扶埂开沟膜下灌对温室番茄节水效应的研究

2018-10-12白清俊张明智袁宁宁

节水灌溉 2018年9期

詹汉，白清俊，张明智，袁宁宁，袁莹,2

(1.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室，西安 710048；2.华北水利水电大学，郑州 450000)

我国是水资源极度紧缺的国家，而农业用水占全社会用水需求的64.10%[1]，其中灌溉用水占农业用水量90%以上[2]，农业节水迫在眉睫。调查研究发现，传统畦灌和膜下沟灌为主要灌溉方式[3]，与微喷灌相比，地面灌具投资少，运行费低，操作管理方便[4]，节能省力、无需特定田间设施等优点[5,6]。对于宽行距作物适于采用沟灌，该技术减少地面湿润面积，增加土壤的通透性[7,8]，且沟灌能够侧向浸润土壤，使表层疏松不板结，对土壤结构破坏小[9]。

然传统沟灌亦导致设施蔬菜生产上存在着许多问题，如温度过低，湿度过大，病虫害频繁发生，产品产量和品质下降等[10]，此外，沟畦灌溉垂向渗漏大，灌水均匀度差，灌溉效率低下[11]。研究者又在沟灌基础上提出膜下沟灌这种具有节水、成本低、操作简单、灌溉效率高、增产作用显著等优点的新型地面灌溉技术[12]。地膜覆盖灌溉技术可以减少土壤水分蒸发，增加土壤温度，改善设施内环境，有效调节土壤盐分运动，保障作物正常生长[13-15]。但膜下沟灌这种方式未能改善传统沟灌深层渗漏这种缺陷。关于沟灌入渗很对学者对此进行了大量的研究。孙西欢等,在大量试验的基础上得出沟灌累计入渗量随着沟距和湿周的增大而增大，但随着侧向影响数的增大而减少[16]；张新燕[11]根据室内试验，分析了沟中水深、沟底宽、沟底导水率及土壤初始含水率对沟灌二维入渗特性的影响，结果表明：减小沟中水深和沟底导水率及增大土壤初始含水率都对湿润体运移有较大影响；聂卫波[17]等，发现沟中水深增大，侧向入渗面积大，有利于侧向入渗，其发生交汇的时间愈短。这些研究虽然都揭示了沟灌入渗规律，然在对于实际灌溉的应用研究鲜有见到。

综上所述，为了解决温室内沟灌的深层渗漏问题，本论文拟结合沟灌入渗特性，在膜下沟灌技术上进行改进，提高垄高，降低沟深，增加沟灌侧向入渗，即扶埂开沟膜下灌。以温室番茄为研究对象，通过扶埂开沟膜下灌与常规沟灌对比，分析该技术能否解决深层渗漏问题，并进一步提出该灌水方式的灌溉制度，为种植户提供科学可靠经济适用的示范样本。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年3-8月在西安市现代农业科技展示中心(108°88′E，34°07′N)温室中进行，该处属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温13.3 ℃，无霜期224 d，最大冻土深度20 cm，年平均降雪日为12 d，全年日照时间2 230 h，年平均降雨量650 mm，风速2～3级[18]。

试验温室(长30×82)南北走向，内设有自动气象观测站,供试土壤为沙壤土，采用马尔文激光粒度仪进行粒径级配测试(见表1)，经测定100 cm土层内平均田间土壤容重为1.45 g/cm3，田间持水量为19.8%(重量含水率)。

表1 试验土壤颗粒级配组成表

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组方式布置。以番茄5102为试验材料，试验设沟灌方式和灌水量两个因素，设计2种沟灌方式(常规沟灌和扶埂开沟膜下灌)，将番茄整个生育期分为3个阶段(苗期、开花坐果期、结果期)，对番茄3个生育期都进行适宜水分处理(水分控制下限80%FC)与水分亏缺处理(水分控制下限60%FC)。当计划湿润层土壤含水率低于水分控制下限时，进行40 mm灌水定额灌溉，见表2。共设8个处理，即FL1、FL2、FL3、FCK、CL1、CL2、CL3、CCK，前4个处理采用扶埂开沟膜下灌灌溉方式，后4个处理采用常规沟灌灌溉方式。FL1、CL1将在番茄苗期进行水分亏缺处理，FL2、CL2将在番茄开花坐果期进行水分亏缺处理，FL3、CL3将在番茄结果期进行水分亏缺处理，FCK、CCK作为对照试验将在番茄整个生育期内进行适宜水分处理。每个处理3次重复，共24个小区，小区面积3.4 m×1.2 m，随机排列并设有保护行，小区埋深0.6 m的塑料薄膜以防水分互渗，每小区定植20株番茄苗，株距38 cm，各处理采取的田间措施相同。2017年3月24日移栽，缓苗后全部蹲苗，每个处理灌以20 mm的定植水。番茄株高30 cm时使用细钢丝缠棵吊在室内钢丝架上。

表2 各处理灌水方案

注：土壤含水率下限以田间持水率的百分数计，上限均为田间持水率的100%。

扶埂开沟膜下灌起垄方式：在宽80 cm、高20 cm的垄上开沟，沟宽20 cm、高12 cm。两边垄肩宽度15 cm，地膜覆盖垄肩及灌水沟上侧平行于垄肩，作物在垄肩中心位置定植，一垄双行作物。垄沟内接受水肥供应，由软水管在垄端进行供水。

常规沟灌起垄方式：垄高10 cm，垄肩15 cm，灌水沟宽20 cm、高15 cm。2种起垄方式如图1所示。

图1 不同沟灌方式的起垄方式(单位：cm)

1.3 观测项目与方法

(1)土壤水分。采用烘干法测定土壤含水率。播前、全生育期和收获后进行测定，生育期内7 d测定一次，在垄上和灌水沟各取一个测点，从地表开始向下，每10 cm深度分为一层，一直测到80 cm。每层重复测定3次，取平均值作为该测点该层次的土壤含水量，灌水前后各加测一次。

(2)气象因子。利用温室内小型气象仪，观测温室内温度、湿度、光照强度等，在早、中、晚观测垄上及垄沟不同处理的不同土层温度。

(3)生长指标。①株高。各小区选取3株实行定株观测，以减少误差，用米尺从植株基部测量株高。②叶面积指数。番茄全部采摘完后进行破坏性取样，叶面积采用打孔称重法测定。

(4)产量及水分利用效率。每次采摘成熟果实后，均用精度为1 g电子秤测定果实产量。

作物水分利用效率WUE。指作物单位耗水量产量，用下式计算：

(1)

ETa=播前土壤储水量+灌水量-收割后土壤储水量

(2)

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/m3；Y为作物产量，kg/hm2；ETa为作物生育期耗水量，mm。

灌溉水利用效率IWUE。

(3)

式中：Y为各处理番茄的总产量，kg；I为生育期内灌水量，m3。

(5)数据处理。利用SPSS22.0进行均值误差分析，采用OriginPro9.0作图，差异显著分析采用F检验，显著水平设置为P<0.05，图表中数据除特殊标注外均为所有重复的平均值，为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同沟灌方式对番茄生长的影响

2.1.1 株高

由表3可知，在适宜水分处理下(FCK与CCK对比)，常规沟灌番茄最终株高较扶埂开沟膜下灌提高0.73%；在相同灌水定额400 mm处理下(FL1与CL3对比)，扶埂开沟膜下灌株高高于常规沟灌1.30%；在相同灌水定额440 mm处理下(FCK与CL2对比)，扶埂开沟膜下灌株高高于常规沟灌1.88%。在相同灌水定额下，不同灌溉方式(扶埂开沟膜下灌、常规沟灌)对温室番茄株高影响不大。

表3 不同处理对温室番茄株高的影响 cm

注:同列数据后字母表示差异显著性水平，P<0.05；下同。

在扶埂开沟膜下灌灌溉方式下，与适宜水分处理(FCK)对比，苗期亏水灌溉处理(FL1)温室番茄株高在苗期、开花坐果期与结果期分别减少6.52%、0.42%与0.93%；开花坐果期亏水灌溉处理(FL2)温室番茄株高在苗期、开花坐果期与结果期分别减少0.82%、6.21%与2.4%；结果期亏水灌溉处理(FL3)温室番茄株高在苗期、开花坐果期与结果期分别减少0.82%、0.21%与0.56%。苗期与开花坐果期内的亏水灌溉都对温室番茄该生育期株高生长有影响，与FCK相比，分别显著性降低6.52%、6.21%。但是苗期内的缺水灌溉，经过后期复水株高能够恢复，且与FCK最后的株高无显著性差异。而开花坐果期内的亏缺灌溉对温室番茄后期植株的增长一直存在着影响，即使后期水分处理为正常水平，但与FCK相比，后期株高显著性降低6.21%。结果期内的亏水灌溉对温室番茄株高影响不大。

2.1.2 叶面积指数

叶面积指数LAI是作物群体结构的重要指标之一。由图2可知，适宜水分处理，常规沟灌叶面积较扶埂开沟膜下高1.79%；相同灌溉定额400 mm处理下，扶埂开沟膜下灌叶面积指数显著提高于常规沟灌38.82%；相同灌溉定额440 mm处理下，扶埂开沟膜下灌显著提高于常规沟灌23.1%。故相同的灌溉定额下，扶埂开沟膜下灌叶面积指数较常规沟灌显著性提高。与FCK对比，FL1、FL2、FL3的番茄叶面积指数分别减少了5.28%、17.01%、30.79%。苗期亏水处理对温室番茄叶面积指数影响最小，而开花坐果期亏水处理与结果期亏水处理对叶面积指数影响较大，且达到显著水平。

图2 不同处理对番茄叶面积指数的影响

2.2 不同处理对产量以及灌溉水利用效率的影响

由表4可以看出，随灌水量增加，产量基本呈增加的变化趋势。在所有处理中，FCK产量最高为14.154 673 万kg/hm2，CL3(常规灌溉+结果期调亏处理)产量最低为9.878 056 万kg/hm2。适宜水分处理，扶埂开沟膜下灌产量较常规沟灌提高0.63%；相同灌水定额400 mm处理下，扶埂开沟膜下灌产量显著高于常规沟灌41.31%；相同灌水定额440 mm处理下，扶埂开沟膜下灌产量显著高于常规沟灌16.70%。在扶埂开沟膜下灌处理下，FL1的产量与FL2、FL3相比，分别提高了11.72%、29.38%，与FCK相比降低了1.30%。

由表4可以看出，灌溉水利用效率并不随着灌溉水的增加而提高。在所有处理中FL1灌溉水利用效率最高，CL3次之。适宜水分处理下，扶埂开沟膜下灌灌溉水利用效率显著高于常规沟灌18.93%；相同灌水定额400 mm处理下，扶埂开沟膜下灌灌溉水利用效率显著高于常规沟灌41.42%；相同灌水定额440 mm处理下，扶埂开沟膜下灌灌溉水利用效率显著提高于常规沟灌5.43%。在扶埂开沟膜下灌处理下，FL1的灌溉水利用效率与FL2、FL3、FCK相比，分别提高了0.54%、3.51%、8.56%。

表4 不同处理番茄产量和灌溉水利用效率的影响

2.3 番茄扶埂开沟膜下灌与常规沟灌的节水效果对比

由表5可知，扶埂开沟膜下灌较常规沟灌每1 m3水多生产番茄5.12 kg，生产1 kg番茄节水15.90%，扶埂开沟膜下灌的水分利用效率为31.679 kg/m3，常规沟灌的水分利用效率为26.477 kg/m3，与常规沟灌相比，扶埂开沟膜下灌水分利用效率提高了19.64%，耗水量减少了84.45 mm。扶埂开沟膜下灌方式的灌水沟横截面小且较浅，水分利于从两边坡面下渗，从而减少无效的深层渗漏量。灌水沟上面敷有地膜，可很有效地减少了植株的株间蒸发。

表5 不同沟灌方式的节水效果的比较

2.4 扶埂开沟膜下灌条件下灌溉制度的优化

从2.3节可知，与常规沟灌相比扶埂开沟膜下灌节水效果显著。由表6可知，FCK的产量最大，FL3的产量最低，而FL1的灌溉水利效率最高。FL1较FCK产量只减少了1.30%，然灌溉水利用效率提高8.56%，在不显著性降低了产量的同时，可显著提高了灌溉水利用效率。通过4种灌溉制度比较分析可得，扶埂开沟膜下灌最优灌溉制度为，温室番茄在结果期进行水分调亏，苗期灌水1次+开花坐果期4次+结果后期5次，灌水定额为40 mm，灌溉定额为400 mm。

表6 扶埂开沟膜下灌条件下灌溉制度比较

3 讨论

研究表明扶埂开沟膜下灌较于常规沟灌显著提高温室番茄的产量及灌溉水利用效率。与传统沟灌相比，扶埂开沟膜下灌增加垄高、降低沟深，水分在垄上运移时间增多，入渗湿润锋成扁平化，从而使水分利于从两边坡面下渗，与张新燕、聂卫波等[19,20]做出的研究结果基本一致，由此说明，减小灌水沟中水深有利于灌水沟的水平侧向入渗，同时可相应减小垂向入渗。由于灌水沟变浅，在温室大棚里水分蒸发会加剧，这样对室内环境、水分利用率都不利。故而借鉴前人对膜下沟灌的研究[21-24]，将灌水沟进行地膜覆盖，改明灌为暗灌。番茄定植后沟上铺膜进行露秧压膜。膜下沟灌因有地膜覆盖，棵间蒸发量减小，可有效的减缓地热扩散，保持地温，降低了空气湿度，能够有效地减少了病虫害的发生，与传统地面灌溉相比，节水增产效果将更加显著。本试验表明扶埂开沟膜下灌有不错的节水效果，在温室大棚内与传统沟灌相比较，每生产1 kg番茄省水15.9%，水分利用效率提高了19.64%。扶埂开沟膜下灌在实际推广中，这种方法简单易于操作且成本较低，容易被生产劳动者所接受。

扶埂开沟膜下灌对温室番茄苗期进行亏水处理(灌溉下限为田持的60%)，是比较适宜的节水灌溉方式。温室番茄苗期植株由于刚进行移栽定植，受到较大的扰动，根系吸收水分、养分的能力还在慢慢恢复中，若在此时适当的进行调亏处理，不但可以减少养分的淋失，还能促进根系深扎，抑制支稍徒长，使后期植株能够吸收到深层土壤水分，提高水分利用率。本试验研究还发现，在扶埂开沟膜下灌方式下，与充分灌溉相比，对温室番茄苗期进行亏水处理，番茄产量只减少了1.30%，而灌溉水利用效率却提高了8.56%，在不显著性降低产量的同时，可显著提高了灌溉水利用效率。由于在开花坐果期，番茄从营养生长为主过渡到生殖生长与营养生长同时进行的转折期，若是在此时期对番茄进行调亏处理，会对番茄产量造成一定的影响。试验表明，与充分灌溉相比，对温室番茄开花坐果期进行亏水处理番茄产量会降低11.66%，但灌溉水利用效率能提高7.98%，由于番茄开花坐果期时间较长，可调控余地大，节水潜力较大。在番茄结果期，番茄主要进行生殖生长，大部分果实处于膨大期，生殖生产十分旺盛，加上此时期气温升高，植株需水量增大，若此时对番茄进行亏缺灌溉，番茄产量会显著性降低，与充分灌溉相比，产量减少23.71%，而灌溉水利用效率也仅仅提高了4.89%。所以此时期不易对温室番茄进行调亏处理。在苗期对番茄进行调亏处理，其对番茄产量影响较小，灌溉水利用效率最大，植株对土壤水分胁迫反应不敏感，我们称之为不敏感期。可以说番茄节水灌溉的有效时期是苗期。而结果期是土壤水分的敏感期，这一时期番茄渐渐成熟需要的水分营养也逐渐增多，且6月之后气温升高，植株的蒸腾蒸发量也将增多，这时要出现干旱，对产量的影响较大。对于开花坐果期，若出现土壤水分胁迫，对产量也有一定的影响，但影响不大。但也有研究认为在开花坐果期进行适度的亏水处理是温室番茄最适宜的灌溉方案[25]，这可能由于亏水程度不同、种植时间不同和番茄品种不同所致。

扶埂开沟膜下灌在实际推广中，这种方法简单易于操作且成本较低，容易被生产劳动者所接受。部分生长、生理特性指标均优于常规沟灌，但显著性差异不大，可能是由于扶埂开沟膜下灌的灌水量偏小，还可能由于本试验仅为一年数据，受气候光照等因素影响较大，有待于进一步进行多年试验论证。