微潤管埋深對設(shè)施黃瓜土壤水肥分布及生長和產(chǎn)量的影響

姜長松，劉玉春，楊志新，魏 歡，劉 猛，張 惠，王 寧

（1.河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設(shè)學院，河北保定071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，河北保定071001）

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(shù)，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(shù)發(fā)展的重要方向[1]。埋深是微潤灌溉應(yīng)用時需要確定的重要技術(shù)參數(shù)。已有研究表明微潤管埋深對土壤濕潤鋒、作物生長、產(chǎn)量、水分利用效率以及土壤鹽分累積等均有較大的影響。畢遠杰等[2]研究發(fā)現(xiàn)土壤濕潤鋒沿豎直向下的推移速度會隨埋深增加呈增加趨勢，而沿豎直向上和水平方向的推移速度呈先增后減趨勢；田德龍等[3]研究認為微潤管埋深為20 cm 更能促進向日葵的生長，顯著提高了向日葵產(chǎn)量和水分利用效率；賈騰月等[4]研究表明，微潤管埋深為20 cm時，充分灌溉的處理，在0～60 cm 土層內(nèi)土壤積鹽率最小。微潤管埋深通常需考慮田間耕作深度、土壤質(zhì)地和種植作物，埋的過深不利于作物生長，但埋的過淺又將無法滿足作物后期對水分的需求[5]，鑒于不同地區(qū)的氣候條件、土壤特性以及作物品種等不同，有必要對各地區(qū)不同作物微潤管埋深等技術(shù)參數(shù)進行研究，為該技術(shù)在生產(chǎn)實踐中進一步推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)指導。

本文以研究區(qū)域設(shè)施蔬菜生產(chǎn)普遍應(yīng)用的溝灌為對照，設(shè)置不同微潤管埋深進行設(shè)施黃瓜微潤灌溉試驗，探討微潤管埋深對設(shè)施黃瓜根區(qū)土壤水分和養(yǎng)分分布、設(shè)施黃瓜生長和產(chǎn)量及水氮利用效率的影響，為微潤灌溉技術(shù)在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用和保護地土壤鹽漬化的改良提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在河北省廊坊市永清縣瓦屋新莊村（39°13′53″N，116°25′41″E）的日光溫室中進行。該地屬大陸性季風氣候，多年年平均日照時間2 740 h，多年平均降雨量540 mm，多年平均氣溫11.5 ℃。試驗于2018年11月-2019年5月進行，試驗用日光溫室長90 m、寬7.5 m、頂高4.5 m，后墻為厚度0.8 m的土墻，為竹架結(jié)構(gòu)，覆蓋材料為聚乙烯膜。日光溫室內(nèi)土壤為砂壤土，表1給出了0～60 cm 土層的土壤物理和水力特性參數(shù)。黃瓜栽植前進行土壤取樣測試，土壤初始養(yǎng)分量為：有機質(zhì)7.02 g/kg、速效磷358.62 mg/kg、速效鉀449.33 mg/kg、堿解氮174 mg/kg、pH值6.96。

表1 供試土壤基本物理性狀及水力特性Tab.1 Basic physical properties and hydraulic characteristics of tested soil

1.2 試驗設(shè)計

微潤灌溉試驗，考慮微潤管埋深，設(shè)置15、25 和35 cm 3個試驗水平，分別記為ME1、ME2 和ME3，以研究區(qū)域設(shè)施蔬菜生產(chǎn)普遍應(yīng)用的溝灌為對照（CT），總計4 個試驗處理，每個處理設(shè)置3 個重復，共12 個試驗小區(qū)，其中微潤灌試驗小區(qū)采用隨機排列的方法進行布置，試驗小區(qū)長7 m、寬5 m，對照試驗小區(qū)布置在試驗小區(qū)兩側(cè)，長15 m、寬7 m。

供試黃瓜品種為博美170，采用溝壟種植模式，黃瓜栽植在壟上，壟寬40 cm， 溝寬85 cm，黃瓜株距25 cm。微潤灌處理采用單行微潤管控制單行作物的布置方式，微潤管埋置在黃瓜行所在的剖面上，土壤濕潤體是以微潤管為中心的圓形或橢圓形柱體[6]，每個試驗小區(qū)包括4壟8行黃瓜，共布置8條微潤管。

日光溫室微潤灌溉系統(tǒng)由水源、輸水支管和田間毛管3部分構(gòu)成。水源由蓄水池和供水水箱組成，水位高度2.2～3.0 m，設(shè)有水位控制器，可自動由蓄水池上水，并為田間微潤管提供所需要的供水壓力。試驗所用微潤管購自深圳市微潤灌溉技術(shù)有限公司，直徑16 mm，工作壓力范圍2～5 m，每24 h 出水量約為3～5 L。輸水支管由供水水箱輸水至田間微潤管，為直徑16 mm 的PE 管，通過口徑匹配的三通、彎頭、閥門、直通等管件連接田間微潤管。在田間末端設(shè)有自動排氣閥和手動排污閥。

試驗黃瓜2018年11月3 號定植，12月30日第一次采收，2019年5月27日采收結(jié)束。定植和緩苗統(tǒng)一采用溝灌灌水，一直到苗期后期不灌水，促使作物扎根。微潤灌處理待黃瓜緩苗后，開始進行微潤灌溉，采用間歇灌溉，灌溉制度根據(jù)黃瓜的需水需肥規(guī)律及相關(guān)研究[7,8]制定，每5～7 d 灌水一次，花期和初瓜期灌水15～20 h、盛瓜期灌水48～56 h、末瓜期灌水30～40 h。微潤灌處理在盛瓜期（3月14日），根據(jù)黃瓜長勢統(tǒng)一進行了一次溝灌以補充主根系深層水分，灌水18 mm，之后繼續(xù)采用微潤灌溉。微潤灌處理整個生育期共灌水21 次，累積灌水量267 mm。對照溝灌處理，根據(jù)當?shù)卦O(shè)施黃瓜生產(chǎn)經(jīng)驗，7～15 d 灌水一次，灌水定額20～26 mm，整個生育期共灌水15 次，累積灌水量422 mm。與對照溝灌相比，微潤灌溉累計灌水量減少了36.7%，微潤灌和對照的灌水量和累積灌水量見圖1。

圖1 試驗日灌水量及累積灌水量Fig.1 Cumulative plot of irrigation volume

黃瓜定植前施用底肥，包括有機肥（羊糞）7 萬kg/hm2，微生物菌劑3 000 kg/hm2。生育期內(nèi)結(jié)合灌溉進行追肥，微潤灌施肥是將肥料按比例溶解混勻后倒入供水水箱中，溝灌是將肥料溶解在罐里在渠道灌水時將肥料加在水中進行灌溉。追肥肥料為芳潤速溶性平衡肥（N、P、K 質(zhì)量比為20∶20∶20）和高鉀肥（N、P、K 質(zhì)量比為20∶10∶30），整個生育期，微潤灌溉共計施肥15 次，平衡肥用量為3 276 kg/hm2，高鉀肥用量為1 400 kg/hm2；溝灌共計施肥15 次，平衡肥用量為3 683 kg/hm2，高鉀肥用量為1 556 kg/hm2，微潤灌溉總施肥量較溝灌減少10.7%，試驗處理各生育期施肥量見表2。黃瓜生育期間，灌水施肥之外的田間管理與農(nóng)藝設(shè)施由日光溫室農(nóng)戶主人按照當?shù)爻Ｒ?guī)管理方法進行。

表2 試驗處理各生育期施肥量Tab.2 The amount of fertilizer applied in each growth period of the experimental treatment

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤水分和養(yǎng)分量

黃瓜定植后7、46、66、148 和194 d，即苗期、花期、初瓜期、盛瓜期和末瓜期進行土壤取樣，測定土壤的水分和養(yǎng)分量。每個試驗小區(qū)用土鉆取土，取樣深度100 cm，每20 cm一個土樣，按“Z”形采樣法采集5 個點（取樣點位于行間，距離植株5 cm）組成1個混合樣品，將土壤樣品裝入已標記的封口袋中密封帶回實驗室。所取新鮮土樣分成3份，一份采用烘干法測定土壤含水量，一份過5 mm 篩，混勻后稱取12 g，用100 mL 0.01 mol/L CaCl2浸提，震蕩1 h 后過濾，濾液用連續(xù)流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮量；另一份土樣置于通風陰涼處風干，檢除植物根系、碎石等，經(jīng)瑪瑙研缽研磨后依次過1和0.25 mm 篩得風干土樣，取風干土樣用0.5 mol/LNaHCO3和0.01 mol/LCaCl2浸提，用分光光度計比色法測定土壤速效磷量。

1.3.2 滲漏量

設(shè)施黃瓜種植過程中收集滲漏量采用原位淋溶桶設(shè)備，淋溶桶的接收面積是1.2 m2，淋溶桶內(nèi)安裝通氣管和抽液管，分別延伸到地表，抽液管一端連接取樣瓶，另一端連接真空泵[9]。利用真空泵和負壓瓶將收集器中的液體樣品抽吸到負壓瓶，測其體積。

1.3.3 黃瓜生長和產(chǎn)量

黃瓜定植后，每個生育期內(nèi)進行1～2次植株生長情況的監(jiān)測。測量時每個小區(qū)選取5株長勢相近的植株標記，量測的項目包括株高、莖粗和葉綠素量。株高用卷尺量測自冠頂最高點量測到地面的垂直距離，莖粗用游標卡尺在距離地面大約2 cm處量測，用葉綠素儀（便攜式SPAD-502）測定從頂芽數(shù)第三片葉的相對葉綠素量SPAD值。黃瓜收獲期，從初瓜期直至末瓜期，每次采摘按小區(qū)記錄黃瓜的產(chǎn)量，收獲期結(jié)束統(tǒng)計各試驗小區(qū)的黃瓜總產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)計算和分析

相對生長率能準確地反映作物的生長效率或生長潛勢，比較作物在相同時間內(nèi)的相對生長速率， 可以作為不同處理之間相對生長性能比較的有效定量指標[10]，株高和莖粗的平均相對生長速率RGR[11]的計算式為：

式中：W1為t1取樣時黃瓜株高（cm）或者莖粗（mm）；W2為t2取樣時黃瓜株高（cm）或者莖粗（mm）；t2-t1為間隔的生長時間（d）。

利用水量平衡法計算黃瓜耗水量，計算式為[12]：

式中：ETa為黃瓜生育期耗水量；I為黃瓜生育期總灌水量；P為降雨量，日光溫室內(nèi)無降雨，所以P=0；ΔS為0～100 cm 土體土壤儲水量的變化值；R為地表徑流，日光溫室微潤灌溉條件下無地表徑流，所以R=0；D為黃瓜生育期深層滲漏，設(shè)定為通過100 cm深度斷面上的水量。以上單位均為mm。

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計分析，采用Excel 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微潤管埋深對土壤水分及養(yǎng)分含量的影響

圖2為各試驗處理黃瓜不同生育期隨土層深度土壤含水率變化曲線，在花期，各處理取樣前14 d 灌水，微潤灌溉取樣前7 d 又進行一次灌溉，所以在土層0～80 cm，微潤灌溉含水率高于溝灌，但在土層80～100 cm，微潤灌溉含水率低于溝灌；初瓜期、盛瓜期和末瓜期各處理分別在取樣前2、7和1 d灌水，在土層80～100 cm，微潤灌溉含水率仍低于溝灌，說明微潤灌溉有效地減少了水分向土層80～100 cm 的運移。ME1、ME2 和ME3 處理整個生育期在土層0～60 cm 平均含水率分別為0.26、0.26和0.27 g/g，在土層80～100 cm 平均含水率分別為0.23、0.23和0.24 g/g，微潤管不同埋深之間差異很小。

圖3為不同試驗處理黃瓜各生育期土壤硝態(tài)氮分布圖。從圖3可以看出，不同土層土壤硝態(tài)氮差異較大，在全生育期隨土層深度呈先降低后增加的趨勢；微潤灌溉土壤硝態(tài)氮變化范圍為161.85～326.59 mg/kg，溝灌土壤硝態(tài)氮變化范圍為165.15～338.93 mg/kg；灌水方式和微潤管埋深對土壤硝態(tài)氮量影響均不顯著，但在土層深度80～100 cm，微潤灌溉處理土壤硝態(tài)氮的平均量比溝灌處理低1.9%～8.9%，說明微潤灌溉有減少深層土壤硝態(tài)氮的累積的趨勢。

圖4為不同試驗處理黃瓜各生育期土壤速效磷分布圖。從圖4可以看出，不同土層土壤速效磷差異較大，所有處理隨土層深度增加土壤速效磷量呈降低趨勢；微潤灌溉土壤速效磷變化范圍為137.37～417.48 mg/kg，溝灌土壤速效磷變化范圍為144.36～442.92 mg/kg；微潤管埋深對土壤速效磷量影響不顯著，灌水方式僅在末瓜期對土壤速效磷量影響顯著（F=4.180，P＜0.05）；在土層深度80～100 cm，微潤灌溉處理土壤速效磷的平均量比溝灌處理低6.2%～21.0%，說明微潤灌溉有減少深層土壤速效磷的累積的趨勢。

2.2 微潤管埋深對黃瓜株高和莖粗的影響

表3為各試驗處理黃瓜的株高和莖粗，由表3可知，隨著黃瓜的生長發(fā)育，所有處理的黃瓜株高和莖粗迅速生長；灌溉方式對黃瓜株高影響顯著，尤其是在定植后46 d，微潤灌溉平均株高為136.16 cm，比溝灌高5.2%；在定植后66、131和148 d，微潤灌溉平均株高比溝灌高2.2%～3.05%。在定植后46、66和131 d，微潤管埋深對黃瓜株高存在顯著影響，ME2和ME3 處理平均株高比ME1 處理高1.5%～5.7%；在定植后148 d，埋深對黃瓜株高影響不顯著，說明隨著黃瓜的生長發(fā)育，微潤灌溉處理間株高差異逐漸減少。灌水方式對黃瓜莖粗影響顯著，在定植后46、66、131 和148 d，微潤灌溉處理平均莖粗比溝灌處理高7.9%～11.2%；微潤管埋深對黃瓜莖粗影響顯著，ME2 和ME3 處理平均莖粗比ME1 處理高3.1%～7.6%。由此可見，微潤灌溉更有利于黃瓜株高和莖粗的生長，且微潤管埋深25和35 cm效果最佳。

圖5為各試驗處理黃瓜的株高、莖粗相對生長率，由圖5可知，黃瓜株高相對生長率隨著黃瓜的生長發(fā)育呈先升高后降低趨勢；ME1、ME2、ME3 和CT 處理黃瓜株高整個生育期平均相對生長率分別為0.033 8、0.032 9、0.032 8 和0.032 8 cm/(cm·d)，各處理較為接近。黃瓜莖粗相對生長率隨著黃瓜的生長發(fā)育呈降低趨勢；ME1、ME2、ME3 和CT 處理黃瓜莖粗整個生育期平均相對生長率分別為0.007 1、0.007 0、0.007 1和0.006 3 mm/(mm·d)，微潤灌溉處理明顯高于溝灌處理，比溝灌高了13.0%。

2.3 微潤管埋深對黃瓜葉片SPAD值的影響

表4為各試驗處理黃瓜葉片SPAD值，由表4可知，各處理下黃瓜葉片SPAD值隨著黃瓜生長發(fā)育的變化趨勢一致，葉片SPAD值呈先增加后減少再增加的波動趨勢；微潤管埋深對葉片SPAD值影響不顯著；灌水方式對葉片SPAD值影響顯著，在定植后46和66 d，微潤灌溉處理的平均葉片SPAD值比溝灌處理分別低5.1%和4.2%；到定植后131 d，不同處理葉片SPAD值無顯著差異；到定植后148 d，微潤灌溉處理的平均葉片SPAD值高于溝灌處理，微潤灌溉處理的平均葉片SPAD值為44.30，比溝灌處理高3.2%，由此可見，微潤灌溉有利于提高結(jié)果后的黃瓜葉片SPAD值。

圖3 各試驗處理不同生育期土壤硝態(tài)氮分布圖Fig.3 Distribution of nitrate nitrogen in soil at different growth stages in each experimental treatment

2.4 微潤管埋深對黃瓜產(chǎn)量、滲漏量、耗水量及水氮利用效率的影響

表5為各試驗處理黃瓜產(chǎn)量、滲漏量、耗水量及水氮利用效率，由表5可知，灌水方式對黃瓜產(chǎn)量影響顯著，微潤灌溉平均產(chǎn)量為237.33 t/hm2，比溝灌增產(chǎn)7.1%。微潤管埋深對黃瓜產(chǎn)量影響顯著，ME2 和ME3 處理平均產(chǎn)量為240.00 t/hm2，比ME1處理增產(chǎn)3.4%。

微潤灌溉能夠有效降低滲漏量，微潤灌溉處理比溝灌減少了55.6%，微潤灌溉平均耗水量為272.85 mm，比溝灌降低了20.5%；微潤灌溉處理顯著提高了水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力，水分利用效率比溝灌提高了33.3%，氮肥偏生產(chǎn)力比溝灌提高了20.1%。

3 討 論

微潤管埋深影響著土壤水分的空間分布以及土壤鹽分的淋洗情況[13]，進而影響到黃瓜的生長情況及產(chǎn)量。適宜的微潤管埋深可以精準的地將作物生長需求的水分直接輸送至根區(qū)，極大地減少了株間蒸發(fā)和深層滲漏量。灌溉量的減少能降低硝態(tài)氮向深層土壤的淋溶，而增加灌溉量，硝態(tài)氮向深層土壤運移的速度增加[14]。王志平[15]等研究認為，硝態(tài)氮在灌溉量少時，土層深部沒有累積，而灌水過多時下，硝態(tài)氮在土層深部聚集量較多。孫麗萍[16]等人研究表明，隨著灌溉量的減少，表層土壤硝態(tài)氮量呈增加的趨勢。本研究因為多年來該地塊養(yǎng)分、水分投入大，硝態(tài)氮、速效磷積累量大，不同處理間土壤硝態(tài)氮量差異不大。0～25 cm 土層黃瓜根系分布比例占全部根重的99%以上[17]，分布在土層0～30 cm 的土壤硝態(tài)氮大部分被作物所吸收，所以硝態(tài)氮隨土層深度呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。劉兆輝[18]等研究發(fā)現(xiàn)設(shè)施蔬菜土壤表層速效磷的量比露地土壤高出幾倍至幾十倍， 越往下層，設(shè)施與露地土壤有效磷的差距在減少， 速效磷的量逐漸降低，設(shè)施蔬菜土壤中有效磷量具有明顯的積累效應(yīng)， 這研究結(jié)果與本研究一致。

圖4 各試驗處理不同生育期土壤速效磷分布圖Fig.4 Distribution of available phosphorus in soil at different growth stages in each experiment

表3 各試驗處理黃瓜的株高和莖粗Tab.3 Plant height and stem thickness of cucumbers in each experiment

本研究表明，微潤灌溉比溝灌更有利于日光溫室黃瓜的生長，生育期耗水量明顯下降，產(chǎn)量和水分利用效率均有顯著提高，此研究結(jié)果與于秀琴[19]通過對比溫室微潤灌溉和溝灌灌溉對黃瓜生長和產(chǎn)量的影響試驗研究結(jié)果基本一致。本研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜的株高和莖粗均隨著微潤管埋深的增加而增大，原因是苗期黃瓜根系較淺，需水量小，微潤管埋深15 cm 短時間持續(xù)供水導致含水率過大，會抑制根系呼吸，進而影響植株生長，隨著黃瓜生長發(fā)育，根系向下生長同時需水量增加，此時開始體現(xiàn)出微潤灌溉的優(yōu)越性。相對生長率作為植株生長能力的重要指標[20]，通過相對生長率，可以看出灌水方式對作物生長的影響，蘭摯謙[21]等研究發(fā)現(xiàn)株高相對生長率呈先增加后降低的趨勢，這與本試驗研究結(jié)果一致，灌水方式對株高相對生長率影響不大。莖粗相對生長率始終呈下降趨勢，因為苗期莖粗增長較快，所以苗期莖粗相對生長率下降較慢，之后迅速下降，微潤灌溉更有利于黃瓜莖粗的生長。不同處理黃瓜葉片SPAD值各生育期的值存在差異，明顯受氣溫、光照等因素的影響[22]，本研究發(fā)現(xiàn)微潤灌溉有利于提高結(jié)果后的葉片SPAD值。就本試驗研究結(jié)果，微潤管埋深35 cm和25 cm時，黃瓜的生長及產(chǎn)量較佳，水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力最高，但本試驗僅進行一年，結(jié)果還有待進一步研究。

4 結(jié) 論

（1）灌水方式對土壤硝態(tài)氮量影響不顯著，對土壤速效磷量僅在末瓜期影響顯著；微潤管埋深對土壤硝態(tài)氮和速效磷量影響均不顯著，較溝灌微潤灌溉滲漏量降低了55.6%，且有減少土壤深層硝態(tài)氮和速效磷的累積的趨勢。

圖5 各試驗處理黃瓜株高、莖粗相對生長率Fig.5 Relative growth rate of cucumber plant height and stem thickness in each experiment

表4 各試驗處理黃瓜葉片SPAD值Tab.4 SPAD value of cucumber leaves in each test

表5 各試驗處理的黃瓜產(chǎn)量、滲漏量、耗水量及水氮利用效率Tab.5 Cucumber yield，leakage，water consumption and water and nitrogen use efficiency of each treatment

（2）灌水方式和微潤管埋深對黃瓜株高和莖粗均影響顯著，微潤灌溉更有利于黃瓜株高和莖粗的生長，且微潤管埋深25 和35 cm 效果最佳；微潤灌溉有利于提高結(jié)果后的黃瓜葉片SPAD值，不同埋深對黃瓜葉片SPAD值影響不顯著。

（3）微潤灌溉與溝灌相比，節(jié)水節(jié)肥效果顯著，微潤灌溉比溝灌節(jié)水36.7%，節(jié)肥10.7%，且增產(chǎn)7.1%；平均耗水量降低了20.5%，水分利用效率提高了33.3%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了20.1%。微潤管埋深對黃瓜產(chǎn)量影響顯著，ME2和ME3處理平均產(chǎn)量比ME1處理增加3.4%。