梁新書 廉曉娟 李友麗 王艷 韓永鋼 孫崧

摘? ? 要：為研究日光溫室黃瓜土壤水分自動(dòng)灌溉參數(shù)，以日光溫室秋冬茬3個(gè)黃瓜品種（‘W9’，‘津優(yōu)35’，‘德瑞特721’）為研究對(duì)象，在結(jié)果期共設(shè)95% FC（田間持水量）、90% FC、80% FC、70% FC及60% FC 5個(gè)土壤灌溉下限處理，研究不同土壤水分下限自動(dòng)灌溉處理對(duì)土壤水分、黃瓜產(chǎn)量及水肥利用率的影響。結(jié)果表明：從3個(gè)黃瓜品種表現(xiàn)看，‘W9’對(duì)水分處理響應(yīng)不敏感，產(chǎn)量無顯著差異，而‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’黃瓜處理間的表現(xiàn)相對(duì)一致。當(dāng)灌溉下限為95% FC和90% FC時(shí)，灌溉頻次增加，高土壤含水量并不會(huì)顯著提高黃瓜產(chǎn)量，但灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力都顯著下降;當(dāng)灌溉下限為60%FC時(shí)，灌溉頻次下降，灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力會(huì)顯著提高，但土壤相對(duì)缺水使‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’黃瓜造成了一定減產(chǎn);當(dāng)土壤含水量灌溉下限為70%FC及80%FC時(shí)，土壤水分基本維持在70% FC～100% FC范圍內(nèi)，能保證較高的黃瓜產(chǎn)量和水肥利用率，可作為秋冬茬黃瓜自動(dòng)水肥管理的合理灌溉參數(shù)。

關(guān)鍵詞：黃瓜;灌溉參數(shù);土壤水分傳感器;自動(dòng)灌溉

中圖分類號(hào)：S274.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.012

Establishment of Soil Water Parameters for Cucumber in Solar Greenhouse Based on Automatic Irrigation Mode

LIANG Xinshu1， LIAN Xiaojuan1， LI Youli2， WANG Yan1， HAN Yonggang3， SUN Song4

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China; 2. Research Centre of Intelligent Equipment Technology of Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 3. Yongfeng Vegetable Planting Professional Cooperative of Binhai New District of Tianjin， Tianjin 300480， China; 4. Tianjin Youhe Agricultural Technology Service Limited Company， Tianjin 300061， China）

Abstract： In order to study the automatic irrigation parameters of soil water for cucumber in solar greenhouse， through taking three cucumber varieties （'W9'， 'Jinyou 35'， 'De Ruite 721'） in the solar greenhouse autumn-winter season as research objects， an experiment set five treatments of different irrigation lower limits during the fruiting period of cucumber， including 95% FC （field water holding capacity）， 90% FC， 80% FC， 70% FC and 60% FC， studying effects of different automatic irrigation treatments based on different soil water lower limits on soil water content， cucumber yield， water and fertilizer use efficiency. The results showed that from the performance of the three cucumber cultivars， 'W9' was insensitive to different water treatments and had no significant difference in yield， but the performances of 'Jinyou 35' and 'De Ruite 721' were relatively consistent between different treatments. When the lower irrigation limit of soil water content was 95% FC or 90% FC， the frequency of irrigation was raised， and the high soil water content did not significantly improve the cucumber yield， but the irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity decreased significantly. When the lower irrigation limit of soil water content was 60% FC， the frequency of irrigation decreased， although the irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity increased significantly， the relative lack of soil water caused a certain reduction in yield of 'Jinyou 35' and 'De Ruite 721'. When the lower limit of soil moisture irrigation were 70%FC and 80%FC， the soil water content was basically maintained in the range of 70%FC-100%FC， which could ensure higher yield and use efficiencies of water and fertilizer， and 70%FC-80%FC could be used as reasonable irrigation parameters for automatic fertigation of cucumber in autumn and winter season.

Key words： cucumber; irrigation parameters; soil water sensor; automatic irrigation

黃瓜是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中種植面積較大且經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物之一，但過量灌溉現(xiàn)象十分突出。傳統(tǒng)灌溉方式下50%以上的灌溉水滲漏到耕層以下，易造成水肥資源的浪費(fèi)，節(jié)水潛力巨大[1]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已從不同角度對(duì)設(shè)施蔬菜需水規(guī)律[1-3]、灌水量[1-2]、灌水頻率[3]、水肥耦合[4-5]、滴頭間距和流量[6]等節(jié)水高效灌溉指標(biāo)進(jìn)行了研究。隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展轉(zhuǎn)型和節(jié)水研究的不斷深入，對(duì)于規(guī)?；同F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)園區(qū)而言，自動(dòng)控制的水肥一體化技術(shù)需求不斷增加，灌溉施肥機(jī)、傳感器灌溉等物聯(lián)網(wǎng)節(jié)水技術(shù)的研究也不斷涌現(xiàn)。目前，以色列、荷蘭等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用土壤墑情監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化等先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)[7-8]，但我國(guó)自動(dòng)化灌溉技術(shù)起步晚，與國(guó)外差距還較大[9-11]。我國(guó)作物類型繁多、氣候環(huán)境多變、土壤條件復(fù)雜、區(qū)域性較強(qiáng)，具體作物的自動(dòng)化灌溉參數(shù)尚缺乏系統(tǒng)研究。因此，本試驗(yàn)以日光溫室黃瓜為研究對(duì)象，采用基于土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)灌溉模式，研究不同土壤含水量下限對(duì)溫室黃瓜產(chǎn)量及水肥利用率的影響，旨在為黃瓜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變量水肥管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試作物為黃瓜，3個(gè)黃瓜品種分別為‘W9’（天津科潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所試驗(yàn)品種）、‘津優(yōu)35’（天津科潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司）、‘德瑞特721’（天津德瑞特種業(yè)有限公司）。3個(gè)品種均適宜保護(hù)地栽培，田間表現(xiàn)整體適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)瓜和豐產(chǎn)性較好，綜合抗病能力強(qiáng)，植株長(zhǎng)勢(shì)中等，瓜條生長(zhǎng)速度快，水肥需求量較大。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共分5個(gè)水分主處理，5個(gè)黃瓜結(jié)果期灌溉下限對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)含水量分別為95% FC，90% FC，80% FC，70% FC，60% FC。不同黃瓜品種為副處理，在每個(gè)水分處理下定植進(jìn)行。每個(gè)小區(qū)面積為3.9 m×7.5 m，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。每個(gè)水分處理3個(gè)畦，每個(gè)小區(qū)定植3個(gè)不同品種，每畦定植1個(gè)品種。不同水分處理用40 cm深的陽(yáng)光板作為隔離。試驗(yàn)采用的土壤水分傳感器自動(dòng)滴灌控制系統(tǒng)由北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心試驗(yàn)定制，能依據(jù)實(shí)時(shí)土壤水分含量進(jìn)行閾值判定，決策灌溉。采用的土壤水分傳感器（SM8001）利用頻域反射法連續(xù)測(cè)定土壤體積含水量，此測(cè)量方法符合目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)時(shí)快速穩(wěn)定地反映土壤水分含量變化。

1.3 試驗(yàn)管理

試驗(yàn)于2017年9月6日—2018年1月13日在天津市濱海新區(qū)永豐蔬菜種植專業(yè)合作社日光溫室中進(jìn)行。供試土壤為粘土，0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量4.87%，水解氮含量243.9 mg·kg-1，有效磷含量391.0 mg·kg-1，速效鉀含量1 267.5 mg·kg-1，pH值7.44，全鹽含量2.92 g·kg-1，容重為1.05 g·cm-3，田間持水量（FC）為40.11%（體積含水量）。定植前按300 m3·hm-2用量撒施稻殼雞糞（N∶2.54%，P2O5∶2.5%，K2O∶2.6%），用旋耕機(jī)翻耕。做畦方式為傳統(tǒng)高平畦，畦寬80 cm，溝寬50 cm。兩葉一心的黃瓜幼苗于2017年9月6日定植，每畦2行，行內(nèi)株距為30 cm，畦內(nèi)行距40 cm，種植密度為51 300株·hm-2。

土壤水分傳感器滴頭正下方15 cm處（黃瓜根系主要集中在0～30 cm土層，此處是根系密集區(qū)）用于判斷灌溉是否開啟，每個(gè)處理在‘津優(yōu)35’栽培畦內(nèi)配有1個(gè)土壤水分傳感器，傳感器均標(biāo)定后使用，傳感器埋放位置的周邊區(qū)域應(yīng)保證土壤均勻、畦面平整、植株具有代表性、滴灌平整并固定等。每次灌水定額為5 mm，每次施純氮濃度為140 g·m-3，氮磷鉀比例為1∶0.3∶1.5，肥料種類為尿素、磷酸二氫鉀和硝酸鉀。

所有畦均采用滴灌，滴頭間距為30 cm，每個(gè)滴孔對(duì)應(yīng)1棵植株。試驗(yàn)過程中除水肥管理不同外，其余田間管理均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)管理一致。黃瓜定植后，根瓜處理開始灌水處理，處理前共灌水150 mm。2017年10月16日開始灌水處理，當(dāng)天共灌水施肥2次，2018年1月13日處理結(jié)束。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 根層和拉秧后不同土層土壤水分測(cè)定? 土壤水分傳感器（SM8001）埋在滴灌管滴頭正下方15 cm處，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤體積含水量的變化，并且用于判斷各處理灌溉是否開啟，數(shù)據(jù)保存間隔為10 min。在黃瓜拉秧期取0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土層土樣測(cè)定土壤質(zhì)量含水量，含水量測(cè)定采用烘干法。

1.4.2 產(chǎn)量測(cè)定 每個(gè)畦收獲時(shí)用電子秤測(cè)產(chǎn)量，分別統(tǒng)計(jì)不同品種黃瓜產(chǎn)量，然后折算成每公頃產(chǎn)量。

1.4.3 水肥利用率測(cè)定 試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)各處理灌水量與施肥總量，計(jì)算水肥利用率。灌溉水利用效率為產(chǎn)量與灌水總量的比值;肥料偏生產(chǎn)力為產(chǎn)量與純N、P2O5及K2O投入總量的比值。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同處理方差分析采用one-way ANOVA分析過程中的Tukey多重比較方法在P<0.05水平上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥投入量比較

通過表1可以得出，95% FC，90% FC，80% FC，70% FC及60% FC 5個(gè)水分處理的結(jié)果期共灌水施肥分別為45，31，21，20，2次。由此得出，若使土壤含水量維持在較高的水平，就要增加灌溉頻次。相比于其他處理，70% FC和80% FC 2個(gè)處理的灌溉頻次及灌水量均處在中等水平。

2.2 根層土壤含水量動(dòng)態(tài)變化

由圖1可知，在95% FC、90% FC和80% FC 3個(gè)處理下，每次灌水后土壤含水量呈增加—急劇下降—緩慢下降的趨勢(shì)。這是由于灌溉后土壤含水量超過田間持水量，數(shù)值的急劇下降與土壤孔隙間重力水下滲速度較快有關(guān)。土壤含水量緩慢下降的起點(diǎn)都在40%附近，此數(shù)值與基礎(chǔ)土樣田間持水量測(cè)定值吻合。70% FC處理土壤體積含水量在每次灌溉后的最大值基本都低于40%，說明該處理灌水后土壤含水量未達(dá)到田間持水量。60% FC處理在處理開始灌水2次后，黃瓜結(jié)果期再?zèng)]有進(jìn)行灌水，說明根層水分的相對(duì)含水量并沒有下降到60% FC以下，由拉秧土不同土層土壤含水量分布的數(shù)據(jù)圖2可以得出，這可能是處理前灌水較多，傳感器下方的水分向上運(yùn)移或作物利用了較深土層的水分等多種原因綜合導(dǎo)致的。另外，試驗(yàn)基地地下水位比較高，地下水位埋深1.2 m，也是該處理下根層土壤水分一直下降不到60% FC以下的原因之一。

2.3 黃瓜產(chǎn)量及水肥利用率分析

從不同處理灌水施肥投入量來看，5個(gè)處理之間水肥投入量存在很大差異，但是黃瓜產(chǎn)量的差異在不同品種之間的響應(yīng)卻不同。由表2可知，‘W9’黃瓜產(chǎn)量處理之間無顯著差異，對(duì)水肥處理響應(yīng)不敏感，而‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’黃瓜在不同水肥處理之間的產(chǎn)量表現(xiàn)一致。從表2、表3和表4數(shù)據(jù)可知，增加灌水施肥投入量，維持高土壤含水量（95% FC和90% FC處理）并不會(huì)顯著提高黃瓜產(chǎn)量，并且水肥投入量的增加使灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力顯著下降。對(duì)于60% FC處理而言，水肥投入量過少，雖然利用了深層的水分，得到了非常高的灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力，但是黃瓜的產(chǎn)量在 ‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’卻造成了一定的損失，與70% FC處理相比，2個(gè)品種分別減產(chǎn)13.8%，11.7%。相比較而言，80% FC和70% FC 2個(gè)處理的灌水施肥量比較接近，既保證了高黃瓜產(chǎn)量，又保持了比較高的灌溉水利用率和偏生產(chǎn)力。相比較95% FC處理，70% FC～80% FC處理可節(jié)水32.0%～33.3%，節(jié)肥53.3%～55.6%，黃瓜產(chǎn)量在‘W9’、‘津優(yōu)35’和‘德瑞特721’3個(gè)品種無顯著差異，相應(yīng)的灌溉水利用率分別提高56.0%～65.8%，48.2%～60.8%，35.7%～53.7%，相應(yīng)的肥料偏生產(chǎn)力分別提高127.5%～148.8%，115.9%～141.1%，97.7%～130.5%。

3 結(jié)論與討論

黃瓜屬于高耗水蔬菜，需頻繁灌溉。目前生產(chǎn)中多采用經(jīng)驗(yàn)灌溉或定時(shí)定量灌溉模式，這容易引起灌水過多或過少、灌水時(shí)期不適宜等不合理灌溉現(xiàn)象的發(fā)生。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水肥管理需求的不斷增加，確定基于土壤水分自動(dòng)灌溉模式合理的參數(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究得出，基于埋深在滴頭正下方15 cm處的土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行自動(dòng)控制灌溉在日光溫室黃瓜生產(chǎn)上是可行的。當(dāng)土壤含水量灌溉下限為95% FC和90% FC時(shí)，會(huì)導(dǎo)致灌水施肥頻次增加，水肥投入量增加并不會(huì)引起黃瓜增產(chǎn)，可能的原因是秋冬季節(jié)日光溫室溫光環(huán)境相對(duì)較差，黃瓜生長(zhǎng)緩慢，較高的土壤含水量水平會(huì)使根層溶氧量不足，進(jìn)一步抑制產(chǎn)量的形成，從而導(dǎo)致灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力的下降[12-13]。

當(dāng)土壤含水量灌溉下限為60% FC時(shí)，雖然灌溉頻次和水肥投入量都下降，灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力會(huì)顯著提高，但土壤相對(duì)缺水，造成了黃瓜一定的減產(chǎn)，此結(jié)論與前人研究結(jié)果相一致[14-16]。從3個(gè)黃瓜品種的表現(xiàn)綜合來看，當(dāng)土壤含水量灌溉下限為70%FC～80%FC時(shí)，既能確保黃瓜高產(chǎn)，又能使灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力維持較高的水平，可能的原因是黃瓜根系主要分布在0～30 cm土層內(nèi)，基于滴灌滴頭15 cm處土壤水分監(jiān)控的自動(dòng)灌溉施肥模式可使土壤水分、養(yǎng)分與植株根系集中在根層，能有效保證空間一致性，土壤水分基本維持在70%FC～100%FC范圍內(nèi)，促進(jìn)黃瓜節(jié)水豐產(chǎn)，避免土壤水分過多或過少的現(xiàn)象發(fā)生[17-19]。

本研究證明，采用基于土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)灌溉模式，灌溉下限數(shù)值設(shè)置為70%FC～80%FC所對(duì)應(yīng)的傳感器度數(shù)，此方法可使土壤水分保持在相對(duì)適宜的范圍內(nèi)，徹底解決傳統(tǒng)定時(shí)定量灌溉模式的引起土壤水分過多或缺乏的問題，使作物水分管理更加科學(xué)合理。作物長(zhǎng)勢(shì)、溫室環(huán)境、栽培措施等均影響黃瓜生長(zhǎng)期間的耗水量，從而造成灌水間隔的不確定性。采用合理的土壤灌溉下限值結(jié)合小定額灌溉，能真正實(shí)現(xiàn)按照作物耗水量進(jìn)行灌溉。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)水平的不斷提高，此模式具有廣闊的應(yīng)用前景。

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