微潤灌溉水肥一體化對空心菜生長的影響

郭晗笑，申麗霞，孫雪嵐，劉榮豪，牛 爽，樊 耀

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

微潤灌溉是目前國際上公認的最節(jié)水的灌溉技術，其用水量約為滴灌的20%～30%，節(jié)水達到70%以上，是當前國內(nèi)外節(jié)水技術發(fā)展的重要方向[1]。微潤灌溉是利用功能性半透膜作為灌溉輸水管，以膜內(nèi)外水勢差和土壤吸力作為水分滲出和擴散動力，并根據(jù)作物需水要求，以緩慢出流的方式為作物根區(qū)輸送水分的地下微灌技術，可以達到自動實時供水的目的[2,3]。

關于微潤灌溉已有研究大多偏向于微潤管埋深、間距、壓力水頭、交替周期等參數(shù)的變化對作物生長指標的影響及土壤水分分布[4-7]，水氮耦合對作物生理特性影響的研究大多集中在滴灌方向。研究表明：滴灌施肥條件下，增加灌水和施肥用量能提高作物產(chǎn)量[8]，適量施加氮肥有利于提高光合作用強度，增加干物質(zhì)積累[9]?；谖櫣喔燃夹g的基本原理和特點，微潤灌溉水肥一體化系統(tǒng)可以使水肥同時輸送到作物根區(qū)滿足植物的生長需求。

前人關于微潤灌溉還未研究水肥一體化的協(xié)同效應，作物對不同壓力水頭和不同施氮濃度的綜合響應機制尚不清楚，缺少相關量化的具體試驗研究數(shù)據(jù)。本實驗針對不同的壓力水頭和施氮濃度對土壤含水率和作物的生長狀況進行了研究，確定更適合空心菜高產(chǎn)的壓力水頭和施氮濃度組合，希望為微潤灌溉水肥一體化技術的完善及普及提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該實驗于2018年7月2日至7月31日在山西省太原理工大學萬柏林校區(qū)進行。試驗地位于山西中北部的太原盆地，北緯37°54′，東經(jīng)112°33′，屬溫帶季風性氣候，四季分明，全年日照充足，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。降雨集中在七八月份，七月份平均降水量102.1 mm,平均溫度23.4 ℃。土壤為壤土，播種前測定土壤密度為0.77 g/cm3，初始土壤質(zhì)量含水率為8%。

1.2 試驗處理

試驗品種為空心菜，試驗裝置由播種箱(100 cm×100 cm×75 cm)、水箱(70 cm×35 cm×35 cm)、輸水管(φ16PE管)、微潤管、閥門組成(見圖1)?？招牟瞬捎眯胁シ绞讲シN，灌溉方式為地下微潤灌。試驗固定微潤管埋深和間距，微潤管埋深20 cm，間距25 cm，壓力水頭設置兩個水平100 cm(H1)、150 cm(H2)，整個生育期內(nèi)持續(xù)灌溉施肥，水肥同步，肥料為純尿素，設置了3個水平500 mg/L (N1)、1 000 mg/L (N2)、0 mg/L(N0)，總共6個處理(H1N1處理、H1N2處理、H1N0處理、H2N1處理、H2N2處理、H2N0處理)，每種處理設置3次重復試驗?？招牟诵兄昃?5 cm，每個播種箱播種4行，在整個生育期內(nèi)微潤管全開持續(xù)供水。

圖1 試驗裝置圖(單位：cm)Fig.1 Diagram of test device

1.3 觀測項目及方法

1.3.1 土壤含水率

采用烘干法測量土壤含水率，每隔3天測量一次，取土深度為15 cm,取土位置在距離植株3 cm處，每行取3個土樣，用電子秤稱其濕重，放入烘箱在105 ℃恒溫下烘8 h后稱其干重，計算土壤含水率求其平均值。計算公式：土壤含水率=(土壤濕重-土壤干重)/土壤干重×100%。

1.3.2 株高、莖粗

播種第四天開始第一次取樣，之后每隔3 d取一次植株樣品，在每個處理每行選2株長勢均勻的測量，株高用精度為0.01的卷尺從根部以上測量，莖粗用精度為0.01的電子游標卡尺測量。

1.3.3 植株鮮重、干重測定

每個處理每行選2株長勢均勻的植株樣本，由于空心菜是葉菜，將地面以上部分計入稱量，用電子天平(感量為0.01 g)稱其鮮重。采用烘干法測定植株干物質(zhì)積累量，將植株樣本放入烘箱在105 ℃下殺青20 min后，調(diào)至80 ℃恒溫下烘干6 h至恒重，分別稱其干重。

1.3.4 產(chǎn)量及氮農(nóng)學效率

7月31日，進行最后一次測量試驗，收取各筐作物，用電子秤稱取每筐產(chǎn)量。氮農(nóng)學效率計算公式如下：氮農(nóng)學效率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量。

最終的試驗數(shù)據(jù)采用Excel制圖和分析。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率

由于本次試驗空心菜根系主要分布在地表下0～15 cm土層，因此本次試驗研究0～15 cm土層的土壤水分動態(tài)變化，從播種開始打開水箱閥門開始持續(xù)灌水，圖2是土壤質(zhì)量含水率的變化動態(tài)。土壤水分含量的變化趨勢是在空心菜生育期前期較小，生育期中期逐漸增大，生育期后期緩慢降低，且生育期后期的土壤含水率大于前期的生長含水率。

在試驗初期，由于土壤含水率較低，在膜內(nèi)外水勢差作用下，使得不同處理的土壤含水率迅速增加?？招牟瞬シN0～13 d，H2N0>H2N1= H2N2>H1N0>H1N2>H1N1，150 cm壓力水頭比100 cm壓力水頭下土壤質(zhì)量含水率要高，這是由于壓力水頭對微潤管出流和水分入滲影響較大，水頭增大，入滲界面處壓力勢增大，入滲速率加快，入滲量增多，空心菜根區(qū)土層含水率越大。另外，在空心菜生育期前期，生長速度較快，需水量較大，也是導致土壤含水率增大的因素之一。穆興民認為[10]，水肥協(xié)同耦合是指某種因子數(shù)量上的不足可以從另一個因子獲得補充，從而減小該作物因該因子不足造成的減產(chǎn)。這也解釋了在生育期前期，不同壓力水頭下土壤含水率N0處理略大于N1、N2處理。隨著持續(xù)灌水的進行，壓力水頭對土壤水分分布的影響逐漸變小，H2處理和H1處理下土壤質(zhì)量含水率根據(jù)作物需水量均維持在20%～29%左右。由于空心菜在生育期中生長速度先增大后減小，又增大的趨勢，土壤含水率的變化恰好驗證了微潤灌溉的原理，根據(jù)膜內(nèi)外水勢差及作物需水量達到自動實時供水的目的。

圖2 不同處理土壤含水率變化圖Fig.2 Change of soil moisture content in different treatments

2.2 株 高

圖3為株高在不同施氮水平和壓力水頭下的動態(tài)變化曲線。在不同處理下，空心菜的株高變化曲線均呈“S”型。由方差分析可知,壓力水頭對株高有顯著影響(P<0.5)。整個生育期H2N0>H1N0，H2N1>H1N1，H2N2>H1N2，H2處理下空心菜株高較大。在H1、H2各處理組中，N1、N2處理均大于N0處理，表明施加氮肥有助于株高生長，在空心菜生育期后期，株高增長速度較快，氮肥對株高增長的促進作用更加明顯。

圖3 不同處理平均株高變化圖Fig.3 Change chart of average plant height under different treatments

其中，H2處理組中，在空心菜生育前期，N2 >N1，在生育期末，N1處理株高最高，達到66 cm，相比于N2和N0處理分別高出17.02%、20.77%。而在H1處理組，整個生育期中N2>N1>N0，N2處理株高最高，生育期末株高達到61 cm。在兩種壓力水平下，隨著施氮濃度增大出現(xiàn)了不同的結果，說明水肥耦合對作物生長的影響明顯。低水頭條件下，施氮量增加有助于株高增長，高水頭高濃度導致施氮量過高反而會抑制氮肥對株高增長的促進作用，但總體生長情況優(yōu)于不施肥處理。因此，H2 N1處理是有助于株高增長的較優(yōu)組合。

2.3 莖 粗

圖4為莖粗在不同施氮水平和壓力水頭下的動態(tài)變化曲線。在不同處理下，空心菜的株高變化曲線均呈“S”型。莖粗隨時間推移逐漸增大，播種0～16 d增長迅速，之后增長較平緩。不同施氮濃度對莖粗的影響不顯著(P>0.5)，H2N0、 H2N1、H2N2處理無明顯差別，H1N0、H1N1、H1N2處理無明顯差別。不同壓力水頭對莖粗的有顯著影響(P<0.5)，在整個生育期中，H2處理組>H1處理組。生育期末H2N0、 H2N1、H2N2處理平均莖粗分別為9.4、9.36、9.27 mm，H1N0、H1N1、H1N2處理平均莖粗分別為8.6、8.53、8.47 mm，因此，壓力水頭為150 cm時更有助于空心菜莖粗增長。

圖4 不同處理平均莖粗變化圖Fig.4 Changes of average stem diameter under different treatments

2.4 鮮重和干物質(zhì)積累

圖5顯示了空心菜平均鮮重的變化規(guī)律。植株鮮重隨時間推移逐漸增大，增長速度呈快-慢-快的趨勢。不同壓力水頭和施氮濃度對鮮重和干物質(zhì)積累影響顯著(P<0.5)。分析可知，空心菜播種0～10 d，幾種處理鮮重無明顯差別。播種11～28 d，鮮重H2N0>H1N0，H2N1>H1N1，H2N2>H1N2，水分是獲得作物高產(chǎn)必不可少的因素，150 cm壓力水頭更能促進作物增產(chǎn)。施氮濃度對鮮重增加有明顯影響，不同壓力水頭下，空心菜播種11～22 d，鮮重N1>N2>N0，生育期末N2>N1>N0，兩種壓力水頭下均呈現(xiàn)相同的規(guī)律。作物在生育期不同時期對氮的需求不同，因此相同的施肥濃度在不同時期規(guī)律不同，空心菜在生育期末生長速度快，對氮的需求較大，高濃度肥更有助于鮮重增加。

圖5 不同處理平均鮮重變化圖Fig.5 The change of average fresh weight in different treatments

圖6顯示了空心菜平均干物質(zhì)積累的變化規(guī)律。空心菜播種22 d內(nèi)，幾種處理干物質(zhì)積累量與鮮重變化規(guī)律與相近。在空心菜生育末， H2N2、H1N2植株干物質(zhì)積累相近，且明顯高于其他處理，H1N1 、H1N0、 H2N0干物質(zhì)積累最少， N2處理更利于作物干物質(zhì)積累。施氮量增加有助于增加凈光合速率和蒸騰速率，促進作物生長和干物質(zhì)積累[11]。生育期末植株鮮重H2N2>H2N1>H1N2>H2N0>H1N1>H1N0，H2N2處理鮮重最大，平均單株產(chǎn)量為54.825 g，干物質(zhì)積累量4.135 g，整個生育期內(nèi)單因素引起鮮重積累是水分作用大于施氮作用。

圖6 不同處理平均干物質(zhì)積累變化圖Fig.6 The change of average dry weight in different treatments

2.5 氮農(nóng)學效率

表1是H1N1、H1N2、H2N1、H2N2 4個施肥處理下的產(chǎn)量和氮農(nóng)學效率，H1N0、H2N0兩個不施肥處理的產(chǎn)量分別為2 148.4、2 380 g。氮農(nóng)學效率H2N2>H2N1>H1N2>H1N1， H2N2處理氮農(nóng)學效率為52.45 kg/kg，是H1N1處理、H1N2處理、H2N1處理的9.48倍、1.85倍、1.07倍。150 cm壓力水頭氮農(nóng)學效率較高，1 000 mg/L施肥水平下氮農(nóng)學效率較高，隨著產(chǎn)量的增加，氮農(nóng)學效率也隨之增加。

表1 不同施氮處理的氮農(nóng)學效率Tab.1 Nitrogen agronomic efficiency of different nitrogen treatment

3 結 論

目前，關于微潤灌溉水肥一體化的研究還處于最初的試驗階段，微潤灌溉體系下水肥對作物生長的協(xié)同效應還有待更多學者的深入研究。本實驗設置了2個不同壓力水頭、3個不同施氮(尿素分析純)水平，通過分析土壤含水率、株高、莖粗、鮮重、干物質(zhì)積累、氮農(nóng)學效率，得出結論如下。

(1)微潤灌溉條件下，壓力水頭在播種后0～13 d對土壤水分分布的影響較大，150 cm壓力水頭較100 cm壓力水頭土壤質(zhì)量含水率要高。

(2)不同壓力水頭及施氮濃度處理株高和莖粗均呈現(xiàn)“S”型趨勢。壓力水頭為150 cm、施氮濃度500 mg/L株高最大。低水頭處理組中，增大濃度可以促進株高增長，高水頭高濃度導致施氮量過高反而抑制了氮肥對株高增長的促進作用。不同壓力水頭對莖粗的有顯著影響，不同施氮濃度對莖粗的影響不顯著，150 cm壓力水頭下各處理莖粗較大。

(3)當壓力水頭為150 cm、施肥量1 000 mg/L更有利于植株生長，該處理收獲鮮重最大，產(chǎn)量最多，氮農(nóng)學效率最高。

(4)施氮可以顯著增加干物質(zhì)積累,在壓力水頭相同的情況下，施氮濃度為1 000 mg/L的干物質(zhì)積累明顯高于500 mg/L?？招牟嗽谏诤笃趯Φ男枨筝^大，在這一時期施加較高濃度的氮肥能顯著提高植株鮮重和干物質(zhì)積累。