微潤灌壓力水頭對土壤水分及青椒生長的影響研究

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

微潤灌溉是一種新型地下灌溉方式，相對于普通地面灌溉，微潤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)，微潤帶流量隨壓力水頭的增加呈線性增加[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、耕作狀況以及作物根系對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等的觀點(diǎn)相同[4]。牛文全認(rèn)為黏壤土微潤灌溉最適埋深為15～20 cm之間[2]。任杰認(rèn)為，對于不同作物，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、薛萬來等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)在微潤灌溉土壤水分分布方面做了相應(yīng)研究[2,6-9]，李朝陽通過田間試驗(yàn)研究得出微潤灌土壤水分在垂直方向上微潤帶下層土壤含水率大于上層土壤含水率[10]。在微潤灌溉對作物生長影響方面，張群、陳天博、張子卓等分別對馬鈴薯、番茄等作物進(jìn)行了研究，對微潤灌溉條件下青椒生長的研究尚未見報(bào)道[11-13]。綜上所述，當(dāng)前針對微潤灌溉的研究主要集中于微潤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)律及其生長情況，探討了青椒微潤灌條件下適宜的壓力水頭，以期為微潤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)測試方法

(1)土壤含水率的測定：采用烘干法測量土壤含水率，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)株高的測定：青椒株高在定植后每10 d測定一次，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 壓力水頭對土壤水分分布的影響

水分是作物生長發(fā)育的重要條件，探究微潤灌溉條件土壤水分的分布情況，對研究微潤灌溉的運(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，微潤灌溉土壤在微潤管周圍含水率最高，距微潤管越遠(yuǎn)土壤含水率越低，這個(gè)結(jié)果與薛萬來[14]的研究相同。H100、H150、H200處理在微潤管處含水量分別為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，微潤管濕潤的范圍越大，平均含水率越高，這是因?yàn)椋瑝毫λ^越大，微潤管內(nèi)外的勢差越大，引起入滲界面勢梯度增大，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，所以在濕潤范圍內(nèi)，距管等距離處下方土壤含水率大于微潤管上方，這與牛文全的研究結(jié)果相同[2]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過調(diào)節(jié)壓力水頭控制濕潤范圍，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范圍內(nèi)，達(dá)到節(jié)水、高效的目的。

2.2 壓力水頭對青椒株高的影響

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青椒株高增長有顯著影響(P<0.05)。由圖可知，壓力水頭為150 cm時(shí)青椒株高增長最大。管帶埋深為15 cm時(shí)，H150處理的青椒株高增長到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青椒株高增長最大，壓力水頭為 100 cm青椒株高增長最小。

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為相對生長速率參數(shù)。各參數(shù)詳見表3。

由表3可以看出，3種壓力水頭下，R2均大于0.98,說明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

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

(2)

由青椒株高生長速率隨時(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速率隨壓力水頭的增加而增大。這是因?yàn)椋捌谇嘟犯挡话l(fā)達(dá)，H200處理的濕潤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。隨著青椒的生長，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成熟，分布范圍增大，可以主動(dòng)從微潤管濕潤范圍內(nèi)適時(shí)適量的吸收青椒生長所需土壤水分。

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

2.3 對青椒產(chǎn)量的影響

不同壓力水頭處理對青椒產(chǎn)量的影響，如圖4所示。方差分析顯示，壓力水頭對青椒產(chǎn)量增長具有顯著影響(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，對青椒產(chǎn)生了水分脅迫，隨著青椒的生長，根系不斷地延伸， H100處理雖能滿足青椒生長的正常用水，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處理微潤管濕潤范圍內(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)對青椒生長最為適宜。H200處理的濕潤范圍雖比H150處理的濕潤范圍大，但其微潤管濕潤范圍內(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 對青椒灌溉水利用率的影響

不同壓力水頭對青椒灌溉水利用率的影響，如圖5所示。方差分析顯示，壓力水頭對青椒產(chǎn)量增長具有極顯著影響(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)椋瑝毫λ^越大，微潤管出流量就越大，濕潤體平均含水率越高，當(dāng)作物生長需水量小于供水量時(shí)，土壤水分就會產(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灌溉土壤濕潤范圍和流量的重要因素。H200處理微潤灌灌溉水量大于H150處理，灌水量的增加沒有使青椒產(chǎn)量和株高有顯著增加，因此，青椒的生長發(fā)育適宜工作壓力水頭為150 cm。

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

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

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