调亏灌溉对地下渗灌甘蓝产量、品质及水分利用效率的影响

祁 琦，孙兆军，，朱文婷，禹 昭，李兴强，何 俊

（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

甘蓝具有抗寒，抗病，适应性强，储运方便，产量高，品质好等特征。甘蓝也具有养血，调理胃肠，提高抵抗力，增强记忆力，防癌抗癌，治便秘，开胃消化，抗衰老等保健功能，是我国东北最受欢迎的蔬菜，也是华北西北春夏秋冬的主要青菜之一[1]。

本地区干旱少雨、水资源总量严重不足、水利设施薄弱、农业用水利用效率低等水资源问题突出，扼制了当代农业发展的咽喉。如何根据现代节水农业发展的要求，调整产业结构，优化灌溉模式，提高农业水利用效率，使农业用水高产高效，对宁夏地区现代农业经济发展有极其重要的现实意义。地下渗灌等新型农业灌水方式初步引入到蔬菜的生产中，取得了较好的经济效益和社会效益[2]。调亏灌溉是一种较好的农业灌溉技术，其原理是将有限的水资源科学合理地分配到对产量影响较大，能产生较高经济价值的水分临界期[3]。目前，有关调亏灌溉方面已有不少研究，但主要集中在谷类作物[4-6]上，在蔬菜上应用集中在番茄[7,8]和辣椒[9,10]上，叶菜类蔬菜有关调亏灌溉的研究相对滞后，而旱区目前鲜见此方面报道。因此，本试验以北方常食蔬菜甘蓝为研究对象，研究在甘蓝不同生育期内设置不同的调亏灌溉方案进行地下渗灌对甘蓝的产量、品质和水分利用效率的影响，筛选最适合的调亏程度和生育期，为宁夏干旱气候区甘蓝作物水分管理提供有效的指导依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年5月至8月在宁夏回族自治区银川市贺兰县金贵镇牡丹花乡的试验田内进行（38°29′31″N，106°23′54″E），地处宁夏回族自治区银川市东北，青铜峡引黄灌溉区中部，海拔1 000 m，属温带大陆性气候，日照时间长，昼夜温差较大，多年平均气温9.7 ℃，夏季平均22 ℃左右；多年平均降水量138.8 mm，集中在6-9月，空气相对湿度在70%左右。试验地土质为壤土，肥力均衡。试验地田间持水量23.12%（质量含水率），pH 值8.04，土壤容重1.43 g/cm3，有机质12.6 g/kg，全氮0.79 g/kg，速效磷15.3 mg/kg，速效钾161 mg/kg。灌溉水源为浅水井水，水源距试验点约为150 m。

1.2 试验设计

供试甘蓝品种为“中甘21”，于4月17日育苗，5月22日开始植苗，8月10日成熟后收获。定植方式采用垄上单行种植，垄宽0.8 m，垄高0.2 m，株间距为0.3 m，南北行向；垄间距0.2 m，植株行间距1 m。试验小区长6 m，宽2 m，面积12 m2。垄间人工埋置一条6 m 长渗灌管，埋设深度0.1 m，起垄前施复合底肥400 kg/hm2（N＞25%，P2O5＞6%，K2O＞9%，总养分＞40%）。垄上铺设1.2 m 白色地膜，试验施肥量、田间管理措施同一般大田相同。

供试管道选用本研究团队自主研发全渗管道，管道主体为橡胶、聚乙烯等原材料生产的微孔全渗管道，管道内径16 mm，外径20 mm，渗水量为300～400 mL/(m·min)，管道水平埋设，采用风光互补发电提水技术[2]。灌水上下限和灌水量的精确控制采用GC-003 控制系统（上海艾美克有限公司）及其配套土壤水分传感器等设备。根据甘蓝的根系分布特征，在垄面下5、10、15 cm垂直埋设传感器[11]。

试验采用单因素随机试验，根据前人经验将甘蓝的生育期划分为：苗期、莲座期、结球前期和结球中后期等4 个时期[12]。试验设6 个水分亏缺处理和1 个对照处理（CK，全生育期充分供水），3 次重复，共设21 个小区。采用土壤湿度传感器监测土壤含水量，土壤水分控制到设计范围内，当计划湿润层的土壤水分降低到设计下限时，通过智能灌溉控制系统控制，灌水到上限值。具体灌溉方案如表1所示。

表1 调亏灌溉甘蓝处理方案Tab.1 Regulated deficit irrigation treatment plan for cabbage

1.3 观测指标及方法

1.3.1 干物质

每次取样选取3株生长均匀的植株，测量各生育期干物质累积量。将采样后的植物带回室内，用清水反复洗，多余的水用滤纸排干。烘干后称量地上部与根部质量。

1.3.2 产量和经济系数

甘蓝成熟收获时，在每个小区选取长势均匀的地方挖取单位面积（1 m2）的甘蓝，带回室内冲洗、晾干，最后换算成每公顷总产量。

式中：HI为经济系数；Y为经济产量，kg/hm2；Yb为地上生物量，kg/hm2。

1.3.3 品 质

选用精度为0.001 m 的钢卷尺对甘蓝横径、纵径和中心柱长进行测定；选用精度为0.01 g的电子天平对甘蓝叶片质量和单株球重进行测定。用下式计算甘蓝叶球紧实度：

可溶性糖含量选用蒽酮比色法测定；VC含量选用钼蓝比色法测定。

1.3.4 水分利用效率

公式为：

式中：WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为经济产量，kg/hm2；ET为单位面积的耗水深度，mm。

式中：ET为耗水量，mm；P为降雨量，mm；I为灌水量，mm；ΔSWS为试验初始土壤贮水量与试验结束土壤贮水量的差值，mm；R为地表径流量，mm；D为渗漏量，mm。试验区地势平坦，降水无径流产生，且在计算深度内不存在渗漏，故R、D忽略不计。

1.4 数据分析统计

选用Microsoft Excel 统计数据和绘图；IBM SPSS Statistics 22分析数据，差异显著性检验选择LSD和Duncan法，P=0.05。

2 结果分析

2.1 调亏灌溉对甘蓝干物质积累和根冠比的影响

不同处理下各生育期的干物质积累和根冠比的变化情况见表2。在甘蓝田间生育期内，干物质积累量逐步上升，在莲座期内干物质积累量较小；在结球前期和结球中后期生长较旺盛，干物质积累量逐步增大。伴随生育期的进程，干物质积累总量逐步加大，地上部和根干物质积累量逐步上升，并且在结球中后期趋向稳定。对比发现，根干物质量、地上部干物质量在同生育期内不同水分亏缺处理间（T1 和T2、T3 和T4、T5和T6）差异显著（P＜0.05），且根部干物质量均显著高于CK 处理（P＜0.05）；地上部干物质量T2、T4、T6 显著低于T1、T3、T5和CK（P＜0.05）。

表2 调亏灌溉对甘蓝干物质积累量和根冠比的影响Tab.2 Effect of regulated deficit irrigation on dry matter quality and root shoot ratio of cabbage

甘蓝在全生育期内的根冠比逐步下降，在T2处理时最大，在同生育期内表现为组间差异显著（P＜0.05）；根冠比在结球中后期趋于稳定，结球中后期T2、T4、T6 的根冠比较T1、T3、T5、CK显著增高（P＜0.05）。

2.2 调亏灌溉对甘蓝产量的影响

图1 为不同处理甘蓝单株球重变化情况；图2 为不同处理甘蓝经济产量和地上生物量的变化情况；图3为不同处理下甘蓝的经济系数变化。可以看出，T1 的单株球重最大，达到918.60 g，CK（911.43 g）、T5（900.43 g）、T3（898.03 g）次之，单株球重均在900 g 左右，相互差异不显著（P＞0.05）；T2、T4、T6 的单株球重在810 g 左右，相互差异不显著（P＞0.05），但与T1、T3、T5、CK 差异显著（P＜0.05）。T1 的经济产量最高，达到了30 589.49 kg/hm2，CK（30 354.06 kg/hm2）、T5（29 984.43 kg/hm2）、T3（29 864.24 kg/hm2）次之，相互差异不显著（P＞0.05）。CK 的生物学产量最大，达到44 358.81 kg/hm2，与T1（43 912.52 kg/hm2）、T2（43414.31 kg/hm2）之间差异不显著（P＞0.05），但与其余处理差异显著（P＜0.05）；T4（41 557.83 kg/hm2）和T6（40 933.02 kg/hm2）的生物学产量相对最低，显著低于其他处理（P＜0.05）。

图1 调亏灌溉对甘蓝经济产量和生物学产量的影响Fig.1 The effect of regulated deficit irrigation on economic yield and biological yield of cabbage

图2 调亏灌溉对甘蓝单株球重的影响Fig.2 The effect of regulated deficit irrigation on the ball weight of cabbage plant

图3 调亏灌溉对甘蓝经济系数的影响Fig.3 The effect of regulated deficit irrigation on the economic coefficient of cabbage

T5 的经济系数最高，达到0.702 1，T3（0.699 9）、T1（0.696 5）次之，相对其余处理提升显著（P＜0.05），其中较CK 提升了2.94%～3.25%；T4 和T6 处理之间差异不显著（P＞0.05），T2的经济系数最低，为0.623 4。

2.3 调亏灌溉对甘蓝品质的影响

2.3.1 调亏灌溉对甘蓝物理品质的影响

图4为不同调亏灌溉处理方案甘蓝叶球横、纵径和中心柱长的变化情况；图5为不同调亏灌溉处理方案甘蓝叶球紧实度的变化情况；图6为不同调亏灌溉处理方案甘蓝帮叶比的变化情况。可以看出，T1、T3、T5、CK 对甘蓝的横、纵径无显著影响（P＞0.05），但T2、T4、T6 显著地改变了甘蓝的叶球横、纵径（P＜0.05）。不同调亏灌溉处理方案对甘蓝的叶球紧实度的影响较为明显，T3 的叶球紧实度最大，达到0.76 g/cm3，比CK（0.61 g/cm3）提升了24.60%。T6 和T4 的中心柱最长，达到6.35 cm 和6.18 cm，相对CK （5.91 cm） 增长了5.46%～8.36%，与其余处理差异显著（P＜0.05），其余处理的中心柱均在6 cm 以下。T3 的帮叶比最小，为0.221 9，显著低于其余处理（P＜0.05）。

图4 调亏灌溉对甘蓝叶球横、纵径和中心柱长的影响Fig.4 Effect of regulated deficit irrigation on the horizontal diameter，longitudinal diameter and center column length of cabbage

图5 调亏灌溉对甘蓝叶球紧实度的影响Fig.5 Effect of regulated deficit irrigation on compactness of cabbage

图6 调亏灌溉对甘蓝帮叶比的影响Fig.6 Effect of regulated deficit irrigation on the leaf ratio of cabbage

2.3.2 调亏灌溉对甘蓝可溶性糖和VC含量的影响

从图7 不同调亏灌溉处理甘蓝可溶性糖含量的变化可知，T5的可溶性糖含量最高，达到7.66%，较CK（5.95%）提升了28.74%；T6次之，为7.21%，较CK 提升了21.18%；其余处理差异不显著（P＞0.05），可溶性糖含量在处理间表现为T5＞T6＞T3＞CK＞T1＞T4＞T2。

图7 调亏灌溉对甘蓝可溶性糖含量的影响Fig.7 Effect of regulated deficit irrigation on the soluble sugar content of cabbage

从图8 不同调亏灌溉处理甘蓝VC含量的变化可知，T6 和T5 的VC含量相对最高，分别达到了151.69 mg/100 g 和145.36 mg/100 g，显著高于其余处理（P＜0.05），较CK（127.72 mg/100 g）提升了20.8%和13.81%；T1（123.12 mg/100 g）、T2（127.07 mg/100 g）、T3 （126.13 mg/100 g）、T4 （126.39 mg/100 g）的VC含量同CK无显著性差异（P＞0.05）。

图8 调亏灌溉对甘蓝VC含量的影响Fig.8 Effect of regulated deficit irrigation on the Vitamin C content of cabbage

2.4 调亏灌溉对甘蓝水分利用效率的影响

图9 为调亏灌溉各处理的累计灌水量；图10 为不同调亏灌溉处理甘蓝水分利用效率（WUE）的变化情况。可以看出，T3 的水分利用效率（WUE）最高，为143.56 kg/(hm2·mm)，较CK 提升了31.43%；T5 次之，为139.57 kg/(hm2·mm)，较CK 提升了27.78%，T3 和T5 无显著差异（P＞0.05）。CK 的水分利用效率（WUE）最低，为109.23 kg/(hm2·mm)，均显著低于其他处理（P＜0.05）。

图9 调亏灌溉各处理的累计灌水量Fig.9 Cumulative irrigation volume of each treatment in regulated deficit irrigation

图10 调亏灌溉对甘蓝水分利用效率的影响Fig.10 Effect of regulated deficit irrigation on water use efficiency of cabbage

3 讨 论

水资源匮乏是限制北方旱区农业发展最主要的环境因素，在提高水分利用效率的同时获得较高的产量是农业生产的重中之重。地下渗灌栽培甘蓝可将水分和养分精准地输送到土壤中，降低土壤水分蒸发量，改善农田小气候。本试验研究发现：在甘蓝的前期发育阶段，水分主要用于构建其营养器官，此时轻度水分亏缺有利于甘蓝的根系发育，增加甘蓝的根干重，这与周亚婷[12]等、吴现兵等[13]的研究结果相似。

有研究[14-16]发现，调亏灌溉技术可以在一定程度上降低作物的灌水量，提升水分利用效率，保证经济产量稳定，改善作物的品质。本研究发现，在甘蓝各生育期内进行调亏灌溉会造成生物学产量的下降，且水分亏缺程度愈大，降幅愈大，对照组CK 的生物学产量最大（44 358.81 kg/hm2），莲座期和结球前期轻度水分亏缺不会使总生物量明显下降，其余处理均降低显著，降幅为3.72%～7.72%（P＜0.05）。这与闻磊等[4]、莫江华等[17]的研究结果类似，充足的水分利于作物生物学产量的积累，水分亏缺会抑制作物生长，降低作物的生物学产量。

经济产量占总生物量的比值称为作物的经济系数，作物的经济系数可以在一定程度上体现作物的生产水平[18]。适宜的水分亏缺可以提高作物的经济系数，但是过度的水分亏缺会严重抑制作物生长，使经济产量与生物学产量双双降低，导致经济系数下降。时学双等[19]研究发现，在春青稞不同生育期内，轻度至重度水分亏缺可提高作物经济系数和水分利用效率，但极度水分亏缺会导致最低的籽粒产量、经济系数和水分利用效率。本研究表明，在甘蓝莲座期和结球前期轻度的水分亏缺可以提高甘蓝的经济系数，与对照组CK 相比，增幅为2.94%～3.25%，而重度的水分亏缺则会降低经济系数。这是由于重度水分亏缺会导致甘蓝的细胞壁变坚硬，复水后难恢复，造成作物经济产量下降，降低了甘蓝的经济系数。

张恒嘉等[20]对马铃薯进行研究，发现调亏灌溉在不显著影响产量的情况下，使全生育期总耗水量降低，提升水分利用效率。本研究表明，T1 的甘蓝经济产量最高，与T3 和CK 无显著差异（P＞0.05）；T3 的WUE最高（143.56 kg/(hm2·mm)），较CK 提升了31.43%，是由于T3 在不显著降低甘蓝经济产量的情况下，减少了全生育期的耗水量，提升了水分利用效率。说明适时适度的调亏灌溉可以减少作物全生育期的总耗水量，提高作物水分利用效率，对作物产量的影响不大，探索节水与高产的平衡点。

在适宜的时期内对甘蓝施以适度的水分亏缺既可以满足甘蓝的生长，确保产量，还可以改善甘蓝的品质[21]。试验研究发现，T3 的叶球紧实度最高（0.72 g/cm3），中心柱最短（5.81 cm），帮叶比小（0.221 9），显著（P＜0.05）优于CK；T5的可溶性糖含量最高（7.66%），VC含量（145.36 mg/100 g）仅次于T6，表明甘蓝结球前期适度水分亏缺有利于甘蓝叶球紧实、缩短中心柱、降低帮叶比；在甘蓝结球中后期，较低的灌水量有利于提升甘蓝可溶性糖和VC含量，且可溶性糖和VC含量伴随灌水量的减少，先上升后下降，这与王鹏勃[22]等，马彦霞[23]等，周亚婷[24]等的研究结果相似。

4 结 论

（1）在甘蓝的莲座期和结球前期，水分对甘蓝的干物质积累影响显著，T1、T3 对甘蓝根部干物质和地上部干物质积累起促进作用，并且不会显著影响甘蓝的经济产量、单株球重等指标。

（2）在甘蓝的结球前期，T3处理利于提高甘蓝的叶球紧实度、降低甘蓝的中心柱长，间接降低甘蓝的帮叶比，提高甘蓝的物理品质；在甘蓝的结球中后期，T5 处理利于甘蓝可溶性糖和VC的积累，提高甘蓝的营养品质和口感。

（3）T3在经济产量、单株球重、可溶性糖含量和VC含量等指标与充分灌溉无显著差异的条件下，灌水量降低了28.95%、水分利用效率提高了31.43%，改善甘蓝了甘蓝的物理品质；T5 在经济产量、单株球重、叶球纵径、中心柱长、帮叶比等指标与充分灌溉无显著差异的条件下，灌水量降低了25.09%、水分利用效率提高了27.78%，作物的可溶性糖含量和VC含量分别增加了28.74%和13.81%，改善了甘蓝的营养品质。