祁 琦,孫兆軍,,朱文婷,禹 昭,李興強(qiáng),何 俊
(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,銀川750021;2.寧夏大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,銀川750021;3.教育部中阿旱區(qū)特色資源與環(huán)境治理國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,銀川750021;4.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川750021)
甘藍(lán)具有抗寒,抗病,適應(yīng)性強(qiáng),儲(chǔ)運(yùn)方便,產(chǎn)量高,品質(zhì)好等特征。甘藍(lán)也具有養(yǎng)血,調(diào)理胃腸,提高抵抗力,增強(qiáng)記憶力,防癌抗癌,治便秘,開(kāi)胃消化,抗衰老等保健功能,是我國(guó)東北最受歡迎的蔬菜,也是華北西北春夏秋冬的主要青菜之一[1]。
本地區(qū)干旱少雨、水資源總量嚴(yán)重不足、水利設(shè)施薄弱、農(nóng)業(yè)用水利用效率低等水資源問(wèn)題突出,扼制了當(dāng)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的咽喉。如何根據(jù)現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),優(yōu)化灌溉模式,提高農(nóng)業(yè)水利用效率,使農(nóng)業(yè)用水高產(chǎn)高效,對(duì)寧夏地區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。地下滲灌等新型農(nóng)業(yè)灌水方式初步引入到蔬菜的生產(chǎn)中,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。調(diào)虧灌溉是一種較好的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù),其原理是將有限的水資源科學(xué)合理地分配到對(duì)產(chǎn)量影響較大,能產(chǎn)生較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水分臨界期[3]。目前,有關(guān)調(diào)虧灌溉方面已有不少研究,但主要集中在谷類(lèi)作物[4-6]上,在蔬菜上應(yīng)用集中在番茄[7,8]和辣椒[9,10]上,葉菜類(lèi)蔬菜有關(guān)調(diào)虧灌溉的研究相對(duì)滯后,而旱區(qū)目前鮮見(jiàn)此方面報(bào)道。因此,本試驗(yàn)以北方常食蔬菜甘藍(lán)為研究對(duì)象,研究在甘藍(lán)不同生育期內(nèi)設(shè)置不同的調(diào)虧灌溉方案進(jìn)行地下滲灌對(duì)甘藍(lán)的產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的影響,篩選最適合的調(diào)虧程度和生育期,為寧夏干旱氣候區(qū)甘藍(lán)作物水分管理提供有效的指導(dǎo)依據(jù)。
試驗(yàn)于2020年5月至8月在寧夏回族自治區(qū)銀川市賀蘭縣金貴鎮(zhèn)牡丹花鄉(xiāng)的試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行(38°29′31″N,106°23′54″E),地處寧夏回族自治區(qū)銀川市東北,青銅峽引黃灌溉區(qū)中部,海拔1 000 m,屬溫帶大陸性氣候,日照時(shí)間長(zhǎng),晝夜溫差較大,多年平均氣溫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,空氣相對(duì)濕度在70%左右。試驗(yàn)地土質(zhì)為壤土,肥力均衡。試驗(yàn)地田間持水量23.12%(質(zhì)量含水率),pH 值8.04,土壤容重1.43 g/cm3,有機(jī)質(zhì)12.6 g/kg,全氮0.79 g/kg,速效磷15.3 mg/kg,速效鉀161 mg/kg。灌溉水源為淺水井水,水源距試驗(yàn)點(diǎn)約為150 m。
供試甘藍(lán)品種為“中甘21”,于4月17日育苗,5月22日開(kāi)始植苗,8月10日成熟后收獲。定植方式采用壟上單行種植,壟寬0.8 m,壟高0.2 m,株間距為0.3 m,南北行向;壟間距0.2 m,植株行間距1 m。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)6 m,寬2 m,面積12 m2。壟間人工埋置一條6 m 長(zhǎng)滲灌管,埋設(shè)深度0.1 m,起壟前施復(fù)合底肥400 kg/hm2(N>25%,P2O5>6%,K2O>9%,總養(yǎng)分>40%)。壟上鋪設(shè)1.2 m 白色地膜,試驗(yàn)施肥量、田間管理措施同一般大田相同。
供試管道選用本研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)全滲管道,管道主體為橡膠、聚乙烯等原材料生產(chǎn)的微孔全滲管道,管道內(nèi)徑16 mm,外徑20 mm,滲水量為300~400 mL/(m·min),管道水平埋設(shè),采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提水技術(shù)[2]。灌水上下限和灌水量的精確控制采用GC-003 控制系統(tǒng)(上海艾美克有限公司)及其配套土壤水分傳感器等設(shè)備。根據(jù)甘藍(lán)的根系分布特征,在壟面下5、10、15 cm垂直埋設(shè)傳感器[11]。
試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)試驗(yàn),根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)將甘藍(lán)的生育期劃分為:苗期、蓮座期、結(jié)球前期和結(jié)球中后期等4 個(gè)時(shí)期[12]。試驗(yàn)設(shè)6 個(gè)水分虧缺處理和1 個(gè)對(duì)照處理(CK,全生育期充分供水),3 次重復(fù),共設(shè)21 個(gè)小區(qū)。采用土壤濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤含水量,土壤水分控制到設(shè)計(jì)范圍內(nèi),當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤水分降低到設(shè)計(jì)下限時(shí),通過(guò)智能灌溉控制系統(tǒng)控制,灌水到上限值。具體灌溉方案如表1所示。
表1 調(diào)虧灌溉甘藍(lán)處理方案Tab.1 Regulated deficit irrigation treatment plan for cabbage
1.3.1 干物質(zhì)
每次取樣選取3株生長(zhǎng)均勻的植株,測(cè)量各生育期干物質(zhì)累積量。將采樣后的植物帶回室內(nèi),用清水反復(fù)洗,多余的水用濾紙排干。烘干后稱(chēng)量地上部與根部質(zhì)量。
1.3.2 產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)
甘藍(lán)成熟收獲時(shí),在每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的地方挖取單位面積(1 m2)的甘藍(lán),帶回室內(nèi)沖洗、晾干,最后換算成每公頃總產(chǎn)量。
式中:HI為經(jīng)濟(jì)系數(shù);Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,kg/hm2;Yb為地上生物量,kg/hm2。
1.3.3 品 質(zhì)
選用精度為0.001 m 的鋼卷尺對(duì)甘藍(lán)橫徑、縱徑和中心柱長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定;選用精度為0.01 g的電子天平對(duì)甘藍(lán)葉片質(zhì)量和單株球重進(jìn)行測(cè)定。用下式計(jì)算甘藍(lán)葉球緊實(shí)度:
可溶性糖含量選用蒽酮比色法測(cè)定;VC含量選用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。
1.3.4 水分利用效率
公式為:
式中:WUE為水分利用效率,kg/(hm2·mm);Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,kg/hm2;ET為單位面積的耗水深度,mm。
式中:ET為耗水量,mm;P為降雨量,mm;I為灌水量,mm;ΔSWS為試驗(yàn)初始土壤貯水量與試驗(yàn)結(jié)束土壤貯水量的差值,mm;R為地表徑流量,mm;D為滲漏量,mm。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦,降水無(wú)徑流產(chǎn)生,且在計(jì)算深度內(nèi)不存在滲漏,故R、D忽略不計(jì)。
選用Microsoft Excel 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和繪圖;IBM SPSS Statistics 22分析數(shù)據(jù),差異顯著性檢驗(yàn)選擇LSD和Duncan法,P=0.05。
不同處理下各生育期的干物質(zhì)積累和根冠比的變化情況見(jiàn)表2。在甘藍(lán)田間生育期內(nèi),干物質(zhì)積累量逐步上升,在蓮座期內(nèi)干物質(zhì)積累量較??;在結(jié)球前期和結(jié)球中后期生長(zhǎng)較旺盛,干物質(zhì)積累量逐步增大。伴隨生育期的進(jìn)程,干物質(zhì)積累總量逐步加大,地上部和根干物質(zhì)積累量逐步上升,并且在結(jié)球中后期趨向穩(wěn)定。對(duì)比發(fā)現(xiàn),根干物質(zhì)量、地上部干物質(zhì)量在同生育期內(nèi)不同水分虧缺處理間(T1 和T2、T3 和T4、T5和T6)差異顯著(P<0.05),且根部干物質(zhì)量均顯著高于CK 處理(P<0.05);地上部干物質(zhì)量T2、T4、T6 顯著低于T1、T3、T5和CK(P<0.05)。
表2 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)干物質(zhì)積累量和根冠比的影響Tab.2 Effect of regulated deficit irrigation on dry matter quality and root shoot ratio of cabbage
甘藍(lán)在全生育期內(nèi)的根冠比逐步下降,在T2處理時(shí)最大,在同生育期內(nèi)表現(xiàn)為組間差異顯著(P<0.05);根冠比在結(jié)球中后期趨于穩(wěn)定,結(jié)球中后期T2、T4、T6 的根冠比較T1、T3、T5、CK顯著增高(P<0.05)。
圖1 為不同處理甘藍(lán)單株球重變化情況;圖2 為不同處理甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和地上生物量的變化情況;圖3為不同處理下甘藍(lán)的經(jīng)濟(jì)系數(shù)變化??梢钥闯?,T1 的單株球重最大,達(dá)到918.60 g,CK(911.43 g)、T5(900.43 g)、T3(898.03 g)次之,單株球重均在900 g 左右,相互差異不顯著(P>0.05);T2、T4、T6 的單株球重在810 g 左右,相互差異不顯著(P>0.05),但與T1、T3、T5、CK 差異顯著(P<0.05)。T1 的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高,達(dá)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,相互差異不顯著(P>0.05)。CK 的生物學(xué)產(chǎn)量最大,達(dá)到44 358.81 kg/hm2,與T1(43 912.52 kg/hm2)、T2(43414.31 kg/hm2)之間差異不顯著(P>0.05),但與其余處理差異顯著(P<0.05);T4(41 557.83 kg/hm2)和T6(40 933.02 kg/hm2)的生物學(xué)產(chǎn)量相對(duì)最低,顯著低于其他處理(P<0.05)。
圖1 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物學(xué)產(chǎn)量的影響Fig.1 The effect of regulated deficit irrigation on economic yield and biological yield of cabbage
圖2 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)單株球重的影響Fig.2 The effect of regulated deficit irrigation on the ball weight of cabbage plant
圖3 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)系數(shù)的影響Fig.3 The effect of regulated deficit irrigation on the economic coefficient of cabbage
T5 的經(jīng)濟(jì)系數(shù)最高,達(dá)到0.702 1,T3(0.699 9)、T1(0.696 5)次之,相對(duì)其余處理提升顯著(P<0.05),其中較CK 提升了2.94%~3.25%;T4 和T6 處理之間差異不顯著(P>0.05),T2的經(jīng)濟(jì)系數(shù)最低,為0.623 4。
2.3.1 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)物理品質(zhì)的影響
圖4為不同調(diào)虧灌溉處理方案甘藍(lán)葉球橫、縱徑和中心柱長(zhǎng)的變化情況;圖5為不同調(diào)虧灌溉處理方案甘藍(lán)葉球緊實(shí)度的變化情況;圖6為不同調(diào)虧灌溉處理方案甘藍(lán)幫葉比的變化情況??梢钥闯?,T1、T3、T5、CK 對(duì)甘藍(lán)的橫、縱徑無(wú)顯著影響(P>0.05),但T2、T4、T6 顯著地改變了甘藍(lán)的葉球橫、縱徑(P<0.05)。不同調(diào)虧灌溉處理方案對(duì)甘藍(lán)的葉球緊實(shí)度的影響較為明顯,T3 的葉球緊實(shí)度最大,達(dá)到0.76 g/cm3,比CK(0.61 g/cm3)提升了24.60%。T6 和T4 的中心柱最長(zhǎng),達(dá)到6.35 cm 和6.18 cm,相對(duì)CK (5.91 cm) 增長(zhǎng)了5.46%~8.36%,與其余處理差異顯著(P<0.05),其余處理的中心柱均在6 cm 以下。T3 的幫葉比最小,為0.221 9,顯著低于其余處理(P<0.05)。
圖4 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)葉球橫、縱徑和中心柱長(zhǎng)的影響Fig.4 Effect of regulated deficit irrigation on the horizontal diameter,longitudinal diameter and center column length of cabbage
圖5 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)葉球緊實(shí)度的影響Fig.5 Effect of regulated deficit irrigation on compactness of cabbage
圖6 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)幫葉比的影響Fig.6 Effect of regulated deficit irrigation on the leaf ratio of cabbage
2.3.2 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)可溶性糖和VC含量的影響
從圖7 不同調(diào)虧灌溉處理甘藍(lán)可溶性糖含量的變化可知,T5的可溶性糖含量最高,達(dá)到7.66%,較CK(5.95%)提升了28.74%;T6次之,為7.21%,較CK 提升了21.18%;其余處理差異不顯著(P>0.05),可溶性糖含量在處理間表現(xiàn)為T(mén)5>T6>T3>CK>T1>T4>T2。
圖7 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)可溶性糖含量的影響Fig.7 Effect of regulated deficit irrigation on the soluble sugar content of cabbage
從圖8 不同調(diào)虧灌溉處理甘藍(lán)VC含量的變化可知,T6 和T5 的VC含量相對(duì)最高,分別達(dá)到了151.69 mg/100 g 和145.36 mg/100 g,顯著高于其余處理(P<0.05),較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無(wú)顯著性差異(P>0.05)。
圖8 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)VC含量的影響Fig.8 Effect of regulated deficit irrigation on the Vitamin C content of cabbage
圖9 為調(diào)虧灌溉各處理的累計(jì)灌水量;圖10 為不同調(diào)虧灌溉處理甘藍(lán)水分利用效率(WUE)的變化情況。可以看出,T3 的水分利用效率(WUE)最高,為143.56 kg/(hm2·mm),較CK 提升了31.43%;T5 次之,為139.57 kg/(hm2·mm),較CK 提升了27.78%,T3 和T5 無(wú)顯著差異(P>0.05)。CK 的水分利用效率(WUE)最低,為109.23 kg/(hm2·mm),均顯著低于其他處理(P<0.05)。
圖9 調(diào)虧灌溉各處理的累計(jì)灌水量Fig.9 Cumulative irrigation volume of each treatment in regulated deficit irrigation
圖10 調(diào)虧灌溉對(duì)甘藍(lán)水分利用效率的影響Fig.10 Effect of regulated deficit irrigation on water use efficiency of cabbage
水資源匱乏是限制北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展最主要的環(huán)境因素,在提高水分利用效率的同時(shí)獲得較高的產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重中之重。地下滲灌栽培甘藍(lán)可將水分和養(yǎng)分精準(zhǔn)地輸送到土壤中,降低土壤水分蒸發(fā)量,改善農(nóng)田小氣候。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):在甘藍(lán)的前期發(fā)育階段,水分主要用于構(gòu)建其營(yíng)養(yǎng)器官,此時(shí)輕度水分虧缺有利于甘藍(lán)的根系發(fā)育,增加甘藍(lán)的根干重,這與周亞婷[12]等、吳現(xiàn)兵等[13]的研究結(jié)果相似。
有研究[14-16]發(fā)現(xiàn),調(diào)虧灌溉技術(shù)可以在一定程度上降低作物的灌水量,提升水分利用效率,保證經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量穩(wěn)定,改善作物的品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn),在甘藍(lán)各生育期內(nèi)進(jìn)行調(diào)虧灌溉會(huì)造成生物學(xué)產(chǎn)量的下降,且水分虧缺程度愈大,降幅愈大,對(duì)照組CK 的生物學(xué)產(chǎn)量最大(44 358.81 kg/hm2),蓮座期和結(jié)球前期輕度水分虧缺不會(huì)使總生物量明顯下降,其余處理均降低顯著,降幅為3.72%~7.72%(P<0.05)。這與聞磊等[4]、莫江華等[17]的研究結(jié)果類(lèi)似,充足的水分利于作物生物學(xué)產(chǎn)量的積累,水分虧缺會(huì)抑制作物生長(zhǎng),降低作物的生物學(xué)產(chǎn)量。
經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量占總生物量的比值稱(chēng)為作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù),作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)可以在一定程度上體現(xiàn)作物的生產(chǎn)水平[18]。適宜的水分虧缺可以提高作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù),但是過(guò)度的水分虧缺會(huì)嚴(yán)重抑制作物生長(zhǎng),使經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與生物學(xué)產(chǎn)量雙雙降低,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)系數(shù)下降。時(shí)學(xué)雙等[19]研究發(fā)現(xiàn),在春青稞不同生育期內(nèi),輕度至重度水分虧缺可提高作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)和水分利用效率,但極度水分虧缺會(huì)導(dǎo)致最低的籽粒產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)和水分利用效率。本研究表明,在甘藍(lán)蓮座期和結(jié)球前期輕度的水分虧缺可以提高甘藍(lán)的經(jīng)濟(jì)系數(shù),與對(duì)照組CK 相比,增幅為2.94%~3.25%,而重度的水分虧缺則會(huì)降低經(jīng)濟(jì)系數(shù)。這是由于重度水分虧缺會(huì)導(dǎo)致甘藍(lán)的細(xì)胞壁變堅(jiān)硬,復(fù)水后難恢復(fù),造成作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量下降,降低了甘藍(lán)的經(jīng)濟(jì)系數(shù)。
張恒嘉等[20]對(duì)馬鈴薯進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)調(diào)虧灌溉在不顯著影響產(chǎn)量的情況下,使全生育期總耗水量降低,提升水分利用效率。本研究表明,T1 的甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高,與T3 和CK 無(wú)顯著差異(P>0.05);T3 的WUE最高(143.56 kg/(hm2·mm)),較CK 提升了31.43%,是由于T3 在不顯著降低甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的情況下,減少了全生育期的耗水量,提升了水分利用效率。說(shuō)明適時(shí)適度的調(diào)虧灌溉可以減少作物全生育期的總耗水量,提高作物水分利用效率,對(duì)作物產(chǎn)量的影響不大,探索節(jié)水與高產(chǎn)的平衡點(diǎn)。
在適宜的時(shí)期內(nèi)對(duì)甘藍(lán)施以適度的水分虧缺既可以滿(mǎn)足甘藍(lán)的生長(zhǎng),確保產(chǎn)量,還可以改善甘藍(lán)的品質(zhì)[21]。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),T3 的葉球緊實(shí)度最高(0.72 g/cm3),中心柱最短(5.81 cm),幫葉比?。?.221 9),顯著(P<0.05)優(yōu)于CK;T5的可溶性糖含量最高(7.66%),VC含量(145.36 mg/100 g)僅次于T6,表明甘藍(lán)結(jié)球前期適度水分虧缺有利于甘藍(lán)葉球緊實(shí)、縮短中心柱、降低幫葉比;在甘藍(lán)結(jié)球中后期,較低的灌水量有利于提升甘藍(lán)可溶性糖和VC含量,且可溶性糖和VC含量伴隨灌水量的減少,先上升后下降,這與王鵬勃[22]等,馬彥霞[23]等,周亞婷[24]等的研究結(jié)果相似。
(1)在甘藍(lán)的蓮座期和結(jié)球前期,水分對(duì)甘藍(lán)的干物質(zhì)積累影響顯著,T1、T3 對(duì)甘藍(lán)根部干物質(zhì)和地上部干物質(zhì)積累起促進(jìn)作用,并且不會(huì)顯著影響甘藍(lán)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、單株球重等指標(biāo)。
(2)在甘藍(lán)的結(jié)球前期,T3處理利于提高甘藍(lán)的葉球緊實(shí)度、降低甘藍(lán)的中心柱長(zhǎng),間接降低甘藍(lán)的幫葉比,提高甘藍(lán)的物理品質(zhì);在甘藍(lán)的結(jié)球中后期,T5 處理利于甘藍(lán)可溶性糖和VC的積累,提高甘藍(lán)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和口感。
(3)T3在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、單株球重、可溶性糖含量和VC含量等指標(biāo)與充分灌溉無(wú)顯著差異的條件下,灌水量降低了28.95%、水分利用效率提高了31.43%,改善甘藍(lán)了甘藍(lán)的物理品質(zhì);T5 在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、單株球重、葉球縱徑、中心柱長(zhǎng)、幫葉比等指標(biāo)與充分灌溉無(wú)顯著差異的條件下,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含量分別增加了28.74%和13.81%,改善了甘藍(lán)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。