郭英姿，申麗霞，尹玉娟

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

我國(guó)水資源嚴(yán)重緊缺，節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要保障，微潤(rùn)灌溉與交替灌溉技術(shù)都是我國(guó)發(fā)展節(jié)水灌溉的重要發(fā)展方向。微潤(rùn)灌溉(Moistube Irrigation,MI),即半透膜節(jié)水灌溉是基于土壤水勢(shì)和半透膜的選擇性透過(guò)功能,以膜內(nèi)外的水勢(shì)差作驅(qū)動(dòng)向土壤中緩慢、連續(xù)供水的灌溉技術(shù)[1,2]。交替灌溉,即根系分區(qū)交替灌溉(Alternate Partial Root-zone Irrigation,APRI),是通過(guò)不同時(shí)間向作物部分根系供水,造成作物根系區(qū)供水的不均勻性，這種灌溉方式可以促進(jìn)作物根系的發(fā)展，提高作物的抗旱性[3]。

國(guó)內(nèi)外有眾多學(xué)者對(duì)溫室中灌水方式對(duì)作物生長(zhǎng)的影響進(jìn)行研究[4,5]，在溫室種植蔬菜的試驗(yàn)表明：交替灌溉減少了土壤水分深層滲漏及土壤表面水分蒸發(fā)，在優(yōu)化水分利用的同時(shí)提高了果實(shí)的商品性和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[6]；微潤(rùn)灌溉能夠根據(jù)作物不同生育期自動(dòng)調(diào)節(jié)灌水量,在滿(mǎn)足植株生長(zhǎng)需要的同時(shí)提高水分利用效率[7]。兩者作為我國(guó)節(jié)水灌溉領(lǐng)域的重要灌溉技術(shù)，都已在部分作物的種植試驗(yàn)中取得良好的成果，但目前國(guó)內(nèi)將兩種技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于大棚蔬菜種植的研究還很少。本試驗(yàn)針對(duì)不同壓力水頭下交替微潤(rùn)灌溉對(duì)土壤含水率及大棚空心菜生長(zhǎng)的影響進(jìn)行研究，以期為微潤(rùn)灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況與處理

該試驗(yàn)于2016年6月2日至7月10日在太原理工大學(xué)日光溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)地位于北緯37°86′,東經(jīng)112°53′，海拔792 m。地區(qū)位于北溫帶，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，日照充足，晝夜溫差較大，年平均氣溫9.5 ℃，無(wú)霜202 d，年均降水量456 mm。土壤密度為0.74 g/cm3，土壤初始含水率為23.21%。

試驗(yàn)品種為柳葉空心菜，使用土箱進(jìn)行種植，土箱大小為90 cm×45 cm×40 cm。于6月2日將空心菜播種于日光溫室土箱內(nèi)，共種植三行，行距為15 cm，外側(cè)兩行與土箱邊緣距離為7.5 cm。設(shè)置常規(guī)充分灌水處理組作為對(duì)照組，每天8∶00及17∶00各灌溉一次，將水均勻噴灑在土箱內(nèi)。交替灌溉組每個(gè)土箱各設(shè)置兩條微潤(rùn)管進(jìn)行交替灌水(兩管分別記為①管與②管)，兩條微潤(rùn)管平行，每次交替時(shí)間間隔內(nèi)只有一條微潤(rùn)管負(fù)責(zé)供水，每8天交替一次供水用管道，交替周期為16 d。微潤(rùn)灌溉埋深為15 cm，壓力水頭設(shè)計(jì)為1 m與1.5 m，試驗(yàn)共重復(fù)2次(見(jiàn)表1，其中總灌溉量為實(shí)際灌溉量)。

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental treatment

6月2日播種后，為促使種子盡快發(fā)芽，保證發(fā)芽率，土箱內(nèi)的兩條微潤(rùn)管道一同進(jìn)行供水，6月7日關(guān)閉②管由①管單獨(dú)提供供水，開(kāi)始進(jìn)行交替灌溉。

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

為方便對(duì)比同一處理下與兩管間隔不同處的土壤含水率及作物生長(zhǎng)狀況，將土箱分為3個(gè)區(qū)域，分別為①區(qū)、②區(qū)、③區(qū)，如圖1所示。

圖1 微潤(rùn)管布置及區(qū)域劃分圖(單位：cm)Fig.1 The arrangement of moistube and area division

1.2.1 土壤含水率

使用烘干法測(cè)量土壤含水率，每隔8 d測(cè)量一次，在每次交換灌水管道前進(jìn)行測(cè)量，土層測(cè)量深度為0～25 cm。在離土箱一側(cè)的長(zhǎng)邊邊框5、22.5、40 cm處(即在①③②區(qū))分別取土進(jìn)行測(cè)量，每行取4個(gè)樣本，求其平均值。

1.2.2 植株單葉葉面積

在各處理內(nèi)選取展開(kāi)葉片數(shù)相同植株，每個(gè)區(qū)域選擇3株測(cè)量最長(zhǎng)葉片的葉長(zhǎng)、葉寬，每8 d測(cè)定一次，收獲時(shí)加測(cè)，葉長(zhǎng)為從葉基量取至葉片尖端，葉寬為該葉片兩端邊緣相距最大處距離。柳葉空心菜屬于狹長(zhǎng)葉形，采用玉米葉面積計(jì)算修正系數(shù)0.75[8]計(jì)算單葉葉面積，取其平均值。

單葉葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.75

(1)

1.2.3 植株鮮重、干重及其含水率測(cè)定

在不同處理下的3個(gè)區(qū)域內(nèi)，每區(qū)域選取3株作物(植株位置隨機(jī))，取其整根植株。鮮重直接用電子秤進(jìn)行測(cè)量，取其平均值；干重為將單棵植株放入烘箱中在105 ℃下殺青15 min后將溫度調(diào)至80 ℃烘至恒重，用電子秤測(cè)量后取其平均。植株含水率計(jì)算公式為：

(2)

式中：FW為植株鮮重，g；DW為植株干重，g。

1.2.4 植株產(chǎn)量測(cè)定

將不同處理的植株按區(qū)域分別進(jìn)行采收，用電子秤進(jìn)行稱(chēng)重得到區(qū)域產(chǎn)量，將同一處理中各區(qū)域產(chǎn)量相加得到各處理總產(chǎn)量。

2 結(jié)果分析

2.1 灌水量與土壤含水率分析

實(shí)際灌水量如表2所示。與常規(guī)充分灌溉相比，T1與T2處理比常規(guī)充分灌溉分別減少用水26.03%、33.71%，T2處理的灌溉量最少。在1 m水頭條件下的灌水量小于1.5 m水頭的原因在于壓力水頭是微潤(rùn)管向土壤供水的主要驅(qū)動(dòng)因素，壓力水頭的變化會(huì)改變土壤入滲系數(shù)、土壤表層孔隙度和表層土壤容積密度的變化，進(jìn)而使微潤(rùn)帶流量隨壓力水頭的增大而線性增大[9]。

表2 不同試驗(yàn)處理實(shí)際灌溉量 L

為了直觀形象的表示不同試驗(yàn)處理下土壤含水率隨時(shí)間的變化，將土壤含水率變化繪于圖2。試驗(yàn)初期(6月7-15日)，試驗(yàn)處理對(duì)土壤含水率影響不顯著(p>0.05)，隨著交替灌溉進(jìn)行，試驗(yàn)處理對(duì)土壤含水率產(chǎn)生顯著影響(p<0.05)。從整個(gè)作物生育期來(lái)看，T1、T2處理灌溉用水少但土壤含水率高于常規(guī)灌溉。一方面，T1、T2運(yùn)用了半透膜灌溉技術(shù)，隨著水分向土壤內(nèi)入滲，土壤含水率不斷增大，土壤水吸力不斷減小，而半透膜入滲界面處的壓力勢(shì)不會(huì)產(chǎn)生變化，膜內(nèi)外水勢(shì)梯度隨著灌溉時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷減小[10]，使得微潤(rùn)管向土壤中的入滲水量不斷減少。除此之外，T1、T2的灌水管道埋在土層下，減少了葉面截留和土壤表層水分蒸發(fā)，減少了水分損失。

圖2 不同試驗(yàn)處理土壤含水率變化圖Fig.2 The change of soil moisture content in different treatments

由圖2可以看出：常規(guī)灌溉下不同區(qū)域土壤含水率變動(dòng)較大且不同區(qū)域有一定差值；T1和T2處理下的土壤含水率的變動(dòng)不大，且不同區(qū)域的差值很小。在6月2日到6月7日①管與②管同時(shí)進(jìn)行供水的時(shí)間內(nèi)，T1，T2處理土壤含水率急劇增加，整個(gè)土箱的土壤含水率比初始時(shí)增加了12.08%和11.59%，T1處理下的3個(gè)區(qū)域內(nèi)土壤含水率差距較大，處于兩管中間位置的③區(qū)含水率最大，高出①區(qū)3.18%、②區(qū)5.88%。隨著交替灌溉的進(jìn)行，T1、T2處理土壤含水率的變動(dòng)范圍開(kāi)始減小，T1區(qū)域間的差異也開(kāi)始縮小，說(shuō)明與普通微潤(rùn)灌溉相比，交替微潤(rùn)灌溉能更好地平衡距微潤(rùn)管不同距離處的土壤水含量，其中1 m水頭比1.5 m水頭更有利于減少區(qū)域土壤含水率的差距。

從灌水總量和土壤含水率來(lái)看，交替微潤(rùn)灌溉優(yōu)于常規(guī)充分灌溉。在交替控水狀態(tài)下，土壤含水率的變動(dòng)強(qiáng)度要低于普通微潤(rùn)灌溉。在埋深15 cm，管間距30 cm的情況下，1 m水頭最有利于在保持較高的土壤水含量的同時(shí)減少灌溉用水，即T2處理的節(jié)水性能最佳。

2.2 單葉葉面積

不同實(shí)驗(yàn)處理下植株單葉葉面積如表3所示。不同處理對(duì)植株葉片生長(zhǎng)影響顯著(p<0.05)，7月10日收獲時(shí)，T1、T2單葉葉面積是常規(guī)處理的4.41、6.02倍。T1、T2在植物生長(zhǎng)初期葉面積差值很小，隨著植株生育期的進(jìn)行，T2處理植株葉片生長(zhǎng)情況優(yōu)于T1，隨植株的生長(zhǎng)其差距不斷擴(kuò)大。

T1處理不同區(qū)域葉片生長(zhǎng)情況差距較大，②區(qū)葉片生長(zhǎng)狀況良好，高于①區(qū)、③區(qū)22.42、12.39 cm2。T2處理在植株生長(zhǎng)前期不同區(qū)域單葉葉片葉面積差值較大，隨著生育期進(jìn)行其差值逐漸減小，收獲時(shí)，②區(qū)葉片生長(zhǎng)狀況良好，高于①區(qū)、③區(qū)0.58、0.93 cm2。

植物葉片生長(zhǎng)與土壤水分含量息息相關(guān)，水分是植株進(jìn)行光合作用的原料之一，在水分適宜的情況下植株具有較強(qiáng)的光合作用，從而加快葉片生長(zhǎng)。常規(guī)灌溉土壤含水率較低，植株生長(zhǎng)受到抑制，葉片面積小。T1、T2土壤含水率較高，促進(jìn)植株的光合作用及物質(zhì)積累，植株葉片長(zhǎng)勢(shì)良好。T1不同區(qū)域土壤含水率差值較大，因此不同區(qū)域葉片生長(zhǎng)情況有所不同；T2不同區(qū)域土壤含水量差值較小，因此葉片生長(zhǎng)均衡。

表3 單葉葉面積 cm2

注:表中同日數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示顯著性差異(p<0.05)。

2.3 植株鮮重、干重及植株含水率

為直觀表示植株鮮重、干重及含水率的變化規(guī)律，將其繪于圖3。不同實(shí)驗(yàn)處理對(duì)植株鮮重具有顯著影響(p<0.05)。在植株生育期前期，即6月20日到6月28日期間，植株鮮重從大到小為T(mén)2>T1>常規(guī)，隨著植株的生長(zhǎng)，在6月28日到7月6日期間，植株鮮重從大到小排列為T(mén)1>T2>常規(guī)，到7月10日收獲時(shí)，植株鮮重從大到小為T(mén)2>T1>常規(guī)，收獲時(shí)T1、T2平均鮮重是常規(guī)灌水處理的1.65、2.03倍。

圖3 不同試驗(yàn)處理下植株鮮重、干重及植株含水率變化圖Fig.3 The change of fresh weight, dry weight and water content of plants under different treatments

試驗(yàn)處理對(duì)植株干重沒(méi)有顯著影響(p>0.05)。在7月6日前，植株干重變化規(guī)律與植株鮮重變化規(guī)律相似，試驗(yàn)后期，T2鮮重干重持續(xù)增加，T1處理下植株鮮重沒(méi)有繼續(xù)增長(zhǎng)，其干重繼續(xù)增加。在收獲時(shí)，植株干重從大到小排序?yàn)門(mén)2>T1>常規(guī)。土壤中水分的分布情況對(duì)植物干物質(zhì)的積累量及積累速度有著顯著影響。研究表明：灌水量的增大有助于植株干物質(zhì)的積累，在植株含水量適宜的情況下，提高灌溉量有利于增強(qiáng)光合作用和蒸騰作用，從而加快干物質(zhì)的積累，且其影響隨著植株的生長(zhǎng)而日益明顯[11]。交替微潤(rùn)灌溉下其灌水量雖然小于常規(guī)灌溉，但土壤含水率較高，有利于促使植株干物質(zhì)積累。

試驗(yàn)初期(6月10-28日)，試驗(yàn)處理對(duì)植株含水率沒(méi)有顯著影響(p>0.05)；試驗(yàn)?zāi)┢?7月6-10日)，不同處理對(duì)植株含水率有顯著影響(p<0.05)。試驗(yàn)?zāi)┢诔Ｒ?guī)灌溉組其植株含水率增值最大，達(dá)到4.12%，T1處理下的植株含水率降低了0.97%，T2植株含水率依舊不斷升高，增加了1.24%。T1、T2植株含水率的變化是試驗(yàn)?zāi)┢谥率筎1、T2干重與鮮重變化規(guī)律不一致的原因之一。植株含水率受植株生長(zhǎng)階段的影響，T1處理植株生長(zhǎng)迅速，隨著植株進(jìn)入成熟期，植株含水率逐步降低；常規(guī)灌溉由于土壤含水量較低，植株生長(zhǎng)緩慢，因此在試驗(yàn)?zāi)┢谥仓旰书_(kāi)始增加。

2.4 產(chǎn) 量

為直觀形象的表示各處理中不同區(qū)域產(chǎn)量，將不同實(shí)驗(yàn)處理下不同區(qū)域產(chǎn)量繪于圖4，常規(guī)灌溉處理及T1、T2處理的總產(chǎn)量為：169.85、583.60、660.80 g，T1、T2處理是常規(guī)灌溉的3.43、3.89倍。土壤含水率是影響作物產(chǎn)量的重要因素，T1、T2處理能保持高土壤含水率，促使植株較快的積累干物質(zhì)，從而得到更高的產(chǎn)量。結(jié)合植株葉片生長(zhǎng)情況及其干重、鮮重情況可以看出，交替微潤(rùn)灌溉能夠促進(jìn)植株的快速生長(zhǎng)，減少植株生長(zhǎng)冗余，提高作物質(zhì)量。

圖4 不同試驗(yàn)處理不同區(qū)域產(chǎn)量Fig.4 The different regional yield in different treatment

在不同的壓力水頭下，交替灌溉下不同區(qū)域的產(chǎn)量有所不同。T1條件下區(qū)域產(chǎn)量差別大于T2，和葉片生長(zhǎng)情況相似，土壤含水率區(qū)域間較為平均的T2處理不同區(qū)域產(chǎn)量相近且總產(chǎn)量較高。T1處理中，在植株干重、濕重增加較快的6月28日到7月10日期間內(nèi)，②管進(jìn)行灌溉時(shí)間較長(zhǎng)，②區(qū)土壤水含量略高，根區(qū)供水充裕的②區(qū)植株在此期間快速增長(zhǎng)，同時(shí)相對(duì)缺水的①區(qū)生長(zhǎng)受到抑制，造成區(qū)域間產(chǎn)量的不均。T2處理下的土壤含水率區(qū)域間較為平衡，因此產(chǎn)量并沒(méi)有太大差距，且每個(gè)區(qū)域的土壤含水量充沛，使3個(gè)區(qū)域都得到較高產(chǎn)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)將微潤(rùn)灌溉技術(shù)與交替灌溉技術(shù)相結(jié)合，設(shè)置不同壓力水頭在日光大棚內(nèi)對(duì)空心菜進(jìn)行種植，對(duì)比常規(guī)充分灌溉下所種植作物可以得到以下結(jié)論。

(1)與常規(guī)灌溉方式相比，交替微潤(rùn)灌溉可以在節(jié)約灌溉用水的情況下保持較高土壤含水率，T2節(jié)水能力最高且能夠更好地平均土箱內(nèi)不同區(qū)域的土壤水含量。

(2)與常規(guī)灌溉方式相比，交替微潤(rùn)灌溉可以促進(jìn)植株葉片的生長(zhǎng)，加速植株干物質(zhì)的積累。T2能夠有效地促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育，有較高的葉片面積、植株鮮重。T1植株最快成熟，收獲時(shí)干物質(zhì)積累量最多。

(3)與常規(guī)灌溉方式相比，交替灌溉有較高產(chǎn)量，3種處理方式產(chǎn)量從小到大排列為：常規(guī)灌溉

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