扶埂開溝膜下灌對溫室番茄節(jié)水效應的研究

詹 漢，白清俊，張明智，袁寧寧，袁 瑩,2

(1.西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，西安 710048；2.華北水利水電大學，鄭州 450000)

我國是水資源極度緊缺的國家，而農(nóng)業(yè)用水占全社會用水需求的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，運行費低，操作管理方便[4]，節(jié)能省力、無需特定田間設施等優(yōu)點[5,6]。對于寬行距作物適于采用溝灌，該技術(shù)減少地面濕潤面積，增加土壤的通透性[7,8]，且溝灌能夠側(cè)向浸潤土壤，使表層疏松不板結(jié)，對土壤結(jié)構(gòu)破壞小[9]。

然傳統(tǒng)溝灌亦導致設施蔬菜生產(chǎn)上存在著許多問題，如溫度過低，濕度過大，病蟲害頻繁發(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上提出膜下溝灌這種具有節(jié)水、成本低、操作簡單、灌溉效率高、增產(chǎn)作用顯著等優(yōu)點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，改善設施內(nèi)環(huán)境，有效調(diào)節(jié)土壤鹽分運動，保障作物正常生長[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)于溝灌入滲很對學者對此進行了大量的研究。孫西歡等,在大量試驗的基礎上得出溝灌累計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，分析了溝中水深、溝底寬、溝底導水率及土壤初始含水率對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水率及增大土壤初始含水率都對濕潤體運移有較大影響；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)生交匯的時間愈短。這些研究雖然都揭示了溝灌入滲規(guī)律，然在對于實際灌溉的應用研究鮮有見到。

綜上所述，為了解決溫室內(nèi)溝灌的深層滲漏問題，本論文擬結(jié)合溝灌入滲特性，在膜下溝灌技術(shù)上進行改進，提高壟高，降低溝深，增加溝灌側(cè)向入滲，即扶埂開溝膜下灌。以溫室番茄為研究對象，通過扶埂開溝膜下灌與常規(guī)溝灌對比，分析該技術(shù)能否解決深層滲漏問題，并進一步提出該灌水方式的灌溉制度，為種植戶提供科學可靠經(jīng)濟適用的示范樣本。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于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)溫室中進行，該處屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13.3 ℃，無霜期224 d，最大凍土深度20 cm，年平均降雪日為12 d，全年日照時間2 230 h，年平均降雨量650 mm，風速2～3級[18]。

試驗溫室(長30×82)南北走向，內(nèi)設有自動氣象觀測站,供試土壤為沙壤土，采用馬爾文激光粒度儀進行粒徑級配測試(見表1)，經(jīng)測定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 試驗土壤顆粒級配組成表

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機區(qū)組方式布置。以番茄5102為試驗材料，試驗設溝灌方式和灌水量兩個因素，設計2種溝灌方式(常規(guī)溝灌和扶埂開溝膜下灌)，將番茄整個生育期分為3個階段(苗期、開花坐果期、結(jié)果期)， 對番茄3個生育期都進行適宜水分處理(水分控制下限80%FC)與水分虧缺處理(水分控制下限60%FC)。當計劃濕潤層土壤含水率低于水分控制下限時，進行40 mm灌水定額灌溉，見表2。共設8個處理，即FL1、FL2、FL3、FCK、CL1、CL2、CL3、CCK，前4個處理采用扶埂開溝膜下灌灌溉方式，后4個處理采用常規(guī)溝灌灌溉方式。FL1、CL1將在番茄苗期進行水分虧缺處理，F(xiàn)L2、CL2將在番茄開花坐果期進行水分虧缺處理，F(xiàn)L3、CL3將在番茄結(jié)果期進行水分虧缺處理，F(xiàn)CK、CCK作為對照試驗將在番茄整個生育期內(nèi)進行適宜水分處理。每個處理3次重復，共24個小區(qū)，小區(qū)面積3.4 m×1.2 m，隨機排列并設有保護行，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，每個處理灌以20 mm的定植水。番茄株高30 cm時使用細鋼絲纏棵吊在室內(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數(shù)計，上限均為田間持水率的100%。

扶埂開溝膜下灌起壟方式：在寬80 cm、高20 cm的壟上開溝，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，由軟水管在壟端進行供水。

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)

1.3 觀測項目與方法

(1)土壤水分。采用烘干法測定土壤含水率。播前、全生育期和收獲后進行測定，生育期內(nèi)7 d測定一次，在壟上和灌水溝各取一個測點，從地表開始向下，每10 cm深度分為一層，一直測到80 cm。每層重復測定3次，取平均值作為該測點該層次的土壤含水量，灌水前后各加測一次。

(2)氣象因子。利用溫室內(nèi)小型氣象儀，觀測溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強度等，在早、中、晚觀測壟上及壟溝不同處理的不同土層溫度。

(3)生長指標。①株高。各小區(qū)選取3株實行定株觀測，以減少誤差，用米尺從植株基部測量株高。②葉面積指數(shù)。番茄全部采摘完后進行破壞性取樣，葉面積采用打孔稱重法測定。

(4)產(chǎn)量及水分利用效率。每次采摘成熟果實后，均用精度為1 g電子秤測定果實產(chǎn)量。

作物水分利用效率WUE。指作物單位耗水量產(chǎn)量，用下式計算：

(1)

ETa=播前土壤儲水量+灌水量-收割后土壤儲水量

(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進行均值誤差分析，采用OriginPro9.0作圖，差異顯著分析采用F檢驗，顯著水平設置為P<0.05，圖表中數(shù)據(jù)除特殊標注外均為所有重復的平均值，為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溝灌方式對番茄生長的影響

2.1.1 株 高

由表3可知，在適宜水分處理下(FCK與CCK對比)，常規(guī)溝灌番茄最終株高較扶埂開溝膜下灌提高0.73%；在相同灌水定額400 mm處理下(FL1與CL3對比)，扶埂開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對比)，扶埂開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(扶埂開溝膜下灌、常規(guī)溝灌)對溫室番茄株高影響不大。

表3 不同處理對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。

在扶埂開溝膜下灌灌溉方式下，與適宜水分處理(FCK)對比，苗期虧水灌溉處理(FL1)溫室番茄株高在苗期、開花坐果期與結(jié)果期分別減少6.52%、0.42%與0.93%；開花坐果期虧水灌溉處理(FL2)溫室番茄株高在苗期、開花坐果期與結(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、開花坐果期與結(jié)果期分別減少0.82%、0.21%與0.56%。苗期與開花坐果期內(nèi)的虧水灌溉都對溫室番茄該生育期株高生長有影響，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)過后期復水株高能夠恢復，且與FCK最后的株高無顯著性差異。而開花坐果期內(nèi)的虧缺灌溉對溫室番茄后期植株的增長一直存在著影響，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溝膜下高1.79%；相同灌溉定額400 mm處理下，扶埂開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，扶埂開溝膜下灌葉面積指數(shù)較常規(guī)溝灌顯著性提高。與FCK對比，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%。苗期虧水處理對溫室番茄葉面積指數(shù)影響最小，而開花坐果期虧水處理與結(jié)果期虧水處理對葉面積指數(shù)影響較大，且達到顯著水平。

圖2 不同處理對番茄葉面積指數(shù)的影響

2.2 不同處理對產(chǎn)量以及灌溉水利用效率的影響

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。在所有處理中，F(xiàn)CK產(chǎn)量最高為14.154 673 萬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kg/hm2。適宜水分處理，扶埂開溝膜下灌產(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，扶埂開溝膜下灌產(chǎn)量顯著高于常規(guī)溝灌16.70%。在扶埂開溝膜下灌處理下，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

2.3 番茄扶埂開溝膜下灌與常規(guī)溝灌的節(jié)水效果對比

由表5可知，扶埂開溝膜下灌較常規(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

2.4 扶埂開溝膜下灌條件下灌溉制度的優(yōu)化

從2.3節(jié)可知，與常規(guī)溝灌相比扶埂開溝膜下灌節(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，可顯著提高了灌溉水利用效率。通過4種灌溉制度比較分析可得，扶埂開溝膜下灌最優(yōu)灌溉制度為，溫室番茄在結(jié)果期進行水分調(diào)虧，苗期灌水1次+開花坐果期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 扶埂開溝膜下灌條件下灌溉制度比較

3 討 論

研究表明扶埂開溝膜下灌較于常規(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，扶埂開溝膜下灌增加壟高、降低溝深，水分在壟上運移時間增多，入滲濕潤鋒成扁平化，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，同時可相應減小垂向入滲。由于灌水溝變淺，在溫室大棚里水分蒸發(fā)會加劇，這樣對室內(nèi)環(huán)境、水分利用率都不利。故而借鑒前人對膜下溝灌的研究[21-24]，將灌水溝進行地膜覆蓋，改明灌為暗灌。番茄定植后溝上鋪膜進行露秧壓膜。膜下溝灌因有地膜覆蓋，棵間蒸發(fā)量減小，可有效的減緩地熱擴散，保持地溫，降低了空氣濕度，能夠有效地減少了病蟲害的發(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。本試驗表明扶埂開溝膜下灌有不錯的節(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%。扶埂開溝膜下灌在實際推廣中，這種方法簡單易于操作且成本較低，容易被生產(chǎn)勞動者所接受。

扶埂開溝膜下灌對溫室番茄苗期進行虧水處理(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行移栽定植，受到較大的擾動，根系吸收水分、養(yǎng)分的能力還在慢慢恢復中，若在此時適當?shù)倪M行調(diào)虧處理，不但可以減少養(yǎng)分的淋失，還能促進根系深扎，抑制支稍徒長，使后期植株能夠吸收到深層土壤水分，提高水分利用率。本試驗研究還發(fā)現(xiàn)，在扶埂開溝膜下灌方式下，與充分灌溉相比，對溫室番茄苗期進行虧水處理，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，可顯著提高了灌溉水利用效率。由于在開花坐果期，番茄從營養(yǎng)生長為主過渡到生殖生長與營養(yǎng)生長同時進行的轉(zhuǎn)折期，若是在此時期對番茄進行調(diào)虧處理，會對番茄產(chǎn)量造成一定的影響。試驗表明，與充分灌溉相比，對溫室番茄開花坐果期進行虧水處理番茄產(chǎn)量會降低11.66%，但灌溉水利用效率能提高7.98%，由于番茄開花坐果期時間較長，可調(diào)控余地大，節(jié)水潛力較大。在番茄結(jié)果期，番茄主要進行生殖生長，大部分果實處于膨大期，生殖生產(chǎn)十分旺盛，加上此時期氣溫升高，植株需水量增大，若此時對番茄進行虧缺灌溉，番茄產(chǎn)量會顯著性降低，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%。所以此時期不易對溫室番茄進行調(diào)虧處理。在苗期對番茄進行調(diào)虧處理，其對番茄產(chǎn)量影響較小，灌溉水利用效率最大，植株對土壤水分脅迫反應不敏感，我們稱之為不敏感期?？梢哉f番茄節(jié)水灌溉的有效時期是苗期。而結(jié)果期是土壤水分的敏感期，這一時期番茄漸漸成熟需要的水分營養(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，這時要出現(xiàn)干旱，對產(chǎn)量的影響較大。對于開花坐果期，若出現(xiàn)土壤水分脅迫，對產(chǎn)量也有一定的影響，但影響不大。但也有研究認為在開花坐果期進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、種植時間不同和番茄品種不同所致。

扶埂開溝膜下灌在實際推廣中，這種方法簡單易于操作且成本較低，容易被生產(chǎn)勞動者所接受。部分生長、生理特性指標均優(yōu)于常規(guī)溝灌，但顯著性差異不大，可能是由于扶埂開溝膜下灌的灌水量偏小，還可能由于本試驗僅為一年數(shù)據(jù)，受氣候光照等因素影響較大，有待于進一步進行多年試驗論證。

4 結(jié) 語

(1)扶埂開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的適用性。

(2)在扶埂開溝膜下灌方式下，溫室番茄在苗期內(nèi)進行虧水灌溉的IWUE最大達到34.925 kg/m3；溫室番茄不易在結(jié)果期進行虧水灌溉，此期間植株對水分較為敏感，這時要出現(xiàn)干旱，對產(chǎn)量的影響較大，當水分下限控制為60%田間持水量時，番茄減產(chǎn)23.71%。番茄節(jié)水灌溉的有效時期是苗期。

(3)在試驗區(qū)域的設施、土壤及試驗條件下，番茄扶埂開溝膜下灌最佳溝灌灌溉制度為：苗期灌水1次+開花坐果期4次+結(jié)果后期5次，每次灌水定額為40 mm，總灌水量400 mm。試驗結(jié)果可為同類地區(qū)溫室番茄的扶埂開溝膜下灌實施提供技術(shù)借鑒。