不同施肥器對日光溫室茄子生長及根際養(yǎng)分濃度的影響

王 蓉，李 佳，朱 英，馬 玲，楊常新，楊冬艷

(1.寧夏吳忠國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管委會，寧夏 吳忠 751100；2.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；3.寧夏農(nóng)林科學院種質(zhì)資源研究所，銀川 750021)

水肥一體化技術(shù)是肥溶于水，按需灌溉施肥及節(jié)水節(jié)肥的關(guān)鍵措施[1]。通過管道設(shè)計，將作物所需養(yǎng)分和水分定時定量的按配比供給，實現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥、省工、高產(chǎn)高效的目的[2,3]，而實現(xiàn)水肥一體化的關(guān)鍵是灌溉施肥裝置[4]。目前，國外如荷蘭、以色列、日本等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家針對灌溉施肥機的研究和應用已相當成熟，其推廣應用的自動灌溉施肥機可實現(xiàn)智能化的精準水肥一體化，也是施肥器大型化、國際智能化的發(fā)展趨勢[5-7]，但價格高昂、移動不便，很難適應國內(nèi)的市場需求。國內(nèi)學者關(guān)于灌溉施肥機的研究也取得了一定的進展，市面上推廣主要有壓差溶肥器、文丘里注肥器、電動注肥泵、比例注肥泵等施肥裝置。施肥裝置的灌水和施肥均勻度是決定水肥利用率的重要因素，會直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，也是評價滴灌施肥系統(tǒng)性能的重要指標[8]。周舟等研制的移動式溫室精準施肥機，灌水、施肥的均勻度分別可達99.6%和98.8%[8,9]；吳松等學者設(shè)計的施肥機可控制肥水的EC、pH且實現(xiàn)自動施肥[10]；姚舟華、陳囡囡、左志宇等研制的溫室自動灌溉施肥機，可實現(xiàn)營養(yǎng)液配方、濃度、酸堿度的自動調(diào)控[11-13]。針對施肥機的穩(wěn)定性和可操作性做了大量的研究，但混肥均勻度、濃度調(diào)配及其對作物和土壤EC、pH的影響等研究往往被忽略，現(xiàn)有的灌溉施肥系統(tǒng)也難以滿足不同作物在不同生長時期對營養(yǎng)均勻度和濃度的動態(tài)需求。因此，本文通過比較現(xiàn)有的3種施肥器對日光溫室茄子生長及根際養(yǎng)分濃度的影響，結(jié)合施肥器的灌溉量和灌溉時間等操作性能，來初步確定在農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溶肥濃度和均勻度高、容易推廣、性價比高的水肥一體機，以提高農(nóng)業(yè)設(shè)施的效率和用戶的經(jīng)濟效益。

1 材料與方法

1.1 試驗基地概況

試驗設(shè)置在寧夏吳忠(孫家灘)國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)的日光溫室，基地全年光照時間達3 000 h，全年太陽輻射高達700 kJ/m2，年平均氣溫8.8 ℃。年平均降水量193 mm，年蒸發(fā)量2 013 mm，氣候干燥。試驗溫室寬15 m，長100 m，鋼架結(jié)構(gòu)，凈栽培面積0.107 hm2，溫室后墻基底寬8 m，脊高7.5 m，棚膜種類是明凈華涂層膜，外覆蓋保溫材料保溫被，保溫采光效果良好。

1.2 試驗材料供試品種：二珉圓茄。

供試肥料：海法魔力豐Ⅰ型：18-27-27(N-P2O5-K2O)，海法魔力豐Ⅱ型：12-5-40+2 MgO(N-P2O5-K2O)。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2017年9月8日定植，定植密度為27 000 株/hm2，株距25 cm，壟寬80 cm，走道60 cm。生育期結(jié)束于2017年12月28日。

在統(tǒng)一壓力水源條件下，選擇3種均是靠水動力驅(qū)動的施肥器，施肥濃度可調(diào)控，試驗處理按照不同施肥器設(shè)置，具體選擇：Mixrite 2.5自動比例施肥器；可調(diào)比例式文丘里施肥器(型號：ATP800，工作壓力100～500 kPa，吸入流量6.0～160 L/h)；渦旋式施肥器。為方便記錄，分別將3種施肥器按照英文首字母記錄為：APF(Automatic Proportional Fertilizer)、APVI(Adjustable Proportional Venturi Injector)、VF(Vortex Fertilizer)，小區(qū)面積16.8 m2，4次重復。

APF、APVI試驗開始前，將一定量的海法魔力豐復合可溶肥倒入容積15 L的施肥罐中，進水管加水至施肥罐滿，人為攪勻(肥液里沒有固體顆粒)；VF先將一定量的海法魔力豐復合可溶肥倒入容積15 L的施肥罐中，蓋上施肥罐，直接打開進水管，罐內(nèi)靠壓差自動加水至施肥罐滿然后攪勻。具體水肥管理見表1。

表1 茄子生育期計劃用水、用肥情況

注：幼苗期、開花坐果期用肥料海法魔力豐Ⅰ型，采收期選用海法魔力豐Ⅱ型。

1.4 測試項目與方法

測定項目：莖粗、株高、果實產(chǎn)量、定植前及收獲后土壤0～60 cm的EC和pH值；跟蹤持續(xù)測定土壤自然含水率和肥液EC、pH；測試系統(tǒng)穩(wěn)定性及壓力參數(shù)、系統(tǒng)流量。

(1)肥液EC、pH測量。利用便攜式EC測量儀CT-20、便攜式pH測量儀在不同時間段在滴灌帶末端接取肥液測定。

(2)土壤含水率測定。隨機取不同土層土壤測定，利用公式計算：土壤含水率(重量含水率)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100%。

(3)土壤EC、pH測定。每次施肥灌水前后取原狀土測定。

(4)株高測定。選擇生長大小基本一致植株5株進行標記作為調(diào)查株，小區(qū)株高(地面到生長點)用鋼卷尺每10 d測量一次。

(5)莖粗測定。莖粗用游標卡尺測量植株地面以上10 cm處植株直徑，每10 d測量一次。

(6)產(chǎn)量測定。用電子秤稱量小區(qū)產(chǎn)量(精確到0.01 g)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007、DPS 7.05統(tǒng)計分析軟件和Origin 2017、Curve Expert曲線軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種不同施肥器的運行參數(shù)

施肥罐APF的系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可控性高、吸肥量相對穩(wěn)定，機器本身造價昂貴；APVI較APF，可控性相對差，吸肥量與壓差值有很大關(guān)系，造價便宜；VF穩(wěn)定性和可控性不高，施肥桶蓋容易破損，影響其氣密性，肥濃度不均勻，在運行過程中不斷稀釋。從表2中可以看出，3者的系統(tǒng)流量從高到低依次為APVI>APF>VF。

表2 3種水肥一體機的運行參數(shù)

2.2 3種施肥器運行下肥液EC、pH的變化

由圖1、圖2看出：在前6 min內(nèi)APF、APVI、VF的肥液EC、pH均是增高趨勢，此階段可能是肥液逐步進入試驗田的時間段。6 min之后，APF肥液EC穩(wěn)定，維持在1.61～1.65 mS/cm，pH變化趨勢與EC基本保持一致，變化范圍為7.36～7.61；APVI的肥液EC依然呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，至12 min時達最大值1.98 mS/cm，之后又緩慢下降至1.54 mS/cm，隨后幾乎穩(wěn)定不變，其pH變化趨勢同EC。這可能是施肥罐APF、APVI開始施肥前罐內(nèi)先充滿水，人為攪勻，肥料溶解得相對充分，故APF肥液在到達試驗田時EC、pH恒定，肥液均勻，APVI在6～25 min時運行壓差相對不穩(wěn)定，造成肥液EC、pH不均勻有波動，后期趨于穩(wěn)定。VF是先加肥，蓋上施肥罐，直接打開進水管，罐內(nèi)靠壓差自動加水至施肥罐加滿且攪拌，在運行階段施肥罐內(nèi)會不斷有水進入和肥液流出。6 min之后，肥液濃度最高達3.2 mS/cm，pH為8.13，隨施肥過程進行，施肥罐內(nèi)進的水不斷稀釋肥液，肥液濃度逐漸變小，至35 min時EC、pH恒定，分別為0.73 mS/cm、7.48，即是開始運行前水的EC、pH值，說明此階段以后施肥罐內(nèi)肥料已經(jīng)全部溶解用盡。肥液溶解的均勻度會直接影響到作物根系對營養(yǎng)的吸收，根據(jù)以上3個施肥設(shè)備中的EC、pH變化，可推出溶肥的均勻度依次為APF>APVI>VF。

圖1 3種施肥器運行下肥液EC的變化

圖2 3種施肥器運行下肥液pH的變化

2.3 不同處理0～30、30～60 cm土層自然含水率變化

由圖3看出，0～30 cm土層在APF、APVI、VF施肥器應用下的土壤平均含水率分別為14.71%、14.85%、13.08%，前2者之間差異不大，較VF均存在顯著性差異；30～60 cm土層在APF、APVI、VF施肥器應用下的土壤平均含水率分別為10.47%、8.31%、10.07%，APF、VF差異不顯著，2者較APVI均存在顯著性差異。這可能與系統(tǒng)流量有很大關(guān)系，土壤表層系統(tǒng)流量大，易積水，而對于土層深處來說，由于系統(tǒng)流量大，很容易漏水走水，土層下滲的水就會相對減少。

圖3 生育期0～30、30～60 cm土壤自然含水率的變化

2.4 不同處理0～30、30～60 cm土壤EC變化

由圖4看出，0～30、30～60 cm土壤EC為0.1～0.8 mS/cm。APF應用下的0～30 cm土壤EC變化在茄子整個生育期呈“M”趨勢，這與施肥前后有關(guān)系，波峰時是施肥后第1 d數(shù)據(jù)，而波谷時是施肥前數(shù)據(jù)，明顯反映了施肥前后0～30 cm土壤的EC變化和作物吸收有直接關(guān)系；30～60 cm土壤EC呈波峰式變化，深層土壤養(yǎng)分被作物利用過程相對緩和，需要土壤養(yǎng)分運移過程，且無論定植前和生育末期0～30、30～60 cm土壤的EC值幾乎沒有變化，可見，APF應用下的營養(yǎng)液濃度均勻，易被作物迅速吸收，且不在土壤殘留；APVI應用下的0～30、30～60 cm土壤EC前期只有0.1 mS/cm，隨肥液施入后沒有明顯起伏變化，后期驟然增高，達0.7～0.8 mS/cm?？赡苡捎诜室簼舛鹊牟痪鶆蛟斐?，但在土壤自身可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，之后又驟然下降，生育末期與定植時EC值相比較，0～30 cm土壤增加了0.06 mS/cm，30～60 cm土壤反而下降了0.06 mS/cm；VF應用下的0～30、30～60 cm土壤EC變化趨勢與APF相似，均呈“M”趨勢，隨施肥時土壤EC增高，植物吸收后下降。

圖4 生育期0～30、30～60 cm土壤EC的變化

2.5 不同處理0～30、30～60 cm土壤pH變化

土壤pH是影響植物生長的關(guān)鍵因子。由圖5看出，0～30、30～60 cm土壤pH為7.84～8.63，均呈堿性甚至強堿性。3個處理的0～30 cm土壤pH生長末期與定植前相比較，差異不顯著。其中，APF由定植前的8.52降低為8.2，APVI比定植前降低0.07，VF較定植前有所增高，增3.75%。30～60 cm土壤中，3個施肥罐的土壤pH雖然在生長中期有跌幅，但總體變化均在生長末期時呈增高趨勢。較定植前，3者應用下分別增加4.33%、4.2%、3.91%。

圖5 生育期0～30、30～60 cm 土壤pH的變化

2.6 不同處理對茄子生長指標的影響

2.6.1 不同處理對茄子莖粗的影響

由圖6看出，茄子莖粗生長在11月下旬就趨于穩(wěn)定，定植后的前60 d屬于緩慢增長期，APF、APVI、VF應用下分別以0.11、0.11、0.10 mm/d增長；定植后的60～76 d屬于快速增長期，3者分別以0.17、0.15、0.18 mm/d增長。APF的莖粗最高達17.44 mm，分別比APVI、VF高出2.72%、0.77%，可見，水肥一體機的系統(tǒng)流量、運行穩(wěn)定性直接影響植株莖粗的生長。

圖6 茄子生育期莖粗的變化

2.6.2 不同處理對茄子株高的影響

從實際所測數(shù)據(jù)得出：可用Logistic方程模擬不同處理下茄子株高生長曲線(見圖7)。APF、APVI、VF的株高分別可以用Logistic方程式y(tǒng)=124.91/(1+20.997 e-0.062 8 x)、y=120.15/(1+26.03 e-0.059 x)、y=123.23/(1+34.2 e-0.070 5 x)來模擬，且相關(guān)系數(shù)均達到0.99。株高可以反映作物的生長趨勢，直接影響產(chǎn)量高低。通過模擬方程可知，APF的株高最高可達118.51 cm，比APVI、VF分別高出0.71%、2.95%。

圖7 茄子生育期實際株高及“S”形模擬曲線

2.7 不同處理對茄子葉面積的影響

葉面積是與產(chǎn)量關(guān)系最密切、變化最大，同時又是比較容易控制的一個因素。葉面積變化又與葉形指數(shù)變化高度正相關(guān)，其相關(guān)性計算參照宋亞平等學者的葉面積測量方法研究[14](見表3)。

如圖8所示，茄子葉形在不同生育期有差別，對應的葉面積也大不相同，葉形指數(shù)(寬/長)在生育前期較小，變化范圍為0.57～0.71，隨生育期推移逐漸變大，生育期末葉形指數(shù)為0.57～0.88。其中，APF、VF應用下的葉形指數(shù)變化趨勢及變化值相近，生育前期葉形指數(shù)<0.63，葉片長橢圓形，生育末期葉形指數(shù)為0.63～0.86，葉片橢圓形；APVI應用下，生育前期葉形指數(shù)0.71，葉片橢圓形，生育末期葉形指數(shù)高達0.88，葉片橢圓形。

根據(jù)葉形指數(shù)變化范圍對應的葉面積公式計算得不同處理下的葉面積變化(見圖9)，茄子葉面積在前期處于緩慢增長期，生育末期有所變小，這可能與葉片萎蔫縮水有一定關(guān)系。APF的葉面積明顯高于VF、APVI，在葉面積最大時，前者比后者分別高出12.43%、19.48%，最高達306.62 cm2。

表3 茄子葉長與葉面積的相關(guān)系數(shù)及回歸方程[14]

注：葉面積通過參考上述葉長與葉面積的回歸方程所得(x為葉長，y為葉面積)。

圖8 生育期茄子葉形指數(shù)變化

圖9 生育期茄子葉面積的變化

2.8 不同處理對茄子產(chǎn)量及水肥生產(chǎn)率的影響

由表4可知：在同等施肥量、灌水量的條件下，APF、APVI之間的產(chǎn)量未達到顯著差異，而2者均與VF的產(chǎn)量達到極顯著差異，在灌溉水分生產(chǎn)率和肥料偏生產(chǎn)率上也存在差異。其中，APF、APVI比VF分別增產(chǎn)17.77%、17.03%；APF、APVI的灌溉水分生產(chǎn)率比VF均高出17.81%、17.05%；APF、APVI的肥料偏生產(chǎn)率比VF均高出17.78%、17.04%?？梢姡珹PF、APVI在同等用肥量和灌水量的條件下，也達到了增產(chǎn)增效的目的。

表4 不同水肥一體機對茄子產(chǎn)量及水肥生產(chǎn)率的影響

3 結(jié)論與討論

本試驗從0～30 cm土壤自然含水率變化來看，變化范圍為13.08%～14.85%，30～60 cm土層保持在8.31%～10.47%。從肥液EC、pH來看：3種施肥罐肥液至田間在6 min之后，APF的肥液EC穩(wěn)定，維持在1.61～1.65 mS/cm，pH變化趨勢和EC基本保持一致；APVI的肥液EC依然緩慢增長至12 min，之后又緩慢下降至1.54 mS/cm，之后基本恒定，其pH變化趨勢同EC；VF在運行階段肥液濃度不斷被稀釋，最高達3.2 mS/cm，pH為8.13，之后肥液濃度逐漸變小至肥料全部溶解。由肥液EC、pH可推出溶肥的均勻度依次為APF>APVI>VF。3個不同施肥器應用后的茄子根際的土壤EC、pH變化不同：APF下土壤EC在0～30 cm土層呈“M”變化趨勢，30～60 cm土層呈波峰式；APVI下的0～30 cm土層增加了0.06 mS/cm，30～60 cm土壤反而下降了0.06 mS/cm；VF下的0～60 cm土層變化趨勢與APF相似。土壤pH在0～30 cm土層時，3個處理變化趨勢不同，在30～60 cm土層時，變化趨勢相同，這就和施肥設(shè)備的性能及混肥均勻度有關(guān)。學者陳囡囡、韓啟彪研究表明壓差施肥器施肥前期肥液濃度消減較快，后期會趨于平緩，且入罐流量的大小是影響肥液濃度衰減速率的主因素[12-15]。同時，李加念的團隊及趙燕東研究指出，灌溉施肥器運行性能、混肥均勻度會影響作物的生長及根際養(yǎng)分濃度的分布、水肥利用率[16,17]。本研究中選擇的APF施肥器混肥均勻度高、施肥量可控，且可以通過肥液EC和pH進行實時調(diào)控，EC和pH變化相對平穩(wěn)；APVI、VF有時肥液的溶解不均勻，會造成某次或某個時期土壤EC驟然增高，從而可能形成土壤反滲透壓，植物根系無法吸收營養(yǎng)和養(yǎng)分，抑制作物的生長，故試驗結(jié)果表明茄子生長指標莖粗、株高、產(chǎn)量及水肥利用率均是APF最高，APVI次之，APF、APVI產(chǎn)量差異不顯著。

綜上所述，在APF、APVI產(chǎn)量分別為27 860.4、27 685.05 kg/hm2，灌溉水分生產(chǎn)率分別為24.43、24.29 kg/m3，肥料偏生產(chǎn)率為61.91、61.52 kg/kg，以上指標2者均差異不顯著。考慮APF設(shè)備操作要求高且造價昂貴，大面積推廣有一定的局限性，農(nóng)民不易接受，而APVI設(shè)備造價便宜，操作簡單，后續(xù)維護工作少，易在田間地頭安裝，因此，推薦APVI(可調(diào)比例式文丘里注肥器)進行大面積推廣。