微润灌溉水肥一体化对空心菜生长的影响

郭晗笑，申丽霞，孙雪岚，刘荣豪，牛 爽，樊 耀

(太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引 言

微润灌溉是目前国际上公认的最节水的灌溉技术，其用水量约为滴灌的20%～30%，节水达到70%以上，是当前国内外节水技术发展的重要方向[1]。微润灌溉是利用功能性半透膜作为灌溉输水管，以膜内外水势差和土壤吸力作为水分渗出和扩散动力，并根据作物需水要求，以缓慢出流的方式为作物根区输送水分的地下微灌技术，可以达到自动实时供水的目的[2,3]。

关于微润灌溉已有研究大多偏向于微润管埋深、间距、压力水头、交替周期等参数的变化对作物生长指标的影响及土壤水分分布[4-7]，水氮耦合对作物生理特性影响的研究大多集中在滴灌方向。研究表明：滴灌施肥条件下，增加灌水和施肥用量能提高作物产量[8]，适量施加氮肥有利于提高光合作用强度，增加干物质积累[9]。基于微润灌溉技术的基本原理和特点，微润灌溉水肥一体化系统可以使水肥同时输送到作物根区满足植物的生长需求。

前人关于微润灌溉还未研究水肥一体化的协同效应，作物对不同压力水头和不同施氮浓度的综合响应机制尚不清楚，缺少相关量化的具体试验研究数据。本实验针对不同的压力水头和施氮浓度对土壤含水率和作物的生长状况进行了研究，确定更适合空心菜高产的压力水头和施氮浓度组合，希望为微润灌溉水肥一体化技术的完善及普及提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该实验于2018年7月2日至7月31日在山西省太原理工大学万柏林校区进行。试验地位于山西中北部的太原盆地，北纬37°54′，东经112°33′，属温带季风性气候，四季分明，全年日照充足，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。降雨集中在七八月份，七月份平均降水量102.1 mm,平均温度23.4 ℃。土壤为壤土，播种前测定土壤密度为0.77 g/cm3，初始土壤质量含水率为8%。

1.2 试验处理

试验品种为空心菜，试验装置由播种箱(100 cm×100 cm×75 cm)、水箱(70 cm×35 cm×35 cm)、输水管(φ16PE管)、微润管、阀门组成(见图1)。空心菜采用行播方式播种，灌溉方式为地下微润灌。试验固定微润管埋深和间距，微润管埋深20 cm，间距25 cm，压力水头设置两个水平100 cm(H1)、150 cm(H2)，整个生育期内持续灌溉施肥，水肥同步，肥料为纯尿素，设置了3个水平500 mg/L (N1)、1 000 mg/L (N2)、0 mg/L(N0)，总共6个处理(H1N1处理、H1N2处理、H1N0处理、H2N1处理、H2N2处理、H2N0处理)，每种处理设置3次重复试验。空心菜行株距25 cm，每个播种箱播种4行，在整个生育期内微润管全开持续供水。

图1 试验装置图(单位：cm)Fig.1 Diagram of test device

1.3 观测项目及方法

1.3.1 土壤含水率

采用烘干法测量土壤含水率，每隔3天测量一次，取土深度为15 cm,取土位置在距离植株3 cm处，每行取3个土样，用电子秤称其湿重，放入烘箱在105 ℃恒温下烘8 h后称其干重，计算土壤含水率求其平均值。计算公式：土壤含水率=(土壤湿重-土壤干重)/土壤干重×100%。

1.3.2 株高、茎粗

播种第四天开始第一次取样，之后每隔3 d取一次植株样品，在每个处理每行选2株长势均匀的测量，株高用精度为0.01的卷尺从根部以上测量，茎粗用精度为0.01的电子游标卡尺测量。

1.3.3 植株鲜重、干重测定

每个处理每行选2株长势均匀的植株样本，由于空心菜是叶菜，将地面以上部分计入称量，用电子天平(感量为0.01 g)称其鲜重。采用烘干法测定植株干物质积累量，将植株样本放入烘箱在105 ℃下杀青20 min后，调至80 ℃恒温下烘干6 h至恒重，分别称其干重。

1.3.4 产量及氮农学效率

7月31日，进行最后一次测量试验，收取各筐作物，用电子秤称取每筐产量。氮农学效率计算公式如下：氮农学效率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量。

最终的试验数据采用Excel制图和分析。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率

由于本次试验空心菜根系主要分布在地表下0～15 cm土层，因此本次试验研究0～15 cm土层的土壤水分动态变化，从播种开始打开水箱阀门开始持续灌水，图2是土壤质量含水率的变化动态。土壤水分含量的变化趋势是在空心菜生育期前期较小，生育期中期逐渐增大，生育期后期缓慢降低，且生育期后期的土壤含水率大于前期的生长含水率。

在试验初期，由于土壤含水率较低，在膜内外水势差作用下，使得不同处理的土壤含水率迅速增加。空心菜播种0～13 d，H2N0>H2N1= H2N2>H1N0>H1N2>H1N1，150 cm压力水头比100 cm压力水头下土壤质量含水率要高，这是由于压力水头对微润管出流和水分入渗影响较大，水头增大，入渗界面处压力势增大，入渗速率加快，入渗量增多，空心菜根区土层含水率越大。另外，在空心菜生育期前期，生长速度较快，需水量较大，也是导致土壤含水率增大的因素之一。穆兴民认为[10]，水肥协同耦合是指某种因子数量上的不足可以从另一个因子获得补充，从而减小该作物因该因子不足造成的减产。这也解释了在生育期前期，不同压力水头下土壤含水率N0处理略大于N1、N2处理。随着持续灌水的进行，压力水头对土壤水分分布的影响逐渐变小，H2处理和H1处理下土壤质量含水率根据作物需水量均维持在20%～29%左右。由于空心菜在生育期中生长速度先增大后减小，又增大的趋势，土壤含水率的变化恰好验证了微润灌溉的原理，根据膜内外水势差及作物需水量达到自动实时供水的目的。

图2 不同处理土壤含水率变化图Fig.2 Change of soil moisture content in different treatments

2.2 株 高

图3为株高在不同施氮水平和压力水头下的动态变化曲线。在不同处理下，空心菜的株高变化曲线均呈“S”型。由方差分析可知,压力水头对株高有显著影响(P<0.5)。整个生育期H2N0>H1N0，H2N1>H1N1，H2N2>H1N2，H2处理下空心菜株高较大。在H1、H2各处理组中，N1、N2处理均大于N0处理，表明施加氮肥有助于株高生长，在空心菜生育期后期，株高增长速度较快，氮肥对株高增长的促进作用更加明显。

图3 不同处理平均株高变化图Fig.3 Change chart of average plant height under different treatments

其中，H2处理组中，在空心菜生育前期，N2 >N1，在生育期末，N1处理株高最高，达到66 cm，相比于N2和N0处理分别高出17.02%、20.77%。而在H1处理组，整个生育期中N2>N1>N0，N2处理株高最高，生育期末株高达到61 cm。在两种压力水平下，随着施氮浓度增大出现了不同的结果，说明水肥耦合对作物生长的影响明显。低水头条件下，施氮量增加有助于株高增长，高水头高浓度导致施氮量过高反而会抑制氮肥对株高增长的促进作用，但总体生长情况优于不施肥处理。因此，H2 N1处理是有助于株高增长的较优组合。

2.3 茎 粗

图4为茎粗在不同施氮水平和压力水头下的动态变化曲线。在不同处理下，空心菜的株高变化曲线均呈“S”型。茎粗随时间推移逐渐增大，播种0～16 d增长迅速，之后增长较平缓。不同施氮浓度对茎粗的影响不显著(P>0.5)，H2N0、 H2N1、H2N2处理无明显差别，H1N0、H1N1、H1N2处理无明显差别。不同压力水头对茎粗的有显著影响(P<0.5)，在整个生育期中，H2处理组>H1处理组。生育期末H2N0、 H2N1、H2N2处理平均茎粗分别为9.4、9.36、9.27 mm，H1N0、H1N1、H1N2处理平均茎粗分别为8.6、8.53、8.47 mm，因此，压力水头为150 cm时更有助于空心菜茎粗增长。

图4 不同处理平均茎粗变化图Fig.4 Changes of average stem diameter under different treatments

2.4 鲜重和干物质积累

图5显示了空心菜平均鲜重的变化规律。植株鲜重随时间推移逐渐增大，增长速度呈快-慢-快的趋势。不同压力水头和施氮浓度对鲜重和干物质积累影响显著(P<0.5)。分析可知，空心菜播种0～10 d，几种处理鲜重无明显差别。播种11～28 d，鲜重H2N0>H1N0，H2N1>H1N1，H2N2>H1N2，水分是获得作物高产必不可少的因素，150 cm压力水头更能促进作物增产。施氮浓度对鲜重增加有明显影响，不同压力水头下，空心菜播种11～22 d，鲜重N1>N2>N0，生育期末N2>N1>N0，两种压力水头下均呈现相同的规律。作物在生育期不同时期对氮的需求不同，因此相同的施肥浓度在不同时期规律不同，空心菜在生育期末生长速度快，对氮的需求较大，高浓度肥更有助于鲜重增加。

图5 不同处理平均鲜重变化图Fig.5 The change of average fresh weight in different treatments

图6显示了空心菜平均干物质积累的变化规律。空心菜播种22 d内，几种处理干物质积累量与鲜重变化规律与相近。在空心菜生育末， H2N2、H1N2植株干物质积累相近，且明显高于其他处理，H1N1 、H1N0、 H2N0干物质积累最少， N2处理更利于作物干物质积累。施氮量增加有助于增加净光合速率和蒸腾速率，促进作物生长和干物质积累[11]。生育期末植株鲜重H2N2>H2N1>H1N2>H2N0>H1N1>H1N0，H2N2处理鲜重最大，平均单株产量为54.825 g，干物质积累量4.135 g，整个生育期内单因素引起鲜重积累是水分作用大于施氮作用。

图6 不同处理平均干物质积累变化图Fig.6 The change of average dry weight in different treatments

2.5 氮农学效率

表1是H1N1、H1N2、H2N1、H2N2 4个施肥处理下的产量和氮农学效率，H1N0、H2N0两个不施肥处理的产量分别为2 148.4、2 380 g。氮农学效率H2N2>H2N1>H1N2>H1N1， H2N2处理氮农学效率为52.45 kg/kg，是H1N1处理、H1N2处理、H2N1处理的9.48倍、1.85倍、1.07倍。150 cm压力水头氮农学效率较高，1 000 mg/L施肥水平下氮农学效率较高，随着产量的增加，氮农学效率也随之增加。

表1 不同施氮处理的氮农学效率Tab.1 Nitrogen agronomic efficiency of different nitrogen treatment

3 结 论

目前，关于微润灌溉水肥一体化的研究还处于最初的试验阶段，微润灌溉体系下水肥对作物生长的协同效应还有待更多学者的深入研究。本实验设置了2个不同压力水头、3个不同施氮(尿素分析纯)水平，通过分析土壤含水率、株高、茎粗、鲜重、干物质积累、氮农学效率，得出结论如下。

(1)微润灌溉条件下，压力水头在播种后0～13 d对土壤水分分布的影响较大，150 cm压力水头较100 cm压力水头土壤质量含水率要高。

(2)不同压力水头及施氮浓度处理株高和茎粗均呈现“S”型趋势。压力水头为150 cm、施氮浓度500 mg/L株高最大。低水头处理组中，增大浓度可以促进株高增长，高水头高浓度导致施氮量过高反而抑制了氮肥对株高增长的促进作用。不同压力水头对茎粗的有显著影响，不同施氮浓度对茎粗的影响不显著，150 cm压力水头下各处理茎粗较大。

(3)当压力水头为150 cm、施肥量1 000 mg/L更有利于植株生长，该处理收获鲜重最大，产量最多，氮农学效率最高。

(4)施氮可以显著增加干物质积累,在压力水头相同的情况下，施氮浓度为1 000 mg/L的干物质积累明显高于500 mg/L。空心菜在生育期后期对氮的需求较大，在这一时期施加较高浓度的氮肥能显著提高植株鲜重和干物质积累。