梁博惠, 牛文全, 郭麗麗, 王愉樂, 王京偉

滴灌灌水均勻系數(shù)與灌水量對土壤水分分布及溫室番茄產(chǎn)量的影響*

梁博惠1,2, 牛文全2,3**, 郭麗麗2, 王愉樂4, 王京偉5

(1. 寧夏水利科學研究院 銀川 750021; 2. 西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院 楊凌 712100; 3. 中國科學院水利部水土保持研究所 楊凌 712100; 4. 武漢大學水利水電學院 武漢 430072; 5. 山西財經(jīng)大學資源環(huán)境學院 太原 030000)

為探索灌水均勻系數(shù)與灌水量對溫室番茄產(chǎn)量和土壤水分變化的影響, 確定合理的滴灌灌水均勻系數(shù), 本研究設置65%、75%和85% 3個灌水均勻度水平, 190 mm、220 mm和250 mm 3個灌水量水平, 測量番茄生育期內(nèi)土壤含水率及番茄產(chǎn)量, 計算土壤含水率均勻系數(shù)和番茄灌溉水利用效率。結(jié)果表明, 當灌水均勻系數(shù)為65%~85%時, 土壤水分均勻系數(shù)均值(82.57%~93.76%)接近或高于設置的滴灌灌水均勻系數(shù)的最大值(85%)。滴灌灌水均勻系數(shù)對土壤含水率均勻系數(shù)影響權重最大, 灌水量、灌水均勻系數(shù)、土壤初始含水率均值3個影響因素與土壤含水率均勻系數(shù)均值之間呈線性關系(<0.05), 決定系數(shù)為0.918。當土壤初始含水率占田間持水量比重60%, 灌水量低于15 mm時, 灌水均勻系數(shù)與灌水量二者的交互作用與土壤含水率均勻系數(shù)為顯著線性關系(<0.05), 其他情況下均無顯著性關系。灌水量對產(chǎn)量為顯著影響(<0.05), 灌水均勻系數(shù)及二者的交互作用對番茄產(chǎn)量無顯著影響, 考慮產(chǎn)量及灌溉水分利用效率, 灌水量220 mm、灌水均勻系數(shù)75%組合為最優(yōu)組合。因此在西北地區(qū), 綜合考慮經(jīng)濟性和系統(tǒng)的可靠性, 建議下調(diào)現(xiàn)行滴灌灌水均勻系數(shù)標準。

滴灌; 灌水均勻系數(shù); 灌水量; 土壤含水率均勻系數(shù); 番茄

滴灌屬于局部灌溉, 是目前重要的水肥一體化技術措施[1]。灌水均勻系數(shù)是滴灌系統(tǒng)重要的性能指標之一, 中國GB/T50485—2009《微灌工程技術規(guī)范》中規(guī)定微灌系統(tǒng)灌水均勻系數(shù)(u)不能小于80%[2], 美國農(nóng)業(yè)工程學會建議灌水均勻系數(shù)(u)值為70%~95%[3], 然而研究表明均勻系數(shù)由80%提高到90%, 系統(tǒng)投資會增加30%以上[4]。因此, 合理的灌水均勻系數(shù)是既保證作物正常生長, 又降低滴灌系統(tǒng)投資的重要因素。

很多學者通過模擬研究探究灌溉均勻系數(shù)的合理取值。陳渠昌等[5]通過建立滴灌工程造價與灌水均勻系數(shù)的關系, 提出了最優(yōu)均勻系數(shù)確定方法; Wu等[6]提出了不同環(huán)境條件下滴灌灌水均勻系數(shù)的建議標準; Warrick等[7]通過模擬指出灌水量和土壤特性分布的均勻程度對作物產(chǎn)量都有影響。上述模擬研究中沒有考慮水分在土壤中的再分布以及灌水前土壤初始含水率等因素, 而灌水后的土壤含水率均勻系數(shù)是評判灌水均勻的重要指標[8], 致使模擬結(jié)果與田間實際情況有差異, 因此需要進行田間試驗進一步驗證。田間試驗關于均勻系數(shù)對產(chǎn)量影響的結(jié)果也不同。Montazar等[9]研究表明, 不同噴灌均勻系數(shù)(66%~78%)與灌水量條件下, 可以通過降低灌水量以及提高噴灌均勻系數(shù)增加苜宿()水分生產(chǎn)率; Wilde等[10]試驗得出, 灌水均勻系數(shù)較低時棉花(spp.)產(chǎn)量較大; 但是李久生等[11]研究表明, 水分在土壤中的再分布會彌補灌水不均勻造成的影響, 滴灌系統(tǒng)中采用過高的均勻系數(shù)既對提高產(chǎn)量作用不明顯, 還會造成工程造價過高; 張航[12]研究得出不同灌水均勻系數(shù)對春玉米()產(chǎn)量的影響未達顯著水平, 華北平原半濕潤地區(qū)現(xiàn)行灌水均勻系數(shù)80%可以適當下調(diào); Bordovsky等[13]、李久生等[14-15]、Guan[16]等和王劍[17]通過田間試驗認為, 滴灌系統(tǒng)灌水均勻度對土壤含水率均勻性及作物產(chǎn)量無顯著影響。這也表明在不同灌水量影響下, 灌水均勻系數(shù)對于土壤水分分布及作物產(chǎn)量的影響程度還有待研究。

為探索灌水均勻系數(shù)與灌水量對溫室番茄()產(chǎn)量和土壤水分變化的影響, 確定合理的滴灌灌水均勻系數(shù), 本研究設置了不同灌溉均勻系數(shù)(65%~85%)和灌水量(190~250 mm)組合, 探究灌水量與灌水均勻度對土壤含水量分布均勻度與作物產(chǎn)量的影響, 并進一步探究是否可以通過提高土壤初始含水率而降低灌水均勻系數(shù), 為西北地區(qū)溫室番茄生產(chǎn)確定適宜灌水均勻度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年10月5日—2017年4月2日在陜西楊陵農(nóng)業(yè)高新技術產(chǎn)業(yè)示范區(qū)大寨鄉(xiāng)(108°02′E, 34°02′N)的日光溫室內(nèi)進行, 日光溫室長190 m, 寬5.5 m。當?shù)睾０?10 m左右, 屬于暖溫帶半濕潤氣候帶, 年平均氣溫16 ℃左右, 年日照時數(shù)2 614 h, 全年無霜期210 d。降雨主要集中在6—10月, 年均降雨量為550~650 mm, 年蒸發(fā)量為1 400 mm。根據(jù)《中國土壤系統(tǒng)分類》溫室內(nèi)土壤質(zhì)地為塿土, 其中砂礫(>0.02 mm)占25.4%, 粉粒(0.02~0.002 mm)占44.1%, 黏粒(<0.002 mm)占30.5%, 干容重為1.39 g×cm-3, 孔隙度為49.38%, 田間體積持水量為32.96%。

1.2 試驗設計

供試番茄品種為‘美卡利亞’, 2016年10月1日定植, 2017年3月1日收獲, 生育期5個月, 南北向種植, 總試驗面積82.7 m×5.5 m。試驗設置滴灌灌水均勻度、灌水量、土壤初始含水率3個控制因素, 滴灌灌水均勻度和灌水量設置3個水平, 土壤初始含水率為定期測定。

試驗采用裂區(qū)試驗法, 主處理(A區(qū))為灌水量, 設總灌水量為190 mm(I1)、220 mm(I2)和250 mm(I3)3個水平, 不同生育期灌水量見表1; 副處理(B區(qū))為滴灌灌水均勻系數(shù)65%(C1)、75%(C2)、85%(C3) 3個水平。共設置9個處理, 每個處理3個重復, 共27個小區(qū)。每個小區(qū)毛管布置方式相同, 均為“一管一行”模式, 每個小區(qū)3行作物, 3條滴灌毛管鋪設在地表, 相鄰小區(qū)之間用埋深1 m的建筑水膜(SBS)隔開, 以防止水分橫向運移并方便觀測。每個小區(qū)面積2.4 m×5.5 m, 株距39 cm, 行距80 cm, 每個小區(qū)共種植39株番茄。

滴灌灌水均勻系數(shù)的設定采用5種流量毛管, 滴頭額定流量(工作水頭為10 m時)分別為1.7 L×h-1、2.0 L×h-1、2.2 L×h-1、3.0 L×h-1和5.3 L×h-1(0.1 MPa), 滴頭間距為30 cm。根據(jù)設定的灌水均勻系數(shù), 利用Monte-Carlo[18]方法計算, 確定所需不同流量規(guī)格滴頭的數(shù)量, 計算相應毛管長度, 用直通接頭將不同規(guī)格毛管連接在一起。當毛管入口壓力恒定時, 整條毛管不同滴頭的流量不同, 整條毛管的灌水均勻系數(shù)與設定的滴灌灌水均勻系數(shù)相同。

表1 不同灌水量處理下番茄不同生育階段的灌水量

將番茄生育階段內(nèi)每次灌溉前土壤含水率統(tǒng)稱為土壤初始含水率, 滴灌帶灌水均勻系數(shù)設置時用克里斯琴森均勻系數(shù)(u)[19]表示,u的計算公式為:

每個小區(qū)鋪設毛管后, 對滴灌帶的灌水均勻系數(shù)重復測量3次, 實測滴灌灌水均勻系數(shù)分別為61%、78%和87%, 與設計誤差在5%之內(nèi)。

為減小灌水量對土壤水分均勻度的影響, 在種植試驗前期, 同一區(qū)域設置無作物對照試驗, 采用低灌水量, 僅鋪設滴灌帶。試驗采用裂區(qū)試驗設計, 分為主處理(1區(qū))和副處理(2區(qū)), 1區(qū)為灌水量處理, 灌水量為5 mm(Ia)、10 mm(Ib)和15 mm(Ic); 2區(qū)為灌溉均勻度設置, 設置同B區(qū), 為65%(C1)、75%(C2)、85%(C3)3個水平。試驗共9個處理, 每個處理3個重復, 共27個處理小區(qū), 試驗小區(qū)設置方式同上。

每個試驗小區(qū)通過單獨安裝壓力表、水表和閥門, 對各個處理的水頭壓力以及灌水量分別進行控制, 所有小區(qū)的管理統(tǒng)一進行。

1.3 測定指標

土壤含水率: 根據(jù)Burt[20]和Kang等[21]提出的方法, 沿滴管帶進行線狀取樣, 土壤含水率采用Field TDR 200與土鉆法測量, 沿每條滴灌帶安裝1根Trime管, 距離滴灌帶水平距離10 cm。每個小區(qū)布置3個TDR測點, 同時增加土鉆取樣點, 每個小區(qū)取樣點共15個。取樣點布置圖見圖1。

1)番茄種植區(qū)土壤含水率取樣點: 土鉆取樣位置及Trime管距離滴灌帶10 cm, 測量土層深度分別為0~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm和50~60 cm。對于Field TDR測試的土壤含水量數(shù)據(jù), 采用烘干法對數(shù)據(jù)進行校核, 數(shù)據(jù)誤差為-2%~4.9%, 在5%的誤差范圍之內(nèi), 因此可以與烘干法測得的土壤含水率數(shù)據(jù)綜合使用。每次在灌水前1 d用兩種方法取樣測量土壤初始含水率, 灌水后2 d采用兩種方法進行取樣測量灌水后土壤含水量, 每隔15 d定期采用Field TDR測量土壤含水量。

2)無番茄土壤區(qū)取樣點: 全部采用烘干法計算土壤含水率, 沿每條滴灌帶方向等間距80 cm取5個點, 深度為30 cm, 取樣點距離滴灌帶分別為10 cm、20 cm和30 cm, 取樣方法與文獻[22]相近, 共33個取樣點, 在每次灌水前2 d測量各小區(qū)土壤含水率, 確定所有的小區(qū)土壤含水率基本一致, 在5%的誤差范圍之內(nèi)后進行灌水處理, 灌水后2 d再次取樣。

圖1 試驗小區(qū)滴灌帶和采樣點布置圖

土壤含水率均勻系數(shù)用克里斯琴森均勻系數(shù)(uw)[19], 其計算方法為:

(2)

3)番茄產(chǎn)量: 試驗期間, 所有小區(qū)番茄全部保留4穗果, 在成熟采摘期, 每個小區(qū)隨機選取5株進行測量單果質(zhì)量和體積, 根據(jù)實測的單株產(chǎn)量換算單位面積產(chǎn)量。

灌溉水分利用效率(WUE)計算公式為:

式中:WUE為灌溉水利用效率, kg?m-3;為番茄產(chǎn)量, kg?hm-2;為番茄灌水量, m3?hm-2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本試驗原始數(shù)據(jù)的前期歸納總結(jié)采用Microsoft Excel 2007軟件, 用SPSS 22.0 Duncan新復極差法對試驗數(shù)據(jù)進行因素交互作用的檢驗、方差和顯著性檢驗分析, 用Origin 9.0、Excel軟件繪圖。

采用通徑分析的方法定量分析灌水量、灌水均勻系數(shù)和初始土壤含水率對土壤含水率均勻系數(shù)的影響。用顯著性分析法確定3個影響因素對土壤含水率均勻系數(shù)的影響是否顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物全生育期土壤水分變化

2.1.1 灌水量及灌水均勻系數(shù)對土壤含水率及土壤含水率均勻系數(shù)的影響

圖2為番茄生育期內(nèi)沿滴灌帶水平方向的土層剖面0~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm和50~60 cm深度的土壤含水率均值分布等值線圖。從圖2可知, 隨著灌水量的增加土壤含水率顯著增加, 如當灌水均勻度為65%(C1)時, 土壤含水率處理C1I3>C1I2>C1I1; 當灌水量一致時, 土壤含水率為C1

從表2看出, 番茄生育期內(nèi)的土壤含水率均勻系數(shù)均值為82.57%~93.76%, 接近或高于所設定的最高灌水均勻系數(shù)85%。隨著灌水量的增加, 土壤含水率均勻系數(shù)逐漸增加, 隨著土層深度的增加, 土壤含水率均勻系數(shù)也逐漸增加, 且高均勻度C3處理的土壤含水率均勻度均值高于低均勻度處理。方差分析結(jié)果顯示, 灌水量對土壤含水率均勻系數(shù)有一定的影響, 滴灌灌水均勻度及其與灌水量的交互作用對土壤含水率均勻系數(shù)的影響不顯著。20~30 cm和50~60 cm土層, 灌水量對土壤含水率均勻系數(shù)產(chǎn)生顯著(<0.05)和極顯著(<0.01)影響。20~30 cm土層, 灌水均勻度對土壤含水率均勻系數(shù)產(chǎn)生了顯著影響(<0.05); 對于其他土層, 灌水均勻度和灌水量對土壤含水率均勻系數(shù)均無顯著影響。

圖2 不同灌水均勻系數(shù)和灌水量下番茄全生育期土壤含水率均值分布等值線圖

C1、C2和C3表示滴灌灌水均勻系數(shù)分別為65%、75%和85%; I1、I2和I3分別表示灌水量為190 mm、220 mm和250 mm。C1, C2 and C3 indicate irrigation uniformity coefficients of 65%, 75% and 85%. I1, I2 and I3 indicate irrigation amounts of 190 mm, 220 mm and 250 mm.

表2 灌水均勻系數(shù)和灌水量對番茄生育期內(nèi)平均土壤含水率均勻系數(shù)的影響

C1、C2和C3表示滴灌灌水均勻系數(shù)分別為65%、75%和85%; I1、I2和I3分別表示灌水量為190 mm、220 mm和250 mm。NS表示不同處理在>0.05水平差異不顯著, *和**分別表示不同處理在<0.05和<0.01水平上差異顯著。C1, C2 and C3 indicate irrigation uniformity coefficients of 65%, 75% and 85%. I1, I2 and I3 indicate irrigation amounts of 190 mm, 220 mm and 250 mm. NS means no significant difference at 0.05 level among different treatments. * and ** mean significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectively, among different treatments.

2.1.2 通徑分析

由表2方差分析結(jié)果可以看出, 灌水量、滴灌灌水均勻系數(shù)及二者交互作用對于土壤含水率均勻系數(shù)的影響未達顯著水平。考慮到土壤初始水分含量的高低會影響土壤入滲能力而導致土壤含水率均勻系數(shù)發(fā)生改變, 因此分析整個生育期內(nèi)各處理的灌水量(,1)、灌水均勻系數(shù)(u,2)、土壤初始含水率(0,3)均值對土壤含水率均勻系數(shù)均值(uw)的影響與影響權重, 進行多元線性回歸分析與通徑分析。

回歸方程見公式(4), 決定系數(shù)2為0.918, 回歸方程擬合程度很高,=18.613, 大于2.1, 說明該線性關系與通徑分析具有統(tǒng)計學意義, 剩余因子=0.286 (2=0.918), 說明除以上3個因素外, 還有其他因素影響土壤含水率均勻系數(shù), 如作物的根系交錯作用等。

生育期內(nèi)土壤含水率均勻系數(shù)均值的通徑分析結(jié)果列于表3。其中從影響權重的大小(λ=r/r)看出,u對uw的影響權重最大,的影響權重次之,0的影響權重最小。說明在整個生育期內(nèi)對土壤含水率均勻系數(shù)的影響因素中灌水均勻系數(shù)對其影響最大, 土壤初始含水率對其影響最小。

uw0.167u0.0010.0020(2=0.918) (4)

表3 番茄生育期內(nèi)土壤含水率均勻系數(shù)均值與影響因素的通徑分析結(jié)果

*表示在<0.05水平上影響顯著。* means significant effect at 0.05 level.

2.2 不同影響因素與土壤含水率均勻度的關系

無作物土壤試驗中設置灌水量為5~15 mm, 灌水前保證各個土層土壤初始含水率基本一致, 經(jīng)測量, 0~20 cm深度土壤初始含水率占田間持水量比重為58.65%, 20~30 cm深度為60.44%。灌水2 d后, 對土壤含水量進行測量, 計算土壤含水率均勻系數(shù)并進行方差分析, 結(jié)果見表4。從方差分析結(jié)果中看出, 灌水量與灌水均勻系數(shù)二者交互作用在0~30 cm深度對土壤均勻系數(shù)的影響達顯著(<0.05)與極顯著(<0.01)水平。

表4 灌水均勻系數(shù)和灌水量對不同深度土壤含水率均勻系數(shù)影響的方差分析結(jié)果

NS表示無顯著性差異, *和**分別表示在<0.05和<0.01水平上影響顯著。NS means no significant effect at 0.05 level. * and ** mean significant effects at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

將灌水量與灌水均勻系數(shù)u對土壤含水率均勻系數(shù)均值uw的影響進行多元線性回歸分析, 從回歸方程分析結(jié)果得出, 以上因素之間為線性關系。

回歸方程見公式(5), 決定系數(shù)2為0.518,= 2.377, 大于2.1, 說明該線性關系具有統(tǒng)計學意義的顯著性。

uw0.105u0.003 10.773 (20.518) (5)

試驗在2016年12月22日番茄結(jié)果盛期進行灌水, 灌水量分別為30 mm、40 mm、50 mm, 此次灌水同一天完成, 同時灌水前2 d、1 d分別對土壤初始含水率進行測量, 確定3個主區(qū)同一土層深度土壤初始含水率穩(wěn)定不變且基本一致, 測量后得出各處理土壤初始含水率均值占田間持水量比重為50.93%~65.59%, 灌水兩天后測量并計算土壤含水率均勻系數(shù), 方差分析見表5。

從表5中看出, 當各處理的土壤初始含水率相同時, 灌水量對土壤水分均勻系數(shù)的影響達極顯著水平(20~50 cm土層)和顯著水平(50~60 cm土層), 灌水均勻度及二者的交互作用對土壤含水率均勻系數(shù)的影響均沒有達到顯著水平(土層深度0~60 cm)。表5中30~50 cm土層的土壤初始含水率與土壤試驗的土壤初始含水率58.65%~60.44%相近, 將兩次方差分析結(jié)果進行比較, 結(jié)果顯示當土壤初始含水率不變時, 減小灌水量, 灌水量對土壤水分均勻系數(shù)的影響水平由極顯著降為不顯著, 灌水均勻系數(shù)對土壤水分均勻系數(shù)的影響水平由顯著降為不顯著, 但是二者的交互作用對于土壤水分均勻系數(shù)的影響從不顯著提升至極顯著。

表5 不同土壤初始含水率下灌水均勻系數(shù)和灌水量對土壤含水率均勻系數(shù)影響的方差分析結(jié)果

FC%為占田間持水量比重。NS表示在>0.05水平上影響不顯著, *和**分別表示在<0.05和<0.01水平上影響顯著。FC% is the proportion of field moisture capacity. NS means no significant effect at 0.05 level. * and ** mean significant effects at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

綜合得出, 當土壤初始含水率占田間持水量比重為60%時, 若灌水量低于15 mm, 灌水均勻系數(shù)與灌水量二者交互作用對土壤含水率均勻系數(shù)有顯著性影響, 且為線性關系, 其他情況均無顯著性關系。

2.3 滴灌灌水均勻系數(shù)與灌水量對番茄產(chǎn)量的影響

滴灌灌水均勻系數(shù)與灌水量會對土壤水分分布造成一定的影響, 從而對種植作物的產(chǎn)量及作物對灌溉水分的利用效率產(chǎn)生影響。表6表明, 番茄產(chǎn)量為74.63~87.39 t?hm-2, 最大產(chǎn)量與最小產(chǎn)量相差12.76 t?hm-2。灌水均勻系數(shù)相同, 產(chǎn)量隨灌水量增加而增加, 灌溉水分利用效率隨灌水量增加而降低, 最大值與最小值相差8.62 kg?m-3。在不同灌水均勻系數(shù)條件下, 灌水量為I1、I2處理的產(chǎn)量最高為C2處理, 最低為C1處理, 但二者相差3.52~12.08 t?hm-2, 差異較小。當灌水量增大至250 mm時, C1處理產(chǎn)量最大。灌溉水分利用效率為C1最高, C3最低。方差分析結(jié)果表明, 灌水均勻系數(shù)及灌水量與灌水均勻系數(shù)二者的交互作用均對產(chǎn)量無顯著性影響, 灌水量對產(chǎn)量的影響達顯著水平, 對灌溉水分利用效率有極顯著影響, 灌水均勻系數(shù)和二者的交互作用對灌溉水分利用效率無顯著性影響。綜合考慮, 灌水量220 mm、灌水均勻系數(shù)75%的組合為最優(yōu)組合。

3 討論

本試驗發(fā)現(xiàn)在溫室番茄整個生育期內(nèi)滴灌灌水均勻系數(shù)(65%~85%)、總灌水量(190~250 mm)及二者交互作用對于土壤含水率均勻系數(shù)的影響不顯著。因為土壤水分會由于灌水而持續(xù)升高或下降, 土壤水分的運移在水分的轉(zhuǎn)化與消耗過程中具有重要的作用[23], 并且還有作物根系吸收、交錯等作用, 因此在作物的整個生育周期內(nèi), 灌水均勻系數(shù)對土壤水分的影響較小。這與李久生等[14]發(fā)現(xiàn)白菜()生育期內(nèi)灌水均勻系數(shù)對土壤含水率的影響不顯著結(jié)果一致。

灌溉水經(jīng)灌溉系統(tǒng)進入土壤中, 土壤含水率均勻系數(shù)會受到土壤質(zhì)地、土壤初始含水率、作物根系等因素影響, 而土壤初始含水率會通過改變濕潤土壤的平均勢梯度來影響土壤入滲能力[24], 從而影響土壤含水率均勻度。張博聞等[25]、吳忠東等[26]提出濕潤鋒推進隨著初始含水率的增大而減小; Hawke等[27]和Liu等[28]提出降雨條件下, 土壤水分入滲能力隨著初始含水率的增大而減小。張航等[29]在華北平原試驗發(fā)現(xiàn)土壤初始含水率均勻系數(shù)對土壤含水率均勻系數(shù)的影響比較明顯, 分別是滴灌灌水均勻系數(shù)和灌水量的1.9倍和5.5倍。本試驗發(fā)現(xiàn)灌水量與灌水均勻系數(shù)對土壤含水率均勻系數(shù)的影響較大, 影響權重分別為0.64、0.72, 但土壤初始含水率對土壤含水率分布的影響較小(權重為0.039)。這可能是由于張航等[29]的試驗地位于華北平原, 該地區(qū)屬于半濕潤地區(qū), 自然降水量較高, 較多的降雨減輕了灌水均勻系數(shù)對土壤含水率均勻系數(shù)的影響; 而本試驗在西北地區(qū)溫室中進行, 無自然降水影響, 且土壤初始含水率較低, 因而土壤初始含水率均勻系數(shù)對土壤含水率均勻系數(shù)的影響更高。

表6 灌水均勻系數(shù)和灌水量對番茄產(chǎn)量及灌溉水分利用效率的影響

C1、C2和C3表示滴灌灌水均勻系數(shù)分別為65%、75%和85%; I1、I2和I3分別表示灌水量為190 mm、220 mm和250 mm。NS表示不同處理在>0.05水平上差異不顯著, *和**分別表示不同處理在<0.05和<0.01水平上差異顯著。C1, C2 and C3 indicate irrigation uniformity coefficients of 65%, 75% and 85%. I1, I2 and I3 indicate irrigation amounts of 190 mm, 220 mm and 250 mm. NS means no significant difference at 0.05 level among different treatments. * and ** mean significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectively, among different treatments.

本試驗發(fā)現(xiàn)作物整個生育期內(nèi)滴灌灌水均勻系數(shù)、灌水量及二者的交互作用對土壤含水率均勻系數(shù)的影響不顯著。但為進一步探究是否當土壤初始含水率降低或者提高至某一范圍內(nèi), 滴灌灌水均勻系數(shù)可能會對土壤含水率均勻系數(shù)產(chǎn)生顯著影響, 減少灌水量對土壤水分分布產(chǎn)生的影響, 增加了無作物試驗。番茄盛果期各主區(qū)的灌水量不同, 土壤初始含水率一致, 與無作物試驗結(jié)果進行對比, 發(fā)現(xiàn)當土壤初始含水率占田間持水量比重為60%, 灌水量低于15 mm時, 灌水均勻系數(shù)與灌水量二者交互作用對土壤含水率均勻系數(shù)有顯著性影響, 且為線性關系, 其他情況均無顯著性關系。因此在連續(xù)灌溉種植過程且保證作物正常需水量條件下, 可以考慮通過多次少量灌溉, 提高每次灌水前的初始土壤含水率均勻系數(shù), 從而適當降低設計滴灌灌水均勻系數(shù)而不影響土壤含水率均勻系數(shù), 達到節(jié)水經(jīng)濟高產(chǎn)的效果。

從本試驗結(jié)果可以看出, 雖然灌水量與灌水均勻系數(shù)及二者交互作用對于部分處理的土壤含水率均勻系數(shù)有顯著影響, 但灌水均勻系數(shù)、灌均勻系數(shù)與灌水量交互作用對于番茄產(chǎn)量無顯著影響, 這一結(jié)果與張航等[29]、關紅杰等[30]、王劍[17]的研究一致。這進一步說明, 對于西北地區(qū)日光溫室番茄的種植來說, 灌水均勻系數(shù)可以考慮降至75%, 甚至降低至65%。

綜合對土壤含水率均勻系數(shù)以及作物產(chǎn)量的直接分析得出, 當前的滴灌灌水均勻系數(shù)的設定略高, 可以通過適當降低滴灌灌水均勻系數(shù), 達到低成本、提高產(chǎn)值的雙贏目標。但是本研究僅在西北地區(qū)的溫室進行, 忽略了降雨等自然條件的影響, 因此在不同地區(qū)、不同種植方式下可以進一步進行探究。

4 結(jié)論

1)在灌水均勻系數(shù)不同情況下(65%~85%), 整個生育期內(nèi)的土壤含水率均勻系數(shù)均值(82.57%~ 93.76%)接近或高于設置最高的滴灌灌水均勻系數(shù)(85%), 滴灌灌水均勻系數(shù)對土壤含水率均勻系數(shù)影響權重最大, 灌水均勻系數(shù)、灌水量、土壤初始含水率均值3個影響因素與土壤含水率均勻系數(shù)均值之間為線性關系(<0.05), 決定系數(shù)為0.918。

2)當土壤初始含水率占田間持水量比重約為60%, 灌水量低于15 mm時, 灌水均勻系數(shù)與灌水量二者交互作用與土壤含水率均勻系數(shù)為顯著線性關系(<0.05), 其他情況下, 均無顯著性關系。因此可以多次少量灌溉, 提高每次灌水前的初始土壤含水率均勻系數(shù), 從而適當降低設計滴灌灌水均勻系數(shù)而不影響土壤含水率均勻系數(shù)。

3)不同灌水量對番茄產(chǎn)量有顯著影響, 不同的灌水均勻系數(shù)及二者交互作用對番茄產(chǎn)量無顯著影響。因此可以選擇灌水量220 mm、灌水均勻系數(shù)75%的組合達到低成本高產(chǎn)值的目標。

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Effects of drip irrigation uniformity and amount on soil moisture and tomato yield in solar greenhouse*

LIANG Bohui1,2, NIU Wenquan2,3**, GUO Lili2, WANG Yule4, Wang Jingwei5

(1. Ningxia Institute of Water Resources Research, Yinchuan 750021, China; 2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China, Yangling 712100, China; 4. School of Water Resource and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 5. College of Resources and Environment, Shanxi University of Finance and Economics, Taiyuan 030000, China)

Drip irrigation is an important factor associated with the water and fertilizer integration technology. The uniformity of drip irrigation is an important performance index to measure its quality. Therefore, choosing the appropriate drip uniformity can achieve the dual targets of cost effectiveness as well as high crop yield. A field experiment was carried out from October 2016 to April 2017 in the Yangling Agricultural Hi-tech Industries Demonstration Zone, Shaanxi Province, China. Experimental treatments applied in the split plot design included: three irrigation quantities in Zone A (190 mm, 220 mm, and 250 mm), and three drip irrigation uniformities in Zone B (65%, 75%, and 85%). In the early stages of planting test, no crop experiment was set up in the same area with only the drip irrigation belt laid, and the experimental treatments were also applied in a split plot divided into main treatment (Zone 1) and sub-treatment (Zone 2). The Zone 1 was treated with three irrigation quantities — 5 mm, 10 mm, and 15 mm; and in Zone 2, the same there drip irrigation uniformities to Zone B were set. The results showed that when the irrigation uniformity was between 65% and 85%, the mean soil moisture uniformity during entire growth period was higher than the highest drip irrigation uniformity (85%) approximately. The influence of drip irrigation uniformity on the uniformity coefficient of soil moisture was enormous. There was a significantly linear relationship (< 0.05) with determination coefficient of 0.918 between the mean soil moisture uniformity and the three factors i.e., irrigation quantity, irrigation uniformity, and initial soil water content. When the initial soil moisture was approximately 60% of the field capacity, and the irrigation amount was less than 15 mm, the interaction between the drip irrigation uniformity and the irrigation amount was linear (< 0.05) and significantly related to the soil moisture uniformity. In other cases, there was no significant association. The irrigation amount had significant effect on tomoto, the irrigation uniformity and their interaction had no significant effect on tomato yield. Taking into account the yield and use efficiency of irrigation, the combination of irrigation amount of 220 mm and drip irrigation uniformity of 75% was the optimal one. Considering the economics and reliability of the system, the method involving small amount of multiple irrigation should be chosen. This was also suggested for the reduction in the standard of drip irrigation uniformity in the Northwest China.

Drip irrigation; Drip uniformity coefficient; Irrigation amount; Soil moisture uniformity coefficient; Tomato

S275.6

10.13930/j.cnki.cjea.190543

* 寧夏旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)工程技術研究中心人才獎勵資金項目資助

牛文全, 主要從事灌溉節(jié)水理論與節(jié)水技術研究。E-mail: nwq@nwsuaf.edu.cn

梁博惠, 主要從事灌溉理論與節(jié)水新技術研究。E-mail: liangbh229@163.com

2019-07-18

2019-10-28

* The study was supported by the Talent Reward Fund of Ningxia Dry Farming and Water Saving and High Efficiency Agricultural Engineering Technology Research Center.

, E-mail: nwq@nwsuaf.edu.cn

Jul. 18, 2019;

Oct. 28, 2019

梁博惠, 牛文全, 郭麗麗, 王愉樂, 王京偉. 滴灌灌水均勻系數(shù)與灌水量對土壤水分分布及溫室番茄產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(2): 286-295

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