微润管埋深对设施黄瓜土壤水肥分布及生长和产量的影响

2021-05-26姜长松刘玉春杨志新

节水灌溉 2021年5期

姜长松，刘玉春，杨志新，魏欢，刘猛，张惠，王宁

（1.河北农业大学城乡建设学院，河北保定071001；2.河北农业大学资源环境学院，河北保定071001）

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]。埋深是微润灌溉应用时需要确定的重要技术参数。已有研究表明微润管埋深对土壤湿润锋、作物生长、产量、水分利用效率以及土壤盐分累积等均有较大的影响。毕远杰等[2]研究发现土壤湿润锋沿竖直向下的推移速度会随埋深增加呈增加趋势，而沿竖直向上和水平方向的推移速度呈先增后减趋势；田德龙等[3]研究认为微润管埋深为20 cm 更能促进向日葵的生长，显著提高了向日葵产量和水分利用效率；贾腾月等[4]研究表明，微润管埋深为20 cm时，充分灌溉的处理，在0～60 cm 土层内土壤积盐率最小。微润管埋深通常需考虑田间耕作深度、土壤质地和种植作物，埋的过深不利于作物生长，但埋的过浅又将无法满足作物后期对水分的需求[5]，鉴于不同地区的气候条件、土壤特性以及作物品种等不同，有必要对各地区不同作物微润管埋深等技术参数进行研究，为该技术在生产实践中进一步推广应用提供理论和技术指导。

本文以研究区域设施蔬菜生产普遍应用的沟灌为对照，设置不同微润管埋深进行设施黄瓜微润灌溉试验，探讨微润管埋深对设施黄瓜根区土壤水分和养分分布、设施黄瓜生长和产量及水氮利用效率的影响，为微润灌溉技术在设施蔬菜生产中的推广应用和保护地土壤盐渍化的改良提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在河北省廊坊市永清县瓦屋新庄村（39°13′53″N，116°25′41″E）的日光温室中进行。该地属大陆性季风气候，多年年平均日照时间2 740 h，多年平均降雨量540 mm，多年平均气温11.5 ℃。试验于2018年11月-2019年5月进行，试验用日光温室长90 m、宽7.5 m、顶高4.5 m，后墙为厚度0.8 m的土墙，为竹架结构，覆盖材料为聚乙烯膜。日光温室内土壤为砂壤土，表1给出了0～60 cm 土层的土壤物理和水力特性参数。黄瓜栽植前进行土壤取样测试，土壤初始养分量为：有机质7.02 g/kg、速效磷358.62 mg/kg、速效钾449.33 mg/kg、碱解氮174 mg/kg、pH值6.96。

表1 供试土壤基本物理性状及水力特性Tab.1 Basic physical properties and hydraulic characteristics of tested soil

1.2 试验设计

微润灌溉试验，考虑微润管埋深，设置15、25 和35 cm 3个试验水平，分别记为ME1、ME2 和ME3，以研究区域设施蔬菜生产普遍应用的沟灌为对照（CT），总计4 个试验处理，每个处理设置3 个重复，共12 个试验小区，其中微润灌试验小区采用随机排列的方法进行布置，试验小区长7 m、宽5 m，对照试验小区布置在试验小区两侧，长15 m、宽7 m。

供试黄瓜品种为博美170，采用沟垄种植模式，黄瓜栽植在垄上，垄宽40 cm，沟宽85 cm，黄瓜株距25 cm。微润灌处理采用单行微润管控制单行作物的布置方式，微润管埋置在黄瓜行所在的剖面上，土壤湿润体是以微润管为中心的圆形或椭圆形柱体[6]，每个试验小区包括4垄8行黄瓜，共布置8条微润管。

日光温室微润灌溉系统由水源、输水支管和田间毛管3部分构成。水源由蓄水池和供水水箱组成，水位高度2.2～3.0 m，设有水位控制器，可自动由蓄水池上水，并为田间微润管提供所需要的供水压力。试验所用微润管购自深圳市微润灌溉技术有限公司，直径16 mm，工作压力范围2～5 m，每24 h 出水量约为3～5 L。输水支管由供水水箱输水至田间微润管，为直径16 mm 的PE 管，通过口径匹配的三通、弯头、阀门、直通等管件连接田间微润管。在田间末端设有自动排气阀和手动排污阀。

试验黄瓜2018年11月3 号定植，12月30日第一次采收，2019年5月27日采收结束。定植和缓苗统一采用沟灌灌水，一直到苗期后期不灌水，促使作物扎根。微润灌处理待黄瓜缓苗后，开始进行微润灌溉，采用间歇灌溉，灌溉制度根据黄瓜的需水需肥规律及相关研究[7,8]制定，每5～7 d 灌水一次，花期和初瓜期灌水15～20 h、盛瓜期灌水48～56 h、末瓜期灌水30～40 h。微润灌处理在盛瓜期（3月14日），根据黄瓜长势统一进行了一次沟灌以补充主根系深层水分，灌水18 mm，之后继续采用微润灌溉。微润灌处理整个生育期共灌水21 次，累积灌水量267 mm。对照沟灌处理，根据当地设施黄瓜生产经验，7～15 d 灌水一次，灌水定额20～26 mm，整个生育期共灌水15 次，累积灌水量422 mm。与对照沟灌相比，微润灌溉累计灌水量减少了36.7%，微润灌和对照的灌水量和累积灌水量见图1。

图1 试验日灌水量及累积灌水量Fig.1 Cumulative plot of irrigation volume

黄瓜定植前施用底肥，包括有机肥（羊粪）7 万kg/hm2，微生物菌剂3 000 kg/hm2。生育期内结合灌溉进行追肥，微润灌施肥是将肥料按比例溶解混匀后倒入供水水箱中，沟灌是将肥料溶解在罐里在渠道灌水时将肥料加在水中进行灌溉。追肥肥料为芳润速溶性平衡肥（N、P、K 质量比为20∶20∶20）和高钾肥（N、P、K 质量比为20∶10∶30），整个生育期，微润灌溉共计施肥15 次，平衡肥用量为3 276 kg/hm2，高钾肥用量为1 400 kg/hm2；沟灌共计施肥15 次，平衡肥用量为3 683 kg/hm2，高钾肥用量为1 556 kg/hm2，微润灌溉总施肥量较沟灌减少10.7%，试验处理各生育期施肥量见表2。黄瓜生育期间，灌水施肥之外的田间管理与农艺设施由日光温室农户主人按照当地常规管理方法进行。

表2 试验处理各生育期施肥量Tab.2 The amount of fertilizer applied in each growth period of the experimental treatment

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤水分和养分量

黄瓜定植后7、46、66、148 和194 d，即苗期、花期、初瓜期、盛瓜期和末瓜期进行土壤取样，测定土壤的水分和养分量。每个试验小区用土钻取土，取样深度100 cm，每20 cm一个土样，按“Z”形采样法采集5 个点（取样点位于行间，距离植株5 cm）组成1个混合样品，将土壤样品装入已标记的封口袋中密封带回实验室。所取新鲜土样分成3份，一份采用烘干法测定土壤含水量，一份过5 mm 筛，混匀后称取12 g，用100 mL 0.01 mol/L CaCl2浸提，震荡1 h 后过滤，滤液用连续流动分析仪测定土壤硝态氮量；另一份土样置于通风阴凉处风干，检除植物根系、碎石等，经玛瑙研钵研磨后依次过1和0.25 mm 筛得风干土样，取风干土样用0.5 mol/LNaHCO3和0.01 mol/LCaCl2浸提，用分光光度计比色法测定土壤速效磷量。

1.3.2 渗漏量

设施黄瓜种植过程中收集渗漏量采用原位淋溶桶设备，淋溶桶的接收面积是1.2 m2，淋溶桶内安装通气管和抽液管，分别延伸到地表，抽液管一端连接取样瓶，另一端连接真空泵[9]。利用真空泵和负压瓶将收集器中的液体样品抽吸到负压瓶，测其体积。

1.3.3 黄瓜生长和产量

黄瓜定植后，每个生育期内进行1～2次植株生长情况的监测。测量时每个小区选取5株长势相近的植株标记，量测的项目包括株高、茎粗和叶绿素量。株高用卷尺量测自冠顶最高点量测到地面的垂直距离，茎粗用游标卡尺在距离地面大约2 cm处量测，用叶绿素仪（便携式SPAD-502）测定从顶芽数第三片叶的相对叶绿素量SPAD值。黄瓜收获期，从初瓜期直至末瓜期，每次采摘按小区记录黄瓜的产量，收获期结束统计各试验小区的黄瓜总产量。

1.4 数据计算和分析

相对生长率能准确地反映作物的生长效率或生长潜势，比较作物在相同时间内的相对生长速率，可以作为不同处理之间相对生长性能比较的有效定量指标[10]，株高和茎粗的平均相对生长速率RGR[11]的计算式为：

式中：W1为t1取样时黄瓜株高（cm）或者茎粗（mm）；W2为t2取样时黄瓜株高（cm）或者茎粗（mm）；t2-t1为间隔的生长时间（d）。

利用水量平衡法计算黄瓜耗水量，计算式为[12]：

式中：ETa为黄瓜生育期耗水量；I为黄瓜生育期总灌水量；P为降雨量，日光温室内无降雨，所以P=0；ΔS为0～100 cm 土体土壤储水量的变化值；R为地表径流，日光温室微润灌溉条件下无地表径流，所以R=0；D为黄瓜生育期深层渗漏，设定为通过100 cm深度断面上的水量。以上单位均为mm。

试验数据使用SPSS 22.0 软件进行统计分析，采用Excel 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 微润管埋深对土壤水分及养分含量的影响

图2为各试验处理黄瓜不同生育期随土层深度土壤含水率变化曲线，在花期，各处理取样前14 d 灌水，微润灌溉取样前7 d 又进行一次灌溉，所以在土层0～80 cm，微润灌溉含水率高于沟灌，但在土层80～100 cm，微润灌溉含水率低于沟灌；初瓜期、盛瓜期和末瓜期各处理分别在取样前2、7和1 d灌水，在土层80～100 cm，微润灌溉含水率仍低于沟灌，说明微润灌溉有效地减少了水分向土层80～100 cm 的运移。ME1、ME2 和ME3 处理整个生育期在土层0～60 cm 平均含水率分别为0.26、0.26和0.27 g/g，在土层80～100 cm 平均含水率分别为0.23、0.23和0.24 g/g，微润管不同埋深之间差异很小。

图3为不同试验处理黄瓜各生育期土壤硝态氮分布图。从图3可以看出，不同土层土壤硝态氮差异较大，在全生育期随土层深度呈先降低后增加的趋势；微润灌溉土壤硝态氮变化范围为161.85～326.59 mg/kg，沟灌土壤硝态氮变化范围为165.15～338.93 mg/kg；灌水方式和微润管埋深对土壤硝态氮量影响均不显著，但在土层深度80～100 cm，微润灌溉处理土壤硝态氮的平均量比沟灌处理低1.9%～8.9%，说明微润灌溉有减少深层土壤硝态氮的累积的趋势。

图4为不同试验处理黄瓜各生育期土壤速效磷分布图。从图4可以看出，不同土层土壤速效磷差异较大，所有处理随土层深度增加土壤速效磷量呈降低趋势；微润灌溉土壤速效磷变化范围为137.37～417.48 mg/kg，沟灌土壤速效磷变化范围为144.36～442.92 mg/kg；微润管埋深对土壤速效磷量影响不显著，灌水方式仅在末瓜期对土壤速效磷量影响显著（F=4.180，P＜0.05）；在土层深度80～100 cm，微润灌溉处理土壤速效磷的平均量比沟灌处理低6.2%～21.0%，说明微润灌溉有减少深层土壤速效磷的累积的趋势。

2.2 微润管埋深对黄瓜株高和茎粗的影响

表3为各试验处理黄瓜的株高和茎粗，由表3可知，随着黄瓜的生长发育，所有处理的黄瓜株高和茎粗迅速生长；灌溉方式对黄瓜株高影响显著，尤其是在定植后46 d，微润灌溉平均株高为136.16 cm，比沟灌高5.2%；在定植后66、131和148 d，微润灌溉平均株高比沟灌高2.2%～3.05%。在定植后46、66和131 d，微润管埋深对黄瓜株高存在显著影响，ME2和ME3 处理平均株高比ME1 处理高1.5%～5.7%；在定植后148 d，埋深对黄瓜株高影响不显著，说明随着黄瓜的生长发育，微润灌溉处理间株高差异逐渐减少。灌水方式对黄瓜茎粗影响显著，在定植后46、66、131 和148 d，微润灌溉处理平均茎粗比沟灌处理高7.9%～11.2%；微润管埋深对黄瓜茎粗影响显著，ME2 和ME3 处理平均茎粗比ME1 处理高3.1%～7.6%。由此可见，微润灌溉更有利于黄瓜株高和茎粗的生长，且微润管埋深25和35 cm效果最佳。

图5为各试验处理黄瓜的株高、茎粗相对生长率，由图5可知，黄瓜株高相对生长率随着黄瓜的生长发育呈先升高后降低趋势；ME1、ME2、ME3 和CT 处理黄瓜株高整个生育期平均相对生长率分别为0.033 8、0.032 9、0.032 8 和0.032 8 cm/(cm·d)，各处理较为接近。黄瓜茎粗相对生长率随着黄瓜的生长发育呈降低趋势；ME1、ME2、ME3 和CT 处理黄瓜茎粗整个生育期平均相对生长率分别为0.007 1、0.007 0、0.007 1和0.006 3 mm/(mm·d)，微润灌溉处理明显高于沟灌处理，比沟灌高了13.0%。

2.3 微润管埋深对黄瓜叶片SPAD值的影响

表4为各试验处理黄瓜叶片SPAD值，由表4可知，各处理下黄瓜叶片SPAD值随着黄瓜生长发育的变化趋势一致，叶片SPAD值呈先增加后减少再增加的波动趋势；微润管埋深对叶片SPAD值影响不显著；灌水方式对叶片SPAD值影响显著，在定植后46和66 d，微润灌溉处理的平均叶片SPAD值比沟灌处理分别低5.1%和4.2%；到定植后131 d，不同处理叶片SPAD值无显著差异；到定植后148 d，微润灌溉处理的平均叶片SPAD值高于沟灌处理，微润灌溉处理的平均叶片SPAD值为44.30，比沟灌处理高3.2%，由此可见，微润灌溉有利于提高结果后的黄瓜叶片SPAD值。

图3 各试验处理不同生育期土壤硝态氮分布图Fig.3 Distribution of nitrate nitrogen in soil at different growth stages in each experimental treatment

2.4 微润管埋深对黄瓜产量、渗漏量、耗水量及水氮利用效率的影响

表5为各试验处理黄瓜产量、渗漏量、耗水量及水氮利用效率，由表5可知，灌水方式对黄瓜产量影响显著，微润灌溉平均产量为237.33 t/hm2，比沟灌增产7.1%。微润管埋深对黄瓜产量影响显著，ME2 和ME3 处理平均产量为240.00 t/hm2，比ME1处理增产3.4%。

微润灌溉能够有效降低渗漏量，微润灌溉处理比沟灌减少了55.6%，微润灌溉平均耗水量为272.85 mm，比沟灌降低了20.5%；微润灌溉处理显著提高了水分利用效率和氮肥偏生产力，水分利用效率比沟灌提高了33.3%，氮肥偏生产力比沟灌提高了20.1%。

3 讨论

微润管埋深影响着土壤水分的空间分布以及土壤盐分的淋洗情况[13]，进而影响到黄瓜的生长情况及产量。适宜的微润管埋深可以精准的地将作物生长需求的水分直接输送至根区，极大地减少了株间蒸发和深层渗漏量。灌溉量的减少能降低硝态氮向深层土壤的淋溶，而增加灌溉量，硝态氮向深层土壤运移的速度增加[14]。王志平[15]等研究认为，硝态氮在灌溉量少时，土层深部没有累积，而灌水过多时下，硝态氮在土层深部聚集量较多。孙丽萍[16]等人研究表明，随着灌溉量的减少，表层土壤硝态氮量呈增加的趋势。本研究因为多年来该地块养分、水分投入大，硝态氮、速效磷积累量大，不同处理间土壤硝态氮量差异不大。0～25 cm 土层黄瓜根系分布比例占全部根重的99%以上[17]，分布在土层0～30 cm 的土壤硝态氮大部分被作物所吸收，所以硝态氮随土层深度呈现出先降低后增加的趋势。刘兆辉[18]等研究发现设施蔬菜土壤表层速效磷的量比露地土壤高出几倍至几十倍，越往下层，设施与露地土壤有效磷的差距在减少，速效磷的量逐渐降低，设施蔬菜土壤中有效磷量具有明显的积累效应，这研究结果与本研究一致。

图4 各试验处理不同生育期土壤速效磷分布图Fig.4 Distribution of available phosphorus in soil at different growth stages in each experiment

表3 各试验处理黄瓜的株高和茎粗Tab.3 Plant height and stem thickness of cucumbers in each experiment

本研究表明，微润灌溉比沟灌更有利于日光温室黄瓜的生长，生育期耗水量明显下降，产量和水分利用效率均有显著提高，此研究结果与于秀琴[19]通过对比温室微润灌溉和沟灌灌溉对黄瓜生长和产量的影响试验研究结果基本一致。本研究发现，黄瓜的株高和茎粗均随着微润管埋深的增加而增大，原因是苗期黄瓜根系较浅，需水量小，微润管埋深15 cm 短时间持续供水导致含水率过大，会抑制根系呼吸，进而影响植株生长，随着黄瓜生长发育，根系向下生长同时需水量增加，此时开始体现出微润灌溉的优越性。相对生长率作为植株生长能力的重要指标[20]，通过相对生长率，可以看出灌水方式对作物生长的影响，兰挚谦[21]等研究发现株高相对生长率呈先增加后降低的趋势，这与本试验研究结果一致，灌水方式对株高相对生长率影响不大。茎粗相对生长率始终呈下降趋势，因为苗期茎粗增长较快，所以苗期茎粗相对生长率下降较慢，之后迅速下降，微润灌溉更有利于黄瓜茎粗的生长。不同处理黄瓜叶片SPAD值各生育期的值存在差异，明显受气温、光照等因素的影响[22]，本研究发现微润灌溉有利于提高结果后的叶片SPAD值。就本试验研究结果，微润管埋深35 cm和25 cm时，黄瓜的生长及产量较佳，水分利用效率和氮肥偏生产力最高，但本试验仅进行一年，结果还有待进一步研究。