微潤(rùn)灌壓力水頭對(duì)土壤水分及青椒生長(zhǎng)的影響研究

雷明杰，孫西歡,3，畢遠(yuǎn)杰，王 堅(jiān)，郭向紅，馬娟娟，孔曉燕

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2. 山西水利水電科學(xué)研究院，太原 030002；3.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

0 引 言

微潤(rùn)灌溉是一種新型地下灌溉方式，相對(duì)于普通地面灌溉，微潤(rùn)灌具有提高水分利用效率、節(jié)省動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)[1]。壓力水頭是決定微潤(rùn)灌流量的關(guān)鍵性控制因素，在0～2.4 m壓力水頭范圍內(nèi)，微潤(rùn)帶流量隨壓力水頭的增加呈線(xiàn)性增加[2]。管帶埋深是地下灌溉重要的因素，康銀紅認(rèn)為管帶埋深應(yīng)與土壤性質(zhì)、作物種類(lèi)、耕作狀況以及作物根系對(duì)土壤水分和土壤水分影響下的整個(gè)土壤生態(tài)環(huán)境的要求相適應(yīng)[3]，這與Camp等的觀(guān)點(diǎn)相同[4]。牛文全認(rèn)為黏壤土微潤(rùn)灌溉最適埋深為15～20 cm之間[2]。任杰認(rèn)為，對(duì)于不同作物，應(yīng)有相適應(yīng)的管帶埋深，并應(yīng)根據(jù)土壤導(dǎo)水率加以設(shè)定[5]。牛文全、張俊、薛萬(wàn)來(lái)等通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)在微潤(rùn)灌溉土壤水分分布方面做了相應(yīng)研究[2,6-9]，李朝陽(yáng)通過(guò)田間試驗(yàn)研究得出微潤(rùn)灌土壤水分在垂直方向上微潤(rùn)帶下層土壤含水率大于上層土壤含水率[10]。在微潤(rùn)灌溉對(duì)作物生長(zhǎng)影響方面，張群、陳天博、張子卓等分別對(duì)馬鈴薯、番茄等作物進(jìn)行了研究，對(duì)微潤(rùn)灌溉條件下青椒生長(zhǎng)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道[11-13]。綜上所述，當(dāng)前針對(duì)微潤(rùn)灌溉的研究主要集中于微潤(rùn)灌水頭與埋深的適宜范圍研究，但研究成果多數(shù)受環(huán)境影響和制約的程度較大。本文即通過(guò)溫室種植方式，研究了不同壓力水頭條件下青椒的根區(qū)水分變化規(guī)律及其生長(zhǎng)情況，探討了青椒微潤(rùn)灌條件下適宜的壓力水頭，以期為微潤(rùn)灌溉在溫室種植中運(yùn)行效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于2016年4-9月在山西水利水電科學(xué)研究院節(jié)水高效示范基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行。該試驗(yàn)基地位置為東經(jīng)112°36′，北緯37°42′。試驗(yàn)地年平均氣溫9.6 ℃，無(wú)霜期170 d，年平均日照時(shí)數(shù)2 675.8 h，年降水量495 mm左右。試驗(yàn)土壤為黏壤土，0～60 cm土層內(nèi)土壤平均容重為1.39 g/cm3，田間持水率為35%(體積含水率，下文所用含水率均為體積含水率)。試驗(yàn)地各層土壤基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤基本物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical properties

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)置壓力水頭和管帶埋深兩種變量因素，壓力水頭設(shè)3個(gè)水平，分別為100、150、200 cm(下文分別以H100、H150、H200表示)，管帶埋深設(shè)置2個(gè)水平，分別為10、15 cm(下文分別以D10、D15)。共6個(gè)處理，具體處理方案詳見(jiàn)表2。其中每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為2.64 m2，各小區(qū)間距1 m。供試青椒品種為高思頓凱璐，定植時(shí)間為2016年4月12日，結(jié)束時(shí)間為2016年9月22日，株距60 cm，行距60 cm，每行種植青椒10株，青椒種植于微潤(rùn)帶正上方。在青椒整個(gè)生育期內(nèi)連續(xù)供水。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test plan

1.3 數(shù)據(jù)測(cè)試方法

(1)土壤含水率的測(cè)定：采用烘干法測(cè)量土壤含水率，分別沿管帶水平距離0、 5、10、15 cm用1 cm 土鉆進(jìn)行取樣，取樣深度為40 cm，間距5 cm。

(2)株高的測(cè)定：青椒株高在定植后每10 d測(cè)定一次，每處理任意取3株，取平均值。株高采用鋼卷尺從青椒基部量起。

(3)青椒產(chǎn)量的測(cè)定：定植83 d后，定期從各處理小區(qū)采收青椒，采用電子秤測(cè)取各小區(qū)的總產(chǎn)量。

(4)數(shù)據(jù)處理：采用Sufer12、Origin 8作圖，Excel 2007做方差分析和公式擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力水頭對(duì)土壤水分分布的影響

水分是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要條件，探究微潤(rùn)灌溉條件土壤水分的分布情況，對(duì)研究微潤(rùn)灌溉的運(yùn)行機(jī)理和實(shí)際應(yīng)用都有著重要的意義。

圖1為固定管帶埋深15 cm條件下不同壓力水頭處理的土壤水分二維分布圖。從圖中可以看出，微潤(rùn)灌溉土壤在微潤(rùn)管周?chē)首罡撸辔?rùn)管越遠(yuǎn)土壤含水率越低，這個(gè)結(jié)果與薛萬(wàn)來(lái)[14]的研究相同。H100、H150、H200處理在微潤(rùn)管處含水量分別為34%、37%、38%；在水平方向80%田間持水率分別出現(xiàn)在距管6、7.5、9 cm處；在管帶上方80%田間持水率分別出現(xiàn)在距管11、12、12.5 cm處；在管帶下方80%田間持水率分別出現(xiàn)在距地面23、24、24.5 cm處；3個(gè)處理在距地表0～5 cm范圍內(nèi)的平均含水率分別為16.5%、16.8%、17%；10～20 cm范圍內(nèi)平均含水率分別為24.3%、26.3%、27.1%；25～40 cm范圍內(nèi)平均含水率分別為這是因?yàn)?8.9%、21.1%、21.3%。隨著壓力水頭的增加，微潤(rùn)管濕潤(rùn)的范圍越大，平均含水率越高，這是因?yàn)椋瑝毫λ^越大，微潤(rùn)管內(nèi)外的勢(shì)差越大，引起入滲界面勢(shì)梯度增大，有增大入滲系數(shù)的作用[15,16]。入滲系數(shù)增大，則入滲流量增加，所以壓力水頭的增加，等濕潤(rùn)范圍內(nèi)的平均含水率隨之增加。由于受到重力影響，所以在濕潤(rùn)范圍內(nèi)，距管等距離處下方土壤含水率大于微潤(rùn)管上方，這與牛文全的研究結(jié)果相同[2]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓力水頭控制濕潤(rùn)范圍，以適應(yīng)作物不同生育期的根系分布，保證作物根系在濕潤(rùn)范圍內(nèi)，達(dá)到節(jié)水、高效的目的。

2.2 壓力水頭對(duì)青椒株高的影響

管帶埋深分別為10、15 cm時(shí)，不同壓力水頭下青椒的株高變化圖，如圖2所示。方差分析顯示不同壓力水頭對(duì)青椒株高增長(zhǎng)有顯著影響(P<0.05)。由圖可知，壓力水頭為150 cm時(shí)青椒株高增長(zhǎng)最大。管帶埋深為15 cm時(shí)，H150處理的青椒株高增長(zhǎng)到107.6 cm，H200處理的株高與之相近，比H150處理低0.3 cm。H100處理青椒株高最小，與H150處理相差5.9 cm。在整個(gè)生育期，H150、H200處理青椒株高呈現(xiàn)交替變化，但始終高于H100處理。從以上現(xiàn)象可以得出，埋深一定時(shí)，壓力水頭150 cm青椒株高增長(zhǎng)最大，壓力水頭為 100 cm青椒株高增長(zhǎng)最小。

圖1 埋深15 cm不同壓力水頭下土壤水分二維分布圖Fig.1 Depth at 15 cm soil moisture under different pressure head two-dimensional histogram

圖2 不同壓力水頭下青椒株高變化Fig.2 Green pepper plant height under the different pressure head

在D15處理下，不同壓力條件下的青椒株高動(dòng)態(tài)變化過(guò)程均符合Logistic模型，擬合方程為：

(1)

式中：x為定植天數(shù)，d；y為在時(shí)間x的青椒株高，cm；A為擬合參數(shù)；B為青椒最大株高，cm；K為相對(duì)生長(zhǎng)速率參數(shù)。各參數(shù)詳見(jiàn)表3。

由表3可以看出，3種壓力水頭下，R2均大于0.98,說(shuō)明Logistic模型能很好地?cái)M合不同壓力水頭下青椒株高與定植時(shí)間的關(guān)系。

表3 D15不同壓力水頭青椒株高與定植時(shí)間關(guān)系的擬合參數(shù)表Tab.3 Different pressure head under D15 green pepper plantheight and engraftment time relations of fitting coefficient

通過(guò)對(duì)Logistic模型求一階導(dǎo)數(shù)，得出株高增長(zhǎng)速率隨定植天數(shù)變化的方程：

(2)

由青椒株高生長(zhǎng)速率隨時(shí)間變化圖(圖3)可以看出，在生育前期，不同壓力水頭下青椒株高生長(zhǎng)速率隨壓力水頭的增加而增大。這是因?yàn)?，生育前期青椒根系不發(fā)達(dá)，H200處理的濕潤(rùn)范圍大且平均土壤水分含量較高，更容易讓作物吸收，促進(jìn)青椒生長(zhǎng)。隨著青椒的生長(zhǎng)，不同處理間的差異逐漸縮小。這是因?yàn)?，生育后期青椒根系生長(zhǎng)成熟，分布范圍增大，可以主動(dòng)從微潤(rùn)管濕潤(rùn)范圍內(nèi)適時(shí)適量的吸收青椒生長(zhǎng)所需土壤水分。

圖3 不同壓力水頭下青椒株高生長(zhǎng)速率隨時(shí)間變化圖Fig.3 Green pepper plant height growth rate under different pressure head variation over time

2.3 對(duì)青椒產(chǎn)量的影響

不同壓力水頭處理對(duì)青椒產(chǎn)量的影響，如圖4所示。方差分析顯示，壓力水頭對(duì)青椒產(chǎn)量增長(zhǎng)具有顯著影響(P<0.05)。由圖可以看出，各處理產(chǎn)量差異均表現(xiàn)為H150>H200>H100。管帶埋深為15 cm時(shí)，H150處理青椒產(chǎn)量為18 811.89 kg/hm2，高出H100處理20.9%；管帶埋深為10 cm時(shí)，H150處理青椒產(chǎn)量為16 818.88 kg/hm2，高出H100處理16.5%。H150和H100處理間差異都達(dá)到顯著水平。兩組埋深設(shè)置下，壓力水頭為200 cm處理的青椒產(chǎn)量與H150處理差異不顯著。本試驗(yàn)中，青椒生育期前期根系主要分布在地表5 cm附近，在此時(shí)H100處理0～5 cm平均含水率較小，對(duì)青椒產(chǎn)生了水分脅迫，隨著青椒的生長(zhǎng)，根系不斷地延伸， H100處理雖能滿(mǎn)足青椒生長(zhǎng)的正常用水，但因?yàn)榍捌谒置{迫導(dǎo)致青椒產(chǎn)量下降； H150處理的濕潤(rùn)范圍為半徑15 cm的球體，與青椒根系分布范圍相吻合，促進(jìn)了青椒增產(chǎn)。除此之外，H150處理微潤(rùn)管濕潤(rùn)范圍內(nèi)平均土壤水分含水率達(dá)到田間持水率的72%，相關(guān)研究表明[17]，土壤含水量為田間最大持水量的70%～80% 時(shí)對(duì)青椒生長(zhǎng)最為適宜。H200處理的濕潤(rùn)范圍雖比H150處理的濕潤(rùn)范圍大，但其微潤(rùn)管濕潤(rùn)范圍內(nèi)平均土壤水分含水率為74%，相較H150處理差異不顯著，對(duì)產(chǎn)量的影響較小。

圖4 不同壓力水頭下青椒產(chǎn)量Fig.4 Green pepper production under different pressure head

2.4 對(duì)青椒灌溉水利用率的影響

不同壓力水頭對(duì)青椒灌溉水利用率的影響，如圖5所示。方差分析顯示，壓力水頭對(duì)青椒產(chǎn)量增長(zhǎng)具有極顯著影響(P<0.01)。由圖5可以看出，3個(gè)處理灌溉水利用率差異均表現(xiàn)為H100>H150>H200。管帶埋深為15cm時(shí)，H100處理青椒灌溉水利用率為15.99 kg/m3，分別高出H200、H150處理33.2%和28.1%；管帶埋深為10 cm時(shí)，H100處理青椒灌溉水利用率為14.07 kg/m3，分別高出H200、H150處理37.3%和28.8%，3組處理間差異都達(dá)到顯著水平。管帶埋深一定時(shí)，H100處理灌溉水利用率最高；壓力水頭越大灌溉水利用率越低。這是因?yàn)?，壓力水頭越大，微潤(rùn)管出流量就越大，濕潤(rùn)體平均含水率越高，當(dāng)作物生長(zhǎng)需水量小于供水量時(shí)，土壤水分就會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)、滲漏等，減低了灌溉水利用率；當(dāng)壓力水頭較小時(shí)，土壤平均含水率相對(duì)較低，土壤水分多數(shù)由作物吸收，避免了不必要的水分損失，提高了灌溉水利用率。

圖5 不同壓力水頭下青椒灌溉水利用率圖Fig.5 Green pepper irrigation water utilization rate under different pressure head

3 結(jié) 論

(1)壓力水頭是影響微潤(rùn)灌溉土壤濕潤(rùn)范圍和流量的重要因素。H200處理微潤(rùn)灌灌溉水量大于H150處理，灌水量的增加沒(méi)有使青椒產(chǎn)量和株高有顯著增加，因此，青椒的生長(zhǎng)發(fā)育適宜工作壓力水頭為150 cm。

(2)壓力水頭對(duì)青椒株高增長(zhǎng)的影響曲線(xiàn)符合Logistic模型，且擬合效果良好。微潤(rùn)灌壓力水頭對(duì)青椒生育前期作物株高生長(zhǎng)速率影響更為顯著。

(3)微潤(rùn)灌溉條件下，壓力水頭為100 cm時(shí)，青椒的灌溉水利用率最高。

生產(chǎn)實(shí)踐中，適宜作物生長(zhǎng)的微潤(rùn)灌壓力水頭，可根據(jù)作物不同生育期根系生長(zhǎng)范圍和需水量來(lái)確定。適時(shí)適量的調(diào)節(jié)壓力水頭，以變水頭微潤(rùn)灌溉形式為作物供水，在今后的研究中值得探討。

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