华宁柑桔根域灌溉技术应用效果评价

刘轶男，李冬云，王金振，李 茂，孙致远，彭 磊，李 琦

(1 云南农业大学机电工程学院，昆明，650201；2 华宁县柑桔科学研究所，云南华宁，652899；3 云南农业大学园林园艺学院，昆明，650201)

华宁县位于云南中部，气候适宜柑桔生长，所产柑桔果实口感好、品质优、产量高，比省外其他柑桔产区早成熟40～60 d[1-5]。目前华宁柑桔的灌溉方式以微喷灌为主。与传统灌溉(用橡皮管引水浇灌)相比，自动控制微喷灌和手动控制微喷灌可节水53%和42%[6]。根域灌溉技术类似于地下渗灌，通过埋在土壤下的根灌管直接将水分送达植物根域，通过自动控制可定时定量进行灌溉，避免了水沿土壤表面的流失、因蒸发而损失以及浸湿土壤表层的无效灌溉损失，可进一步提高水肥利用率。华宁县华溪镇的柑桔主要种植区位于曲江(珠江上游支流)干热河谷地区，春季和初夏较为干旱，这一时期的需水量较大，确保有效灌溉对全年柑桔生产具有重要意义。自2016年开始，作者研究团队在华宁县农业局亚热带水果示范园(位于华溪镇斑茅棵)内，测定柑桔根系吸水的最佳范围，构建水肥药一体化根域精准自动灌溉系统，以期为柑桔产业的节本增效提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验园概况自2016年开始进行试验。试验地点在华宁县亚热带水果示范园内，地理坐标为北纬24°58′、东经103°19′，海拔1 223 m，年日照时数2 190 h，年平均气温19.5 ℃，年平均地面温度18.9 ℃，常年无霜期350 d，年平均相对湿度70%～80%，该地区属干热河谷气候。试验园地势为南高北低坡度约为10°，上层(0～30 cm)土壤为保水性能较差的砂壤土，下层(30～45 cm)土壤为风化石居多的砾类土，45 cm以下多为石块。以4年生兴津温州蜜柑(枳砧)开始进行根域灌溉技术与微喷灌灌溉技术研究与试验，根域灌溉地面积4 695 m2，微喷灌灌溉地面积1 467 m2。定植株行距为1.5 m×2 m。

1.2 根域灌溉系统构成灌溉系统前端有两个水肥罐接收来自蓄水池(或水库)经过沉淀过滤的水，一个存水量3 m3，另一个存水量5 m3，两个均可以在罐内搅拌所需比例混合均匀的水肥液，水肥液或灌溉水出罐后分别经过8根主出水管道输送至柑桔地，同时控制室内的电控柜通过控制主出水管上的电磁阀和水泵的开关可以实现自动灌水施肥(见图1和图2)。

灌水时有自动、手动两种模式可以选择。自动模式下，根据土壤湿度传感器返回的数值是否达到设定值来自动进行灌溉的启停。手动模式下，根据柑桔树实际的生长情况手动开启或关闭灌溉系统(见图3)。

图1 控制室与水肥罐

图2 控制室管路布置

图3 控制室内电控柜控制面板

自动灌水模式：自动灌水程序启动→水罐进水阀启动→管道增压离心水泵→流量计开始工作→电磁阀开启→达到土壤湿度传感器设定值后增压泵、电磁阀等停止运行5秒后依次关闭→自动灌水程序关闭。

自动施肥模式：对所需施肥量(此处是根据水肥配比来确定水量)以及搅拌电机运行时间进行设定。其中3 m3、5 m3水罐均为水肥搅拌罐，也均可作为灌溉储水罐，自动施肥与自动灌水模式形成互锁，互不干扰。

手动灌水模式：打开人机交流平台操作界面选择手动控制。点击开启3 m3或5 m3水罐进水阀，进行水罐储水，之后则根据所需浇灌任务点击相应的管路灌水电磁阀即可，灌溉量控制则依据记录显示来进行。

手动施肥模式：点击开启3 m3或5 m3进水阀，放入肥料液，点击开启搅拌电机进行水肥混合搅拌，再点击开启施肥阀与所需灌溉相对应的管路灌水电磁阀即可。

灌水器采用根灌管。根灌管采用环状围绕式，并在根灌管内壁一圈均匀分布打8～10对穿孔后将其埋于地表面下15～20 cm深、距离树干50～80 cm远的土壤里，它的主要作用是将水肥液或灌溉水均匀地分配到果树根域附近的土壤。根灌管掩埋前需经过出水均匀性检查(见图4)。

浅置土壤湿度传感器埋于根灌管下方10 cm深(地表面下30 cm深)处，深置土壤湿度传感器埋于根灌管下方25 cm深(地表面下45 cm深)处(见图5)。在整个系统开启的灌溉过程中，土壤湿度传感器一直实时监测，一旦出现自然降雨，使土壤湿度达到设定的预期值，则正在运行的系统灌溉模式将立刻自动停止运行。

注：根域灌溉系统构建于2015年，2016年改进灌溉系统时拍摄照片。图5同。

图5 土壤温湿度传感器埋设深度与位置

1.3 土壤湿度传感器校准2016年12月，采用土壤烘干法测定土壤湿度，以此对土壤湿度传感器进行校准。①将盛土用的铝盒(直径6 cm，高3 cm)洗净烘干，放入干燥器中冷却至室温，迅速用测量范围为1～100 g的普通天秤准确称重(W1)。②在试验地选取一块柑桔树滴水线下方区域挖剖面，剖面尺寸为立面40 cm(高)×30 cm(宽)，选择已埋入地下用于自动采集数据的传感器厂商生产的手持式土壤湿度传感器插入土壤中测量湿度并记录数据，然后立即采取此传感器附近区域土壤样品约25 g放入铝盒中，平铺后盖好，迅速称重(W2)。③将装入湿土的铝盒的盖子打开，铝盒的盖子平放在盒下，一同放入烘箱内保持105～110 ℃，烘烤8 h，取出加盖，放在干燥器中冷却至室温，迅速称重(W3)。④准备10个铝盒，在试验地块选取10株柑桔树，灌水量分别按5、10、15、20、25、30、35、40、45和50 L在其滴水线附近用瓢沿着以树干为中心宽为30 cm的环型带均匀浇水(环型带中心直径100 cm)，浇水后10 min，在环型带区域向下挖出剖面后，在离土壤表面深30～35 cm处按上述①、②、③进行测量，记录数据，最后按公式W=[(W2-W3)/(W3-W1)]×100%计算土壤含水量。式中：W—土壤含水量(%)；W1—铝盒质量(g)；W2—湿土加上铝盒质量(g)；W3—干土加上铝盒质量(g)。⑤整理出土壤湿度传感器读数值记为“土壤湿度值1”与土壤烘干法测定的土壤“实际湿度值”记为“土壤湿度值2”，结果如表1所示。根据所得数据进行线性回归分析，得到土壤湿度值2(y)与土壤湿度值1(x)的回归方程为y= 2.299 8x+ 0.007 6(R2= 0.998，p<0.001),以此方程校准土壤湿度传感器。

表1 不同灌水量下试验地土壤含水量与土壤湿度传感器测定值 %

1.4 试验地旱季土壤含水量测定2016年12月，完成土壤湿度传感器校准后，及时进行试验地土壤含水量测定。为探索试验地土壤含水量，充分利用已校准的土壤水分传感器和自动灌溉系统的自动灌溉功能进行灌溉和数据采集，2016年12月16—23日每天夜间22：00至次日凌晨1：00执行一次灌溉，埋设传感器的试验地块每株柑桔树每次灌水5 L，每天灌水1次，一共灌溉7次。从每次灌溉前后传感器测定值变化来看，浇水后湿度迅速上升，停止浇水后湿度缓慢下降。在连续执行灌溉期间，用线性回归方程校正的土壤湿度传感器低值在27.936%，高值在43.534%。可见，试验地土壤保水能力较差。由于连续灌溉的7 d内无降雨，灌水时间在夜间，因此可以确定在不灌水情况下，旱季试验地土壤含水量为28%～30%。

1.5 试验方法参照农业部办公厅印发的《水肥一体化技术指导意见》，结合试验地实际情况，将灌溉系统灌水及施肥均匀系数调校到0.8以上，湿润深度为0.3～0.45 cm，试验地灌溉上限控制土壤含水量在85%，下限控制土壤含水量在55%，对应的灌溉系统土壤湿度数据采集传感器设定值上限为36.5%，下限为23.6%。

对比试验于2017年正式开始进行。采用根域灌溉方式的柑桔地为试验地，采用微喷灌的柑桔地为对照地。试验地的自动灌溉模式根据传感器返回的数值自动判断是否进行灌溉(土壤含水量小于55%开始灌溉，大于85%停止灌溉)，手动灌溉模式则根据柑桔树的实际生长情况来选择关闭或者开启。微喷灌地块采用人工方式根据灌溉经验来判断是否灌水以及灌水量。微喷灌对照地在管口处安装水表用以记录灌水量，根域灌溉试验地由灌溉系统自动记录灌水量。同时，记录试验地和对照地的肥料费用、人工费用、产量、产值等数据。

2 结果与分析

2.1 灌水量比较试验结果看出，每年灌溉期的平均单株灌水量，采用根域灌溉的明显低于微喷灌，节水79.7%～87.5%(见表2)。

表2 2017—2020年每年灌溉期不同灌溉处理平均单株灌水量L

2.2 肥料用量及费用比较试验结果看出，在肥料大致相同的情况下，根域灌溉的肥料使用费用明显低于对照微喷灌溉(见表3)。由此可知，在根域灌溉模式下肥料节约效果明显。

表3 每年不同灌溉处理肥料使用情况

2.3 产量比较根域灌溉试验地和微喷灌溉对照地均在2017年第一次挂果。2017—2020年每年单株产量均是根域灌溉明显高于微喷灌溉，增幅为35.7%～111.1%。同时，根域灌溉的单株产量更加稳定，其变异系数为13.67%，而微喷灌溉单株产量的变异系数为21.68%(见表7)。

2.4 经济效益比较根据实际保留植株所得的产值，扣除灌水、肥料、人工等实际损耗，换算单位面积(667 m2)的产值、成本与利润(见表8)。与微喷灌溉相比，根域灌溉由于产量高(见表4)，产值也高。同时，根域灌溉除折旧费略高于微喷灌溉外，其余费用均低于微喷灌溉。因此，根域灌溉的利润大大高于微喷灌溉，2017—2020年每年单位面积利润分别增加2.14、1.45、3.27和0.52倍。

表7 2017—2020年每年不同灌溉处理的单株产量

表8 2017—2020年每年不同灌溉处理的产值、成本与利润 元/ 667 m2

3 讨论与结论

有研究表明，在柑桔生长的不同时期，如果能够及时灌溉适宜的水量，则能提高单株产量和单果质量[7]。目前，华宁县在旱季时期主要采用微喷灌灌溉方式进行柑桔园的灌溉。本研究表明，相比微喷灌，在华宁县采用根域灌溉系统进行根域灌溉，节水节肥效果更明显，能够进一步增产增效。当前，滴灌与微喷灌管网系统材料已基本实现国产化，根域灌溉系统构建成本与滴灌和微喷灌系统构建成本接近，具有较强的技术应用推广空间。