張 星，栗巖峰，李久生(中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048)

0 引 言

土壤水熱條件是影響作物生長和產(chǎn)量的重要因素，也是近年來灌溉調(diào)控和管理研究的關(guān)注熱點。目前，針對土壤水熱調(diào)控的研究和應用主要圍繞覆膜滴灌技術(shù)展開。地膜覆蓋隔絕了土壤與外界的水分交換，抑制或減弱了土壤與外界的潛熱和顯熱交換，改變了土壤熱傳導的方式和速度[1]，對耕層土壤溫度的增加非常明顯。例如胡曉棠[2]等在新疆石河子的研究表明膜下滴灌可以使棉花花蕾期地表溫度提高4～5 ℃；曹玉軍[3]等在東北半干旱區(qū)的研究表明膜下滴灌使玉米苗期至拔節(jié)期5～25 cm土層的溫度增加了約2.8 ℃；劉洋等[4]在東北半濕潤區(qū)的研究表明膜下滴灌提高了玉米生育前期的土壤溫度，苗期5～25 cm的日均土壤溫度增加2.3 ℃。地膜覆蓋引起的水熱條件變化對促進作物生長和增加產(chǎn)量有重要的作用，國內(nèi)外有關(guān)膜下滴灌增產(chǎn)效果的研究很多，涉及的作物包括棉花、西紅柿、秋葵、甘藍、馬鈴薯、洋蔥、黃瓜、玉米等[4-11]，以東北膜下滴灌玉米為例[4]，膜下滴灌可使成熟期玉米的地上部分干物質(zhì)質(zhì)量、氮素吸氮量以及平均產(chǎn)量比不覆膜滴灌處理分別提高了14%、16%和11%，增產(chǎn)效果顯著。覆膜的增產(chǎn)效果也與作物自身的特性有關(guān)，例如對黃瓜等喜溫作物的增產(chǎn)效果更為明顯[11]，而對于馬鈴薯，在生育期的中后期覆膜可能會導致土壤溫度過高而引起減產(chǎn)[9]；因此，有必要開展不同作物對土壤水熱條件變化的響應機制研究。此外，灌溉水溫的變化也會引起土壤水熱條件的改變，從而影響作物生長、養(yǎng)分吸收和產(chǎn)量。目前，僅有少量的研究集中在利用調(diào)節(jié)灌溉水溫改善寒區(qū)水稻的生長條件和產(chǎn)量方面[12]，對于旱作物的灌溉水溫調(diào)節(jié)，尤其是滴灌條件下灌溉水溫調(diào)控的研究國內(nèi)外均未見報道。

白菜是華北地區(qū)主要的蔬菜作物，播種期一般在夏末秋初(8月初)，初冬收獲。幼苗期由于氣溫較高，極易受熱害、蟲害等影響導致各類病害發(fā)生，而延遲播種期又會引起生育后期溫度過低，影響作物生長和產(chǎn)量形成。通過水熱調(diào)控獲得適宜的土壤水熱條件，為實現(xiàn)白菜的生育期延遲并保障產(chǎn)量提供了重要途徑。本文以白菜為研究對象，同時考慮覆膜和灌溉水溫調(diào)節(jié)兩種土壤水熱調(diào)控方式，探討滴灌條件下利用灌溉水溫調(diào)節(jié)土壤溫度的可行性，對比分析灌溉水溫調(diào)節(jié)與覆膜等兩種調(diào)控方式在對土壤溫度變化以及對作物生長和產(chǎn)量的影響，土壤溫度調(diào)節(jié)措施提供科學依據(jù)，對華北地區(qū)秋冬季白菜種植和管理具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2015年在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心大興試驗研究基地的日光溫室內(nèi)進行。該基地位于北京市大興區(qū)魏善莊鎮(zhèn)，東經(jīng)116°26′，北緯39°37′，海拔40.1 m，屬半干旱大陸性季風氣候。全年大于10 ℃有效積溫為4 730 ℃，無霜期平均185 d。日光溫室長50 m，寬7.6 m，南北走向。溫室內(nèi)土壤為粉壤土(美國制)，土壤質(zhì)地隨深度沒有明顯變化(見表1)。

試驗供試作物為白菜(Brassica pekinensis)，品種為“北京新三號”，9月12日播種，10月8日定植，株距和行距分別為30和60 cm，12月6日收獲，生育期共85 d。在白菜種植前對所有試驗小區(qū)進行了均勻的大定額灌水，以便使土壤具有較一致的初始水分和養(yǎng)分條件。

表1 供試土壤基本物理特性

1.2 試驗設(shè)計

試驗考慮土壤溫度調(diào)節(jié)方式和施氮量兩個因素，土壤溫度調(diào)節(jié)考慮灌溉水加溫和覆膜兩種方式，設(shè)灌溉水加溫、覆膜、覆膜條件下灌溉水加溫和無調(diào)節(jié)措施4個水平，分別記為T、M、TM、C。相關(guān)的研究結(jié)果表明，大白菜生長的適宜溫度是22～25 ℃[13]，而且土壤氮素的凈礦化和硝化速率在5～25℃范圍內(nèi)隨土壤溫度的增加而升高[14]，因此灌溉水加溫的目標是將土壤溫度提高至20 ℃左右。預實驗結(jié)果表明，灌溉水溫在30～35℃時，土壤溫度可基本控制在20 ℃左右。因此，試驗中灌溉水加溫和覆膜條件下灌溉水加溫兩種調(diào)節(jié)方式都將灌溉水溫設(shè)定為30～35 ℃。試驗中利用太陽能熱水器和電熱水器提供熱水，灌水過程中將熱水和地下水在水箱內(nèi)混摻，并根據(jù)實時監(jiān)測的水溫調(diào)整混摻比例，以使灌溉水溫保持在設(shè)定范圍內(nèi)。施氮量參考北京郊區(qū)大白菜生產(chǎn)中常用的施氮量[15,16]設(shè)置0、135、270 kg/hm23個水平，記為N0、N1、N2，試驗采用全組合試驗設(shè)計，共12個處理，每個處理設(shè)置3個重復，共計36個試驗小區(qū)。小區(qū)規(guī)格為3 m×2.4 m，在溫室內(nèi)按區(qū)組式隨機排列，兩個小區(qū)留0.3 m的緩沖區(qū)，以防止小區(qū)間可能的橫向水分交換并方便試驗觀測。

滴灌帶選用Netafim公司生產(chǎn)的Supertypoon-16125型內(nèi)鑲片式滴灌帶，0.1 MPa壓力時標稱流量為1.1 L/h，滴頭間距30 cm，每條滴灌帶控制一行作物。

1.3 灌水與施肥

灌水間隔設(shè)為4～6 d，灌水量根據(jù)放置在白菜冠層頂部直徑20 cm的蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量確定，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量每天早上8∶00測量。灌水量等于灌水間隔內(nèi)的累積蒸發(fā)量與作物皿系數(shù)的乘積，根據(jù)FAO推薦的白菜作物系數(shù)[17]選取苗期作物皿系數(shù)為0.7，進入蓮座期后作物皿系數(shù)取1.5。白菜全生育期內(nèi)共灌水9次，灌水量為109 mm，生育期內(nèi)灌水施肥過程如圖1所示。10月8日定植后，開始進行灌溉水加溫處理。11月21日出現(xiàn)降雪，溫室內(nèi)最低氣溫降至0 ℃以下(見圖2)，出現(xiàn)凍害，停止灌水。

白菜播種前，按總施氮量的10%施入底肥。生育期共施氮肥5次，施肥間隔為10 d左右(見圖1)。其中蓮座期(10月26日)和結(jié)球期(11月16日)各施入總施氮量的30%，其他3次均為總量的10%。氮肥選用尿素，施肥時將尿素溶于肥料桶中，用比例施肥泵(Mix Rite Model 2504，以色列)施入試驗小區(qū)。

圖1 白菜生育期內(nèi)累積灌水量和累積施肥量

圖2 生育期內(nèi)溫室氣溫變化圖

1.4 觀測指標

(1)土壤溫度。土壤溫度用EM50土壤多參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)(5TE，美國)和曲管地溫計監(jiān)測，在中間施氮量的4個處理(TN1、MN1、TMN1、CN1)中選擇1個重復安裝4組EM50探頭，在濕潤區(qū)外不灌水處也安裝一組EM50探頭，共5組，每組埋設(shè)10、20、30 和40 cm 4個深度，埋設(shè)位置在小區(qū)中部滴頭正下方位置，自動測試的間隔設(shè)為每30 min一次。在中間施氮量處理的另一個重復中埋設(shè)4組曲管地溫計，每組埋設(shè)5、10、15、20 cm 4個深度，埋設(shè)位置與EM50探頭位置相同，觀測時間是每天8∶00，14∶00，18∶00。

(2)氣溫。使用HOBO PRO溫濕度自動記錄儀(U23-001，美國)實時監(jiān)測溫室內(nèi)的溫度，記錄間隔設(shè)為30 min。有效積溫的計算方法如下[18]：

(1)

式中：Tmax和Tmin分別為最高和最低氣溫；Tbase為最低臨界溫度，取10 ℃；n為生育期天數(shù)。

(3) 作物生長指標和產(chǎn)量。從蓮座期開始，每10 d測量一次株高，結(jié)球期開始后每10 d測一次球高和球直徑，由球高除以球直徑得到球形指數(shù)，每個小區(qū)內(nèi)固定2株。

蓮座期(10月26日)、結(jié)球期(11月16日)和收獲時(12月5日)分別在每個小區(qū)內(nèi)選擇1棵白菜，稱鮮重，在溫度65 ℃左右烘干至恒重，稱量植株干物質(zhì)質(zhì)量，并對干物質(zhì)樣品研磨后，用凱氏定氮儀(Kjeltec2300，F(xiàn)OSS，丹麥)測量植株全氮含量，計算植株吸氮量(植株全氮含量乘以地上部分的干物質(zhì)含量)。

白菜成熟時，每小區(qū)在中間位置選定12株白菜稱鮮重計算產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水過程中的土壤溫度變化

圖3選取中施氮處理N1在苗期、蓮座期和結(jié)球期等不同生育階段的3次灌水過程，給出了10 cm深度土壤的溫度變化過程。結(jié)果顯示，灌水開始后灌溉水加溫處理(TN1)和覆膜后灌溉水加溫處理(TMN1)的土壤溫度均出現(xiàn)快速上升，在約1.5 h后達到最大值(每次灌水時間一般是2 h左右)。與無調(diào)節(jié)措施處理(CN1)相比，TN1處理在苗期、蓮座期和結(jié)球期的增溫幅度最大達到3.9、4.8和7.0 ℃；TMN1處理的增溫幅度最大達到3.2、5.4和6.0 ℃。說明隨著生育后期氣溫的降低，灌溉水加溫對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用更加明顯。灌水結(jié)束后TN1處理的土壤溫度出現(xiàn)明顯下降，4～5 h后與無調(diào)節(jié)措施處理基本一致。TMN1處理在灌水結(jié)束后土壤溫度下降較慢，尤其是在蓮座和結(jié)球期，土壤溫度始終高于其他處理。覆膜處理(MN1)在灌水過程中的土壤溫度變化與CN1處理基本一致，在苗期中午氣溫較高時，MN1處理由于受氣溫影響較小，土壤溫度甚至低于CN1處理，到夜間氣溫較低后，覆膜的保溫效果逐漸顯現(xiàn)，土壤溫度開始高于CN1處理。從單次灌水過程來看，單純的灌溉水加溫對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用有限，而覆膜的保溫作用僅在生育前期氣溫較高時較為明顯，在生育后期氣溫較低時，灌溉水加溫與覆膜相結(jié)合才能取得較好的土壤增溫效果。

圖3 不同生育階段的灌水過程中10 cm深度土壤的溫度變化

2.2 生育期內(nèi)的土壤溫度變化

圖4給出了施氮量為N1時不同土壤溫度調(diào)節(jié)處理的土壤溫度日均值在生育期內(nèi)的變化，由于各處理在40 cm深度處的土壤溫度差異很小，文中僅給出了10～30 cm的結(jié)果。結(jié)果顯示，MN1處理在10、20和30 cm土壤中的積溫比CN1處理分別增加67、116和158 ℃，說明覆膜的增溫作用在深層土壤中更為明顯。TN1處理在各層土壤中的增溫作用較弱，在10、20和30 cm土壤中的積溫比CN1處理分別增加22、15和56 ℃。TMN1處理在各層土壤中的溫度在整個生育期內(nèi)始終高于其他處理，在10、20和30 cm土壤中的積溫比CN1處理分別增加136、128和120 ℃，增溫效果明顯。同時也可以看出，將覆膜與灌溉水加溫處理相結(jié)合對20 cm以上表層土壤的增溫效果最為明顯。比較不同生育階段的結(jié)果可以看出，與無調(diào)節(jié)的CN1處理相比，TN1處理、MN1處理和TMN1處理在10～30 cm土層的土壤溫度平均值在苗期分別增加了0.1、1.7和1.4 ℃，在蓮座期增加0.4、0.6和2.3 ℃，在結(jié)球期增加0.6、0.2和3.0 ℃。說明覆膜對土壤溫度的調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在苗期，而增加水溫對土壤溫度的調(diào)節(jié)在生育期內(nèi)呈逐漸增加的趨勢，與覆膜結(jié)合后增溫效果有大幅提高。

圖4 不同土壤溫度調(diào)節(jié)處理的土壤溫度日均值在生育期內(nèi)的變化

圖5 不同土壤溫度調(diào)節(jié)處理的增溫幅度在生育期內(nèi)的變化

為了比較不同土壤溫度調(diào)節(jié)處理的增溫幅度，圖5給出了MN1、TN1和TMN1處理與CN1處理的溫度差在生育期內(nèi)的變化。結(jié)果顯示，TMN1處理的增溫幅度在0.5～3.6 ℃范圍內(nèi)，在生育期內(nèi)呈先增加后減小的趨勢，11月中旬以后氣溫驟降是增溫幅度下降的主要原因。MN1處理的增溫幅度在生育期內(nèi)呈明顯的遞減趨勢，進一步說明了覆膜的增溫效果主要體現(xiàn)在生育期的前期。TN1處理的增溫幅度最小，在-0.8～1.5 ℃范圍內(nèi)，在生育期內(nèi)的溫度增幅呈緩慢增大趨勢。

2.3 滴灌水熱調(diào)控對白菜生長指標的影響

圖6和圖7分別給出了白菜株高和球形指數(shù)在生育期內(nèi)的變化。結(jié)果顯示，生育期內(nèi)各處理株高變化趨勢一致，都隨時間逐漸增加，并在結(jié)球期出現(xiàn)下降趨勢。株高隨施氮量增加有增加的趨勢，但在生育后期和收獲時處理間差異逐漸減小。增加灌溉水溫對白菜株高沒有明顯的影響，覆膜和覆膜后灌溉水加溫處理對白菜株高有增加的趨勢，除蓮座期初期達到顯著水平(P=0.04和P=0.01)外，其他時期均未達到顯著水平。圖7的結(jié)果顯示，各處理球形指數(shù)均值穩(wěn)定在4左右，但隨施氮量和土壤溫度調(diào)節(jié)方式均無明顯的變化趨勢，處理間差異均不顯著(P=0.32和P=0.31)。

2.4 氮素吸收和產(chǎn)量

表2給出了各生育階段的干物質(zhì)累積量、吸氮量及產(chǎn)量的方差分析結(jié)果。結(jié)果顯示，干物質(zhì)量和施氮量隨施氮量增加有增加的趨勢，但差異均不顯著(P=0.37和P=0.10)。土壤溫度調(diào)節(jié)方式對生育前期的干物質(zhì)累積影響顯著(P=0.01)，覆膜以及覆膜后灌溉水加溫都能使干物質(zhì)累積量明顯增加，例如在結(jié)球期，灌溉水加溫處理沒有帶來干物質(zhì)量的明顯增加，而覆膜和覆膜后灌溉水加溫處理的干物質(zhì)質(zhì)量比無調(diào)節(jié)處理分別增加18%和19%。施氮量較高時，土壤溫度調(diào)節(jié)措施的影響也更加明顯，例如覆膜條件下灌溉水加溫處理在高施氮量時干物質(zhì)量的增幅最大，為21%。吸氮量受施氮量和溫度調(diào)節(jié)方式的影響與干物質(zhì)量較為一致，方差分析顯示除結(jié)球期調(diào)溫方式和蓮座期交互作用的影響達顯著水平外，其他影響均不顯著。

圖6 生育期內(nèi)株高均值的變化

圖7 生育期內(nèi)球形指數(shù)均值的變化

表2 干物質(zhì)質(zhì)量、吸氮量和產(chǎn)量的方差分析

注：NS表示在α=0.05水平上差異不顯著，*和**分別代表α=0.05和α=0.01水平上顯著。

從表2中還可以看出，不同的土壤溫度調(diào)節(jié)措施都會帶來白菜產(chǎn)量的增加，其中灌溉水加溫、覆膜以及覆膜條件下灌溉水加溫處理的產(chǎn)量分別比無調(diào)節(jié)處理增產(chǎn)3.9%、10.6%和11.1%，處理間差異顯著(P=0.01)。說明采用灌溉水加溫和覆膜處理等措施改變了土壤溫度，促進了作物生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收，帶來了產(chǎn)量的增加。覆膜處理的增溫和增產(chǎn)效果均大于灌溉水加溫處理，覆膜和灌溉水加溫處理結(jié)合后，對土壤溫度和白菜產(chǎn)量的增加效果最大。

3 結(jié) 語

通過在日光溫室內(nèi)開展田間試驗，研究了在滴灌條件下增加灌溉水溫與覆膜對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用以及對白菜生長、干物質(zhì)積累、氮素吸收和產(chǎn)量的影響，主要結(jié)論如下。

(1) 灌溉水加溫能使灌水過程的土壤溫度明顯增加，且氣溫越低，增溫效果越明顯，在苗期、蓮座期和結(jié)球期的灌水過程中增溫幅度最大達到3.9、4.8和7.0℃，但在灌后土壤溫度下降較快，對生育期內(nèi)積溫的提高效果有限。覆膜的保溫作用在氣溫較高的生育前期和深層土壤中更為明顯。將覆膜與灌溉水加溫處理相結(jié)合可以取得很好的增溫效果，在10、20和30 cm土壤中整個生育前期內(nèi)的積溫比無調(diào)節(jié)措施處理分別增加136、128和120 ℃。

(2) 土壤溫度調(diào)節(jié)措施對白菜株高和球形指數(shù)均無顯著影響。覆膜和覆膜后灌溉水加溫都能使生育前期的干物質(zhì)累積量顯著增加，施氮量較高時，土壤溫度調(diào)節(jié)措施的影響也更加明顯。不同的土壤溫度調(diào)節(jié)措施都會帶來白菜產(chǎn)量的顯著增加，灌溉水加溫、覆膜以及覆膜條件下灌溉水加溫處理的產(chǎn)量分別比無調(diào)節(jié)處理增產(chǎn)3.9%、10.6%和11.1%。

(3)在秋冬白菜生產(chǎn)中，采用覆膜與灌溉水加溫處理相結(jié)合的土壤溫度的調(diào)節(jié)方式可以起到有效的增溫和增產(chǎn)作用。

[1] 李 毅, 王文焰, 門 旗, 等. 寬地膜覆蓋條件下土壤溫度場特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2001,1(3):32-36.

[2] 胡曉棠, 李明思. 膜下滴灌對棉花根際土壤環(huán)境的影響研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)報, 2003,11(3):121-123.

[3] 曹玉軍, 魏雯雯, 徐國安, 等. 半干旱區(qū)不同地膜覆蓋滴灌對土壤水、溫變化及玉米生長的影響[J]. 玉米科學, 2013,21(1):107-113.

[4] 劉 洋, 栗巖峰, 李久生, 等. 東北濕潤區(qū)膜下滴灌對農(nóng)田水熱和玉米產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2015,46(10):94-103.

[5] 馬富裕, 李俊華, 李明思, 等. 棉花膜下滴灌增產(chǎn)機理及主要配套技術(shù)研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學學報, 1999,22(1):63-68.

[6] Shrivastava P K, Parikh M, Sawani N G, et al. Effect of drip irrigation and mulching on tomato yield[J]. Agricultural Water Management, 1994,25(2):179-184.

[7] Tiwari K N, Mal P K, Singh R M, et al. Response of okra to drip irrigation under mulch and non-mulch conditions[J]. Agricultural Water Management, 1998,38(2):91-102.

[8] Tiwari K N, Singh Ajai, Mal P K. Effect of drip irrigation on yield of cabbage(Brassica oleracea L.var.capitata)undermulch and non-mulch condition[J]. Agricultural Water Management, 2003,58(1):19-28.

[9] Wang F X, Wu X X, Shock C C, et al. Effect of drip irrigation regimes on potato tuber yield and quality under plastic mulch in arid Northeast China[J]. Field Crops Research, 2011,122(1):78-84.

[10] Spehia R S, Sharma V, Raina J N, et al.Effect of irrigation levels and polyethylene mulching on growth, yield and quality of rabionion(Allium cepa)[J]. Indian Journal of Agricultural Sciences, 2013,83(11):1 184-1 188.

[11] Yaghi T, Arslan A, Naoum F.Cucumber (Cucumis sativs,L.) water use efficiency (WUE) under plastic mulch and drip irrigation[J]. Agricultural Water Management, 2013,128:149-157.

[12] 曹印龍, 付 強. 井灌稻區(qū)曬水池增溫及其影響因素關(guān)系試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2008,(2):28-30.

[13] 楊紅梅. 秋白菜栽培技術(shù)[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè), 2015,(4):30-31.

[14] 周才平, 歐陽華. 溫度和濕度對暖溫帶落葉闊葉林土壤氮礦化的影響[J]. 植物生態(tài)學報, 2001,25(2):204-209.

[15] 李久生, 栗巖峰, 張 航, 等. 滴灌均勻系數(shù)對土壤水分和氮素分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010,26(12):27-33.

[16] 黃元仿, 曹 兵, 胡克林, 等. 施氮量對大白菜的生長與品質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報, 1997,2(增刊):116-119.

[17] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evaporation-Guidelines for Computing Crop Water Requirements-FAO Irrigation and Drainage Paper 56[M]. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, 1998.

[18] Dajaman K, Irmak S, Rathje W R, et al.Maize evapotranspiration, yield production function, biomass,grain yield, harvest index, and yield response factors under full and limited irrigation[J]. Transactions of the ASABE, 2013,56(2):273-293.