基于土壤水分的自动滴灌模式对温室黄瓜产量及水肥利用效率的影响.pdf

书书书梁新书，廉晓娟，张金良，等．基于土壤水分的自动滴灌模式对温室黄瓜产量及水肥利用效率的影响［Ｊ］．江苏农业科学，２０１９，４７（２４）１４１－１４５．ｄｏｉ１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１９．２４．０３４基于土壤水分的自动滴灌模式对温室黄瓜产量及水肥利用效率的影响梁新书１，廉晓娟１，张金良１，张雪飞２，杨 军１，王正祥１，张余良１，王 艳１（１．天津市农业资源与环境研究所，天津３００１９２；２．天津市农业科学院信息研究所，天津３００１９２）摘要以日光温室黄瓜为研究对象，以传统滴灌模式为对照，研究基于土壤水分的自动滴灌模式（启动灌溉施肥的土壤水分含量下限为７５％田间持水量，灌水定额为５ｍｍ，肥料氮浓度为１２０ｇ／ｍ３）对黄瓜生长、水肥利用效率及土壤理化性质的影响。结果显示，与传统滴灌模式相比，采用基于土壤水分的自动滴灌模式进行黄瓜水肥管理可使土壤根层水分含量保持在７５％～１００％田间持水量，可维持黄瓜植株正常生长，黄瓜产量提高８．９％。该模式在整个生长季可有效节水５２．２％，节肥４９．０％，使灌溉水利用效率提高１２７．７％，肥料偏生产力提高１１３．５％。另外，该模式还可降低０～２０ｃｍ土层土壤养分和盐分的累积及４０～６０ｃｍ土层含水量，避免水分的深层渗漏。研究结果表明，黄瓜基于土壤水分的自动滴灌模式是温室黄瓜丰产高效的重要水肥管理方式之一。关键词自动灌溉；滴灌；黄瓜；土壤水分；日光温室中图分类号Ｓ６４２．２０１ 文献标志码Ａ 文章编号１００２－１３０２（２０１９）２４－０１４１－０５收稿日期２０１８－０９－１２基金项目国家科技支撑计划（编号２０１５ＢＡＤ２３Ｂ０１－５）；天津市科技支撑重点项目（编号１７ＹＦＺＣＮＣ００２８０）；天津市农业科学院院长基金（编号１７００９）。作者简介梁新书（１９８８），男，山东济宁人，博士，助理研究员，主要从事设施蔬菜节水研究工作。Ｅ－ｍａｉｌｌｉａｎｇｘｉｎｓｈｕ５１２＠１６３．ｃｏｍ。通信作者王 艳，硕士，副研究员，主要从事土壤和水资源高效利用等研究工作。Ｅ－ｍａｉｌｗａｎｇｙａｎｚｈｓ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。我国设施蔬菜种植面积发展十分迅速［１］，但是，目前设施蔬菜生产大多采用大水大肥的管理模式，有研究结果表明，在经验畦灌条件下，灌溉水的５０％～６０％渗漏到耕层以下，大大降低了水分利用率［２］。传统过量施肥会引起土壤养分累积、酸化、盐渍化、地下水和大气污染等一系列问题，对我国设施蔬菜种植体系的可持续发展利用构成了很大的威胁［３－６］。与此同时，传统灌溉施肥以畦灌或沟灌为主，这种方式费力费时，所需劳动力成本在逐渐加大，亟需自动控制的农业节水节肥技术。因此，设施蔬菜灌溉施肥实现精准化和自动化控制是蔬菜安全生产的发展方向和必然趋势，对节约水肥资源、提高劳动生产率和促进现代农业可持续发展具有重要意义［７］。我国蔬菜灌溉施肥技术相对于农业发达国家比较落后，系统成套性较差，自动化及智能化程度较低。但是，针对我国的国情和农业发展目标，国内学者在蔬菜作物合理的灌溉施肥指标及配套的灌溉施肥设备研发等方面已取得很大进展。在蔬菜节水方面，国内学者研究灌水定额主要借助蒸渗仪［２，８］、蒸腾仪［８－９］、蒸发皿［１０］等仪器和测量土壤含水量［１１－１２］等方法。在蔬菜施肥方面，多种蔬菜作物的需肥规律及平衡施肥研究也有了一定的结果［１３－１７］。另外，水肥一体化技术被认为是一项高效的灌溉施肥技术，目前此技术的研究也逐渐成熟［１８－１９］。但是，相比于农业发达国家，我国蔬菜自动化灌溉施肥技术还有很大差距［２０］。黄瓜是设施蔬菜中种植面积较大且经济价值较高的作物，但由于其需水需肥量大且根系较浅，因此灌水施肥操作非常频繁且费时费力，加之过量灌溉施肥问题尤为突出，所以，本试验以温室黄瓜为研究对象，分析基于土壤水分的自动滴灌模式对温室黄瓜产量及水肥利用效率的影响，旨在为基于土壤水分的自动滴灌模式能在设施蔬菜生产上推广应用提供数据支撑。１ 材料与方法１．１ 试验点基本情况试验于２０１６年３月１１日２０１６年７月１０日在天津市北辰区雨农蔬菜种植专业合作社８号日光温室进行。日光温室长７０ｍ，室内跨度９．８ｍ，后墙高２．２ｍ，脊高３．６ｍ，供试温室内部温光条件见图１。供试土壤为重黏土，砂粒、粉粒及黏粒的比例分别为１．３％、３０．７％及６８．０％。基础土样水解氮含量为１９６．７ｍｇ／ｋｇ，速效磷含量为１１６．０ｍｇ／ｋｇ，速效钾含量为５７３．３ｍｇ／ｋｇ，有机质含量为２．８％，全盐含量为０．３８％，ｐＨ值为７．８１，容重为１．２ｇ／ｃｍ３，田间持水量（ＦＣ）为３０．８％。１．２ 试验设计定植前撒施商品有机肥２２．５ｔ／ｈｍ２，过磷酸钙７５０ｋｇ／ｈｍ２，用旋耕机翻耕。做畦方式为传统的高平畦，畦宽８０ｃｍ，沟宽５０ｃｍ。供试作物为黄瓜，２叶１心的黄瓜幼苗于２０１６年３月１１日定植，每畦２行，行内株距为３０ｃｍ，畦内行距为４０ｃｍ，种植密度为５１３００株／ｈｍ２。定植后灌水７５ｍｍ，１周后浇缓苗水１２ｍｍ，待根瓜坐住（４月１８日）后开始处理。试验共分２个处理传统滴灌模式（ＣＫ）按照当地农民温室黄瓜滴灌管理习１４１江苏农业科学 ２０１９年第４７卷第２４期网络出版时间2020-01-03 152857网络出版地址http// 测定项目与方法１．３．１ 安装气象站监测温室内光辐射强度、空气温度及空气湿度的变化 温室内安装１个小型自动环境气象站（ＨＯＢＯＵ３０，ＯＮＳＥＴ－ＮＲＣ，美国）并配置相应的传感器，利用数据自动采集器记录。光辐射强度（Ｓ－ＬＩＢ－Ｍ００３）及空气温度传感器（Ｓ－ＴＨＢ－Ｍ００２）高度为距离地面１．５ｍ；测量土温传感器（Ｓ－ＴＭＢ－Ｍ００６）埋深１０ｃｍ；所有数据保存间隔为３０ｍｉｎ。１．３．２ 测定根层土壤水分动态变化 土壤水分传感器（Ｓ－ＳＭＤ－Ｍ００５）在处理前埋深１５ｃｍ来监测土壤容积含水量的变化。数据保存间隔为３０ｍｉｎ。１．３．３ 测定植株生长参数（株高、茎粗、叶片数及叶面积） 处理后每隔７ｄ每小区选取３株代表性植株，测定黄瓜的生长量。用米尺测量株高；用游标卡尺测量茎粗；记录叶片数；选取黄瓜最大叶片，测量其长度和宽度，然后根据黄瓜成熟叶片叶面积公式（叶面积＝０．８７９６７长宽－６３．２３９６）计算２４１江苏农业科学 ２０１９年第４７卷第２４期可得最大叶面积。１．３．４ 经济产量 分别统计每小区黄瓜的产量，折算成单位面积产量；并且记录每小区商品瓜数（条），并折算成单株瓜数（条）。１．３．５ 水肥利用率的测定 分别记录各处理下黄瓜整个生长期的灌水与施肥总量，结合黄瓜产量计算水肥利用率。灌溉水利用效率为单位面积黄瓜产量与灌水总量的比值；肥料偏生产力为单位面积黄瓜产量与纯Ｎ、Ｐ２Ｏ５及Ｋ２Ｏ投入量之和的比值。１．３．６ 测定拉秧后土壤的理化性质 在拉秧期取土样，取０～２０ｃｍ、２０～４０ｃｍ及４０～６０ｃｍ土层土样分析土壤水解氮、速效磷、速效钾、全盐含量及ｐＨ值。碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提－钼锑抗显色法测定，速效钾含量采用醋酸铵－火焰光度计法测定，全盐含量采用质量法测定，ｐＨ值采用电位法测定，土水比为１ｇ∶２．５ｍＬ。１．４ 数据处理与分析数据处理采用Ｅｘｃｅｌ２０１０及ＳＰＳＳ１７．０，２个处理的方差分析采用独立样本ｔ检验，在０．０５水平上进行比较。２ 结果与分析２．１ 根层土壤水分动态变化从土壤容积含水量的动态变化数据（图３）可以看出，传统滴灌模式共灌水１８次，而基于土壤水分的自动滴灌模式共灌水２２次。处理开始后，传统滴灌模式每次灌水前传感器监测的土壤容积含水量下限的范围为３５．８６％～３８．３５％，变异幅度较大，会造成每次灌溉前根层土壤缺水严重或根本不缺水的情况会发生，如此不合理的灌溉往往会导致水分的浪费；而基于土壤水分的自动滴灌模式处理下启动灌水施肥程序前传感器监测的土壤容积含水量下限范围为３７．０３％～３７．５６％，变异幅度较小，此数值对应的相对含水量均为７０％～７５％ＦＣ，能够保证根层土壤处于适宜水分范围内。２．２ 黄瓜生长参数的分析从黄瓜生长参数的数据（图４）可以得出，随着生长周期的延长，传统滴灌模式和基于土壤水分的自动滴灌模式两处理在株高、茎粗、叶片数及叶面积上均没有显著差异。表明相对于传统滴灌模式，基于土壤水分的自动滴灌模式在水肥投入减少的情况下并没有引起黄瓜生长受限。２．３ 黄瓜产量及产量组成分析从黄瓜产量及产量组成数据（表１）可以得出，相比于传统滴灌模式，基于土壤水分的自动滴灌模式处理显著提高黄瓜产量８．９％，而对瓜条数及平均单果质量均没有产生显著影响。表明相对于传统滴灌模式，基于土壤水分的自动滴灌模式在水肥投入减少的情况下仍能确保黄瓜高产。２．４ 灌溉水利用率和肥料偏生产力分析从黄瓜产量及产量组成数据（表２）可以看出，相比于传统滴灌模式，基于土壤水分的自动滴灌模式处理在节水５２．２％、节肥４９．０％的前提下，可使灌溉水利用效率提高１２７．７％，肥料偏生产力提高１１３．５％。说明智能滴灌模式是一种有效的节水节肥的水肥管理方式。２．５ 拉秧后不同土层土壤理化性状从不同土层土壤理化性状的数据（图５）可以看出，黄瓜拉秧后，相比于传统滴灌模式，基于土壤水分的自动滴灌模式处理显著降低了０～２０ｃｍ土层的速效磷、速效钾含量及４０～６０ｃｍ土层的全盐含量。虽然其他土层理化性状数据差异不显著，但总的趋势是，基于土壤水分的自动滴灌模式处理可降低土壤碱解氮、速效磷、速效钾和全盐的含量，提高土壤ｐＨ值。另外，基于土壤水分的自动滴灌模式处理可有效降低深层土壤（４０～６０ｃｍ）的含水量，避免土壤深层渗漏，减少水分的浪费。说明基于土壤水分的自动滴灌模式可降低土壤养分和盐分的累积，避免土壤酸化，是一种有效保护土壤环境的水肥管理方式。３ 结论与讨论水分和养分是作物生长发育的两大必需要素，合理的灌溉施肥措施是蔬菜作物高产高效的关键。一般认为，按照蔬菜作物生长阶段对水分和养分的需求，定量地供给到作物根系附近，就可以实现作物丰产高效的目的。有研究表明，按照设施黄瓜需水需肥规律，采用自动灌溉施肥系统，实行每日供应水肥可达到节水节肥丰产的效果。但是，当异常天气出现时，按照黄瓜需水需肥规律进行自动水肥管理效果不理想，所以还需配备相应的土壤水分监测传感器进一步调整灌溉施肥决策，进而实现变量控制作物水肥供应［２１］。本试验中，基于土壤水分的自动滴灌模式借助土壤水分测定仪监测土壤墒情，当土壤水分下降到一定阈值（结果期阈值为７５％ＦＣ，１５ｃｍ土层深度水分传感器读数为０．３７６）时，借助控制器进行定量灌水施肥，每次灌水定额为５ｍｍ，可以保证土壤水分保持在根层土壤，另外，从拉秧后不同土层的含水量数据也可看出，滴灌智能模式的灌溉强烈影响０～４０ｃｍ土层的土壤含水量，没有造成水分向更深土层的渗３４１江苏农业科学 ２０１９年第４７卷第２４期表１ 传统滴灌模式和基于土壤水分的自动滴灌模式对黄瓜产量及产量组成的影响处理瓜条数（条／株）平均单果质量（ｇ）产量（ｔ／ｈｍ２）ＣＫ９．０１．３ａ１９６．０３．５ａ９０．４３．２ｂＡＤＩ－ＳＷ９．６０．３ａ１９９．２３．５ａ９８．５１．８ａ注同列数据后标有不同小写字母表示在０．０５水平差异显著。表２同。表２ 传统滴灌模式和基于土壤水分的自动滴灌模式对黄瓜灌溉水利用率和肥料偏生产力的影响处理灌水量（ｍｍ）灌溉水利用率（ｋｇ／ｍｍ）比ＣＫ增加（％）ＣＫ４１１２２０．０１８．２ｂＡＤＩ－ＳＷ９７５０１．０９．７ａ１２７．７处理Ｎ＋Ｐ２Ｏ５＋Ｋ２Ｏ施肥量（ｋｇ／ｈｍ２）肥料偏生产力（ｋｇ／ｋｇ）比ＣＫ增加（％）ＣＫ９００１００．４８．０ｂＡＤＩ－ＳＷ４５９２１４．４３．８ａ１１３．５漏［２２］。根系是作物吸收水分和养分的重要器官，黄瓜的根系主要分布在０～３０ｃｍ土层中，基于土壤水分的自动滴灌模式可以使土壤有效水分和养分的分布与黄瓜根系分布保持空间一致性，并且使根层土壤的含水量始终基本处于７５％～１００％ＦＣ之间，这可能是可实现黄瓜丰产高效的重要原因［１１－１２，２３］。采用土壤含水量下限和小定额水肥供应的基于土壤水分的自动滴灌模式可以实现水肥管理的变量控制，能够解决由土壤、气候、人事操作等变化所引起的水肥管理措施也需随之改变的问题，可以更好地提高温室黄瓜水肥利用率。现阶段，依据土壤相对含水量的水平进行温室黄瓜灌溉已被广泛证明是可取的，但是，国内土壤水分传感器设备却存在差异，因此，不同的水分传感器在应用前应充分了解其特性，应提前测定土壤相对含水量为７５％田间持水量时土壤水分传感器所对应的数值，可把此值作为灌溉程序启动的土壤水分下限值。本试验结果表明，基于土壤水分的自动滴灌模式可以更好地实现设施黄瓜节水节肥与可持续种植。参考文献［１］符娜，刘小刚，杨启良．设施蔬菜水肥高效调控的研究进展［Ｊ］．安徽农业科学，２０１３，４１（３１）１２３１４－１２３１６，１２３３１．［２］高丽红，王树忠，任华中，等．日光温室果菜农艺节水综合技术研究与示范［Ｊ］．中国科技成果，２００９，１０（２３）１３－１５．［３］张福锁，马文奇．肥料投入水平与养分资源高效利用的关系［Ｊ］．土壤与环境，２０００，９（２）１５４－１５７．［４］李银坤，武雪萍，武其甫，等．不同水氮处理对温室黄瓜产量、品质及水分利用效率的影响［Ｊ］．中国土壤与肥料，２０１０（３）２１－２４，３０．［５］ＨｖｉｓｔｅｎｄａｈｌＭ．Ｃｈｉｎａｓｐｕｓｈｔｏａｄｄｂｙｓｕｂｔｒａｃｔｉｎｇｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１０，３２７（５９６７）８０１．［６］ＷａｎｇＺ，ＬｉＳ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｎｐｌａｎｔｇｒｏｗｔｈａｎｄｎｉｔｒａｔｅａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｎｔＮｕｔｒｉｔｉｏｎ，２００４，２７（３）５３９－５５６．［７］白由路．植物营养与肥料研究的回顾与展望［Ｊ］．中国农业科学，２０１５，４８（１７）３４７７－３４９２．［８］孙丽萍，温永刚，王树忠，等．灌水量对日光温室黄瓜灌溉水分配４４１江苏农业科学 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