溫室膜下滴灌條件下黃瓜經(jīng)濟(jì)灌溉制度及其下限值的研究

鄭志偉，王仰仁，汪紹盛，趙寶永

(1.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市水務(wù)局，天津 300374)

現(xiàn)狀條件下灌水費(fèi)用在蔬菜作物種植中僅占較小比例，人們更重視產(chǎn)量，因此常常出現(xiàn)過量灌水和施肥，由此引起了一系列如土壤硝酸鹽過量累積導(dǎo)致土壤鹽漬化、地下水硝酸鹽含量超標(biāo)造成水源污染、施肥量過大造成肥料利用率下降、蔬菜品質(zhì)下降以及經(jīng)濟(jì)效益下降等問題[1-4]。因此，研究經(jīng)濟(jì)灌溉制度及其灌水下限值，指導(dǎo)溫室蔬菜灌溉，有助于提高水肥利用率，增加作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)和土壤環(huán)境[5-10]。本研究對(duì)于合理指導(dǎo)生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)地區(qū)水資源可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在天津市武清區(qū)北國(guó)之春農(nóng)業(yè)示范園溫室試驗(yàn)區(qū) (E116°54′，N39°36′) 進(jìn)行。該區(qū)秋季晝暖夜涼，溫差大，冬季寒冷，北風(fēng)多，日照少，降水稀少，全年平均氣溫為11.6 ℃，年平均日照總時(shí)數(shù)2 705 h，平均無霜期212 d，平均年降水量606.8 mm。溫室為塑料薄膜拱形鋼管日光溫室，溫室大棚寬8 m，長(zhǎng)85 m，溫室內(nèi)屋脊最高處3 m。試驗(yàn)區(qū)土壤為中壤土，土壤密度(0～80 cm均值)為1.55 g/cm3，土壤的基本性狀見表1。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)種植黃瓜，品種為北斗星無刺黃瓜，其定植日期為2014年9月9日，采用寬窄行種植，每壟種植兩行黃瓜，寬行行距1.0 m，窄行行距0.5 m，株距0.5m，壟長(zhǎng)5.0 m，共種植56壟作物。灌溉水源為井水，井深80 m，灌溉方式為膜下滴灌，每壟窄行間布設(shè)兩條滴灌帶，滴灌帶內(nèi)徑15 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.2 L/h。根據(jù)實(shí)際情況6～15 d灌水一次，一次灌水時(shí)長(zhǎng)大致為240 min。溫室頂部設(shè)通風(fēng)口，并配置WS-Ⅱ型日光溫室自動(dòng)控溫設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟閉設(shè)備，開啟范圍為0～50 cm。溫室大棚覆有厚0.8 mm的聚乙烯抗老化膜，外層覆蓋復(fù)合保溫被，保溫被用電動(dòng)卷簾機(jī)起放。秋冬季保溫被每天9∶30掀起，17∶00左右放下蓋嚴(yán)。夜間每30 min自動(dòng)開啟柴油暖風(fēng)機(jī)，保證溫室內(nèi)溫度不低于8 ℃，以避免影響作物生長(zhǎng)。

表1 土壤理化基本性狀

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1土壤含水率的測(cè)定

本試驗(yàn)針對(duì)膜下滴灌土壤含水率變化特點(diǎn)，每7 d取樣測(cè)定一次，測(cè)定方法為烘干稱重法，控制溫度105 ℃，烘至恒重為止。每次測(cè)定兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)是膜下，位于兩條滴灌帶中間，一個(gè)是膜外，位于寬行中點(diǎn)。測(cè)試深度為0～100 cm，每20 cm一層，共測(cè)試5層。根據(jù)試區(qū)土壤剖面結(jié)構(gòu)和膜下滴灌條件下土壤含水率的剖面分布，將土壤含水率按照條帶寬度做加權(quán)平均，求得整個(gè)條帶0～100 cm的土壤平均含水率。

1.2.2溫室環(huán)境因子的測(cè)定

溫室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采用WatchDog2450型小型氣象站(溫度精確度: ±0.2%，濕度精確度：±2%)，固定于溫室內(nèi)距地面1.6 m高處，每隔30 min自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。葉片溫度、蒸騰速率和光合有效輻射PAR等數(shù)據(jù)采用CI-340手持式光合作用儀測(cè)試。地溫采用土壤三參數(shù)儀(WET-2-K1)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為0～5 cm深度的平均值。葉片溫度、蒸騰速率、光合有效輻射值定株測(cè)試，每7 d一次，選定葉片位于株頂端第3片葉，3次重復(fù)。

1.2.3作物干物質(zhì)重的測(cè)定

對(duì)于果實(shí)，可視為圓柱體，取果實(shí)最大直徑為計(jì)算直徑，最大長(zhǎng)度為計(jì)算長(zhǎng)度，根據(jù)圓柱體體積計(jì)算公式計(jì)算出果實(shí)計(jì)算體積，并找出果實(shí)干重與計(jì)算體積之間的關(guān)系。對(duì)于果實(shí)鮮重與干重，同樣可以找出一定的關(guān)系；對(duì)于莖，也視為圓柱體，且認(rèn)為莖干重與莖體積成正比例關(guān)系，黃瓜果實(shí)的比例系數(shù)(莖總干重/莖體積)為0.088 6。

1.2.4作物生長(zhǎng)過程模擬方法

以干物質(zhì)重量的變化描述作物生長(zhǎng)過程。其中總干物質(zhì)重用美國(guó) 系列模型，采用經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算方法建立每日光合同化量與光合有效輻射之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[5]。該模型認(rèn)為潛在的干物質(zhì)生產(chǎn)量(PCARD，g/m2)是截獲的光合有效輻射[IPAR，MJ/(m2·d)]的指數(shù)函數(shù)。

PCARD=7.5IPAR0.6

(1)

冠層截獲的光合有效輻射(IPAR)是到達(dá)冠層頂部的光合有效輻射[PAR，MJ/(m2·d)]、葉面積指數(shù)(LAI)和消光系數(shù)(K=0.85)的函數(shù)。

IPAR/PAR=1-e-K LAI

(2)

溫度和水分脅迫可減少干物質(zhì)積累數(shù)量，在考慮水分脅迫和溫度脅迫條件下，實(shí)際的干物質(zhì)生產(chǎn)量(CARBO，t/hm2)為：

CARBO=PCARDPRFTSWDF

(3)

PRFT為溫度脅迫系數(shù)，計(jì)算公式為：

PRFT=[1-0.002 5 (T-Tp)2]σT

(4)

式中：Tp為最適宜作物生長(zhǎng)的溫度，℃；Tmin和Tmax分別為日最低氣溫和日最高氣溫，℃；σT為溫度脅迫指數(shù)；T為白天溫度。

白天溫度T的計(jì)算公式為：

T=0.25Tmin+0.75Tmax

(5)

如果PRFT<0，則令PRFT=0。當(dāng)作物吸收的土壤水分小于潛在蒸騰速率時(shí)，水分虧缺發(fā)生。水分虧缺因子(SWDF)用來計(jì)算實(shí)際干物質(zhì)生產(chǎn)中水分對(duì)作物生產(chǎn)的影響，水分虧缺因子由水分平衡子模型計(jì)算得出。水分虧缺因子用下式計(jì)算：

(6)

式中：ET為作物遭受水分虧缺條件下的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；ETm為作物充分供水條件下的最大蒸發(fā)蒸騰量，mm/d，其中ETn=KcET0；σw為水分脅迫指數(shù)。

實(shí)際的干物質(zhì)生產(chǎn)量(CARBO)為包括根在內(nèi)的所有干物質(zhì)的重量，需要經(jīng)過計(jì)算才能得出地上部分干重。地上部分干物質(zhì)重[W，t/(hm2·d)]可用下式進(jìn)行計(jì)算：

W=30/40CARBOCVF

(7)

式中：CVF為干物質(zhì)轉(zhuǎn)化因子，其中包括了地上部干物質(zhì)重占干物質(zhì)生產(chǎn)量的比例。

通過上式可計(jì)算出地上部分干物質(zhì)重 。地上部分干物質(zhì)分配可通過分配系數(shù)計(jì)算。分配系數(shù)指某時(shí)刻植株各器官干物質(zhì)重量與植株總生物量增量的比值。它是描述作物各器官干物質(zhì)分配的一個(gè)重要概念。地上部干物質(zhì)分配系數(shù)可簡(jiǎn)化為地上部各器官的干物質(zhì)重占地上部分干物質(zhì)總重的比例。植株地上部分干物質(zhì)重則為各自的分配系數(shù)與地上部干物質(zhì)的乘積。

DMl=DMSCPl

(8)

DMst=DMSCPst

(9)

DMf=DMSCPf

(10)

式中：DMl、DMst、DMf分別為時(shí)刻t葉片、莖和果實(shí)的干物質(zhì)重累計(jì)值，t/hm2；DMS為時(shí)刻t地上部分的總干物質(zhì)重累計(jì)值，t/hm2；CPl、CPst、CPf分別為植株地上部分干物質(zhì)向葉片、莖以及果實(shí)的分配系數(shù)。

1.2.5經(jīng)濟(jì)灌溉制度確定方法

灌溉制度優(yōu)化以單位面積純收益最大為目標(biāo)，約束條件為適宜的溫度，其中純收益計(jì)算只考慮灌水費(fèi)用，包括灌溉設(shè)備費(fèi)用、電費(fèi)、人工管理費(fèi)等，為了計(jì)算方便，將電費(fèi)、灌溉設(shè)備費(fèi)用和人工管理費(fèi)用等一并折算為水費(fèi)計(jì)算。在灌溉制度優(yōu)化范圍內(nèi)，可以認(rèn)為施肥、施藥、大棚啟閉、溫度調(diào)節(jié)及種子、栽培等管理費(fèi)用為常數(shù)。由此可寫出目標(biāo)函數(shù)如下：

(11)

式中：B為只考慮灌水費(fèi)用的純收益，元/hm2；y為作物產(chǎn)量，t/hm2；W為灌溉定額，mm；η為灌溉水利用系數(shù)，此處取η=0.9；Pc為作物產(chǎn)品單價(jià)，元/t；Pw為水價(jià)，元/m3。

優(yōu)化計(jì)算過程中，灌水定額取30 mm。黃瓜產(chǎn)品單價(jià)為3 000 元/t，水價(jià)均取為1.5元/m3。不同灌水量及不同灌水時(shí)間條件下的作物產(chǎn)量y通過作物需水量和作物生長(zhǎng)模型逐日模擬計(jì)算求得，進(jìn)而利用式(13)可計(jì)算的溫室膜下滴灌增產(chǎn)效益。

2 結(jié)果分析

2.1 干物質(zhì)測(cè)定中的轉(zhuǎn)換系數(shù)的率定

本研究是通過定株定期測(cè)試作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，如葉片長(zhǎng)寬、莖長(zhǎng)莖粗、果實(shí)體積等的變化，然后乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)，由此計(jì)算葉面積、葉干重、莖干重和果實(shí)干重及鮮重等。這里轉(zhuǎn)換系數(shù)包括由計(jì)算葉面積(實(shí)測(cè)葉片長(zhǎng)×寬)推求實(shí)際葉面積的系數(shù)、由葉面積計(jì)算葉干重的系數(shù)、由莖體積計(jì)算莖重的系數(shù)、由果實(shí)體積計(jì)算果實(shí)干重的系數(shù)以及由果實(shí)干重計(jì)算果實(shí)鮮重的系數(shù)。對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：

y=ax+b

(12)

式中：y為黃瓜實(shí)際葉面積、葉干重、莖重、果實(shí)干重和果實(shí)鮮重，g；x為對(duì)應(yīng)的黃瓜計(jì)算葉面積、實(shí)際葉面積、莖體積、果實(shí)體積和果實(shí)干重，cm3；a，b為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)率定結(jié)果見表2。由表2可以看出，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)的平方均在0.92以上，相關(guān)性較高。

表2 轉(zhuǎn)換系數(shù)率定結(jié)果

2.2 光合產(chǎn)物及分配系數(shù)隨時(shí)間的變化過程

利用測(cè)試的黃瓜作物地上部分干物質(zhì)重隨時(shí)間的變化過程(見圖1)，可求得黃瓜的光合產(chǎn)物分配系數(shù)，見圖2。由圖2可見黃瓜葉、莖、果實(shí)分配系數(shù)隨時(shí)間的變化過程用直線進(jìn)行擬合精度較高，對(duì)應(yīng)的R2分別為0.933 2、0.820 6、0.937 1。

圖1 黃瓜莖、葉和果實(shí)生長(zhǎng)過程

圖2 黃瓜光合產(chǎn)物分配系數(shù)變化過程

在測(cè)試的初期，黃瓜干物質(zhì)主要分配給葉，隨著作物的生長(zhǎng)，果實(shí)的分配系數(shù)逐漸上升，由0.19增加到0.56，葉的分配系數(shù)在減小，由0.58減小到0.27。莖的分配系數(shù)基本保持不變，維持在0.2左右。

2.3 作物生長(zhǎng)模型參數(shù)率定及檢驗(yàn)

本研究主要對(duì)最適宜作物生長(zhǎng)的溫度Tp、水分脅迫指數(shù)σw和干物質(zhì)轉(zhuǎn)化因子CVF3個(gè)作物生長(zhǎng)模型參數(shù)進(jìn)行了率定。率定過程以模擬計(jì)算的地上部干物質(zhì)重(莖、葉和果實(shí)的合計(jì)值)與實(shí)測(cè)值的誤差平方和最小為目標(biāo)，通過優(yōu)化分析確定，結(jié)果見表3。通過表3的參數(shù)率定值點(diǎn)繪實(shí)測(cè)值與模擬值的關(guān)系曲線及變化過程，見圖3和圖4。由圖3和圖4可以看出，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，其相關(guān)系數(shù)的平方達(dá)到0.98以上，表明該作物生長(zhǎng)模型及其參數(shù)可用于描述溫室作物生長(zhǎng)過程以及溫度和水分脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響。

表3 黃瓜作物生長(zhǎng)模型參數(shù)的率定結(jié)果

圖3 溫室黃瓜地上部干物重模擬值與實(shí)測(cè)值變化過程

圖4 溫室黃瓜地上部干物重模擬值與實(shí)測(cè)值散點(diǎn)圖

2.4 經(jīng)濟(jì)灌溉制度及其節(jié)水增產(chǎn)增收效果

本研究中灌溉制度優(yōu)化計(jì)算是一個(gè)以灌水時(shí)間為決策變量的非線性規(guī)劃問題，這里采用坐標(biāo)輪換法求解，求解結(jié)果見表4。

表4 溫室膜下滴灌黃瓜不同灌水量條件下的

由表4可看出，在本試驗(yàn)?zāi)甓葪l件下溫室膜下滴灌黃瓜經(jīng)濟(jì)灌溉用水量為216 mm，相應(yīng)的產(chǎn)量為38.2 t/hm2，相應(yīng)的效益為11.096 萬元/hm2，耗水量(蒸發(fā)蒸騰量ET)為258.7 mm。比較經(jīng)濟(jì)灌溉與實(shí)際灌水的增產(chǎn)效益，其產(chǎn)量和效益分別增加了2.54 t/hm2和2.36萬元/hm2，節(jié)約灌溉水量為7.59%，具有顯著的節(jié)水增產(chǎn)增收效果。

2.5 灌水下限值隨時(shí)間的變化過程

以上述求得的經(jīng)濟(jì)灌溉制度為依據(jù)(見表4)，查經(jīng)濟(jì)灌溉制度中每次灌水前的土壤含水率及相應(yīng)的時(shí)間(以定植期算起的天數(shù)表示)，由此可獲得若干組數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)組數(shù)等于灌水次數(shù))，見表5。以這些數(shù)據(jù)點(diǎn)繪灌水前土壤含水率與相應(yīng)灌水時(shí)間的關(guān)系曲線(見圖5)，同時(shí)，將生長(zhǎng)期土壤含水率隨時(shí)間的變化曲線繪在圖5中。由圖5可以看出灌水前土壤含水率(0～60 cm)隨時(shí)間的變化幅度較作物生長(zhǎng)期土壤含水率的變化幅度小得多，因此，可以認(rèn)為溫室膜下滴灌作物經(jīng)濟(jì)灌溉土壤含水率下限值為一個(gè)常數(shù)，各次灌水前土壤含水率的平均值為0.240，占田間持水率的百分?jǐn)?shù)為85.8%,離均系數(shù)為0.879%。按照該灌水下限值灌水，可使單位面積的灌溉效益最大。該結(jié)果與牛勇[11]等(2009年)通過試驗(yàn)得到的黃瓜灌水下限(85%) 結(jié)果一致。

表5 溫室膜下滴灌作物灌水前土壤含水率

注：相對(duì)含水率為灌水前土壤含水率(0～60 cm)占田間持水率的百分?jǐn)?shù)；灌水時(shí)間為定植期算起的天數(shù)。

圖5 灌水前、生長(zhǎng)期土壤含水率(0～60 cm)與相應(yīng)灌水時(shí)間的關(guān)系

3 結(jié) 語

(1)干物質(zhì)測(cè)定中轉(zhuǎn)換系數(shù)的率定結(jié)果(其相關(guān)系數(shù)的平方均在0.92以上)表明，采用轉(zhuǎn)換系數(shù)推求作物生長(zhǎng)過程精度較高，合理可行。

(2)在黃瓜生長(zhǎng)期的初期(定值后54 d開始)，干物質(zhì)主要分配給葉，隨著生育期的增加，果實(shí)的分配系數(shù)逐漸上升，而葉的分配系數(shù)一直在減小。莖的分配系數(shù)測(cè)試期基本保持不變，維持在0.2左右。

(3)采用經(jīng)濟(jì)灌溉制度具有較好的節(jié)水增 產(chǎn)增收效果，其中增加產(chǎn)量2.54t/hm2，增加效益2.36萬元/hm2，節(jié)約灌溉水量約為7.59%。

(4)對(duì)應(yīng)經(jīng)濟(jì)灌溉制灌水下限值為一個(gè)常數(shù)，其值為0.240，占田間持水量的85.8%,離均系數(shù)為0.879%。

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