基于微潤灌溉技術的大棚白菜生長狀況試驗研究

張國祥，申麗霞，郭云梅

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

針對當前已廣泛應用的節水灌溉技術的一些不足和突出問題，一項全新的地下節水灌溉技術——微潤灌溉技術于2011年被提出，即以膜內外水勢梯度為驅動，根據作物需水要求，以緩慢出流的方式為作物根區實時、自動、適時、適量地連續供水[1]。其特點是管壁上沒有固定孔距的出水孔道，而是在管壁上分布著數量巨大的微孔，微孔的孔徑為10～900 nm，該孔徑使其具有半透膜特性[2]。與其他節水灌溉技術相比，微潤灌具有節水效果明顯、改善作物根區土壤環境、運行成本低、抗堵塞性能強等優點，適宜旱區作物的用水需求[3,4]。

目前關于微潤灌溉的研究大多集中在室內模擬試驗，將其引入實際種植的研究相對較少。在大棚種植管理中，微灌能夠明顯地減少灌溉水的蒸發，顯著降低棚內濕度，而且能夠提高空氣溫度和土壤溫度[5,6]，并能有效抑制作物病害的發生及傳播。而在大棚中進行種植試驗，既可以排除雨水、病蟲害等其他自然或人為因素的干擾，又能保證作物生長所必需的光照，故本試驗將微潤灌溉技術與大棚種植相結合，并選取白菜作為試驗對象，探究其在不同微潤灌溉方式下的生長狀況，并較之于普通澆灌，對比兩種灌溉方式的用水量，驗證微潤灌的節水性能，為該技術的推廣提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在山西省太原市萬柏林區太原理工大學校內進行。北緯37°44＇～37°55＇，東經112°21＇～112°31＇，其地貌為西高東低，西部呈由西向東傾斜的慢坡，海拔780～1 400 m，東部呈帶狀平原，屬于太原盆地的組成部分之一。該地區氣候四季分明，晝夜溫差較大，屬于典型的北溫帶大陸性氣候。由于受西北氣流的影響。春季多風沙，夏季炎熱多雨，秋季涼爽宜人，冬季干燥寒冷。雨季為7-9月，平均年降雨量480～500 mm。一年四季日照充足，全年日照時數平均2 800 h，霜凍期為10月中旬到次年4月中旬，無霜期120～190 d，年平均氣溫9.5～11 ℃。

1.2 試驗裝置及材料

試驗所用大棚面積為5 m×4 m(長×寬)，頂部用塑料膜覆蓋。試驗裝置主要由高位水箱、浮球閥、閥門、輸水管、微潤管和種植箱組成。供水水箱為尺寸70 cm×35 cm×35 cm的塑料儲水器；浮球閥用于保持水箱出水口與微潤管之間的壓差為恒定值；輸水管為Φ16黑色PE管。作為微潤灌溉系統的核心部件，微潤管是一種以半透膜為核心材料制成的軟管狀給水器，具有雙層結構，內徑約16 mm，壁厚1 mm，內層為厚0.06 mm的特制半透膜。管的內壁上分布著數量巨大的微孔，數量為每立方厘米10萬個以上。微潤管與輸水管之間通過Φ16三通連接。本次白菜的種植在種植箱中進行，種植箱尺寸為73 cm×23 cm×20 cm(長×寬×高)。所用土壤為質地較疏松的營養土，土壤初始體積含水率約12.2%，密度約為0.39 g/cm3；白菜種子為“京研快菜2號”，為喜濕作物，生長期為2個月；水源為城市自來水。

1.3 試驗處理

本次試驗共設置A～E 5種不同的處理，每種處理設置3組重復試驗，共15個種植箱。

A處理為U形微潤管布置，即雙管布置[見圖1(a)]，管埋深約8 cm，管長150 cm；B處理進行直線型微潤管布置，即單管布置[見圖1(b)]，管埋深約8 cm，管長85 cm；C處理為單管布置，管埋深約3.5 cm，管長85 cm；D處理為雙管布置，管埋深約3.5 cm，管長150 cm；E處理采用普通澆灌方式，根據白菜的生長需求適時澆灌。采用微潤灌溉的4種處理各設置一個供水水箱，壓力水頭均為2 m。

圖1 微潤管布置圖Fig.1 The layout of moistube tube

1.4 試驗方法

撒種后打開水箱閥門開始灌水，同時對進行E處理的種植箱澆水各3 L。每隔5 d記一次水箱的刻度；每隔5 d取一次土樣，用烘干法測各種植箱土壤含水率(體積)，每箱取4個點，計算平均值，取土位置均相同，與微潤管橫向距離約5 cm，取土深度約10 cm。白菜出苗后，每隔5 d測量一次株高，株高采用米尺從白菜基部開始量取。撒種約1個月后，對各箱進行定苗，每箱留4株白菜，株距約15 cm。撒種約60 d后，采收所有白菜，并稱其鮮重，計算各箱株均產量。同時關閉水箱閥門，記下刻度，計算各箱耗水量。整個生長期內，采用微潤灌的各水箱閥門一直處于打開狀態，而E處理則根據白菜的生長狀況適時澆灌。試驗數據采用Excel分析、制圖。

2 試驗結果與分析

2.1 含水率

將各處理每次所測各箱土壤含水率平均值進行擬合得到圖2。從圖2可以看出，采用微潤灌的各處理中，在取土深度為10 cm的條件下，灌水約20 d之前，含水率一直隨時間趨于增大，此后則處于小幅度波動態勢。分析其原因，可能是前期白菜需水量較小，微潤管出流大于消耗，而隨著白菜生長，需水量不斷增加，微潤管出流與消耗則大致處于平衡狀態。微潤管埋深為3.5 cm時土壤含水率，從始至終均明顯高于埋深為8 cm時含水率。可以推測，在該質地土壤條件下，微潤管在垂直向上方向滲流較小，即濕潤鋒運移距離較小，可見重力對該質地土壤水分運移的影響較大。此外，雙管布置含水率均高于單管布置含水率，這種差異在埋深較淺時尤為明顯。

圖2 各處理土壤含水率隨時間變化圖Fig.2 The change of soil water content1 of every process with time

2.2 株 高

各處理不同時期的株高對比如圖3所示。可以看出，各處理株高均隨時間推移逐漸增高。微潤管埋深較淺時的株高明顯高于其他處理，尤其是采用單管布置。分別對比C處理和D處理以及A處理和B處理，結合圖2土壤含水率得出的結論，白菜為喜濕性作物，土壤濕度大，而株高并沒有相應地增高，這可能是因為雙管布置出流量過多，土壤濕度過大，使土壤中空氣縮減，抑制作物根系呼吸作用所致。對比A處理和E處理發現，就株高而言，采用微潤灌和普通澆灌并無明顯差異。灌水結束時，C處理的平均株高最大，為33.0 cm；A處理的平均株高最小，為26.5 cm。可見，微潤管采用單管布置，且埋深為3.5 cm時，相比其他處理更有利于白菜生長。

圖3 各處理平均株高隨時間變化圖Fig.3 The change of average stem length of every process with time

2.3 耗水量

對比圖4發現，各處理累積耗水量均隨時間推移而逐漸增加。但采用微潤灌耗水量均高于采用普通灌溉方式耗水量，僅C處理在生長期末期略低于E處理，這與以往的任何研究結果均不同，也與微潤灌的節水性產生矛盾。分析其原因，一方面可能與壓力水頭過大有關，另一方面則是因為土質過于疏松，微潤管出流量過多，造成用水浪費。另外，由于本試驗在大棚中進行，地表水分蒸發量較小，使微潤灌在減少水分蒸發方面的優勢未得到發揮。采用相同的微潤管布置時，埋深為8 cm時的耗水量均高于埋深為3.5 cm時的耗水量。可見在實際生產中，應當注意合適的土壤類型、壓力水頭的選擇，以充分發揮微潤灌優良的節水性能。

圖4 各處理累積耗水量隨時間變化圖Fig.4 The change of accumulative water consumption of every process with time

2.4 產 量

從圖5中可以看出，不同處理之間的產量對比，與株高大致相同。埋深為3.5 cm時的產量均高于埋深為8 cm時的產量，而采用單管布置的產量均高于雙管布置的產量；采用微潤灌時產量明顯高于普通灌溉產量，只有A處理低于普通灌溉，說明微潤灌在提高作物產量方面的確具有明顯優勢。結合耗水量試驗結果分析，耗水量多并不一定導致產量提高，某些處理甚至會造成作物減產，可見采用正確的微潤管布置與埋深至關重要。

圖5 各處理株均產量圖Fig.5 The average output of each cabbage of every process

3 討 論

目前關于微潤灌溉技術的種植試驗研究還處于初級階段，褚麗妹和張子卓等分別通過對蘋果樹和番茄生長狀況的觀察與分析，得到的結論與本試驗各有異同，具體如下。

(1)褚麗妹[7]等通過微潤灌和溝灌對比試驗研究了不同灌溉方式對蘋果樹生長的影響。試驗結果表明蘋果樹在微潤灌溉條件下，生育期內各生長指標均優于溝灌灌溉，微潤灌溉技術有利于作物生長，具有明顯的節水增產特點。而本試驗結果驗證了微潤灌的確具有增產的優勢，但由于采用的種植土壤為較疏松的營養土，且在大棚中進行，微潤灌的節水性能并未得到體現。

(2)張子卓[8]等設置了3種不同埋深和2種不同工作壓力，研究了微潤帶埋設深度和壓力對番茄生長產量及水分利用效率的影響。結果發現，微潤帶埋深是影響土壤水分時空變化的主要因素，且埋深對產量的影響明顯。本試驗設置了3.5和8 cm 2種不同埋深，結果表明，無論是白菜株高還是產量，埋深為3.5 cm時均優于埋深為8 cm，埋深對白菜生長的影響顯著。

由于本試驗只進行了一次，存在一定的局限性，尚需不同研究人員的進一步試驗驗證。

4 結 語

綜合以上試驗結果，得出如下結論。

(1)采用微潤灌灌水約20 d之前，土壤含水率一直隨時間趨于增大，此后則處于小幅度波動態勢。在該質地土壤條件下，受重力影響，微潤管在垂直向上方向滲流較小，即濕潤鋒運移距離較小。

(2)微潤管采用單管布置，且埋深為3.5 cm時，相比其他處理更有利于白菜生長。采用雙管布置時，土壤中空氣受過量水分排擠，抑制了作物根系的呼吸作用，影響了白菜生長。

(3)在本試驗條件下，微潤灌的節水性能并沒有得到充分體現，這可能是因為壓力水頭過大及土質過于疏松，造成用水浪費所致，此結論尚需進一步試驗驗證。兩種 布置中，埋深較深時耗水量均大于埋深較淺時的耗水量。

(4)從最終各箱的產量來看，埋深為3.5 cm時的產量均高于埋深為8 cm時的產量，可見在該試驗條件下，微潤管的最適埋深為3.5 cm左右；而采用單管布置的產量均高于雙管布置的產量，所以本試驗條件下微潤管更適合采用單管布置。但采用微潤灌在提高作物產量方面的優點普遍得到了驗證。

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