不同灌溉方式对土壤水热及生菜产量的影响

李 尤 亮,张 雷,王 杰,袁 艺,吴 灏

(1.云南省水利水电科学研究院,云南 昆明 650228; 2.高原立体气候条件作物需水云南省野外科学观测研究站,云南 昆明 650228; 3.云南省农业科学院园艺作物研究所,云南 昆明 650228; 4.扬州大学 水利科学与工程学院,江苏 扬州 225009)

0 引 言

水资源是农业生产中至关重要的物质基础,在农业发展中具有不可替代的作用[1],是维持农业生产以及支撑人类生存和社会经济发展的根基。中国年农业灌溉用水量约为3.8×1012m3,占总用水量近70%[2]。然而,受灌溉方式、农田水利工程状况及水资源管理等的影响,农业灌溉用水普遍存在浪费严重、水资源利用效率低等不合理的现象,农业灌溉水利用系数大多为0.3～0.4[2-3]。因此,农业灌溉水利用效率提升潜力巨大。农业灌溉方式等问题受到水资源管理部门、学者、粮食生产者的广泛关注。

不覆膜滴灌及覆膜滴灌是重要的节水灌溉方式,可使农田微气象环境、土壤水热状况等发生改变,提高灌溉水资源利用效率,进而影响作物的产量。已有学者对于作物产量及农田水热状况对不覆膜滴灌及覆膜滴灌等的响应规律开展了大量的研究。与微喷灌溉、畦灌等传统灌溉方式相比较,不覆膜滴灌及覆膜滴灌可减少灌溉水无益消耗,提高灌溉水利用效率[4]。齐智娟、杨恒山等[5-6]对玉米的研究发现,覆膜滴灌可以起到增温保墒的作用,为玉米生产提供较好的水热环境,可显著提高玉米产量。对于小麦、棉花、番茄等作物而言,滴灌、膜下滴灌可显著提高土壤含水率、土壤温度、作物产量及品质[7-9]。此外,地膜覆盖在协调土壤水热条件的同时,增加了土壤中微生物数量及活力,可提高作物对养分和水分的吸收和利用率。

生菜(Lactucasativa)又称叶用莴苣,富含维生素、膳食纤维、碳水化合物和矿物质等营养物质,且具有预防贫血、镇痛催眠、抗衰老和降血压等功能[10],被广泛种植。在云南滇中地区,生菜是重要的绿色蔬菜之一,其种植面积逐年增加[11]。在生菜种植过程中,水资源投入量较大,其灌溉方式以微喷灌为主,灌溉效率较为低下且水资源浪费严重。基于此,本研究以生菜为典型作物,开展微喷灌、不覆膜滴灌及覆膜滴灌灌溉试验。研究生菜生育期内土壤温度、土壤水储量对微喷灌、不覆膜滴灌及覆膜滴灌的响应规律,探讨其对生菜生长及最终产量的影响,以期为云南省滇中地区生菜灌溉方式的调整提供科学支撑。

1 材料及方法

1.1 试验区概况

研究区属亚热带-高原山地季风气候区,多年平均日照时数为2 200 h,多年平均气温为14.7 ℃,最冷月平均气温为7.7 ℃,最热月平均气温为20.6 ℃,全年无霜期为285 d。全年平均降雨量为789.6 mm,主要集中在5～9月,约占全年降水量的80%～90%。试验地土质为砂壤土,pH值为8.2[11]。

1.2 试验设计

于2020年和2021年在云南省灌溉试验中心站开展了不同灌溉方式对生菜生育期内土壤水热、生长及产量的影响试验。试验设置的3种处理方式分别为微喷灌、不覆膜滴灌和覆膜滴灌。每种灌溉方式设置3个重复,灌溉下限均为田间持水量的80%,灌溉上限为田间持水量。生菜生育期划分:2021年团棵期为11月4～23日,莲座期为11月24日至12月8日,结球期为12月9～31日,成熟采收期为翌年1月1～6日;2022年团棵期为11月4～23日,莲座期为11月24日至12月11日,结球期为12月12日至翌年1月13日,成熟采收期为翌年1月14～18日。

1.3 数据观测

生菜生育期内的土壤温湿度数据通过预埋设的土壤温度和土壤湿度传感器进行观测,埋设深度为10,20,30,40 cm,观测频率为1 h。使用钢尺测量株高,每个试验小区标记9株,精确到0.1 cm。生育期结束,使用电子天平对生菜产量进行测定,精确到0.01 g。

1.4 数据分析

采用 Microsoft Excel 2021对生菜生育期内土壤温度、土壤水储量、株高和产量进行处理和制图。采用方差分析法分析各灌水模式间株高及产量的显著性差异。

2 结果分析

2.1 不同灌溉方式对土壤水储量的影响

生菜不同生育期土壤水储量的变化受降雨、灌溉及作物蒸发蒸腾量等的综合影响[12]。2020年和2021年微喷灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下生菜各生育期10～40 cm土壤水储量变化如图1,2所示。在生菜各生育期,不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下的土壤水储量均显著大于微喷灌;不覆膜滴灌略大于覆膜滴灌,差异不显著(见图1)。与微喷灌方式下相比,不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下全生育期土壤水储量在2020年分别提高了41.6%和37.5%,在2021年分别提高了33.5% 和29.5%。2020年和2021年,不覆膜滴灌较覆膜滴灌的生菜全生育期土壤水储量分别提高了 3.0% 和3.1%。这可能是由于在覆膜滴灌和不覆膜滴灌方式下,灌溉水直接进入土壤,进而减少了水分的无益消耗[4],而在微喷灌方式下部分灌溉用水量被生菜叶片截留而随蒸发消耗[13]。

图1 2020年和2021年不同灌溉模式下生菜各生育期土壤水储量Fig.1 Soil moisture content in different growth periods of Lactuca sativa under different irrigation modes in 2020 and 2021

图2 2020年和2021年不同灌溉模式下土壤水储量分布Fig.2 Soil moisture content distributions in different growth periods under different irrigation treatments in 2020 and 2021

在土壤剖面上,微喷灌及覆膜滴灌的土壤水储量随着土壤深度的增加呈增加的趋势;而不覆膜滴灌则呈先增加后减小的趋势,最大值均出现在30 cm处。在各土壤层,不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下的土壤水储量均大于微喷灌。10～30 cm不覆膜滴灌土壤水储量大于覆膜滴灌,在40 cm处,覆膜滴灌的土壤水储量大于不覆膜滴灌。这可能是由于根系是作物主要的吸水器官[14],根系的长度影响不同土壤层的水分状况[15],而不同的灌溉方式影响了生菜根系的垂向生长过程。以往研究表明,覆膜滴灌条件下,作物根系分布主要集中在土壤上层。

2.2 不同灌溉方式对土壤温度的影响

土壤温度是影响生菜生长的关键因素之一[16]。2020年和2021年微喷灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌模式下,生菜生育期内日尺度及各生育期土壤温度变化如图3,4所示。生菜定植以后,随着生育进程的推进,三种灌溉方式的土壤温度均表现为减小的趋势。覆膜滴灌方式下平均土壤温度显著大于微喷灌和不覆膜滴灌,而微喷灌和不覆膜滴灌之间平均土壤温度差异较小。微喷灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下生菜全生育期2020年平均地温分别为13.6,13.3 ℃和14.9 ℃;2021年平均地温分别为12.9,12.8 ℃和14.1 ℃。覆膜滴灌方式下土壤平均温度较微喷灌和不覆膜滴灌,2020年分别提高了9.6%和12.3%,2021年分别提高了9.5%和10.3%。这表明覆膜对土壤具有明显的增温效应,这与胡英杰[4]研究结果一致。

图3 2020年和2021年不同灌溉模式下土壤温度日变化Fig.3 Changes of daily soil temperature under different irrigation treatments in 2020 and 2021

图4 2020年和2021年不同灌溉模式下生菜各生育期土壤温度Fig.4 Soil temperature of Lactuca sativa at different growth periods under different irrigation modes in 2020 and 2021

在10～40 cm深度的土壤剖面上,微喷灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌土壤温度随土壤深度的增加而增加(见图5)。然而,灌溉方式不同,温度梯度存在差异。微喷灌地温梯度最大,2020年和2021年其值分别为0.067 4 ℃/cm和0.066 9 ℃/cm;其次为不覆膜滴灌,2020年和2021年其值分别为0.058 7 ℃/cm和0.062 9 ℃/cm;最小为覆膜滴灌,2020年和2021年其值分别为0.037 ℃/cm和0.046 7 ℃/cm。在各土壤层,覆膜滴灌土壤温度均大于微喷灌和不覆膜滴灌,微喷灌大于不覆膜滴灌(见图5)。

图5 2020年和2021年不同灌溉模式下生菜生育期土壤温度分布Fig 5 Soil temperature distributions in different growth periods under different irrigation modes in 2020 and 2021

2.3 不同灌溉方式对生菜株高及产量的影响

微喷灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌模式下生菜株高变化及最终产量如图6,7所示。对于株高而言,定植初期,不同灌溉模式下生菜株高差异不显著。随着生育期的推进,覆膜滴灌条件下的株高显著大于不覆膜滴灌和微喷灌(见图6)。覆膜滴灌较不覆膜滴灌和微喷灌的最终株高,2020年分别增加了12%和13%,2021年分别增加了24%和16%。这可能是由于覆膜对土壤具有明显的增温效应[17-18],覆膜滴灌条件下的土壤温度大于不覆膜滴灌和微喷灌,进而导致覆膜滴灌条件下温度胁迫系数及积温效应大于不覆膜滴灌和微喷灌。不覆膜滴灌条件下的株高大于微喷灌条件下的株高,其中2020年差异不显著,2021年差异显著。2020年和2021年不覆膜条件下的株高较微喷灌分别提高了0.2%和18.4%(见图6)。

图6 不同灌溉模式下2020年及2021年生菜株高变化Fig.6 Plant height of Lactuca sativa under different irrigation modes in 2020 and 2021

不同的灌溉方式通过影响土壤水分状况、田间小气候等,进而影响生菜的生长过程,最终导致生菜产量发生改变。方差分析显示,2020年和2021年覆膜滴灌模式下的生菜产量显著大于不覆膜滴灌和微喷灌(见图7)。2020年覆膜滴灌、不覆膜滴灌和微喷灌方式下生菜产量分别为3.4万,2.4万,2.3万kg/hm2;覆膜滴灌较不覆膜滴灌和微喷灌,生菜产量分别提高了41.67%和47.83%。2021年覆膜滴灌、不覆膜滴灌和微喷灌方式下生菜产量分别为3.4万,2.7万,1.9万kg/hm2。覆膜滴灌较不覆膜滴灌和微喷灌,生菜产量分别提高了25.5%和75.3%。地膜覆盖可改善田间小气候,增大光热交换阻力,协调光、温、水、气的关系[19-20]。此外覆膜增加了土壤中微生物数量及活力,提高了作物对养分的吸收和利用率[21],这可能是导致覆膜滴灌条件下生菜产量显著大于不覆膜滴灌和微喷灌的主要原因。不覆膜滴灌方式下的生菜产量大于微喷灌,其中2020年差异不显著,2021年差异显著(见图7)。

图7 不同灌溉模式下2020年及2021年生菜产量变化Fig.7 Final yield of Lactuca sativa under different irrigation modes in 2020 and 2021

3 结 论

本文对微喷灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下,生菜生育期内的土壤温度、土壤含水率、生菜株高和生菜最终产量进行研究,结论如下:

(1) 平均土壤水储量最大的灌溉模式为不覆膜滴灌,其次为覆膜滴灌,微喷灌最小。不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下土壤水储量与微喷灌相比较,2020年分别提高了41.6% 和37.5%,2021年分别提高了33.5% 和29.5%。微喷灌、覆膜滴灌方式下10～40 cm深度的土壤水储量随着土壤深度的增加而增大,不覆膜滴灌方式下则先增加后减小。

(2) 覆膜滴灌方式下平均土壤温度最大,而微喷灌和不覆膜滴灌之间差异较小。与微喷灌和不覆膜滴灌方式相比较,覆膜滴灌提高了生菜根系层内土壤温度,2020年分别提高了9.6%和12.3%,2021年分别提高了9.5%和10.3%。在剖面上,微喷灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下,土壤温度均随土壤深度的增加而增大。

(3) 与微喷灌溉相比较,覆膜滴灌和不覆膜滴灌可提高生菜产量,其中覆膜滴灌的产量最大。2020年其值分别为3.4万,2.4万kg/hm2和2.3万kg/hm2,2021年其值分别为3.4万,2.7万kg/hm2和1.9万kg/hm2。