不同滴灌帶布置方式對黃金梨生長及水分利用效率的影響

王林林，吳文勇，肖 娟*，黃倩楠

（1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京100044；3.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

【研究意義】據(jù)最新公報顯示，2018 年農(nóng)業(yè)用水3 693.1 億m3，占用水總量的61.4%[2]，其中90%以上為灌溉用水[3]，而2005—2014 年梨樹的年平均用水量位居各果樹樹種之首[4]，因此，研究水分對梨樹生長規(guī)律的影響具有重要意義。【研究進展】目前針對果園如何進行科學(xué)合理的灌溉以提高水分利用效率獲得經(jīng)濟價值較高的果實已引起國內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注。滴灌作為一種現(xiàn)代微灌技術(shù)，在節(jié)水、增產(chǎn)、改善土壤性能方面起到了很重要的作用，經(jīng)濟價值較高的作物在生產(chǎn)中應(yīng)得到廣泛推廣[5-6]?！厩腥朦c】滴灌帶不同的布置方式，比如：地面布置與地下布置、單雙行及環(huán)狀布置，會對作物的耗水及產(chǎn)量產(chǎn)生不同的影響[7]。研究表明，與地面灌溉相比，地下滴灌技術(shù)不僅可以節(jié)水增產(chǎn)[8]，還可降低漫灌造成的肥料滲漏損失[9]；環(huán)繞式滴灌較普通灌溉可節(jié)水37%、增產(chǎn)34.1%～45.1%[10]。同時，滴灌帶的鋪設(shè)間距及埋深也會影響作物的生長。張薈薈等[11]、王京偉等[12]的研究結(jié)果表明，滴灌帶埋深20 cm 時作物的產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率最佳；趙鶴等[13]在研究不同滴灌帶鋪設(shè)間距時得出：40 cm 是對葉類蔬菜獲得高產(chǎn)的最佳距離。此外，灌水量也是影響果樹產(chǎn)量及品質(zhì)的一大重要因素，土壤水分不足或過多及灌水時期不當(dāng)均會使作物生長發(fā)育受到制約[14-16]。姚佳賓等[17]研究表明油葵在灌水下限控制在田間持水率的60%～70%時的產(chǎn)量和水分利用效率最高；李蕊等[18]、陳倩秋[19]、張亞雄[20]的研究表明，灌水上下限分別設(shè)定在田間持水率的90%和60%時，蘋果樹的各項生長指標(biāo)較其他處理組最優(yōu)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】現(xiàn)階段針對滴灌帶布置方式的研究多集中在作物上，果樹在這方面的研究較少?；诖?，試驗以黃金梨為材料，研究在60%灌水下限下不同滴灌帶布置方式對黃金梨生長、品質(zhì)和水分利用效率的影響，為進一步探索滴灌的節(jié)水增產(chǎn)機制、指導(dǎo)梨樹生產(chǎn)實踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018 年3 月31 日—9 月10 日在北京大興區(qū)圣澤林莊園（東經(jīng)116°29′，北緯39°36′）展開。該地為暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候，海拔28 m，年平均氣溫11.6 ℃，多年平均降雨量556 mm，年均水面蒸發(fā)量946.9 mm，土面蒸發(fā)量466.7 mm。在試驗開始前對試驗地0～120 cm 土層土壤的基本理化性質(zhì)進行測定，詳情見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì) Table 1 Soil fundamental physical and chemical properties

1.2 試驗設(shè)計

供試品種為8 a 樹齡的成齡黃金梨，占地約0.144 hm2，分為A、B、C 三個小區(qū)，各小區(qū)長30 m，寬16 m，小區(qū)內(nèi)梨樹種植行距4 m，株距3 m，共4 行，每行定植10 棵梨樹。每2 a 秋季施用1 次有機肥，每次每棵梨樹2 m3，施用在距離梨樹樹干100～120 cm處，深40～80 cm。施用肥料種類為牛糞。本次試驗前，已于2016 年10 月施用了有機肥。

以滴灌帶布置方式為影響因素，設(shè)置4 個處理，分別為對照組CK（地面單行滴灌）、T1（地面雙行滴灌）、T2（地下雙行滴灌）、T3（地面環(huán)狀滴灌），每個處理重復(fù)3 次。對照組單行滴灌帶布置在每行梨樹的西側(cè)，距離梨樹40 cm；雙行布置滴灌帶布置在每行梨樹的二側(cè)，各距離梨樹40 cm；地下雙行滴灌帶布置在梨樹二側(cè)40 cm 處距離地面40 cm 的地下；環(huán)狀布置處理中，從支管接PE 管至行間，在每棵樹處分別接滴灌帶，以梨樹為圓心，將滴灌帶圍成半徑40 cm 的圓，用鐵絲將滴灌帶固定。試驗灌水上下限分別設(shè)置為田間持水率的100%、60%，對照組依據(jù)果農(nóng)經(jīng)驗值灌溉，各處理組的其他田間管理在試驗期間保持一致。滴灌帶布置見圖1。

圖1 滴灌帶布置示意圖 Fig.1 Diagram of drip irrigation belt arrangements

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤含水率

采用TRIME-PICO-IPH 土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)測定。每個處理隨機選取一棵長勢相似、生長健康的樹，在其行間每隔40 cm、棵間每隔30 cm 各打5 根Trime管，共10 個水分監(jiān)測點，每7 天測1 次，每個測點的測定深度為130 cm，每隔10 cm 測1 次，取其10～100 cm 平均值。

1.3.2 新梢

每個處理選擇長勢均勻的3 顆梨樹，每棵樹隨機選取樹冠外圍生長強勢的5 枝新梢做標(biāo)記，用游標(biāo)卡尺每2 周測1 次新梢的長度和直徑。

1.3.3 果實生長

每個處理選取3 棵長勢均勻梨樹，每棵梨樹上挑選5 個生長良好的果實做標(biāo)記，每2 周測1 次果實的橫徑和縱徑。

1.3.4 產(chǎn)量及品質(zhì)

于2018年9月10日測產(chǎn)，各處理隨機選取4株，取其平均值作為單株產(chǎn)量，以單株產(chǎn)量通過面積換算獲得總產(chǎn)量；每個處理隨機挑選3 個樣品，檢測果實的總氮（紫外分光光度法）、硝酸鹽（紫外分光光度法）、可溶性固形物（硫酸-蒽酮比色法）、可滴定酸（氫氧化鈉-酚酞滴定法）和維生素C（鉬藍比色法），取平均值為最終測量值。

1.3.5 氣象因子

在試驗地設(shè)立無線自動氣象監(jiān)測站，對試驗期間的降水量、氣溫、土壤溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、相對濕度、太陽輻射等氣象因子進行連續(xù)監(jiān)測。

1.4 計算公式及方法

灌水量：按照計劃濕潤層10～100 cm 土層測定的土壤含水率為依據(jù)，確定灌水時間和灌水量，灌水量計算式為：

式中：m 為灌水量（mm）；a 為灌水上限與土壤實測含水率占田間持水率比值的差值（%）；θ 為土壤田間持水率（%）；p 為土壤濕潤比，取33%；H 為計劃濕潤層深度，取1.0 m。

果形指數(shù)：

式中：SI 為果形指數(shù)；X1、X2分別為果實縱徑、橫徑。

作物耗水量：利用水量平衡法計算，計算式為：

式中：ET 為梨樹耗水量（mm）；I 為灌水量（mm）；P 為降雨量（mm）；U 為地下水補給量（mm），由于地下水埋深大于4 m，故忽略不計，U=0；D 為深層滲漏量（mm），本試驗采用滴灌，灌水定額較小，灌溉基本上不會產(chǎn)生滲漏，所以D=0；R 為地表徑流量（mm），由于試驗區(qū)地勢平坦，R 可忽略不計；θt1、θt2、分別為t1、t2 時刻根區(qū)10～100 cm 深度土壤的平均含水率。

水分利用效率：定義為消耗單位水量所產(chǎn)生的經(jīng)濟產(chǎn)品數(shù)量。實際計算時，作物水分利用效率可由同一面積上收獲經(jīng)濟產(chǎn)品總量除以消耗的總水量得到。計算式為：

式中：WUE 為水分利用效率（kg/m3）；Y 為作物產(chǎn)量（kg/hm2）；ET 為作物實際耗水量（mm）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 對數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)處理及作圖，SPSS 20.0 進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴灌帶布置方式對土壤含水率的影響

生育期內(nèi)不同處理的土壤含水率見圖2。從圖2可以看出，土壤含水率在生育期內(nèi)會因降雨和灌水的影響產(chǎn)生波動。CK 因灌水量最大，在全生育期土壤含水率最高；T1、T2 和T3 處理受灌水下限60%的制約，生育期內(nèi)土壤含水率均低于CK；因為T2 處理滴灌帶布置在地下40 cm 深度，與滴灌帶布置在地上的T1、T3 處理相比，可將水分直接輸送到梨樹根系周圍，減少了地表無效水的蒸發(fā)，所以生育期土壤含水率整體高出T1 和T3 處理；T1 和T3 處理的土壤含水率差異不明顯。

圖2 生育期內(nèi)土壤含水率 Fig.2 Soil moisture during growth period

2.2 不同滴灌帶布置方式對新梢長勢的影響

不同滴灌帶布置方式下的新梢長度和直徑變化如圖3、圖4 所示。從圖3 可以看出，不同處理組的新梢長度隨生育期的延長而增加。3 個試驗組的新梢長度較 CK 增加 59.68%～77.96%，且差異顯著（P<0.05）。其中，T3 處理環(huán)狀布置和T2 處理地下雙行布置下的新梢長度分別較T1 處理地面雙行處理增長了11.45%和7.42%，說明相較地面雙行布置，地面環(huán)狀和地下雙行布置更有利于新梢長度的發(fā)育。

圖3 不同滴灌帶布置方式下的新梢長度 Fig.3 New shoots length of different treats

從圖4 可以看出，各處理組的新梢直徑增長趨勢一致，滴灌帶布置方式未對新梢直徑的造成顯著影響（P>0.05）。其中T2、T3 處理的直徑在全生育期中始終大于T1 處理和CK，T2 處理的新梢直徑最大，T1處理和CK 生長較差，說明就新梢直徑發(fā)育而言，滴灌帶選擇地下布置優(yōu)于地面布置，環(huán)狀布置又優(yōu)于單、雙行布置。

圖4 不同滴灌帶布置方式下的新梢直徑 Fig.4 New shoots diameter of different treats

2.3 不同滴灌帶布置方式對黃金梨形態(tài)指標(biāo)的影響

2.3.1 黃金梨果形指數(shù)的變化

生育期內(nèi)黃金梨的果形指數(shù)變化如表2 所示。各處理組的果形指數(shù)總體呈遞減的趨勢，說明黃金梨先縱向發(fā)育，后橫向發(fā)育。5 月初，CK 的果形指數(shù)最大，T2、T3 處理的果形指數(shù)大于T1 處理，說明CK組果實受灌水的影響最先進入發(fā)育階段，T2、T3 處理果實分別因保水性、根系吸水均勻性較好比T1 處理提早開始發(fā)育；進入7 月后，CK 組果形指數(shù)相較其他組降到最低；8 月開始，各處理組的果形指數(shù)均降到1.00 以下，最終穩(wěn)定在0.97～0.99 之間，說明滴灌帶布置方式未對黃金梨的形態(tài)造成顯著影響。

表2 生育期內(nèi)果形指數(shù)變化 Table 2 Changes of fruit shape index during growth period

2.3.2 黃金梨直徑日增長量的變化

圖5 為不同滴灌帶布置方式下黃金梨直徑日增長量。由圖5 可知，不同處理果實直徑日增長量在生育期內(nèi)均呈現(xiàn)“慢-快-慢”的趨勢。6 月中旬前，各處理果實均處于緩慢增長期，果實的直徑日增長量維持在0.26～0.34 mm 之間；6 月下旬到8 月上旬是果實快速膨大期，7 月中旬日均增長量達到最大值，其中T2、T3 處理達到0.92～0.94 mm，T1 處理顯著低于其他2 個處理，僅為0.79 mm，這可能由于6 到8 月期間，氣溫升高，地面雙行滴灌帶布置形式與其他2 組處理相比，土壤蒸發(fā)量明顯增加所造成的。進入8 月下旬，各處理果實直徑的日均增長量下降到0.12～0.17 mm，果實開始上糖和著色。這與薛曉敏等[21]所得結(jié)論一致。在整個生育期，T2、T3 處理平均的果實日均增長量大于CK 和T1 處理，說明地下雙行和地面環(huán)狀滴灌帶布置對黃金梨的生長更有利。

2.4 不同灌水下限和滴灌帶布置方式對黃金梨產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

2.4.1 不同滴灌帶布置方式對黃金梨產(chǎn)量的影響

不同滴灌帶布置方式下黃金梨單株產(chǎn)量和總產(chǎn)量的變化見圖6。不同滴灌帶布置方式下，T2 處理單株產(chǎn)量和總產(chǎn)量均顯著高于其他3 組處理，其中單株產(chǎn)量較CK、T1 和T3 處理分別增加7.83、7.44 和8.96 kg，總產(chǎn)量較CK、T1 和T3 處理分別增加6 531、7 677和6 198 kg/hm2，且差異顯著。2.4.2 不同滴灌帶布置方式對黃金梨品質(zhì)的影響

圖5 不同滴灌帶布置方式下黃金梨直徑日增長量 Fig.5 Daily growth diameter of golden pear of different drip irrigation belt arrangements

圖6 不同滴灌帶布置方式下黃金梨產(chǎn)量 Fig.6 Yield of golden pear of different drip irrigation belt arrangements

不同滴灌帶布置方式下果實的品質(zhì)指標(biāo)見表3。從表3 可以看出，不同滴灌帶布置方式對黃金梨品質(zhì)的影響不顯著。果實總氮量T2 處理最高，較CK 組提高了6.33%；可溶性固形物T1 處理最高，較CK組提高2.31%。還原型Vc 量，T1、T2 和T3 處理分別比CK 高13.10%、15.79%和11.39%，說明生育期內(nèi)過高的灌水量不利于總氮、可溶性固形物和還原型Vc 量的轉(zhuǎn)化合成。本試驗可滴定酸度結(jié)果從大到小依次為T2 處理>T3 處理>T1 處理=CK，說明滴灌帶地下雙行布置和地面環(huán)狀布置比地面雙行布置更容易導(dǎo)致可滴定酸在果實內(nèi)的集聚。果實品質(zhì)對不同滴灌帶布置處理未達到顯著性差異的原因可能是7、8月充沛的雨水量使各處理組土壤含水率整體上升，對果實成熟期的營養(yǎng)注入影響不明顯。

表3 不同處理果實品質(zhì)指標(biāo) Table3 Fruit quality of different treatments

2.5 不同灌水下限和滴灌帶布置方式對梨樹耗水特性及水分利用效率的影響

表4 為不同滴灌帶布置方式下黃金梨的耗水量及水分利用效率。從表4 可以看出，CK 在生育期內(nèi)耗水量最大，較T1、T2和T3處理高出43.5%～46.92%，且差異顯著；T1、T2、T3 處理的耗水量差異不顯著，說明滴灌帶布置方式對黃金梨耗水沒有顯著差異。

T2 處理水分利用效率最高，較T1、T3 處理分別提高31.87%和27.21%，與T1、T3 處理均存在顯著性差異，說明地下滴灌較地上灌溉，能夠減少地表蒸騰，灌入的水量更有效地保持在根系范圍內(nèi)供梨樹吸收，對水分的利用效率更高。

表4 不同滴灌帶布置方式下黃金梨水分利用效率 Table 4 WUE of different drip irrigation belt arrangements

T1 與T3 處理間差異不顯著，說明滴灌帶選擇地面雙行與地面環(huán)狀對黃金梨的水分利用效率沒有顯著影響。T1、T2 和T3 處理的水分利用效率與CK 相比，分別高出40%、84.62%和45.13%，且差異顯著，說明目前多數(shù)果園的灌溉水利用效率有很大的提升空間。

3 討 論

不同的滴灌帶布置方式會導(dǎo)致作物對水分的利用效果不同，進而影響到果樹根系的生長[22-23]。研究表明，作物的產(chǎn)量及水分利用效率與根系活力及根系對土壤養(yǎng)分的吸收有一定的內(nèi)在聯(lián)系[7,12]。

本研究以8 a 生黃金梨為試驗材料，研究地面滴灌帶布置和地下滴灌帶布置對產(chǎn)量品質(zhì)及水分利用效率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與地面雙行滴灌帶布置相比，地面環(huán)狀滴灌帶布置的黃金梨產(chǎn)量增加了6.28%，水分利用效率提高了3.81%。胡蘭等[8]、孔清華等[24]也得到類似的結(jié)果，證實了地下滴灌與地表滴灌相比，確實能提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。說明地下滴灌作為一種將水分直接輸送到果樹根區(qū)土壤的灌溉方式，能夠減少地表水分蒸發(fā)，顯著提高灌溉水的利用效率。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)地面單雙行滴灌相比，地面環(huán)狀滴灌帶布置處理在生育期內(nèi)耗水量減少了43.5%，產(chǎn)量增加了1.33%，水分利用效率提高了45.42%。這一結(jié)果與王志平等[10]的研究結(jié)果一致，即環(huán)繞滴灌對作物生長、產(chǎn)量和水分利用效率產(chǎn)生積極影響的類似結(jié)果。經(jīng)初步分析，滴灌帶采用環(huán)狀布置能夠節(jié)水增產(chǎn)的原因可能是環(huán)狀滴灌帶改變了水分在土壤中的分布，使水分均勻分布在果樹根系的四周，增大了果樹根系的吸水面積，減少了土壤無效蒸發(fā)，使得根系對水分利用率得到提高，促進了根系生長及地上部分的發(fā)育。但關(guān)于滴灌帶布置方式這方面的前期研究主要針對作物，而對果樹在該方面的研究相對較少，這也為今后的研究方向提供了一定的借鑒。

果實品質(zhì)方面，李憑峰等[25]研究表明，水分虧缺能提高櫻桃的Vc 量、可溶性固形物比例，降低可滴定酸度。本試驗也發(fā)現(xiàn)，灌水下限受到控制的地面雙行、地下雙行與地面環(huán)狀滴灌帶布置的處理組果實可滴定酸度較對照組提高了7.86%～8.57%，Vc 量較對照組提高了11.95%～15.79%，但可溶性固形物并未發(fā)現(xiàn)此規(guī)律，這可能與不同處理的土壤及施肥相同有關(guān)。

另外，本試驗僅研究了60%灌水下限下不同滴灌帶布置方式對黃金梨生長及水分利用效率的影響，未能將灌水因子考慮進去，探究不同滴灌帶布置的最佳灌水下限。且滴灌帶的布置方式中，地下滴灌帶的布置僅設(shè)置了地下雙行一種，而本試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)狀布置在節(jié)水增產(chǎn)方面要優(yōu)于雙行布置，基于此研究結(jié)果，下一步的研究中可增加地下環(huán)狀滴灌帶布置，再將滴灌帶布置方式與灌水下限進行耦合，探究在不同灌水下限控制下的不同滴灌帶布置方式對黃金梨各項生長指標(biāo)及最終產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的變化，以期為果園的高效管理提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

1）與對照組相比，地面雙行、地下雙行和地面環(huán)狀3 種滴灌帶布置方式在新梢長度和直徑、黃金梨的直徑日均增長量等生長指標(biāo)均得到不同程度的提高；產(chǎn)量和水分利用效率方面，地下雙行滴灌帶布置分別提高了32.61%、84.72%；地面環(huán)狀滴灌帶布置產(chǎn)量分別提高了1.33%、45.42%；地面雙行滴灌帶布置產(chǎn)量降低了4.88%，但總耗水量降低了46.92%，水分利用效率提高了40.08%。

2）與地面雙行滴灌帶布置相比，地面環(huán)狀滴灌帶布置的黃金梨產(chǎn)量增加了6.28%，水分利用效率提高了3.81%。

3）與地面環(huán)狀滴灌帶布置相比，地下雙行滴灌帶布置的黃金梨產(chǎn)量增加了24.77%，水分利用效率提高了27.03%。

4）綜合考慮增產(chǎn)和節(jié)水效益得出，地下雙行是最佳滴灌帶布置方式。滴灌帶布置方式地下雙行優(yōu)于地面環(huán)狀，地面環(huán)狀優(yōu)于地面雙行，地面雙行優(yōu)于地面單行。