微潤(rùn)灌管帶埋深對(duì)土壤水分及青椒生長(zhǎng)的影響

王 堅(jiān)，雷明杰，畢遠(yuǎn)杰

(1.山西水利水電科學(xué)研究院，太原 0300022；2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

微潤(rùn)灌溉是一種將半透膜材料運(yùn)用于灌溉領(lǐng)域的新型地下灌溉。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(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)[1]。謝海霞對(duì)地下滴灌的研究認(rèn)為，當(dāng)灌溉量較高時(shí)，滴灌管要深埋，反之，則要淺埋[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[3]。在對(duì)微潤(rùn)灌溉的試驗(yàn)研究中，牛文全認(rèn)為黏壤土微潤(rùn)灌溉最適宜埋深為15～20 cm[4]。牛文全、張俊、薛萬(wàn)來(lái)等通過室內(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[4-7]。這些基于室內(nèi)模擬的試驗(yàn)為微潤(rùn)灌的研究提供了相應(yīng)參考。張子卓通過溫室試驗(yàn)研究了管帶埋深和壓力水頭對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)證明，微潤(rùn)灌溉條件下，管帶埋深為15cm時(shí)最適宜番茄生長(zhǎng)發(fā)育[8]。張群、陳天博等分別對(duì)馬鈴薯、番茄等作物在微潤(rùn)灌溉下生長(zhǎng)的影響進(jìn)行了研究[9-10]，于秀琴等對(duì)溫室黃瓜生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為微潤(rùn)灌水器在大棚蔬菜灌溉應(yīng)用中具有節(jié)水增產(chǎn)的效果[11]，張立坤對(duì)微潤(rùn)灌條件下大棚娃娃菜試驗(yàn)研究得出類似結(jié)論[12]。魏鎮(zhèn)華等在交替控水條件下微潤(rùn)灌溉對(duì)番茄耗水和產(chǎn)量進(jìn)行了研究[13]，對(duì)微潤(rùn)灌溉條件下青椒生長(zhǎng)的研究尚未見報(bào)道。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，因此有必要繼續(xù)開展對(duì)微潤(rùn)灌條件下，管帶埋深對(duì)作物根區(qū)土壤水分與作物生長(zhǎng)情況的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究；本文即通過溫室種植試驗(yàn)，研究了不同管帶埋深條件下青椒根區(qū)水分變化特性及其生長(zhǎng)情況，探討了微潤(rùn)灌條件下適宜青椒生長(zhǎng)的管帶埋深，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。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。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0.35 cm3/cm3。試驗(yàn)地各層土壤基本參數(shù)見表1。

表1 土壤基本參數(shù)Tab.1 Soil physical properties

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)置管帶埋深為變量因素，管帶埋深設(shè)置3個(gè)水平，分別為10、15、20 cm(下文分別以D10、D15、D20表示)，為了進(jìn)一步體現(xiàn)不同壓力水頭條件下埋深對(duì)土壤水分及作物生長(zhǎng)的影響，設(shè)置100、150 cm 2種壓力水頭，交叉組成6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，具體試驗(yàn)方案如表2所示。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，每10 d采樣一次。

(2)株高的測(cè)定。青椒株高在定植后每10 d測(cè)定1次，每小區(qū)任意取3株，取平均值。株高采用鋼卷尺從青椒基部量起。

(3)根系分布檢測(cè)。選取代表性植株，平行于微潤(rùn)管取剖面，測(cè)量青椒根系分布，每10 d測(cè)樣1次。

(4)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。

(5)數(shù)據(jù)處理。采用Sufer12、Origin8作圖，Excel2007做方差分析和公式擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 管帶埋深對(duì)土壤水分分布的影響

圖1為定植30 d時(shí)測(cè)得H150條件下不同管帶埋深土壤水分二維分布圖。由圖可以看出，微潤(rùn)灌溉土壤在微潤(rùn)管周圍含水率最高，距微潤(rùn)管越遠(yuǎn)土壤含水率越低。D10、D15、D20處理最高土壤含水率分別出現(xiàn)在8～15、 13～18、18～24 cm范圍內(nèi)。D10處理在地表處的土壤水分含量最高，容易產(chǎn)生水分蒸發(fā)，造成水分損失，而D15、D20處理對(duì)地表處土壤含水率影響不大。3個(gè)處理在微潤(rùn)管處含水量分別為39%、37%、36%，D10、D15、D20處理水平方向80%田間持水率分別出現(xiàn)在距管8、6.5、6 cm處；管帶上方80%田間持水率分別出現(xiàn)在距地面2、7、12.5 cm處；管帶下方80%田間持水率分別出現(xiàn)在距地面20、24、29 cm處。在固定壓力水頭下，管帶埋深越深，土壤的平均含水率越低，濕潤(rùn)范圍相應(yīng)減小。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23.1%、16.8%、13%；10～20 cm范圍內(nèi)平均含水率分別為23.3%、26.3%、24.5%；25～40 cm范圍內(nèi)平均含水率分別為18.9%、21.1%、22.4%。這是因?yàn)?，隨著管帶埋深加深，土壤壓力勢(shì)不會(huì)發(fā)生顯著變化，而土壤壓力對(duì)微潤(rùn)管的固持力增加[4]，導(dǎo)致水流在土壤中流動(dòng)所受的阻力增加，累計(jì)入滲量減小。所以表現(xiàn)為，隨著管帶埋深的增加，濕潤(rùn)范圍內(nèi)的土壤平均含水率越低，微潤(rùn)管濕潤(rùn)范圍越小。

試驗(yàn)在日光溫室內(nèi)進(jìn)行，青椒根系水分不受降雨影響，生育期內(nèi)不同深度土壤水分動(dòng)態(tài)變化圖如圖2所示。由圖可以看出，在生育期內(nèi)不同土層平均含水率變化幅度不大。0～10 cm內(nèi)D10處理平均含水率最高，土壤含水率主要分布在23%左右，三組處理間差異較大；10～20 cm內(nèi)D15處理平均含水率最高，土壤含水率主要分布在26%左右，且各處理間差距減?。?0～40 cm內(nèi)D20處理平均土壤含水率最高，含水率主要分在22%左右，D15處理與D20處理間差異較小。

2.2 管帶埋深對(duì)青椒株高的影響

方差分析顯示，管帶埋深對(duì)青椒株高增長(zhǎng)影響不顯著(P>0.05)。H150時(shí)，D20處理株高增長(zhǎng)到119.8 cm，分別高出D15處理10%、10.3%，差異達(dá)顯著水平。這是因?yàn)?，在生育期前期，青椒根系不發(fā)達(dá)，且主要分布在地表5 cm以內(nèi)，而D10時(shí)微潤(rùn)管的濕潤(rùn)體分布在地表附近，能有效地為青椒供水。試驗(yàn)測(cè)得，在生育期中期，D10處理青椒根系主要分布于4～16 cm，D15處理青椒根系主要分布于6～17 cm，D20處理青椒根系主要分布于7～21 cm。可見，隨著青椒的生長(zhǎng)，青椒根系不斷向下延伸，D15、D20 cm的處理的土壤水分得以充分利用。三組處理中，D20處理更有利于青椒根系的深扎，使得青椒根系分布的范圍增大，充分利用周邊土壤中的水分和養(yǎng)分，青椒生長(zhǎng)更快。

圖1 H150不同管帶埋深下土壤水分二維分布圖Fig.1 H150 soil moisture under different embedded depth of duct tape two-dimensional

圖2 不同處理各土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Different processing each soil layer soil moisture dynamic change

對(duì)H150處理不同管帶埋深條件下青椒株高隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線進(jìn)行擬合可以發(fā)現(xiàn)，青椒株高增長(zhǎng)隨時(shí)間的變化符合Logistic模型，擬合方程為：

式中：y為青椒株高，cm；x為定植天數(shù)，d；a，b，k為擬合參數(shù)。

通過對(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：

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，不同管帶埋深下青椒株高生長(zhǎng)速率變化表現(xiàn)為：生育前期D20處理青椒株高生長(zhǎng)率最大，隨著青椒的生長(zhǎng)，不同處理間的差異逐漸縮小，直至接近于零。

圖3 不同管帶埋深下青椒株高生長(zhǎng)速率隨時(shí)間變化圖Fig.3 Green pepper plant height growth rate under different buried depth variation over time

2.3 管帶埋深對(duì)青椒產(chǎn)量的影響

圖4為管帶埋深對(duì)青椒產(chǎn)量的影響柱形圖。方差分析顯示，管帶埋深對(duì)青椒產(chǎn)量增長(zhǎng)具有顯著影響(0.05>P)。由圖可以看出，3組試驗(yàn)中，壓力水頭一定的情況下，D20處理青椒產(chǎn)量最高，D10處理產(chǎn)量最低，壓力水頭為100 cm時(shí)，D20處理青椒產(chǎn)量增長(zhǎng)為15 676.92 kg/hm2，分別高出D15、 D10處理5.1%、10.4%；壓力水頭為150 cm時(shí)，D20處理產(chǎn)量為20 020.98 kg/hm2，分別高出D15、 D10處理6%、15.9%.這是因?yàn)椋嘟犯抵饕植荚诘乇硪韵?0～20 cm，管帶埋深10 cm時(shí)，微潤(rùn)灌濕潤(rùn)體分布在地表附近，不利于作物根系向下生長(zhǎng)，導(dǎo)致青椒營(yíng)養(yǎng)不足；而管帶埋深20 cm能保持青椒根系在微潤(rùn)管濕潤(rùn)范圍內(nèi)，并誘導(dǎo)青椒根系深扎，為青椒的正常發(fā)育提供良好的水分條件，利于青椒水肥的吸收，達(dá)到增產(chǎn)效果。

圖4 管帶埋深對(duì)青椒產(chǎn)量的影響Fig.4 Green pepper production under different pressure head

2.4 對(duì)青椒灌溉水生產(chǎn)率的影響

圖5為管帶埋深對(duì)灌溉水生產(chǎn)率的影響柱形圖。方差分析顯示，管帶埋深對(duì)青椒灌溉水生產(chǎn)率變化具有極顯著影響(P<0.01)。由圖可知，壓力水頭一定時(shí)D20處理灌溉水生產(chǎn)率最高，D10處理灌溉水生產(chǎn)率最低。壓力水頭為100 cm時(shí)，D20處理青椒灌溉水生產(chǎn)率為20.1 kg/m3，分別高出D15、 D10處理20.4%、30%；壓力水頭為150 cm時(shí)，D20處理灌溉水生產(chǎn)率為13.76 kg/m3，分別高出D15、 D10處理16.4%、27.3%。這是因?yàn)?，管帶埋深?0 cm時(shí)，土壤水分直接供給青椒根系，沒有產(chǎn)生深層滲漏和地表蒸發(fā)，而管帶埋深為10 cm時(shí)，濕潤(rùn)體分布在地表附近，產(chǎn)生了無(wú)用的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致灌溉水生產(chǎn)率降低。

圖5 管帶埋深對(duì)灌溉水生產(chǎn)率的影響Fig.5 Green pepper irrigation water utilization rate under different pressure head

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)管帶埋深是影響微潤(rùn)灌溉土壤濕潤(rùn)范圍和流量的重要因素。管帶埋深越深，濕潤(rùn)范圍內(nèi)的土壤平均含水率越低，微潤(rùn)管濕潤(rùn)范圍越小。

(2)管帶埋深對(duì)青椒株高增長(zhǎng)隨時(shí)間變化符合Logistic模型，擬合效果良好。

(3)微潤(rùn)灌溉條件下，青椒生長(zhǎng)發(fā)育適宜的管帶埋深為20 cm，在此埋深處理下，青椒株高、產(chǎn)量均為最大。管帶埋深為20 cm處理時(shí)，青椒灌溉水生產(chǎn)率最高。

本文僅探討了微潤(rùn)灌溉條件下不同管帶埋深對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，而生產(chǎn)實(shí)踐中，適宜作物生長(zhǎng)的微潤(rùn)灌溉制度還應(yīng)對(duì)工作壓力進(jìn)行研究。

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