董世德，秦 墾，萬書勤，康躍虎，鄒文勇

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3 寧夏農(nóng)林科學(xué)院枸杞工程技術(shù)研究所，銀川 750002；4.寧夏大地生態(tài)有限公司，銀川 750002)

0 引 言

微灌技術(shù)是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的高效灌溉技術(shù)之一，是通過安裝在土壤表面上方、土壤表面或土壤內(nèi)部的灌水器，將水和化學(xué)物質(zhì)小流量、長時間、高頻率地供應(yīng)到作物根系分布范圍的一種灌溉方式，主要形式包括滴灌、微噴灌、涌泉灌(或小管出流灌)等[1]。滴灌又分為地表滴灌、地下滴灌、架上滴灌等，架上滴灌常出現(xiàn)在國內(nèi)外果園生產(chǎn)中，是將滴灌帶(管)懸掛在距離地面30～50 cm高度，其主要目的是為了方便果園田間除草作業(yè)。目前，許多學(xué)者做了不同微灌形式對林果生長及耗水等影響的試驗研究，結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)漫灌相比，地表滴灌和微噴灌能夠顯著減少香梨、棗樹的耗水量，并顯著提高其產(chǎn)量和品質(zhì)[2,3]。蔣岑等人[4]以紅棗為研究對象，設(shè)置微噴灌、滴灌和涌泉灌開展田間試驗，結(jié)果表明，微噴灌和滴灌濕潤深度在60 cm，而涌泉灌可達80 cm；紅棗生長、產(chǎn)量、根系分布等綜合分析表明微噴灌優(yōu)于滴灌，而涌泉灌最差。

鑒于中寧日益緊缺的水資源狀況，在新建設(shè)的枸杞標準化生產(chǎn)基地，都要求采用高效節(jié)水灌溉和水肥一體化技術(shù)，而目前針對不同微灌方式對土壤水肥分布、枸杞生長和產(chǎn)量等影響的研究較少。本論文研究地表滴灌、地下滴灌、架上滴灌和涌泉灌等4種不同微灌形式對土壤水肥分布以及枸杞產(chǎn)量等的影響，為枸杞標準化生產(chǎn)基地適宜的微灌形式的選擇提供建議和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)地位于中寧縣恩和鎮(zhèn)紅梧山，東經(jīng)105°46′12″ E，北緯37° 25′30″ N，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫9.5 ℃，年均無霜期159～169 d，年均降水量200 mm左右，年蒸發(fā)量1 830～1 950 mm。試驗區(qū)土壤為灰鈣土，質(zhì)地為砂粉土，0～60 cm深度土壤飽和泥漿提取液電導(dǎo)率平均為1.5 dS/m，為非鹽漬土。地下水埋深20～40 m，地下水礦化度為3～13 g/L。灌溉水為黃河水，電導(dǎo)率平均為0.6 dS/m。

1.2 試驗設(shè)計與布置

試驗設(shè)計4種微灌方式處理，分別為地表滴灌，地下滴灌，架上滴灌和涌泉灌。其中，地表滴灌和架上滴灌采用壓力補償內(nèi)鑲式圓柱滴灌管，滴頭間距50 cm，100 kPa壓力下灌水器流量為4 L/h；地下滴灌采用以色列蛇口地埋式滴灌管，埋深5 cm，滴頭間距30 cm，100 kPa壓力下灌水器流量為1.2 L/h；涌泉灌由穩(wěn)流器、軟管及灌水器組成，穩(wěn)流器在100 kPa壓力下灌水器出水量為10 L/h。每個處理重復(fù)2次，共8個試驗小區(qū)，采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計。每個試驗小區(qū)首部安裝有水表、壓力表、壓差式施肥罐(帶流量計)、閥門。

枸杞為2齡寧杞1號，前2年為大田滴灌統(tǒng)一灌水，長勢均一，第3年(2016年)開始分不同微灌形式進行灌溉。每個試驗小區(qū)2行枸杞，每行50株，株行距1 m×3 m，如圖1所示。每個試驗小區(qū)面積300 m2，8個試驗小區(qū)，總面積2 400 m2。

在每個處理中隨機選擇一個試驗小區(qū)(兩個重復(fù)中的一個)埋設(shè)一支真空負壓計，用來監(jiān)測土壤水基質(zhì)勢并指導(dǎo)灌溉，負壓計埋設(shè)于灌水器或涌泉灌出水口正下方20 cm處。在第一次灌水(春灌)后，按負壓計控制閾值指導(dǎo)灌溉，當(dāng)4個處理中有任意2支負壓計示數(shù)低于-20 kPa時即進行灌溉[5]。不進行施肥時，每次額定灌水量30 mm。需要施肥時，每次施肥灌溉額定灌水量為60 mm，考慮到養(yǎng)分的淋失，設(shè)計當(dāng)灌水進行到接近一半時，向施肥罐中加入肥料，進行施肥灌溉；通過調(diào)整肥料罐上的流量計，保證施肥罐中肥料全部隨灌溉水進入田間后，還能灌溉10 min左右的水，以清洗管道。枸杞生育期內(nèi)計劃施肥3次，分別選在新枝生長期(5月)、花蕾形成高峰期(6月)和開花結(jié)果高峰期(7月)，每次施肥量分別為尿素75 kg/hm2，一銨75 kg/hm2，硫酸鉀45 kg/hm2。由于黃河水來水晚，春灌時間較晚(5月15號)，5月份沒有施肥，實際施肥2次，分別為6月8日和7月10日。

圖1 試驗布置及取樣示意圖(單位：cm)

1.3 試驗觀測與方法

每天8∶00記錄負壓計土壤水基質(zhì)勢，按土壤水基質(zhì)勢指導(dǎo)灌溉。

施肥灌水前2 d和灌水后2 d分別取土樣并立即用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，剩余土樣室內(nèi)風(fēng)干后，磨碎過1 mm篩，采用標準飽和泥漿法提取土壤溶液[6]，測定土壤飽和泥漿提取液電導(dǎo)率(ECe)，可在一定程度上反映土壤的養(yǎng)分狀況。土樣用直徑5 cm的土鉆鉆取，取樣布點為：距灌水器水平距離為0、30、60、90、120、150 cm，垂直深度為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm，如圖1所示。文中根區(qū)定為距灌水器水平60 cm內(nèi)，垂直深度60 cm內(nèi)的土體，非根區(qū)為根區(qū)以外分析的土體，見圖1。根區(qū)和非根區(qū)平均ECe值采用距離加權(quán)的方式計算，見公式(1)。土壤剖面平均含水率也按類似計算方式。

(1)

在枸杞生長旺季，采用ACS-430手持式植物冠層光譜儀測定隨機一個重復(fù)的隨機一行枸杞冠層植被覆蓋指數(shù)(NDVI值)，保持傳感器探頭在冠層上方30 cm處，勻速前進式測量。

每個處理隨機選定6株長勢基本一致的枸杞，按照枸杞園統(tǒng)一采收標準進行采收，測定枸杞產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 微灌方式對土壤水分的影響

2.1.1 水分連續(xù)動態(tài)變化

不同處理的土壤水基質(zhì)勢隨時間的變化規(guī)律見圖2。從圖2可知，不同灌溉方式下土壤水基質(zhì)勢都基本控制在設(shè)計的閾值范圍內(nèi)，且變化規(guī)律相同，表現(xiàn)為灌溉后，土壤水基質(zhì)勢迅速增大，之后隨著枸杞的生長耗水和土面蒸發(fā)，土壤水基質(zhì)勢又逐漸降低。總體上與其他兩種灌溉方式相比，地表滴灌和涌泉灌條件下土壤水基質(zhì)勢值較高，說明在枸杞整個生育期地表滴灌和涌泉灌方式下枸杞根系主要分布層的土壤水分狀況更好。

圖2 不同灌溉方式下土壤水基質(zhì)勢變動圖

2.1.2 單次灌水水分空間分布

7月10日灌水施肥后，不同處理土壤質(zhì)量含水率等值線圖如圖3所示。在相同灌水量條件下，相比其他微灌形式，涌泉灌條件下整個土體土壤水分含量高，且水分分布均勻，其中根區(qū)土壤水分含量平均為14.7%，非根區(qū)平均為12.4%，這與涌泉灌單個灌水器流量大(10 L/h)有關(guān)，大且多的出流量促進了水分的水平運移和垂直入滲。地表滴灌水平濕潤區(qū)可以達到90 cm處，高含水區(qū)基本保持在根區(qū)范圍，且分布均勻，平均土壤水分含量為14.3%，而非根區(qū)平均為9.5%。地下滴灌水分分布狀況和地表滴灌基本類似，但是高含水區(qū)在20 cm深度以下，其40 cm深度以下水平濕潤區(qū)可以達到90 cm遠。架上滴灌和地表滴灌均采用相同流量的滴灌管，其水分分布狀況同地表滴灌也基本類似，但是高含水區(qū)基本保持在距離滴頭水平距離60 cm范圍內(nèi)，且其40 cm深度以下水平濕潤區(qū)可以達到90 cm，甚至更遠，這可能是因為懸掛條件下水滴出流勢能較大，水滴滴落的動能促進了水分垂直入滲。在相同灌水量條件下，涌泉灌整個土體土壤水分狀況最好，土壤水分含量平均為13.5%，其次是地表滴灌，平均為11.9%，架上滴灌最差，平均為11.3%。由此可見，相比其他微灌形式，涌泉灌土壤濕潤能力更強，濕潤范圍更廣。

圖3 灌水施肥后土壤水分分布情況圖

2.1.3 灌水前后土壤水分分布

7月10日盛果期施肥灌溉前、后枸杞根區(qū)和非根區(qū)土壤水分分布情況，如圖4所示。圖4(a)和圖4(b)分別為灌溉施肥前后根區(qū)和非根區(qū)土壤水分差異狀況。7月份為枸杞開花結(jié)果高峰期，也是耗水高峰期，因此在7月灌溉前各處理根區(qū)水分[圖4(a)虛線]維持較低水平，表現(xiàn)為40 cm深以上土層水分消耗嚴重，土壤含水率僅在4%～8%，表明微灌條件下枸杞根系吸水大部分在40 cm以上土層內(nèi)，這與微灌條件下多年生植物大部分根系分布在50 cm以內(nèi)土層有很大關(guān)系[7-8]。各處理在10～30 cm深度內(nèi)土壤水分含量有較大差異，地表滴灌、涌泉灌、地下滴灌和架上滴灌的平均土壤含水率分別為7.51%、5.67%、6.55%和7.09%。灌水后，所有處理根區(qū)水分都大幅度增加，基本維持在13%左右，并且水分在垂向上的差異減小。灌水結(jié)束后，土壤含水率在10～30 cm深度內(nèi)亦有較大差異，地表滴灌、涌泉灌、地下滴灌和架上滴灌的平均土壤含水率分別為13.89%、14.49%、12.51%和13.21%。灌水后地表滴灌、涌泉灌、地下滴灌和架上滴灌在10～30 cm土層的平均土壤含水率分別增加了6.38%、8.82%、5.96%和6.12%，其中涌泉灌處理的土壤含水率增加幅度顯著其他三種灌溉處理，而其他三種灌溉方式之間沒有顯著差異。涌泉灌條件下較高的土壤含水率主要與其靶向性和大流量有關(guān)，涌泉灌出水口數(shù)與枸杞植株數(shù)1∶1配置，與滴灌管相比，減少了枸杞植株間的水分分配，大大提高了供水的有效性，在大的流量條件下，其水分運移更迅速。

圖4 不同時間段灌水施肥前后土壤水分分布圖

各處理非根區(qū)在施肥灌水前，表層土壤水分略微高于根區(qū)表層土壤，但也基本維持在7%左右。施肥灌水后，各處理土壤水分有不同程度的增加，其中，涌泉灌土壤含水率增加幅度最大，達5.38%，地下滴灌和地表滴灌次之，分別為3.41%和2.29%，架上滴灌增幅最小，僅0.47%。這說明，在一次大的灌水后，經(jīng)過2 d的水分再分配過程，涌泉灌、地下滴灌和地表滴灌條件下，水分可以較多地運移到距離滴頭60 cm以外的土壤，而架上滴灌水分運移相對不明顯，這與圖3單次灌水后的土壤水分空間分布相吻合。

2.2 微灌方式對土壤ECe的影響

2.2.1 單次灌溉施肥后ECe空間分布

7月灌水施肥后，不同處理土壤ECe空間分布情況如圖5所示。微灌條件下，土壤鹽分和養(yǎng)分會隨濕潤鋒運動到濕潤鋒邊緣，并在滴頭附近形成低鹽區(qū)。Jiusheng等人在沙土條件下研究水肥一體灌溉對養(yǎng)分分布影響，發(fā)現(xiàn)土壤中硝態(tài)氮在濕潤鋒邊緣聚集，并且較易淋失[9]。圖5可以看出，不同微灌形式下土壤ECe值差異較大，地表滴灌條件下，土壤養(yǎng)分有向地表聚集的趨勢，主要分布在距離灌水器90 cm范圍內(nèi)的表層土體內(nèi)；涌泉灌條件下由于流量較大，土壤養(yǎng)分橫向運移明顯，主要分布在距離灌水器90 cm外的40 cm深度左右土體內(nèi)；地下滴灌條件土壤養(yǎng)分有分別向地表聚集和深層運動的趨勢，主要分布在距離灌水器30～110 cm遠的土體內(nèi)；架上滴灌條件下，由于水滴帶有動能，到達地面破碎后點源變?yōu)榫植棵嬖矗蚨謹U散能力較強，不論水平還是垂向運移均很明顯，土壤養(yǎng)分主要分布在距離灌水器60 cm外的整個土體內(nèi)?？傮w來看，地表滴灌和地下滴灌對土壤養(yǎng)分淋洗量相對于涌泉灌和架上滴灌要小。

圖5 7月灌水施肥后土壤ECe空間分布圖

2.2.2 灌溉施肥前后土壤ECe分布

6月和7月份施肥灌溉前、后枸杞根區(qū)和非根區(qū)土壤ECe分布差異，如圖6所示。由圖6(a)可知，在施肥灌溉前，地表滴灌、涌泉灌和地下滴灌養(yǎng)分較低，說明枸杞對養(yǎng)分吸收較多，而架上滴灌條件下，有明顯的養(yǎng)分積累狀況，電導(dǎo)率顯著高于本底值1倍，說明枸杞之前施用的肥料利用率有限，從而不利于枸杞的生長，這一點可以由圖7長勢和圖8產(chǎn)量得到驗證。施肥灌溉后，地表滴灌、涌泉灌和架上滴灌三個處理根區(qū)養(yǎng)分小幅減小，主要是受濕潤鋒推移的影響，而地下滴灌根區(qū)養(yǎng)分卻有增加的趨勢，由圖5可以看出，地下滴灌土壤養(yǎng)分主要分布在距離灌水器30～110 cm遠的土體內(nèi)，因此在灌水后根區(qū)養(yǎng)分有增加趨勢。非根區(qū)養(yǎng)分分布如圖6(b)示，地表滴灌和涌泉灌條件下養(yǎng)分較低，而架上滴灌和地下滴灌有養(yǎng)分積累的情況，在6月生長階段，架上滴灌和地下滴灌灌溉的枸杞養(yǎng)分有盈余，而地表滴灌和涌泉灌條件下枸杞對養(yǎng)分利用充分，這說明地表滴灌和涌泉灌2種灌溉方式下的枸杞長勢較好，這一點亦可以由圖7長勢和圖8產(chǎn)量得到驗證。

圖6 不同時間段根區(qū)和非根區(qū)灌水施肥前后ECe變化情況圖

7月份是枸杞生長發(fā)育的旺盛期，土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰都達到峰值，養(yǎng)分利用也達到峰值，由圖6(c)可知，施肥灌水前，根區(qū)養(yǎng)分較6月份有小幅增加，這可能與枸杞園蒸散發(fā)有關(guān)，強烈的水分蒸散發(fā)促進了養(yǎng)分離子的表聚。施肥灌溉后，受濕潤鋒推移的影響，各處理根區(qū)養(yǎng)分均有所降低。地表滴灌、涌泉灌和地下滴灌3種灌溉條件下養(yǎng)分在非根區(qū)積累不明顯，說明7月這一階段枸杞對養(yǎng)分利用效率提高，而架上滴灌條件下依然出現(xiàn)了養(yǎng)分累積。

結(jié)合單次灌水水分分布、土壤水分變化規(guī)律及土壤養(yǎng)分分布可以看出，不同微灌方式影響到單次灌水條件下水分在根區(qū)和非根區(qū)的空間分布，進而影響到土壤水分隨時間變化的規(guī)律。而養(yǎng)分作為一種溶質(zhì)，受水分運動影響顯著，不論是哪種微灌方式，在根區(qū)附近都有一個養(yǎng)分的淋洗區(qū)，而養(yǎng)分的淋洗量和淋洗強度又受灌水器流量、次灌水量等的影響。因此，不同灌水方式主要是通過植物根區(qū)及非根區(qū)水肥耦合關(guān)系對植物生長造成影響的。

2.3 微灌方式對枸杞生長和產(chǎn)量的影響

2.3.1 枸杞冠層NDVI分析

植被指數(shù)是研究作物生長信息眾多關(guān)注的指標之一。而歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)是研究較多的植被指數(shù)之一[10]。該指數(shù)對植被生長狀況、生產(chǎn)率及其他生物物理、生物化學(xué)特征敏感，在土地利用覆蓋監(jiān)測、植被覆蓋密度評價、作物識別和作物產(chǎn)量預(yù)報等方面應(yīng)用廣泛[11]。一般綠色植被的NDVI值為0.2～0.8，而且數(shù)值越大說明生長狀況越良好。

對4種灌溉方式下的枸杞測定冠層NDVI值，并繪制頻率分布圖，如圖7所示。NDVI值小于0.2時，地表滴灌和涌泉灌條件下頻率小于30%，而地下滴灌和架上滴灌條件下大于50%，說明前兩種灌溉條件下枸杞生長更旺盛茂密，而后兩種灌溉條件下更稀疏；NDVI在0.2 ～ 0.4范圍內(nèi)，4種灌溉方式?jīng)]有顯著差異；而NDVI在0.4～0.6范圍內(nèi)，地表滴灌和涌泉灌頻率維持在30%以上且顯著高于架上滴灌和地下滴灌(20%以內(nèi))；當(dāng)NDVI大于0.6時，地表滴灌和涌泉灌頻率依然有10%左右的分布而架上滴灌和地下滴灌不足3%。通過冠層NDVI分析可知，地表滴灌和涌泉灌方式下的枸杞生長狀況顯著好于地下滴灌和架上滴灌，這也解釋了地表滴灌和涌泉灌條件下根區(qū)和非根區(qū)養(yǎng)分含量較低的現(xiàn)象。

圖7 不同灌溉方式下枸杞冠層NDVI頻率分布圖

2.3.2 枸杞產(chǎn)量分析

8、9月份對試驗區(qū)分別進行了枸杞夏果和秋果測產(chǎn)，不同灌溉條件下枸杞鮮果產(chǎn)量見圖8。枸杞夏果產(chǎn)量遠高于秋果產(chǎn)量，大約為秋果產(chǎn)量的三倍。地表滴灌方式下夏果產(chǎn)量最高，達到5 000 kg/hm2，其次為涌泉灌和地下滴灌，產(chǎn)量各為4400和4 000 kg/hm2，架上滴灌方式下的枸杞夏果產(chǎn)量最低，僅為2 400 kg/hm2，不到滴灌產(chǎn)量的50%。從秋果產(chǎn)量來看，地表滴灌和架上滴灌產(chǎn)量較高，達到1 600 kg/hm2以上，而涌泉灌和地下滴灌處理產(chǎn)量較低，為1 350 kg/hm2左右，架上滴灌相對產(chǎn)量有所增加，但是實際產(chǎn)量增加有限。由總產(chǎn)量可以看出，地表滴灌、涌泉灌和地下滴灌方式下的產(chǎn)量均顯著高于架上滴灌，產(chǎn)量為地表滴灌>涌泉灌>地下滴灌>架上滴灌。產(chǎn)量和枸杞長勢相吻合，地表滴灌和涌泉灌方式下不論長勢還是產(chǎn)量都較高，而地下滴灌方式下NDVI值偏低但產(chǎn)量仍可維持較高水平，架上滴灌方式下，不論枸杞冠層NDVI值還是產(chǎn)量都是最差的。綜合分析水分、養(yǎng)分關(guān)系可知，水分狀況相對一般、養(yǎng)分相對冗余的地下滴灌和架上滴灌方式下，枸杞生長相對較差。

圖8 不同灌溉方式下枸杞鮮果產(chǎn)量圖

3 結(jié) 語

(1)與地表滴灌、地下滴灌和架上滴灌相比，在灌水量相同的條件下，涌泉灌灌溉后土壤水分橫向擴散能力更強，根區(qū)和非根區(qū)土壤水分增加幅度更大，整個土體平均土壤質(zhì)量含水率最高，達14.49%，且水分分布均勻；而其他三種微灌方式，灌溉后土壤水分增加幅度、土壤剖面水分分布及平均含水率量均沒有顯著差異。

(2)不論是哪種微灌方式，在根區(qū)附近都有一個養(yǎng)分的淋洗區(qū)。總體上地表滴灌和地下滴灌方式下，土壤養(yǎng)分淋失量相對較小。微灌施肥灌溉，尤其是涌泉灌和架上滴灌水肥一體化灌溉時，要制定少量多次的施肥灌溉計劃，最好是每次灌溉進行施肥，以減少養(yǎng)分淋洗。

(3)地表滴灌和涌泉灌在枸杞長勢和產(chǎn)量上都好于地下滴灌和架上滴灌，這是水肥耦合作用的結(jié)果。但由于涌泉灌更易造成養(yǎng)分淋洗的問題，使得此灌溉方式下枸杞產(chǎn)量小于地表滴灌，因此推薦地表滴灌為寧夏中寧地區(qū)枸杞首選灌溉方式。

本研究結(jié)果僅基于一年的試驗數(shù)據(jù)，還需要長期試驗來進一步驗證。另外評價架上滴灌方便田間作業(yè)而減少的勞動力成本，也是下一步需要研究的內(nèi)容。

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