微润灌压力水头对土壤水分及青椒生长的影响研究

2017-03-21雷明杰孙西欢毕远杰郭向红马娟娟孔晓燕

节水灌溉 2017年6期

雷明杰，孙西欢,3，毕远杰，王坚，郭向红，马娟娟，孔晓燕

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2. 山西水利水电科学研究院，太原 030002；3.山西水利职业技术学院，山西运城 044004)

0 引言

微润灌溉是一种新型地下灌溉方式，相对于普通地面灌溉，微润灌具有提高水分利用效率、节省动力等优点[1]。压力水头是决定微润灌流量的关键性控制因素，在0～2.4 m压力水头范围内，微润带流量随压力水头的增加呈线性增加[2]。管带埋深是地下灌溉重要的因素，康银红认为管带埋深应与土壤性质、作物种类、耕作状况以及作物根系对土壤水分和土壤水分影响下的整个土壤生态环境的要求相适应[3]，这与Camp等的观点相同[4]。牛文全认为黏壤土微润灌溉最适埋深为15～20 cm之间[2]。任杰认为，对于不同作物，应有相适应的管带埋深，并应根据土壤导水率加以设定[5]。牛文全、张俊、薛万来等通过室内模拟试验在微润灌溉土壤水分分布方面做了相应研究[2,6-9]，李朝阳通过田间试验研究得出微润灌土壤水分在垂直方向上微润带下层土壤含水率大于上层土壤含水率[10]。在微润灌溉对作物生长影响方面，张群、陈天博、张子卓等分别对马铃薯、番茄等作物进行了研究，对微润灌溉条件下青椒生长的研究尚未见报道[11-13]。综上所述，当前针对微润灌溉的研究主要集中于微润灌水头与埋深的适宜范围研究，但研究成果多数受环境影响和制约的程度较大。本文即通过温室种植方式，研究了不同压力水头条件下青椒的根区水分变化规律及其生长情况，探讨了青椒微润灌条件下适宜的压力水头，以期为微润灌溉在温室种植中运行效率的优化设计提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2016年4-9月在山西水利水电科学研究院节水高效示范基地日光温室内进行。该试验基地位置为东经112°36′，北纬37°42′。试验地年平均气温9.6 ℃，无霜期170 d，年平均日照时数2 675.8 h，年降水量495 mm左右。试验土壤为黏壤土，0～60 cm土层内土壤平均容重为1.39 g/cm3，田间持水率为35%(体积含水率，下文所用含水率均为体积含水率)。试验地各层土壤基本物理性质见表1。

表1 土壤基本物理性质Tab.1 Soil physical properties

1.2 试验材料与设计

本次试验设置压力水头和管带埋深两种变量因素，压力水头设3个水平，分别为100、150、200 cm(下文分别以H100、H150、H200表示)，管带埋深设置2个水平，分别为10、15 cm(下文分别以D10、D15)。共6个处理，具体处理方案详见表2。其中每个处理重复3次，共计6个小区，每个小区面积为2.64 m2，各小区间距1 m。供试青椒品种为高思顿凯璐，定植时间为2016年4月12日，结束时间为2016年9月22日，株距60 cm，行距60 cm，每行种植青椒10株，青椒种植于微润带正上方。在青椒整个生育期内连续供水。

表2 试验方案Tab.2 Test plan

1.3 数据测试方法

(1)土壤含水率的测定：采用烘干法测量土壤含水率，分别沿管带水平距离0、 5、10、15 cm用1 cm 土钻进行取样，取样深度为40 cm，间距5 cm。

(2)株高的测定：青椒株高在定植后每10 d测定一次，每处理任意取3株，取平均值。株高采用钢卷尺从青椒基部量起。

(3)青椒产量的测定：定植83 d后，定期从各处理小区采收青椒，采用电子秤测取各小区的总产量。

(4)数据处理：采用Sufer12、Origin 8作图，Excel 2007做方差分析和公式拟合。

2 结果与分析

2.1 压力水头对土壤水分分布的影响

水分是作物生长发育的重要条件，探究微润灌溉条件土壤水分的分布情况，对研究微润灌溉的运行机理和实际应用都有着重要的意义。

图1为固定管带埋深15 cm条件下不同压力水头处理的土壤水分二维分布图。从图中可以看出，微润灌溉土壤在微润管周围含水率最高，距微润管越远土壤含水率越低，这个结果与薛万来[14]的研究相同。H100、H150、H200处理在微润管处含水量分别为34%、37%、38%；在水平方向80%田间持水率分别出现在距管6、7.5、9 cm处；在管带上方80%田间持水率分别出现在距管11、12、12.5 cm处；在管带下方80%田间持水率分别出现在距地面23、24、24.5 cm处；3个处理在距地表0～5 cm范围内的平均含水率分别为16.5%、16.8%、17%；10～20 cm范围内平均含水率分别为24.3%、26.3%、27.1%；25～40 cm范围内平均含水率分别为这是因为18.9%、21.1%、21.3%。随着压力水头的增加，微润管湿润的范围越大，平均含水率越高，这是因为，压力水头越大，微润管内外的势差越大，引起入渗界面势梯度增大，有增大入渗系数的作用[15,16]。入渗系数增大，则入渗流量增加，所以压力水头的增加，等湿润范围内的平均含水率随之增加。由于受到重力影响，所以在湿润范围内，距管等距离处下方土壤含水率大于微润管上方，这与牛文全的研究结果相同[2]。因此，在实际生产中，可以通过调节压力水头控制湿润范围，以适应作物不同生育期的根系分布，保证作物根系在湿润范围内，达到节水、高效的目的。

2.2 压力水头对青椒株高的影响

管带埋深分别为10、15 cm时，不同压力水头下青椒的株高变化图，如图2所示。方差分析显示不同压力水头对青椒株高增长有显著影响(P<0.05)。由图可知，压力水头为150 cm时青椒株高增长最大。管带埋深为15 cm时，H150处理的青椒株高增长到107.6 cm，H200处理的株高与之相近，比H150处理低0.3 cm。H100处理青椒株高最小，与H150处理相差5.9 cm。在整个生育期，H150、H200处理青椒株高呈现交替变化，但始终高于H100处理。从以上现象可以得出，埋深一定时，压力水头150 cm青椒株高增长最大，压力水头为 100 cm青椒株高增长最小。

图1 埋深15 cm不同压力水头下土壤水分二维分布图Fig.1 Depth at 15 cm soil moisture under different pressure head two-dimensional histogram

图2 不同压力水头下青椒株高变化Fig.2 Green pepper plant height under the different pressure head

在D15处理下，不同压力条件下的青椒株高动态变化过程均符合Logistic模型，拟合方程为：

(1)

式中：x为定植天数，d；y为在时间x的青椒株高，cm；A为拟合参数；B为青椒最大株高，cm；K为相对生长速率参数。各参数详见表3。

由表3可以看出，3种压力水头下，R2均大于0.98,说明Logistic模型能很好地拟合不同压力水头下青椒株高与定植时间的关系。

表3 D15不同压力水头青椒株高与定植时间关系的拟合参数表Tab.3 Different pressure head under D15 green pepper plantheight and engraftment time relations of fitting coefficient

通过对Logistic模型求一阶导数，得出株高增长速率随定植天数变化的方程：

(2)

由青椒株高生长速率随时间变化图(图3)可以看出，在生育前期，不同压力水头下青椒株高生长速率随压力水头的增加而增大。这是因为，生育前期青椒根系不发达，H200处理的湿润范围大且平均土壤水分含量较高，更容易让作物吸收，促进青椒生长。随着青椒的生长，不同处理间的差异逐渐缩小。这是因为，生育后期青椒根系生长成熟，分布范围增大，可以主动从微润管湿润范围内适时适量的吸收青椒生长所需土壤水分。

图3 不同压力水头下青椒株高生长速率随时间变化图Fig.3 Green pepper plant height growth rate under different pressure head variation over time

2.3 对青椒产量的影响

不同压力水头处理对青椒产量的影响，如图4所示。方差分析显示，压力水头对青椒产量增长具有显著影响(P<0.05)。由图可以看出，各处理产量差异均表现为H150>H200>H100。管带埋深为15 cm时，H150处理青椒产量为18 811.89 kg/hm2，高出H100处理20.9%；管带埋深为10 cm时，H150处理青椒产量为16 818.88 kg/hm2，高出H100处理16.5%。H150和H100处理间差异都达到显著水平。两组埋深设置下，压力水头为200 cm处理的青椒产量与H150处理差异不显著。本试验中，青椒生育期前期根系主要分布在地表5 cm附近，在此时H100处理0～5 cm平均含水率较小，对青椒产生了水分胁迫，随着青椒的生长，根系不断地延伸， H100处理虽能满足青椒生长的正常用水，但因为前期水分胁迫导致青椒产量下降； H150处理的湿润范围为半径15 cm的球体，与青椒根系分布范围相吻合，促进了青椒增产。除此之外，H150处理微润管湿润范围内平均土壤水分含水率达到田间持水率的72%，相关研究表明[17]，土壤含水量为田间最大持水量的70%～80% 时对青椒生长最为适宜。H200处理的湿润范围虽比H150处理的湿润范围大，但其微润管湿润范围内平均土壤水分含水率为74%，相较H150处理差异不显著，对产量的影响较小。

图4 不同压力水头下青椒产量Fig.4 Green pepper production under different pressure head

2.4 对青椒灌溉水利用率的影响

不同压力水头对青椒灌溉水利用率的影响，如图5所示。方差分析显示，压力水头对青椒产量增长具有极显著影响(P<0.01)。由图5可以看出，3个处理灌溉水利用率差异均表现为H100>H150>H200。管带埋深为15cm时，H100处理青椒灌溉水利用率为15.99 kg/m3，分别高出H200、H150处理33.2%和28.1%；管带埋深为10 cm时，H100处理青椒灌溉水利用率为14.07 kg/m3，分别高出H200、H150处理37.3%和28.8%，3组处理间差异都达到显著水平。管带埋深一定时，H100处理灌溉水利用率最高；压力水头越大灌溉水利用率越低。这是因为，压力水头越大，微润管出流量就越大，湿润体平均含水率越高，当作物生长需水量小于供水量时，土壤水分就会产生蒸发、渗漏等，减低了灌溉水利用率；当压力水头较小时，土壤平均含水率相对较低，土壤水分多数由作物吸收，避免了不必要的水分损失，提高了灌溉水利用率。