梁新書，廉曉娟，張金良，張雪飛，楊 軍，王正祥，張余良，王 艷

（1.天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300192；2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所，天津 300192）

我國設(shè)施蔬菜種植面積發(fā)展十分迅速［1］，但是，目前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)大多采用大水大肥的管理模式，有研究結(jié)果表明，在經(jīng)驗(yàn)畦灌條件下，灌溉水的50%～60%滲漏到耕層以下，大大降低了水分利用率［2］。傳統(tǒng)過量施肥會(huì)引起土壤養(yǎng)分累積、酸化、鹽漬化、地下水和大氣污染等一系列問題，對我國設(shè)施蔬菜種植體系的可持續(xù)發(fā)展利用構(gòu)成了很大的威脅［3-6］。與此同時(shí)，傳統(tǒng)灌溉施肥以畦灌或溝灌為主，這種方式費(fèi)力費(fèi)時(shí)，所需勞動(dòng)力成本在逐漸加大，亟需自動(dòng)控制的農(nóng)業(yè)節(jié)水節(jié)肥技術(shù)。因此，設(shè)施蔬菜灌溉施肥實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化和自動(dòng)化控制是蔬菜安全生產(chǎn)的發(fā)展方向和必然趨勢，對節(jié)約水肥資源、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［7］。

我國蔬菜灌溉施肥技術(shù)相對于農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家比較落后，系統(tǒng)成套性較差，自動(dòng)化及智能化程度較低。但是，針對我國的國情和農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，國內(nèi)學(xué)者在蔬菜作物合理的灌溉施肥指標(biāo)及配套的灌溉施肥設(shè)備研發(fā)等方面已取得很大進(jìn)展。在蔬菜節(jié)水方面，國內(nèi)學(xué)者研究灌水定額主要借助蒸滲儀［2，8］、蒸騰儀［8-9］、蒸發(fā)皿［10］等儀器和測量土壤含水量［11-12］等方法。在蔬菜施肥方面，多種蔬菜作物的需肥規(guī)律及平衡施肥研究也有了一定的結(jié)果［13-17］。另外，水肥一體化技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)高效的灌溉施肥技術(shù)，目前此技術(shù)的研究也逐漸成熟［18-19］。但是，相比于農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，我國蔬菜自動(dòng)化灌溉施肥技術(shù)還有很大差距［20］。

黃瓜是設(shè)施蔬菜中種植面積較大且經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物，但由于其需水需肥量大且根系較淺，因此灌水施肥操作非常頻繁且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，加之過量灌溉施肥問題尤為突出，所以，本試驗(yàn)以溫室黃瓜為研究對象，分析基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式對溫室黃瓜產(chǎn)量及水肥利用效率的影響，旨在為基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式能在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)上推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)基本情況

試驗(yàn)于2016年3月11日—2016年7月10日在天津市北辰區(qū)雨農(nóng)蔬菜種植專業(yè)合作社8號(hào)日光溫室進(jìn)行。日光溫室長70 m，室內(nèi)跨度9.8 m，后墻高2.2 m，脊高3.6 m，供試溫室內(nèi)部溫光條件見圖1。供試土壤為重黏土，砂粒、粉粒及黏粒的比例分別為1.3%、30.7%及68.0%。基礎(chǔ)土樣水解氮含量為196.7 mg/kg，速效磷含量為116.0 mg/kg，速效鉀含量為573.3 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為2.8%，全鹽含量為0.38%，pH值為7.81，容重為1.2 g/cm3，田間持水量（FC）為30.8%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定植前撒施商品有機(jī)肥22.5 t/hm2，過磷酸鈣750 kg/hm2，用旋耕機(jī)翻耕。做畦方式為傳統(tǒng)的高平畦，畦寬80 cm，溝寬50 cm。供試作物為黃瓜，2葉1心的黃瓜幼苗于2016年3月11日定植，每畦2行，行內(nèi)株距為30 cm，畦內(nèi)行距為40 cm，種植密度為51 300株/hm2。定植后灌水75 mm，1周后澆緩苗水12mm，待根瓜坐住（4月18日）后開始處理。試驗(yàn)共分2個(gè)處理：

傳統(tǒng)滴灌模式（CK）：按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民溫室黃瓜滴灌管理習(xí)慣進(jìn)行水肥控制，隔1次水沖1次肥，每次灌溉定額為18 mm，每次純養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）投入量為90 kg/hm2；結(jié)果前期（5月30日之前）氮磷鉀比例為20∶15∶15，結(jié)果中后期氮磷鉀比例為10∶5∶35。

基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式［automatic drip irrigation based on soilmoisture，簡稱ADI-SW］：此模式借助筆者所在課題組研發(fā)的灌溉施肥設(shè)備完成，此設(shè)備土壤水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情，可設(shè)定的參數(shù)包括判定是否啟動(dòng)灌溉的時(shí)間、灌水量和施肥量。此模式設(shè)定每天08：00控制系統(tǒng)開始判定，當(dāng)15 cm深度土壤水分下降到一定閾值（黃瓜結(jié)果期土壤相對含水量閾值設(shè)為75% FC，由前期預(yù)試驗(yàn)得出，水分傳感器此時(shí)對應(yīng)的土壤容積含水量讀數(shù)為37.6%）時(shí)，控制器開啟定量灌水施肥，每次小定額供應(yīng)水肥。每次灌水定額為5 mm，每次施純N 濃度為120 g/m3，氮磷鉀比例為1∶0.3∶1.5，折算后每次純養(yǎng)分（N+P2O5+K2O）投入量為16.8 kg/hm2，肥料種類為尿素、磷酸二氫鉀和硝酸鉀。

每個(gè)小區(qū)的面積為3.9 m×7.5 m，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。2個(gè)處理均采用滴灌系統(tǒng)，滴頭間距為30 cm，保證每個(gè)滴孔對應(yīng)1株植株，并安裝了精度為0.000 1 m3的水表。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，具體灌溉施肥制度見圖2。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 安裝氣象站監(jiān)測溫室內(nèi)光輻射強(qiáng)度、空氣溫度及空氣濕度的變化 溫室內(nèi)安裝1個(gè)小型自動(dòng)環(huán)境氣象站（HOBO U30，ONSET-NRC，美國）并配置相應(yīng)的傳感器，利用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器記錄。光輻射強(qiáng)度（S-LIB-M003）及空氣溫度傳感器（S-THB-M002）高度為距離地面1.5m；測量土溫傳感器（S-TMB-M006）埋深10 cm；所有數(shù)據(jù)保存間隔為30 min。

1.3.2 測定根層土壤水分動(dòng)態(tài)變化 土壤水分傳感器（SSMD-M005）在處理前埋深15 cm來監(jiān)測土壤容積含水量的變化。數(shù)據(jù)保存間隔為30 min。

1.3.3 測定植株生長參數(shù)（株高、莖粗、葉片數(shù)及葉面積）處理后每隔7 d每小區(qū)選取3株代表性植株，測定黃瓜的生長量。用米尺測量株高；用游標(biāo)卡尺測量莖粗；記錄葉片數(shù)；選取黃瓜最大葉片，測量其長度和寬度，然后根據(jù)黃瓜成熟葉片葉面積公式（葉面積＝0.879 67×長×寬-63.239 6）計(jì)算可得最大葉面積。

1.3.4 經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量 分別統(tǒng)計(jì)每小區(qū)黃瓜的產(chǎn)量，折算成單位面積產(chǎn)量；并且記錄每小區(qū)商品瓜數(shù)（條），并折算成單株瓜數(shù)（條）。

1.3.5 水肥利用率的測定 分別記錄各處理下黃瓜整個(gè)生長期的灌水與施肥總量，結(jié)合黃瓜產(chǎn)量計(jì)算水肥利用率。灌溉水利用效率為單位面積黃瓜產(chǎn)量與灌水總量的比值；肥料偏生產(chǎn)力為單位面積黃瓜產(chǎn)量與純N、P2O5及K2O投入量之和的比值。

1.3.6 測定拉秧后土壤的理化性質(zhì) 在拉秧期取土樣，取0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土層土樣分析土壤水解氮、速效磷、速效鉀、全鹽含量及pH值。堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨-火焰光度計(jì)法測定，全鹽含量采用質(zhì)量法測定，pH 值采用電位法測定，土水比為1 g∶2.5 mL。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010及SPSS 17.0，2個(gè)處理的方差分析采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，在0.05水平上進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 根層土壤水分動(dòng)態(tài)變化

從土壤容積含水量的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)（圖3）可以看出，傳統(tǒng)滴灌模式共灌水18次，而基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式共灌水22次。處理開始后，傳統(tǒng)滴灌模式每次灌水前傳感器監(jiān)測的土壤容積含水量下限的范圍為35.86%～38.35%，變異幅度較大，會(huì)造成每次灌溉前根層土壤缺水嚴(yán)重或根本不缺水的情況會(huì)發(fā)生，如此不合理的灌溉往往會(huì)導(dǎo)致水分的浪費(fèi)；而基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式處理下啟動(dòng)灌水施肥程序前傳感器監(jiān)測的土壤容積含水量下限范圍為37.03%～37.56%，變異幅度較小，此數(shù)值對應(yīng)的相對含水量均為70%～75% FC，能夠保證根層土壤處于適宜水分范圍內(nèi)。

2.2 黃瓜生長參數(shù)的分析

從黃瓜生長參數(shù)的數(shù)據(jù)（圖4）可以得出，隨著生長周期的延長，傳統(tǒng)滴灌模式和基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式兩處理在株高、莖粗、葉片數(shù)及葉面積上均沒有顯著差異。表明相對于傳統(tǒng)滴灌模式，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式在水肥投入減少的情況下并沒有引起黃瓜生長受限。

2.3 黃瓜產(chǎn)量及產(chǎn)量組成分析

從黃瓜產(chǎn)量及產(chǎn)量組成數(shù)據(jù)（表1）可以得出，相比于傳統(tǒng)滴灌模式，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式處理顯著提高黃瓜產(chǎn)量8.9%，而對瓜條數(shù)及平均單果質(zhì)量均沒有產(chǎn)生顯著影響。表明相對于傳統(tǒng)滴灌模式，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式在水肥投入減少的情況下仍能確保黃瓜高產(chǎn)。

2.4 灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力分析

從黃瓜產(chǎn)量及產(chǎn)量組成數(shù)據(jù)（表2）可以看出，相比于傳統(tǒng)滴灌模式，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式處理在節(jié)水52.2%、節(jié)肥49.0%的前提下，可使灌溉水利用效率提高127.7%，肥料偏生產(chǎn)力提高113.5%。說明智能滴灌模式是一種有效的節(jié)水節(jié)肥的水肥管理方式。

2.5 拉秧后不同土層土壤理化性狀

從不同土層土壤理化性狀的數(shù)據(jù)（圖5）可以看出，黃瓜拉秧后，相比于傳統(tǒng)滴灌模式，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式處理顯著降低了0～20 cm土層的速效磷、速效鉀含量及40～60 cm土層的全鹽含量。雖然其他土層理化性狀數(shù)據(jù)差異不顯著，但總的趨勢是，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式處理可降低土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和全鹽的含量，提高土壤pH值。另外，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式處理可有效降低深層土壤（40～60 cm）的含水量，避免土壤深層滲漏，減少水分的浪費(fèi)。說明基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式可降低土壤養(yǎng)分和鹽分的累積，避免土壤酸化，是一種有效保護(hù)土壤環(huán)境的水肥管理方式。

3 結(jié)論與討論

水分和養(yǎng)分是作物生長發(fā)育的兩大必需要素，合理的灌溉施肥措施是蔬菜作物高產(chǎn)高效的關(guān)鍵。一般認(rèn)為，按照蔬菜作物生長階段對水分和養(yǎng)分的需求，定量地供給到作物根系附近，就可以實(shí)現(xiàn)作物豐產(chǎn)高效的目的。有研究表明，按照設(shè)施黃瓜需水需肥規(guī)律，采用自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)，實(shí)行每日供應(yīng)水肥可達(dá)到節(jié)水節(jié)肥豐產(chǎn)的效果。但是，當(dāng)異常天氣出現(xiàn)時(shí)，按照黃瓜需水需肥規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)水肥管理效果不理想，所以還需配備相應(yīng)的土壤水分監(jiān)測傳感器進(jìn)一步調(diào)整灌溉施肥決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量控制作物水肥供應(yīng)［21］。

表1 傳統(tǒng)滴灌模式和基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式對黃瓜產(chǎn)量及產(chǎn)量組成的影響

表2 傳統(tǒng)滴灌模式和基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式對黃瓜灌溉水利用率和肥料偏生產(chǎn)力的影響

本試驗(yàn)中，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式借助土壤水分測定儀監(jiān)測土壤墑情，當(dāng)土壤水分下降到一定閾值（結(jié)果期閾值為75% FC，15 cm土層深度水分傳感器讀數(shù)為0.376）時(shí)，借助控制器進(jìn)行定量灌水施肥，每次灌水定額為5 mm，可以保證土壤水分保持在根層土壤，另外，從拉秧后不同土層的含水量數(shù)據(jù)也可看出，滴灌智能模式的灌溉強(qiáng)烈影響0～40 cm土層的土壤含水量，沒有造成水分向更深土層的滲漏［22］。根系是作物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，黃瓜的根系主要分布在0～30 cm土層中，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式可以使土壤有效水分和養(yǎng)分的分布與黃瓜根系分布保持空間一致性，并且使根層土壤的含水量始終基本處于75%～100% FC之間，這可能是可實(shí)現(xiàn)黃瓜豐產(chǎn)高效的重要原因［11-12，23］。采用土壤含水量下限和小定額水肥供應(yīng)的基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式可以實(shí)現(xiàn)水肥管理的變量控制，能夠解決由土壤、氣候、人事操作等變化所引起的水肥管理措施也需隨之改變的問題，可以更好地提高溫室黃瓜水肥利用率。

現(xiàn)階段，依據(jù)土壤相對含水量的水平進(jìn)行溫室黃瓜灌溉已被廣泛證明是可取的，但是，國內(nèi)土壤水分傳感器設(shè)備卻存在差異，因此，不同的水分傳感器在應(yīng)用前應(yīng)充分了解其特性，應(yīng)提前測定土壤相對含水量為75%田間持水量時(shí)土壤水分傳感器所對應(yīng)的數(shù)值，可把此值作為灌溉程序啟動(dòng)的土壤水分下限值。本試驗(yàn)結(jié)果表明，基于土壤水分的自動(dòng)滴灌模式可以更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)施黃瓜節(jié)水節(jié)肥與可持續(xù)種植。