負(fù)壓灌溉對(duì)菠菜生長(zhǎng)及水分利用效率的影響

向艷艷，黃運(yùn)湘，龍懷玉，楊蕾靜，黃煌，于康，歐陽(yáng)寧相

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128； 2. 湘西州土壤肥料工作站，湖南 吉首 416000； 3. 中國(guó)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)

水分是作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵要素.灌溉技術(shù)的發(fā)展以節(jié)水增產(chǎn)為最重要目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外眾多研究表明[1-2]先進(jìn)的灌溉技術(shù)、科學(xué)的水肥管理能顯著提高設(shè)施蔬菜產(chǎn)量，有效提高水肥資源利用效率，低壓管灌、噴灌、滴灌、滲灌、作物控制性分根區(qū)交替灌溉以及調(diào)虧灌溉技術(shù)，基本上消除了土壤水分養(yǎng)分的大起大落[3]，微灌水肥耦合可協(xié)同提高蔬菜產(chǎn)量和水分、養(yǎng)分利用效率，但仍然是被動(dòng)地接受灌溉水和肥料養(yǎng)分.

負(fù)壓灌溉技術(shù)作為一種先進(jìn)的灌溉方式，其原理是通過(guò)作物蒸發(fā)蒸騰耗水使得根系土水勢(shì)下降，形成灌溉系統(tǒng)與土壤之間的水勢(shì)差，從而實(shí)現(xiàn)作物主動(dòng)從土壤中吸收水分和養(yǎng)分.一些研究[4-6]表明，應(yīng)用負(fù)壓灌溉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小油菜、小白菜、辣椒等多種作物增產(chǎn)節(jié)水，改善品質(zhì)、提高水肥利用效率.李生平等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)-5.0～ -10.0 kPa負(fù)壓供水很好地協(xié)調(diào)碳同化和水分耗散之間的關(guān)系，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和水分高效利用，產(chǎn)量較常規(guī)灌溉提高20.1%～69.3%，水分利用效率提高149.8%～165.6%.丁亞會(huì)等[9]研究表明，-15.0 kPa負(fù)壓灌溉下隨水施鉀能有效促進(jìn)烤煙植株干物質(zhì)積累和鉀素的吸收，明顯地提高水分利用效率和鉀肥利用率.LI等[10]研究連續(xù)負(fù)壓供水對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的影響表明，-5.0 kPa負(fù)壓供水下辣椒產(chǎn)量較常規(guī)灌溉提高13.79%，-5.0～-15.0 kPa處理下水分效率提高12.66% ～ 124.67%.李銀坤等[11]研究滴灌營(yíng)養(yǎng)液模式與負(fù)壓灌溉水肥一體化對(duì)番茄水肥利用的影響，結(jié)果表明負(fù)壓水肥一體化灌溉的周年耗水量較低，水分利用效率較營(yíng)養(yǎng)液滴灌施肥提高了10.0%～30.3%.

菠菜營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、地域適應(yīng)性廣，是最常見的設(shè)施栽培蔬菜之一.文中采用一種新型負(fù)壓水肥一體化灌溉裝置，研究不同給水負(fù)壓對(duì)菠菜生長(zhǎng)發(fā)育和水分利用效率的影響，獲取菠菜生長(zhǎng)最適宜的負(fù)壓灌溉值，為南方地區(qū)菠菜栽培的水分管理提供技術(shù)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)內(nèi)的潮菜園土，土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土.采集0～20 cm耕作層土壤，土壤采回后經(jīng)風(fēng)干、錘碎、過(guò)5 mm篩、混勻備用.土壤基本理化性質(zhì)：pH為5.64，有機(jī)質(zhì)為39.24 g/kg，全氮為1.93 g/kg，全磷為2.22 g/kg，全鉀為12.33 g/kg，堿解氮為85.7 mg/kg，速效鉀為213.9 mg/kg，有效磷為77.6 mg/kg，田間持水量26.8%.

1.2 負(fù)壓灌溉裝置與工作原理

負(fù)壓灌溉裝置由負(fù)壓發(fā)生器、儲(chǔ)水器、滲水器、輸水管道系統(tǒng)4個(gè)部分組成，連接方法見圖1.

負(fù)壓發(fā)生器采用重液式負(fù)壓閥控制負(fù)壓值[12]，儲(chǔ)水器為密封性良好的圓柱形PVC桶(內(nèi)徑190 mm，高500 mm)，桶上裝有水位觀測(cè)管，滲水器為透水不透氣的多孔陶土管(內(nèi)徑10 mm，外徑18 mm，長(zhǎng)230 mm)，輸水管道以透明的有機(jī)塑料軟管，連接儲(chǔ)水器與滲水器.滲水器埋于盆栽桶中間位置，距離土表10 cm深處，略向下傾斜至頭部高于尾部1 cm左右，利于陶土管內(nèi)空氣排出.負(fù)壓灌溉裝置供水原理是隨作物生長(zhǎng)吸水，土壤水勢(shì)降低，低于負(fù)壓發(fā)生器設(shè)定的壓力值，灌溉水在土壤吸力的作用下滲入土壤，儲(chǔ)水器水位下降，使得儲(chǔ)水器上部氣體空間增大，桶內(nèi)壓強(qiáng)減小，外部空氣經(jīng)由硅膠管進(jìn)入儲(chǔ)水器，而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)負(fù)壓水平維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，以產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的供水負(fù)壓恒穩(wěn)供水.

圖1 負(fù)壓灌溉裝置示意圖Fig.1 Sketch of a negative pressure irrigation equipment

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

采用土壤盆栽試驗(yàn)的方法，于2016年10月—2017年2月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土肥高效利用試驗(yàn)基地網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行.試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，處理1：對(duì)照(CK，人工澆灌)；處理2：-5.0 kPa負(fù)壓灌溉；處理3：-10.0 kPa負(fù)壓灌溉；處理4：-15.0 kPa負(fù)壓灌溉，每處理重復(fù)3次.

將供試土壤濕潤(rùn)至田間持水量后裝入已連接好灌溉裝置的橡膠盆(上口34 cm、下底24 cm、高25 cm)內(nèi)，每盆12 kg風(fēng)干土.儲(chǔ)水器(容積13.3 dm3)注入氮濃度為0.031 8%的營(yíng)養(yǎng)液，ω(N)∶ω(P2O5)∶ω(K2O)=1∶0.65∶1，供試肥源為硫酸銨、磷酸二氫鉀和硫酸鉀，實(shí)行水肥一體化自動(dòng)灌溉.對(duì)照處理采用相同濃度營(yíng)養(yǎng)液人工澆灌，每次500 mL，以土壤平均含水量為田間持水量的70%～80%作為作物是否需要灌溉的依據(jù).選擇晴天播種(10月15日)，等種子萌發(fā)長(zhǎng)出幼苗后，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗留于盆中，每盆8株.試驗(yàn)期間每7 d記錄1次水位下降深度，并觀察其生長(zhǎng)動(dòng)態(tài).負(fù)壓灌溉儲(chǔ)水器水位降至最低刻度線時(shí)，立即補(bǔ)水，根據(jù)儲(chǔ)水器水位下降深度計(jì)算灌溉量.

1.4 采樣與分析測(cè)定

試驗(yàn)于2017年2月22日分盆缽按地上部和根部分別收獲.帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其鮮質(zhì)量.每處理隨機(jī)選取3株測(cè)定地上部莖葉維生素C、可溶性糖、脯氨酸含量，其余菠菜地上部殺青烘干后測(cè)定水分含量和植株氮磷鉀含量.剪取根尖部分測(cè)定根系活力.菠菜收獲后使用土鉆采取陶土管兩側(cè)5 cm 內(nèi)0～20 cm土樣，每重復(fù)采集3個(gè)點(diǎn)，測(cè)定土壤含水量.

土壤基本理化性質(zhì)采用常規(guī)分析方法測(cè)定.生物產(chǎn)量用天平稱重；可溶性糖、維生素C、脯氨酸含量采用酶聯(lián)免疫(ELISA)法測(cè)定，試劑盒由上海嵐派生物科技有限公司提供；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法(TTC 法)測(cè)定；地上部干樣經(jīng)H2SO4—H2O2消化，全氮用蒸餾法，全磷用鉬銻抗比色法，全鉀用火焰光度計(jì)法測(cè)定，植株含水量和土壤含水量采用烘干法測(cè)定，田間持水量采用威爾科克斯法測(cè)定.

1.5 數(shù)據(jù)處理

耗水量采用水量平衡法計(jì)算，溫室盆栽試驗(yàn)條件下隔絕了降雨，負(fù)壓灌溉供水量和澆灌量較少，故地表徑流、水分土表蒸發(fā)、深層滲漏可忽略不計(jì)；同時(shí)，試驗(yàn)地地下水位較深，可視地下水補(bǔ)給量為0.因此，菠菜耗水量計(jì)算公式為

ET=I-ΔS=Sh-ΔS，

(1)

水分利用效率

WUE=DW/ET，

(2)

灌溉水分利用效率

IWUE=DW/I，

(3)

式中：ET為作物耗水量，dm3/pot；I為灌溉量，dm3/pot；S為儲(chǔ)水器底面積，dm2；h為水位下降深度，dm；ΔS為試驗(yàn)初期和末期每盆土壤水分變化量；DW為菠菜地上部干質(zhì)量，g.

TAA(N，P，K)=NC·DW，

(4)

式中：TAA為菠菜地上部氮(磷、鉀)累積吸收量，mg；NC為菠菜地上部氮(磷、鉀)含量， g/kg.

采用Excel 2007 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS Statistics 17.0進(jìn)行差異顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供水處理的土壤水分含量

表1為不同供水處理土壤含水量.從表1可以看出，-5.0 kPa～-15.0 kPa負(fù)壓供水，土壤含水量均顯著低于CK，較CK下降24.9%～48.3%.不同供水負(fù)壓下，土壤含水量隨供水負(fù)壓值的降低而減少，-15.0 kPa顯著低于-5.0 kPa和-10.0 kPa，處理-5.0 kPa和-10.0 kPa的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表1 不同供水處理土壤含水量Tab.1 Soil water contents in different water supply treatments

2.2 菠菜生物量和根冠比

表2為不同供水處理菠菜地上部(Ma)和地下部(Mb)生物產(chǎn)量.從表2可以看出，菠菜地上部生物產(chǎn)量以CK和處理-5.0 kPa較高，顯著高于-10.0 kPa和-15.0 kPa.地下部生物量以處理-5.0 kPa最高，顯著高于CK和-15.0 kPa.根冠比(γ)以CK最低，顯著低于負(fù)壓供水處理，供水負(fù)壓值降低，根冠比增大，表明土壤水分虧缺，首先抑制了根系的生長(zhǎng)，繼而影響地上部的生長(zhǎng)發(fā)育，地上部產(chǎn)量顯著下降，根冠比增大.

表2 不同供水處理菠菜地上部和地下部生物產(chǎn)量Tab.2 Aboveground and underground biomass of spinach in different water supply treatments

2.3 菠菜生育期耗水量和水分利用效率

表3為不同供水處理菠菜耗水量和水分利用效率.從表3可以看出，-5.0～-15.0 kPa負(fù)壓供水，灌水量和耗水量均低于對(duì)照，分別較對(duì)照下降41.6%～66.7%和29.7%～44.7%.不同負(fù)壓供水，菠菜全生育期灌水量和耗水量隨供水負(fù)壓值的降低而減少，處理-15.0 kPa灌水量?jī)H為-5.0 kPa的57.0%，土壤含水量顯著下降(見表1)，不能滿足菠菜對(duì)水分的需求，菠菜產(chǎn)量顯著降低(見表2).從灌溉水分利用效率(IWUE)和水分利用效率(WUE)分析，-5.0～-15.0 kPa負(fù)壓供水灌溉水分利用效率顯著高于對(duì)照，較對(duì)照提高51.6%～64.0%，水分利用效率以-5.0 kPa最高，顯著高于CK和-15.0 kPa，分別提高28.0%和29.2%，與-10.0 kPa差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表3 不同供水處理菠菜耗水量和水分利用效率Tab.3 Water consumption and water use efficie-ncy of spinach in different water supply treatments

2.4 菠菜脯氨酸含量和根系活力

脯氨酸作為植物蛋白質(zhì)的組分之一,以游離態(tài)廣泛存在于植物體內(nèi)，其作用是調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)濃度,從而調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透性，在干旱環(huán)境下脯氨酸含量θp會(huì)增加.圖2為不同供水處理菠菜脯氨酸含量和根系活力r,圖中不同小寫字母表示處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05).從圖2a可知，-5.0～-10.0 kPa負(fù)壓供水，菠菜脯氨酸含量與對(duì)照差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，供水負(fù)壓值降低，脯氨酸含量急劇升高，處理-15.0 kPa菠菜脯氨酸含量較CK，-5.0和-10.0 kPa分別提高61.5%，55.6%和47.8%.根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，也是感知環(huán)境信號(hào)，實(shí)現(xiàn)植株生長(zhǎng)自調(diào)節(jié)的重要傳感器.根系活力是評(píng)價(jià)植株生長(zhǎng)環(huán)境特別是水分脅迫的重要生理指標(biāo)之一.從圖2b可知，-5.0 kPa負(fù)壓供水，菠菜根系活力顯著高于CK,-10.0 和-15.0 kPa，分別提高65.3%,51.5%和91.0%.供水負(fù)壓值降低，土壤含水量下降，根系活力顯著降低，表明適度控制土壤水分，有利于植物根系生長(zhǎng)和根系活力的提升，干旱加劇，植株自調(diào)節(jié)能力下降，生物產(chǎn)量降低.

圖2 不同供水處理菠菜脯氨酸含量和根系活力Fig.2 Proline contents and root activities of spinach in different water supply treatments

2.5 菠菜VC、可溶性糖、氮磷鉀含量

圖3為不同供水負(fù)壓處理菠菜維生素C(θVC)和可溶性糖含量(θss).從圖3可以看出，菠菜維生素C和可溶性糖含量均以處理-5.0 kPa最高，分別為0.507 2 mg/g和1.74%，均顯著高于-15.0 kPa.維生素C含量分別較CK，-10.0和-15.0 kPa提高18.3%，10.5%和44.9%；可溶性糖含量分別較CK，-10.0和-15.0 kPa提高6.1%，23.4%和47.5%；表明-5.0 kPa處理控制適宜土壤水分，有利于提高菠菜葉片中VC和可溶性糖含量，改善其品質(zhì).

表4為不同供水處理菠菜氮磷鉀含量及吸收量.從表4可以看出，-5.0～-15.0 kPa負(fù)壓供水，菠菜地上部氮、磷、鉀含量均高于CK.累積吸收量以處理-5.0 kPa最高，氮顯著高于CK，磷、鉀與CK差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.隨著供水負(fù)壓值的下降，菠菜地上部氮、磷、鉀含量和累積吸收量逐漸降低.

由于每個(gè)處理的耗水量不同，隨灌溉水輸入土壤的氮、磷、鉀總量有差異，其中以對(duì)照處理最高，處理-5.0 kPa較CK分別降低25.0%，22.2%和25.0%，累積吸收量分別提高17.70%，1.63%和0.39%，表明適宜的負(fù)壓灌溉有利于作物對(duì)養(yǎng)分特別是氮素養(yǎng)分的吸收利用.

圖3 不同供水負(fù)壓處理菠菜維生素C和可溶性糖含量Fig.3 Vitamin C contents of and soluble sugar of spinach in different water supply treatments

表4 不同供水處理菠菜氮磷鉀含量及吸收量Tab.4 Nitrogen, phosphorus and potassium uptakes of spinach in different water supply treatments

3 討 論

在水資源日益緊缺的條件下，合理灌溉不僅滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的需求，同時(shí)節(jié)約水資源，提高灌溉效率.文中研究結(jié)果表明，-5.0 kPa負(fù)壓供水，菠菜生長(zhǎng)狀況良好，地上部生物產(chǎn)量接近對(duì)照(人工澆灌)，地下部生物量顯著高于對(duì)照；全生育期耗水量顯著低于對(duì)照，表明-5.0 kPa負(fù)壓供水可滿足菠菜對(duì)水分的需求，能維持菠菜較高的產(chǎn)量，又明顯減少灌溉用水量，與以小白菜[5]、黃瓜[8]、番茄[11]等作為試驗(yàn)材料的研究結(jié)果一致.負(fù)壓灌溉由于其平穩(wěn)的水分供給，維持了良好的土壤結(jié)構(gòu)[8]，相較于常規(guī)人工澆灌更有利于根系的生長(zhǎng)，提高根系活力，促進(jìn)養(yǎng)分吸收，有助于產(chǎn)量形成.SMUCKER等[13]發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下作物光合產(chǎn)物優(yōu)先分配給根系，根冠比增大，發(fā)達(dá)的根系和較大的根冠比有利于吸收更多的水分和營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分，以適應(yīng)干旱逆境，但過(guò)分龐大的根系會(huì)影響地上部的生物量，進(jìn)而影響適宜產(chǎn)量的形成.文中研究表明，處理-5.0 kPa負(fù)壓供水，菠菜根系活力高于CK和-10.0，-15.0 kPa，根冠比低于-10.0和-15.0 kPa，說(shuō)明過(guò)低的負(fù)壓供水(-10.0～15.0 kPa)，不能滿足作物對(duì)水分的需求，根系活力下降，根冠比增大，不利于地上部產(chǎn)量的形成.邊云等[14]研究表明土壤水分過(guò)量和虧缺都會(huì)影響土壤養(yǎng)分濃度，養(yǎng)分濃度過(guò)低或過(guò)高均會(huì)抑制根系的生長(zhǎng)和對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收.處理-5.0 kPa負(fù)壓供水，菠菜地下部生物量和氮、磷、鉀吸收量均高于CK和-10.0，-15.0 kPa.綜上所述，-5.0 kPa負(fù)壓供水能維持穩(wěn)定的土壤含水量，滿足菠菜對(duì)水分的需求，促進(jìn)菠菜對(duì)養(yǎng)分的吸收和提高生物產(chǎn)量.

作物水分利用效率是評(píng)價(jià)水資源高效利用的重要指標(biāo).人工澆灌為間歇性灌溉方式 ，在1個(gè)灌溉周期內(nèi)土壤含水量處于變化狀態(tài)，灌溉初期土壤濕潤(rùn)，土面蒸發(fā)量大，水分利用效率下降.負(fù)壓灌溉通過(guò)滲水器直接供水于作物根系附近，利用灌溉系統(tǒng)與土壤之間的水勢(shì)梯度實(shí)現(xiàn)作物連續(xù)主動(dòng)吸取所需水分，提高灌溉水的利用效率.究其原因，其一，負(fù)壓灌溉適當(dāng)減少灌溉量，植株可通過(guò)氣孔調(diào)節(jié)影響葉片蒸騰速率從而平衡葉片水分，進(jìn)而提高水分利用效率[7]；其二，負(fù)壓灌溉基于作物根區(qū)濕潤(rùn)方式調(diào)控土壤水分運(yùn)動(dòng)及有效性，有效抑制土壤表面水分蒸發(fā)消耗[8]；其三，適宜負(fù)壓灌溉下作物根系活力高于人工澆灌，改變了根系導(dǎo)水率，增強(qiáng)作物吸水的根壓驅(qū)動(dòng)力，從而促進(jìn)水分有效吸收利用.本研究表明，-5.0 kPa負(fù)壓灌溉菠菜水分利用效率顯著高于對(duì)照，較對(duì)照提高28.0%.供水負(fù)壓值降低，水分利用效率下降，當(dāng)供水負(fù)壓值降低至-15.0 kPa時(shí)，水分利用效率顯著低于-5.0 kPa和對(duì)照處理，表明-15.0 kPa負(fù)壓供水已不能滿足菠菜生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，菠菜產(chǎn)量顯著下降，水分利用效率隨之降低.脯氨酸作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在干旱環(huán)境下通過(guò)其在體內(nèi)的大量積累，以抵御干旱脅迫.研究表明，處理-15.0 kPa負(fù)壓供水下菠菜脯氨酸含量明顯升高，顯著高于對(duì)照和-5.0和-10.0 kPa，表明菠菜處于嚴(yán)重水分脅迫狀態(tài)，作物可能通過(guò)氣孔關(guān)閉以減少蒸騰耗水導(dǎo)致作物光合作用受阻，嚴(yán)重抑制產(chǎn)量形成，水分利用效率低下.

4 結(jié) 論

1) 與人工澆灌相比，適宜的負(fù)壓(-5.0 kPa)灌溉，在保證一定生物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，顯著提高水分利用效率，降低灌溉用水量.

2) -5.0 kPa負(fù)壓灌溉，土壤含水量控制在菠菜生長(zhǎng)適宜的范圍，促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育和對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，同時(shí)改善菠菜品質(zhì).