóng)墾農(nóng)林牧技術(shù)推廣服務(wù)中心，銀川 750024)

0 引 言

近年來，迫于水資源危機的日益嚴(yán)重，研究者們在傳統(tǒng)節(jié)水理論的基礎(chǔ)上，提出了許多新的概念和方法，如限水灌溉[1]、非充分灌溉[2]、局部灌溉[3]、調(diào)虧灌溉[4]與交替灌溉[5]等。其中關(guān)于交替灌溉理論方面的研究主要是根系分區(qū)交替灌溉和垂直方向的交替灌溉，交替控制部分區(qū)域干燥、部分根系區(qū)域濕潤，通過交替使不同區(qū)域的根系經(jīng)受一定程度的水分脅迫鍛煉，刺激根系吸收補償功能。以上研究均是對作物根系進(jìn)行空間上的交替灌溉，利用作物根系功能和改變根區(qū)剖面土壤濕潤方式來提高作物水分利用效率。但是，目前國內(nèi)外在時間上進(jìn)行干濕交替灌溉還甚少，主要集中在小麥[6]、水稻[7]、玉米[8]等大田作物的研究，關(guān)于溫室作物的研究更少。因此，可以通過溫室條件下干濕交替灌溉試驗研究土壤水分環(huán)境反復(fù)變化對溫室作物的生長及產(chǎn)量的影響。

建立耗水量與產(chǎn)量之間的函數(shù)關(guān)系是推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)的理論依據(jù)。確定作物的經(jīng)濟灌溉定額和適宜的灌水時間，開展有限水量在不同區(qū)域、不同作物及不同生育時期之間的優(yōu)化配置等工作都需要使用這些函數(shù)關(guān)系[9]。因此，研究缺水地區(qū)非充分灌溉條件下作物耗水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系，有助于緩解該地區(qū)水資源匱乏，對于我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗地點位于武威市涼州區(qū)清源鎮(zhèn)發(fā)展村沙產(chǎn)業(yè)暨循環(huán)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)8號溫室，灌溉方式為膜下溝灌(地膜平鋪于溝中，灌溉水從膜下輸送到田間的灌溉方法)，供試作物為西瓜(四季秀麗)。西瓜于2010年11月10日播種，2010年11月15日播種砧木(南瓜)，11月25日采用頂插法進(jìn)行嫁接處理，2011年1月12日定植，苗齡四葉一心，定植前灌溉底墑水355.2 m3/hm2，2月20日開始人工授粉，2月28日西瓜開始上架雙蔓整枝，4月12日完全收獲，全生育期自定植之日至完全收獲共90 d。

在西瓜定植前，用旋耕機對溫室進(jìn)行犁耕，之后人工起壟，溝施磷酸二銨300 kg/hm2底肥。西瓜種植采用適合于當(dāng)?shù)氐膶捳心Ｊ?，其中壟南北長7.40 m，寬0.75 m，高0.25 m，壟中心間距1.15 m。灌水溝南北長7.40 m，寬0.4 m，深0.15 m。每個處理包括5壟5溝(面積為42.6 m2)，中間3個為試驗小區(qū)，兩邊作為保護(hù)，行株距為35 cm×55 cm，整個溫室共74個壟溝組合。

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗在具有多年溫室西瓜種植經(jīng)驗的農(nóng)戶溫室內(nèi)開展介入式試驗，一切管理諸如施肥、授粉、吊蔓等管理均依照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)由農(nóng)民操作，試驗只進(jìn)行不同的灌水量調(diào)控。結(jié)合西瓜在整個生育期對水分需求的特性并根據(jù)農(nóng)民經(jīng)驗，分別在2月21日，3月9日，3月25日，4月4日共進(jìn)行4次灌水處理，即播種-開花(40 d)，開花-坐果(17 d)，坐果-膨大(16 d)，膨大-收獲(10 d)進(jìn)行灌水處理。本試驗設(shè)定在溝內(nèi)進(jìn)行虧缺-補償交替處理，根據(jù)農(nóng)民經(jīng)驗設(shè)定溫室西瓜對照灌水定額為355.2 m3/hm2，設(shè)定對照(CK)為奇數(shù)次灌水定額與偶數(shù)次灌水定額相同，其余處理均為奇數(shù)次灌水定額小于偶數(shù)次灌水定額，奇數(shù)次灌水定額設(shè)4個水平，偶數(shù)次灌水定額設(shè)3個水平，共7個處理，3次重復(fù)，21個小區(qū)，具體見表1。試驗處理之間設(shè)保護(hù)以消除水分互滲對試驗結(jié)果的影響。

表1 日光溫室西瓜各處理灌水定額 355.2 m3/hm2

注：表中灌水定額均為該數(shù)值乘以對照的灌水定額，如1/2所代表的灌水定額即為1/2×355.2 =177.6 m3/hm2。

1.3 溫室內(nèi)基本環(huán)境監(jiān)測

西瓜全生育期內(nèi)，在溫室中央安裝便攜式自動氣象站(Weather hawk, Campbell Scientific, USA)連續(xù)監(jiān)測內(nèi)部氣溫、空氣相對濕度、太陽輻射和參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0，每小時記錄一組數(shù)據(jù)。各氣象因子的變化過程見圖1和圖2。

圖1 溫室西瓜全生育期內(nèi)溫度和相對濕度變化Fig.1 Daily mean air temperature and relative humidity changes inside greenhouse during whole growth stage of watermelon

圖2 溫室西瓜全生育期內(nèi)太陽輻射和ET0的變化Fig.2 Daily solar radiation and ET0 changes inside greenhouse during whole growth stage of watermelon

1.4 觀測項目與方法

試驗將蓄水池中的水利用水泵提水至灌水溝中，水表控制灌水量。分別于西瓜定植之日、每次灌水前及收獲之日采用烘干法測定土壤含水率，分別在小區(qū)的壟上、灌水溝及壟下測定10，20，30，40，60，80 cm土壤含水率，取3處的平均值作為該深度的土壤含水率。西瓜在采收之日一次性收獲完畢并由收購商直接收購，產(chǎn)量統(tǒng)計各個小區(qū)由收購商剪下的重量>1.5 kg無偏心瓜的單瓜重，并計算各小區(qū)產(chǎn)量，各處理取3個小區(qū)的產(chǎn)量的平均值作為小區(qū)產(chǎn)量。總市場產(chǎn)量采用小區(qū)產(chǎn)量按面積進(jìn)行折算，折算系數(shù)為1 174.3。利用水量平衡法計算西瓜全生育期耗水量。灌溉水分利用效率(WUE)為總市場產(chǎn)量與灌溉定額的比值。作物需水系數(shù)(k)為全生育期耗水量與總市場產(chǎn)量的比值。西瓜單株耗水量采用小區(qū)單壟西瓜耗水量與單壟西瓜株數(shù)的比值的平均值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SAS8.2軟件和Office Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖。方差分析使用GLM回歸及最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行，差異顯著性概率為0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 不同處理對單株產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響

由圖3可見，干濕交替條件下，隨著灌溉定額的增加，單株產(chǎn)量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，單株耗水量呈遞減趨勢，而水分利用效率呈遞增趨勢。這說明，對于溫室西瓜來說，較高的水分供應(yīng)并不一定能夠保證實現(xiàn)西瓜單株水平上的高產(chǎn)和高水分利用效率(如處理1和處理2)，而通過對其進(jìn)行干濕交替灌溉，可以在刺激西瓜的根系下扎增強吸水能力的同時，卻又不至于使西瓜植株受到嚴(yán)重的干旱脅迫，一定程度上保證其營養(yǎng)生長與生殖生長，從而實現(xiàn)高產(chǎn)、高效的統(tǒng)一。試驗中T3,T4和T6的產(chǎn)量均超過2 kg，水分利用效率也均超過了0.45 mm，處理結(jié)果較好。

圖3 不同處理對單株產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響Fig.3 Effects of different treatments on per plant yield, water consumption amount and water use efficiency

2.2 西瓜全生育期水分生產(chǎn)函數(shù)模型

大量研究表明作物耗水量與產(chǎn)量符合二次拋物線關(guān)系，二次曲線方程可以描述為：

Y=AET2c+BETc+C

(1)

式中：Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2；ETc為作物耗水量，mm；A，B，C分別為回歸系數(shù)。

2.2.1西瓜全生育期水分生產(chǎn)函數(shù)模型特性分析

作物需水量的確定 二次函數(shù)關(guān)系存在一個極大值，即拋物線的頂點處，該處西瓜產(chǎn)量(Y)達(dá)到最大值時的耗水量即為作物需水量。

dy/dETc=0

(2)

當(dāng)dy/dETc=0時，即：

2AETc+B=0

(3)

西瓜產(chǎn)量Y有最大值。

ETc= -B/2A

(4)

通過本次試驗處理的溫室西瓜實測產(chǎn)量與耗水量數(shù)據(jù)分析計算的溫室西瓜產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系可以描述為：

Y=-9.802 8ET2c+2 048.4ETc-51 459R2=0.717 8

(5)

上述結(jié)果表明，R2=0.717 8達(dá)到顯著水平，利用式(3)得ETc(Ymax)=104.48 mm，此時可獲得最大產(chǎn)量Ymax=55 549.78 kg/hm2。

2.2.2作物需水系數(shù)與耗水量關(guān)系分析

作物需水系數(shù)k表示每公頃土地上每生產(chǎn)1 kg糧食(西瓜)所需要消耗的水量，單位為mm/kg。作物需水系數(shù)k與耗水量之間的相互關(guān)系為：

k=ETc/Y

(6)

通過本次試驗處理的溫室西瓜實測耗水量與產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析計算的溫室西瓜作物系數(shù)與耗水量的關(guān)系也符合二次曲線關(guān)系，可以描述為：

k=5×10-7ET2c-9×10-5ETc+0.005 2R2=0.965 5

(7)

上述結(jié)果表明，R2=0.965 5，達(dá)極顯著水平，此二次函數(shù)存在一個極小值，該處西瓜的作物需水系數(shù)(k)達(dá)到最小值，表示該耗水量下生產(chǎn)單位kg西瓜所消耗的水量最少，該處

dk/dETc=0

(8)

當(dāng)dk/dETc=0時，利用式(1)同樣有2AETc+B=0時，溫室西瓜需水系數(shù)k取得最小值，此時ETc=-B/2A。

利用式(3)得ETc(kmin)=90 mm，此時可獲得最小的作物需水系數(shù)kmin=0.001 15。

2.2.3作物產(chǎn)量、需水系數(shù)與耗水量關(guān)系綜合分析

由圖4可以看出，隨著耗水量的不斷增加，西瓜產(chǎn)量與需水系數(shù)的變化可以分為3個階段：

第一階段，ETc∈(0，ETc(kmin)]。這一階段，產(chǎn)量隨耗水量呈單調(diào)遞增趨勢，而西瓜需水系數(shù)呈現(xiàn)單點遞減趨勢，并在階段結(jié)束處k降至最小值。這說明灌溉水的投入與產(chǎn)出比在這一階段隨著耗水量的增加而增加，從而灌溉效益也得到了提高。因此，在這一階段在供水許可范圍內(nèi)灌溉水量越多越好。

第二階段，ETc∈(ETc(kmin)，ETc(Ymax)]。這一階段，產(chǎn)量隨耗水量依然呈單調(diào)遞增趨勢，在階段結(jié)束處Y達(dá)到最大值，但是增長速率明顯低于第一階段；而西瓜需水系數(shù)也呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢。說明在這一階段灌溉水的投入與產(chǎn)出比開始出現(xiàn)負(fù)增長，也就是說增加單位產(chǎn)量所消耗的水量開始增加。

第三階段，ETc∈(ETc(Ymax)，+∞)。這一階段，隨著耗水量的繼續(xù)增加，產(chǎn)量開始減少，西瓜需水系數(shù)增加，表明投入與產(chǎn)出比將急劇減小，因此這一時段內(nèi)增加灌溉水量不利于西瓜產(chǎn)量的形成。在實際生產(chǎn)中應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。

根據(jù)以上分析，ETc(Ymax)=104.48點可以認(rèn)為是溫室西瓜的作物需水量，也是溫室西瓜充分灌溉時的耗水量，是溫室西瓜過量灌溉與非充分灌溉的分界線。即當(dāng)耗水量大于ETc(Ymax)時為過量灌溉，試驗中處理CK、T1、T2均為過量灌溉；當(dāng)耗水量小于ETc(Ymax)時為非充分灌溉，試驗中處理T3、T4、T5、T6均為非充分灌溉。ETc(kmin)=0.111 15為溫室西瓜最適虧缺水量點，當(dāng)耗水量小于該水量時限制了產(chǎn)量的增長，因而增加單位kg西瓜所消耗的水量較大；而當(dāng)耗水量大于該水量時，產(chǎn)量增加但每增加單位kg西瓜所消耗的水量也增加。因此，當(dāng)ETc小于ETc(kmin)=0.001 15時，灌溉效益表現(xiàn)為遞增特性，應(yīng)當(dāng)盡可能多的提供灌溉用水，充分發(fā)揮灌溉水分利用效率。耗水量的適宜區(qū)間應(yīng)為[ETc(kmin)，ETc(Ymax)]，結(jié)合本試驗處理即為[90 mm，104.48 mm]，需結(jié)合水分利用效率與水價等實際投入量在此區(qū)間內(nèi)確定溫室西瓜的經(jīng)濟灌溉定額。

3 結(jié) 語

溫室西瓜全生育期耗水量-產(chǎn)量關(guān)系模型是根據(jù)田間試驗所獲得的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析建立的，與所有統(tǒng)計模型一樣，它本身具有較強的統(tǒng)計特征。一方面，由于其數(shù)據(jù)來源的取材準(zhǔn)確性說明該模型具有一定的合理性和實用型；另一方面，由于試驗地區(qū)的特殊的地理位置、氣候條件等的影響，以及試驗處理的不同都會使該模型表現(xiàn)出一定的不完善性和局限性。因此，該模型的建立和應(yīng)用方面還存在一些問題。

上述建立的溫室西瓜全生育期耗水量-產(chǎn)量關(guān)系模型是通過一次完整的試驗過程獲得相應(yīng)的試驗結(jié)果，并經(jīng)過數(shù)據(jù)回歸分析得到的。試驗雖是針對耗水量與產(chǎn)量關(guān)系設(shè)計的，但是干濕交替灌溉與傳統(tǒng)的調(diào)虧灌溉在土壤的濕潤方式上還存在一定的差異，因此，所建立的模型和精度均受到一定程度的影響。需要在今后的灌溉試驗中，同步進(jìn)行調(diào)虧灌溉與干濕交替灌溉試驗，并進(jìn)行較長時間的連續(xù)試驗研究，積累資料，以確定較為精確的、實用的作物耗水量-產(chǎn)量關(guān)系模型。

本試驗的開展地位于甘肅武威市涼州區(qū)，通過該試驗結(jié)果所建立的溫室西瓜耗水量-產(chǎn)量模型所獲得溫室西瓜代表西北干旱內(nèi)陸地區(qū)的適宜耗水量，但是由于氣候條件、土壤肥力、灌溉方式、農(nóng)作措施等的差異，需要在全國其他地區(qū)同步開展相同干濕交替灌溉試驗，進(jìn)而積累資料，從而確定較為精確的，具有代表性的作物耗水量-產(chǎn)量統(tǒng)一模型，或者適合各地區(qū)的耗水量-產(chǎn)量代表模型。

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