灌溉频率对日光温室早春茬黄瓜果实发育及根系分布的影响

杨冬艳，桑 婷，冯海萍，赵云霞，王 丹，王 蓉

（1.宁夏农林科学院园艺研究所，银川 750002；2.宁夏吴忠国家农业科技园区管委会，宁夏吴忠 751100；3.宁夏大学土木与水利工程学院,银川 750021）

0 引 言

合理的灌溉制度，是促进作物优质高产的重要措施，灌溉频率是灌溉制度的一项重要参数和核心内涵，直接影响着水氮在土壤中运移及作物对其吸收利用[1]，土壤水分的空间分布和土壤的蓄水量[2]，土壤温度[3]及土壤养分[4,5]，从而调控作物的生长发育，最终影响产量形成。研究表明，灌溉频率的增加，显著有利于作物的生长、产量的提高[6,7]，但过高频率的灌溉，又会引起土壤表面的无效蒸发，从而限制根系生长，缩减根际营养空间，降低水分利用率[8,9]，从而造成作物低产低质[10]，因此，确定作物不同生育期的合理灌溉频率尤为重要。

近年来，关于灌溉频率对蔬菜类作物生长影响方面的研究颇多，例如，DU L 等[11]指出，在河西地区种植辣椒，在其生长前期宜每隔10 d 灌溉1 次，生长后期宜每隔5 d 灌1 次；郭鹏飞等[12]通过研究日光温室西葫芦在不同灌溉频率下的生长变化发现，灌水频率从每隔7 d 灌1 次调整为隔2 d 灌1 次时，其干物质和叶面积的累积量增加39.70%和23.30%；祁娟霞等[13]研究发现，在番茄生育期内增加灌水频率，促进株高和茎粗的生长。可见，因种类和生长环境不同，灌溉频率对作物生长的影响及其响应均存在一定的差异。

黄瓜（Cucumis sativus L.）作为宁夏设施蔬菜主要栽培种类之一，其产量高，收益好，栽培面积占宁夏设施蔬菜20%以上[14]。相关研究表明，日光温室黄瓜在覆膜滴灌条件下，水分利用效率和产量最佳的灌水次数为18 次[15]；也有学者指出，在高寒地区的膜下滴灌条件下，日光温室春夏茬黄瓜在定植期到坐果期灌水间隔为3 d，坐果期到采收期灌水间隔为1 d，有利于产量形成[16]；孙丽萍等[17]研究发现日光温室中栽培茬口不同，灌溉频率对植株蒸腾、产量和水分利用效率的影响不同，春夏茬黄瓜灌水间隔3 d 产量最高[18]。可见，大部分研究集中在灌溉频率对黄瓜植株生长及产量影响特征的分析上，关于黄瓜果实和根系发育及空间分布的研究却鲜有报道，而以根层土壤管理为核心，对作物进行水肥调控，是科学水肥管理的重要措施[19]，故笔者进行了基于不同灌溉频率的日光温室秋冬茬黄瓜结果期产量及根系分布特征研究，并指出宁夏中部干旱带秋冬茬黄瓜在0～10 cm 土层根系生物量超过80%，灌溉频率对其根系生长量有显著影响，秋冬茬黄瓜适宜灌水定额为1 500 m3/hm2，结果期灌溉间隔7 d为宜[20]。那么，关于日光温室早春茬黄瓜在不同灌溉频率下的果实发育及其根系分布研究还有待探索，因此，本试验在宁夏引黄灌区典型日光温室内，研究灌溉频率对早春茬黄瓜果实发育、根系积累及空间分布特征的影响，为日光温室早春茬黄瓜水肥灌溉参数设定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验地点位于宁夏银川市西夏区，属中温带干旱气候区，日照充足，光能资源丰富。年平均太阳辐射总量为146 kJ/cm2，年平均日照时数为3 039.6 h，年平均气温为13.1 ℃，无霜期153 d，年平均降水量193 mm，气候干燥，昼夜温差大。试验在宁夏农林科学院综合科研基地进行，温室脊高3.5 m，净跨度7 m，长63 m，日光温室土壤容重为1.23 g/cm3，田间最大持水量34.37%。

供试嫁接黄瓜品种为德尔99，砧木为博强2 号，试验于2017年2月13日定植，栽培畦下挖20 cm，宽度60 cm，长7 m，利用园艺地布进行隔离，土层深度35 cm，黄瓜定植株距28 cm，小行距20 cm，大行距110 cm，定植密度48 450 株/hm2，6月25日拉秧。

1.2 试验方法

试验小区面积为9.1 m2，5 个重复，每个处理试验总面积为45.5 m2。每个处理单独灌水，水肥一体化装置为水箱（300 L）、水泵、压力表、过滤器、水表组成，利用膜下滴灌，每个栽培畦两根滴管带，滴头间距30 cm，定植后20 d 后开始处理，120 d 时处理结束，处理时间100 d，试验设置3 个水平灌溉频率处理，具体设计见表1。遇阴雨天不进行灌溉，向后顺延，全生育期130 d，采收期90 d，每个处理田间实际总灌水量均为3 120 m3/hm2。

表1 田间灌水频率设置Tab.1 Frequency setting of field irrigation

各处理施肥统一管理，基肥为腐熟羊粪75 m3/hm2，磷酸二铵300 kg/hm2，分别在定植后第20 d、30 d 追肥1 次，之后间隔7 d 追肥1 次，全生育期总追肥次数14 次。每次施肥种类及用量为以色列海法公司的魔粒丰水溶肥（N 16%-P 8%-K 32%）45 kg/hm2和尿素（N 46%）15 kg/hm2。

1.3 测定指标与方法

每个处理各选择长势基本一致的10 株黄瓜进行挂牌标记并编号，从2017年02月26 号开始，定期对黄瓜植株的株高、茎粗及叶片数进行测量，间隔周期为15 d；在植株生长中期，每个小区用天平单独测产，每隔2 d 采果1 次，累计得黄瓜产量，每个处理在盛果期相同时间采取黄瓜果实，采用四分法取样测定其品质，Vc 含量采用2,6-二氯靛酚法测定；可溶性糖含量采用蒽酮法测定，硝酸盐含量采用水杨酸法[21]测定。

在灌水处理结束时，每个处理取相邻5株黄瓜根系，用直径为10 cm 的土钻取样，以黄瓜主根为中心，取水平方向半径15 cm，垂直方向以5 cm 为一个层次，取到30 cm，共6 个土层，浸泡1 h后，冲洗根系，烘干称重。

黄瓜种植期间利用紫藤连线设备ZigWSN 采集器（农用温室型）监测温室环境温度，黄瓜活动积温为黄瓜生长期间内日均温的总和，其中日均温下限温度为14.7 ℃，上限温度为35 ℃[22]。

1.4 数据分析

采用DPS软件Duncan′s多重比较差异显著性。

2 结果与分析

2.1 日光温室早春茬嫁接黄瓜生长期间温室温度的变化

由图1可见，在日光温室早春茬黄瓜栽培期间（2018年2月13日-6月25日），温室空气温度最高在18.57～40.45 ℃范围内波动，平均30.59 ℃，最低温度在6.16～20.62 ℃范围内波动，平均20.90 ℃，每日平均温度在9.91～25.7 ℃范围内变化，生长期间平均日均温22.37 ℃，积温为2 794 ℃，活动积温为2 760 ℃。只有在定植初期有3 d日均温低于14.7 ℃，因此在早春茬黄瓜生长期间积温和活动积温基本一致。

图1 日光温室早春茬黄瓜生长期间温室空气温度参数变化Fig.1 Greenhouse temperature changes during cucumber growth in early-spring planted

2.2 不同灌溉频率处理对黄瓜植株茎叶生长的影响

由图2可见，不同灌溉频率下的黄瓜株高和叶片数生长趋势一致，在定植初期和后期，黄瓜主蔓生长速率较快，达2.14～2.28 cm/d，其生长量较小，占总生长量的13.63%～14.45%；在定植后30～90 d 内，黄瓜主蔓呈现快速增长趋势，生长速率达3.89～4.36 cm/d，生长量占总生长量的65.71%～73.25%，3 个处理间生长速率和生长量均无显著性差异（P＜0.05）；定植后90～120 d时，黄瓜主蔓生长缓慢，生长速率为0.79～2.05 cm/d，生长量占总生长量的7.18%～16.22%，其中主蔓最长的处理为TR2，高达378.6 cm，较主蔓最短的处理TR3 显著高出15.15%（P＜0.05）。而就叶片数生长而言[图2（b）]，在定植后60 d时，处理TR2叶片数高达34片/株，比最低处理TR3 高出3 片叶，随生育期延长至120 d 时，处理TR2叶片数高达41 片/株，均比处理TR1 和TR3 分别显著高出7.11%和10%（P＜0.05）。可见，适宜的灌溉频率可以同时促进株高和叶片数量的增加。

2.3 不同灌溉频率处理对黄瓜果实生长发育的影响

由图3可见，黄瓜果实单果重、纵径和横径的发育变化均呈现慢-快-慢的“S”形生长趋势。如图3（a）所示，花后7 d内果实单果重生长速度较慢，平均速率在4.95～6.02 g/d，其生长量占总果实重量的19.34%～21.02%，3 个处理间无显著性差异；如图3（b）所示，3个处理的果实纵径间生长速率无显著性差异，平均生长速率为1.98 cm/d；如图3（c）所示，处理TR1 的果实横径生长速率分别比处理TR2 和处理TR3 显著高出46.43%、42.57%（P＜0.05）。花后7～10 d 是果实物质积累和快速膨大的时期，处理TR1 和TR2 的单果重均超过150 g，同时果实纵横径也迅速增长，处理TR2 的纵径和横径生长速率分别高达4.09 和5 mm/d，均较TR3 的纵径和横径生长速率分别显著高出26.9%和29.69%（P＜0.05）。果实生长10～13 d期间，纵径和横径的生长速度均较为缓慢，单果重的积累也放缓，直至采收时，处理TR2的果实纵径高达33.67 cm，横径高达32.1 mm，单果重为207.18 g，分别与处理TR1 均无显著性差异，但均比处理TR3 分别显著高出16.09%、13.09%、25.76%（P＜0.05）。数据表明，黄瓜果实在生长期间纵向发育先于横向发育，横向发育决定单果的重量，高频率灌溉可促进黄瓜果实早期橫径和单果重的增加，但适宜的灌溉频率可促进黄瓜果实中后期的生长，相对于果实纵径，高频率灌溉更能促进果实横径的生长。

图3 不同灌溉频率对黄瓜果实生长发育的影响Fig.3 Effects of different irrigation frequency on growth and development of cucumber fruits

2.4 不同灌溉频率处理对黄瓜果实产量和品质的影响

由表2可见，处理TR3黄瓜单株坐果数比处理TR1和处理TR2分别显著高出21.82%和18.36%，说明加大灌水间隔时间，能够促进黄瓜坐果，但不利于黄瓜果实膨果，高频率灌水能够增加黄瓜单果重量，但不利于黄瓜坐果。因此，处理TR2产量高达115 365 kg/hm2，均比处理TR1 和处理TR3 显著高出7.18%和5.47%，同时处理TR2 的水分利用效率高达42.51 kg/m3，也均比处理TR1 和处理TR3 显著高出7.16%和5.48%（P＜0.05）。可见，适宜的灌溉频率可以促进株高、叶片数量和坐果数量的同步增加。从黄瓜果实品质指标来看，加大灌水间隔能够促进果实中可溶性糖含量的增加，处理TR3 的可溶性糖含量较处理TR1 和处理TR2 分别显著高出24.72%和14.89%（P＜0.05）。可能适度亏缺会造成渗透物质的积累，中频率灌水处理TR2 的可溶性蛋白质含量最高，比处理TR1和处理TR3分别显著高出57.14%和25.44%（P＜0.05）。

表2 不同灌溉频率对黄瓜产量构成的影响Tab.2 Effects of different irrigation frequency on yield components of cucumber

2.5 不同灌溉频率处理对黄瓜根系生长及分布特征的影响

研究表明，黄瓜根系主要分布在0～30 cm 土层内，随着土壤深度加大根量逐渐减少[23]。如图4（a）所示，在黄瓜坐果初期（40 d），0～10 cm 土层的黄瓜根系干重依次为TR3＞TR1＞TR2，方差分析差异达到显著水平，其他土层各处理的根系干重无显著性差异（P＜0.05）；各处理在0～20 cm 土层的黄瓜根系分布占总根系占比依次为96.21%、95.1%、94.68%。可见，在黄瓜生育前期，根系主要分布在0～20 cm 土层，且适当的加大灌水间隔时间，有利于黄瓜根系在浅层土壤的积累。如图4（b）所示，到黄瓜坐果盛期（70 d）时，各处理在0～20 cm 土层的根系干重量排序为TR3＞TR2＞TR1，差异显著，在其他土层无显著性差异（P＜0.05），且各处理在0～20 cm 土层的根系分布量分别占总根系的94.1%、95.21%、95.78%。如图4（c）所示，到黄瓜生育后期（120 d），根系的物质积累发生了显著的变化，各处理在0～30 cm 土层的根系干重排序为TR2＞TR1＞TR3，且处理TR2 和TR1 的根系干重显著高于TR3 处理（P＜0.05），各处理在0～20 cm 土层的根系分布量分别占总根系的89.06%、88.21%、92.94%，说明在黄瓜生育后期，处理TR3的灌水频率可能导致黄瓜根系早衰，不利于根系生物量的积累，同时也抑制了根系在20～30 cm土层的分布量。

图4 不同灌溉频率对黄瓜根系生长及分布的影响Fig.4 Effect of different irrigation frequency on root growth and distribution of cucumber

可见，在日光温室早春茬栽培条件下，不同灌溉频率处理的黄瓜在不同生育期0～20 cm 土层根系干物质量占比均高达85%以上。同时，随生育期的延长，根系干物质量在20～30 cm土层的分布也有所增加。

3 讨论与结论

灌溉频率是膜下滴灌技术特别重要的参数[24]，直接影响着根际土壤的水热分布，从而影响作物生长及其产量品质[25]。黄瓜为浅根系作物，对水分敏感，需水量较大，根系形态虽然由遗传基因型决定，但是表现型依赖于环境[23]，研究表明，膜下暗灌和滴水灌溉模式下温室黄瓜根系水平分布范围均主要在0～15 cm，分别占总根干重的96.6%和94.2%，黄瓜根系垂直分布主要在0～20 cm 土层范围内[26]，不同时期土壤水分处理对黄瓜根系垂直分布比例略有影响，但对黄瓜根系扎深的影响不大，0～25 cm 土层黄瓜根系分布比例占总根重的99%以上[27]。本试验结果也表明在宁夏地区日光温室膜下滴灌条件下，早春茬黄瓜根系干物质量在0～20 cm 土层内占总根系生物量的85%以上，说明灌溉频率对黄瓜根系在浅土层的分布量影响不大。有研究表明根际土壤含水量低的条件下会刺激根系在垂直和水平2 个方向上发育，以便获得足够水分[28]。王伟等通过研究灌溉频率对棉花根系分布的影响发现，当灌溉频率下降时，各层根系的百分比随土层的加深而增加，根系总干重的增加主要依赖于10 cm 以下土层根密度的增大来完成[29]，这与本试验黄瓜生育前期根系变化表现一致。本试验表明，在黄瓜生育前期，随着灌水间隔的加大，黄瓜浅层土壤（0～10 cm）根系生物量越高，这可能与日光温室早春栽培地膜覆盖下地表温度较高、黄瓜生育前期浅层土壤根系的分布比例较大，其发育能力更强有关，降低根系土壤水分下限，促进了浅层土壤根系生物量的增加，增加吸收水分的根系量。但是，随着黄瓜生育进程，根系分布有逐渐向下层土壤增加的趋势，到生育后期，TR3处理黄瓜根系早衰严重，干物质量显著下降，这与杜江涛[30]和高龙[31]等人研究结论相同，较高频率的灌溉可以增加土壤含水量，从而有利于作物根系吸收和生长。本研究表明黄瓜根系分布及生物量的积累在不同生育时期对土壤水分响应特征不同，在黄瓜生育中早期，加大灌水间隔时间可促进黄瓜根系生物量的积累，但到后期可能由于较为严重的水分亏缺导致了根系的死亡。许多的田间试验研究表明，一些作物对高频滴灌有着良好的反应，主要表现在作物增产、水分利用效率提高等方面[32,33]。试验发现在日光温室早春茬膜下滴灌条件下，黄瓜根系在浅层土壤中的分布变化较大，因此采用少量多次灌溉方法有利于根系吸收水分和养分。但是少量多次还是多量少次应结合日光温室栽培茬口温光环境，不同灌溉制度下水分运移和分布规律，探明不同灌水量和灌水频率条件下，速效养分在土层的空间分布特征是提高黄瓜水肥利用效率的有效途径。

灌溉频率是影响作物水分利用率、产量和品质的主要因素之一[34]。一定范围内的高频率灌溉，促进梨的单果质量增加[35]，有利于棉花[36]、玉米[37]和黄瓜[15]的株高生长及其产量的增加，也有利于部分果实品质和作物水分利用率的提高[38]，但若灌水量不能快速渗透，那么过于频繁的灌溉也会带来土壤盐渍化或缺氧现象[39]。本试验发现灌溉频率对黄瓜果实发育影响显著，高频率灌溉可促进黄瓜果实早期橫径和单果重的增加，但适宜的灌溉频率可促进黄瓜果实发育中后期的生长，果实单果重的增加促进了果实中蛋白质含量的积累，同时适宜的灌溉频率促进黄瓜株高、叶片数量和坐果数量的同步增加，这也与孔德杰等[15]结论一致。

因此，在宁夏引黄灌区日光温室黄瓜早春茬生产中，平均日均温22 ℃左右，在单次灌水定额70.05 m3/hm2的条件下，黄瓜结果期的灌溉间隔以2～3 d 时，产量和水分利用效率最高，其产量高达115 365 kg/hm2，水分利用效率为42.51 kg/m3。