鹽堿地大棚番茄膜下滴灌節(jié)水試驗研究

武曉菲，李記明，宋文浚

(山西省水利水電科學研究院，太原 030002)

山西地處干旱半干旱地區(qū)，農業(yè)灌溉用水占用水總量的61.8%，水資源短缺已經成為我省農業(yè)生產的嚴重阻礙，如何在農業(yè)生產中科學用水，提高水分利用效率，使有限的水資源發(fā)揮更大的經濟效益是農業(yè)發(fā)展的必然趨勢。蔬菜生產是農業(yè)生產的重要組成部分，作為一種高效經濟作物，其耗水量大，對水分極為敏感，因此研究蔬菜節(jié)水技術對于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。番茄是山西種植范圍最廣、最受歡迎的設施蔬菜之一，番茄生長、產量、品質及灌水利用效率等受土壤水分影響較大[1-4]，對鹽分較為敏感[5]。膜下滴灌是一種高效節(jié)水灌溉技術，它是將滴灌與覆膜種植相結合，其中滴灌通過管道系統(tǒng)供水，使灌溉水成滴狀、緩慢、均勻、定時、定量地浸潤作物根系發(fā)育區(qū)域，使作物主要根系區(qū)的土壤始終保持在最優(yōu)含水狀態(tài)，地膜覆蓋則進一步減少了作物棵間水分的蒸發(fā)，達到保水保墑的目的。已有研究表明，在干旱區(qū)番茄的種植中進行膜下滴灌可以提高其水分利用效率、產量和經濟效益[6]?？梢姡は碌喂嗫梢宰鳛橐豁椆?jié)水技術在番茄的種植中推廣應用。但是以往研究多集中于灌溉水量、灌溉水源、灌水方式等對番茄生長、產量和灌水利用效率的影響[5,7,8]，對于鹽堿地大棚條件下番茄膜下滴灌節(jié)水技術的研究較少，本文對膜下滴灌和溝灌兩種灌水方式下鹽堿地大棚番茄的生長狀況、耗水量及耗水規(guī)律、產量、灌水利用效率和土壤水鹽狀況進行了研究，旨在為山西鹽堿地大棚番茄膜下滴灌節(jié)水技術的推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年在山西省水利水電科學研究院高效節(jié)水示范基地進行。山西省水利水電科學研究院高效節(jié)水示范基地位于太原市小店區(qū)西溫莊鄉(xiāng)，占地面積8 hm2，屬暖溫帶大陸性氣候，多年平均降雨量為430 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 812.7 mm，年平均氣溫9.5 ℃，無霜期170 d，年平均日照時數(shù)2 676 h。試驗地土壤為黏壤土，偏鹽堿，地下水位偏高。供試土壤的理化性質為：土壤容重1.39 g/cm3，有機質33.22 g/kg，速效氮89.93 mg/kg，有效磷160.2 mg/kg，速效鉀318.3 mg/kg，pH值8.37。灌溉水的pH值為8.14。

1.2 試驗材料

供試作物為番茄，品種為晉番茄4號，于2016年3月28日定植栽種，6月5日開始采收，8月底拔秧，定植苗態(tài)為6葉1心。

1.3 試驗方法

試驗設置膜下滴灌番茄(D1)、溝灌番茄(G1)2個處理，每個處理重復3次，共6個小區(qū)。為了減少溫室內溫度不均對試驗結果的影響，將試驗小區(qū)隨機排列在溫室的中部，各小區(qū)之間設隔離帶，小區(qū)周圍設保護行。同時為防止各小區(qū)間水分互相側滲，小區(qū)間采用埋深為60 cm的塑料紙隔開。膜下滴灌按單壟雙行種植，每行種植30株作物，畦高約30 cm，畦寬0.8 m，株距45 cm，然后整好壟面，每行作物鋪設1條滴灌帶，上覆幅寬為1.0 m的地膜，試驗期間采用膜下滴灌方式進行灌水管理，膜下滴灌帶滴頭間距0.3 m，滴頭流量1.5 L/h，于定植后立即澆1次緩苗水。溝灌按單壟單行種植，每行種植30株作物，畦高約30 cm，畦寬0.5 m，株距45 cm，地頭設一出水口，水沿溝灌溉。

在番茄的幼苗期、開花坐果期、盛果期和拔秧期進行灌水，灌溉定額參照山西省作物灌溉用水定額并依據(jù)試驗地大棚以往的灌溉經驗進行確定，由于試驗期間大棚溫度較高，溝灌的灌水定額根據(jù)作物生長的具體情況進行了調整。具體灌溉定額見表1。

表1 試驗方法

1.4 指標測定

番茄定植后從各小區(qū)選取6株長勢良好的植株作為觀測對象，每7～10 d測量其株高和葉片數(shù)，株高為用直尺從植株的底部量至最高點的高度，葉片數(shù)為全部打開的所有葉片。灌溉用水量用水表記錄。番茄的產量用電子秤稱量，每次采收時稱重并記錄。土壤鹽分用TY1土壤原位鹽分速測儀測定。土壤水分含量用烘干法測定。

2 結果與分析

2.1 不同灌水方式對鹽堿地土壤水分含量的影響

試驗期內分別在第一次灌水后的2、6及10 d三次測定土壤的含水量，測定深度為0～60 cm，間隔為20 cm，結果見圖1。從圖1可以看出，膜下滴灌和溝灌的土壤含水率均隨著灌水后間隔時間的延長而降低，其中溝灌的折線斜率明顯大于膜下滴灌，表明溝灌的土壤含水率降低的更快，溝灌條件下番茄消耗水分更快，這主要是由于溝灌未覆膜，作物棵間的水分蒸發(fā)量大，保水保墑能力差。隨著土層深度的增加，膜下滴灌和溝灌的土壤含水率均呈現(xiàn)增大的趨勢，這是由于土壤表層的蒸發(fā)大，土壤水分容易散失。同一土層同一時間不同處理間的土壤含水率差異較大，灌水后2 d時，溝灌的土壤含水率明顯高于膜下滴灌，這是由于溝灌是沿溝灌溉，短時間內灌入水量較多，造成土壤水分的快速增長，而膜下滴灌是水沿滴頭緩緩進入土壤內，灌水速度較慢，灌水量比溝灌少，土壤水分的增長速度較慢，到灌水后6 d時，溝灌的土壤含水率略高于膜下滴灌，隨著時間的推移，到灌水后10 d時，溝灌的土壤含水率低于膜下滴灌，這是由于溝灌的蒸發(fā)量較大，對土壤水分的保持能力比膜下滴灌差，同樣的時間段內，溝灌消耗的水分大于膜下滴灌。

圖1 不同灌水方式對土壤水分含量的影響

2.2 不同灌水方式對鹽堿地土壤鹽分的影響

采用試驗開始前和生育期結束后的土樣，測定其土壤表層0～30 cm層的電導率，結果見圖2。由圖2可以看出，膜下滴灌和溝灌的土壤電導率均隨著土層的加深而增加，表明土壤表層的鹽分隨著灌溉水的下移而向下遷移。生育期結束后0～10和10～20 cm土層膜下滴灌和溝灌的土壤電導率均低于土壤初始電導率，0～10 cm土層分別低于土壤初始電導率11.4%和30.0%，10～20 cm土層分別低于土壤初始電導率4.5%和23.5%，表明膜下滴灌和溝灌均會影響表層土壤的鹽分，由于膜下滴灌的水分是緩緩地滴入土壤，鹽分隨水分的遷移速率也較慢，而溝灌是大量水分迅速進入土壤，鹽分隨水分的遷移速率很快，所以溝灌對表層土壤鹽分的影響更大。20～30 cm土層膜下滴灌的土壤電導率高于土壤初始電導率，溝灌的土壤電導率低于土壤初始電導率，表明膜下滴灌條件下，20～30 cm土層出現(xiàn)了積鹽現(xiàn)象。0～30 cm各土層膜下滴灌的土壤電導率均高于溝灌，表明溝灌的灌水壓鹽效果比膜下滴灌好。由上述結果可以看出，膜下滴灌和溝灌都沒有造成土壤鹽分的大量累積，均可作為鹽堿地大棚番茄的灌水方式應用。

圖2 生育期前后不同灌水方式土壤鹽分狀況

2.3 不同灌水方式對鹽堿地大棚番茄生長狀況的影響

2.3.1 不同灌水方式對鹽堿地大棚番茄株高的影響

不同灌水方式下番茄株高的生長變化見圖3。由圖3可知，膜下滴灌番茄的株高隨定植時間的變化而增大，其生長規(guī)律表現(xiàn)為先緩慢增長然后快速增長最后趨于穩(wěn)定，定植28 d內株高增長較慢，此階段折線斜率為9.41；28 d之后進入快速生長期，此階段折線斜率為29.23；到56 d后生長速度穩(wěn)定，此階段折線斜率為1.07。溝灌番茄株高的生長規(guī)律與膜下滴灌大致相同，其生長規(guī)律也是先緩慢增長然后快速增長最后趨于穩(wěn)定，定植28 d內折線斜率為7.56；28～56 d內的折線斜率為27.46；56 d后折線斜率為0.94。綜上可見，膜下滴灌番茄株高的生長速率大于溝灌。灌水方式直接影響番茄的株高，全生育期膜下滴灌番茄的株高均高于溝灌。定植兩周內膜下滴灌番茄與溝灌番茄的株高差異不大，第14 d時膜下滴灌番茄的株高比溝灌高13.1%。定植兩周后膜下滴灌番茄與溝灌番茄的株高差異顯著，差異最小時膜下滴灌比溝灌高9.3%，差異最大時膜下滴灌比溝灌高20.4%。這是因為定植初期番茄植株矮小，蒸騰作用較小，植株生長對水分的需求量較低，所以兩種灌水方式下番茄的株高差異不大。定植兩周后，番茄進入生長旺盛期，水分消耗量增大，且大棚內溫度較高，溝灌的水分供應及保水能力與膜下滴灌相比較差，在一次灌水之后溝灌水分消耗和蒸發(fā)過快，而膜下滴灌水分隨滴頭慢慢的入滲，更能保證根系的水分供應，也更有利于滿足根系對空氣的需求，所以膜下滴灌番茄的株高和生長速率都高于溝灌，表明膜下滴灌更能促進番茄的生長發(fā)育。

圖3 不同灌水方式番茄株高的生長變化

為了更直觀的描述不同灌水方式下株高的變化過程，采用Logistic函數(shù)對其進行擬合，擬合方程為：

(1)

式中：y為株高，cm；t為定植后天數(shù)，d；A為株高的理論最大值；B、k均為生長系數(shù)。

擬合結果見表2。從表2可以看出，不同灌水方式下R2值均在0.99以上，相關性較高，且擬合式中A值與實測值非常接近，說明Logistic生長模型能較好的表達出株高隨時間的變化過程。

表2 不同灌水方式下株高與定植后天數(shù)的擬合結果

2.3.2 不同灌水方式對鹽堿地大棚番茄葉片數(shù)的影響

作物的產量主要由水和同化物質的輸入決定[9]。葉片關系著作物光合作用和蒸騰作用的發(fā)揮，進而影響其水和同化物質的輸入，影響作物的產量[5]。表3為各小區(qū)內番茄葉片數(shù)的平均值，由表3可知，灌水方式對番茄的葉片數(shù)影響不大，膜下滴灌和溝灌番茄的葉片數(shù)差異不顯著。表明膜下滴灌和溝灌均能滿足植株葉片生長所需的水分。兩種灌水方式下番茄的葉片數(shù)變化趨勢相同，均為先緩慢增長然后快速增長。

表3 番茄定植后不同時期葉片數(shù)測量結果

2.4 不同灌水方式下鹽堿地大棚番茄的耗水量及耗水規(guī)律

根據(jù)水量平衡方程計算耗水量：

ET=P0+I-ΔW-S-G

(2)

ΔW=10γH(W1-W0)

(3)

式中：ET為生育期總耗水量，mm；P0為生育期內有效降水量，mm；I為生育期內灌水量，mm；ΔW為土壤水變化量，mm；W0、W1為各生育期前、后土壤質量含水率，%；S為深層滲漏量，mm；G為地下水補給量，mm；H為土壤水計算深度，cm；γ為土壤容重，g/cm3。

由于試驗在大棚中進行，沒有有效降雨，即P0=0；試驗田地下水位較深，作物不能利用地下水，即G=0；試驗灌水量較小，沒有發(fā)生深層滲漏，即S=0；故式(2)可改寫成：

ET=I-ΔW

(4)

在定植時、幼苗期末、開花坐果期末、盛果期末和拔秧期末以20 cm為一層，取種植行上60 cm內土壤樣品，用烘干法測定其土壤含水量，計算出土壤的平均含水量。由公式(3)和(4)計算得到不同灌溉方式下番茄的耗水量，見表4。由表4可以看出，膜下滴灌和溝灌的耗水規(guī)律沒有大的差異，均表現(xiàn)為前期少、中間多、后期少的變化趨勢。與溝灌相比，膜下滴灌番茄整個生育期的累計耗水量減少56.2%，這主要是因為膜下滴灌有地膜覆蓋可以減少作物棵間水分的蒸發(fā)，從而降低水分的消耗。從階段分布來看，幼苗期膜下滴灌耗水量占全生育期耗水量的14.2%，溝灌耗水量占全生育期耗水量的10.4%，這一階段番茄葉片剛剛開始生長，耗水量相對較少；開花坐果期膜下滴灌耗水量占全生育期耗水量的18.6%，溝灌耗水量占全生育期耗水量的18.4%，這一階段開始隨著植株的生長和氣溫的升高，植株體積增大，蒸騰量加大，番茄開始坐果，番茄的耗水量逐漸變大；盛果期膜下滴灌耗水量占全生育期耗水量的59.6%，溝灌耗水量占全生育期耗水量的63.6%，這一階段果實開始成熟，生理代謝旺盛，營養(yǎng)生長與生殖生長并進，是番茄需水關鍵期；拔秧期膜下滴灌耗水量占全生育期耗水量的7.6%，溝灌耗水量占全生育期耗水量的7.6%，這一階段番茄進入生長后期，植株體開始衰老，水分消耗變少。

表4 不同灌溉方式下番茄的灌水量和耗水量 mm

2.5 不同灌水方式對鹽堿地大棚番茄產量的影響

由表5可知，膜下滴灌番茄與溝灌番茄相比節(jié)水64.2%，產量增加5.5 t/hm2。膜下滴灌的灌水利用效率是溝灌的2.8倍，節(jié)水增產效果明顯。這主要是因為覆膜技術可以減少作物的棵間水分蒸發(fā)，而滴灌使得水分可通過滴頭直接輸送到了作物的根部，提高作物對水分的利用率，大大地減少作物的耗水量。膜下滴灌少量多次灌水，使番茄的整個生長過程供水均勻，提高了番茄的產量。而溝灌的水分不僅蒸發(fā)量大，且在重力作用下水分的滲漏較多，造成水大量浪費，并且各溝之間的灌水差異也較大，灌溉水量不均勻，產量無法保證。

表5 不同灌水方式對番茄產量的影響

3 結 語

不同灌水方式下的土壤含水率均隨著灌水后間隔時間的延長而降低。隨著土層深度的增加，土壤含水率均呈現(xiàn)增大的趨勢。同樣的時間段內，溝灌消耗的水分大于膜下滴灌。對表層土壤的電導率進行研究表明，膜下滴灌和溝灌均沒有造成土壤鹽分的大量累積。試驗表明，灌水方式對番茄的株高影響較大，對葉片數(shù)影響較小，且膜下滴灌番茄的株高和葉片數(shù)均高于溝灌，與溝灌相比，膜下滴灌可以促進番茄的生長發(fā)育。膜下滴灌和溝灌番茄全生育期的耗水量變化均為前期少中期多后期少，與溝灌相比，膜下滴灌番茄整個生育期的累計耗水量降低56.2 %。膜下滴灌番茄與溝灌番茄相比節(jié)水64.2 %，產量增加5.5 t/hm2，膜下滴灌的灌溉水利用效率是溝灌的2.8倍，其節(jié)水和增產效果明顯。綜上所述，在鹽堿地大棚番茄的種植中推廣膜下滴灌，不僅沒有造成土壤鹽分的大量累積，而且可以節(jié)約用水，增加產量，提高灌溉水利用效率。

由于試驗周期和經費的限制，試驗沒有對土壤水分分布和土壤溫度狀況進行研究，對于土壤鹽分的研究也僅限于表層土壤，在今后的研究中可以繼續(xù)開展相關方面的研究。