微咸水膜下滴灌對(duì)沙漠溫室黃瓜產(chǎn)量的影響研究

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(陜西省水利水電工程咨詢(xún)中心，陜西 西安 710004)

中國(guó)是一個(gè)水資源需求大國(guó)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)、工業(yè)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水資源短缺日益嚴(yán)重。微咸水礦化度一般為2～5 g/L范圍內(nèi)的水資源。我國(guó)西北地區(qū)寧夏回族自治區(qū)年平均降水290 mm，時(shí)空分布極不均勻，水面年蒸發(fā)量1 300 mm，地表水資源量949萬(wàn) m3，地下水資源總量不足，另外在寧夏回族自治區(qū)銀川北部具有豐富的咸水資源。但是，利用凈化廠凈化的微咸水資源直接灌溉成本較高，因此必須找到合理的純凈水與微咸水的配比，采用混合水灌溉，才能降低成本，保證較高的產(chǎn)量和更好的作物品質(zhì)。李良濤(2010)等[1]利用作物生長(zhǎng)模擬模型(PS123),分別進(jìn)行了淡水灌溉方案和微咸水灌溉方案的模擬研究,分析了不同灌溉方案對(duì)作物生產(chǎn)力、水分利用效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果與目前節(jié)水灌溉試驗(yàn)基本相吻合;并且通過(guò)灌溉方案模擬, 提出了在冬小麥生育期淡水灌溉一到四次, 會(huì)獲得高產(chǎn)的最佳灌溉方案;在灌溉四次的冬小麥生產(chǎn)體系中, 建議冬前用淡水灌溉, 返青后可以考慮1～2次微咸水灌。雖然微咸水灌溉對(duì)冬小麥返青后無(wú)明顯負(fù)作用。但是，依然要注意土壤積鹽的影響，建議種下一季作物之前，要利用淡水灌溉一次以壓鹽。張余良等[2]在進(jìn)行小麥種植時(shí)添加了土壤改良劑。結(jié)果表明,冬小麥播種前采用適當(dāng)土壤改良劑能夠提高冬小麥抽穗期、灌漿期的光合速率、葉綠素含量指數(shù), 降低氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率。對(duì)于寧夏地區(qū)，處于黃河流域，在引黃灌溉較方便的地區(qū)可以將黃河水和微咸水混合灌溉。

沙地是我國(guó)北方干旱半干旱區(qū)主要的地貌景觀類(lèi)型之一，其主要分布在35°～50°N，75°～125°E之間，荒漠化土地面積為267.4萬(wàn) km2,占國(guó)土面積的27.9%[3];其中四大沙地(毛烏素、渾善達(dá)克、科爾沁和呼倫貝爾)面積為1.03萬(wàn) km2,分別占國(guó)土面積的1.07%和荒漠化面積的3.85%[3]。沙區(qū)旱區(qū)土壤本身的高滲漏、高蒸發(fā)性，導(dǎo)致水資源有效利用率低，植株成活率也較低。因此，沙漠化給我國(guó)土地資源和水資源的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

滴灌作為一種高效、經(jīng)濟(jì)可行的灌溉技術(shù)，由于其應(yīng)用高度本地化，在水和化學(xué)應(yīng)用的調(diào)度上具有靈活性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。另外，膜下滴灌是近年來(lái)在干旱地區(qū)廣泛應(yīng)用的一種新型農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)。膜下滴灌不僅可以減少深層土壤水肥的滲漏，而且可以實(shí)現(xiàn)水肥一體化，地膜覆蓋下的土壤溫度和濕度可以保持在較高的水平，可以提高土壤肥力和作物產(chǎn)量[4]。

1 研究方法及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 微咸水灌溉制度模擬優(yōu)化模型

本文采用水鹽灌溉制度模擬優(yōu)化模型分為兩部分：一是土壤水量平衡模型，其用于估算給定灌溉調(diào)度條件下農(nóng)田隨時(shí)間變化的蒸散量；二是利用作物電導(dǎo)率和田間蒸散量估算作物產(chǎn)量(作物耗水量)。

1.1.1 黃瓜生育期土壤水量平衡方程

土壤水量平衡的主要成分，即灌溉量(I)、實(shí)際蒸發(fā)蒸騰(ETa)、通過(guò)根區(qū)底部的土壤水通量(Q，向下滲流為正方向)。黃瓜根區(qū)水量平衡方程描述如下：

Wt-Wt-1=P-I-(ETa-Q)Δt-R

(1)

1.1.2 黃瓜水鹽生產(chǎn)函數(shù)

通過(guò)水鹽生產(chǎn)函數(shù)估算產(chǎn)量、水分和鹽度之間的數(shù)學(xué)響應(yīng)關(guān)系。近年來(lái)，已有大量研究只涉及水分脅迫或鹽脅迫，以及水分脅迫和鹽脅迫組合對(duì)作物產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果表明，作物產(chǎn)量-鹽分與作物產(chǎn)量-蒸散量呈線性關(guān)系[7-9]。對(duì)于水分-產(chǎn)量-蒸散的組合函數(shù)，一些學(xué)者認(rèn)為水鹽脅迫對(duì)作物產(chǎn)量的影響具有線性或非線性加法模型。然而，這些研究大多是從土壤水勢(shì)或灌溉量的角度出發(fā)，而沒(méi)有解釋水鹽共同脅迫下作物蒸散與產(chǎn)量的關(guān)系。

本研究采用的方法是整個(gè)生育期的水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型，即用來(lái)描述作物產(chǎn)量、ET(作物需水量)和EC(根區(qū)土壤電導(dǎo)率)之間的關(guān)系(式(2))。在式(2)中，假設(shè)黃瓜的產(chǎn)量只與兩個(gè)變量有關(guān)，其他影響產(chǎn)量的因素假設(shè)為常數(shù)。估算的隱含關(guān)系：

Y=f(ET，ECsw，X)

(2)

基于這些研究成果的作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)，本研究選擇了三種作物水鹽生產(chǎn)函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了介紹：

線性函數(shù)：R(Y)=a0+a1R(ET)+a2R(ECsw)

(3)

Cobb-Douglas函數(shù)：R(Y)=a0R(ET)a1R(ECsw)a2

(4)

二次函數(shù)：

式中，R為成坑半徑；為粉碎區(qū)半徑，為介質(zhì)斷裂韌度；?0為破碎巖石介質(zhì)噴射的壓縮射流系數(shù), 由式(14)確定：

R(Y)=a0+a1R(ET)+a2R(ET)2+a3R(ECsw)+a4R(ECsw)2+a5R(ET)R(ECsw)

(5)

式中：R(Y),R(ET)和R(ECsw)為無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化變量；R(Y)為黃瓜相對(duì)作物產(chǎn)量；R(ET)為相對(duì)作物需水量；R(ECsw)為根區(qū)土壤相對(duì)電導(dǎo)率。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃瓜兩年連續(xù)田間試驗(yàn)在寧夏銀北地區(qū)沙漠溫室(N 38°30°，E 106°07°，海拔1 111.5 m)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于中溫帶干旱氣候區(qū)，年平均氣溫9.7℃，年降水量200 mm，年平均日照時(shí)間2 000～2 800 h。

試驗(yàn)在荒漠溫室內(nèi)進(jìn)行，為5個(gè)處理對(duì)比試驗(yàn)，每個(gè)處理3次重復(fù)試驗(yàn)，膜下滴灌用PE塑料覆蓋層(0.06 mm厚)，面積為165 m2。供試作物為黃瓜(黃乳)。覆膜寬度為0.7 m，采用一膜兩行滴灌管鋪設(shè)。相鄰地膜間的距離為0.3 m，同一地膜下滴灌管行距為0.4 m，每行播種間隔0.3 m?？偡N植密度為90 045株/hm2。試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土，生長(zhǎng)期平均土壤干容重為1.485 g/cm3，田間持水量(θFC)為21.02 cm3/cm3。各試驗(yàn)區(qū)采用寬0.70 m、長(zhǎng)5.50 m、深0.60 m的防滲處理，試驗(yàn)區(qū)地膜采用PE塑料覆蓋。試驗(yàn)區(qū)底部用粘土鋪蓋，深度為0.10 m，具有防滲功能。然后用0.1 m、30 kg發(fā)酵分解秸稈回填砂壤土，再用0.4 m砂壤土，最后用0.1 m粘土在試驗(yàn)小區(qū)地表回填。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的面積為3.85 m2，深度為0.6 m，試驗(yàn)點(diǎn)土壤質(zhì)地和地下水質(zhì)地見(jiàn)表1和表2。

表1 土壤物理化學(xué)性質(zhì)

表2 灌溉水化學(xué)性質(zhì)

五個(gè)試驗(yàn)處理的種植密度、施肥量和灌溉量均相同，生長(zhǎng)期分別從2015年1月16日至6月22日和2015年8月11日至11月8日，表3為五個(gè)處理的灌溉方式。2015年1月16日至6月22日期間，從播種到收獲的灌溉定額為每一塊試驗(yàn)小區(qū)3 630 m3/hm2。在前期107 d的生長(zhǎng)階段，灌溉間隔為4 d；灌水定額為120 m3/hm2，在后期49 d的生長(zhǎng)階段，灌溉間隔為3 d，灌水定額為180 m3/hm2。從2015年8月11日的播種到11月8日的灌溉定額為每一塊試驗(yàn)小區(qū)田1 714.5 m3/hm2；灌溉間隔為3 d；灌水定額為180 m3/hm2。本試驗(yàn)研究了利用微咸水灌溉的五種不同灌溉方式對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響，探索了在我國(guó)西北非耕地區(qū)利用微咸水灌溉的最佳灌溉方式。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)測(cè)量方法

(1)在試驗(yàn)期間，Penman-Monteith模型所需的每日氣象數(shù)據(jù)，包括最高、最低和平均氣溫、最高和最低相對(duì)濕度、實(shí)際和可能的日照時(shí)數(shù)比率以及溫室2m高度的風(fēng)速；由標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)氣象站(GAWS005 Veinasa)持續(xù)觀測(cè)。每5秒對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并使用數(shù)據(jù)記錄器計(jì)算和記錄15 min的平均值；

(2)利用時(shí)頻反射器(TDR)周期性地(每5～10 d)測(cè)量土壤體積含水率、土壤導(dǎo)電性和土壤溫度。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)插有5根TDR管，5根TDR管間隔1米，在所有試驗(yàn)處理中，以0.2 m土壤厚度間隔進(jìn)行測(cè)量，每次灌溉前后測(cè)量土壤體積含水率。

(3)黃瓜收獲后，對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的黃瓜產(chǎn)量進(jìn)行了測(cè)量。

2 結(jié)果分析

2.1 微咸水灌溉對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響研究

如圖1所示，黃瓜產(chǎn)量關(guān)系為：處理4>處理1>處理3>處理2>CK。處理4獲得最高產(chǎn)量，即凈化水灌溉處理。處理3和處理2的產(chǎn)量近似，這是因?yàn)閮艋臀⑾趟惶婀喔瓤梢允雇寥篮}量保持一個(gè)穩(wěn)定水平。無(wú)論是基于灌溉時(shí)間的交替灌溉還是基于生長(zhǎng)期的交替灌溉，對(duì)黃瓜產(chǎn)量的影響近似相同。除處理4外，處理1的產(chǎn)量最高，然而，CK的產(chǎn)量為最低值。與處理4相比，處理1、處理2、處理3和CK的黃瓜產(chǎn)量分別下降6.21%、14.67%、7.88%和17.71%。總而言之，從經(jīng)濟(jì)因素、節(jié)水方式和咸水高效利用等方面考慮，混水(微咸水和凈化水按照1:1混合)灌溉是該地區(qū)的最佳灌溉方式。

2.2 微咸水灌溉下黃瓜水鹽生產(chǎn)模型

本文采用線性函數(shù)模型、Cobb-Douglas函數(shù)模型以及二次函數(shù)模型分析黃瓜產(chǎn)量與作物需水量以及土壤電導(dǎo)率之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，Cobb-Douglas函數(shù)模型模擬結(jié)果較理想。通過(guò)二次函數(shù)模型模擬結(jié)果表明，在給定的其他變量不變的情況下，作物產(chǎn)量會(huì)隨著產(chǎn)量的增加而增加，隨著土壤電導(dǎo)率的增加而減少。同時(shí)，預(yù)測(cè)在收獲時(shí)土壤的電導(dǎo)率會(huì)隨著灌溉水的礦化度增加而增加。如果不對(duì)咸水進(jìn)行過(guò)濾凈化，那么土壤中的鹽分積累和采收時(shí)間的土壤電導(dǎo)率將隨著灌溉水量的增加而增加，直至下次灌溉開(kāi)始。為了消除黃瓜第一生長(zhǎng)期與第二生長(zhǎng)期在土壤、田間環(huán)境和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面對(duì)黃瓜產(chǎn)量的差異影響，將黃瓜產(chǎn)量、需水量和土壤電導(dǎo)率三個(gè)變量通過(guò)減去平均值和除以標(biāo)準(zhǔn)差得到了標(biāo)準(zhǔn)差，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)變量，即相對(duì)產(chǎn)量、相對(duì)需水量和相對(duì)土壤電導(dǎo)率(RY, RET和RECsw)，表4為模型中涉及變量的取值范圍。首先，利用第一茬黃瓜的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)擬合這三個(gè)水鹽函數(shù)模型的系數(shù)；其次，利用第二茬黃瓜的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，與需水量的標(biāo)準(zhǔn)偏差相比(SD=0.071)，產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD=2.64)相對(duì)較高。

圖1 黃瓜產(chǎn)量

變量取值范圍平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)產(chǎn)量/t/hm242.39～49.945.812.64需水量/cm24.375～24.5624.460.071土壤電導(dǎo)率/sm/cm0.81～1.821.220.34

結(jié)果表明，在產(chǎn)量和土壤電導(dǎo)率變化的情況下，二次函數(shù)模型比線性函數(shù)模型和Cobb-Douglas函數(shù)模型(表5)能夠更好地解釋黃瓜產(chǎn)量、需水量隨土壤電導(dǎo)率變化規(guī)律。三種水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型的RY,RET和RECsw均顯著相關(guān)(P<0.05)。根據(jù)三個(gè)水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型的估算系數(shù)F和RMSE，二次函數(shù)模型的RMSE最低，F(xiàn)最高，說(shuō)明二次函數(shù)模型具有較高的精度和統(tǒng)計(jì)顯著性。從表5可以看出，在三種水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型中，RY和RET之間呈正相關(guān)，RY和RECsw之間呈負(fù)相關(guān)，這歸因于高土壤鹽分會(huì)導(dǎo)致作物的水鹽脅迫，降低作物產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，黃瓜產(chǎn)量不僅與土壤電導(dǎo)率有關(guān)，而且與黃瓜需水量有關(guān)。綜上所述，二次函數(shù)模型計(jì)算的最大黃瓜產(chǎn)量估計(jì)值為42.08 t/hm2,ET和ECsw分別為23.81 cm和3.15 ms/cm。

在這些作物水鹽生產(chǎn)模型中，黃瓜相對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)能力可以通過(guò)觀測(cè)值RY與模擬值RY之間的線性關(guān)系來(lái)估計(jì)。表6表示觀測(cè)值RY與模擬值RY之間的線性函數(shù)關(guān)系以及三個(gè)作物水鹽生產(chǎn)模型的模擬精度。通過(guò)觀測(cè)值RY與模擬值RY的比較，可以看出，模擬值RY較觀測(cè)值RY高，其原因在于第一茬黃瓜收獲后導(dǎo)致土壤鹽分積累，因此在第二茬黃瓜種植開(kāi)始前土壤鹽分較高，導(dǎo)致黃瓜生長(zhǎng)出現(xiàn)水鹽脅迫，減產(chǎn)。在這三個(gè)水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型中，二次函數(shù)模型的R2(0.76)值最高，RMSE值(0.5)最低。綜上所述，二次函數(shù)模型可作為西北干旱地區(qū)溫室黃瓜水鹽脅迫下的水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型。

表5 黃瓜需水量與作物產(chǎn)量和土壤電導(dǎo)率的線性、Cobb-Douglas和二次函數(shù)模型估算

***在1%概率水平上顯著；**在5%概率水平上顯著；*在10%概率水平上顯著。

表6 黃瓜產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型模擬值的擬合優(yōu)度指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)采用1:1微咸水和凈化水混合灌溉，獲得了黃瓜最高的產(chǎn)量。在三個(gè)水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型中，二次函數(shù)模型的R2值(0.76)最高，RMSE值(0.5)最低。此外，研究結(jié)果表明，在產(chǎn)量和土壤鹽分變化的情況下，二次函數(shù)模型中選擇的變量比線性函數(shù)模型及Cobb-Douglas函數(shù)模型能更好地解釋說(shuō)明。綜上所述，二次函數(shù)模型可作為我國(guó)西北干旱地區(qū)日光溫室黃瓜水鹽脅迫條件下水鹽生產(chǎn)函數(shù)模型，咸水灌溉制度采用混合咸水和凈化水按1:1為最優(yōu)灌溉方案。