不同灌溉方式對(duì)土壤水熱及生菜產(chǎn)量的影響

李 尤 亮,張 雷,王 杰,袁 藝,吳 灝

(1.云南省水利水電科學(xué)研究院,云南 昆明 650228; 2.高原立體氣候條件作物需水云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站,云南 昆明 650228; 3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所,云南 昆明 650228; 4.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要的物質(zhì)基礎(chǔ),在農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有不可替代的作用[1],是維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及支撐人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根基。中國(guó)年農(nóng)業(yè)灌溉用水量約為3.8×1012m3,占總用水量近70%[2]。然而,受灌溉方式、農(nóng)田水利工程狀況及水資源管理等的影響,農(nóng)業(yè)灌溉用水普遍存在浪費(fèi)嚴(yán)重、水資源利用效率低等不合理的現(xiàn)象,農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)大多為0.3～0.4[2-3]。因此,農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率提升潛力巨大。農(nóng)業(yè)灌溉方式等問題受到水資源管理部門、學(xué)者、糧食生產(chǎn)者的廣泛關(guān)注。

不覆膜滴灌及覆膜滴灌是重要的節(jié)水灌溉方式,可使農(nóng)田微氣象環(huán)境、土壤水熱狀況等發(fā)生改變,提高灌溉水資源利用效率,進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量。已有學(xué)者對(duì)于作物產(chǎn)量及農(nóng)田水熱狀況對(duì)不覆膜滴灌及覆膜滴灌等的響應(yīng)規(guī)律開展了大量的研究。與微噴灌溉、畦灌等傳統(tǒng)灌溉方式相比較,不覆膜滴灌及覆膜滴灌可減少灌溉水無(wú)益消耗,提高灌溉水利用效率[4]。齊智娟、楊恒山等[5-6]對(duì)玉米的研究發(fā)現(xiàn),覆膜滴灌可以起到增溫保墑的作用,為玉米生產(chǎn)提供較好的水熱環(huán)境,可顯著提高玉米產(chǎn)量。對(duì)于小麥、棉花、番茄等作物而言,滴灌、膜下滴灌可顯著提高土壤含水率、土壤溫度、作物產(chǎn)量及品質(zhì)[7-9]。此外,地膜覆蓋在協(xié)調(diào)土壤水熱條件的同時(shí),增加了土壤中微生物數(shù)量及活力,可提高作物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收和利用率。

生菜(Lactucasativa)又稱葉用萵苣,富含維生素、膳食纖維、碳水化合物和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),且具有預(yù)防貧血、鎮(zhèn)痛催眠、抗衰老和降血壓等功能[10],被廣泛種植。在云南滇中地區(qū),生菜是重要的綠色蔬菜之一,其種植面積逐年增加[11]。在生菜種植過(guò)程中,水資源投入量較大,其灌溉方式以微噴灌為主,灌溉效率較為低下且水資源浪費(fèi)嚴(yán)重?；诖?本研究以生菜為典型作物,開展微噴灌、不覆膜滴灌及覆膜滴灌灌溉試驗(yàn)。研究生菜生育期內(nèi)土壤溫度、土壤水儲(chǔ)量對(duì)微噴灌、不覆膜滴灌及覆膜滴灌的響應(yīng)規(guī)律,探討其對(duì)生菜生長(zhǎng)及最終產(chǎn)量的影響,以期為云南省滇中地區(qū)生菜灌溉方式的調(diào)整提供科學(xué)支撐。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)屬亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候區(qū),多年平均日照時(shí)數(shù)為2 200 h,多年平均氣溫為14.7 ℃,最冷月平均氣溫為7.7 ℃,最熱月平均氣溫為20.6 ℃,全年無(wú)霜期為285 d。全年平均降雨量為789.6 mm,主要集中在5～9月,約占全年降水量的80%～90%。試驗(yàn)地土質(zhì)為砂壤土,pH值為8.2[11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2020年和2021年在云南省灌溉試驗(yàn)中心站開展了不同灌溉方式對(duì)生菜生育期內(nèi)土壤水熱、生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置的3種處理方式分別為微噴灌、不覆膜滴灌和覆膜滴灌。每種灌溉方式設(shè)置3個(gè)重復(fù),灌溉下限均為田間持水量的80%,灌溉上限為田間持水量。生菜生育期劃分:2021年團(tuán)棵期為11月4～23日,蓮座期為11月24日至12月8日,結(jié)球期為12月9～31日,成熟采收期為翌年1月1～6日;2022年團(tuán)棵期為11月4～23日,蓮座期為11月24日至12月11日,結(jié)球期為12月12日至翌年1月13日,成熟采收期為翌年1月14～18日。

1.3 數(shù)據(jù)觀測(cè)

生菜生育期內(nèi)的土壤溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)埋設(shè)的土壤溫度和土壤濕度傳感器進(jìn)行觀測(cè),埋設(shè)深度為10,20,30,40 cm,觀測(cè)頻率為1 h。使用鋼尺測(cè)量株高,每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)標(biāo)記9株,精確到0.1 cm。生育期結(jié)束,使用電子天平對(duì)生菜產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定,精確到0.01 g。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2021對(duì)生菜生育期內(nèi)土壤溫度、土壤水儲(chǔ)量、株高和產(chǎn)量進(jìn)行處理和制圖。采用方差分析法分析各灌水模式間株高及產(chǎn)量的顯著性差異。

2 結(jié)果分析

2.1 不同灌溉方式對(duì)土壤水儲(chǔ)量的影響

生菜不同生育期土壤水儲(chǔ)量的變化受降雨、灌溉及作物蒸發(fā)蒸騰量等的綜合影響[12]。2020年和2021年微噴灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下生菜各生育期10～40 cm土壤水儲(chǔ)量變化如圖1,2所示。在生菜各生育期,不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下的土壤水儲(chǔ)量均顯著大于微噴灌;不覆膜滴灌略大于覆膜滴灌,差異不顯著(見圖1)。與微噴灌方式下相比,不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下全生育期土壤水儲(chǔ)量在2020年分別提高了41.6%和37.5%,在2021年分別提高了33.5% 和29.5%。2020年和2021年,不覆膜滴灌較覆膜滴灌的生菜全生育期土壤水儲(chǔ)量分別提高了 3.0% 和3.1%。這可能是由于在覆膜滴灌和不覆膜滴灌方式下,灌溉水直接進(jìn)入土壤,進(jìn)而減少了水分的無(wú)益消耗[4],而在微噴灌方式下部分灌溉用水量被生菜葉片截留而隨蒸發(fā)消耗[13]。

圖1 2020年和2021年不同灌溉模式下生菜各生育期土壤水儲(chǔ)量Fig.1 Soil moisture content in different growth periods of Lactuca sativa under different irrigation modes in 2020 and 2021

圖2 2020年和2021年不同灌溉模式下土壤水儲(chǔ)量分布Fig.2 Soil moisture content distributions in different growth periods under different irrigation treatments in 2020 and 2021

在土壤剖面上,微噴灌及覆膜滴灌的土壤水儲(chǔ)量隨著土壤深度的增加呈增加的趨勢(shì);而不覆膜滴灌則呈先增加后減小的趨勢(shì),最大值均出現(xiàn)在30 cm處。在各土壤層,不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下的土壤水儲(chǔ)量均大于微噴灌。10～30 cm不覆膜滴灌土壤水儲(chǔ)量大于覆膜滴灌,在40 cm處,覆膜滴灌的土壤水儲(chǔ)量大于不覆膜滴灌。這可能是由于根系是作物主要的吸水器官[14],根系的長(zhǎng)度影響不同土壤層的水分狀況[15],而不同的灌溉方式影響了生菜根系的垂向生長(zhǎng)過(guò)程。以往研究表明,覆膜滴灌條件下,作物根系分布主要集中在土壤上層。

2.2 不同灌溉方式對(duì)土壤溫度的影響

土壤溫度是影響生菜生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一[16]。2020年和2021年微噴灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌模式下,生菜生育期內(nèi)日尺度及各生育期土壤溫度變化如圖3,4所示。生菜定植以后,隨著生育進(jìn)程的推進(jìn),三種灌溉方式的土壤溫度均表現(xiàn)為減小的趨勢(shì)。覆膜滴灌方式下平均土壤溫度顯著大于微噴灌和不覆膜滴灌,而微噴灌和不覆膜滴灌之間平均土壤溫度差異較小。微噴灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下生菜全生育期2020年平均地溫分別為13.6,13.3 ℃和14.9 ℃;2021年平均地溫分別為12.9,12.8 ℃和14.1 ℃。覆膜滴灌方式下土壤平均溫度較微噴灌和不覆膜滴灌,2020年分別提高了9.6%和12.3%,2021年分別提高了9.5%和10.3%。這表明覆膜對(duì)土壤具有明顯的增溫效應(yīng),這與胡英杰[4]研究結(jié)果一致。

圖3 2020年和2021年不同灌溉模式下土壤溫度日變化Fig.3 Changes of daily soil temperature under different irrigation treatments in 2020 and 2021

圖4 2020年和2021年不同灌溉模式下生菜各生育期土壤溫度Fig.4 Soil temperature of Lactuca sativa at different growth periods under different irrigation modes in 2020 and 2021

在10～40 cm深度的土壤剖面上,微噴灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌土壤溫度隨土壤深度的增加而增加(見圖5)。然而,灌溉方式不同,溫度梯度存在差異。微噴灌地溫梯度最大,2020年和2021年其值分別為0.067 4 ℃/cm和0.066 9 ℃/cm;其次為不覆膜滴灌,2020年和2021年其值分別為0.058 7 ℃/cm和0.062 9 ℃/cm;最小為覆膜滴灌,2020年和2021年其值分別為0.037 ℃/cm和0.046 7 ℃/cm。在各土壤層,覆膜滴灌土壤溫度均大于微噴灌和不覆膜滴灌,微噴灌大于不覆膜滴灌(見圖5)。

圖5 2020年和2021年不同灌溉模式下生菜生育期土壤溫度分布Fig 5 Soil temperature distributions in different growth periods under different irrigation modes in 2020 and 2021

2.3 不同灌溉方式對(duì)生菜株高及產(chǎn)量的影響

微噴灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌模式下生菜株高變化及最終產(chǎn)量如圖6,7所示。對(duì)于株高而言,定植初期,不同灌溉模式下生菜株高差異不顯著。隨著生育期的推進(jìn),覆膜滴灌條件下的株高顯著大于不覆膜滴灌和微噴灌(見圖6)。覆膜滴灌較不覆膜滴灌和微噴灌的最終株高,2020年分別增加了12%和13%,2021年分別增加了24%和16%。這可能是由于覆膜對(duì)土壤具有明顯的增溫效應(yīng)[17-18],覆膜滴灌條件下的土壤溫度大于不覆膜滴灌和微噴灌,進(jìn)而導(dǎo)致覆膜滴灌條件下溫度脅迫系數(shù)及積溫效應(yīng)大于不覆膜滴灌和微噴灌。不覆膜滴灌條件下的株高大于微噴灌條件下的株高,其中2020年差異不顯著,2021年差異顯著。2020年和2021年不覆膜條件下的株高較微噴灌分別提高了0.2%和18.4%(見圖6)。

圖6 不同灌溉模式下2020年及2021年生菜株高變化Fig.6 Plant height of Lactuca sativa under different irrigation modes in 2020 and 2021

不同的灌溉方式通過(guò)影響土壤水分狀況、田間小氣候等,進(jìn)而影響生菜的生長(zhǎng)過(guò)程,最終導(dǎo)致生菜產(chǎn)量發(fā)生改變。方差分析顯示,2020年和2021年覆膜滴灌模式下的生菜產(chǎn)量顯著大于不覆膜滴灌和微噴灌(見圖7)。2020年覆膜滴灌、不覆膜滴灌和微噴灌方式下生菜產(chǎn)量分別為3.4萬(wàn),2.4萬(wàn),2.3萬(wàn)kg/hm2;覆膜滴灌較不覆膜滴灌和微噴灌,生菜產(chǎn)量分別提高了41.67%和47.83%。2021年覆膜滴灌、不覆膜滴灌和微噴灌方式下生菜產(chǎn)量分別為3.4萬(wàn),2.7萬(wàn),1.9萬(wàn)kg/hm2。覆膜滴灌較不覆膜滴灌和微噴灌,生菜產(chǎn)量分別提高了25.5%和75.3%。地膜覆蓋可改善田間小氣候,增大光熱交換阻力,協(xié)調(diào)光、溫、水、氣的關(guān)系[19-20]。此外覆膜增加了土壤中微生物數(shù)量及活力,提高了作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用率[21],這可能是導(dǎo)致覆膜滴灌條件下生菜產(chǎn)量顯著大于不覆膜滴灌和微噴灌的主要原因。不覆膜滴灌方式下的生菜產(chǎn)量大于微噴灌,其中2020年差異不顯著,2021年差異顯著(見圖7)。

圖7 不同灌溉模式下2020年及2021年生菜產(chǎn)量變化Fig.7 Final yield of Lactuca sativa under different irrigation modes in 2020 and 2021

3 結(jié) 論

本文對(duì)微噴灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下,生菜生育期內(nèi)的土壤溫度、土壤含水率、生菜株高和生菜最終產(chǎn)量進(jìn)行研究,結(jié)論如下:

(1) 平均土壤水儲(chǔ)量最大的灌溉模式為不覆膜滴灌,其次為覆膜滴灌,微噴灌最小。不覆膜滴灌和覆膜滴灌方式下土壤水儲(chǔ)量與微噴灌相比較,2020年分別提高了41.6% 和37.5%,2021年分別提高了33.5% 和29.5%。微噴灌、覆膜滴灌方式下10～40 cm深度的土壤水儲(chǔ)量隨著土壤深度的增加而增大,不覆膜滴灌方式下則先增加后減小。

(2) 覆膜滴灌方式下平均土壤溫度最大,而微噴灌和不覆膜滴灌之間差異較小。與微噴灌和不覆膜滴灌方式相比較,覆膜滴灌提高了生菜根系層內(nèi)土壤溫度,2020年分別提高了9.6%和12.3%,2021年分別提高了9.5%和10.3%。在剖面上,微噴灌、不覆膜滴灌、覆膜滴灌方式下,土壤溫度均隨土壤深度的增加而增大。

(3) 與微噴灌溉相比較,覆膜滴灌和不覆膜滴灌可提高生菜產(chǎn)量,其中覆膜滴灌的產(chǎn)量最大。2020年其值分別為3.4萬(wàn),2.4萬(wàn)kg/hm2和2.3萬(wàn)kg/hm2,2021年其值分別為3.4萬(wàn),2.7萬(wàn)kg/hm2和1.9萬(wàn)kg/hm2。