調虧灌溉對地下滲灌甘藍產(chǎn)量、品質及水分利用效率的影響

祁 琦，孫兆軍，，朱文婷，禹 昭，李興強，何 俊

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川750021；2.寧夏大學資源環(huán)境學院，銀川750021；3.教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國際合作聯(lián)合實驗室，銀川750021；4.寧夏（中阿）旱區(qū)資源評價與環(huán)境調控重點實驗室，銀川750021）

0 引 言

甘藍具有抗寒，抗病，適應性強，儲運方便，產(chǎn)量高，品質好等特征。甘藍也具有養(yǎng)血，調理胃腸，提高抵抗力，增強記憶力，防癌抗癌，治便秘，開胃消化，抗衰老等保健功能，是我國東北最受歡迎的蔬菜，也是華北西北春夏秋冬的主要青菜之一[1]。

本地區(qū)干旱少雨、水資源總量嚴重不足、水利設施薄弱、農業(yè)用水利用效率低等水資源問題突出，扼制了當代農業(yè)發(fā)展的咽喉。如何根據(jù)現(xiàn)代節(jié)水農業(yè)發(fā)展的要求，調整產(chǎn)業(yè)結構，優(yōu)化灌溉模式，提高農業(yè)水利用效率，使農業(yè)用水高產(chǎn)高效，對寧夏地區(qū)現(xiàn)代農業(yè)經(jīng)濟發(fā)展有極其重要的現(xiàn)實意義。地下滲灌等新型農業(yè)灌水方式初步引入到蔬菜的生產(chǎn)中，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益[2]。調虧灌溉是一種較好的農業(yè)灌溉技術，其原理是將有限的水資源科學合理地分配到對產(chǎn)量影響較大，能產(chǎn)生較高經(jīng)濟價值的水分臨界期[3]。目前，有關調虧灌溉方面已有不少研究，但主要集中在谷類作物[4-6]上，在蔬菜上應用集中在番茄[7,8]和辣椒[9,10]上，葉菜類蔬菜有關調虧灌溉的研究相對滯后，而旱區(qū)目前鮮見此方面報道。因此，本試驗以北方常食蔬菜甘藍為研究對象，研究在甘藍不同生育期內設置不同的調虧灌溉方案進行地下滲灌對甘藍的產(chǎn)量、品質和水分利用效率的影響，篩選最適合的調虧程度和生育期，為寧夏干旱氣候區(qū)甘藍作物水分管理提供有效的指導依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年5月至8月在寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣金貴鎮(zhèn)牡丹花鄉(xiāng)的試驗田內進行（38°29′31″N，106°23′54″E），地處寧夏回族自治區(qū)銀川市東北，青銅峽引黃灌溉區(qū)中部，海拔1 000 m，屬溫帶大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差較大，多年平均氣溫9.7 ℃，夏季平均22 ℃左右；多年平均降水量138.8 mm，集中在6-9月，空氣相對濕度在70%左右。試驗地土質為壤土，肥力均衡。試驗地田間持水量23.12%（質量含水率），pH 值8.04，土壤容重1.43 g/cm3，有機質12.6 g/kg，全氮0.79 g/kg，速效磷15.3 mg/kg，速效鉀161 mg/kg。灌溉水源為淺水井水，水源距試驗點約為150 m。

1.2 試驗設計

供試甘藍品種為“中甘21”，于4月17日育苗，5月22日開始植苗，8月10日成熟后收獲。定植方式采用壟上單行種植，壟寬0.8 m，壟高0.2 m，株間距為0.3 m，南北行向；壟間距0.2 m，植株行間距1 m。試驗小區(qū)長6 m，寬2 m，面積12 m2。壟間人工埋置一條6 m 長滲灌管，埋設深度0.1 m，起壟前施復合底肥400 kg/hm2（N＞25%，P2O5＞6%，K2O＞9%，總養(yǎng)分＞40%）。壟上鋪設1.2 m 白色地膜，試驗施肥量、田間管理措施同一般大田相同。

供試管道選用本研究團隊自主研發(fā)全滲管道，管道主體為橡膠、聚乙烯等原材料生產(chǎn)的微孔全滲管道，管道內徑16 mm，外徑20 mm，滲水量為300～400 mL/(m·min)，管道水平埋設，采用風光互補發(fā)電提水技術[2]。灌水上下限和灌水量的精確控制采用GC-003 控制系統(tǒng)（上海艾美克有限公司）及其配套土壤水分傳感器等設備。根據(jù)甘藍的根系分布特征，在壟面下5、10、15 cm垂直埋設傳感器[11]。

試驗采用單因素隨機試驗，根據(jù)前人經(jīng)驗將甘藍的生育期劃分為：苗期、蓮座期、結球前期和結球中后期等4 個時期[12]。試驗設6 個水分虧缺處理和1 個對照處理（CK，全生育期充分供水），3 次重復，共設21 個小區(qū)。采用土壤濕度傳感器監(jiān)測土壤含水量，土壤水分控制到設計范圍內，當計劃濕潤層的土壤水分降低到設計下限時，通過智能灌溉控制系統(tǒng)控制，灌水到上限值。具體灌溉方案如表1所示。

表1 調虧灌溉甘藍處理方案Tab.1 Regulated deficit irrigation treatment plan for cabbage

1.3 觀測指標及方法

1.3.1 干物質

每次取樣選取3株生長均勻的植株，測量各生育期干物質累積量。將采樣后的植物帶回室內，用清水反復洗，多余的水用濾紙排干。烘干后稱量地上部與根部質量。

1.3.2 產(chǎn)量和經(jīng)濟系數(shù)

甘藍成熟收獲時，在每個小區(qū)選取長勢均勻的地方挖取單位面積（1 m2）的甘藍，帶回室內沖洗、晾干，最后換算成每公頃總產(chǎn)量。

式中：HI為經(jīng)濟系數(shù)；Y為經(jīng)濟產(chǎn)量，kg/hm2；Yb為地上生物量，kg/hm2。

1.3.3 品 質

選用精度為0.001 m 的鋼卷尺對甘藍橫徑、縱徑和中心柱長進行測定；選用精度為0.01 g的電子天平對甘藍葉片質量和單株球重進行測定。用下式計算甘藍葉球緊實度：

可溶性糖含量選用蒽酮比色法測定；VC含量選用鉬藍比色法測定。

1.3.4 水分利用效率

公式為：

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為經(jīng)濟產(chǎn)量，kg/hm2；ET為單位面積的耗水深度，mm。

式中：ET為耗水量，mm；P為降雨量，mm；I為灌水量，mm；ΔSWS為試驗初始土壤貯水量與試驗結束土壤貯水量的差值，mm；R為地表徑流量，mm；D為滲漏量，mm。試驗區(qū)地勢平坦，降水無徑流產(chǎn)生，且在計算深度內不存在滲漏，故R、D忽略不計。

1.4 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計

選用Microsoft Excel 統(tǒng)計數(shù)據(jù)和繪圖；IBM SPSS Statistics 22分析數(shù)據(jù)，差異顯著性檢驗選擇LSD和Duncan法，P=0.05。

2 結果分析

2.1 調虧灌溉對甘藍干物質積累和根冠比的影響

不同處理下各生育期的干物質積累和根冠比的變化情況見表2。在甘藍田間生育期內，干物質積累量逐步上升，在蓮座期內干物質積累量較??；在結球前期和結球中后期生長較旺盛，干物質積累量逐步增大。伴隨生育期的進程，干物質積累總量逐步加大，地上部和根干物質積累量逐步上升，并且在結球中后期趨向穩(wěn)定。對比發(fā)現(xiàn)，根干物質量、地上部干物質量在同生育期內不同水分虧缺處理間（T1 和T2、T3 和T4、T5和T6）差異顯著（P＜0.05），且根部干物質量均顯著高于CK 處理（P＜0.05）；地上部干物質量T2、T4、T6 顯著低于T1、T3、T5和CK（P＜0.05）。

表2 調虧灌溉對甘藍干物質積累量和根冠比的影響Tab.2 Effect of regulated deficit irrigation on dry matter quality and root shoot ratio of cabbage

甘藍在全生育期內的根冠比逐步下降，在T2處理時最大，在同生育期內表現(xiàn)為組間差異顯著（P＜0.05）；根冠比在結球中后期趨于穩(wěn)定，結球中后期T2、T4、T6 的根冠比較T1、T3、T5、CK顯著增高（P＜0.05）。

2.2 調虧灌溉對甘藍產(chǎn)量的影響

圖1 為不同處理甘藍單株球重變化情況；圖2 為不同處理甘藍經(jīng)濟產(chǎn)量和地上生物量的變化情況；圖3為不同處理下甘藍的經(jīng)濟系數(shù)變化?？梢钥闯?，T1 的單株球重最大，達到918.60 g，CK（911.43 g）、T5（900.43 g）、T3（898.03 g）次之，單株球重均在900 g 左右，相互差異不顯著（P＞0.05）；T2、T4、T6 的單株球重在810 g 左右，相互差異不顯著（P＞0.05），但與T1、T3、T5、CK 差異顯著（P＜0.05）。T1 的經(jīng)濟產(chǎn)量最高，達到了30 589.49 kg/hm2，CK（30 354.06 kg/hm2）、T5（29 984.43 kg/hm2）、T3（29 864.24 kg/hm2）次之，相互差異不顯著（P＞0.05）。CK 的生物學產(chǎn)量最大，達到44 358.81 kg/hm2，與T1（43 912.52 kg/hm2）、T2（43414.31 kg/hm2）之間差異不顯著（P＞0.05），但與其余處理差異顯著（P＜0.05）；T4（41 557.83 kg/hm2）和T6（40 933.02 kg/hm2）的生物學產(chǎn)量相對最低，顯著低于其他處理（P＜0.05）。

圖1 調虧灌溉對甘藍經(jīng)濟產(chǎn)量和生物學產(chǎn)量的影響Fig.1 The effect of regulated deficit irrigation on economic yield and biological yield of cabbage

圖2 調虧灌溉對甘藍單株球重的影響Fig.2 The effect of regulated deficit irrigation on the ball weight of cabbage plant

圖3 調虧灌溉對甘藍經(jīng)濟系數(shù)的影響Fig.3 The effect of regulated deficit irrigation on the economic coefficient of cabbage

T5 的經(jīng)濟系數(shù)最高，達到0.702 1，T3（0.699 9）、T1（0.696 5）次之，相對其余處理提升顯著（P＜0.05），其中較CK 提升了2.94%～3.25%；T4 和T6 處理之間差異不顯著（P＞0.05），T2的經(jīng)濟系數(shù)最低，為0.623 4。

2.3 調虧灌溉對甘藍品質的影響

2.3.1 調虧灌溉對甘藍物理品質的影響

圖4為不同調虧灌溉處理方案甘藍葉球橫、縱徑和中心柱長的變化情況；圖5為不同調虧灌溉處理方案甘藍葉球緊實度的變化情況；圖6為不同調虧灌溉處理方案甘藍幫葉比的變化情況。可以看出，T1、T3、T5、CK 對甘藍的橫、縱徑無顯著影響（P＞0.05），但T2、T4、T6 顯著地改變了甘藍的葉球橫、縱徑（P＜0.05）。不同調虧灌溉處理方案對甘藍的葉球緊實度的影響較為明顯，T3 的葉球緊實度最大，達到0.76 g/cm3，比CK（0.61 g/cm3）提升了24.60%。T6 和T4 的中心柱最長，達到6.35 cm 和6.18 cm，相對CK （5.91 cm） 增長了5.46%～8.36%，與其余處理差異顯著（P＜0.05），其余處理的中心柱均在6 cm 以下。T3 的幫葉比最小，為0.221 9，顯著低于其余處理（P＜0.05）。

圖4 調虧灌溉對甘藍葉球橫、縱徑和中心柱長的影響Fig.4 Effect of regulated deficit irrigation on the horizontal diameter，longitudinal diameter and center column length of cabbage

圖5 調虧灌溉對甘藍葉球緊實度的影響Fig.5 Effect of regulated deficit irrigation on compactness of cabbage

圖6 調虧灌溉對甘藍幫葉比的影響Fig.6 Effect of regulated deficit irrigation on the leaf ratio of cabbage

2.3.2 調虧灌溉對甘藍可溶性糖和VC含量的影響

從圖7 不同調虧灌溉處理甘藍可溶性糖含量的變化可知，T5的可溶性糖含量最高，達到7.66%，較CK（5.95%）提升了28.74%；T6次之，為7.21%，較CK 提升了21.18%；其余處理差異不顯著（P＞0.05），可溶性糖含量在處理間表現(xiàn)為T5＞T6＞T3＞CK＞T1＞T4＞T2。

圖7 調虧灌溉對甘藍可溶性糖含量的影響Fig.7 Effect of regulated deficit irrigation on the soluble sugar content of cabbage

從圖8 不同調虧灌溉處理甘藍VC含量的變化可知，T6 和T5 的VC含量相對最高，分別達到了151.69 mg/100 g 和145.36 mg/100 g，顯著高于其余處理（P＜0.05），較CK（127.72 mg/100 g）提升了20.8%和13.81%；T1（123.12 mg/100 g）、T2（127.07 mg/100 g）、T3 （126.13 mg/100 g）、T4 （126.39 mg/100 g）的VC含量同CK無顯著性差異（P＞0.05）。

圖8 調虧灌溉對甘藍VC含量的影響Fig.8 Effect of regulated deficit irrigation on the Vitamin C content of cabbage

2.4 調虧灌溉對甘藍水分利用效率的影響

圖9 為調虧灌溉各處理的累計灌水量；圖10 為不同調虧灌溉處理甘藍水分利用效率（WUE）的變化情況。可以看出，T3 的水分利用效率（WUE）最高，為143.56 kg/(hm2·mm)，較CK 提升了31.43%；T5 次之，為139.57 kg/(hm2·mm)，較CK 提升了27.78%，T3 和T5 無顯著差異（P＞0.05）。CK 的水分利用效率（WUE）最低，為109.23 kg/(hm2·mm)，均顯著低于其他處理（P＜0.05）。

圖9 調虧灌溉各處理的累計灌水量Fig.9 Cumulative irrigation volume of each treatment in regulated deficit irrigation

圖10 調虧灌溉對甘藍水分利用效率的影響Fig.10 Effect of regulated deficit irrigation on water use efficiency of cabbage

3 討 論

水資源匱乏是限制北方旱區(qū)農業(yè)發(fā)展最主要的環(huán)境因素，在提高水分利用效率的同時獲得較高的產(chǎn)量是農業(yè)生產(chǎn)的重中之重。地下滲灌栽培甘藍可將水分和養(yǎng)分精準地輸送到土壤中，降低土壤水分蒸發(fā)量，改善農田小氣候。本試驗研究發(fā)現(xiàn)：在甘藍的前期發(fā)育階段，水分主要用于構建其營養(yǎng)器官，此時輕度水分虧缺有利于甘藍的根系發(fā)育，增加甘藍的根干重，這與周亞婷[12]等、吳現(xiàn)兵等[13]的研究結果相似。

有研究[14-16]發(fā)現(xiàn)，調虧灌溉技術可以在一定程度上降低作物的灌水量，提升水分利用效率，保證經(jīng)濟產(chǎn)量穩(wěn)定，改善作物的品質。本研究發(fā)現(xiàn)，在甘藍各生育期內進行調虧灌溉會造成生物學產(chǎn)量的下降，且水分虧缺程度愈大，降幅愈大，對照組CK 的生物學產(chǎn)量最大（44 358.81 kg/hm2），蓮座期和結球前期輕度水分虧缺不會使總生物量明顯下降，其余處理均降低顯著，降幅為3.72%～7.72%（P＜0.05）。這與聞磊等[4]、莫江華等[17]的研究結果類似，充足的水分利于作物生物學產(chǎn)量的積累，水分虧缺會抑制作物生長，降低作物的生物學產(chǎn)量。

經(jīng)濟產(chǎn)量占總生物量的比值稱為作物的經(jīng)濟系數(shù)，作物的經(jīng)濟系數(shù)可以在一定程度上體現(xiàn)作物的生產(chǎn)水平[18]。適宜的水分虧缺可以提高作物的經(jīng)濟系數(shù)，但是過度的水分虧缺會嚴重抑制作物生長，使經(jīng)濟產(chǎn)量與生物學產(chǎn)量雙雙降低，導致經(jīng)濟系數(shù)下降。時學雙等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在春青稞不同生育期內，輕度至重度水分虧缺可提高作物經(jīng)濟系數(shù)和水分利用效率，但極度水分虧缺會導致最低的籽粒產(chǎn)量、經(jīng)濟系數(shù)和水分利用效率。本研究表明，在甘藍蓮座期和結球前期輕度的水分虧缺可以提高甘藍的經(jīng)濟系數(shù)，與對照組CK 相比，增幅為2.94%～3.25%，而重度的水分虧缺則會降低經(jīng)濟系數(shù)。這是由于重度水分虧缺會導致甘藍的細胞壁變堅硬，復水后難恢復，造成作物經(jīng)濟產(chǎn)量下降，降低了甘藍的經(jīng)濟系數(shù)。

張恒嘉等[20]對馬鈴薯進行研究，發(fā)現(xiàn)調虧灌溉在不顯著影響產(chǎn)量的情況下，使全生育期總耗水量降低，提升水分利用效率。本研究表明，T1 的甘藍經(jīng)濟產(chǎn)量最高，與T3 和CK 無顯著差異（P＞0.05）；T3 的WUE最高（143.56 kg/(hm2·mm)），較CK 提升了31.43%，是由于T3 在不顯著降低甘藍經(jīng)濟產(chǎn)量的情況下，減少了全生育期的耗水量，提升了水分利用效率。說明適時適度的調虧灌溉可以減少作物全生育期的總耗水量，提高作物水分利用效率，對作物產(chǎn)量的影響不大，探索節(jié)水與高產(chǎn)的平衡點。

在適宜的時期內對甘藍施以適度的水分虧缺既可以滿足甘藍的生長，確保產(chǎn)量，還可以改善甘藍的品質[21]。試驗研究發(fā)現(xiàn)，T3 的葉球緊實度最高（0.72 g/cm3），中心柱最短（5.81 cm），幫葉比?。?.221 9），顯著（P＜0.05）優(yōu)于CK；T5的可溶性糖含量最高（7.66%），VC含量（145.36 mg/100 g）僅次于T6，表明甘藍結球前期適度水分虧缺有利于甘藍葉球緊實、縮短中心柱、降低幫葉比；在甘藍結球中后期，較低的灌水量有利于提升甘藍可溶性糖和VC含量，且可溶性糖和VC含量伴隨灌水量的減少，先上升后下降，這與王鵬勃[22]等，馬彥霞[23]等，周亞婷[24]等的研究結果相似。

4 結 論

（1）在甘藍的蓮座期和結球前期，水分對甘藍的干物質積累影響顯著，T1、T3 對甘藍根部干物質和地上部干物質積累起促進作用，并且不會顯著影響甘藍的經(jīng)濟產(chǎn)量、單株球重等指標。

（2）在甘藍的結球前期，T3處理利于提高甘藍的葉球緊實度、降低甘藍的中心柱長，間接降低甘藍的幫葉比，提高甘藍的物理品質；在甘藍的結球中后期，T5 處理利于甘藍可溶性糖和VC的積累，提高甘藍的營養(yǎng)品質和口感。

（3）T3在經(jīng)濟產(chǎn)量、單株球重、可溶性糖含量和VC含量等指標與充分灌溉無顯著差異的條件下，灌水量降低了28.95%、水分利用效率提高了31.43%，改善甘藍了甘藍的物理品質；T5 在經(jīng)濟產(chǎn)量、單株球重、葉球縱徑、中心柱長、幫葉比等指標與充分灌溉無顯著差異的條件下，灌水量降低了25.09%、水分利用效率提高了27.78%，作物的可溶性糖含量和VC含量分別增加了28.74%和13.81%，改善了甘藍的營養(yǎng)品質。