地下渗灌不同埋深对大田茄子产量和水分利用效率的影响

李兴强，孙兆军,，曾玉霞，李梦刚，何 俊，韩 磊

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏大学资源环境学院，银川 750021；3.教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，银川 750021；4.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控重点实验室，银川 750021)

0 引 言

地下渗灌是将灌水器或灌溉管道埋于作物根系活动层，根据作物的生长需水量定时定量地通过毛细管或微孔向土壤渗水，满足作物对水分需要的一种灌溉模式[1-4]。相较于地面灌溉，地下灌溉可以更精准的控制灌水量，减少水分的蒸发损失，提高灌溉水利用效率，还可以实现水肥一体化，改善土壤环境，增产增收，被认为是最佳的灌水技术之一[5]。在地下灌溉系统中，毛管埋置深度的不同会导致土壤中的水分运移和分布产生差异，影响作物根系的生长和对水分养分的吸收利用，进而影响产量。庄千燕[6]研究发现，流量和灌水时间一定时，随着埋深的增加，湿润锋在水平方向的运移距离减小，在垂直方向上增大(埋深20 cm显著高于其他处理)。冯棣[7]等在滴灌带埋深为30 cm的条件下，研究地下滴灌不同土壤水分处理对马铃薯产量和灌溉水利用效率的影响，研究发现土壤基质势下限为-30 kPa时取得最佳灌溉效果。前人关于地下灌溉的研究，大多侧重于地下滴灌[8-11]，关于地下渗灌对作物影响的研究报道较少。为此，本试验针对宁夏引黄灌区气候条件，设置不同地下渗灌埋深和不同灌溉定额，通过分析不同埋深和不同灌溉定额对茄子生长发育、产量和水分利用效率的影响，探索最佳地下渗灌埋深和相应的灌溉定额。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在宁夏银川市永宁县和顺新村试验站内进行(北纬38°22′，东经106°09′)，该地区处于宁夏银川平原中部，海拔约1 075 m，多年平均气温8.6 ℃，无霜期160～170 d，多年平均日照3 024 h。该地区属暖温带大陆性季风气候区，干旱少雨，蒸发强烈。多年平均降水量201.6 mm，且全年降水分布极为不均，主要集中在7、8、9月，多年平均水面蒸发量1 882.5 mm。试验区土壤的机械组成为：沙粒占91.4%，粉粒占8.45%，黏粒占0.15%，根据土壤质地划分标准可知试验区土壤为壤质沙土，0～60 cm土层田间持水率(FC)和土壤容重分别为16.51%和1.64 g/cm3，具体如表1所示。

1.2 试验设计

试验茄子供试品种为“二苠茄”，2019年5月6日种苗，成熟后分批采摘，种植前底施复合肥525 kg/hm2。本试验采用二因素三水平的试验方法。因素D分为0(D1)、10(D2)、20 cm(D3)3个埋深水平，因素W分为1 750(W1)、2 250(W2)、2 750 m3/hm2(W3)3个灌溉定额水平，共9个处理，每个处理重复3次。试验中灌溉定额依据当地灌溉经验值和学者研究理论值进行设计，具体试验设计见表2。

表2 试验设计

本试验采用单垄单行种植模式，垄宽0.6 m，垄高0.25 m，垄心距1.0 m，株距30 cm，行向为南北向，种植密度48600株/hm2，中间埋置一条渗灌管，种植示意图如图1所示。每小区2垄，小区长4.0 m，宽2.4 m，小区面积9.6 m2，小区间设1.5 m宽隔离带，共9个小区。供试渗灌管道采用自主研发的全渗管道，全渗管规格为：内径φ20 mm，流量12 L/(m·h)。试验统一施90 kg/hm2的磷肥、135 kg/hm2的钾肥和180 kg/hm2的氮肥。其他田间管理措施与一般大田相同。

图1 种植示意图

1.3 观测指标及方法

(1)作物生长指标。在茄子定苗后，每个处理选取5株代表植株进行生长指标监测，每10 d测量一次。株高采用精度为1 mm的卷尺测量，茎粗采用精度为0.02 mm的游标卡尺通过十字交叉法测量。茄子拉秧后每个处理取样3株测量地上部分干重，所取样品在105 ℃下杀青1 h，70℃下烘干8 h至恒重，用精度0.01 g电子天平称重。

(2)土壤含水率。采用传统土钻法在茄子各生育时期前后分别在各试验小区取3个点，分别对0～20、20～40、40～60 cm土层取样，用烘干法测其土壤含水率。

(3)产量。作物成熟后，按小区分批进行测产，最后折合成每公顷产量。

(4)作物耗水量。公式为：

ET=P+I+ΔSWS-R-D

(1)

式中：ET为耗水量，mm；P为植物生育期降雨量，mm；I为灌溉量，mm；ΔSWS为生育期开始时土壤贮水量与生育期结束时土壤贮水量之差，mm；R为地表径流量，mm；D为耕层土壤水的渗漏量，mm。

本试验条件下，R和D可忽略不计。

(5)水分利用效率。公式为：

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y为茄子产量，kg/hm2。

1.4 数据分析统计

试验用Microsoft Excel 2010对原始数据进行处理和作图，用SPSS 17.0软件进行多重分析(LSD)和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 地下渗灌管不同埋深和不同灌溉定额处理对茄子株高、茎粗的影响

不同渗灌埋深和不同灌溉定额处理对茄子株高和茎粗的影响如图2、图3所示。

图2 不同灌溉定额和不同埋深对茄子株高的影响

图3 不同灌溉定额和不同埋深对茄子茎粗的影响

由图2可知，各处理株高变化趋势相同，定苗后20～40 d内茄子株高增长迅速，50～70 d内株高增速逐渐降低。方差分析表明，定苗后30 d内各处理对株高的影响不显著；50～70 d时，各处理茄子株高差异显著，最终表现为T8>T7>T9>T5>T6>T4>CK>T2>T1>T3。其中，T8处理株高最大，为90.4 cm，T1处理株高最小，为67.8 cm；

由图3可知，各处理茄子茎粗变化趋势相同，茎粗随定苗后天数的增加而增大。茄子定苗后10～20 d时，各处理茎粗差异不显著；定苗后30～50 d时，T5处理茄子茎粗增速加快，最终达到27.46 mm；茄子定苗后50～70 d时，T5处理茄子茎粗始终表现最好，其次是T8处理。

2.2 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对茄子干物质积累量的影响

由图4可知，各处理茄子总的干物质积累量表现为：T8>T9>T7>T5>T6>T4>T3>T2>T1。

图4 不同灌溉定额与不同管道埋深对茄子干物质积累量的影响

在灌溉定额为1 750 m3/hm2(W1)条件下，茄子干物质积累量随管道埋深的增大而增大，表现为D3>D2>D1。在灌溉定额为2 250 m3/hm2(W2)和2 750 m3/hm2(W3)条件下，茄子干物质积累量随管道埋深的增大先增大后减小，渗灌管道埋深10 cm处理明显优于其他2个埋深处理。相同管道埋深处理下，干物质积累随着灌溉水量的增加而增加，即W3>W2>W1，其中T8处理干物质积累总量最大，为12 233.82 kg/hm2，与其他处理差异著性。根、茎、叶的干物质积累量均为T9处理最大，果实干物质积累量T8处理最大，为8 889.74 kg/hm2。

如图5所示，就干物质分配而言，T5处理果实干物质分配比例最大，为73.71%，T8处理次之，为72.65%。就不同器官而言，各处理果实干物质分配比例均为干物质中最大，都达到68.71%以上。相同埋深处理下，随着灌溉水量的增加，果实干物质分配比例增加；相同灌溉定额下，埋深10 cm处理果实干物质分配比例最大。

图5 不同灌溉定额与不同管道埋深对茄子干物质分配比例的影响

2.3 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对茄子产量的影响

不同埋深和不同灌溉定额处理对茄子产量的影响如表3所示，不同处理下茄子产量表现为：T8>T7>T9>T5>T6>T4>T3>T2>T1。

表3 不同灌溉定额与不同埋深对茄子产量的影响

注：括号外面字母表示相同灌溉定额条件下不同管道埋深处理间的差异性检验结果(P<0.05)；括号内字母表示相同管道埋深条件下不同灌溉定额处理间的差异性检验结果(P<0.05)，下同。

在灌溉定额为1 750 m3/hm2(W1)条件下，不同埋深处理茄子产量表现为:D3>D2>D1，D3处理产量最大，为23 496.6 kg/hm2，各处理间茄子产量差异显著；在灌溉定额为2 250 m3/hm2(W2)和2 750 m3/hm2(W3)条件下，茄子产量随管道埋深的增大先增加后减少，表现为D2>D3>D1，D2处理茄子产量和D1、D3之间差异显著。同一埋深条件下，茄子产量随灌溉定额的增大而增大，表现均为W3>W2>W1。中灌溉定额处理和高灌溉定额处理显著高于低灌溉定额处理，但随着灌溉定额的增大，中灌溉定额处理与高灌溉定额处理茄子产量之间的差异变小。在不同处理中，T8处理产量最高，为28 468.3 kg/hm2，T5处理次之。

2.4 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对茄子耗水量和水分利用效率的影响

不同渗灌管埋深和不同灌溉定额处理对茄子耗水量和水分利用效率的影响如表4所示。

表4 不同灌溉定额与不同管道埋深对茄子耗水量和水分利用效率的影响

注：不同英文小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。

由表4可知，各处理茄子耗水量表现为：T8>T9>T7>T6>T4>T5>T3>T2>T1。本试验结果表明：同一灌溉定额水平下，茄子耗水量随埋深的增大而增大；在同一渗灌埋深条件下，茄子耗水量随灌溉定额的增大而增大。在不同处理条件下，T8耗水量最大，为441.32 mm，T9处理次之。

由表4可知，T5处理的水分利用效率最高，T8处理次之。在灌溉定额为1 750 m3/hm2(W1)条件下，茄子水分利用效率表现为D3>D2>D1，D3处理较D1和D2增加12.59%和6.72%，差异显著；D1与D3处理之间的水分利用效率差异显著。在灌溉定额为2 250 m3/hm2(W2)条件下，茄子水分利用效率表现为D2>D3>D1，D2较D1、D3增大12.21%、10.03%，处理之间的差异两两显著。在灌溉定额为2 750 m3/hm2(W3)条件下，茄子水分利用效率表现为D2>D1>D3，D2较D1与D3增大7.27%、9.87%，差异显著。

由表4可知，在埋深0(D1)条件下，茄子水分利用效率表现为W2>W3>W1，W2处理较W1、W3处理增大16.13%、3.48%，W2与W1、W3处理之间的差异显著。管道埋深10 cm(D2)条件下，茄子水分利用效率表现为W2>W1>W3，W2处理水分利用效率最高为7.35 kg/m3，W2较W1、W3处理增大23.53%、8.25%，W1、W2和W3处理间差异两两显著。埋深20 cm(D3)条件下，茄子水分利用效率表现为W2>W1>W3，W2较W1、W3处理增大5.20%、8.09%，W2与W1、W3处理之间的差异均显著。

3 讨 论

3.1 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对茄子生长、干物质积累及产量的影响

水分对作物的生长和发育起着关键作用，是影响作物株高、茎粗、干物质积累量和产量的重要因素。作物的干物质是其光合作用的产物，是反映有机物质积累的一个重要指标，也是影响作物产量的重要因素。光照、土壤环境等因素均与作物干物质积累和分配有关[12]。本试验研究发现：同一渗灌管埋深条件下，茄子株高、茎粗、干物质积累量随灌溉定额的增大而增大。这与焦炳忠[13]等的研究相符。蒋树芳[14]等通过设置不同地下滴灌埋深，研究同一土壤水分控制条件下番茄产量对地下滴灌的响应，发现番茄产量随着滴灌埋深的增大先增大后减小。这与本试验的中、高灌溉水平结果相符，与低灌溉水平不符。仝国栋[15]等通过设置不同灌水量研究对茄子产量的影响，发现不同灌水量处理下茄子产量随灌溉量的增加先增加后减小。这与本试验研究结果相符。造成这一现象的原因可能是低灌溉水平下土壤含水率较低，土水势较小，不利于植株吸收水分，不能满足茄子生长发育的需求，导致茄子干物质积累量和产量降低；高灌溉水平下，管道埋深20 cm处理下地面蒸发量最小，使得茄子根际土壤含水率过高，植株的营养生长过盛从而抑制了生殖生长，造成茄子开花结果推迟，落花落果等现象，从而导致茄子产量降低，同时，根系附近过多的水分，减少了茄子根际环境中氧气含量，抑制了茄子根系的呼吸作用，从而导致茄子的产量降低。

3.2 地下渗灌不同埋深和不同灌溉定额处理对茄子耗水量和水分利用效率的影响

本试验中，T5处理的水分利用效率最高为7.35 kg/m3，耗水量为387.2 mm，产量为28 462.7 kg/m3；T8处理灌溉定额最大为2 750 m3/hm2，水分利用效率为6.79 kg/m3，耗水量为441.3 mm，产量最大为29 968.3 kg/hm2；T1处理的水分利用效率最低，为5.64 kg/m3。研究结果表明：高灌溉水平下水分利用效率和产量不一定最高，适度水分亏缺可增加茄子根系发达，吸收水分和养分以满足植株生长。这与刘秋丽[16]的研究相符。本研究发现，在中、高灌溉定额下，渗灌管埋深为D2(10 cm)处理的茄子产量和水分利用效率都优于其他2个埋深处理，表明对茄子而言，埋深10 cm为最佳处理。主要原因可能是：①茄子根系85%分布在距地表0～30 cm土层中，0～40 cm可达到96%。②在垂直于渗灌管铺设的方向上，渗灌管下方的垂直方向上湿润锋运移速率大于上方湿润峰运移速率。这与仝国栋[15]和高西宁[17]的研究相符。考虑当地农业用水资源现状，选择合适的地下渗灌管埋深，适当降低大田茄子的灌水量，有利于提高茄子的水分利用效率。

4 结 论

(1)从不同处理间株高、茎粗和干物质积累量表现可发现：较高的土壤水分更有利于植株地上部分的生长，但土壤水分过高则会促进植株的营养生长而抑制生殖生长，适度干旱可以促进根系发达，植株粗壮。

(2)不同处理之间果实产量表现为T8>T5>T9>T7>T6>T4>T3>T2>T1，同一渗灌埋深条件下，茄子产量随灌溉定额的增大而增大，表现为W3>W2>W1。灌溉定额为2 250 m3/hm2、埋深10 cm时对果实生长最为有利，产量较高，过多或过少的土壤水均会抑制茄子生殖生长，使得茄子产量和单果重降低。

(3)各处理茄子耗水量表现为T8>T9>T7>T6>T4>T5>T3>T2>T1，同一埋深条件下，茄子耗水量随灌溉定额的增大而增大。水分利用效率表现为：在同一灌溉定额下，埋深D2(10 cm)处理水分利用效率高于其他2个埋深处理。

(4)综合考虑茄子冠层发育、产量和水分利用效率，在本试验条件下，地下渗灌埋深为10 cm，灌溉定额为2 250 m3/hm2时，茄子产量较高为28 462.7 kg/hm2，水分利用效率最高为7.35 kg/m3，是宁夏引黄灌区地下渗灌大田茄子生产中适宜的地下渗管埋深和灌溉定额组合。