基于土壤水分下限的灵武长枣微孔渗灌灌溉制度研究

2020-07-07焦炳忠孙兆军ElSAWY曾玉霞

农业机械学报 2020年5期

焦炳忠孙兆军，2 El-SAWY S M 韩磊何俊曾玉霞

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021;2.宁夏大学环境工程研究院，银川750021;3.国家研究中心农业生物部蔬菜研究所，开罗11435;4.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)

0 引言

灵武长枣 (Ziziphus jujuba Mill. cv.‘Lingwuchangzao’)为鼠李科枣属落叶乔木，是宁夏优势特色作物之一。近年来，随着种植规模的扩大，水分供需矛盾日渐突出，特别是土壤次生盐渍化加剧，造成枣树产量和品质的下降。地下微孔渗灌是高效节水的地下灌溉方法之一，可有效减少蒸发，且水分直达作物根系，可有效提高水资源利用率［1］。目前，关于地下灌溉技术的研究主要集中在灌水器适宜布置方式［2-3］、湿润体分布范围［4］，以及灌水定额的组合［5］对作物的生长、产量、水分利用效率等影响方面。关于微孔渗灌在枣树的应用方面，韩懂懂等［6］采用微孔渗灌，并与滴灌、管灌进行对比研究，发现微孔渗灌更有利于提高产量和水分利用效率。但对于微孔渗灌环形布设与土壤水分下限控制的灌溉制度却鲜有报道。

在作物各生育时期，设置适宜的土壤水分下限进行精准灌溉，是当前节水灌溉领域的热点问题［7-9］。如罗双龙等［10］通过两种耕作方式设置4 个水分下限，确定垄作小麦适宜的土壤水分下限为70%θf(θf为田间持水率);徐利岗等［7］以枸杞4个控水关键生育期进行水分下限试验研究，确定了滴灌条件下枸杞最佳土壤水分下限:春梢生长期为50%θf、始花期和盛花期为65%θf、盛果期为65%θf、秋果期为55%θf;也有学者通过试验确定，玉米在生长关键时期土壤水分下限为75%θf［11］。不同生育时期水分下限对作物各形态指标和产量的影响不同，合理控制灌水下限是实现精准灌溉的有效手段。有研究表明，在作物营养生长时期，设置较低的土壤水分下限可提高作物抗旱能力。谢美玲［8］采用滴灌条件下水分下限控制的方式对新疆红枣灌溉制度进行了研究，确定最适宜的灌水定额为450 m3/hm2，土壤水分下限为55.3%θf。付优等［12］采用桶栽方式对枣树坐果初期进行控水试验，得出土壤水分最大亏缺为48.89%θf，达到最高水分利用效率和光合特性时，土壤水分下限在53.36%θf～60.34%θf之间，但未对不同生育时期土壤水分下限影响的灌溉制度进行研究。本文以6 年生灵武长枣为研究对象，采用GC-003 物联网控制系统和微孔渗灌环形铺设技术，在枣树4 个生育时期设置不同的土壤水分控制下限，研究枣树光合特性、形态指标、产量及水分利用效率的变化规律，确定最适宜的土壤水分下限阈值和枣树微孔渗灌灌溉制度，为微孔渗灌种植枣树和精准灌溉提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018 年4—10 月和2019 年4—10 月在宁夏回族自治区银川市永宁县胜利乡和顺新村试验地(36°51'55.37″N，105°59'22.87″E)开展，该地区蒸发强烈，气候干燥，年平均降水量仅为200 mm，距离样地5 m 空旷处安装自动气象站(AR5 型，Avalon Ltd.，美国)，长期监测研究区降雨量、温度、风速、太阳辐射等气象资料，试验地2年枣树全生育期内气候变化见图1。采用激光粒度仪(Mastersizer 3000 型，Malvern Ltd.，英国)测定土样的颗粒组成，粒径分为3 级(0 ～0.002 mm(砂粒)、0.002 ～0.02 mm(粉粒)、0.02 ～2 mm(黏粒))，各层土壤颗粒组成见表1，土壤质地为砂土(国际制)，入渗能力较强。处理前0 ～100 cm 土壤基本理化性状为:土壤容重均值为1.54 g/cm3，田间持水率为17.33%(质量含水率)，土壤有机质质量比为 12.91 mg/kg，全盐质量比为0.91 g/kg，全氮质量比为0.42 g/kg，全磷质量比为0.61 g/kg，全钾质量比为14.07 g/kg。

图1 试验地枣树全生育期气候变化情况Fig.1 Climate changes during whole growing periods of jujube trees in experimental site

表1 试验地各层土壤颗粒组成Tab.1 Soil particle composition of each layer in test site

试验地供试作物为6 年生灵武长枣，于2012 年移栽定植幼苗(育苗2 年)，种植时下方铺设农家肥和秸秆，采用沟灌，2015 年改为滴灌。行株距为300 cm×400 cm，胸径5.20 ～6.30 cm;平均树高为280 ～330 cm;平均冠幅为170 cm(南北)×180 cm(东西)。试验前，通过对枣树根系分布范围进行采挖观测，试验区枣树主根根系分布(距树干)范围在0 ～60 cm，水平范围在0 ～100 cm。试验地地下水埋深在20 m 以下。

1.2 试验设计

1.2.1 水分传感器下限设定

根据当地枣树每年灌溉量、实际生产经验和前人对枣树各生育时期的土壤水分下限的研究［13-14］以及各生育时期对水分敏感程度(由大到小依次为开花座果期、果实膨大期、萌芽展叶期、果实成熟期［15］)，本试验分别在萌芽展叶期、果实成熟期设置2 个灌溉梯度下限55%θf、65%θf和1 个灌溉梯度65%θf;开花座果期、果实膨大期设置2 个灌溉梯度下限65%θf、75%θf，共计6 个处理，所有处理上限均为90%θf，即对应的水分传感器设置上限值为24.00%(体积含水率)，每个处理3 次重复。换算后设置为土壤水分传感器下限值(体积含水率)，换算公式为

式中 θ——体积含水率，%

ρ1——土壤干容重，g/cm3

ρ2——水容重，取1.0 g/cm3

ω——质量含水率，%

不同处理各生育时期土壤水分传感器对应的值如表2 所示。

表2 试验设计Tab.2 Experimental design

1.2.2 田间试验布置

采用本研究团队改进加工生产的微孔渗灌管［16］，出水量为300 ～400 mL/(m·min)，微孔渗灌灌水器环形水平铺设，以树干为圆心，铺设半径50 cm，埋设深度20 cm，如图2 所示;利用风光互补发电提水技术为试验提供灌溉用水，各支管道压力维持在0.2 MPa，水源采用地下水，地下水位16 m，主管道PEØ63，各支管PEØ32，用PEØ20 旁通阀连接微孔渗灌灌水器，每个处理枣树单独用一条支管和一个旁通阀控制，便于试验过程的操作。

图2 田间试验布置示意图Fig.2 Field test layout sketch

为准确控制土壤水分上下限、灌溉时间和水量，采用上海艾美克有限公司GC-003 控制系统以及土壤水分传感器、流量计、压力计进行监测，用手机APP 远程操作和监控，灌水时每5 min 刷新并记录灌水时间、灌水量及土壤水分变化情况，停止灌水时每30 min 刷新并记录数据，物联网控制系统流程如图3 所示。根据试验地枣树根系的分布，每个处理布设3 个传感器，埋深分别为10、30、50 cm(土壤含水率取均值)，如图2 所示。

1.3 观测项目

1.3.1 光合特性

图3 微孔渗灌智能灌溉控制系统流程图Fig.3 Flow chart of intelligent irrigation control system for microporous infiltration irrigation

在开花座果期和果实膨大期有效降雨和灌水后1 ～3 d，选择天气晴朗的一天(08:00—18:00)每隔2 h 采用便携式光合测定仪(Li-6400 型，Lincoln，美国)测定各处理叶片光合指标:净光合速率Pn(μmol/(m2·s))、蒸腾速率Tr(mmol/(m2·s))、气孔导度Gs(μmol/(m2·s))、胞间CO2浓度Ci(μmol/(m2·s));采用便携式SPAD-502 型叶绿素仪测定叶片叶绿素相对含量(SPAD)。每个处理选取东、西、南、北4 个枝条，并在每个枝条上选取相应位置的叶片测定。测定前对叶片做好标记，下同。

1.3.2 土壤含水率

采用Trime-IPH 管式(200 cm)TDR 土壤水分测量系统(IMKO，Ettlingen，德国)，于2018—2019 年枣树生育期4—10 月监测0 ～200 cm 土层土壤含水率，每隔20 cm 测定一次，测定时间为灌水前后和降雨后，主要用于计算枣树耗水量。

1.3.3 枣树耗水量

利用水量平衡法计算枣树耗水量，计算公式为

式中 ET——作物耗水量，mm

R——土壤计划湿润层内的有效降雨量，mm

I——全生育期内实际灌水量，mm

K——时间段t 内的地下水补给量，mm

D——深层渗漏量，mm

F——径流量，mm

ΔW——土壤计划湿润层内阶段初与阶段末土壤贮水量的变化量，mm

因试验区地下水位在20 m 以下，每次灌水量和单次降雨量均较少，并且土壤质地90%以上为砂质土壤，实测生育期内1 ～1.5 m 土层土壤含水率变化不大，计算公式中K、F、D 均可忽略不计。式(2)可简化为

1.3.4 产量及产量构成因素

从萌芽展叶期开始到果实成熟期结束，在每个小区选取固定枣树，分别在果树树冠东、西、南、北4个方向选一枝当年新生枝条，用卷尺测定新梢长度，用游标卡尺测量新梢直径;于开花座果期测量枣吊的开花数N1，采收时统计标记枣吊的果实数量N2，座果率计算式为N2/N1×100%;在果实成熟期，分别在树冠东、西、南、北及内部各位置随机取样，测定单果质量，计算产量。

1.3.5 水分利用效率

水分利用效率的计算公式为

式中 WUE——水分利用效率，kg/m3

Y——产量，kg/hm2

1.4 数据处理方法

采用Excel 2010 进行数据处理和制图;方差分析采用SPSS 22.0 统计分析(LSD 法，显著性水平设定为P=0.01)。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分下限对枣树光合特性的影响

不同土壤水分下限控制的灌水量下枣树开花座果期和果实膨大期的光合作用特性如表3 所示，可以看出，各处理2 年的果实膨大期内光合特性比开花座果期内高，各处理间Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD 都存在显著性差异(P ＜0.05)。2018 年开花座果期内，T6 处理的Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD 最高，分别为8.14 μmol/(m2·s)、3.76 mmol/(m2·s)、0.41 μmol/(m2·s)、434.29 μmol/(m2·s)、53.89，T1 处理的Pn、Gs、Ci最低，分别为5.18、0.21、362.16 μmol/(m2·s)，T2 处理 Tr最低，为2.54 mmol/(m2·s)，水分下限设置高的T6、T4、T3处理的Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD 比水分下限低的T5、T2、T1 高，存在显著性差异(P ＜0.05)。在果实膨大期，T6 处理的Pn、Tr、Ci、SPAD 均最高，T3 处理Gs最高，净光合速率和气孔导度T6 与T4 之间无显著差异，与其他处理均存在显著差异(P ＜0.05)，水分下限设置高的T6、T4、T2 处理的Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD比水分下限低的T5、T3、T1 高，T2 与T3 处理之间无明显差异。总体上2019 年各处理的Pn、Tr、Gs、Ci均比2018 年高，主要是2019 年降雨量比2018 年少，灌水量较2018 年多;各处理变化规律与2018 年较相似，均表现为T6 处理Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD 最高，水分设置下限高的处理比水分设置下限低的处理光合特性强。

表3 不同土壤水分下限下枣树的光合特性Tab.3 Photosynthetic characteristics of jujube trees under different soil moisture limits

2.2 不同土壤水分下限对枣树形态指标的影响

枣树枣吊长度、每吊开花数、座果数和座果率都是构成枣树产量的主要因素，从图4a、4b(图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P ＜0.05))可看出，2018 年和2019 年各处理枣树枣吊长度、每吊开花数、每吊座果数、座果率2 年变化不大，枣吊长度、每吊开花数、每吊座果数、座果率均表现为T6 处理最高，与T3、T2、T1 处理的枣吊长度、每吊座果数都存在显著差异(P ＜0.05)，与T5 处理的每吊座果数存在显著差异(P ＜0.05)。枣树枣吊长度主要在萌芽展叶期和开花座果期2 个生育期生长，2018 年T6 处理与其他处理之间均存在显著差异(P ＜0.05)，并且 T6 处理较 T1 处理增加了32.18%;2019 年T6、T4、T5 处理相互之间均未达到显著差异(P ＞0.05)，分别与T2、T3、T1 处理存在显著差异(P ＜0.05)，并且T6 处理较T1 处理增加了27.73%。开花座果期T6、T4、T3 处理水分下限最高，2 年枣树的每吊开花数、座果数均表现为T6 处理比T1 处理增加了76.79%、32.71%(2018 年)和79.66%、31.88%(2019 年)，T6 处理的座果数与其他处理均存在显著差异(P ＜0.05)。2018 年的枣树座果率T4 处理和T2 处理最高，分别为57.7%和57.5%，T6 次之，为55.6%;2019 年T6 处理最高，为58.24%，T4、T3、T2 均超过50%。枣树各生育时期适宜土壤水分下限有利于枣树枣吊长度、每吊开花数、每吊座果数、座果率的增加。

图4 2018 年和2019 年不同处理枣树形态指标Fig.4 Morphological indicators of jujube trees under different treatments in 2018 and 2019

由图4c、4d 可以看出，枣树新梢增长量和新梢茎粗增量变化在开花座果期增幅最大，依次为果实膨大期、萌芽展叶期;各生育时期水分下限较高的增幅较大，T6 处理各生育时期水分下限均设为最高，枣树新梢增长量和新梢茎粗增量变化均最大，分别为51.1(2018 年)、52.7 cm(2019 年)和12.6(2018年)、12.7 mm(2019 年)。2 年的数据显示，T6 处理的新梢茎粗增量与其他处理都存在显著差异(P ＜0.05)，与T1、T2、T3、T5 处理的新梢增长量存在显著差异(P ＜0.05)。

2.3 不同土壤水分下限对枣树耗水量、产量及水分利用效率的影响

不同土壤水分下限控制的灌水量对枣树耗水量、产量和水分利用效率的影响如表4 所示，2 年枣树单果质量均表现为T6 和T3 处理最大，分别为19.61、19.30 g(2018 年)和19.33、19.12 g(2019 年)，与其他处理均存在显著差异(P ＜0.05);单株结果数T4 处理最多，分别为393 个(2018 年)和392 个(2019 年)，2018 年与其他处理存在显著差异(P ＜0.05)，2019 年与T6、T3 之间无显著差异，与T5、T2、T1 之间存在显著差异(P ＜0.05)。水分下限设置整体高的T6、T4、T3 处理，灌水量和耗水量均高于水分下限设置低的T5、T2、T1 处理，并存在一定的显著性(P ＜0.05)。2018 年和2019 年，T6 处理的枣树产量最高，分别为5 874.90、6 022.37 kg/hm2，比T1 处理最低产量分别增加了130.67%和108.41%，并且T6 处理与T3 处理无显著差异，与其他处理存在显著差异(P ＜0.05)。2 年水分利用效率均表现为T3 处理最高，分别为3.86、3.83 kg/m3，比最低的水分利用效率T1 处理分别提高了93.97%、80.66%，2 年T3处理的水分利用效率与其他处理均存在显著差异(P ＜0.05)。

表4 不同土壤水分下限下的枣树耗水量、产量及水分利用效率Tab.4 ET，Y and WUE of jujube trees under different soil moisture lower limits

2.4 枣树耗水量和灌水量+降雨量对产量和水分利用效率的影响

通过2 年的耗水量和灌水量+降雨量对产量和水分利用效率的影响，分别以产量Y 和水分利用效率WUE 为因变量，耗水量ET 和灌水量+ 降雨量(W+R)为自变量，拟合出二次多项式的回归曲线方程。由图5 可以看出，随着耗水量的增加产量和水分利用效率先增大后减小，增大幅度大于减小幅度，但耗水量达到一定值时，产量和水分利用效率均降低。当枣树全生育期耗水量为173.33 mm 时，枣树产量达到最大值6 026.56 kg/hm2，此时水分利用效率为3.48 kg/m3;当枣树全生育期耗水量为161.33 mm 时，枣树的水分利用效率达到最大值3.61 kg/m3，此时枣树产量为5 770.16 kg/hm2。随着水量的增加产量和水分利用效率先增大后减小，增大幅度大于减小幅度，但灌水量达到一定值时，产量和水分利用效率并未持续增加。当枣树全生育期灌水量+ 降雨量为616.16 mm 时，产量最大为6 026.97 kg/hm2，此时水分利用效率为3.64 kg/m3;当枣树全生育期灌水量+降雨量为601.01 mm 时，水分利用效率为3.70 kg/m3;此时枣树产量为5 977.68 kg/hm2。

3 讨论

对枣树各生育期设置不同的土壤水分下限进行光合特性、形态指标、产量及水分利用效率对比分析，发现枣树叶片的Pn、Tr、Gs、Ci、SPAD 随土壤水分下限的提高而增加，不同处理之间光合特性存在显著性差异［7，17-19］。枣树果实膨大期比开花座果期光合特性高，果实膨大期主要在7—9 月，属于枣树生长和果实膨大旺盛时期，进行光合作用积累有机质的关键期。作物通过光合作用积累有机质直接在植株形态指标、干物质和果实的变化上反映［20］。枣树形态指标在各生育时期受水分的影响，萌芽展叶期枣树地上部分新梢增长量、新梢直径生长较缓慢，主要是地下部分根系快速生长。本研究表明，萌芽展叶期适当地降低土壤水分下限后，在开花座果期进行充分灌溉有利于地上部分枣树生长，开花座果期土壤水分下限越高越有利于开花数和座果数增多，但单果质量较低，单吊座果数较多不利于果实膨大，并且单位空间的容纳度有限;果实膨大期土壤含水率下限越高越有利于单果增重，产量相应增加［21-22］。

图5 枣树耗水量和灌水量+降雨量与产量和水分利用效率的关系Fig.5 Relationships between jujube tree ET，irrigation water volume amount + rainfall，yield and WUE

灌水量是影响作物耗水量的一个主要因素，随着灌水量增加耗水量也相应增大，枣树生育期内的耗水量随着土壤水分下限的升高而增大，全生育期内的灌溉水量也相应增多［23］。耗水量和灌水量+降雨量增大到一定程度，相应的产量和水分利用效率会出现最大值，然后随着耗水量和灌水量+降雨量增大而降低，最佳的灌水量+降雨量在601.01 ～616.16 mm 之间，产量和水分利用效率最高。从土壤水分变化情况看，试验地土壤87%以上为沙质土壤，水分下渗严重，各生育时期适宜的水分下限有利于枣树形态指标的生长，提高产量。水分下限值降低并不总是降低作物产量，不同生育时期有限水分胁迫有助于作物增产和提高水分利用效率［24］。T6和T4 处理的灌水总量超过了其他处理，产量与T3处理无显著性差异，并且T3 处理的水分利用效率最高;但全生育时期土壤水分下限较低时，水分利用效率没有明显提高，产量的降低比灌溉水量和耗水量减少更显著［25］。

适宜的灌水量在不降低产量的条件下［26-27］，可以有效提高水分利用效率。本研究不同处理枣树生育时期光合、形态、产量及水分利用效率等综合指标的评价，可以看出T6、T4 处理光合特性、形态指标最优，T6 处理产量最高，T3、T4 次之;T3 处理产量与T6 处理无显著差异，与T4 处理在2019 年无显著差异(P ＞0.05)，2018 年存在显著差异;并且T3 处理灌水量分别为326 mm 和387 mm，较T6、T4 处理分别减少了22.57%、29.20%(2018 年)和13.59%、24.74%(2019 年)，但T3 处理的水分利用效率最大，比T6、T4 处理分别高2.40%、1.58%(2018 年)和12.00%、7.58%(2019 年)，T3 处理在减产不明显情况下，提高了水分利用效率，减少了水资源浪费。此外，开花座果期轻度水分处理和果实膨大期中度水分处理有利于提高水分利用效率，这与马福生等［28］研究结果一致。综上，T3 处理各生育时期的土壤水分下限可作为灵武长枣微孔渗灌灌溉制度，如表5 所示。