兩種材質(zhì)灌水器負(fù)壓供水壓力對菠菜水分利用效率及養(yǎng)分吸收的影響

邊 云，楊萍果，龍懷玉，丁亞會，李 迪

（1 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041000；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶 163319）

我國的水資源嚴(yán)重不足且存在極大的不均衡，特別是在北方地區(qū)缺水問題尤為突出[1]，同時在我國部分地區(qū)依然存在大水漫灌的傳統(tǒng)澆灌模式，這種模式浪費了大量的水資源，因此高效節(jié)水的灌溉技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點問題之一[2–5]。

負(fù)壓灌溉技術(shù)是一種精確灌溉技術(shù)。理論上可以做到灌溉時只提供作物生長所需要的水量，最大限度地減少由于蒸發(fā)和深層滲漏所造成的損失，從而大大提高作物的水分利用效率[6–7]。劉明池等[8]將負(fù)壓灌溉應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，證實了負(fù)壓灌溉是一種節(jié)水、高效、節(jié)能的灌溉技術(shù)；Nishihara等[9]研究表明，負(fù)壓灌溉條件下菠菜產(chǎn)量和水分利用效率與常規(guī)灌溉相比均有顯著提高；李邵等[10]在日光溫室通過負(fù)壓自動灌溉對番茄的蒸騰規(guī)律進行了研究，將系統(tǒng)負(fù)壓設(shè)定在–60 hPa下，溫室土壤含水量基本控制在晴天18.75%和陰天20.19%。Li等[11]通過比較滴灌與負(fù)壓灌溉對溫室番茄土壤水含量和水分利用效率的影響，表明負(fù)壓灌溉較滴灌更加節(jié)水高效；王相玲等[12]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)適宜的供水負(fù)壓能顯著提高小白菜的產(chǎn)量、改善品質(zhì)。肖海強等[13]探討了負(fù)壓灌溉對烤煙水肥利用率的影響，發(fā)現(xiàn)–20～–10 kPa范圍內(nèi)氮磷吸收總量及利用率隨著供水壓力降低表現(xiàn)為先增加后降低。丁亞會等[14]通過試驗發(fā)現(xiàn)負(fù)壓灌溉下隨水施鉀較常規(guī)土壤施鉀肥有利于煙草對鉀肥的吸收。負(fù)壓灌溉技術(shù)已在油菜[15]、黃瓜[16–17]、番茄[11]、裸燕麥[18]、玉米[19]及烤煙[20–21]等多種作物的盆栽試驗或田間小區(qū)試驗中得到應(yīng)用，結(jié)果表明負(fù)壓灌溉不僅能實現(xiàn)作物的高效節(jié)水，而且能促進作物生長，起到增產(chǎn)、提質(zhì)的效果[22]。

在整個負(fù)壓灌溉系統(tǒng)中，灌水器是整個負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵部分。目前實踐中應(yīng)用的滲水器大多為陶瓷類無機材料，該灌水器存在易碎、韌性差和滲水速率慢等缺點[23–24]；為了找到更優(yōu)質(zhì)的滲水器，江培福等[24]通過對纖維灌水器和陶土灌水器的比較，發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地相同時，纖維灌水器較陶土灌水器出水流量高；之后，叢萍等[25–26]研發(fā)了一種高分子有機材料PVFM灌水器，其材質(zhì)飽和導(dǎo)水率較高，通過土柱試驗將其和陶瓷頭進行比較，發(fā)現(xiàn)PVFM的負(fù)壓滲水性能優(yōu)于陶瓷頭，土壤水吸力隨土壤含水率的變化關(guān)系與陶瓷頭幾乎一致，在適宜作物生長的–10～–5 kPa范圍，PVFM灌水器比陶瓷頭更容易滿足作物對水分的需求。目前不同灌水器的研究大多應(yīng)用于室內(nèi)土柱試驗，在有種植的情況下研究較少。菠菜是我國最常見的綠色蔬菜之一，其營養(yǎng)豐富，素有“蔬菜之王”的美稱，但對水分要求高，負(fù)壓灌溉還沒有被運用到菠菜上[27–28]。本文通過利用負(fù)壓灌溉系統(tǒng)裝置，研究了2種材質(zhì)灌水器條件下不同供水負(fù)壓對菠菜生長和養(yǎng)分吸收的影響，以期為灌水器材的可選性和負(fù)壓灌溉的進一步推廣提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2016年9—11月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院遮雨網(wǎng)室內(nèi)進行，試驗地位于東經(jīng)116.3°、北緯39.9°，試驗采用中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研發(fā)的一種新型負(fù)壓灌溉系統(tǒng)[29]。供試作物為先鋒菠菜，供試土壤為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院廊坊國際高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園的表層土 (0—20 cm)，土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤容重為1.44 g/cm3，田間持水量為19.6%(質(zhì)量百分比)，有機質(zhì)含量為10.05 g/kg，全氮含量為0.60 g/kg，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效鉀、有效磷含量分別為51.73、6.85、112.32、20.38 mg/kg，pH值為8.26。

試驗用長42 cm、寬26 cm、高26 cm的長方體塑料盆，每盆裝過2 mm篩的風(fēng)干土30 kg。播種前不同處理施入相同數(shù)量的肥料，供試肥料為尿素0.42 g/kg、過磷酸鈣0.16 g/kg、硫酸鉀0.18 g/kg，肥料作為基肥一次性施入。試驗設(shè)置三個水分處理分別為–4、–8 和–12 kPa，分別記為 W1、W2 和 W3，同時以常規(guī)澆水CK作為對照；灌溉系統(tǒng)的灌水器采用兩種材質(zhì)，分別為陶瓷頭 (T) 和PVFM (P) 材料，共設(shè)W1T、W1P、W2T、W2P、W3T、W3P和CK 7個處理，每個處理三次重復(fù)，采用隨機試驗布置。菠菜于2016年9月9日播種，土壤初始含水量15.0%，行距15 cm，株距7.5 cm，每盆播6穴，每穴3粒，1～2片真葉間苗，每穴定苗1株。常規(guī)灌溉采用澆灌，每次澆水0.5 L，使用稱重法 (每3天對整盆進行稱重) 將土壤平均含水量控制在田間持水量的70%～80%[27]。

1.2 灌溉設(shè)備及原理

圖1為負(fù)壓控水裝置示意圖，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)由灌水器、輸水管、附帶水位管的儲水桶和負(fù)壓發(fā)生器4部分組成，本試驗采用的灌水器有兩種，一種是陶瓷頭，其規(guī)格為內(nèi)徑11 mm、外徑18 mm、長250 mm；另一種是PVFM滲水器，其規(guī)格為空心，內(nèi)徑10 mm、外徑30 mm、長150 mm。灌水器埋入土壤表面10 cm處，放置時保持“頭部”高于“尾部”1 cm左右，使其具有一定的傾斜度，并且將其置于盆中間[21]。由于植物生長對水分的需要，使得土壤水勢低于負(fù)壓發(fā)生器所設(shè)定的壓力值，灌水器內(nèi)的水受到土壤吸力的作用滲入土壤內(nèi)，儲水桶中的水流入輸水管后，桶中壓強減小，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的壓強逐漸降低，當(dāng)降低到所設(shè)定的壓力值時，負(fù)壓發(fā)生器開始工作，氣體進入儲水桶，使得整個系統(tǒng)壓強維持在一個動態(tài)平衡狀態(tài)[30]，保證灌水器可以恒穩(wěn)供水。

圖 1 負(fù)壓供水盆栽裝置示意圖Fig. 1 Sketch scheme of the negative pressure water supplying pot device

1.3 測量項目及方法

1) 日灌水量測定：在菠菜生育期內(nèi)每天下午六點從儲水器水位管上讀出水位差，根據(jù)儲水器內(nèi)徑計算供水量，單位為L。

2) 耗水量 = 供水量 – 儲水量變化量 = 供水量 –(土壤含水量 – 土壤初始含水量) × 土體質(zhì)量/水的密度，單位為L/盆[12]。

3) 土壤含水量測定：每天5：00—6：00 pm用TZS-1K型 (浙江托普儀器有限公司) 土壤水分速測儀對土壤含水量進行測定[31]。

4) 土壤含水量隨時間變化的變異系數(shù)Cv，若Cv≤0.1為弱變異性，0.1 ＜Cv＜ 1為中等變異性，Cv≥1則為強變異性[32]，按下式計算：

式中：Sx為測定值的標(biāo)準(zhǔn)差；x為土壤含水量的平均值。

5) 水分利用效率 (WUE) = M/ET，M為單株菠菜地上部鮮重，ET為平均每株耗水量，即單位水量消耗所產(chǎn)生的經(jīng)濟產(chǎn)品數(shù)量，單位為kg/m3。

6) 株高、葉片數(shù)和葉面積的測定：從9月30日起，用米尺測量株高，數(shù)綠葉片數(shù)，用長寬系數(shù)法計算葉面積，每隔10天測量一次，每盆固定測量3株。

7) 地上部鮮重、干物質(zhì)測定：沿土表處剪斷，擦除表面的塵土立刻稱取鮮重；于105℃殺青30 min，然后在恒溫75℃烘至恒重，稱量。

8) 地上部全氮、全磷、全鉀的測定：分別取樣，烘干粉碎后，過0.5 mm篩。樣品經(jīng)H2SO4–H2O2消煮，用凱氏法測定全氮含量，紫外分光光度計測定全磷含量，原子吸收分光光度計測定全鉀含量。氮 (磷、鉀) 吸收量 = 氮 (磷、鉀) 含量 × 生物量[13]

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，Sigmaplot 10.0軟件繪圖。方差分析采用SPSS 17.0軟件ANOVA過程處理，采用鄧肯新復(fù)極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 菠菜生育期灌水累積量、土壤含水量和周耗水量的變化

播種一周后啟動灌溉系統(tǒng)使之開始工作。圖2為盆栽菠菜灌水系統(tǒng)累積灌水量隨時間的變化情況，總體上負(fù)壓灌溉的供水速率呈先慢后快的趨勢，從播種第三周開始，菠菜逐漸進入旺長期，其蒸騰作用增強，耗水強度增加，灌溉量隨之增加，這與溫室不同灌水下限處理的茼蒿相似[33]。供水第七周，不同處理累計灌水量為 CK ＞ W1P ＞ W1T ＞ W2P ＞W(wǎng)2T ＞ W3P ＞ W3T，可以看出負(fù)壓供水條件下累計供水量均低于常規(guī)灌溉，依次分別較CK降低了7.7%、22.7%、38.0%、42.2%、56.9%和59.0%。在相同灌水器條件下，菠菜累計供水量隨著供水壓力的減小而減小，均為–4 kPa最多，–8 kPa次之，–12 kPa最少。全生育期49天的灌水總量，W1T較W2T、W3T分別高出33.8%、88.4%，W1P較W2P、W3P分別高出49.0%、114.1%，而在相同供水負(fù)壓下，均為PVFM高于陶瓷頭。

圖 2 不同處理累計灌溉量Fig. 2 Accumulative irrigation amount under different treatments

由圖3可以看出，從14 d開始，負(fù)壓供水壓力下的土壤含水量基本保持穩(wěn)定，能夠滿足菠菜生長對水分的需求，21～35 d開始土壤含水量有下降趨勢，–12 kPa處理的下降趨勢較明顯，其供水速率稍微不能滿足菠菜的生長需要，需要消耗土壤水分來補充菠菜耗水，35 d后土壤水分充足，土壤含水量又有上升趨勢。在–4 kPa供水負(fù)壓下，陶瓷頭和PVFM的土壤含水量分別為25.7%～27.4%和25.8%～26.7%；在–8 kPa供水負(fù)壓下，陶瓷頭和PVFM的土壤含水量為21.0%～23.1%和22.0%～23.2%；在–12 kPa供水負(fù)壓下，陶瓷頭和PVFM的土壤含水量為19.1%～21.2%和18.6%～20.9%，CK的土壤含水量為13.6%～17.2%，可見，三種供水負(fù)壓下土壤含水量的波動范圍較對照小，另W1T、W1P、W2T、W2P、W3T和W3P處理下土壤含水量隨時間變化的變異系數(shù)Cv依次分別為0.039、0.041、0.044、0.042、0.049和0.052，均屬于弱變異，而CK的變異系數(shù)Cv為0.103，屬于中等變異，表明負(fù)壓供水系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在菠菜整個生育期土壤含水量基本穩(wěn)定。在相同負(fù)壓下，兩種灌水器的土壤含水量差別不顯著，但相同時間的土壤含水量有所不同，在–4 kPa和–8 kPa下，多數(shù)情況是PVFM的土壤含水量高，而在–12 kPa下，陶瓷頭的土壤含水量則略高于PVFM的土壤含水量。隨著供水負(fù)壓的增大，土壤含水量減小，不同負(fù)壓下的土壤含水量差別較大，W1T、W2T、W3T處理平均土壤含水量較對照分別高出72.3%、43.1%和30.7%；W1P、W2P、W3P處理平均土壤含水量較對照分別高出70.4%、40.7%和28.1%。可見，試驗負(fù)壓值設(shè)定在–12～–4 kPa，土壤含水量可以穩(wěn)定地控制在18.6%～27.4%之間。

圖 3 不同處理菠菜生育期內(nèi)土壤含水量動態(tài)變化Fig. 3 Changes of soil moisture contents under different treatments during spinach growth period

圖4為菠菜生育期內(nèi)周耗水量隨時間的變化動態(tài)。從整體上說，菠菜整個生育期內(nèi)周耗水量呈現(xiàn)“中間多，兩頭少”的變化規(guī)律。播種后28 d耗水速率顯著加快且周耗水量達到巔峰值，這是由于菠菜進入了生長旺盛期，需要消耗較多的水分。播種四周之后，菠菜周耗水量逐漸減少直至采收。CK在第六周以后耗水量明顯高于負(fù)壓各處理的耗水量，這與水分在土表蒸發(fā)以及溫度等環(huán)境因素有很大關(guān)系，并不能代表菠菜該時期真正的蒸騰量。圖4還表明，供水壓力對菠菜的耗水量有著明顯的影響，在相同時期內(nèi)周耗水量隨著供水壓力的增大而增大，而在相同時期相同供水壓力下，兩種材質(zhì)灌水器中，均是以PVFM灌水器下的耗水量較大，說明相同條件下以PVFM更能滿足菠菜生長對水分的需求。

圖 4 不同處理菠菜生育期內(nèi)耗水量動態(tài)變化Fig. 4 Water consumption under different treatments during spinach growth period

2.2 菠菜不同生育期的農(nóng)藝性狀

菠菜的生長發(fā)育對土壤水分條件較為敏感。由圖5可見，不同供水負(fù)壓及不同灌水器處理對菠菜的農(nóng)藝性狀均有影響。在菠菜整個生育期，隨著菠菜的生長，其生長速率先增加后減小，與不同供水處理下黃瓜和小白菜的株高生長速率相似[34–35]。陶瓷頭灌水器下，菠菜生長前期20～30 d，各生育期菠菜株高隨著供水壓力的減小而增大，播種后40 d開始，株高隨著供水壓力的減小而減小，表明灌水器為陶瓷頭時較低的供水壓力有利于株高的前期生長，而后期則是較高的供水壓力有利于株高的生長；PVFM為灌水器下，各生育期菠菜的株高均隨著供水壓力的減小而減小，且在各生育期以–4 kPa、–8 kPa處理較高，且高于陶瓷頭和CK，而–12 kPa處理的株高則低于陶瓷頭。成熟期，陶瓷頭灌水器處理下的菠菜株高較CK增加2.8%～17.1%；PVFM灌水器下，W1P和W2P處理的株高較CK增加20.6%～40.3%，而W3P則較CK下降了10.1%。

植物葉面積是與產(chǎn)量關(guān)系最為密切，其大小對干物質(zhì)積累、產(chǎn)量和經(jīng)濟效益都有顯著的影響[36]。各生育期不同負(fù)壓供水處理下，不論是PVFM還是陶瓷頭灌水器均以–8 kPa最大，–4 kPa次之，–12 kPa最小，表現(xiàn)出隨著供水壓力的減小葉面積呈先增大后減小的趨勢，且PVFM的葉面積較陶瓷頭大，到50 d時不同水分水平和不同灌水器均差異顯著。在成熟期，–4 kPa和–8 kPa的菠菜葉面積較CK分別增加了4.1%～24.2%和10.9%～30.0%；而W3T和W3P則較CK葉面積分別下降了28.7%和23.8%。對于菠菜的葉片數(shù)而言，在菠菜生長前期，不同處理間沒有差異；40 d以后，以–12 kPa葉片數(shù)最多，–8 kPa次之，–4 kPa最少?？梢娡寥浪趾扛叩牟げ巳~片數(shù)較少，土壤水分含量低的葉片數(shù)較多；相同負(fù)壓供水條件下，不同灌水器處理對菠菜的葉片數(shù)沒有明顯差異。方差分析表明 (表1)，供水壓力(W) 對菠菜株高有顯著影響，對菠菜葉片數(shù)和葉面積有極顯著影響；灌水器對菠菜的農(nóng)藝性狀沒有顯著影響；供水壓力和灌水器的交互作用對菠菜株高有顯著影響，而對葉片數(shù)和葉面積沒有顯著影響。

2.3 菠菜單株干物質(zhì)量和根冠比

由圖6可以看出，隨著供水壓力的減小，菠菜單株干物質(zhì)量先增加后減小。相同灌水器下，各供水壓力為：–8 kPa干物質(zhì)量最高，–4 kPa次之，對照再次，–12 kPa最低，W2T處理較W1T、W3T、CK處理分別高38.3%、83.6%、21.1%；W2P處理較W1P、W3P、CK處理分別高76.7%、161.8%、64.9%；相同供水壓力下，W1T與W1P、W3T與W3P處理之間沒有顯著差異，但W2P處理較W2T處理顯著地高36.2%。W2P處理的干物質(zhì)量顯著大于其他處理，說明該處理下菠菜生長狀況良好，葉面積大，植株株體較大，干物質(zhì)積累量較多。–12 kPa干物質(zhì)量顯著低于其他處理，說明該水分處理下，水分虧缺較嚴(yán)重，菠菜的生長受到限制，葉面積小，植株株體矮小，干物質(zhì)積累量少。

不同處理菠菜根冠比在5.53%～7.39%范圍。由圖6分析可知，隨著供水壓力的減少，菠菜的根冠比先增加后減小，–8 kPa根冠比最大，–4 kPa和 –12 kPa根冠比接近，但 –12 kPa處理的干物質(zhì)量最少，表明該處理會同時抑制菠菜地上部和根系的生長；相同供水負(fù)壓下，處理W1T與W1P、W3T與W3P之間根冠比沒有差異，W2T處理的根冠比明顯高于W2P處理，但W2P處理的累積供水量、土壤含水量和單株干物質(zhì)量都較W2T處理大，說明在此負(fù)壓處理下，W2P處理更有利于菠菜地上部的生長。

圖 5 不同處理菠菜農(nóng)藝性狀的動態(tài)變化Fig. 5 Changes of agronomic traits under different treatments during spinach growth period

表 1 菠菜農(nóng)藝性狀的顯著性檢驗 (F值)Table 1 Significance level of agronomic traits of spinach(F-value)

2.4 菠菜的耗水總量、產(chǎn)量和水分利用效率

從表2中可以看出，供水壓力、灌水器和兩因素的交互作用均對菠菜的耗水量和水分利用效率有極顯著影響 (P＜ 0.01)，而對菠菜產(chǎn)量而言，供水壓力對其有顯著影響 (P＜ 0.05)，灌水器對菠菜產(chǎn)量沒有顯著影響，兩者交互作用對菠菜的單株產(chǎn)量有極顯著影響 (P＜ 0.01)。

圖 6 不同處理對菠菜單株根冠比和干物質(zhì)量的影響Fig. 6 Effects of different treatments on root/shoot ratio and dry matter weight of spinach

在菠菜整個生育期，CK處理的耗水量最多，與負(fù)壓供水處理的耗水量差異顯著。不同供水負(fù)壓下，菠菜的耗水量隨著供水壓力的減小而顯著減少。相同灌水器處理，W1T、W2T和W3T較對照的耗水量分別減少21.2%、39.9%和59.1%；W1P、W2P和W3P較對照處理的耗水量分別減少4.6%、35.9%和56.5%；相同負(fù)壓處理下不同灌水器，均是PVFM的耗水量較陶瓷頭大，且–4 kPa最顯著。

不同處理對單株產(chǎn)量有顯著影響，隨著供水壓力的減小，菠菜單株產(chǎn)量先增大后減小，即–8 kPa單株產(chǎn)量最高、–4 kPa次之、–12 kPa產(chǎn)量最少，–8 kPa單株產(chǎn)量顯著地高于其他處理。陶瓷灌水器下，W2T和W1T分別較對照增產(chǎn)了38.0%和6.6%，W3T較對照減產(chǎn)了11.5%；PVFM灌水器下，W2P和W1P分別較對照增產(chǎn)了59.9%和11.0%，W3P較對照減產(chǎn)了5.8%。在相同供水處理下，均是PVFM的產(chǎn)量較陶瓷頭高，其中–8 kPa處理差異顯著。

從表2還可知，不同處理對菠菜水分利用效率有顯著影響，但負(fù)壓供水下的水分利用效率均大于對照，說明負(fù)壓灌溉能有效提高菠菜的水分利用效率。負(fù)壓灌溉下，水分利用效率隨著供水壓力的減少而增大，–12 kPa和–8 kPa水分利用效率均顯著地高于–4 kPa處理，而–12 kPa和–8 kPa處理之間沒有顯著差異。陶瓷灌水器下，W3T、W2T和W1T處理分別較對照增加了86.1%、76.6%和11.4%；PVFM灌水器下，W3P、W2P和W1P處理分別較對對照增加了94.8%、88.3%和4.7%。不同灌水器在相同負(fù)壓處理下的水分利用效率沒有顯著差異。

2.5 菠菜養(yǎng)分含量和吸收量

表3為不同處理下菠菜氮磷鉀的含量變化，負(fù)壓供水下，隨著供水壓力的減小，菠菜的全磷、全鉀含量都有所增大，而全氮則隨著供水壓力的減小而減小，且各處理氮、磷和鉀含量均高于CK。其中，植株磷含量隨著供水壓力的減小而增加的幅度較小。相同灌水器，陶瓷頭W1T、W2T和W3T的含氮量變幅在3.3%～3.9%之間，含磷量變幅在0.40%～0.45%，含鉀量的變幅在5.4%～6.3%，且W1T和W3T處理的含鉀量差異顯著；PVFM材料W1P、W2P和W3P處理含氮量變幅在3.3%～4.0%之間，含磷量變幅在0.4%～0.5%，含鉀量的變幅在5.5%～6.6%，且W1P與W3P磷鉀含量有顯著差異。此外，從氮磷鉀吸收量可以看出，所有處理下菠菜吸收K2O最多，N次之，P2O5最少。統(tǒng)計分析表明，供水壓力對菠菜含磷量和含鉀量有顯著影響 (P＜ 0.05)，對菠菜含氮量沒有影響；灌水器和供水壓力與灌水器的交互作用均對菠菜的氮磷鉀含量沒有顯著影響。

表 2 不同供水處理對菠菜耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響Table 2 Effects of different water supply treatments on water consumption, yield and water use efficiency of spinach

從表3不同處理下菠菜氮磷鉀吸收量分析，相同灌水器不同供水壓力下，均為–8 kPa的氮磷鉀吸收量最高、–4 kPa次之、–12 kPa最少，而CK的氮磷鉀吸收量均低于負(fù)壓條件下的氮磷鉀吸收量。相同供水壓力不同灌水器下，氮磷鉀的吸收量均以PVFM的較高，且在–8 kPa差異顯著。菠菜氮磷鉀的吸收比例也以K2O最多，N次之，P2O5最少。此外，供水壓力對菠菜氮鉀的吸收有極顯著影響 (P＜0.01)，對磷吸收量有顯著影響 (P＜ 0.05)；灌水器對鉀吸收量有極顯著影響，對氮磷養(yǎng)分吸收沒有影響；灌水器與供水壓力的交互作用對氮鉀的吸收量有顯著影響，而對磷吸收量沒有影響。

3 討論

負(fù)壓灌溉裝置是一個全封閉的系統(tǒng)，通過作物的蒸騰蒸發(fā)，使得系統(tǒng)與土壤之間形成水勢差，系統(tǒng)開始供水，實現(xiàn)了作物對水分的自動獲取[37]，與傳統(tǒng)灌溉相比，負(fù)壓灌溉變?nèi)藶榈摹氨粍庸喔取睘樽魑锏摹爸鲃游盵23]，能夠適時適量地為作物提供水分。水分是決定植物生長發(fā)育的主要生態(tài)因子[24]，土壤含水量的多少直接影響作物的生長發(fā)育，本試驗負(fù)壓值設(shè)定在–12～–4 kPa，土壤含水量可以控制在18.6%～27.4%之間，這與以往的研究結(jié)論基本一致[38]。王相玲等[12]研究表明負(fù)壓設(shè)定在–20～0 kPa時，土壤含水量控制在3.6%～29.5%之間。耿偉等[39]研究表明負(fù)壓設(shè)定在–1～–150 kPa，土壤含水量可控制在10.6%～43.4%之間。不同研究其結(jié)果不同，可能與作物品種、灌水器型號、環(huán)境因素以及土壤質(zhì)地有關(guān)[15]。此外，本文中土壤含水量的變異系數(shù)Cv在一定程度上能夠反映菠菜生長對水分需求的變化情況，負(fù)壓灌溉下隨著供水壓力的減小，Cv有增大的趨勢，相應(yīng)的土壤含水量降低，進一步說明–12 kPa處理不能及時滿足菠菜生長的耗水需求，導(dǎo)致其Cv值較–4 kPa和–8 kPa大。菠菜是典型的耗水作物，整個生育期的周耗水量呈現(xiàn)了先增加后降低的趨勢，在旺長時耗水量明顯增加，原因是進入旺長后株高、葉片和葉面積都加速生長，導(dǎo)致蒸散量也隨之增加，對水分需求較大。采用負(fù)壓灌溉技術(shù)可使灌溉時濕潤土層未達土壤表面，在很大程度上減少了裸土蒸發(fā)，減少大量的無效耗水[20]，不同處理耗水量的差異主要是由于作物蒸騰作用形成的。降低供水壓力菠菜耗水量顯著減少，且耗水量顯著少于常規(guī)灌溉處理，在很大程度上減少對水分的消耗，實現(xiàn)節(jié)水高效的灌溉目的。

從菠菜的累計供水量、土壤含水量和周耗水量的結(jié)果來看，相同供水處理兩種材質(zhì)灌水器相比，均為PVFM有優(yōu)勢，說明灌水器材質(zhì)對負(fù)壓灌溉有一定影響。PVFM為有機高分子材料，其親水性非常好、吸水能力強、有韌性，有小孔為主大孔為輔的較好孔隙結(jié)構(gòu)[25]，在相同截面上PVFM比陶瓷頭有更多的水分通道，因此水分更易通過孔隙發(fā)達的PVFM[40]；陶瓷頭為無機材料，氣孔比例較小，韌性差，滲水速率慢[41]，所以試驗設(shè)定負(fù)壓供水在–8～–4 kPa下，PVFM材料灌水器的供水量、土壤含水量以及耗水量均較陶瓷頭高，能更好地滿足菠菜的生長需要，從而對菠菜的生長、水分利用效率和養(yǎng)分吸收都有一定的促進作用，進一步證明了負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的可行性以及PVFM材料作為負(fù)壓灌水器的可選性。

水分利用效率 (WUE) 是衡量作物對水分利用的重要指標(biāo)之一[21]。負(fù)壓灌溉下，水分利用效率隨著供水壓力的減少而增大，–12 kPa處理的水分利用效率最高，–8 kPa次之，–4 kPa最小。而對于產(chǎn)量來說，–8 kPa單株產(chǎn)量最高，–4 kPa次之，–12 kPa產(chǎn)量最少，出現(xiàn)了產(chǎn)量和水分利用效率不同步的現(xiàn)象，這可能是由于–12 kPa處理下，作物關(guān)閉氣孔以減少蒸騰作用，同時阻礙了光合底物CO2的吸收，進而使得葉片光合作用受抑制，引起耗水量下降，植株株高、葉面積等生長受到影響，干物質(zhì)生產(chǎn)不足[19]，最終抑制了干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量的形成。所以雖然–12 kPa的WUE最大，但產(chǎn)量最少，相比–4 kPa和–8 kPa，耗水量小是其WUE提高的原因，這與施關(guān)正等[42]的結(jié)論一致。供水壓力高或低都不利于菠菜產(chǎn)量的形成，適當(dāng)調(diào)節(jié)灌溉供水，有利于提高菠菜產(chǎn)量和水分利用效率。在保持產(chǎn)量較高的情況下，W2P處理同時兼顧高產(chǎn)與節(jié)水高效，同時相比其他水處理干物質(zhì)量也最高，是負(fù)壓灌溉條件下較適宜菠菜生長的組合方案。

在植物的生長過程中，氮磷鉀元素參與了植物許多重要的生理代謝活動，在植物體內(nèi)起著不可替代的作用。隨著供水壓力的減小，菠菜的全磷、全鉀含量都有所增大，而全氮含量則隨著供水負(fù)壓的減小而減小，這與萬克江等[28]、耿偉等[39]的研究結(jié)果一致，表明土壤的水分狀況會影響植株中的養(yǎng)分濃度。此外，土壤水分是保證氮肥充分發(fā)揮作用的主要因子，對氮肥在土壤中的轉(zhuǎn)化、遷移 (質(zhì)流與擴散)、植物吸收以及在體內(nèi)的代謝均有很大的影響[43]。菠菜氮磷鉀吸收比例以K2O最多，N次之，P2O5最少，對菠菜而言，對鉀的需求往往大于氮和磷，所以鉀含量和吸收量明顯高于氮和磷，這與陳清等[44]的研究結(jié)果一致。在所有處理中，–12 kPa處理的氮磷鉀養(yǎng)分吸收量最小，這主要是由于水分虧缺影響土壤溶液濃度，濃度過高抑制根系的生長和對水分、養(yǎng)分的吸收[45]，也會降低土壤微生物的數(shù)量和多樣性[46]。–4 kPa處理水分充足，與–12 kPa相比可能存在水分過量的問題，其土壤溶液濃度較–8 kPa低，也會抑制菠菜根系生長和養(yǎng)分的吸收，所以–8 kPa下菠菜的氮磷鉀吸收量最大。同樣由于灌水器材質(zhì)的差異，在最佳的養(yǎng)分吸收量下，W2P處理為最佳組合。

目前將PVFM材料用于負(fù)壓灌溉與作物種植的試驗較少，且大多只是用于研究短生育期的作物，所以未來可對生育期較長的作物進行研究。此外，有研究表明在同質(zhì)土壤條件下，土壤含水量升高，土壤粘聚力和內(nèi)摩擦角會減小[47]，因此，日后對負(fù)壓灌溉不同供水壓力和灌水器條件下的土壤微環(huán)境和土壤理化特性可以做進一步的研究。再者，對于PVFM灌水器的制備工藝和精度方面仍需進一步的鑒定和改良。

4 結(jié)論

1) 負(fù)壓供水能夠維持土壤水分基本穩(wěn)定。負(fù)壓灌溉條件下菠菜整個生育期的供水速率先慢后快，周耗水量先增加后減少。相同灌水器菠菜累計供水量、土壤含水量和周耗水量隨著供水壓力的減小而減少，而在相同供水壓力下，菠菜累計供水量和周耗水量均為PVFM高于陶瓷頭。負(fù)壓值設(shè)定在–12～–4 kPa，土壤含水量可以控制在18.6%～27.4%范圍內(nèi)，供水系統(tǒng)穩(wěn)定運行，土壤含水量波動較小，屬于弱變異。

2) 負(fù)壓供水壓力顯著地影響了菠菜的農(nóng)藝性狀。在–12～–4 kPa范圍內(nèi)，菠菜株高隨著供水壓力的減小而減小，且兩種灌水器的趨勢保持一致。在供水壓力較大時，其土壤含水量較高，菠菜生長良好，葉片數(shù)適中，葉面積較大；反之低的土壤含水量，菠菜植株矮小，葉片數(shù)較多，葉面積小。供水壓力過高或過低都不利于菠菜的生長和干物質(zhì)的形成，試驗結(jié)果表明在–8～–4 kPa之間的負(fù)壓灌溉比常規(guī)灌溉有利于菠菜生長，而負(fù)壓灌溉下兩種灌水器之間則是以PVMF更有優(yōu)勢。

3) 負(fù)壓灌溉能夠顯著提高菠菜產(chǎn)量和水分利用效率。保持產(chǎn)量較高的情況下，最優(yōu)水分利用效率對應(yīng)的灌水處理為W2P，同時相比其他水處理干物質(zhì)量也最高，減少了奢侈耗水，能達到節(jié)水高產(chǎn)的目的，與CK相比，產(chǎn)量提高了59.9%，耗水量降低了35.9%，WUE提高了88.3%。供水壓力與灌水器兩因素交互作用對菠菜耗水量、產(chǎn)量和WUE影響極顯著 (P＜ 0.01)。

4) 不同供水壓力對菠菜氮磷鉀含量和吸收量均有影響。隨著供水負(fù)壓的增加，菠菜的全磷、全鉀含量都有所增大，全氮含量減小，且各處理氮、磷和鉀含量均高于對照。所有處理均為–8 kPa下PVFM灌水器下的氮磷鉀吸收量最高，菠菜氮磷鉀吸收比例為K2O最多，N次之，P2O5最少。

5) PVFM材質(zhì)灌水器更有利于菠菜的生長發(fā)育。相同供水壓力下，菠菜累計供水量、土壤含水量、WUE、產(chǎn)量、氮磷鉀養(yǎng)分含量與吸收量均以PVFM更有優(yōu)勢，且W2P處理最優(yōu)。綜合分析不同灌水器不同供水處理對菠菜生長、水分、產(chǎn)量以及養(yǎng)分吸收的影響，推薦本試驗條件下，以供水負(fù)壓控制在–8 kPa，灌水器為PVFM較為適宜菠菜生長的負(fù)壓灌溉組合。

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