膜下滴灌不同灌水定額及水氮耦合對打瓜耗水規(guī)律的影響

徐 劍，趙經(jīng)華，洪 明，馬 亮，馬英杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

打瓜(Catullus landaus var．megulasnemus Lin et Chao)為葫蘆科(Cucurbitaceae)西瓜屬(Citrullus Schrad)植物，打瓜及籽粒具有豐富蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸，適合高血壓及心血管疾病患者食用[1]，常作藥材[2]。打瓜具有抗旱及喜熱等特點。阿勒泰福?？h位于準噶爾盆地北部，地廣人稀，為農(nóng)作物大規(guī)模種植提供了先決條件。隨著北疆經(jīng)濟的發(fā)展，作為農(nóng)民增收作物的打瓜在北疆經(jīng)濟作物中越來越重要，以其投入少、易種植、市場廣等優(yōu)點深受農(nóng)戶喜愛，且打瓜種植面積逐漸增加，阿勒泰及塔城地區(qū)打瓜種植面積的增加最為顯著[3-4]。

新疆位于中國西北干旱區(qū)，存在年降雨量低、年蒸發(fā)量高、農(nóng)業(yè)水資源不足且利用率低等弊端[5-6]。北疆打瓜灌溉種植管理模式相對守舊，灌溉種植管理過程中浪費水資源現(xiàn)象嚴重，因此，研究打瓜耗水規(guī)律和灌溉制度，對北疆發(fā)展節(jié)水灌溉打瓜具有實際意義。目前對打瓜的研究主要集中生理特征和農(nóng)藝措施方面[7-8]。在耗水規(guī)律方面，對甜瓜、西瓜和葡萄等經(jīng)濟作物的耗水規(guī)律研究較多[9-12]，而對打瓜耗水指標和作物系數(shù)方面的研究鮮有報道。因此，為類似研究提供理論支持，研究打瓜耗水規(guī)律具有重要意義。桑艷朋[13]和鄭國保等[14]認為甜瓜和黃瓜耗水量隨生育期而呈現(xiàn)出平緩-增加-減小的態(tài)勢，在果實膨大期耗水量達到最大(由于對打瓜耗水規(guī)律的研究鮮有報道，故與同科作物比較分析，下同)。孔德杰[15]與郭生虎等[16]研究表明，在整個生育期，膜下滴管黃瓜耗水強度呈“單峰”變化規(guī)律，在結果盛期達到最大，成熟期下降。龐秀明[17]研究表明，不同調(diào)虧處理下甜瓜作物系數(shù)隨生育階段延后而逐漸增大，且在果實膨大期達到最大。

本文在兩年試驗的基礎上，利用不同灌水定額試驗和水肥耦合試驗，研究不同灌水定額和水氮互作對打瓜各生育階段耗水參數(shù)及作物系數(shù)的影響，揭示北疆打瓜耗水規(guī)律，以期為北疆打瓜節(jié)水灌溉提供一定科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年5-9月和2017年5-8月在阿爾泰地區(qū)灌溉實驗站(東經(jīng)87°35′56″，北緯47°00′56″)進行。用環(huán)刀分別取0～20、20～40、40～60 cm土層土樣，并測定土壤容重，結果分別為1.80、1.89、1.86 g/cm3。打瓜試驗地田持水率為20.1%。2016年和2017年打瓜生育期內(nèi)氣溫大于15℃的活動積溫分別為2302℃和2285℃。研究地基本氣象數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)測定土壤養(yǎng)分全氮0.027%，速效氮19.5 mg/kg，速效磷9.0 mg/kg,速效鉀92.4 mg/kg。水源來自哈拉霍英干渠，水質(zhì)pH值為8.10，偏堿性。

表1 打瓜生育期期間試驗基地氣象概況

2.2 試驗材料

打瓜供試品種為“黑大片”，生育期105 d左右，籽粒心白邊黑或者淡黃色。選用滴頭間距0.3 m、滴頭流量3.0 L/h的單翼迷宮式滴灌帶作為毛管。其他農(nóng)藝措施與當?shù)匾恢隆?/p>

2.3 試驗方法

2016年打瓜試驗設5個不同灌水定額(表2)，分別為300(W1)、375(W2)、450(W3)、525 (W4)、600 m3/hm2(W5)，每個處理3個重復。打瓜試驗田面積為0.6 hm2，單個小區(qū)面積為0.04 hm2，小區(qū)布置以W1至W5灌水定額的大小順序方式排列。5月21日播種，節(jié)水方式選用膜下滴灌技術，采用1膜1管2行、40～80 cm寬窄行種植方式。灌溉周期為7 d，在果實縱徑5 cm左右時進行第一次灌溉，加出苗水共8次灌溉。

一方面，與其他生育期相比，6月上中旬處于幼苗期階段的打瓜自身抗旱能力最弱。另一方面，6月上中旬試驗地平均風速和平均氣溫相對5月下旬和6月下旬較高(表1)，在未達到灌溉設計時間時，打瓜已經(jīng)出“塌蔫”，不利于打瓜幼苗生長，為保證試驗正常進行，故在6月16日進行第1次灌溉，灌溉時間提前16 d(表2)。因7月下旬為福?？h農(nóng)業(yè)用水高峰期，試驗用水調(diào)度延遲，故在后期灌溉周期有所變動。

表2 2016年試驗處理及采用的水定率 m3/hm2

2017年田間試驗設計包含灌水定額、施肥量兩個因素(表3)。氮肥(符號為N)設3個水平：N1、N2、N3，分別為0、138、276 kg/hm2；灌水定額(符號為W)設3個水平：W1、W2、W3，分別為300、450、600 m3/hm2，試驗重復3次，1個重復9個處理，即W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3處理。打瓜作物試驗區(qū)面積共0.513 hm2，單個小區(qū)面積187 m2，用隨機順序排列方式，各小區(qū)之間相隔1.2 m。5月18日播種，灌溉周期和種植模式與2016年一致。

5月14日施底肥是195 kg/hm2的磷酸二銨，鉀肥105 kg/hm2。7月高溫少雨(表1)，在試驗過程中還未達到灌溉設計時間打瓜已出現(xiàn)“塌蔫”現(xiàn)象，為保證打瓜產(chǎn)量，故在實際灌水中縮短灌水周期1～2 d。

表3 2017年試驗處理及采用的灌溉制度

2.4 監(jiān)測內(nèi)容和方法

利用基于TDR原理的TRIME-HD2(德國)儀器測定土壤含水率，每個處理設3個Trime探測管，Trime探測管之間的間隔為20 cm。在垂直方向上,單個Trime管每隔10 cm設1個測點，共6個測點。灌水前后、雨后加測。Trime管布置如圖1所示。

圖1 打瓜種植模式及田間Trime管平面布置(單位：cm)

采用水量平衡原理[18]計算作物全生育期耗水量ET：

ET=WT+P0+K+M-(Wt-W0)

(1)

式中：WT為計劃濕潤層增加的儲水量，mm；當次降雨量大于5 mm，記為有效降雨量P0；土壤計劃濕潤層為600 mm；經(jīng)水位取樣檢測結果表明，該地區(qū)地下水水位在6 m以下，因此不計地下水補給(K=0)；M為時段灌水量，mm；Wt和W0分別為時段末與時段初土壤計劃濕潤層儲水量,mm。

利用Penman-Monteith公式計算參考作物騰發(fā)量ET0;作物系數(shù)(Kc)是用各個生育期實際耗水量與參考作物騰發(fā)量的比值計算。采用同倍比放大法[19]，利用株數(shù)、面積和籽粒干質(zhì)量折算產(chǎn)量;利用產(chǎn)量與耗水量計算作物水分利用效率(WUE)。

3 結果與分析

3.1 不同灌水定額對打瓜旬均耗水量的影響

不同灌水定額對打瓜旬均耗水量變化規(guī)律影響不同(圖2)，打瓜耗水表現(xiàn)為“單峰”變化規(guī)律。在苗后期打瓜耗水略有增加，隨后逐漸減?。淮蚬虾乃吭谏炻F(xiàn)蕾期處于“低谷”值，進入開花坐果期時耗水量快速增大，在果實膨大期達到最大值；進入成熟期時，耗水量開始減小，在8月下旬打瓜耗水量趨于平緩。旬均耗水量的最大值出現(xiàn)在7月下旬的W4處理。

從圖2還可以看出，當耗水量處于低谷值時，各處理間的增幅(最大與最小耗水量之差，下同)較小，為0.9 mm；當耗水量處于峰值時，各處理間增幅較大，果實膨大期耗水量增幅差最大為18.2 mm。表明，與其他生育期相比，在果實膨大期不同灌水定額對打瓜旬均耗水量影響更大，果實膨大期是打瓜需水敏感期。

3.2 水氮互作對打瓜旬耗水量的影響

與不同灌水定額對打瓜旬均耗水量的影響類似，不同水氮耦合處理下打瓜旬均耗水量變化規(guī)律呈“單峰”變化規(guī)律(圖3)。在苗期至伸蔓現(xiàn)蕾期，打瓜耗水量變化趨于平緩；進入開花坐果期時打瓜耗水量快速增大，在果實膨大期達到最大；在成熟期耗水量減小，旬耗水量的最大值出現(xiàn)在7月中下旬的W3N2處理。苗期至伸蔓現(xiàn)蕾期，不同水氮處理間耗水量增幅較小，最大增幅為2.4 mm；當耗水量處于峰值時，不同水氮處理間增幅較大，最大增幅為29.6 mm。說明，在果實膨大期不同水氮組合對打瓜影響更大，也說明果實膨大期是打瓜需水供肥敏感期。在節(jié)水灌溉設計時，因保證此階段水氮適當充足，在其他時段可以適當減少水氮供應。

綜上所述，在不同灌水定額與水氮耦合下，打瓜旬均耗水量變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為“單峰”變化規(guī)律，且在7月中下旬旬均耗水量最大；與其他生育期相比，在果實膨大期，打瓜對不同灌水處理和不同水氮處理的響應差異較明顯。

圖2 不同灌水處理下打瓜旬均耗水量變化規(guī)律 圖3 水氮互作下打瓜旬均耗水量變化規(guī)律

3.3 2016和2017年打瓜全生育期ET0變化規(guī)律

依托小型氣象站，在時段2016年5月21日至9月1日和2017年5月18日至8月25日內(nèi)，對氣溫、風速和太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)進行觀測,利用Penman公式計算參考作物騰發(fā)量ET0，降雨量及ET0變化規(guī)律見圖4和5所示,各生育期參考作物騰發(fā)量及降雨量值見表4和5。

從圖5、6可以看出，兩年的參考作物騰發(fā)量趨勢線變化規(guī)律類似，參考作物蒸發(fā)蒸騰量隨著時間的推移逐漸降低。結合圖2和圖4可以看出，與5月下旬和6月下旬相比，6月上中旬打瓜耗水量和參考作物蒸發(fā)蒸騰量較高，這可能是引起打瓜“塌蔫”的原因之一。

圖4 2016年觀測時段內(nèi)的降雨量及ET0

圖5 2017年觀測時段內(nèi)的降雨量及ET0

3.4 不同灌水定額對打瓜各生育階段耗水參數(shù)的影響

不同灌水定額對打瓜耗水量與耗水強度影響不同(表6)，并求得打瓜耗水量和耗水強度增長率(相鄰兩個處理對應耗水參數(shù)的差與后者處理耗水參數(shù)的比值，表7)。

在開花坐果期，當灌水定額從30 mm增加至45 mm，耗水量和耗水強度均增加10%；當灌水定額從45 mm增加至60 mm，耗水量和耗水強度均增加11%。在果實膨大期，當灌水定額從30 mm增加至45 mm，耗水量和耗水強度均增加29%；當灌水定額從45 mm增加至60 mm，耗水量和耗水強度均增加3%。在成熟期，當灌水定額從30 mm增加至45 mm，耗水量和耗水強度均增加1.4%；當灌水定額從45 mm增加至60 mm，耗水量和耗水強度均增加15.4%。與其他生育期相比，在果實膨大期不同灌水定額下耗水量及耗水強度增長率最大。綜上表明，打瓜耗水量和耗水強度隨著灌水定額的增加而增加，且當灌水定額增加至一定時，耗水量和耗水強度增加的趨勢逐漸減緩。

表4 2016年打瓜各生育階段參考作物騰發(fā)量及降雨量累積值

表5 2017年打瓜各生育階段參考作物騰發(fā)量及降雨量累積值

表6 不同灌水定額對打瓜各生育階段耗水量及耗水強度的影響 mm,mm/d

表7 不同灌水定額下打瓜耗水量及耗水強度增長率 %

不同灌水定額對打瓜耗水模數(shù)及作物系數(shù)影響不同(表8)，兩年不同灌水定額下打瓜耗水模數(shù)均為“雙峰”變化規(guī)律，在苗期和果實膨大期到達峰值。并在果實膨大期達到最大值。在2016年打瓜開花坐果期和成熟期，當灌水定額從30 mm增加至60 mm，各處理耗水模數(shù)存在增大趨勢，但各處理間耗水模數(shù)變化量(該生育階段，最大與最小耗水模數(shù)之差)均小于3%；在果實膨大期，當灌水定額從30 mm增加至45 mm，耗水模數(shù)增加5%。當灌水定額從45 mm增加至60 mm，打瓜耗水模數(shù)基本不變。在2017年打瓜開花坐果期和成熟期，當灌水定額從30 mm增加至60 mm，各灌水定額處理耗水模數(shù)相近，耗水模數(shù)變動量小于3%；在果實膨大期，當灌水定額從30 mm增加至45 mm，N1處理耗水模數(shù)增加13%，N2處理和N3處理耗水模數(shù)均增加4%左右。當灌水定額從45 mm增加至60 mm，N1處理耗水模數(shù)減少，N2處理和N3處理耗水模數(shù)微幅增加。綜上表明，2016年和2017年打瓜耗水模數(shù)變化具有一致性，均在果實膨大期表現(xiàn)最大，且在開花坐果期和成熟期，打瓜耗水模數(shù)隨灌水定額增大而呈現(xiàn)出基本不變態(tài)勢；在果實膨大期，打瓜耗水模數(shù)隨灌水定額增大而增大，當灌水定額繼續(xù)增大，耗水模數(shù)基本不變。

與不同灌水定額下耗水模數(shù)變化規(guī)律類似，兩年不同灌水定額下打瓜作物系數(shù)均為“雙峰”變化規(guī)律，在伸蔓現(xiàn)蕾期和果實膨大期到達峰值，并在果實膨大期達到最大值。2016年灌水試驗，在打瓜開花坐果期，當灌水定額從30 mm增加至60 mm，打瓜作物系數(shù)持續(xù)增大，其中W5處理作物系數(shù)最大，W1處理最小，增幅(最大與最小作物系數(shù)的差值)為0.08；在果實膨大期，W5處理作物系數(shù)最大，W1處理最小，增幅為0.2；在成熟期，W5處理作物系數(shù)最大，W2處理最小，增幅為0.09。2017年灌水試驗，在開花坐果期和成熟期，當灌水定額從30 mm增加至60 mm，N1、N2和N3處理下打瓜作物系數(shù)逐漸增大，作物系數(shù)增幅均在0.1左右。在果實膨大期，當灌水定額從30 mm增加至60 mm，N1處理和N3處理作物系數(shù)先增大后減小，增幅均為0.23。N2處理作物系數(shù)逐漸增大，增幅為0.39；綜上表明，兩年灌水試驗下打瓜作物系數(shù)變化規(guī)律類似，均在果實膨大期達到最大值，且作物系數(shù)隨灌水定額增大而增大，當灌水定額繼續(xù)增大，作物系數(shù)減小。從幅值分析可以看出，與其他生育階段相比，不同灌水定額對果實膨大期的打瓜作物系數(shù)影響最大。

表8 不同灌水定額對打瓜各生育階段耗水模數(shù)及作物系數(shù)的影響

3.5 水氮互作對打瓜各生育階段耗水參數(shù)的影響

不同水氮處理對打瓜耗水模數(shù)和作物系數(shù)影響不同(表8)。在開花坐果期，W1N2處理耗水模數(shù)最大，W3N3最小，增幅(最大與最小耗水模數(shù)的差值)為7%。W2N2處理作物系數(shù)最大，W1N1處理最小。增幅為0.228；在果實膨大期，W2N1處理耗水模數(shù)最大，W1N3處理最小，增幅為14%。W2N3處理作物系數(shù)最大，W1N2處理最小，增幅為0.403；在成熟期，W1N2處理耗水模數(shù)最大，W1N3處理最小，增幅為12%。W3N2作物系數(shù)最大，W1N1處理最小，增幅為0.187。在以上3個生育階段中，W3N3處理的耗水模數(shù)和作物系數(shù)均非最大。分析表明，與高水氮供給量相比，合適的水氮供給量下打瓜耗水模數(shù)和作物系數(shù)較大。從幅值分析得出，與其他生育階段相比，不同水氮互作對果實膨大期打瓜耗水模數(shù)和作物系數(shù)影響最大。

不同水氮耦合處理對打瓜耗水量與耗水強度影響不同(表9)。不同水氮處理對打瓜耗水量與耗水強度影響不同。在開花坐果期，W2N2處理耗水量與耗水強度最大，W1N1處理最小，耗水量和耗水強度增幅分別為19和1.2 mm/d。在果實膨大期，W2N3處理耗水量與耗水強度最大，W1N2處理最小，耗水量和耗水強度增幅分別為45和2 mm/d。在成熟期，W3N2處理和W2N3處理耗水量與耗水強度最大，W1N1處理最小，耗水量和耗水強度增幅分別為16和0.7 mm/d。在以上3個生育階段中，W3N3處理的耗水量和耗水強度均非最大。分析表明，與最高水氮供給量處理相比，合適的水氮供給量對打瓜耗水量和耗水強度的互作效應較強，即適宜的水氮供給量有利于打瓜耗水量和耗水強度的增大。從幅值分析可以看出，與其他生育階段相比，不同水氮互作處理對果實膨大期打瓜耗水量與耗水強度影響較大。

表9 水氮互作對打瓜各生育階段耗水量及耗水強度的影響

4 結 論

本試驗通過在北疆阿勒泰地區(qū)開展為期2 a打瓜大田試驗，設置不同灌水定額和施氮量方式，在測定打瓜各生育階段土壤含水率和基本氣象指標的基礎上，研究不同灌水定額和水氮互作下打瓜的耗水規(guī)律。主要結論如下：

(1)不同灌水定額和水氮互作下打瓜旬均耗水量變化規(guī)律呈先增大后減小變化規(guī)律，均在果實膨大期達到最大值，且在果實膨大期，不同灌水定額和水氮互作對打瓜旬均耗水量的影響較其他生育階段大。其中灌水定額525 m3/hm2與灌水定額600 m3/hm2和施氮量138 kg/hm2水氮耦合旬均耗水量最大。兩年的參考作物蒸騰蒸發(fā)量趨勢線變化規(guī)律類似，均隨著時間延后而逐漸降低。

(2)在不同灌水定額條件下，打瓜耗水量和耗水強度隨著灌水定額的增加而增加，當灌水定額繼續(xù)增加，耗水量和耗水強度增長減緩，600 m3/hm2灌水定額耗水量和耗水強度最大。在果實膨大期，打瓜耗水模數(shù)隨灌水定額增大而增大，當灌水定額繼續(xù)增大，耗水模數(shù)無明顯變化。在開花坐果期和成熟期，隨灌水定額增大打瓜耗水模數(shù)無明顯變化。打瓜作物系數(shù)隨灌水定額增加而增大，其中600 m3/hm2灌水定額作物系數(shù)最大。與其他生育階段相比，不同灌水定額對果實膨大期打瓜耗水量、耗水強度和作物系數(shù)影響最大。

(3)在水氮互作條件下，合適的水氮供給量有利于打瓜耗水模數(shù)、作物系數(shù)、耗水量和耗水強度增大，且在果實膨大期，不同水氮互作對打瓜耗水模數(shù)、作物系數(shù)、耗水量和耗水強度影響最大。在全生育期，其中灌水定額450 m3/hm2和施氮量276 kg/hm2水氮耦合處理平均耗水量和作物系數(shù)均最大，灌水定額450 m3/hm2和施氮量138 kg/hm2等水氮耦合處理平均耗水強度最大。