詹 漢,白清俊,張明智,袁寧寧,袁 瑩,2
(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048;2.華北水利水電大學(xué),鄭州 450000)
我國(guó)是水資源極度緊缺的國(guó)家,而農(nóng)業(yè)用水占全社會(huì)用水需求的64.10%[1],其中灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水量90%以上[2],農(nóng)業(yè)節(jié)水迫在眉睫。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)畦灌和膜下溝灌為主要灌溉方式[3],與微噴灌相比,地面灌具投資少,運(yùn)行費(fèi)低,操作管理方便[4],節(jié)能省力、無(wú)需特定田間設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)[5,6]。對(duì)于寬行距作物適于采用溝灌,該技術(shù)減少地面濕潤(rùn)面積,增加土壤的通透性[7,8],且溝灌能夠側(cè)向浸潤(rùn)土壤,使表層疏松不板結(jié),對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞小[9]。
然傳統(tǒng)溝灌亦導(dǎo)致設(shè)施蔬菜生產(chǎn)上存在著許多問(wèn)題,如溫度過(guò)低,濕度過(guò)大,病蟲(chóng)害頻繁發(fā)生,產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)下降等[10],此外,溝畦灌溉垂向滲漏大,灌水均勻度差,灌溉效率低下[11]。研究者又在溝灌基礎(chǔ)上提出膜下溝灌這種具有節(jié)水、成本低、操作簡(jiǎn)單、灌溉效率高、增產(chǎn)作用顯著等優(yōu)點(diǎn)的新型地面灌溉技術(shù)[12]。地膜覆蓋灌溉技術(shù)可以減少土壤水分蒸發(fā),增加土壤溫度,改善設(shè)施內(nèi)環(huán)境,有效調(diào)節(jié)土壤鹽分運(yùn)動(dòng),保障作物正常生長(zhǎng)[13-15]。但膜下溝灌這種方式未能改善傳統(tǒng)溝灌深層滲漏這種缺陷。關(guān)于溝灌入滲很對(duì)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。孫西歡等,在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出溝灌累計(jì)入滲量隨著溝距和濕周的增大而增大,但隨著側(cè)向影響數(shù)的增大而減少[16];張新燕[11]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn),分析了溝中水深、溝底寬、溝底導(dǎo)水率及土壤初始含水率對(duì)溝灌二維入滲特性的影響,結(jié)果表明:減小溝中水深和溝底導(dǎo)水率及增大土壤初始含水率都對(duì)濕潤(rùn)體運(yùn)移有較大影響;聶衛(wèi)波[17]等,發(fā)現(xiàn)溝中水深增大,側(cè)向入滲面積大,有利于側(cè)向入滲,其發(fā)生交匯的時(shí)間愈短。這些研究雖然都揭示了溝灌入滲規(guī)律,然在對(duì)于實(shí)際灌溉的應(yīng)用研究鮮有見(jiàn)到。
綜上所述,為了解決溫室內(nèi)溝灌的深層滲漏問(wèn)題,本論文擬結(jié)合溝灌入滲特性,在膜下溝灌技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn),提高壟高,降低溝深,增加溝灌側(cè)向入滲,即扶埂開(kāi)溝膜下灌。以溫室番茄為研究對(duì)象,通過(guò)扶埂開(kāi)溝膜下灌與常規(guī)溝灌對(duì)比,分析該技術(shù)能否解決深層滲漏問(wèn)題,并進(jìn)一步提出該灌水方式的灌溉制度,為種植戶提供科學(xué)可靠經(jīng)濟(jì)適用的示范樣本。
試驗(yàn)于2017年3-8月在西安市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技展示中心(108°88′E,34°07′N)溫室中進(jìn)行,該處屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫13.3 ℃,無(wú)霜期224 d,最大凍土深度20 cm,年平均降雪日為12 d,全年日照時(shí)間2 230 h,年平均降雨量650 mm,風(fēng)速2~3級(jí)[18]。
試驗(yàn)溫室(長(zhǎng)30×82)南北走向,內(nèi)設(shè)有自動(dòng)氣象觀測(cè)站,供試土壤為沙壤土,采用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行粒徑級(jí)配測(cè)試(見(jiàn)表1),經(jīng)測(cè)定100 cm土層內(nèi)平均田間土壤容重為1.45 g/cm3,田間持水量為19.8%(重量含水率)。
表1 試驗(yàn)土壤顆粒級(jí)配組成表
試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組方式布置。以番茄5102為試驗(yàn)材料,試驗(yàn)設(shè)溝灌方式和灌水量?jī)蓚€(gè)因素,設(shè)計(jì)2種溝灌方式(常規(guī)溝灌和扶埂開(kāi)溝膜下灌),將番茄整個(gè)生育期分為3個(gè)階段(苗期、開(kāi)花坐果期、結(jié)果期), 對(duì)番茄3個(gè)生育期都進(jìn)行適宜水分處理(水分控制下限80%FC)與水分虧缺處理(水分控制下限60%FC)。當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水率低于水分控制下限時(shí),進(jìn)行40 mm灌水定額灌溉,見(jiàn)表2。共設(shè)8個(gè)處理,即FL1、FL2、FL3、FCK、CL1、CL2、CL3、CCK,前4個(gè)處理采用扶埂開(kāi)溝膜下灌灌溉方式,后4個(gè)處理采用常規(guī)溝灌灌溉方式。FL1、CL1將在番茄苗期進(jìn)行水分虧缺處理,F(xiàn)L2、CL2將在番茄開(kāi)花坐果期進(jìn)行水分虧缺處理,F(xiàn)L3、CL3將在番茄結(jié)果期進(jìn)行水分虧缺處理,F(xiàn)CK、CCK作為對(duì)照試驗(yàn)將在番茄整個(gè)生育期內(nèi)進(jìn)行適宜水分處理。每個(gè)處理3次重復(fù),共24個(gè)小區(qū),小區(qū)面積3.4 m×1.2 m,隨機(jī)排列并設(shè)有保護(hù)行,小區(qū)埋深0.6 m的塑料薄膜以防水分互滲,每小區(qū)定植20株番茄苗,株距38 cm,各處理采取的田間措施相同。2017年3月24日移栽,緩苗后全部蹲苗,每個(gè)處理灌以20 mm的定植水。番茄株高30 cm時(shí)使用細(xì)鋼絲纏棵吊在室內(nèi)鋼絲架上。
表2 各處理灌水方案
注:土壤含水率下限以田間持水率的百分?jǐn)?shù)計(jì),上限均為田間持水率的100%。
扶埂開(kāi)溝膜下灌起壟方式:在寬80 cm、高20 cm的壟上開(kāi)溝,溝寬20 cm、高12 cm。兩邊壟肩寬度15 cm,地膜覆蓋壟肩及灌水溝上側(cè)平行于壟肩,作物在壟肩中心位置定植,一壟雙行作物。壟溝內(nèi)接受水肥供應(yīng),由軟水管在壟端進(jìn)行供水。
常規(guī)溝灌起壟方式:壟高10 cm,壟肩15 cm,灌水溝寬20 cm、高15 cm。2種起壟方式如圖1所示。
圖1 不同溝灌方式的起壟方式(單位:cm)
(1)土壤水分。采用烘干法測(cè)定土壤含水率。播前、全生育期和收獲后進(jìn)行測(cè)定,生育期內(nèi)7 d測(cè)定一次,在壟上和灌水溝各取一個(gè)測(cè)點(diǎn),從地表開(kāi)始向下,每10 cm深度分為一層,一直測(cè)到80 cm。每層重復(fù)測(cè)定3次,取平均值作為該測(cè)點(diǎn)該層次的土壤含水量,灌水前后各加測(cè)一次。
(2)氣象因子。利用溫室內(nèi)小型氣象儀,觀測(cè)溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度等,在早、中、晚觀測(cè)壟上及壟溝不同處理的不同土層溫度。
(3)生長(zhǎng)指標(biāo)。①株高。各小區(qū)選取3株實(shí)行定株觀測(cè),以減少誤差,用米尺從植株基部測(cè)量株高。②葉面積指數(shù)。番茄全部采摘完后進(jìn)行破壞性取樣,葉面積采用打孔稱重法測(cè)定。
(4)產(chǎn)量及水分利用效率。每次采摘成熟果實(shí)后,均用精度為1 g電子秤測(cè)定果實(shí)產(chǎn)量。
作物水分利用效率WUE。指作物單位耗水量產(chǎn)量,用下式計(jì)算:
(1)
ETa=播前土壤儲(chǔ)水量+灌水量-收割后土壤儲(chǔ)水量
(2)
式中:WUE為作物水分利用效率,kg/m3;Y為作物產(chǎn)量,kg/hm2;ETa為作物生育期耗水量,mm。
灌溉水利用效率IWUE。
(3)
式中:Y為各處理番茄的總產(chǎn)量,kg;I為生育期內(nèi)灌水量,m3。
(5)數(shù)據(jù)處理。利用SPSS22.0進(jìn)行均值誤差分析,采用OriginPro9.0作圖,差異顯著分析采用F檢驗(yàn),顯著水平設(shè)置為P<0.05,圖表中數(shù)據(jù)除特殊標(biāo)注外均為所有重復(fù)的平均值,為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
2.1.1 株 高
由表3可知,在適宜水分處理下(FCK與CCK對(duì)比),常規(guī)溝灌番茄最終株高較扶埂開(kāi)溝膜下灌提高0.73%;在相同灌水定額400 mm處理下(FL1與CL3對(duì)比),扶埂開(kāi)溝膜下灌株高高于常規(guī)溝灌1.30%;在相同灌水定額440 mm處理下(FCK與CL2對(duì)比),扶埂開(kāi)溝膜下灌株高高于常規(guī)溝灌1.88%。在相同灌水定額下,不同灌溉方式(扶埂開(kāi)溝膜下灌、常規(guī)溝灌)對(duì)溫室番茄株高影響不大。
表3 不同處理對(duì)溫室番茄株高的影響 cm
注:同列數(shù)據(jù)后字母表示差異顯著性水平,P<0.05;下同。
在扶埂開(kāi)溝膜下灌灌溉方式下,與適宜水分處理(FCK)對(duì)比,苗期虧水灌溉處理(FL1)溫室番茄株高在苗期、開(kāi)花坐果期與結(jié)果期分別減少6.52%、0.42%與0.93%;開(kāi)花坐果期虧水灌溉處理(FL2)溫室番茄株高在苗期、開(kāi)花坐果期與結(jié)果期分別減少0.82%、6.21%與2.4%;結(jié)果期虧水灌溉處理(FL3)溫室番茄株高在苗期、開(kāi)花坐果期與結(jié)果期分別減少0.82%、0.21%與0.56%。苗期與開(kāi)花坐果期內(nèi)的虧水灌溉都對(duì)溫室番茄該生育期株高生長(zhǎng)有影響,與FCK相比,分別顯著性降低6.52%、6.21%。但是苗期內(nèi)的缺水灌溉,經(jīng)過(guò)后期復(fù)水株高能夠恢復(fù),且與FCK最后的株高無(wú)顯著性差異。而開(kāi)花坐果期內(nèi)的虧缺灌溉對(duì)溫室番茄后期植株的增長(zhǎng)一直存在著影響,即使后期水分處理為正常水平,但與FCK相比,后期株高顯著性降低6.21%。結(jié)果期內(nèi)的虧水灌溉對(duì)溫室番茄株高影響不大。
2.1.2 葉面積指數(shù)
葉面積指數(shù)LAI是作物群體結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一。由圖2可知,適宜水分處理,常規(guī)溝灌葉面積較扶埂開(kāi)溝膜下高1.79%;相同灌溉定額400 mm處理下,扶埂開(kāi)溝膜下灌葉面積指數(shù)顯著提高于常規(guī)溝灌38.82%;相同灌溉定額440 mm處理下,扶埂開(kāi)溝膜下灌顯著提高于常規(guī)溝灌23.1%。故相同的灌溉定額下,扶埂開(kāi)溝膜下灌葉面積指數(shù)較常規(guī)溝灌顯著性提高。與FCK對(duì)比,F(xiàn)L1、FL2、FL3的番茄葉面積指數(shù)分別減少了5.28%、17.01%、30.79%。苗期虧水處理對(duì)溫室番茄葉面積指數(shù)影響最小,而開(kāi)花坐果期虧水處理與結(jié)果期虧水處理對(duì)葉面積指數(shù)影響較大,且達(dá)到顯著水平。
圖2 不同處理對(duì)番茄葉面積指數(shù)的影響
由表4可以看出,隨灌水量增加,產(chǎn)量基本呈增加的變化趨勢(shì)。在所有處理中,F(xiàn)CK產(chǎn)量最高為14.154 673 萬(wàn)kg/hm2,CL3(常規(guī)灌溉+結(jié)果期調(diào)虧處理)產(chǎn)量最低為9.878 056 萬(wàn)kg/hm2。適宜水分處理,扶埂開(kāi)溝膜下灌產(chǎn)量較常規(guī)溝灌提高0.63%;相同灌水定額400 mm處理下,扶埂開(kāi)溝膜下灌產(chǎn)量顯著高于常規(guī)溝灌41.31%;相同灌水定額440 mm處理下,扶埂開(kāi)溝膜下灌產(chǎn)量顯著高于常規(guī)溝灌16.70%。在扶埂開(kāi)溝膜下灌處理下,F(xiàn)L1的產(chǎn)量與FL2、FL3相比,分別提高了11.72%、29.38%,與FCK相比降低了1.30%。
由表4可以看出,灌溉水利用效率并不隨著灌溉水的增加而提高。在所有處理中FL1灌溉水利用效率最高,CL3次之。適宜水分處理下,扶埂開(kāi)溝膜下灌灌溉水利用效率顯著高于常規(guī)溝灌18.93%;相同灌水定額400 mm處理下,扶埂開(kāi)溝膜下灌灌溉水利用效率顯著高于常規(guī)溝灌41.42%;相同灌水定額440 mm處理下,扶埂開(kāi)溝膜下灌灌溉水利用效率顯著提高于常規(guī)溝灌5.43%。在扶埂開(kāi)溝膜下灌處理下,F(xiàn)L1的灌溉水利用效率與FL2、FL3、FCK相比,分別提高了0.54%、3.51%、8.56%。
表4 不同處理番茄產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響
由表5可知,扶埂開(kāi)溝膜下灌較常規(guī)溝灌每1 m3水多生產(chǎn)番茄5.12 kg,生產(chǎn)1 kg番茄節(jié)水15.90%,扶埂開(kāi)溝膜下灌的水分利用效率為31.679 kg/m3,常規(guī)溝灌的水分利用效率為26.477 kg/m3,與常規(guī)溝灌相比,扶埂開(kāi)溝膜下灌水分利用效率提高了19.64%,耗水量減少了84.45 mm。扶埂開(kāi)溝膜下灌方式的灌水溝橫截面小且較淺,水分利于從兩邊坡面下滲,從而減少無(wú)效的深層滲漏量。灌水溝上面敷有地膜,可很有效地減少了植株的株間蒸發(fā)。
表5 不同溝灌方式的節(jié)水效果的比較
從2.3節(jié)可知,與常規(guī)溝灌相比扶埂開(kāi)溝膜下灌節(jié)水效果顯著。由表6可知,F(xiàn)CK的產(chǎn)量最大,F(xiàn)L3的產(chǎn)量最低,而FL1的灌溉水利效率最高。FL1較FCK產(chǎn)量只減少了1.30%,然灌溉水利用效率提高8.56%,在不顯著性降低了產(chǎn)量的同時(shí),可顯著提高了灌溉水利用效率。通過(guò)4種灌溉制度比較分析可得,扶埂開(kāi)溝膜下灌最優(yōu)灌溉制度為,溫室番茄在結(jié)果期進(jìn)行水分調(diào)虧,苗期灌水1次+開(kāi)花坐果期4次+結(jié)果后期5次,灌水定額為40 mm,灌溉定額為400 mm。
表6 扶埂開(kāi)溝膜下灌條件下灌溉制度比較
研究表明扶埂開(kāi)溝膜下灌較于常規(guī)溝灌顯著提高溫室番茄的產(chǎn)量及灌溉水利用效率。與傳統(tǒng)溝灌相比,扶埂開(kāi)溝膜下灌增加壟高、降低溝深,水分在壟上運(yùn)移時(shí)間增多,入滲濕潤(rùn)鋒成扁平化,從而使水分利于從兩邊坡面下滲,與張新燕、聶衛(wèi)波等[19,20]做出的研究結(jié)果基本一致,由此說(shuō)明,減小灌水溝中水深有利于灌水溝的水平側(cè)向入滲,同時(shí)可相應(yīng)減小垂向入滲。由于灌水溝變淺,在溫室大棚里水分蒸發(fā)會(huì)加劇,這樣對(duì)室內(nèi)環(huán)境、水分利用率都不利。故而借鑒前人對(duì)膜下溝灌的研究[21-24],將灌水溝進(jìn)行地膜覆蓋,改明灌為暗灌。番茄定植后溝上鋪膜進(jìn)行露秧壓膜。膜下溝灌因有地膜覆蓋,棵間蒸發(fā)量減小,可有效的減緩地?zé)釘U(kuò)散,保持地溫,降低了空氣濕度,能夠有效地減少了病蟲(chóng)害的發(fā)生,與傳統(tǒng)地面灌溉相比,節(jié)水增產(chǎn)效果將更加顯著。本試驗(yàn)表明扶埂開(kāi)溝膜下灌有不錯(cuò)的節(jié)水效果,在溫室大棚內(nèi)與傳統(tǒng)溝灌相比較,每生產(chǎn)1 kg番茄省水15.9%,水分利用效率提高了19.64%。扶埂開(kāi)溝膜下灌在實(shí)際推廣中,這種方法簡(jiǎn)單易于操作且成本較低,容易被生產(chǎn)勞動(dòng)者所接受。
扶埂開(kāi)溝膜下灌對(duì)溫室番茄苗期進(jìn)行虧水處理(灌溉下限為田持的60%),是比較適宜的節(jié)水灌溉方式。溫室番茄苗期植株由于剛進(jìn)行移栽定植,受到較大的擾動(dòng),根系吸收水分、養(yǎng)分的能力還在慢慢恢復(fù)中,若在此時(shí)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行調(diào)虧處理,不但可以減少養(yǎng)分的淋失,還能促進(jìn)根系深扎,抑制支稍徒長(zhǎng),使后期植株能夠吸收到深層土壤水分,提高水分利用率。本試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn),在扶埂開(kāi)溝膜下灌方式下,與充分灌溉相比,對(duì)溫室番茄苗期進(jìn)行虧水處理,番茄產(chǎn)量只減少了1.30%,而灌溉水利用效率卻提高了8.56%,在不顯著性降低產(chǎn)量的同時(shí),可顯著提高了灌溉水利用效率。由于在開(kāi)花坐果期,番茄從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主過(guò)渡到生殖生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行的轉(zhuǎn)折期,若是在此時(shí)期對(duì)番茄進(jìn)行調(diào)虧處理,會(huì)對(duì)番茄產(chǎn)量造成一定的影響。試驗(yàn)表明,與充分灌溉相比,對(duì)溫室番茄開(kāi)花坐果期進(jìn)行虧水處理番茄產(chǎn)量會(huì)降低11.66%,但灌溉水利用效率能提高7.98%,由于番茄開(kāi)花坐果期時(shí)間較長(zhǎng),可調(diào)控余地大,節(jié)水潛力較大。在番茄結(jié)果期,番茄主要進(jìn)行生殖生長(zhǎng),大部分果實(shí)處于膨大期,生殖生產(chǎn)十分旺盛,加上此時(shí)期氣溫升高,植株需水量增大,若此時(shí)對(duì)番茄進(jìn)行虧缺灌溉,番茄產(chǎn)量會(huì)顯著性降低,與充分灌溉相比,產(chǎn)量減少23.71%,而灌溉水利用效率也僅僅提高了4.89%。所以此時(shí)期不易對(duì)溫室番茄進(jìn)行調(diào)虧處理。在苗期對(duì)番茄進(jìn)行調(diào)虧處理,其對(duì)番茄產(chǎn)量影響較小,灌溉水利用效率最大,植株對(duì)土壤水分脅迫反應(yīng)不敏感,我們稱之為不敏感期。可以說(shuō)番茄節(jié)水灌溉的有效時(shí)期是苗期。而結(jié)果期是土壤水分的敏感期,這一時(shí)期番茄漸漸成熟需要的水分營(yíng)養(yǎng)也逐漸增多,且6月之后氣溫升高,植株的蒸騰蒸發(fā)量也將增多,這時(shí)要出現(xiàn)干旱,對(duì)產(chǎn)量的影響較大。對(duì)于開(kāi)花坐果期,若出現(xiàn)土壤水分脅迫,對(duì)產(chǎn)量也有一定的影響,但影響不大。但也有研究認(rèn)為在開(kāi)花坐果期進(jìn)行適度的虧水處理是溫室番茄最適宜的灌溉方案[25],這可能由于虧水程度不同、種植時(shí)間不同和番茄品種不同所致。
扶埂開(kāi)溝膜下灌在實(shí)際推廣中,這種方法簡(jiǎn)單易于操作且成本較低,容易被生產(chǎn)勞動(dòng)者所接受。部分生長(zhǎng)、生理特性指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)溝灌,但顯著性差異不大,可能是由于扶埂開(kāi)溝膜下灌的灌水量偏小,還可能由于本試驗(yàn)僅為一年數(shù)據(jù),受氣候光照等因素影響較大,有待于進(jìn)一步進(jìn)行多年試驗(yàn)論證。
(1)扶埂開(kāi)溝膜下灌溫室番茄株高、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率均高于常規(guī)溝灌,其中葉面積指數(shù)與常規(guī)溝灌相比顯著性提高38.82%,扶埂開(kāi)溝膜下灌的水分利用效率與常規(guī)溝灌相比顯著性提高19.64%,在灌溉溫室大棚蔬菜方面具有較強(qiáng)的適用性。
(2)在扶埂開(kāi)溝膜下灌方式下,溫室番茄在苗期內(nèi)進(jìn)行虧水灌溉的IWUE最大達(dá)到34.925 kg/m3;溫室番茄不易在結(jié)果期進(jìn)行虧水灌溉,此期間植株對(duì)水分較為敏感,這時(shí)要出現(xiàn)干旱,對(duì)產(chǎn)量的影響較大,當(dāng)水分下限控制為60%田間持水量時(shí),番茄減產(chǎn)23.71%。番茄節(jié)水灌溉的有效時(shí)期是苗期。
(3)在試驗(yàn)區(qū)域的設(shè)施、土壤及試驗(yàn)條件下,番茄扶埂開(kāi)溝膜下灌最佳溝灌灌溉制度為:苗期灌水1次+開(kāi)花坐果期4次+結(jié)果后期5次,每次灌水定額為40 mm,總灌水量400 mm。試驗(yàn)結(jié)果可為同類地區(qū)溫室番茄的扶埂開(kāi)溝膜下灌實(shí)施提供技術(shù)借鑒。