自动灌溉施肥模式对温室黄瓜产量及水肥利用的影响

张金良，梁新书，廉晓娟，杨 军，王正祥，张余良，王 艳

(天津市农业资源与环境研究所，天津 300192)

天津市位于华北平原东北部，年平均降雨量575 mm，农业用水占全市用水的50%，年缺水近8 亿m3，是一个资源型缺水城市。目前，天津设施蔬菜种植面积发展十分迅速，到2012 年，设施蔬菜面积已达到4 万hm,2[1]。但是，目前设施蔬菜生产大多采用大水大肥的管理模式。有研究结果表明，在经验畦灌条件下，灌溉水的50%～60%渗漏到耕层以下，大大降低了水的利用率，水利用率仅为30%～40%，浪费极为严重[2,3]，而发达国家农业水利用率可达70%～80%[4]；过量的施肥会引起土壤板结、酸化、盐渍化、地下水和大气污染等一系列问题[5-8]。这些对天津市设施蔬菜种植体系的可持续发展利用构成了很大的威胁。另外，传统灌溉施肥方式费力费时，所需劳动力成本在逐渐加大，加之农业生产经营方式、农业生产机械化水平等生产条件的变化，设施蔬菜现代化水肥管理的需求日益提升。因此，蔬菜水肥管理急需利用计算机技术、自动控制技术等高新技术创新和发展适应现代农业生产特点的农业节水节肥技术。以色列农业节水技术处于国际领先地位，智能控制温室滴灌水利用率可达88%，是世界农业节水的典范，因此，学习以色列先进的作物水肥管理技术，对解决天津水资源匮乏、菜田生态环境恶化及农业节本增效意义重大。所以，本研究在引进以色列先进的节水灌溉设备与技术的基础上，参考以色列专家的指导，结合本地区实际条件进行自动水肥管理，与传统水肥管理作比较，研究了2种灌溉施肥制度对日光温室秋冬茬黄瓜产量及水肥利用效率的影响，旨在探求适合本市设施蔬菜可持续发展的灌溉施肥模式。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年9-12月在天津市农业科学院现代农业创新基地日光温室中进行。该温室长度60 m，室内跨度8 m，后墙高3.5 m，脊高4.8 m，温室内具体的温光环境条件见图1。供试作物为黄瓜，品种为天津市科润黄瓜研究所研发的“308”，供试土壤为黏土，0～20 cm土层密度为1.15 g/cm3，田间持水量为35.2%。

试验共分2个处理：①手动简易灌溉施肥处理：采用文丘里施肥器，人工定时进行灌溉，灌溉施肥制度为天津市农业资源与环境研究所前期试验获得的黄瓜高效水肥管理技术；②自动灌溉施肥处理：引进以色列耐特菲姆公司福莱斯3G开放桶式施肥机，设定程序后每天定时定量进行自动供应水肥，自动灌溉施肥制度是借鉴以色列专家建议的黄瓜水肥管理技术，结合设施蔬菜需水肥规律[9-13]以及天津市本地条件所确定的。每个处理3次重复，每个重复小区面积为5.2 m×8.0 m。定植日期为2015年9月17日，黄瓜幼苗两叶一心。栽培方式为传统的畦栽，畦宽80 cm，沟宽50 cm，每畦2行，行内株距为40 cm，畦内行距40 cm，畦间行距为90 cm，种植密度为35 070 株/hm2。2处理均采用耐特菲姆公司生产的压力补偿滴灌系统，滴头间距为40 cm。2处理分别安装了精度为0.000 1 m3的水表，肥料种类为尿素、磷酸二氢钾、硝酸钾，氮磷钾比例为1∶0.3∶1.5。试验过程中除水肥管理不同外，其余田间管理均与当地农民常规管理一致，具体灌溉施肥制度见表1。

图1 试验日光温室内部光辐射强度与空气温度的状况

表1 日光温室秋冬茬黄瓜手动简易与自动灌溉施肥制度比较

1.2 测定项目与方法

(1)温室内部环境、表层土温以及土壤含水量的动态监测。每处理安装一个小型自动环境气象站(HOBO U30，ONSET-NRC，美国)，并配置相应的传感器利用数据自动采集器记录。光辐射强度(S-LIB-M003)及空气温度传感器(S-THB-M002)距离地面1.5 m；测量土温传感器(S-TMB-M006)埋深10 cm；土壤水分传感器(S-SMD-M005)在处理前埋深10 cm来监测0～10 cm土层体积含水量的变化，处理后埋深15 cm来监测5～15 cm土层体积含水量的动态变化。

(2)黄瓜的生长指标。处理后每隔7 d每小区选取3株代表性植株测定黄瓜的生长量。用米尺测量株高；用游标卡尺测量茎粗；记录叶片数；选取黄瓜最大叶片，测量其长度和宽度，最大叶面积根据黄瓜成熟叶片叶面积公式0.8796 7×长×宽-63.239 6计算可得。

(3)黄瓜产量的测定。分别统计每小区黄瓜的商品瓜、畸形瓜产量，折算成单产，并且记录每小区商品瓜条数，并折算成单位面积瓜条数。

(4)水肥利用效率的测定。分别记录各处理下黄瓜整个生长期的灌水与施肥总量，结合黄瓜产量计算水肥利用率。灌溉水利用效率为单位面积黄瓜产量与灌水总量的比值；氮肥偏生产力为单位面积黄瓜产量与纯N投入量的比值；磷肥偏生产力为单位面积黄瓜产量与P2O5投入量的比值；钾肥偏生产力为黄瓜产量与K2O投入量的比值。

1.3 数据处理

数据处理采用Excel 2010以及Spss 19.0。

2 结果分析

2.1手动灌溉与自动灌溉对土壤温度和含水量的影响

由土壤温度和水分数据图2可以看出，手动灌溉与自动灌溉施肥两者土壤温度没有显著差异，说明在灌水量控制的情况下，每天的自动灌溉施肥并不会引起土壤温度的降低。但是，两者的土壤水分变化存在一定的差异，手动灌溉处理下，土壤的体积含水量在灌水后急剧增高，然后缓慢下降，经过5～7 d，达到最低值，随后伴随着下一次灌水的到来又急剧升高缓慢下降，如此反复，土壤干湿交替，一个灌溉周期内土壤体积含水量变幅较大；而自动灌溉处理下，随着每天进行小额灌水施肥，土壤水分每天都有升高和下降，但土壤体积含水量变幅较小。例如，在10月13-20日，手动灌溉施肥处理的土壤体积含水量最大值为40.07%，最小值为35.19%，变幅为4.88%，而自动灌溉施肥处理的土壤体积含水量最大值为39.27%，最小值为36.37%，变幅为2.90%，变幅明显减小。说明相比于手动灌溉施肥处理，自动灌溉施肥处理土壤水分含量更加趋于稳定，可能会避免土壤水分过多或过少对作物生长所产生的不利影响。另外，在10月24日前后，自动灌溉施肥处理的土壤体积含水量表现为持续下降，这是由于整个试验基地供水系统出现故障引起的。

图2 手动与自动灌溉制度下土壤温度和体积含水量的动态变化 注：数据获得时间均在每日零点。

2.2 手动与自动灌溉对黄瓜营养生长的影响

从黄瓜生长指标数据(见表2)可以看出，与手动简易灌溉施肥处理相比，采用自动灌溉施肥处理对黄瓜的株高、茎粗、叶片数及最大叶面积均没有显著影响，随着处理时间的延长，差异仍然不显著。这说明自动灌溉施肥处理虽然减少了22.4%的灌水量，减少了30.4%的氮磷钾投入量，但由于按需每日供应水肥，可能增加了黄瓜的水肥利用效率，因此仍能保证其正常生长。

表2 手动简易与自动灌溉施肥对秋冬茬黄瓜生长指标的影响

2.3 手动与自动灌溉对黄瓜产量及产量组成的影响

由于温室黄瓜11月份遭遇连阴天及极端低温天气，温室最低气温已达到0 ℃，导致黄瓜生长受阻，最终黄瓜产量整体偏低。由图3可以看出，与手动简易灌溉施肥处理相比，采用自动灌溉施肥处理可以显著提高黄瓜的商品瓜产量及总产量(p<0.05)，两者分别提高11.1%及11.4%；畸形瓜产量两者无显著差异。由表3可以得出，与手动简易灌溉施肥处理相比，采用自动灌溉施肥处理可以显著提高黄瓜的平均单果重，对商品瓜瓜条数没有显著差异，这说明按照黄瓜需水需肥量采用自动灌溉施肥可以有利于各类物质向果实运移，进而提高单果重。

图3 手动与自动灌溉对黄瓜产量的影响

2.4 手动与自动灌溉对黄瓜水肥利用率的影响

由图4可以看出，与手动灌溉施肥处理相比，采用自动灌溉施肥处理可以显著提高黄瓜灌溉水利用效率和肥量偏生产力(氮肥、磷肥及钾肥)，分别提高43.6%和60.0%(60.0%、60.0%及60.0%)。这说明采用自动灌溉施肥虽然减少了水肥投入量，但按照黄瓜需水需肥量供应水肥，可以提高水肥利用效率。

表3 手动简易与自动灌溉施肥对秋冬茬黄瓜生长指标的影响

图4 手动与自动灌溉对黄瓜灌溉水利用率 和肥料偏生产力的影响

3 讨论与结论

不同的灌溉施肥措施会影响土壤中水分和养分的有效性及空间分布，进而影响作物的生长发育及产量的形成。对于传统水肥管理方式而言，种植者往往会一次投入大量的水肥来保证土壤水肥供应的充足，并且用较长周期的灌水施肥间隔来减少水肥供应次数去避免传统灌溉施肥操作费时费力。有研究表明，在一个灌溉施肥周期内，传统间隔水肥管理方式会使作物根层土壤的水分和养分含量前期过高，而后期有可能呈现亏缺状态，如此波动可能不利于作物的生长发育[14]。本试验结果表明，与手动灌溉相比，自动灌溉虽然减少了水肥投入量，但少食多餐的灌溉施肥模式使土壤水含量更加趋于稳定(见图2)，可能有利于作物对水肥的吸收，最终黄瓜株高、茎粗、叶面积以及叶片数生态指标并无显著差异(见表2)，这表明2种施肥方式均能满足黄瓜正常生长需求。

黄瓜的经济产量由定植密度、单株瓜条数及平均单果重组成，不同水肥措施可能会影响植株坐瓜数和单果重从而影响产量的高低与水肥利用率。与手动灌溉相比，自动灌溉无论是产量还是灌溉水利用率都是显著提高的(见图3、图4)，这可能是因为黄瓜根系浅，吸收水肥的能力相对较弱，自动灌溉模式按照黄瓜的水肥需求参数设定程序后，每天按时进行水肥供应，水肥能及时经根系吸收到植株中被利用，特别是盛瓜期，对水肥的需求更加的旺盛，自动灌溉每天及时补充水分和养分，更有利用于物质向果实中积累。另外，自动灌溉这种少食多餐的灌溉模式更能促进植株根系生长发育，有利于植株对水肥的吸收，这可能也是增产的原因[15]。

与手动灌溉施肥相比，自动灌溉施肥的优势之一就是省时省力省工，手动水肥管理需由种植管理者进行肥料溶解并查看水表进行定量灌溉，而自动水肥管理只需要种植者提前设定好灌溉施肥程序，不用人工看管，设定时间一到，施肥机自动运行，待灌溉施肥结束后，施肥机自动停止。灌溉施肥程序设定简单易学，并且一台施肥机能够控制园区10个以上棚的灌溉施肥，省去不少劳动力，从而减少劳务费的支出。虽然自动灌溉施肥模式节水节肥增产增效，省时省力省工，但由于自动化灌溉施肥系统价格比较昂贵，将其真正应用到田间管理的经济效益分析还需进一步论证。随着国产化经济型灌溉施肥系统的研发与改进，自动灌溉施肥模式会有很广阔的应用前景。

与手动简易灌溉施肥系统相比，采用自动灌溉施肥系统，按照黄瓜需水需肥规律每日供应水肥，可实现节水22.4%，节肥30.4%，在保证黄瓜正常生长的基础上，使根层土壤含水量更加稳定，显著提高黄瓜单果重，使商品瓜产量提高11.1%，灌溉水利用率提高43.6%，肥料偏生产力提高60.0%。但当异常天气出现时，按照黄瓜需水需肥规律进行自动水肥管理效果不理想，所以还需配备相应的土壤水分监测传感器进一步调整灌溉施肥决策，进而实现作物智能化水肥管理。

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