微润灌管带埋深对土壤水分及青椒生长的影响

2017-03-22雷明杰毕远杰

中国农村水利水电 2017年7期

王坚，雷明杰，毕远杰

(1.山西水利水电科学研究院，太原 0300022；2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

0 引言

微润灌溉是一种将半透膜材料运用于灌溉领域的新型地下灌溉。管带埋深是地下灌溉重要的因素，康银红认为管带埋深应与土壤性质、作物种类、耕作状况以及作物根系对土壤水分和土壤水分影响下的整个土壤生态环境的要求相适应[1]。谢海霞对地下滴灌的研究认为，当灌溉量较高时，滴灌管要深埋，反之，则要浅埋[2]。任杰认为，对于不同作物，应有相适应的管带埋深，并应根据土壤导水率加以设定[3]。在对微润灌溉的试验研究中，牛文全认为黏壤土微润灌溉最适宜埋深为15～20 cm[4]。牛文全、张俊、薛万来等通过室内模拟试验在微润灌溉土壤水分分布方面做了相应研究[4-7]。这些基于室内模拟的试验为微润灌的研究提供了相应参考。张子卓通过温室试验研究了管带埋深和压力水头对番茄生长的影响，试验证明，微润灌溉条件下，管带埋深为15cm时最适宜番茄生长发育[8]。张群、陈天博等分别对马铃薯、番茄等作物在微润灌溉下生长的影响进行了研究[9-10]，于秀琴等对温室黄瓜生长和产量的影响进行了相关研究，认为微润灌水器在大棚蔬菜灌溉应用中具有节水增产的效果[11]，张立坤对微润灌条件下大棚娃娃菜试验研究得出类似结论[12]。魏镇华等在交替控水条件下微润灌溉对番茄耗水和产量进行了研究[13]，对微润灌溉条件下青椒生长的研究尚未见报道。综上所述，当前针对微润灌溉的研究主要集中于微润灌水头与埋深的适宜范围研究，但研究成果多数受环境影响和制约的程度较大，因此有必要继续开展对微润灌条件下，管带埋深对作物根区土壤水分与作物生长情况的相关实验研究；本文即通过温室种植试验，研究了不同管带埋深条件下青椒根区水分变化特性及其生长情况，探讨了微润灌条件下适宜青椒生长的管带埋深，以期为微润灌溉在温室种植中运行效率的优化设计提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2016年4-9月在山西水利水电科学研究院节水高效示范基地日光温室内进行。试验地年平均气温9.6 ℃，无霜期170 d，年平均日照时数2 675.8 h，年降水量495 mm。试验土壤为黏壤土，0～60 cm土层内土壤平均容重为1.39 g/cm3，田间持水率为0.35 cm3/cm3。试验地各层土壤基本参数见表1。

表1 土壤基本参数Tab.1 Soil physical properties

1.2 试验材料与设计

本次试验设置管带埋深为变量因素，管带埋深设置3个水平，分别为10、15、20 cm(下文分别以D10、D15、D20表示)，为了进一步体现不同压力水头条件下埋深对土壤水分及作物生长的影响，设置100、150 cm 2种压力水头，交叉组成6个处理，每个处理重复3次，具体试验方案如表2所示。供试青椒品种为高思顿凯璐，定植时间为2016年4月12日，结束时间为2016年9月22日，株距60 cm，行距60 cm，每行种植青椒10株，青椒种植于微润带正上方。在青椒整个生育期内连续供水。

表2 试验方案Tab.2 Test plan

1.3 数据测试方法

(1)土壤含水率的测定。采用烘干法测量土壤含水率，分别沿管带水平距离0、 5、10、15 cm用1 cm 土钻进行取样，取样深度为40 cm，间距5 cm，每10 d采样一次。

(2)株高的测定。青椒株高在定植后每10 d测定1次，每小区任意取3株，取平均值。株高采用钢卷尺从青椒基部量起。

(3)根系分布检测。选取代表性植株，平行于微润管取剖面，测量青椒根系分布，每10 d测样1次。

(4)青椒产量的测定。定植83 d后，定期从各处理小区采收青椒，采用电子秤测取各小区的总产量。

(5)数据处理。采用Sufer12、Origin8作图，Excel2007做方差分析和公式拟合。

2 结果与分析

2.1 管带埋深对土壤水分分布的影响

图1为定植30 d时测得H150条件下不同管带埋深土壤水分二维分布图。由图可以看出，微润灌溉土壤在微润管周围含水率最高，距微润管越远土壤含水率越低。D10、D15、D20处理最高土壤含水率分别出现在8～15、 13～18、18～24 cm范围内。D10处理在地表处的土壤水分含量最高，容易产生水分蒸发，造成水分损失，而D15、D20处理对地表处土壤含水率影响不大。3个处理在微润管处含水量分别为39%、37%、36%，D10、D15、D20处理水平方向80%田间持水率分别出现在距管8、6.5、6 cm处；管带上方80%田间持水率分别出现在距地面2、7、12.5 cm处；管带下方80%田间持水率分别出现在距地面20、24、29 cm处。在固定压力水头下，管带埋深越深，土壤的平均含水率越低，湿润范围相应减小。3个处理在距地表0～5 cm范围内的平均含水率分别为23.1%、16.8%、13%；10～20 cm范围内平均含水率分别为23.3%、26.3%、24.5%；25～40 cm范围内平均含水率分别为18.9%、21.1%、22.4%。这是因为，随着管带埋深加深，土壤压力势不会发生显著变化，而土壤压力对微润管的固持力增加[4]，导致水流在土壤中流动所受的阻力增加，累计入渗量减小。所以表现为，随着管带埋深的增加，湿润范围内的土壤平均含水率越低，微润管湿润范围越小。

试验在日光温室内进行，青椒根系水分不受降雨影响，生育期内不同深度土壤水分动态变化图如图2所示。由图可以看出，在生育期内不同土层平均含水率变化幅度不大。0～10 cm内D10处理平均含水率最高，土壤含水率主要分布在23%左右，三组处理间差异较大；10～20 cm内D15处理平均含水率最高，土壤含水率主要分布在26%左右，且各处理间差距减小；20～40 cm内D20处理平均土壤含水率最高，含水率主要分在22%左右，D15处理与D20处理间差异较小。

2.2 管带埋深对青椒株高的影响

方差分析显示，管带埋深对青椒株高增长影响不显著(P>0.05)。H150时，D20处理株高增长到119.8 cm，分别高出D15处理10%、10.3%，差异达显著水平。这是因为，在生育期前期，青椒根系不发达，且主要分布在地表5 cm以内，而D10时微润管的湿润体分布在地表附近，能有效地为青椒供水。试验测得，在生育期中期，D10处理青椒根系主要分布于4～16 cm，D15处理青椒根系主要分布于6～17 cm，D20处理青椒根系主要分布于7～21 cm。可见，随着青椒的生长，青椒根系不断向下延伸，D15、D20 cm的处理的土壤水分得以充分利用。三组处理中，D20处理更有利于青椒根系的深扎，使得青椒根系分布的范围增大，充分利用周边土壤中的水分和养分，青椒生长更快。

图1 H150不同管带埋深下土壤水分二维分布图Fig.1 H150 soil moisture under different embedded depth of duct tape two-dimensional

图2 不同处理各土层土壤水分动态变化Fig.2 Different processing each soil layer soil moisture dynamic change

对H150处理不同管带埋深条件下青椒株高随时间的增长曲线进行拟合可以发现，青椒株高增长随时间的变化符合Logistic模型，拟合方程为：

式中：y为青椒株高，cm；x为定植天数，d；a，b，k为拟合参数。

通过对Logistic模型求一阶导数，得出株高增长速率随定植天数变化的方程：

由青椒株高生长速率随时间变化图(图3)可以看出，在生育前期，不同管带埋深下青椒株高生长速率变化表现为：生育前期D20处理青椒株高生长率最大，随着青椒的生长，不同处理间的差异逐渐缩小，直至接近于零。

图3 不同管带埋深下青椒株高生长速率随时间变化图Fig.3 Green pepper plant height growth rate under different buried depth variation over time

2.3 管带埋深对青椒产量的影响

图4为管带埋深对青椒产量的影响柱形图。方差分析显示，管带埋深对青椒产量增长具有显著影响(0.05>P)。由图可以看出，3组试验中，压力水头一定的情况下，D20处理青椒产量最高，D10处理产量最低，压力水头为100 cm时，D20处理青椒产量增长为15 676.92 kg/hm2，分别高出D15、 D10处理5.1%、10.4%；压力水头为150 cm时，D20处理产量为20 020.98 kg/hm2，分别高出D15、 D10处理6%、15.9%.这是因为，青椒根系主要分布在地表以下10～20 cm，管带埋深10 cm时，微润灌湿润体分布在地表附近，不利于作物根系向下生长，导致青椒营养不足；而管带埋深20 cm能保持青椒根系在微润管湿润范围内，并诱导青椒根系深扎，为青椒的正常发育提供良好的水分条件，利于青椒水肥的吸收，达到增产效果。

图4 管带埋深对青椒产量的影响Fig.4 Green pepper production under different pressure head

2.4 对青椒灌溉水生产率的影响

图5为管带埋深对灌溉水生产率的影响柱形图。方差分析显示，管带埋深对青椒灌溉水生产率变化具有极显著影响(P<0.01)。由图可知，压力水头一定时D20处理灌溉水生产率最高，D10处理灌溉水生产率最低。压力水头为100 cm时，D20处理青椒灌溉水生产率为20.1 kg/m3，分别高出D15、 D10处理20.4%、30%；压力水头为150 cm时，D20处理灌溉水生产率为13.76 kg/m3，分别高出D15、 D10处理16.4%、27.3%。这是因为，管带埋深为20 cm时，土壤水分直接供给青椒根系，没有产生深层渗漏和地表蒸发，而管带埋深为10 cm时，湿润体分布在地表附近，产生了无用的水分蒸发，导致灌溉水生产率降低。