梁博惠,牛文全,郭麗麗,楊小坤,李學(xué)凱
(1.寧夏水利科學(xué)研究院,寧夏銀川750021;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西楊凌712100;4.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊凌712100)
滴灌技術(shù)已成為解決目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥利用效率低和降低面源污染風(fēng)險(xiǎn)的一種重要措施[1],其中滴灌灌水均勻度是灌水器流量分布的量化衡量指標(biāo)[2],是衡量土壤水分在田間分布均勻程度的重要指標(biāo)[3],它通過(guò)影響水分在土壤中的分布均勻程度對(duì)作物生長(zhǎng)情況產(chǎn)生影響?,F(xiàn)行《微灌工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定微灌系統(tǒng)灌水均勻系數(shù)(Cu)不宜小于0.8[4],朱德蘭等[5],陳渠昌等[6]指出滴灌均勻系數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)的增加,因此尋找既滿足實(shí)際應(yīng)用又滿足經(jīng)濟(jì)性要求的灌水均勻系數(shù)非常重要。
番茄是一種喜溫性蔬菜,溫室番茄在我國(guó)北方地區(qū)的栽培緩解了北方地區(qū)冬季蔬菜的淡季供應(yīng)[7],其種植比例在西北地區(qū)逐年上升,所以研究溫室番茄的灌溉方式對(duì)于促進(jìn)溫室番茄的種植有重要意義。對(duì)日光溫室番茄的滴灌技術(shù)應(yīng)用研究也在逐漸深入,提出了許多切實(shí)有效的技術(shù)應(yīng)用方式[8-10]。
本試驗(yàn)將灌水量與滴灌均勻系數(shù)結(jié)合起來(lái)考慮,設(shè)定3種不同的灌水量與灌水均勻系數(shù),對(duì)溫室番茄的生長(zhǎng)、品質(zhì)等進(jìn)行研究,以期得到滿足不同要求的灌水量與灌水均勻系數(shù)組合,篩選最適宜的灌水均勻系數(shù),達(dá)到實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性雙贏的目的。
滴灌試驗(yàn)于2016年10月5日在陜西楊凌大寨鄉(xiāng)生產(chǎn)用日光溫室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)地位于108°02'E,34°02'N,屬于暖溫帶半濕潤(rùn)氣候帶,年降雨量650 mm左右,年蒸發(fā)量為1 400 mm。試驗(yàn)日光溫室全長(zhǎng)190 m,寬5.5 m,為南北走向,棚內(nèi)無(wú)取暖設(shè)施,越冬時(shí)期夜間加蓋棉被以達(dá)到保溫效果。試驗(yàn)溫室前茬作物為番茄,溫室內(nèi)土壤為塿土,其中砂礫占25%,粉粒占44%,黏粒占31%,田間體積持水量為32.96%。供試番茄品種為“美卡利亞”,日光溫室內(nèi)穴盤育苗,2016年10月1日定植,在定植與緩苗期間采用溝灌的方式,灌水量不計(jì)入生育期總灌水量。采用一管一行種植模式,每個(gè)小區(qū)之間用埋深1 m的建筑防水膜隔開(kāi),防止每個(gè)小區(qū)之間水分運(yùn)移而產(chǎn)生干擾。滴灌系統(tǒng)由干管、分干管、滴灌帶、水表、壓力表、閥門組成(見(jiàn)圖1)。供水壓力水頭通過(guò)壓力表控制為10 m。
試驗(yàn)采用裂區(qū)試驗(yàn)法,主處理(A區(qū))為灌水量設(shè)置,A區(qū)總灌水量為190 mm(I1)、220 mm(I2)和250 mm(I3)3個(gè)水平,副處理(B區(qū))為滴灌灌水,均勻系數(shù)設(shè)65%(C1)、75%(C2)、85%(C3)3個(gè)水平,其中滴灌灌水均勻系數(shù)用克里斯琴森均勻系數(shù)(Cu)[11]計(jì)算,見(jiàn)公式(1)。每 3條滴灌帶,即 3行番茄為一個(gè)處理小區(qū),試驗(yàn)共9個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共27個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)5.5 m,寬2.4 m,各種植39株番茄。所有小區(qū)的農(nóng)藝管理措施統(tǒng)一進(jìn)行,試驗(yàn)小區(qū)分布圖見(jiàn)圖1。
每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)安裝從南至北3根深度為100 cm的 Trime管,距離分干管依次為 100、260、420 cm,采用Field TDR200對(duì)土壤各個(gè)深度的水分進(jìn)行測(cè)定,并且每個(gè)處理增加1處取樣點(diǎn),以打土鉆法取樣,以增加土壤含水率樣本數(shù)量。
圖1 試驗(yàn)小區(qū)平面示意圖Fig.1 Plane of experimental plot
式中,qi為第i個(gè)灌水器的流量(L·h-1);為灌水器的平均流量(L·h-1);n為所測(cè)灌水器的個(gè)數(shù)。
1.2.1 株高與莖粗 定植20 d后進(jìn)行測(cè)定,直至4層果打頂時(shí)結(jié)束。每個(gè)小區(qū)每個(gè)重復(fù)選擇5株長(zhǎng)勢(shì)相近的植株進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),共取135株植株。株高采用卷尺進(jìn)行測(cè)量,莖粗采用電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量,最后將5株植株的數(shù)據(jù)取均值。
1.2.2 品質(zhì) 在果實(shí)成熟期,每個(gè)小區(qū)均勻選擇5個(gè)生長(zhǎng)情況差異較小的果實(shí),進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定,設(shè)置3個(gè)重復(fù),共15個(gè)果實(shí)。果實(shí)可溶性固形物用RHBO-90型手持折射儀測(cè)定;有機(jī)酸用0.1 mol·L-1NaOH滴定法;可溶性糖用蒽酮比色法測(cè)定,并計(jì)算糖酸比=可溶性糖/有機(jī)酸;維生素C用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。
1.2.3 光合色素 在番茄結(jié)果后期對(duì)植株的葉綠素進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)處理選擇3株植株,重復(fù)3次,共9株植株。帶回實(shí)驗(yàn)室采用丙酮法提取色素,用分光光度計(jì)比色法測(cè)定665、649 nm和447 nm處的葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素的吸光值,其中葉綠素a/b=葉綠素a/葉綠素b。
1.2.4 植株根系分析 在番茄果實(shí)成熟后,27個(gè)處理小區(qū)中每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇1株番茄植株,將選擇的番茄植株的地下根系部分,以40 cm×30 cm×50 cm的立方體區(qū)域?qū)Ω嫡w進(jìn)行挖掘取樣。將根系帶回實(shí)驗(yàn)室整體進(jìn)行清洗,用Epson Expression 1600 pro雙面掃描儀對(duì)根系進(jìn)行掃描,用WinRHIZO Pro2004b對(duì)根系進(jìn)行分析,分析結(jié)束后將根系烘干稱量干重。
本試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行整理,用SPSS 22.0 Duncan新復(fù)極差法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互作用方差和顯著性檢驗(yàn)分析,用Origin 9.0軟件繪圖。
2.1.1 番茄株高和莖粗 在番茄的苗期、開(kāi)花坐果期和結(jié)果期對(duì)番茄的株高、莖粗進(jìn)行測(cè)量,各個(gè)生育階段的株高、莖粗變化如圖2所示,各個(gè)處理株高的生長(zhǎng)速率(相鄰兩次生育期的株高生長(zhǎng)量與前一生育期株高的比值)在開(kāi)花坐果期I3處理增長(zhǎng)速率最高,各個(gè)處理生長(zhǎng)速率范圍為81.44%~112.58%,其中C3I3處理株高生長(zhǎng)速率最高,隨著番茄生長(zhǎng),番茄株高生長(zhǎng)速率降低,各個(gè)處理生長(zhǎng)速率下降至19.54%~28.36%,各個(gè)處理莖粗的兩次生長(zhǎng)速率范圍由21.53%~31.11%降至0.81%~20.03%。當(dāng)灌水量相同時(shí),不同灌水均勻系數(shù)處理的株高、莖粗無(wú)顯著性差異(P>0.05),且隨著灌水進(jìn)行,在番茄結(jié)果期C3I3處理的株高、莖粗值最大。將番茄整個(gè)生育期內(nèi)的株高、莖粗增長(zhǎng)量進(jìn)行方差分析比較,見(jiàn)表1。從結(jié)果中看出,僅灌水量對(duì)莖粗的增長(zhǎng)量有顯著影響(P<0.05),而灌水均勻系數(shù)及二者的交互作用對(duì)植株的株高、莖粗增長(zhǎng)量無(wú)顯著影響(P>0.05)。
2.1.2 番茄的根系生長(zhǎng) 番茄根系生長(zhǎng)情況表明(表2),C1I1處理的各個(gè)根系生長(zhǎng)值為最小值,其中C3I3處理的根長(zhǎng)與根系分叉數(shù)為最大值,與C1I1處理相比根長(zhǎng)與根系分叉數(shù)分別提高了42.72%和71.41%,C1I2處理的根面積和根體積值最大,與C1I1處理相比分別提高了47.73%和45.65%。
圖2 灌水量和滴灌灌水均勻系數(shù)對(duì)番茄株高、莖粗的影響Fig.2 Effects of irrigation amount and drip fertigation uniformity coefficient on plant height and stem of tomato
2.1.3 結(jié)果期番茄葉片光合色素含量 在番茄的結(jié)果期對(duì)各個(gè)處理番茄葉片的光合色素葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖3。C3I3處理的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素最高,比最低值分別高51.41%、64.27%、42.09%(P>0.05),但是葉綠素 a/b值卻較低,比最高值低 12.36%(P>0.05)。整體來(lái)看,當(dāng)灌水均勻系數(shù)一致時(shí),光合色素值隨灌水量的增加而增加(P>0.05),當(dāng)灌水量一致時(shí),光合色素值隨灌水均勻系數(shù)的增加變化不明顯(P>0.05)。
表1 番茄株高、徑粗生育期增長(zhǎng)量方差分析Table 1 Analysis of variance on plant height and stem of tomato growth period
2.2.1 單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo) 表3是不同處理對(duì)番茄品質(zhì)的影響,可溶性糖屬于番茄的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),番茄紅素和維生素C屬于番茄的保健品質(zhì),這幾個(gè)指標(biāo)含量的高低對(duì)蔬菜營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和口味有重要影響,進(jìn)而關(guān)系到蔬菜的商品價(jià)值[12-13]。本研究表明灌水量為190 mm時(shí)可溶性固形物、維生素C、番茄紅素含量最大,灌水量為250 mm時(shí)有機(jī)酸和可溶性糖最大,維生素C和番茄紅素含量最小,這是因?yàn)楣喔人枯^少,會(huì)使可溶性固形物、維生素C、番茄紅素相對(duì)累積而增加,而灌溉水量的增加對(duì)維生素C和番茄紅素產(chǎn)生了稀釋作用,使其含量較低[14]。
表2 番茄根系生長(zhǎng)情況Table 2 Root root growth characteristics
圖3 番茄結(jié)果期不同處理的光合色素含量Fig.3 Photosynthetic pigment content of tomato at fruiting stage in different treatments
表3 灌水量和滴灌灌水均勻系數(shù)對(duì)番茄品質(zhì)的影響Table 3 Effects of irrigation uniformity coefficient and irrigation amount on fruit quality of tomato
從顯著性分析中可以看出,不同的灌水量對(duì)有機(jī)酸無(wú)顯著影響,對(duì)其他指標(biāo)均有極顯著影響,灌水均勻系數(shù)僅對(duì)可溶性糖和維生素C有極顯著影響,對(duì)其他指標(biāo)無(wú)顯著影響,二者交互作用下對(duì)可溶性固形物和有機(jī)酸影響不顯著,對(duì)其他3項(xiàng)指標(biāo)影響極其顯著,這可能是由于灌水均勻系數(shù)通過(guò)影響土壤水分分布從而間接影響了番茄的品質(zhì),或者為受番茄坐果期光照、溫度等其他因素影響而造成的結(jié)果。其中灌溉量相同條件下C2處理中可溶性糖和維生素C含量最高。
2.2.2 綜合品質(zhì)指標(biāo) 由于單項(xiàng)指標(biāo)具有局限性,無(wú)法綜合反映番茄品質(zhì)的整體情況,因此進(jìn)一步采用主成分分析法對(duì)番茄的可溶性糖(X1)、有機(jī)酸(X2)、維生素C(X3)、番茄紅素(X4)和可溶性固形物(X5)5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析,見(jiàn)表4。由表4可知可溶性糖、有機(jī)酸和維生素C可作為評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo),累積貢獻(xiàn)率為90.249%,以這3項(xiàng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率作為權(quán)重系數(shù),可得綜合值Z值,表達(dá)式如下:
綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Z值(見(jiàn)表5)的大小,該指標(biāo)反映了番茄綜合品質(zhì)的大小??梢钥闯鯟2I1處理番茄的綜合品質(zhì)最好,同一灌水量處理下C2處理的番茄綜合品質(zhì)最高,同一灌水均勻系數(shù)下I1處理的綜合品質(zhì)最好。所以綜合考慮,選擇最優(yōu)處理灌水均勻系數(shù)75%,總灌水量為190 mm。
對(duì)番茄的第四層果的果實(shí)形態(tài)進(jìn)行分析,從表6中可以看出,當(dāng)總灌水量相同時(shí),C2(灌水量為I1、I2)和C1(灌水量為I3)處理的果實(shí)形態(tài)各個(gè)指標(biāo)相對(duì)最優(yōu),但是C2與C1處理結(jié)果相差不大。當(dāng)灌水均勻系數(shù)相同時(shí),總灌水量最大I3處理的果實(shí)形態(tài)各指標(biāo)相對(duì)最優(yōu),其中C1I3處理的果實(shí)橫徑、縱徑、果形指數(shù)、平均單果質(zhì)量和平均單果體積最大。
總體來(lái)說(shuō),番茄果實(shí)形態(tài)指數(shù)隨灌水量的增加而增加,但增長(zhǎng)幅度不大,隨著灌水均勻系數(shù)變化,果實(shí)形態(tài)影響無(wú)明顯變化趨勢(shì)。灌水量、灌水均勻系數(shù)及二者的交互作用對(duì)果實(shí)形態(tài)指數(shù)均無(wú)顯著影響(P>0.05)。
表4 主成分分析中番茄各品質(zhì)的貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率Table 4 Contribution amount and cumulative contribution amounts of tomato quality under principle component
表5 番茄品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Comprehensive evaluation results of tomato quality
表6 灌水量和滴灌灌水均勻系數(shù)對(duì)番茄果實(shí)形態(tài)的影響Table 6 Effects of irrigation uniformity coefficient and irrigation amount on fruit shape of tomato
將番茄整個(gè)生育期內(nèi)不同灌水均勻系數(shù)及灌水量對(duì)土壤含水率能均勻系數(shù)的影響變化進(jìn)行分析,見(jiàn)圖4,結(jié)果表明土層深度0~20 cm的土壤含水率均勻系數(shù)最低,50~60 cm土層的最高,其他土層均勻系數(shù)均值差異較小。土壤含水率均勻系數(shù)隨著灌水量的增加有所增加,但無(wú)顯著性影響(P>0.05),隨灌水均勻系數(shù)增加無(wú)顯著性變化(P>0.05)。這與關(guān)紅杰等[15]研究結(jié)果一致,灌水量與灌水均勻系數(shù)對(duì)土壤含水率均勻系數(shù)的影響不顯著(P>0.05)。
農(nóng)業(yè)部發(fā)布《水肥一體化技術(shù)指導(dǎo)意見(jiàn)》[16]中指出,蔬菜類適宜濕潤(rùn)深度為20~30 cm,且番茄的根系主要分布在20~30 cm深度。從圖4中看出土層深度在20~30 cm時(shí),番茄整個(gè)生育期內(nèi)各個(gè)處理土壤含水率均勻系數(shù)介于85%~95%之間,均高于現(xiàn)行《微灌工程技術(shù)規(guī)范》中建議的均勻系數(shù)85%[4],說(shuō)明當(dāng)灌水均勻系數(shù)為65%~85%、灌水量190~250 mm時(shí)能滿足番茄正常生長(zhǎng)所需要的土壤環(huán)境。
圖4 不同土層深度下各處理土壤含水率均勻系數(shù)的全生育期均值Fig.4 Mean value of soil moisture uniformity coefficient in the whole growth period under different soil layers
試驗(yàn)結(jié)果表明,不同的灌水量與灌水均勻系數(shù)對(duì)于番茄生長(zhǎng)與品質(zhì)有不同的影響。
株高、莖粗反映了番茄的長(zhǎng)勢(shì),是番茄生長(zhǎng)的重要衡量指標(biāo),番茄的株高、莖粗不僅受到其品種的影響,還會(huì)受到生長(zhǎng)環(huán)境的影響。張航等[17]認(rèn)為滴灌均勻系數(shù)與灌水量對(duì)春玉米株高均值無(wú)顯著影響,本試驗(yàn)表明,隨著灌水量的增加,番茄的株高、莖粗也隨之增加,但是變化并不明顯。在番茄整個(gè)生育期內(nèi),灌水均勻系數(shù)對(duì)株高增長(zhǎng)量無(wú)顯著影響(P>0.05),而與莖粗極顯著相關(guān)(P<0.01),這可能與番茄對(duì)水分的吸收利用影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沉積有關(guān)。結(jié)果表明,高水高均勻系數(shù)(C3I3)番茄長(zhǎng)勢(shì)最好,但是65%低均勻系數(shù)(C1I3)的番茄生長(zhǎng)情況與之差異極小,結(jié)合番茄生長(zhǎng)情況及滴灌系統(tǒng)的造價(jià)經(jīng)濟(jì)性,可以考慮將現(xiàn)行灌水均勻系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)降低。
果實(shí)形態(tài)指數(shù)是評(píng)價(jià)番茄外在品質(zhì)的重要指標(biāo),也是決定番茄市場(chǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一,同時(shí),果實(shí)形態(tài)指數(shù)與番茄產(chǎn)量之間也密不可分。本次試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著灌水量的增加,番茄果實(shí)形態(tài)指數(shù)如單果體積、單果重量等有所增加,但是各個(gè)不同處理之間的差異極小,而滴灌均勻系數(shù)對(duì)于番茄果形指數(shù)無(wú)顯著影響,品質(zhì)是除產(chǎn)量外決定果蔬經(jīng)濟(jì)效益的又一重要因素,隨著人們?nèi)粘I钏降奶岣?,在追求果形、質(zhì)量等外在品質(zhì)指標(biāo)的同時(shí),營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等指標(biāo)也受到越來(lái)越多的關(guān)注[18]。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著灌水量的減少,番茄的可溶性固形物、維生素C、番茄紅素含量增加,產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是番茄果實(shí)中干物質(zhì)量積累相對(duì)增加的緣故[19]。而在同一灌水量下不同灌水均勻系數(shù)對(duì)于番茄的品質(zhì)并無(wú)顯著影響。結(jié)合番茄品質(zhì)綜合分析的結(jié)果,因此優(yōu)先選擇C2I1處理組合。
綜合考慮番茄株高、莖粗、果實(shí)形態(tài)與品質(zhì),C3I3處理株高、莖粗最高,但是果實(shí)形態(tài)指數(shù)較低,平均單果質(zhì)量(151.37 g)為最低,綜合品質(zhì)(排序第9)也為最低。C1I3處理株高、莖粗雖低于C3I3,但是并未達(dá)到顯著水平,平均單果質(zhì)量(181.63 g)為最高,但是綜合品質(zhì)較低(排序第8),這個(gè)可能是由于灌水量過(guò)高造成。C2I1處理綜合品質(zhì)最高(排序第1),平均單果質(zhì)量(172.93 g)中等偏上,株高、莖粗與其他處理并無(wú)顯著差異。
由于土壤中水分運(yùn)移等變化,滴灌帶灌水均勻系數(shù)與土壤含水率均勻系數(shù)有較大差異,由于過(guò)高的滴灌灌水均勻系數(shù)會(huì)造成工程造價(jià)過(guò)高,不利于滴灌系統(tǒng)的普及應(yīng)用,因此將滴灌系統(tǒng)的灌水均勻系數(shù)進(jìn)行下調(diào)具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本研究對(duì)番茄整個(gè)生育期的土壤含水率均勻系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明低(65%)、中(75%)、高(85%)灌水均勻系數(shù)處理下番茄整個(gè)生育期土層深度0~60 cm的土壤含水率均勻系數(shù)均高于85%,滿足番茄生長(zhǎng)所需的土壤含水率均勻系數(shù)標(biāo)準(zhǔn),這一結(jié)果也表明目前的滴灌灌水均勻系數(shù)可以下調(diào),與張航[17]等、關(guān)紅杰[20]等結(jié)論一致。
本研究通過(guò)溫室滴灌灌水試驗(yàn)研究了灌水量、灌水均勻系數(shù)對(duì)番茄生長(zhǎng)情況及土壤含水率均勻系數(shù)的影響,對(duì)于降低西北地區(qū)溫室番茄工程造價(jià)、推廣滴灌系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。由于本試驗(yàn)基于西北地區(qū)設(shè)施作物,對(duì)于西北地區(qū)大田作物條件下是否適用仍需進(jìn)一步探究。
1)滴灌灌水均勻度對(duì)番茄株高增長(zhǎng)量無(wú)顯著性影響(P>0.05),對(duì)莖粗增長(zhǎng)量有顯著性影響(P<0.01)。灌水量及灌水量與灌水均勻系數(shù)的交互作用對(duì)株高、莖粗增長(zhǎng)量無(wú)顯著性影響(P>0.05)。
2)灌水量對(duì)番茄品質(zhì)指標(biāo)可溶性糖、番茄紅素、維生素C、可溶性固形物(除有機(jī)酸)均有極顯著影響(P<0.01),灌水均勻系數(shù)及其與灌水量的交互作用對(duì)番茄品質(zhì)指標(biāo)無(wú)顯著性影響(P>0.05),灌水量、灌水均勻系數(shù)及二者的交互作用對(duì)果實(shí)形態(tài)指數(shù)均無(wú)顯著影響(P>0.05)。在灌水均勻系數(shù)為75%、灌水量為190 mm條件下番茄品質(zhì)最佳。
3)整個(gè)生育期內(nèi)滴灌灌水均勻系數(shù)65%~85%處理下,土壤含水率均勻系數(shù)為85%~95%,滿足番茄生長(zhǎng)需要,因此可以考慮下調(diào)西北地區(qū)溫室作物現(xiàn)行滴灌灌水均勻系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。