交替微潤灌溉對大棚空心菜生長的影響

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，微潤灌溉與交替灌溉技術(shù)都是我國發(fā)展節(jié)水灌溉的重要發(fā)展方向。微潤灌溉(Moistube Irrigation,MI),即半透膜節(jié)水灌溉是基于土壤水勢和半透膜的選擇性透過功能,以膜內(nèi)外的水勢差作驅(qū)動向土壤中緩慢、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),是通過不同時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]。

國內(nèi)外有眾多學(xué)者對溫室中灌水方式對作物生長的影響進(jìn)行研究[4,5]，在溫室種植蔬菜的試驗表明：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)化水分利用的同時提高了果實的商品性和營養(yǎng)品質(zhì)[6]；微潤灌溉能夠根據(jù)作物不同生育期自動調(diào)節(jié)灌水量,在滿足植株生長需要的同時提高水分利用效率[7]。兩者作為我國節(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中取得良好的成果，但目前國內(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。本試驗針對不同壓力水頭下交替微潤灌溉對土壤含水率及大棚空心菜生長的影響進(jìn)行研究，以期為微潤灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況與處理

該試驗于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)。交替灌溉組每個土箱各設(shè)置兩條微潤管進(jìn)行交替灌水(兩管分別記為①管與②管)，兩條微潤管平行，每次交替時間間隔內(nèi)只有一條微潤管負(fù)責(zé)供水，每8天交替一次供水用管道，交替周期為16 d。微潤灌溉埋深為15 cm，壓力水頭設(shè)計為1 m與1.5 m，試驗共重復(fù)2次(見表1，其中總灌溉量為實際灌溉量)。

表1 試驗處理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)的兩條微潤管道一同進(jìn)行供水，6月7日關(guān)閉②管由①管單獨提供供水，開始進(jìn)行交替灌溉。

1.2 觀測項目與方法

為方便對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狀況，將土箱分為3個區(qū)域，分別為①區(qū)、②區(qū)、③區(qū)，如圖1所示。

圖1 微潤管布置及區(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

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

1.2.2 植株單葉葉面積

在各處理內(nèi)選取展開葉片數(shù)相同植株，每個區(qū)域選擇3株測量最長葉片的葉長、葉寬，每8 d測定一次，收獲時加測，葉長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葉形，采用玉米葉面積計算修正系數(shù)0.75[8]計算單葉葉面積，取其平均值。

單葉葉面積=葉長×葉寬×0.75

(1)

1.2.3 植株鮮重、干重及其含水率測定

在不同處理下的3個區(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，用電子秤測量后取其平均。植株含水率計算公式為：

(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管向土壤供水的主要驅(qū)動因素，壓力水頭的變化會改變土壤入滲系數(shù)、土壤表層孔隙度和表層土壤容積密度的變化，進(jìn)而使微潤帶流量隨壓力水頭的增大而線性增大[9]。

表2 不同試驗處理實際灌溉量 L

為了直觀形象的表示不同試驗處理下土壤含水率隨時間的變化，將土壤含水率變化繪于圖2。試驗初期(6月7-15日)，試驗處理對土壤含水率影響不顯著(p>0.05)，隨著交替灌溉進(jìn)行，試驗處理對土壤含水率產(chǎn)生顯著影響(p<0.05)。從整個作物生育期來看，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不會產(chǎn)生變化，膜內(nèi)外水勢梯度隨著灌溉時間的延長而不斷減小[10]，使得微潤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管同時進(jìn)行供水的時間內(nèi)，T1，T2處理土壤含水率急劇增加，整個土箱的土壤含水率比初始時增加了12.08%和11.59%，T1處理下的3個區(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范圍開始減小，T1區(qū)域間的差異也開始縮小，說明與普通微潤灌溉相比，交替微潤灌溉能更好地平衡距微潤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看，交替微潤灌溉優(yōu)于常規(guī)充分灌溉。在交替控水狀態(tài)下，土壤含水率的變動強(qiáng)度要低于普通微潤灌溉。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

不同實驗處理下植株單葉葉面積如表3所示。不同處理對植株葉片生長影響顯著(p<0.05)，7月10日收獲時，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處理植株葉片生長情況優(yōu)于T1，隨植株的生長其差距不斷擴(kuò)大。

T1處理不同區(qū)域葉片生長情況差距較大，②區(qū)葉片生長狀況良好，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，②區(qū)葉片生長狀況良好，高于①區(qū)、③區(qū)0.58、0.93 cm2。

植物葉片生長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。常規(guī)灌溉土壤含水率較低，植株生長受到抑制，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，植株葉片長勢良好。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，因此葉片生長均衡。

表3 單葉葉面積 cm2

注:表中同日數(shù)據(jù)后不同小寫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。不同實驗處理對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T2>T1>常規(guī)，隨著植株的生長，在6月28日到7月6日期間，植株鮮重從大到小排列為T1>T2>常規(guī)，到7月10日收獲時，植株鮮重從大到小為T2>T1>常規(guī)，收獲時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

試驗處理對植株干重沒有顯著影響(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，試驗后期，T2鮮重干重持續(xù)增加，T1處理下植株鮮重沒有繼續(xù)增長，其干重繼續(xù)增加。在收獲時，植株干重從大到小排序為T2>T1>常規(guī)。土壤中水分的分布情況對植物干物質(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而日益明顯[11]。交替微潤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。

試驗初期(6月10-28日)，試驗處理對植株含水率沒有顯著影響(p>0.05)；試驗?zāi)┢?7月6-10日)，不同處理對植株含水率有顯著影響(p<0.05)。試驗?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?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階段的影響，T1處理植株生長迅速，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，植株生長緩慢，因此在試驗?zāi)┢谥仓旰书_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，將不同實驗處理下不同區(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)合植株葉片生長情況及其干重、鮮重情況可以看出，交替微潤灌溉能夠促進(jìn)植株的快速生長，減少植株生長冗余，提高作物質(zhì)量。

圖4 不同試驗處理不同區(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)行灌溉時間較長，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，同時相對缺水的①區(qū)生長受到抑制，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)量并沒有太大差距，且每個區(qū)域的土壤含水量充沛，使3個區(qū)域都得到較高產(chǎn)量。

3 結(jié) 語

通過將微潤灌溉技術(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)對空心菜進(jìn)行種植，對比常規(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，交替微潤灌溉可以促進(jìn)植株葉片的生長，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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