周振鵬,葉含春*,王振華,宋利兵

(1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000;3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832000)

新疆地區(qū)具有降雨量小、蒸發(fā)強(qiáng)烈的特點(diǎn),加之當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉方法不當(dāng),農(nóng)業(yè)水資源短缺和水分利用效率低等原因制約當(dāng)?shù)丶庸し旬a(chǎn)業(yè)的發(fā)展.地膜覆蓋已被證實(shí)可有效減少土壤水分蒸發(fā),而由于殘膜回收措施不夠完善,殘膜污染問題逐漸暴露出來.殘膜會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一系列不利影響,如土壤容重上升、土壤透氣性和透水性減弱,最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)[1].可降解膜可在較短時(shí)間內(nèi)降解,被認(rèn)為是普通地膜的可靠替代品[2].相關(guān)研究表明,降解膜覆蓋蒸發(fā)抑制率為15.69%,相對(duì)于不覆膜可明顯減少水分向空氣中蒸發(fā)[3].同時(shí),降解膜覆蓋也能提高植株對(duì)氮素的吸收利用率[4-5].相對(duì)于普通地膜,可降解膜覆蓋會(huì)使作物小幅度減產(chǎn).大量研究表明,磁化水灌溉可明顯提高作物產(chǎn)量,因此探究磁化水灌溉技術(shù)能否解決這一減產(chǎn)問題是目前的研究熱點(diǎn).

目前磁化水灌溉研究主要集中在棉花、玉米、水稻、甜菜等大田作物,而對(duì)大田加工番茄的研究較少,且多數(shù)研究局限于單一的磁化水灌溉技術(shù)方面.此外,針對(duì)新疆地區(qū)殘膜污染日益加重的現(xiàn)狀,探究降解膜覆蓋技術(shù)與磁化水灌溉技術(shù)相結(jié)合在農(nóng)田上的應(yīng)用效果具有實(shí)際意義,但此類研究鮮有報(bào)道.文中通過設(shè)置2種磁化灌水方式和3種地膜類型進(jìn)行完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì),研究磁化水滴灌和降解膜覆蓋對(duì)加工番茄土壤水熱、葉面積指數(shù)、地上干物質(zhì)量、光合特性、產(chǎn)量和水分利用效率的調(diào)控效應(yīng),探究磁化水滴灌條件下適宜的降解膜類型,為保障新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、加工番茄增產(chǎn)提質(zhì)和農(nóng)田高效節(jié)水提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年5—9月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十二師五一農(nóng)場(chǎng)灌溉中心試驗(yàn)站(87°19′—87°27′E,43°55′—44°03′N)進(jìn)行.該地區(qū)位于烏魯木齊市西郊.其年平均溫度為6.3 ℃,年平均降雨量為194 mm,潛在蒸發(fā)量為2 647 mm.試驗(yàn)地土壤為壤土,0～60 cm土層平均容重為1.32 g/cm3,常規(guī)水與磁化水灌水礦化度均為1.2 g/L[6].該地氣象要素如圖1所示,圖中T,Tave,Tmax,Tmin,P分別為氣溫、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降雨量.

圖1 2021年加工番茄生育期氣溫及降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2種灌水方式,3.0×106A/m磁化水滴灌(T)和常規(guī)水滴灌(N);3種地膜類型分別為普通地膜(M1,厚度為0.01 mm),黑白2種氧化生物雙降解膜(M2和M3,誘導(dǎo)期均為100 d,膜厚0.01 mm)進(jìn)行完全隨機(jī)組合設(shè)計(jì).試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列,共6個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù).施肥為尿素(w(N)=46%)、磷酸一銨(w(P2O5)=61%)和硫酸鉀(w(K2O)=52%),施肥量分別為200,180,180 kg/hm2,試驗(yàn)小區(qū)的農(nóng)藝措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐一致.加工番茄品種選用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)的“亨氏1015”,于5月6日進(jìn)行移苗定植,8月30日進(jìn)行成熟期收獲.全生育期各處理灌溉、施肥次數(shù)均為8次,灌水量4 500 m3/hm2.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1) 土壤質(zhì)量含水率的測(cè)定:使用土鉆于加工番茄苗期、花期、果實(shí)膨大一期(果一期)、果實(shí)膨大二期(果二期)和成熟期采集寬行、窄行和膜間0～60 cm深度土樣,每10 cm取1個(gè)土樣,每小區(qū) 3 次重復(fù),采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水率.

2) 土壤溫度的測(cè)定:使用曲管水銀溫度計(jì)對(duì)加工番茄每個(gè)生育期5,10,15,20 cm深度的土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),記錄8:00—20:00的土壤溫度,每2 h監(jiān)測(cè)1次,選取每個(gè)生育期具有代表性的連續(xù)5 d進(jìn)行測(cè)溫,以5 d的平均土壤溫度作為該生育期的代表土壤溫度.

3) 葉面積指數(shù)和地上干物質(zhì)量的測(cè)定:加工番茄每個(gè)生育期末,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇具有代表性的3株植株測(cè)量葉面積,用直尺測(cè)量葉片長(zhǎng)(葉基至葉尖)和寬(以葉基為中心垂直于葉長(zhǎng));莖、葉、果分開后稱量各部分鮮質(zhì)量,隨后105 ℃殺青30 min,于75 ℃下烘干至恒量,稱量植物各器官的生物量.

葉面積指數(shù)(LAI)計(jì)算公式為

LAI=Aρ/S,

(1)

式中:A為單株葉面積,cm2;ρ為單位土地面積總株數(shù),株;S為單位土地面積,cm2.

4) 光合特性的測(cè)定:在加工番茄果實(shí)膨大期使用Li-6800便攜式測(cè)定儀進(jìn)行加工番茄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)的測(cè)定.測(cè)定時(shí)間自10:00開始至 18:00 結(jié)束,每間隔2 h測(cè)定1次.每個(gè)處理隨機(jī)選取3 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的加工番茄測(cè)定中上部完全成熟葉片,并對(duì)所測(cè)定葉片進(jìn)行標(biāo)記.

5) 產(chǎn)量和水分利用效率的測(cè)定:在加工番茄成熟期末于每個(gè)小區(qū)選擇6 株長(zhǎng)勢(shì)均勻的植株測(cè)其產(chǎn)量,包括單果質(zhì)量和果實(shí)數(shù)目.由于地下水位低于8 m,試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦且有邊界,因此深層滲漏、地下水補(bǔ)給和徑流忽略不計(jì).

作物全生育期內(nèi)總耗水量(ET)的計(jì)算式為

ET=P+I+W0-W1,

(2)

式中:ET為作物全生育期內(nèi)總耗水量,mm;P為有效降雨量,mm;I為有效灌溉量,mm;W0和W1分為移苗前和收獲后土壤貯水量,mm.

水分利用效率(WUE)的計(jì)算式為

WUE=Y/ET,

(3)

式中:WUE為水分利用效率,t/(hm2·mm-1);Y為加工番茄產(chǎn)量,t/hm2.

1.4 TOPSIS分析

1) 構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為

(4)

式中:xij為矩陣內(nèi)原始值;Zij為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值;i=1,2,3,…,n,n為評(píng)價(jià)對(duì)象的數(shù)量;j=1,2,3,…,m,其中m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量.

2) 計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)與最優(yōu)及最劣向量間距離為

(5)

(6)

3) 評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的接近程度為

(7)

式中:Di為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合得分.

1.5 數(shù)據(jù)處理

TOPSIS分析采用 Microsoft Excel 2018計(jì)算,利用SPSS Statistics 24進(jìn)行顯著性分析,利用Origin 2018作圖.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率

圖2為不同處理下不同深度土層土壤質(zhì)量含水率θ.如圖2a所示,在常規(guī)水滴灌處理下,處理M2和處理M3土壤質(zhì)量含水率較處理M1分別降低2.72%～13.79%和7.09%～17.21%;在磁化水滴灌處理下,與處理M1相比,處理M2和M3土壤質(zhì)量含水率分別降低2.26%～12.26%和5.85%～15.57%.在相同地膜處理下,磁化水處理較不磁化處理提高了土壤質(zhì)量含水率19.21%～21.41%,各生育期內(nèi)磁化水滴灌處理土壤質(zhì)量含水率大于常規(guī)水滴灌處理.圖2b為0～60 cm土層土壤質(zhì)量含水率,全生育期內(nèi)各處理土壤質(zhì)量含水率均高于0～40 cm土層,這是因?yàn)榇呕喂酀駶?rùn)鋒深度基本維持在40～50 cm.果二期至成熟期,0～60 cm土層土壤質(zhì)量含水率略有上升.在整個(gè)生育期內(nèi),土壤質(zhì)量含水率按處理排序從大到小依次為M1,M2,M3,磁化水滴灌處理土壤質(zhì)量含水率大于常規(guī)水滴灌處理.

注:不同小寫字母表示各處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),下同

2.2 各生育期0～20 cm土層土壤溫度

圖3為不同處理對(duì)不同土層土壤溫度T的影響.磁化水滴灌對(duì)土壤溫度的影響在P=0.05水平下不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而覆膜對(duì)土壤溫度的影響在P=0.05水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.在苗期,葉面積較小,大部分光線直射到地膜上,黑色降解膜表現(xiàn)出對(duì)光線更好的吸收能力.處理M2較處理M3在(0,10]和(10,20] cm土層土壤平均溫度分別高0.60 ℃和0.75 ℃(P<0.05),不同地膜保溫性能由高到低依次為M1,M2,M3.在花期,處理M2與M3覆蓋下(0,10] cm和(10,20] cm土層土壤平均溫度分別較處理M1低4.43,7.03 ℃和4.66,6.34 ℃(P<0.01).在果二期,處理M2和M3覆蓋下(0,10] cm和(10,20] cm土層平均土壤溫度分別為28.19,27.73 ℃和27.61,26.91 ℃,普通地膜平均土壤溫度分別為28.81,28.14 ℃.成熟期,各降解膜因出現(xiàn)裂縫而溫度下降,下降幅度明顯高于普通地膜,但黑色降解膜的保溫性能較優(yōu)于白色降解膜.

圖3 不同處理下不同土層土壤溫度

2.3 葉面積指數(shù)和地上干物質(zhì)量

圖4為不同處理下加工番茄葉面積指數(shù)LAI和地上干物質(zhì)量d.如圖4a所示,各處理下加工番茄葉面積指數(shù)LAI隨著生育期的推進(jìn)而快速增長(zhǎng).苗期至果二期,LAI指數(shù)的促進(jìn)效果按處理排序由高到低依次為M1,M2,M3,且磁化水處理下LAI顯著高于常規(guī)水滴灌(P<0.05).在成熟期,LAI趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大,3.0×106A/m磁化水處理顯著高于常規(guī)水處理(P<0.01),處理TM1,TM2和TM3分別較常規(guī)水處理增加了2.80%,2.84%和3.40%,各處理LAI由大到小依次為TM1,TM2,TM3,NM1,NM2,NM3.如圖4b所示,在苗期,各處理間地上干物質(zhì)量差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.在花期,磁化水處理下,處理M3較M1和M2地上干物質(zhì)量分別減小了5.39%和2.86%(P<0.05);常規(guī)水滴灌處理下,處理M3較M1地上干物質(zhì)量減小了10.48%.在果一期至果二期,地上干物質(zhì)量快速增長(zhǎng).在成熟期,磁化水滴灌處理地上干物質(zhì)量顯著增加了36.09%～37.29%(P<0.01).

圖4 不同處理下加工番茄葉面積指數(shù)和地上干物質(zhì)量

2.4 光合特性

圖5為不同處理對(duì)果實(shí)膨大期加工番茄光合特性的影響.不同處理下加工番茄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)的變化規(guī)律基本一致,磁化水滴灌處理均高于常規(guī)水滴灌處理,且在同一滴灌處理下,各光合指標(biāo)按覆膜排序由大到小依次為M1,M2,M3.磁化水滴灌處理Pn,Tr,Gs和Ci較常規(guī)水滴灌處理增加13.06%～16.08%,8.74%～10.99%,7.14%～18.03%和11.24%～18.41%(P<0.05),與處理M1相比,處理M2的Pn,Tr,Gs和Ci降低了 2.87%,8.77%,9.53%和3.22%(P>0.05),處理M3的Pn,Tr,Gs和Ci降低了5.17%,12.02%,15.46%和5.43%(P<0.05).

圖5 不同處理下加工番茄光合特性

2.5 產(chǎn)量及灌溉水分利用效率

不同處理下加工番茄的單果質(zhì)量(Md)、單株結(jié)果數(shù)(N)、產(chǎn)量(Y)及水分利用效率(WUE)如表1所示.與普通地膜覆蓋處理M1相比,降解膜覆蓋處理M2和M3單果質(zhì)量分別平均降低了0.94%和3.88%,單株結(jié)果數(shù)降低0.14%和0.24%,產(chǎn)量降低1.14%和3.56%,WUE降低1.16%和3.52%.磁化水滴灌可明顯提高加工番茄產(chǎn)量和水分利用效率.與常規(guī)水滴灌處理相比,磁化水滴灌處理單果質(zhì)量平均增加了30.40%(P<0.01),單株結(jié)果數(shù)增加2.58%,產(chǎn)量增加31.61%(P<0.01),WUE增加31.70%(P<0.01).

表1 不同處理下加工番茄的產(chǎn)量及水分利用效率

2.6 基于TOPSIS法對(duì)應(yīng)用效果的綜合評(píng)價(jià)

表2 標(biāo)準(zhǔn)化矩陣及不同處理的綜合得分

3 討 論

覆蓋地膜可有效減少土壤水分蒸發(fā)并平衡土壤溫度[7],使用降解膜覆蓋可以解決殘膜污染.此外,滴灌適宜磁化強(qiáng)度的磁化水也可緩解干旱脅迫[8].JIA等[9]研究表明,降解膜覆蓋對(duì)0～40 cm土層土壤含水率影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);降解膜整個(gè)生育期的土壤平均溫度較普通地膜覆蓋低0.52～0.88 ℃(P<0.05).文中發(fā)現(xiàn),在常規(guī)水滴灌處理下,整個(gè)生育期0～40 cm土層和0～60 cm土層土壤質(zhì)量含水率均表現(xiàn)為M2的大于M3,保溫性能也是如此,這是因?yàn)楹谀ね干湎禂?shù)低,可吸收大部分可見光,從而增加凈輻射,提高土壤溫度,這與JIA等[9]研究結(jié)果基本一致.文中發(fā)現(xiàn)磁化水處理較常規(guī)水處理土壤質(zhì)量含水率提高了19.21%～21.41%(P<0.01),說明磁化水灌溉可顯著提高土壤含水量,這與盛統(tǒng)民等[5]研究結(jié)果基本一致.這是因?yàn)榇艌?chǎng)改變了水的分子結(jié)構(gòu),從而提高了水分在土壤中的浸潤(rùn)能力,增強(qiáng)了土壤的持水性.

葉面積指數(shù)和地上干物質(zhì)量是衡量作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況是否正常的重要指標(biāo)[7,10].孟玉等[7]研究表明,與普通地膜覆蓋相比,降解膜覆蓋下作物葉面積指數(shù)及地上干物質(zhì)量在苗期至抽雄期差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05).文中結(jié)果表明,在整個(gè)生育期內(nèi)降解膜覆蓋下兩者均小于普通地膜覆蓋,黑色降解膜優(yōu)于白色降解膜,這與以上研究結(jié)果相似,這可能是因?yàn)楹谏到饽?duì)土壤溫度的提升效果好,提高了土壤中酶活性,其次黑色降解膜的保水效果也優(yōu)于白色降解膜,利于加工番茄根系充分吸水,保證生長(zhǎng)發(fā)育.文中發(fā)現(xiàn)成熟期磁化水滴灌處理較常規(guī)水滴灌處理葉面積指數(shù)增加了2.80%～3.40%,地上干物質(zhì)量增加了36.09%～37.29%(P<0.01),這與張瑩瑩等[11]研究相一致,產(chǎn)生這一結(jié)果可能是因?yàn)榇呕喂嗵岣吡送寥篮?保證了加工番茄的根系充分吸收水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并促進(jìn)了加工番茄葉片數(shù)的增多,這有利于提高光合效率,從而提高番茄有機(jī)物的積累量.

光合作用是作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要生理代謝過程.文中結(jié)果表明,于加工番茄果實(shí)膨大期同一滴灌處理下,加工番茄光合指標(biāo)按處理排序由高到低依次為M1,M2,M3,這與吳梅等[12]研究結(jié)果一致.這是因?yàn)榈啬じ采w有利于提高土壤溫度和土壤含水量,兩者的提高均有利于加工番茄根系的生長(zhǎng)和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收,在一定溫度范圍內(nèi),隨著溫度的提高,加工番茄光合作用強(qiáng)度也會(huì)隨之增強(qiáng).與常規(guī)水滴灌處理相比,磁化水滴灌處理Pn,Tr,Gs和Ci分別增加了13.06%～16.08%,8.74%～10.99%,7.14%～18.03%和11.24%～18.41%(P<0.05),這與蔡明蕾等[13]、王曉帆等[14]研究結(jié)果一致,產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是磁化水滴灌可有效提高土壤含水量,從而提高氣孔導(dǎo)度,充足的水分供給會(huì)促進(jìn)光合產(chǎn)物輸出,加快光合速率.

文中發(fā)現(xiàn),與普通地膜覆蓋相比,黑色降解膜和白色降解膜覆蓋下總產(chǎn)量平均降低了4.12%和3.70%,WUE降低2.01%和1.98%,這與丁宏偉等[15]研究一致,這是因?yàn)椴馁|(zhì)問題使得降解膜在加工番茄生育前期的增溫保水性能略低于普通地膜,而到了生育后期降解膜開始裂解,增溫保水效果大幅降低,導(dǎo)致加工番茄產(chǎn)量和WUE略低于普通地膜覆蓋.磁化水滴灌處理較常規(guī)水滴灌處理提高了產(chǎn)量,平均增加了31.61%(P<0.01),WUE增加了36.70%(P<0.01),這與前人結(jié)果一致.磁化水的表面張力系數(shù)和黏度系數(shù)較低,而浸潤(rùn)能力較強(qiáng),這增加了土壤的持水能力,也加快了根系對(duì)水分的吸收利用,保證了加工番茄對(duì)水分的需求,從而提高了加工番茄產(chǎn)量和WUE.綜上所述,基于TOPSIS法對(duì)加工番茄生長(zhǎng)、產(chǎn)量和WUE指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)合高效生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理念,認(rèn)為滴灌磁化強(qiáng)度為3.0×106A/m磁化水并覆蓋黑色降解膜(TM2)可以替代普通膜下滴灌,在北疆地區(qū)用于加工番茄生產(chǎn)實(shí)踐.

4 結(jié) 論

1) 處理M2與M3在生育前期保水效果相近,0～60 cm土層土壤質(zhì)量含水率按處理排序由大到小依次為M1,M2,M3.從全生育期看,黑色降解膜保溫性能優(yōu)于白色降解膜.磁化水滴灌能顯著提高0～60 cm土層土壤含水率,但對(duì)土壤溫度沒有顯著影響.

2) 與普通地膜相比,降解膜覆蓋下加工番茄LAI和地上干物質(zhì)量在果實(shí)膨大一期至成熟期差異不顯著,黑色降解膜較白色降解膜促進(jìn)發(fā)育效果好.各磁化水滴灌處理較常規(guī)水滴灌處理的葉面積指數(shù)和地上干物質(zhì)量均有顯著增加.

3) 加工番茄凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)按處理排序由大到小依次為M1,M2,M3.與常規(guī)水滴灌處理相比,磁化水滴灌處理Pn,Tr,Gs和Ci分別增加了13.06%～16.08%,8.74%～10.99%,7.14%～18.03%和11.24%～18.41%(P<0.05),磁化水滴灌對(duì)加工番茄的光合作用有很好的促進(jìn)效果.

4) 與處理M1相比,處理M2和M3產(chǎn)量平均降低3.70%和4.12%,WUE降低1.98%和2.01%.磁化水處理較常規(guī)水處理產(chǎn)量平均增加了30.68%,WUE增加了30.96%.基于TOPSIS分析對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),研究認(rèn)為磁化水滴灌可彌補(bǔ)降解膜覆蓋造成的產(chǎn)量和WUE損失,黑色降解膜在提高產(chǎn)量和水分利用效率方面則表現(xiàn)更優(yōu).

此研究可為北疆膜下滴灌加工番茄增產(chǎn)與節(jié)水提供理論參考.