杨晓婷,张恒嘉,张　明,巴玉春

(1.甘肃农业大学 工学院,甘肃 兰州　730070;2.民乐县洪水河管理处,甘肃 民乐　734500)



灌水频率与灌水量对南瓜耗水特征与水生产力的影响

杨晓婷1,张恒嘉1,张明2,巴玉春2

(1.甘肃农业大学 工学院,甘肃 兰州730070;2.民乐县洪水河管理处,甘肃 民乐734500)

为探讨河西地区沟灌条件下南瓜需水规律与产量效应,于2014,2015年以甜栗南瓜为试材,研究不同灌水频率和灌水量对南瓜耗水特征、产量、水分利用效率及其果实形态指标的影响。试验设置5个处理,分别为苗期灌水45 mm(T1),苗期灌水45 mm+伸蔓期灌水30 mm (T2),苗期灌水45 mm+伸蔓期灌水45 mm (T3),苗期灌水45 mm+伸蔓期灌水45 mm+开花坐果期灌水30 mm (T4),苗期灌水45 mm+伸蔓期灌水45 mm+开花坐果期灌水45 mm(CK)。结果表明,随着灌水量的增加,果径大小逐渐增加,而不同灌水频率对南瓜瓜形指数无显著影响。南瓜全生育期耗水量随着灌水频率和灌水量的增加而增加,各处理不同生育期阶段耗水量从大到小依次表现为:开花坐果期>伸蔓期>苗期>发芽期,日耗水强度大小依次表现为:伸蔓期>开花坐果期>苗期>发芽期。2个试验年度中,T2(2014年)和T4(2015年)处理水分利用效率分别最大,较T1和CK处理分别显著增加了14.80%,19.71%(2014年)和25.59%,1.89%(2015年)。T2、T3、T4和CK处理的产量分别较T1处理显著增加了24.59%,29.75%,23.07%,21.20%(2014年)和39.81%,55.22%,71.85%,74.93% (2015年)。通过回归分析,表明在河西绿洲灌溉条件下南瓜产量、水分利用效率与耗水量均呈二次抛物线关系。因此,南瓜伸蔓期和开花坐果期为南瓜需水关键期,在该生育期内适度灌水可显著提高南瓜产量和水分利用效率。

南瓜;灌水量;灌水频率;耗水特征;产量

水是自然界的重要组成物质,也是人类生活和社会发展必不可少的重要资源。如今,随着不合理的开发利用,水资源短缺问题日益严峻,节约水资源已迫在眉睫,而农业高效节水已成缓解水资源供需矛盾最主要的途径,其关键在于提高灌溉水利用率和作物水分利用效率[1]。影响作物水分利用效率的因素有很多,如作物的生长发育特点、环境气候条件以及不同的灌溉制度等[2],而不同的灌溉频率必然会影响作物对水分的吸收和利用。相关研究表明,灌水频率不仅可以改变水分在土壤中的分布和储蓄情况[3-4],还对土壤温度[5]、土壤养分的分布[6-8]等产生一定影响。研究表明,高频率灌溉可有效提高作物产量[9-13]。因此,在掌握作物的生理需水机制的基础上,根据作物对水分的敏感程度和节水潜力,制定优化灌溉方案,从而提高灌溉水利用率。同时,充分利用“河西走廊”丰富的光、热条件,提升生物节水技术,提高作物水分生产力,实现作物对水分的高效利用和作物高产的目标。

南瓜(CucurbitamoschataDuch.) 为一年生蔓生草本植物,分布地域广,且在生产中表现出极强的抗逆性和抗旱能力,使用各种节水技术和措施,每年可节约大量的灌溉用水。目前,针对南瓜的试验大多集中在雨养地区南瓜不同垄沟种植模式对水分和产量影响的研究[14-18],也有学者通过不同供水条件、不同水肥以及不同补灌量对小南瓜产量、根系分布等方面进行了研究[19-20],而对河西地区灌溉条件下南瓜需水特性及产量方面的研究鲜有报道。因此,本试验通过不同灌水频率和灌水量耦合对稀植经济作物南瓜产量、耗水量、水分利用效率及果实形态指标的比较分析,探求南瓜不同生育期的水分需求和产量的形成,为河西灌区南瓜栽培种植提供理论支撑。

1　材料和方法

1.1试验区概况

试验于2014-2015年在张掖市民乐县洪水河灌区中游的益民灌溉试验站(100°43′E,38°39′N)进行。试验区气候干燥,热量充足,光能丰富,干燥少雨,属典型温带大陆性干旱荒漠气候,海拔约为1 970 m,年均气温6.0 ℃,≥0 ℃积温3 500 ℃,≥10 ℃有效积温2 985 ℃,多年平均日照时数3 000 h,平均无霜期为125 d。该地区多年平均降雨量为115 mm,而蒸发量高达2 337.6 mm,大气干燥度为4.9,日照时间长达3 045 h/m2,平均每天日照时数8.3 h。试验区土壤为轻壤土,pH值7.22,耕层土壤田间最大持水量为24%,土壤容重1.4 g/cm3。试验站所在地区地下水位较低,盐碱化程度较小。2014,2015年南瓜生育期有效降雨量分别为146.8,113.7 mm(图1)。

图1　2014和2015年南瓜各生育阶段降雨量

1.2试验设计

供试品种为日本甜栗南瓜,该品种由日本引进原种,杂交一代早熟西洋南瓜,植株生长强健,株型紧凑,叶片小,节间极短,极易坐果,果实扁圆形,果皮深绿色,果肉金黄,粉质香甜、口感好。根据南瓜生长的特性及生育期进程,将南瓜整个生育期主要划分为发芽期、苗期、伸蔓期、开花坐果期4个生育期。南瓜于2014年5月2日播种,9月5日收获,全生育期历时124 d;2015年5月3日播种,8月31日收获,生育期共120 d。试验为大田栽培,垄膜沟灌种植。南瓜在播种前,结合整地施尿素350 kg/hm2,三元复合肥350 kg/hm2,磷酸二铵350 kg/hm2,硫酸钾300 kg/hm2,然后机械翻深20～30 cm。翻地后起垄,垄宽0.4 m,高0.15 m,沟宽0.6 m,深0.3 m,垄上覆膜,沟内灌水,垄上种植,株距0.5 m×2.0 m,小区面积5.2 m×13.0 m,采用对爬式种植,每垄25株,每小区100株。单蔓整枝,开花期人工授粉,每株留 1 个瓜。除水分处理不同外,其他田间管理完全相同。试验布置采用裂区试验设计,每个处理3次重复(表1)。

表1　灌水处理方案

1.3测定内容与方法1.3.1土壤含水量在南瓜播种前及收获后用土钻取南瓜种植垄上土样,采用烘干法测土壤含水率。深度为100 cm,分6个剖面梯度测定:0～10 cm,10～20 cm,20～40 cm,40～60 cm,60～80 cm,80～100 cm。生育期内每隔7～10 d取土1 次,且在灌水前后和降雨后加测。

1.3.2耗水量(ET,mm)采用水量平衡法测定

式中:ET为作物阶段耗水量(mm)；i为土层编号；n为土层总数；ri为第i层土壤容重(g/cm3)；Hi为第i层土层厚(cm)；Wi1、Wi2为第i层土壤某时段始、末质量含水率(%)；M为某时段内灌水量(mm)；P为某时段内有效降雨量(mm)；K为某时段内深层土壤水补给量(mm)；C为某时段内排水量,为地表排水与下层排水之和(mm)。

试区地下水埋深大于20 m,故K值为0;试区属绿洲干旱区,一次灌水量最大为45 mm,不会产生向100 cm土层以下的深层渗漏,故C值为0。

1.3.3产量测定收获时在每个小区中随机取样10株,分别测定产量相关性状:单瓜重,瓜外横径、瓜外纵径,肉厚等。收获时按小区收产,测得小区实际产量。

1.3.4水分利用效率(WUE,kg/(hm2·mm))

WUE=Y/ET②

式中：WUE为水分利用效率(kg/(hm2·mm))；Y为作物经济产量(kg/hm2);ET为整个生育阶段的作物耗水量(mm)。

1.4数据处理

试验数据采用SPSS 22.0统计分析,用Excel 2010处理并用Origin 8.0绘图。

2　结果分析

2.1不同处理对南瓜果实形态指标的影响

不同灌水频率及不同灌水量对南瓜的单瓜质量、果肉厚、果实横径和纵径产生影响,如表2所示。2个试验年度中,除2014年T4和CK处理的果实纵径减小,其余处理果径大小随着灌水量的增加而逐渐增加,T2、T3、T4和CK处理果实横径、纵径较T1均显著(P<0.05)增加,其中T3、T4和CK横、纵径分别达到了18.0,11.00 cm以上,且T2与T3、T4与CK间无显著差异。果肉厚T1处理最小,为2.97 cm (2014年)和2.81 cm(2015年),T2、T3、T4和CK处理均达到了3.0 cm以上,较T1处理分别增加了12.12%,15.49%,11.45%,10.10%(2014年),9.60%,13.88%,23.13%,26.69%(2015年)。单瓜质量随着果肉厚的变化而变化,T1处理最小,为1.62 kg(2014年)和1.24 kg(2015年),T2、T3、T4和CK处理分别较T1处理增加了24.69%,29.63%,24.07%,20.99%(2014年)和40.32%,55.65%,72.58%,75.80%(2015年)。因此,灌水频率过低显著降低了南瓜果实横径、纵径、果肉厚和单瓜质量如(T1)。然而,不同灌水频率对南瓜瓜形指数无显著影响。

2.2不同处理对南瓜不同生育阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度的影响

阶段耗水量反映了南瓜不同生育阶段的耗水特征(表3),这与南瓜各生育期内的气候状况及生长特性有关。南瓜发芽期和苗期植株叶面积弱小,耗水主要是土壤表层蒸发,此时各处理水分条件一致,2014年苗期T4处理与T1处理差异显著(P<0.05),其余各处理间耗水量差异不显著，2015年苗期各处理间耗水量差异不显著。南瓜发芽期和苗期耗水量分别占总耗水量的5.31%～7.04%和16.54%～22.10%(2014年),4.59%～6.93%和19.24%～26.88%(2015年)。在伸蔓期茎叶生长迅速,茎叶覆盖地表,一定程度上减弱了土表蒸发,南瓜蒸腾作用开始增强,这一时期耗水量占整个生育期总耗水量的25.27%～27.20%(2014年)和25.62%～28.07%(2015年),且T2、T3、T4和CK处理耗水量分别比T1处理显著增加了18.40%,32.05%,32.77%,36.78%(2014年)和19.39%,33.83%,35.45%,35.31%(2015年),灌溉频率相同灌水量不同的T2和T3处理间也达显著差异,T3较T2处理耗水量增加11.52%(2014年)和12.11%(2015年)。开花坐果期,由于气温进一步升高,植株生长进入旺期,南瓜的蒸腾耗水量大,耗水量占总耗水量的45.35%～52.15%(2014年)和39.28%～50.55%(2015年),且灌水频率相同灌水量不同的T4和CK处理之间耗水量差异显著,CK较T4处理高3.13%(2014年)和7.80%(2015年)。总体来看,南瓜各生育阶段耗水量由大到小依次为开花坐果期>伸蔓期>苗期>发芽期。因此,灌水频率和灌水量对南瓜耗水规律影响不大。

表2　不同处理对南瓜果实形态指标的影响

注:同年份的同列数据字母不同表示在P0.05水平上差异显著(P<0.05)。表3-4同。

Note:Different small letter indicate significant difference of irrigation frequency treatment atP<0.05 level with in the same column in the same year (P<0.05).The same as Tab.3-4.

表3　不同处理对南瓜阶段耗水量、耗水模系数和耗水强度的影响

注:CA.耗水量(mm);CP.耗水模系数(%);CD.日耗水强度(mm/d)。

Note:CA.Water consumption amount (mm)；CP.Water consumption percentage (%)；CD.Water consumption per day (mm/d).

日耗水强度最大时期为伸蔓期,2年分别为2.51～3.44 mm/d(2014年)和2.30～3.11 mm/d (2015年)。伸蔓期T2、T3、T4和CK处理日耗水强度较T1处理显著(P<0.05)增加,分别增加了18.32%,32.27%,33.06%,37.05%(2014年),19.13%,33.48%,35.22%,35.22%(2015年),开花坐果期各处理间日耗水强度差异显著,日耗水强度随着灌水频率和灌水量的增加而增加,各处理日耗水强度表现为CK>T4>T3>T2>T1。

2.3不同灌水处理对南瓜产量及水利用效率的影响

水分利用效率(WUE)反映了单位土壤耗水所生产的经济产量或干物质量。比较不同灌水处理南瓜的水分利用效率可以看出,水分利用效率的最大值出现在适宜的灌水量和灌水次数的处理,其中 T2(2014年)和T4(2015年) 水分利用效率最大,为112.49,118.46 kg/(hm2·mm) ,较T1和CK高出14.80%,19.71% (2014年)和25.59%,1.89%(2015年),说明适宜的灌水频率和灌水量,促进了作物对土壤中的水分吸收和利用,灌水次数的过度减少,则会造成水分利用效率降低(T1) (表4)。通过回归分析表明,南瓜不同灌水处理水分利用效率与全生育期耗水量呈二次抛物线关系(图2)。当耗水量达到某一临界值290.95 mm(实测最大耗水量的86.47%)时,水分利用效率达到最大值,为109.48 kg/(hm2·mm),之后水分利用效率随耗水量的增加而减小。然而,当产量达到最大值时水分利用效率已经下降,也就是说水分利用效率先于产量到达最大值,对于耗水而言,水分利用效率比产量更为敏感。

表4　不同处理对南瓜水分利用效率的影响

图2　不同灌水处理南瓜耗水量(ET)与产量(Y)及水分利用效率(WUE)之间的关系

2.4不同灌水处理南瓜全生育期耗水量与产量的关系

由表4可以看出,在2个试验年度南瓜T1处理的产量最低,为26 089.16 kg/hm2(2014年)和20 142.01 kg/hm2(2015年),2014年T3处理产量最高,为33 850.89 kg/hm2,2015年CK处理产量最高,为35 235.18 kg/hm2。T2、T3、T4和CK处理产量较T1处理分别显著(P<0.05)增加了24.59%,29.75%,23.07%,21.20%(2014年)和39.81%,55.22%,71.85%,74.93% (2015年)。表明南瓜伸蔓期和开花坐果期灌水显著提高了南瓜的产量。2014年产量随灌水量的增加表现出先增加后减小的趋势,T4和CK处理较T3处理产量降低了5.15%,6.59%;2015年产量随灌水频率和灌水量的增加而增加,2年的试验结果有所不同,主要是由于2014年开花坐果期有效降雨量达到98.5 mm,较2015年多54.5 mm。因此,南瓜在2014年开花坐果期各处理土壤水分较高,足以提供南瓜生长所需,灌水后土壤水分过高使得南瓜生长受阻,产量反而表现出下降,不利于南瓜产量的形成,说明在开花坐果期南瓜生长对水分较为敏感,此时处于营养生长与生殖生长并进的时期,水分过多使茎叶徒长而引起落花落果;水分过少,导致新生长叶以及生殖器官吸水力较小而不能吸收到保持正常生长的水分而产生落花落果。因此,土壤水分较高或较低均不利于南瓜产量形成。

南瓜全生育期总耗水量随着灌水量的增加而增加,不同灌水处理之间差异显著(P<0.05)。2014年不同灌水处理南瓜生育期总耗水量高于2015年,部分原因是2014年降雨量较2015年高。CK是南瓜生育期总耗水量最高的处理,2年分别为336.48 mm(2014年),303.07 mm(2015年)。回归分析表明,南瓜产量与全生育期总耗水量呈二次抛物线关系(图2)。当耗水量达到某一临界值时,南瓜产量达到最大值,此耗水量的临界值为307.50 mm,相当于实测最大耗水量的91.40%,而最高产量为33 667.43 kg/hm2,比本试验的实测值(35 235.18 kg/hm2)低4.39%,上述临界值与2年试验中产量最高的T3处理(2014年)和CK处理(2015年)耗水量304.90,303.07 mm较为接近。因此,南瓜产量和水分生产效率较好的需水量范围是290.95～307.50 mm。

3　讨论与结论

研究表明南瓜产量与单瓜重、瓜横径、肉厚等农艺性状相关度较高[21],因此,南瓜的横径和纵径大小对其外观和最终产量都有重要影响。本试验表明,随着灌水频率和灌水量的增加,果实横径、纵径也显著(P<0.05)增加,灌水量最小的T1果实横径、纵径均最小,然而,不同处理对南瓜瓜形指数无显著影响,这与千晶晶等[22]研究结果一致。说明在南瓜伸蔓期和开花期灌水对南瓜果实生长发育有显著影响,灌水量过少(T1) 则会影响果实的正常生长发育。

作物耗水主要受到土壤水分的限制,同时作物自身的生态特征以及生理特征对作物的蒸腾蒸发也有一定的影响。本试验研究表明,南瓜开花坐果期耗水量最大,为111.67～177.06 mm(2014年)和83.91～153.20 mm(2015年),占总耗水量的45.35%～52.15%(2014年)和39.28%～50.55%(2015年)。而各处理日耗水强度在伸蔓期达最大,为2.51～3.44 mm/d(2014年)和2.30～3.11 mm/d(2015年),与文宏达等[23]研究认为小南瓜伸蔓期日耗水强度最大,达3.2～4.8 mm/d,而开花坐果期耗水量较小,仅为46.0～50.7 mm这一结果不太一致。这可能是因为本试验气候条件及品种生长特性与以往研究不同有关。南瓜伸蔓期营养生长最为旺盛,茎叶生长迅速,此时耗水强度最大。开花坐果期为南瓜营养生长与生殖生长同时进行的时期,正值该区7月中下旬到8月份,此时气温高、光照强,植株蒸腾和株间蒸发大,生育期持续时间长,因此南瓜耗水量最大。

作物的生长发育与土壤水分状况紧密联系,水分的供应影响作物最终的产量[24]。董肖杰等[19]认为小南瓜的需水关键期是开花伸蔓期和果实膨大期,这2个时期的补水有利于小南瓜产量的形成,且水分较高或较低均不利于小南瓜产量的形成。本试验结果表明,2个试验年度T1处理产量均为最低,其他处理产量显著高于T1处理,分别增加了21.20%～29.75%(2014年)和39.81%～74.93% (2015年),表明南瓜伸蔓期和开花坐果期是南瓜需水关键期,在这2个时期灌水,可显著提高南瓜产量,这与在作物需水关键期进行灌溉,可以增加作物产量的观点一致[25-26]。同时,生育期内不同降雨量的情况下，南瓜增产幅度有很大差异,干旱年份随着灌水频率和灌水量的增加,产量增加效果也尤为显著。此外,2014年开花坐果期降雨量较高,T4和CK处理灌水频率及灌水量增加后反而造成南瓜减产,表明开花坐果期对水分较敏感,水分较高不利于南瓜的产量形成。这与邹桂花等[27]的研究结果一致。

刘世全等[20]研究结果表明,在低氮和中氮条件下,小南瓜产量水分利用效率均随灌水量增加先增加后降低。在本试验条件下,随着次数和灌水量的增加,耗水量显著增加,并且通过回归分析表明产量和水分利用效率随着耗水量的变化均呈二次抛物线,当灌水量超过南瓜所需的水量时,产量和水分利用效率反而下降。因此,灌水次数越多、灌水量越大,产量和水分利用效率并不一定就越高[28],也不是灌水量越少水分利用效率就越高[29],而是在不影响产量的前提下,适当地减少灌溉频率和灌水量,水分利用效率能显著提高[30]。灌水次数过少的T1处理,其水分利用效率和产量显著降低。本试验条件下,南瓜产量和水分利用效率并不是同时达到最大值,而是水分利用效率先于产量达到了最大值,在实际生产中,要达到节水增产的目的,而相应产量最高点与水分利用效率最高点的灌水量并不一致时,灌水量已不再是提高产量的主要因素,应考虑其他一些影响因子。

随着灌水量和灌溉频率的增加,南瓜果肉厚和单瓜重显著增加。而在南瓜伸蔓期和开花坐果期灌水可促进果实的横、纵径生长,但对瓜形指数没有明显影响,说明不同灌溉频率和不同灌水量对南瓜果实外观品质影响不明显。

在不同灌水频率和不同灌水量条件下,南瓜全生育期中开花坐果期和伸蔓期耗水量最大,该生育期是南瓜需水关键期。

南瓜的耗水量随着灌水量的增加而显著增加,且产量和水分利用效率随着耗水量的变化均呈二次抛物线,水分利用效率先于产量达到了最大值。在膜垄沟灌的栽培模式下,南瓜产量和水分生产效率较好的需水量是290.95～307.50 mm。

T2、T3、T4和CK处理产量显著高于T1处理,分别增加了21.20%～29.75%(2014年)和39.81%～74.93% (2015),表明在南瓜伸蔓期和开花坐果期灌水,可显著提高南瓜的产量。

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Effects of Irrigation Amount and Frequency on Water Consumption Characteristics and Water Productivity of Pumpkin

YANG Xiaoting1,ZHANG Hengjia1,ZHANG Ming2,BA Yuchun2

(1.College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou730070,China;2.Administration of Hongshuihe River,Minle734500,China)

In order to discuss the effect of water demand regulation and yield of pumpkin under different irrigation frequency and irrigation amounts,field experiments using the cultivar of pumkin Tianli as the experimental materials,were conducted to elucidate the effects of irrigation amount and stage on the water requirements characteristics,yield,water use efficiency and fruit appearance of this crop,respectively,in 2014 and 2015.The experiment had five treatments:45 mm irrigation water was applied at seedling stage(represented as T1),45 mm at seedling stage and 30 mm at tendril extending stage (T2),45 mm at seedling stage and 45 mm at tendril extending stage (T3),45 mm at seedling stage,45 mm at tendril extending stage and 30 mm at flowering and fruit setting stage (T4),45 mm,45 mm and 45 mm at seedling stage,tendril extending stage and flowering and fruit setting stage,respectively (CK).The result showed that the fruit diameter size gradually increased with the increased of irrigation amount,the fruit diameter and longitudinal diameter of other treatments were significantly(P<0.05) increased than T1,however,different irrigation frequency had no significant effect on shape index of pumpkin.The water consumption increasing with the increased irrigation frequency and irrigation amount of pumpkin growth period,and different irrigation frequency and irrigation amount had a little effects on water consumption regularity.The water consumption of pumpkin appeared the same laws as follows:First,the flowering and fruit setting stage.Second,tendril extending stage.Third,seedling stage,Forth,sowing stage,and the water consumption rate showed that:First,tendril extending stage.Second,the flowering and fruit setting stage.Third,seedling stage.Forth,sowing stage.The largest water use efficiency were T2 (2014) and T4 (2015) and they were significantly higher than T1 and CK by 14.80%,19.71% (2014) and 25.59%,1.89% (2015),respectively.The yield of T1 was significantly lower than other treatments,which were higher than T1 by 24.59%,29.75%,23.07%,21.20%(2014)and 39.81%,55.22%,71.85%,74.93% (2015),respectively.It was indicated that the critical period of pumpkin water demand was the tendril extending stage and flowering and fruit setting stage,irrigation in the two periods could significantly improve the yield of pumpkin.It would affect the yield and water use efficiency with too much or too less irrigation water.However,irrigation frequency and irrigation amount had little effect on the fruit shape index.Yield and water use efficiency showed a parabola with the change of water consumption in Hexi oasis of irrigation pumpkin.

Pumpkin;Irrigation amount;Irrigation frequency;Water consumption characteristics;Yield

2016-05-20

甘肃省高等学校基本科研业务费项目(2012)

杨晓婷(1990-),女,甘肃武威人,在读硕士,主要从事灌溉排水工程研究。

张恒嘉(1974-),男,甘肃天水人,教授,博士,博士生导师,主要从事农业水土工程与农业生态研究。

S274.1

A

1000-7091(2016)04-0192-07

10.7668/hbnxb.2016.04.030