基于自動灌溉模式的日光溫室黃瓜土壤水分參數(shù)設定

梁新書 廉曉娟 李友麗 王艷 韓永鋼 孫崧

摘? ? 要：為研究日光溫室黃瓜土壤水分自動灌溉參數(shù)，以日光溫室秋冬茬3個黃瓜品種（‘W9’，‘津優(yōu)35’，‘德瑞特721’）為研究對象，在結果期共設95% FC（田間持水量）、90% FC、80% FC、70% FC及60% FC 5個土壤灌溉下限處理，研究不同土壤水分下限自動灌溉處理對土壤水分、黃瓜產(chǎn)量及水肥利用率的影響。結果表明：從3個黃瓜品種表現(xiàn)看，‘W9’對水分處理響應不敏感，產(chǎn)量無顯著差異，而‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’黃瓜處理間的表現(xiàn)相對一致。當灌溉下限為95% FC和90% FC時，灌溉頻次增加，高土壤含水量并不會顯著提高黃瓜產(chǎn)量，但灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力都顯著下降;當灌溉下限為60%FC時，灌溉頻次下降，灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力會顯著提高，但土壤相對缺水使‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’黃瓜造成了一定減產(chǎn);當土壤含水量灌溉下限為70%FC及80%FC時，土壤水分基本維持在70% FC～100% FC范圍內，能保證較高的黃瓜產(chǎn)量和水肥利用率，可作為秋冬茬黃瓜自動水肥管理的合理灌溉參數(shù)。

關鍵詞：黃瓜;灌溉參數(shù);土壤水分傳感器;自動灌溉

中圖分類號：S274.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.012

Establishment of Soil Water Parameters for Cucumber in Solar Greenhouse Based on Automatic Irrigation Mode

LIANG Xinshu1， LIAN Xiaojuan1， LI Youli2， WANG Yan1， HAN Yonggang3， SUN Song4

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China; 2. Research Centre of Intelligent Equipment Technology of Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 3. Yongfeng Vegetable Planting Professional Cooperative of Binhai New District of Tianjin， Tianjin 300480， China; 4. Tianjin Youhe Agricultural Technology Service Limited Company， Tianjin 300061， China）

Abstract： In order to study the automatic irrigation parameters of soil water for cucumber in solar greenhouse， through taking three cucumber varieties （'W9'， 'Jinyou 35'， 'De Ruite 721'） in the solar greenhouse autumn-winter season as research objects， an experiment set five treatments of different irrigation lower limits during the fruiting period of cucumber， including 95% FC （field water holding capacity）， 90% FC， 80% FC， 70% FC and 60% FC， studying effects of different automatic irrigation treatments based on different soil water lower limits on soil water content， cucumber yield， water and fertilizer use efficiency. The results showed that from the performance of the three cucumber cultivars， 'W9' was insensitive to different water treatments and had no significant difference in yield， but the performances of 'Jinyou 35' and 'De Ruite 721' were relatively consistent between different treatments. When the lower irrigation limit of soil water content was 95% FC or 90% FC， the frequency of irrigation was raised， and the high soil water content did not significantly improve the cucumber yield， but the irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity decreased significantly. When the lower irrigation limit of soil water content was 60% FC， the frequency of irrigation decreased， although the irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity increased significantly， the relative lack of soil water caused a certain reduction in yield of 'Jinyou 35' and 'De Ruite 721'. When the lower limit of soil moisture irrigation were 70%FC and 80%FC， the soil water content was basically maintained in the range of 70%FC-100%FC， which could ensure higher yield and use efficiencies of water and fertilizer， and 70%FC-80%FC could be used as reasonable irrigation parameters for automatic fertigation of cucumber in autumn and winter season.

Key words： cucumber; irrigation parameters; soil water sensor; automatic irrigation

黃瓜是設施蔬菜生產(chǎn)中種植面積較大且經(jīng)濟價值較高的作物之一，但過量灌溉現(xiàn)象十分突出。傳統(tǒng)灌溉方式下50%以上的灌溉水滲漏到耕層以下，易造成水肥資源的浪費，節(jié)水潛力巨大[1]。目前，國內學者已從不同角度對設施蔬菜需水規(guī)律[1-3]、灌水量[1-2]、灌水頻率[3]、水肥耦合[4-5]、滴頭間距和流量[6]等節(jié)水高效灌溉指標進行了研究。隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展轉型和節(jié)水研究的不斷深入，對于規(guī)?；同F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)園區(qū)而言，自動控制的水肥一體化技術需求不斷增加，灌溉施肥機、傳感器灌溉等物聯(lián)網(wǎng)節(jié)水技術的研究也不斷涌現(xiàn)。目前，以色列、荷蘭等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家普遍使用土壤墑情監(jiān)測、自動化等先進節(jié)水灌溉技術[7-8]，但我國自動化灌溉技術起步晚，與國外差距還較大[9-11]。我國作物類型繁多、氣候環(huán)境多變、土壤條件復雜、區(qū)域性較強，具體作物的自動化灌溉參數(shù)尚缺乏系統(tǒng)研究。因此，本試驗以日光溫室黃瓜為研究對象，采用基于土壤水分實時監(jiān)測自動灌溉模式，研究不同土壤含水量下限對溫室黃瓜產(chǎn)量及水肥利用率的影響，旨在為黃瓜實現(xiàn)自動變量水肥管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試作物為黃瓜，3個黃瓜品種分別為‘W9’（天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所試驗品種）、‘津優(yōu)35’（天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司）、‘德瑞特721’（天津德瑞特種業(yè)有限公司）。3個品種均適宜保護地栽培，田間表現(xiàn)整體適應性強，結瓜和豐產(chǎn)性較好，綜合抗病能力強，植株長勢中等，瓜條生長速度快，水肥需求量較大。

1.2 試驗設計

試驗共分5個水分主處理，5個黃瓜結果期灌溉下限對應的土壤相對含水量分別為95% FC，90% FC，80% FC，70% FC，60% FC。不同黃瓜品種為副處理，在每個水分處理下定植進行。每個小區(qū)面積為3.9 m×7.5 m，每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列。每個水分處理3個畦，每個小區(qū)定植3個不同品種，每畦定植1個品種。不同水分處理用40 cm深的陽光板作為隔離。試驗采用的土壤水分傳感器自動滴灌控制系統(tǒng)由北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心試驗定制，能依據(jù)實時土壤水分含量進行閾值判定，決策灌溉。采用的土壤水分傳感器（SM8001）利用頻域反射法連續(xù)測定土壤體積含水量，此測量方法符合目前國際標準，能實時快速穩(wěn)定地反映土壤水分含量變化。

1.3 試驗管理

試驗于2017年9月6日—2018年1月13日在天津市濱海新區(qū)永豐蔬菜種植專業(yè)合作社日光溫室中進行。供試土壤為粘土，0～20 cm土層土壤有機質含量4.87%，水解氮含量243.9 mg·kg-1，有效磷含量391.0 mg·kg-1，速效鉀含量1 267.5 mg·kg-1，pH值7.44，全鹽含量2.92 g·kg-1，容重為1.05 g·cm-3，田間持水量（FC）為40.11%（體積含水量）。定植前按300 m3·hm-2用量撒施稻殼雞糞（N∶2.54%，P2O5∶2.5%，K2O∶2.6%），用旋耕機翻耕。做畦方式為傳統(tǒng)高平畦，畦寬80 cm，溝寬50 cm。兩葉一心的黃瓜幼苗于2017年9月6日定植，每畦2行，行內株距為30 cm，畦內行距40 cm，種植密度為51 300株·hm-2。

土壤水分傳感器滴頭正下方15 cm處（黃瓜根系主要集中在0～30 cm土層，此處是根系密集區(qū)）用于判斷灌溉是否開啟，每個處理在‘津優(yōu)35’栽培畦內配有1個土壤水分傳感器，傳感器均標定后使用，傳感器埋放位置的周邊區(qū)域應保證土壤均勻、畦面平整、植株具有代表性、滴灌平整并固定等。每次灌水定額為5 mm，每次施純氮濃度為140 g·m-3，氮磷鉀比例為1∶0.3∶1.5，肥料種類為尿素、磷酸二氫鉀和硝酸鉀。

所有畦均采用滴灌，滴頭間距為30 cm，每個滴孔對應1棵植株。試驗過程中除水肥管理不同外，其余田間管理均與當?shù)剞r(nóng)民常規(guī)管理一致。黃瓜定植后，根瓜處理開始灌水處理，處理前共灌水150 mm。2017年10月16日開始灌水處理，當天共灌水施肥2次，2018年1月13日處理結束。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 根層和拉秧后不同土層土壤水分測定? 土壤水分傳感器（SM8001）埋在滴灌管滴頭正下方15 cm處，實時監(jiān)測土壤體積含水量的變化，并且用于判斷各處理灌溉是否開啟，數(shù)據(jù)保存間隔為10 min。在黃瓜拉秧期取0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層土樣測定土壤質量含水量，含水量測定采用烘干法。

1.4.2 產(chǎn)量測定 每個畦收獲時用電子秤測產(chǎn)量，分別統(tǒng)計不同品種黃瓜產(chǎn)量，然后折算成每公頃產(chǎn)量。

1.4.3 水肥利用率測定 試驗結束后，統(tǒng)計各處理灌水量與施肥總量，計算水肥利用率。灌溉水利用效率為產(chǎn)量與灌水總量的比值;肥料偏生產(chǎn)力為產(chǎn)量與純N、P2O5及K2O投入總量的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，不同處理方差分析采用one-way ANOVA分析過程中的Tukey多重比較方法在P<0.05水平上進行。

2 結果與分析

2.1 水肥投入量比較

通過表1可以得出，95% FC，90% FC，80% FC，70% FC及60% FC 5個水分處理的結果期共灌水施肥分別為45，31，21，20，2次。由此得出，若使土壤含水量維持在較高的水平，就要增加灌溉頻次。相比于其他處理，70% FC和80% FC 2個處理的灌溉頻次及灌水量均處在中等水平。

2.2 根層土壤含水量動態(tài)變化

由圖1可知，在95% FC、90% FC和80% FC 3個處理下，每次灌水后土壤含水量呈增加—急劇下降—緩慢下降的趨勢。這是由于灌溉后土壤含水量超過田間持水量，數(shù)值的急劇下降與土壤孔隙間重力水下滲速度較快有關。土壤含水量緩慢下降的起點都在40%附近，此數(shù)值與基礎土樣田間持水量測定值吻合。70% FC處理土壤體積含水量在每次灌溉后的最大值基本都低于40%，說明該處理灌水后土壤含水量未達到田間持水量。60% FC處理在處理開始灌水2次后，黃瓜結果期再沒有進行灌水，說明根層水分的相對含水量并沒有下降到60% FC以下，由拉秧土不同土層土壤含水量分布的數(shù)據(jù)圖2可以得出，這可能是處理前灌水較多，傳感器下方的水分向上運移或作物利用了較深土層的水分等多種原因綜合導致的。另外，試驗基地地下水位比較高，地下水位埋深1.2 m，也是該處理下根層土壤水分一直下降不到60% FC以下的原因之一。

2.3 黃瓜產(chǎn)量及水肥利用率分析

從不同處理灌水施肥投入量來看，5個處理之間水肥投入量存在很大差異，但是黃瓜產(chǎn)量的差異在不同品種之間的響應卻不同。由表2可知，‘W9’黃瓜產(chǎn)量處理之間無顯著差異，對水肥處理響應不敏感，而‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’黃瓜在不同水肥處理之間的產(chǎn)量表現(xiàn)一致。從表2、表3和表4數(shù)據(jù)可知，增加灌水施肥投入量，維持高土壤含水量（95% FC和90% FC處理）并不會顯著提高黃瓜產(chǎn)量，并且水肥投入量的增加使灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力顯著下降。對于60% FC處理而言，水肥投入量過少，雖然利用了深層的水分，得到了非常高的灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力，但是黃瓜的產(chǎn)量在 ‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’卻造成了一定的損失，與70% FC處理相比，2個品種分別減產(chǎn)13.8%，11.7%。相比較而言，80% FC和70% FC 2個處理的灌水施肥量比較接近，既保證了高黃瓜產(chǎn)量，又保持了比較高的灌溉水利用率和偏生產(chǎn)力。相比較95% FC處理，70% FC～80% FC處理可節(jié)水32.0%～33.3%，節(jié)肥53.3%～55.6%，黃瓜產(chǎn)量在‘W9’、‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’3個品種無顯著差異，相應的灌溉水利用率分別提高56.0%～65.8%，48.2%～60.8%，35.7%～53.7%，相應的肥料偏生產(chǎn)力分別提高127.5%～148.8%，115.9%～141.1%，97.7%～130.5%。

3 結論與討論

黃瓜屬于高耗水蔬菜，需頻繁灌溉。目前生產(chǎn)中多采用經(jīng)驗灌溉或定時定量灌溉模式，這容易引起灌水過多或過少、灌水時期不適宜等不合理灌溉現(xiàn)象的發(fā)生。隨著設施農(nóng)業(yè)自動化水肥管理需求的不斷增加，確定基于土壤水分自動灌溉模式合理的參數(shù)是當前研究的熱點和難點。本研究得出，基于埋深在滴頭正下方15 cm處的土壤水分實時監(jiān)測進行自動控制灌溉在日光溫室黃瓜生產(chǎn)上是可行的。當土壤含水量灌溉下限為95% FC和90% FC時，會導致灌水施肥頻次增加，水肥投入量增加并不會引起黃瓜增產(chǎn)，可能的原因是秋冬季節(jié)日光溫室溫光環(huán)境相對較差，黃瓜生長緩慢，較高的土壤含水量水平會使根層溶氧量不足，進一步抑制產(chǎn)量的形成，從而導致灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力的下降[12-13]。

當土壤含水量灌溉下限為60% FC時，雖然灌溉頻次和水肥投入量都下降，灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力會顯著提高，但土壤相對缺水，造成了黃瓜一定的減產(chǎn)，此結論與前人研究結果相一致[14-16]。從3個黃瓜品種的表現(xiàn)綜合來看，當土壤含水量灌溉下限為70%FC～80%FC時，既能確保黃瓜高產(chǎn)，又能使灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力維持較高的水平，可能的原因是黃瓜根系主要分布在0～30 cm土層內，基于滴灌滴頭15 cm處土壤水分監(jiān)控的自動灌溉施肥模式可使土壤水分、養(yǎng)分與植株根系集中在根層，能有效保證空間一致性，土壤水分基本維持在70%FC～100%FC范圍內，促進黃瓜節(jié)水豐產(chǎn)，避免土壤水分過多或過少的現(xiàn)象發(fā)生[17-19]。

本研究證明，采用基于土壤水分實時監(jiān)測的自動灌溉模式，灌溉下限數(shù)值設置為70%FC～80%FC所對應的傳感器度數(shù)，此方法可使土壤水分保持在相對適宜的范圍內，徹底解決傳統(tǒng)定時定量灌溉模式的引起土壤水分過多或缺乏的問題，使作物水分管理更加科學合理。作物長勢、溫室環(huán)境、栽培措施等均影響黃瓜生長期間的耗水量，從而造成灌水間隔的不確定性。采用合理的土壤灌溉下限值結合小定額灌溉，能真正實現(xiàn)按照作物耗水量進行灌溉。隨著設施農(nóng)業(yè)機械化和自動化生產(chǎn)水平的不斷提高，此模式具有廣闊的應用前景。

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