不同灌水方式對沙地枸杞土壤水分及產(chǎn)量的影響

劉曉麗，馬理輝 ，巖曉瑩，楊榮慧 ，訾 浩

（1.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.神木縣綠箐農(nóng)莊科技有限公司，陜西 神木 719300；3.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學 資源與環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100；5.陜西神木德塬農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)有限公司，陜西 神木 719300）

0 引 言

相比溝灌和畦灌等灌溉方式，滴灌灌水利用率能提高 20%～40%[1]。地表滴灌將水滴到土壤表面并入滲到土壤中，由于濕土表面的蒸發(fā)損失比干土高10%～35%，因此，相比地表滴灌，地下滴灌將毛管埋入土中，避免了表層土壤濕潤，減少了土面蒸發(fā)，可進一步提高灌水利用率[2]。但是，地下滴灌的出水口埋在土壤中，當停止灌溉時，管道內(nèi)產(chǎn)生負壓，出水口容易吸入土、產(chǎn)生堵塞，而且不易檢修[3]。吳普特等[4]提出涌泉根灌技術，通過微管將水直接灌到植物根部，既減少地面蒸發(fā)、又避免了負壓吸土產(chǎn)生的堵塞。然而，果樹根系范圍大，每棵樹如果只設置1～2處滴灌出水口，長時間灌溉可造成根系向水性生長[5-6]，不利于果樹均衡發(fā)育。因此，在涌泉根灌的基礎上提出根際環(huán)形多點源滴灌技術，將滴灌管圍繞樹干1圈、埋入土中，該布置方式既能減少地面蒸發(fā)損失、將水灌到植物根部，又能多處供水滿足果樹生長需要。

土壤表層濕潤時間越長、土壤蒸發(fā)量越大[7]。果樹的主要根系層位于0～40 cm土層。將灌溉水直接輸送到地表以下的根系層，既能減少蒸發(fā)損失、又能避免深層滲漏，是提高灌溉水利用率的關鍵。本文旨在定量比較地表滴灌、涌泉根灌、根際多點源滴灌這3種灌水方式土壤濕潤體垂直分布范圍的差異，以及相同灌水量對枸杞產(chǎn)量的影響，從而為推廣應用根際環(huán)形多點源滴灌技術提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2017年在陜西省神木市錦界鎮(zhèn)枸杞示范園開展小區(qū)試驗。枸杞對環(huán)境適應性較強，耗水量大，對溫度、光照、土壤要求不嚴格，可在沙地上種植。試驗地屬溫帶大陸性季風半旱草原氣候，春季干旱秋季澇，風沙霜凍加冰雹，無霜期短，溫差大，日照充足，降雨少。寒季略長于熱季，富日照，少降水，多風沙。當?shù)啬昶骄涤炅?90 mm左右，多集中在7—9月，年平均氣溫8.6 ℃，年極端最高氣溫38.4 ℃，極端最低氣溫-29 ℃。無霜期146 d左右，平均日照時間2 815 h。試驗地土壤類型為壤質砂土，土壤保水保肥性能差。試驗前枸杞園0～30 cm耕層土壤的基本性狀為：有機質量為5.42 g/kg，有效氮量為14.58 mg/kg，有效磷量為12.41 mg/kg，速效鉀量為87 mg/kg，pH值為8.0。試驗材料為3 a生枸杞（品種為“寧杞一號”），栽植株行距1 m×2 m，栽植密度為5 000株/hm2。試驗地土壤體積質量隨土層深度呈上升趨勢，0～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 土層的土壤體積質量分別為1.40、1.56、1.55、1.58、1.60 g/cm3。

1.2 試驗設計

以不灌溉為對照（CK），設置3種灌溉方式：地表滴灌、涌泉根灌、根際環(huán)形多點源滴灌（以下簡稱根際滴灌）。地表滴灌將內(nèi)鑲式滴灌管（滴頭間距0.5 m、滴頭流量3 L/h）放置在地表，水滴在土壤表面、入滲到土壤中，每株2個滴頭，如圖1（a）所示。涌泉根灌是用φ4PE，管一頭連接穩(wěn)流器（每棵樹1個穩(wěn)流器，流量6 L/h），另一頭插入一個預先打好的孔中（孔深30 cm、直徑5 cm），將水滴入孔中，如圖1（b）所示。根際滴灌是圍繞樹干挖溝，溝深30 cm，將內(nèi)鑲式滴灌管（滴頭間距0.5 m、滴頭流量3 L/h）繞圈放入溝中、用土填埋，每株4個滴頭，如圖1（c）所示。在同一枸杞園進行灌水小區(qū)試驗，小區(qū)長8 m（包括4行枸杞）、寬6 m（每行6株枸杞），每個小區(qū)面積為 48 m2，每種灌溉方式 3個重復，共計 12個小區(qū)。

圖1 灌溉方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of irrigation method

從4月開始到8月底，共灌溉8次（灌水時間分別為4月18日、5月1日、5月25日、6月10日、6月25日、7月10日、7月30日、8月15日），灌水總量720 m3/hm2，每次單株枸杞的灌水量為0.018 m3，地表滴灌和涌泉根灌的單次灌水時長為3 h，根際滴灌的單次灌水時長為1.5 h。

1.3 觀測指標與數(shù)據(jù)分析

觀測指標包括：土壤質量含水率、土壤濕潤體垂直分布范圍、鮮果產(chǎn)量。灌溉結束2 h后，在灌水小區(qū)沿滴灌管方向、離滴頭25 cm處用土鉆分層取土，每10 cm一個土層，測定深度100 cm，采用烘干法測定不同土層質量含水率。在同一灌水小區(qū)，離滴頭25 cm遠的其他位置，地表滴灌處理沿滴灌管的方向，以相鄰2個滴頭為界，在水平方向上，每隔10 cm為1個取樣點，垂直向下0～80 cm，每10 cm取1個樣。根際滴灌處理以1個滴頭為起始，沿2個滴頭連線的方向，在水平方向上，每隔10 cm向下取土樣，取50 cm水平距離，10 cm為1個土層深度，直到80 cm深度。涌泉根灌處理以土孔圓心為中心、沿毛管布置方向，水平方向上每隔10 cm向下取土樣，10 cm為1個土層深度，直到80 cm深度。烘干法獲得土壤水分數(shù)據(jù)，在Surfer 16.0軟件中繪制土壤水分等值線圖，并用灰度填充，以此表達土壤濕潤體的分布狀況。

每個灌水小區(qū)固定3株枸杞樹，成熟時的果實全部采摘，用稱質量法分別測定單株樹的鮮果質量，將每次的鮮果質量累加得到單株樹的鮮果總質量。數(shù)據(jù)采用DPS9.3軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式土壤濕潤體垂直分布范圍

圖2為不同灌溉方式土壤濕潤體分布情況。從圖2可以看出，地表滴灌的濕潤范圍集中在0～29 cm土層，涌泉根灌的濕潤范圍集中在26～62 cm土層，根際滴灌的濕潤范圍集中在21～48 cm土層。由土壤水分蒸發(fā)過程的研究可知[8]，當環(huán)境條件一致時，地表0～20 cm土層越濕潤，其蒸發(fā)速率越大，蒸發(fā)損失越高。地表滴灌有69%的土壤濕潤體位于地表0～20 cm，由于每株樹有2個滴頭，土壤濕潤體形成以滴頭為中心的2個濕潤體。由于涌泉根灌的孔深30 cm、根際滴灌埋深30 cm，涌泉根灌和根際環(huán)形多點源滴灌下土壤濕潤體垂直分布均位于20 cm以下，也就減少了土壤水分高強度的蒸發(fā)。涌泉根灌由于只有1個出水口，土壤濕潤體形成1個橢球體，而根際環(huán)形多點源滴灌下土壤濕潤體分別以滴頭為中心，形成較明顯的2個橢球體。土壤濕潤體的大小與形狀對作物生長起關鍵性作用[9]。李潤淮等[10]的研究表明，枸杞根系密集區(qū)的垂直分布在地表下20～40 cm的土層。以50 cm為灌水入滲的最大深度，涌泉根灌 27.8%的水分入滲超出了根系主要分布層，而根際滴灌100%水分位于根系主要分布層?？紤]土壤水分高強度蒸發(fā)層、根系主要分布層2方面的限制，根際滴灌一方面減少了高強度的蒸發(fā)損失，另一方面降低了深層滲漏，是干旱半干旱區(qū)深根性經(jīng)濟林提高水分利用效率的有效技術措施。

圖2 土壤濕潤體分布圖Fig.2 Distribution of soil wetted volume

2.2 不同灌溉方式對土壤水分的影響

灌水2 h后的土壤水分狀況如圖3所示。

圖3 灌水2 h后的土壤水分狀況Fig.3 Soil moisture after 2 h irrigation

由圖3可知，不灌溉沙地地表受蒸發(fā)影響，土壤含水率非常低，20 cm以下的土壤含水率略高于地面。地表滴灌3 h后，水分能夠入滲到30 cm深度的土層中，10～20 cm土層的含水率最高，達到9.5%。涌泉根灌和根際環(huán)形多點源滴灌方式下地表土壤的含水率沒有增加，涌泉根灌的濕潤中心位于26～62 cm之間，土壤水分最高值 9.3%，而根際環(huán)形多點源滴灌其土壤水分最高值為9.8%，其原因涌泉根灌歷時3 h，而根際多點源環(huán)形滴灌歷時 1.5 h，灌水時間越長，水分入滲得就越深、水分擴散分布得更均勻。從不同灌溉方式下土壤分層含水率分析認為，地表滴灌水分入滲到枸杞主要根系層是有限的，而涌泉根灌和根際滴灌水分能夠完全到達主要根系分布層。

2.3 不同灌溉方式下產(chǎn)量和水分利用率WUE

雖然枸杞抗旱性強，但是枸杞產(chǎn)量與充足的水分和養(yǎng)分成正比[11]。采用地表滴灌和涌泉根灌、根際滴灌等灌水方式對3 a生沙地枸杞進行灌水試驗，初步結果表明灌溉處理比不灌溉獲得了增產(chǎn)，如表1所示。增產(chǎn)幅度最大的是根際滴灌技術。地表滴灌和涌泉根灌、根際滴灌產(chǎn)量比不灌溉枸杞分別增產(chǎn)2 075、3 145、4 150 kg/hm2，水分利用率分別提高了22.4%、41.9%、60.2%。

2.4 不同灌溉方式的經(jīng)濟效益

根據(jù)不同灌溉方式所耗費的材料量計算，地表滴灌、涌泉根灌、根際滴灌的基礎設施一次性投入分別為15 000、15 000、19 500 元/hm2。雖然基礎設施投入大致相同，但因田間輸水管和滴頭使用折舊年限不同，不同灌溉方式的年折算成本有一定差異。地表滴灌毛管放置在地面，易老化，使用期為7 a，涌泉根灌穩(wěn)流器橡膠膜質量不穩(wěn)定，使用期為5 a。根際滴灌輸水管埋入土中，抗老化，使用折舊期為10 a。比較不同灌溉方式一次性投入后的年折算成本以及其他生產(chǎn)成本，詳細列入表2。從表2可以看出，果實采摘費用最高，由于根際滴灌的產(chǎn)量最高，所以其采摘費用最高、總計成本最高。而涌泉根灌的灌溉設施年折舊費最高，但總成本排在根際滴灌之后。結合不同灌水方式的投入成本與產(chǎn)出效益，從表3可以看出，凈收入高低排序為根際滴灌＞涌泉根灌＞地表滴灌，分別比對照提高了193.1%、126.3%和81.2%，單位水產(chǎn)值達到了15.0、13.3和11.5元/m3。

表1 不同灌溉技術增產(chǎn)效益比較Table 1 Comparison of yield on different irrigation method

表2 不同灌水方式生產(chǎn)成本 元/hm2Table 2 Comparison of cost on different irrigation method yuan/hm2

表3 不同灌水方式投入產(chǎn)出經(jīng)濟效益 元/hm2Table 3 Economic benefit of different irrigation method yuan/hm2

3 討 論

干旱半干旱地區(qū)水資源短缺，水分是制約該區(qū)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的關鍵因子。干旱半干旱地區(qū)水分利用效率可提高的潛力很大，與不灌溉相比，少量灌溉水只要運用恰當，可以產(chǎn)生明顯的效果[12]。陜北長城沿線風沙土土質疏松，黏粒量較低、持水性差，不利于雨水、灌溉水的留存[13]。因此，如何提高有限水量的灌溉水利用率，是該區(qū)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中用水管理的關鍵。滴灌比溝灌、畦灌的灌溉水利用率已經(jīng)有了較大的提高[1]。為了進一步提高滴灌的灌溉水利用率，本研究提出根際環(huán)形多點源滴灌技術。

根系是植物吸收水分的主要器官，枸杞的適應性較強，耗水量大，枸杞根系具有明顯的趨水性，合理灌水是提高枸杞產(chǎn)量和品質的根本途徑[14]。枸杞的主要根系層位于20～40 cm土層，決定了其所能利用水分的土層范圍。本研究中不同灌水方式導致水分在土壤中的分布空間不同，地表滴灌僅有部分土壤水分入滲到枸杞主要根系層，而涌泉根灌和根際環(huán)形多點源滴灌水分能夠完全到達主要根系分布層，能有效地供給枸杞根系水分，滿足枸杞不同生長階段的水分需求。同時，涌泉根灌的濕潤中心較根際環(huán)形多點源滴灌的濕潤中心下移10 cm左右，而土壤水分最高值較根際環(huán)形多點源滴灌土壤水分最高值略小。原因可能是由于該區(qū)土壤類型為壤質砂土，土壤保水保肥性能差，涌泉根灌每次灌水時間為3 h，較根際多點源滴灌灌水時間長，土壤水分易產(chǎn)生深層滲漏所致。

張效星等[15]研究表明地表滴灌時獼猴桃在不同灌水量時對產(chǎn)量影響較小，WUE隨灌水量的減小反而增加，獼猴桃產(chǎn)量僅下降 0.09%～6.24%，水分利用效率卻提高到 23.16%。而本研究得出根際多點源滴灌與地表滴灌在同樣灌水量條件下產(chǎn)量增加了30.9%，WUE提高了31.5%。WUE隨產(chǎn)量的增加而增加。地表滴灌、涌泉根灌和根際環(huán)形多點源滴灌枸杞產(chǎn)量和WUE比不灌溉枸杞均有大幅提高，根際環(huán)形多點源滴灌技術獲得了更高的水分利用效率，達到了1.88 kg/m3。這是因為根際環(huán)形多點源滴灌技術與地表滴灌相比，將同樣的水量輸送到植物的主要根系層，減少了表層土壤濕潤產(chǎn)生的蒸發(fā)損失；與涌泉根灌相比，將同樣的水量分配到植物的四周，相對減少了次灌水時間、縮短了水分入滲時間，相應地也就減少了水分深層滲漏量。

根際環(huán)形多點源滴灌技術盡管生產(chǎn)成本較高，但是獲得的經(jīng)濟效益最大，其單位水產(chǎn)值分別是不灌溉的1.6倍，是地表滴灌處理的1.3倍，是涌泉根灌的1.1倍。研究認為該技術是干旱缺水區(qū)經(jīng)濟林栽培的一種有效水分管理措施，建議在干旱半干旱區(qū)沙地經(jīng)濟林栽培中廣泛推廣應用該技術。

4 結 論

1）根際環(huán)形多點源滴灌的水分濕潤范圍基本處于枸杞主要根系層，更適宜于沙質土壤的經(jīng)濟林，是減少地表蒸發(fā)損失和深層滲漏的有效技術措施。

2）枸杞耗水量大，水分管理在其生產(chǎn)管理中占重要地位。根際環(huán)形多點源滴灌下枸杞產(chǎn)量和水分利用率顯著提高，該技術是一種適合沙地經(jīng)濟林栽植管理的有效用水管理措施，在干旱半干旱沙地經(jīng)濟林生產(chǎn)中有廣闊的推廣應用前景。