張金良，梁新書(shū)，廉曉娟，楊 軍，王正祥，張余良，王 艷

(天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300192)

天津市位于華北平原東北部，年平均降雨量575 mm，農(nóng)業(yè)用水占全市用水的50%，年缺水近8 億m3，是一個(gè)資源型缺水城市。目前，天津設(shè)施蔬菜種植面積發(fā)展十分迅速，到2012 年，設(shè)施蔬菜面積已達(dá)到4 萬(wàn)hm,2[1]。但是，目前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)大多采用大水大肥的管理模式。有研究結(jié)果表明，在經(jīng)驗(yàn)畦灌條件下，灌溉水的50%～60%滲漏到耕層以下，大大降低了水的利用率，水利用率僅為30%～40%，浪費(fèi)極為嚴(yán)重[2,3]，而發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)水利用率可達(dá)70%～80%[4]；過(guò)量的施肥會(huì)引起土壤板結(jié)、酸化、鹽漬化、地下水和大氣污染等一系列問(wèn)題[5-8]。這些對(duì)天津市設(shè)施蔬菜種植體系的可持續(xù)發(fā)展利用構(gòu)成了很大的威脅。另外，傳統(tǒng)灌溉施肥方式費(fèi)力費(fèi)時(shí)，所需勞動(dòng)力成本在逐漸加大，加之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平等生產(chǎn)條件的變化，設(shè)施蔬菜現(xiàn)代化水肥管理的需求日益提升。因此，蔬菜水肥管理急需利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等高新技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水節(jié)肥技術(shù)。以色列農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，智能控制溫室滴灌水利用率可達(dá)88%，是世界農(nóng)業(yè)節(jié)水的典范，因此，學(xué)習(xí)以色列先進(jìn)的作物水肥管理技術(shù)，對(duì)解決天津水資源匱乏、菜田生態(tài)環(huán)境惡化及農(nóng)業(yè)節(jié)本增效意義重大。所以，本研究在引進(jìn)以色列先進(jìn)的節(jié)水灌溉設(shè)備與技術(shù)的基礎(chǔ)上，參考以色列專(zhuān)家的指導(dǎo)，結(jié)合本地區(qū)實(shí)際條件進(jìn)行自動(dòng)水肥管理，與傳統(tǒng)水肥管理作比較，研究了2種灌溉施肥制度對(duì)日光溫室秋冬茬黃瓜產(chǎn)量及水肥利用效率的影響，旨在探求適合本市設(shè)施蔬菜可持續(xù)發(fā)展的灌溉施肥模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年9-12月在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地日光溫室中進(jìn)行。該溫室長(zhǎng)度60 m，室內(nèi)跨度8 m，后墻高3.5 m，脊高4.8 m，溫室內(nèi)具體的溫光環(huán)境條件見(jiàn)圖1。供試作物為黃瓜，品種為天津市科潤(rùn)黃瓜研究所研發(fā)的“308”，供試土壤為黏土，0～20 cm土層密度為1.15 g/cm3，田間持水量為35.2%。

試驗(yàn)共分2個(gè)處理：①手動(dòng)簡(jiǎn)易灌溉施肥處理：采用文丘里施肥器，人工定時(shí)進(jìn)行灌溉，灌溉施肥制度為天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所前期試驗(yàn)獲得的黃瓜高效水肥管理技術(shù)；②自動(dòng)灌溉施肥處理：引進(jìn)以色列耐特菲姆公司福萊斯3G開(kāi)放桶式施肥機(jī)，設(shè)定程序后每天定時(shí)定量進(jìn)行自動(dòng)供應(yīng)水肥，自動(dòng)灌溉施肥制度是借鑒以色列專(zhuān)家建議的黃瓜水肥管理技術(shù)，結(jié)合設(shè)施蔬菜需水肥規(guī)律[9-13]以及天津市本地條件所確定的。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)小區(qū)面積為5.2 m×8.0 m。定植日期為2015年9月17日，黃瓜幼苗兩葉一心。栽培方式為傳統(tǒng)的畦栽，畦寬80 cm，溝寬50 cm，每畦2行，行內(nèi)株距為40 cm，畦內(nèi)行距40 cm，畦間行距為90 cm，種植密度為35 070 株/hm2。2處理均采用耐特菲姆公司生產(chǎn)的壓力補(bǔ)償?shù)喂嘞到y(tǒng)，滴頭間距為40 cm。2處理分別安裝了精度為0.000 1 m3的水表，肥料種類(lèi)為尿素、磷酸二氫鉀、硝酸鉀，氮磷鉀比例為1∶0.3∶1.5。試驗(yàn)過(guò)程中除水肥管理不同外，其余田間管理均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)管理一致，具體灌溉施肥制度見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)日光溫室內(nèi)部光輻射強(qiáng)度與空氣溫度的狀況

表1 日光溫室秋冬茬黃瓜手動(dòng)簡(jiǎn)易與自動(dòng)灌溉施肥制度比較

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)溫室內(nèi)部環(huán)境、表層土溫以及土壤含水量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。每處理安裝一個(gè)小型自動(dòng)環(huán)境氣象站(HOBO U30，ONSET-NRC，美國(guó))，并配置相應(yīng)的傳感器利用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器記錄。光輻射強(qiáng)度(S-LIB-M003)及空氣溫度傳感器(S-THB-M002)距離地面1.5 m；測(cè)量土溫傳感器(S-TMB-M006)埋深10 cm；土壤水分傳感器(S-SMD-M005)在處理前埋深10 cm來(lái)監(jiān)測(cè)0～10 cm土層體積含水量的變化，處理后埋深15 cm來(lái)監(jiān)測(cè)5～15 cm土層體積含水量的動(dòng)態(tài)變化。

(2)黃瓜的生長(zhǎng)指標(biāo)。處理后每隔7 d每小區(qū)選取3株代表性植株測(cè)定黃瓜的生長(zhǎng)量。用米尺測(cè)量株高；用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗；記錄葉片數(shù)；選取黃瓜最大葉片，測(cè)量其長(zhǎng)度和寬度，最大葉面積根據(jù)黃瓜成熟葉片葉面積公式0.8796 7×長(zhǎng)×寬-63.239 6計(jì)算可得。

(3)黃瓜產(chǎn)量的測(cè)定。分別統(tǒng)計(jì)每小區(qū)黃瓜的商品瓜、畸形瓜產(chǎn)量，折算成單產(chǎn)，并且記錄每小區(qū)商品瓜條數(shù)，并折算成單位面積瓜條數(shù)。

(4)水肥利用效率的測(cè)定。分別記錄各處理下黃瓜整個(gè)生長(zhǎng)期的灌水與施肥總量，結(jié)合黃瓜產(chǎn)量計(jì)算水肥利用率。灌溉水利用效率為單位面積黃瓜產(chǎn)量與灌水總量的比值；氮肥偏生產(chǎn)力為單位面積黃瓜產(chǎn)量與純N投入量的比值；磷肥偏生產(chǎn)力為單位面積黃瓜產(chǎn)量與P2O5投入量的比值；鉀肥偏生產(chǎn)力為黃瓜產(chǎn)量與K2O投入量的比值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010以及Spss 19.0。

2 結(jié)果分析

2.1手動(dòng)灌溉與自動(dòng)灌溉對(duì)土壤溫度和含水量的影響

由土壤溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)圖2可以看出，手動(dòng)灌溉與自動(dòng)灌溉施肥兩者土壤溫度沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明在灌水量控制的情況下，每天的自動(dòng)灌溉施肥并不會(huì)引起土壤溫度的降低。但是，兩者的土壤水分變化存在一定的差異，手動(dòng)灌溉處理下，土壤的體積含水量在灌水后急劇增高，然后緩慢下降，經(jīng)過(guò)5～7 d，達(dá)到最低值，隨后伴隨著下一次灌水的到來(lái)又急劇升高緩慢下降，如此反復(fù)，土壤干濕交替，一個(gè)灌溉周期內(nèi)土壤體積含水量變幅較大；而自動(dòng)灌溉處理下，隨著每天進(jìn)行小額灌水施肥，土壤水分每天都有升高和下降，但土壤體積含水量變幅較小。例如，在10月13-20日，手動(dòng)灌溉施肥處理的土壤體積含水量最大值為40.07%，最小值為35.19%，變幅為4.88%，而自動(dòng)灌溉施肥處理的土壤體積含水量最大值為39.27%，最小值為36.37%，變幅為2.90%，變幅明顯減小。說(shuō)明相比于手動(dòng)灌溉施肥處理，自動(dòng)灌溉施肥處理土壤水分含量更加趨于穩(wěn)定，可能會(huì)避免土壤水分過(guò)多或過(guò)少對(duì)作物生長(zhǎng)所產(chǎn)生的不利影響。另外，在10月24日前后，自動(dòng)灌溉施肥處理的土壤體積含水量表現(xiàn)為持續(xù)下降，這是由于整個(gè)試驗(yàn)基地供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障引起的。

圖2 手動(dòng)與自動(dòng)灌溉制度下土壤溫度和體積含水量的動(dòng)態(tài)變化 注：數(shù)據(jù)獲得時(shí)間均在每日零點(diǎn)。

2.2 手動(dòng)與自動(dòng)灌溉對(duì)黃瓜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的影響

從黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)可以看出，與手動(dòng)簡(jiǎn)易灌溉施肥處理相比，采用自動(dòng)灌溉施肥處理對(duì)黃瓜的株高、莖粗、葉片數(shù)及最大葉面積均沒(méi)有顯著影響，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，差異仍然不顯著。這說(shuō)明自動(dòng)灌溉施肥處理雖然減少了22.4%的灌水量，減少了30.4%的氮磷鉀投入量，但由于按需每日供應(yīng)水肥，可能增加了黃瓜的水肥利用效率，因此仍能保證其正常生長(zhǎng)。

表2 手動(dòng)簡(jiǎn)易與自動(dòng)灌溉施肥對(duì)秋冬茬黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

2.3 手動(dòng)與自動(dòng)灌溉對(duì)黃瓜產(chǎn)量及產(chǎn)量組成的影響

由于溫室黃瓜11月份遭遇連陰天及極端低溫天氣，溫室最低氣溫已達(dá)到0 ℃，導(dǎo)致黃瓜生長(zhǎng)受阻，最終黃瓜產(chǎn)量整體偏低。由圖3可以看出，與手動(dòng)簡(jiǎn)易灌溉施肥處理相比，采用自動(dòng)灌溉施肥處理可以顯著提高黃瓜的商品瓜產(chǎn)量及總產(chǎn)量(p<0.05)，兩者分別提高11.1%及11.4%；畸形瓜產(chǎn)量?jī)烧邿o(wú)顯著差異。由表3可以得出，與手動(dòng)簡(jiǎn)易灌溉施肥處理相比，采用自動(dòng)灌溉施肥處理可以顯著提高黃瓜的平均單果重，對(duì)商品瓜瓜條數(shù)沒(méi)有顯著差異，這說(shuō)明按照黃瓜需水需肥量采用自動(dòng)灌溉施肥可以有利于各類(lèi)物質(zhì)向果實(shí)運(yùn)移，進(jìn)而提高單果重。

圖3 手動(dòng)與自動(dòng)灌溉對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響

2.4 手動(dòng)與自動(dòng)灌溉對(duì)黃瓜水肥利用率的影響

由圖4可以看出，與手動(dòng)灌溉施肥處理相比，采用自動(dòng)灌溉施肥處理可以顯著提高黃瓜灌溉水利用效率和肥量偏生產(chǎn)力(氮肥、磷肥及鉀肥)，分別提高43.6%和60.0%(60.0%、60.0%及60.0%)。這說(shuō)明采用自動(dòng)灌溉施肥雖然減少了水肥投入量，但按照黃瓜需水需肥量供應(yīng)水肥，可以提高水肥利用效率。

表3 手動(dòng)簡(jiǎn)易與自動(dòng)灌溉施肥對(duì)秋冬茬黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

圖4 手動(dòng)與自動(dòng)灌溉對(duì)黃瓜灌溉水利用率 和肥料偏生產(chǎn)力的影響

3 討論與結(jié)論

不同的灌溉施肥措施會(huì)影響土壤中水分和養(yǎng)分的有效性及空間分布，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的形成。對(duì)于傳統(tǒng)水肥管理方式而言，種植者往往會(huì)一次投入大量的水肥來(lái)保證土壤水肥供應(yīng)的充足，并且用較長(zhǎng)周期的灌水施肥間隔來(lái)減少水肥供應(yīng)次數(shù)去避免傳統(tǒng)灌溉施肥操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。有研究表明，在一個(gè)灌溉施肥周期內(nèi)，傳統(tǒng)間隔水肥管理方式會(huì)使作物根層土壤的水分和養(yǎng)分含量前期過(guò)高，而后期有可能呈現(xiàn)虧缺狀態(tài)，如此波動(dòng)可能不利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育[14]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與手動(dòng)灌溉相比，自動(dòng)灌溉雖然減少了水肥投入量，但少食多餐的灌溉施肥模式使土壤水含量更加趨于穩(wěn)定(見(jiàn)圖2)，可能有利于作物對(duì)水肥的吸收，最終黃瓜株高、莖粗、葉面積以及葉片數(shù)生態(tài)指標(biāo)并無(wú)顯著差異(見(jiàn)表2)，這表明2種施肥方式均能滿足黃瓜正常生長(zhǎng)需求。

黃瓜的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量由定植密度、單株瓜條數(shù)及平均單果重組成，不同水肥措施可能會(huì)影響植株坐瓜數(shù)和單果重從而影響產(chǎn)量的高低與水肥利用率。與手動(dòng)灌溉相比，自動(dòng)灌溉無(wú)論是產(chǎn)量還是灌溉水利用率都是顯著提高的(見(jiàn)圖3、圖4)，這可能是因?yàn)辄S瓜根系淺，吸收水肥的能力相對(duì)較弱，自動(dòng)灌溉模式按照黃瓜的水肥需求參數(shù)設(shè)定程序后，每天按時(shí)進(jìn)行水肥供應(yīng)，水肥能及時(shí)經(jīng)根系吸收到植株中被利用，特別是盛瓜期，對(duì)水肥的需求更加的旺盛，自動(dòng)灌溉每天及時(shí)補(bǔ)充水分和養(yǎng)分，更有利用于物質(zhì)向果實(shí)中積累。另外，自動(dòng)灌溉這種少食多餐的灌溉模式更能促進(jìn)植株根系生長(zhǎng)發(fā)育，有利于植株對(duì)水肥的吸收，這可能也是增產(chǎn)的原因[15]。

與手動(dòng)灌溉施肥相比，自動(dòng)灌溉施肥的優(yōu)勢(shì)之一就是省時(shí)省力省工，手動(dòng)水肥管理需由種植管理者進(jìn)行肥料溶解并查看水表進(jìn)行定量灌溉，而自動(dòng)水肥管理只需要種植者提前設(shè)定好灌溉施肥程序，不用人工看管，設(shè)定時(shí)間一到，施肥機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，待灌溉施肥結(jié)束后，施肥機(jī)自動(dòng)停止。灌溉施肥程序設(shè)定簡(jiǎn)單易學(xué)，并且一臺(tái)施肥機(jī)能夠控制園區(qū)10個(gè)以上棚的灌溉施肥，省去不少勞動(dòng)力，從而減少勞務(wù)費(fèi)的支出。雖然自動(dòng)灌溉施肥模式節(jié)水節(jié)肥增產(chǎn)增效，省時(shí)省力省工，但由于自動(dòng)化灌溉施肥系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴，將其真正應(yīng)用到田間管理的經(jīng)濟(jì)效益分析還需進(jìn)一步論證。隨著國(guó)產(chǎn)化經(jīng)濟(jì)型灌溉施肥系統(tǒng)的研發(fā)與改進(jìn)，自動(dòng)灌溉施肥模式會(huì)有很廣闊的應(yīng)用前景。

與手動(dòng)簡(jiǎn)易灌溉施肥系統(tǒng)相比，采用自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)，按照黃瓜需水需肥規(guī)律每日供應(yīng)水肥，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水22.4%，節(jié)肥30.4%，在保證黃瓜正常生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，使根層土壤含水量更加穩(wěn)定，顯著提高黃瓜單果重，使商品瓜產(chǎn)量提高11.1%，灌溉水利用率提高43.6%，肥料偏生產(chǎn)力提高60.0%。但當(dāng)異常天氣出現(xiàn)時(shí)，按照黃瓜需水需肥規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)水肥管理效果不理想，所以還需配備相應(yīng)的土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)一步調(diào)整灌溉施肥決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作物智能化水肥管理。

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