滴灌水熱調控對土壤溫度及白菜生長和產量的影響

張 星，栗巖峰，李久生(中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048)

0 引 言

土壤水熱條件是影響作物生長和產量的重要因素，也是近年來灌溉調控和管理研究的關注熱點。目前，針對土壤水熱調控的研究和應用主要圍繞覆膜滴灌技術展開。地膜覆蓋隔絕了土壤與外界的水分交換，抑制或減弱了土壤與外界的潛熱和顯熱交換，改變了土壤熱傳導的方式和速度[1]，對耕層土壤溫度的增加非常明顯。例如胡曉棠[2]等在新疆石河子的研究表明膜下滴灌可以使棉花花蕾期地表溫度提高4～5 ℃；曹玉軍[3]等在東北半干旱區的研究表明膜下滴灌使玉米苗期至拔節期5～25 cm土層的溫度增加了約2.8 ℃；劉洋等[4]在東北半濕潤區的研究表明膜下滴灌提高了玉米生育前期的土壤溫度，苗期5～25 cm的日均土壤溫度增加2.3 ℃。地膜覆蓋引起的水熱條件變化對促進作物生長和增加產量有重要的作用，國內外有關膜下滴灌增產效果的研究很多，涉及的作物包括棉花、西紅柿、秋葵、甘藍、馬鈴薯、洋蔥、黃瓜、玉米等[4-11]，以東北膜下滴灌玉米為例[4]，膜下滴灌可使成熟期玉米的地上部分干物質質量、氮素吸氮量以及平均產量比不覆膜滴灌處理分別提高了14%、16%和11%，增產效果顯著。覆膜的增產效果也與作物自身的特性有關，例如對黃瓜等喜溫作物的增產效果更為明顯[11]，而對于馬鈴薯，在生育期的中后期覆膜可能會導致土壤溫度過高而引起減產[9]；因此，有必要開展不同作物對土壤水熱條件變化的響應機制研究。此外，灌溉水溫的變化也會引起土壤水熱條件的改變，從而影響作物生長、養分吸收和產量。目前，僅有少量的研究集中在利用調節灌溉水溫改善寒區水稻的生長條件和產量方面[12]，對于旱作物的灌溉水溫調節，尤其是滴灌條件下灌溉水溫調控的研究國內外均未見報道。

白菜是華北地區主要的蔬菜作物，播種期一般在夏末秋初(8月初)，初冬收獲。幼苗期由于氣溫較高，極易受熱害、蟲害等影響導致各類病害發生，而延遲播種期又會引起生育后期溫度過低，影響作物生長和產量形成。通過水熱調控獲得適宜的土壤水熱條件，為實現白菜的生育期延遲并保障產量提供了重要途徑。本文以白菜為研究對象，同時考慮覆膜和灌溉水溫調節兩種土壤水熱調控方式，探討滴灌條件下利用灌溉水溫調節土壤溫度的可行性，對比分析灌溉水溫調節與覆膜等兩種調控方式在對土壤溫度變化以及對作物生長和產量的影響，土壤溫度調節措施提供科學依據，對華北地區秋冬季白菜種植和管理具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2015年在國家節水灌溉北京工程技術研究中心大興試驗研究基地的日光溫室內進行。該基地位于北京市大興區魏善莊鎮，東經116°26′，北緯39°37′，海拔40.1 m，屬半干旱大陸性季風氣候。全年大于10 ℃有效積溫為4 730 ℃，無霜期平均185 d。日光溫室長50 m，寬7.6 m，南北走向。溫室內土壤為粉壤土(美國制)，土壤質地隨深度沒有明顯變化(見表1)。

試驗供試作物為白菜(Brassica pekinensis)，品種為“北京新三號”，9月12日播種，10月8日定植，株距和行距分別為30和60 cm，12月6日收獲，生育期共85 d。在白菜種植前對所有試驗小區進行了均勻的大定額灌水，以便使土壤具有較一致的初始水分和養分條件。

表1 供試土壤基本物理特性

1.2 試驗設計

試驗考慮土壤溫度調節方式和施氮量兩個因素，土壤溫度調節考慮灌溉水加溫和覆膜兩種方式，設灌溉水加溫、覆膜、覆膜條件下灌溉水加溫和無調節措施4個水平，分別記為T、M、TM、C。相關的研究結果表明，大白菜生長的適宜溫度是22～25 ℃[13]，而且土壤氮素的凈礦化和硝化速率在5～25℃范圍內隨土壤溫度的增加而升高[14]，因此灌溉水加溫的目標是將土壤溫度提高至20 ℃左右。預實驗結果表明，灌溉水溫在30～35℃時，土壤溫度可基本控制在20 ℃左右。因此，試驗中灌溉水加溫和覆膜條件下灌溉水加溫兩種調節方式都將灌溉水溫設定為30～35 ℃。試驗中利用太陽能熱水器和電熱水器提供熱水，灌水過程中將熱水和地下水在水箱內混摻，并根據實時監測的水溫調整混摻比例，以使灌溉水溫保持在設定范圍內。施氮量參考北京郊區大白菜生產中常用的施氮量[15,16]設置0、135、270 kg/hm23個水平，記為N0、N1、N2，試驗采用全組合試驗設計，共12個處理，每個處理設置3個重復，共計36個試驗小區。小區規格為3 m×2.4 m，在溫室內按區組式隨機排列，兩個小區留0.3 m的緩沖區，以防止小區間可能的橫向水分交換并方便試驗觀測。

滴灌帶選用Netafim公司生產的Supertypoon-16125型內鑲片式滴灌帶，0.1 MPa壓力時標稱流量為1.1 L/h，滴頭間距30 cm，每條滴灌帶控制一行作物。

1.3 灌水與施肥

灌水間隔設為4～6 d，灌水量根據放置在白菜冠層頂部直徑20 cm的蒸發皿的蒸發量確定，蒸發皿蒸發量每天早上8∶00測量。灌水量等于灌水間隔內的累積蒸發量與作物皿系數的乘積，根據FAO推薦的白菜作物系數[17]選取苗期作物皿系數為0.7，進入蓮座期后作物皿系數取1.5。白菜全生育期內共灌水9次，灌水量為109 mm，生育期內灌水施肥過程如圖1所示。10月8日定植后，開始進行灌溉水加溫處理。11月21日出現降雪，溫室內最低氣溫降至0 ℃以下(見圖2)，出現凍害，停止灌水。

白菜播種前，按總施氮量的10%施入底肥。生育期共施氮肥5次，施肥間隔為10 d左右(見圖1)。其中蓮座期(10月26日)和結球期(11月16日)各施入總施氮量的30%，其他3次均為總量的10%。氮肥選用尿素，施肥時將尿素溶于肥料桶中，用比例施肥泵(Mix Rite Model 2504，以色列)施入試驗小區。

圖1 白菜生育期內累積灌水量和累積施肥量

圖2 生育期內溫室氣溫變化圖

1.4 觀測指標

(1)土壤溫度。土壤溫度用EM50土壤多參數自動監測系統(5TE，美國)和曲管地溫計監測，在中間施氮量的4個處理(TN1、MN1、TMN1、CN1)中選擇1個重復安裝4組EM50探頭，在濕潤區外不灌水處也安裝一組EM50探頭，共5組，每組埋設10、20、30 和40 cm 4個深度，埋設位置在小區中部滴頭正下方位置，自動測試的間隔設為每30 min一次。在中間施氮量處理的另一個重復中埋設4組曲管地溫計，每組埋設5、10、15、20 cm 4個深度，埋設位置與EM50探頭位置相同，觀測時間是每天8∶00，14∶00，18∶00。

(2)氣溫。使用HOBO PRO溫濕度自動記錄儀(U23-001，美國)實時監測溫室內的溫度，記錄間隔設為30 min。有效積溫的計算方法如下[18]：

(1)

式中：Tmax和Tmin分別為最高和最低氣溫；Tbase為最低臨界溫度，取10 ℃；n為生育期天數。

(3) 作物生長指標和產量。從蓮座期開始，每10 d測量一次株高，結球期開始后每10 d測一次球高和球直徑，由球高除以球直徑得到球形指數，每個小區內固定2株。

蓮座期(10月26日)、結球期(11月16日)和收獲時(12月5日)分別在每個小區內選擇1棵白菜，稱鮮重，在溫度65 ℃左右烘干至恒重，稱量植株干物質質量，并對干物質樣品研磨后，用凱氏定氮儀(Kjeltec2300，FOSS，丹麥)測量植株全氮含量，計算植株吸氮量(植株全氮含量乘以地上部分的干物質含量)。

白菜成熟時，每小區在中間位置選定12株白菜稱鮮重計算產量。

2 結果與分析

2.1 灌水過程中的土壤溫度變化

圖3選取中施氮處理N1在苗期、蓮座期和結球期等不同生育階段的3次灌水過程，給出了10 cm深度土壤的溫度變化過程。結果顯示，灌水開始后灌溉水加溫處理(TN1)和覆膜后灌溉水加溫處理(TMN1)的土壤溫度均出現快速上升，在約1.5 h后達到最大值(每次灌水時間一般是2 h左右)。與無調節措施處理(CN1)相比，TN1處理在苗期、蓮座期和結球期的增溫幅度最大達到3.9、4.8和7.0 ℃；TMN1處理的增溫幅度最大達到3.2、5.4和6.0 ℃。說明隨著生育后期氣溫的降低，灌溉水加溫對土壤溫度的調節作用更加明顯。灌水結束后TN1處理的土壤溫度出現明顯下降，4～5 h后與無調節措施處理基本一致。TMN1處理在灌水結束后土壤溫度下降較慢，尤其是在蓮座和結球期，土壤溫度始終高于其他處理。覆膜處理(MN1)在灌水過程中的土壤溫度變化與CN1處理基本一致，在苗期中午氣溫較高時，MN1處理由于受氣溫影響較小，土壤溫度甚至低于CN1處理，到夜間氣溫較低后，覆膜的保溫效果逐漸顯現，土壤溫度開始高于CN1處理。從單次灌水過程來看，單純的灌溉水加溫對土壤溫度的調節作用有限，而覆膜的保溫作用僅在生育前期氣溫較高時較為明顯，在生育后期氣溫較低時，灌溉水加溫與覆膜相結合才能取得較好的土壤增溫效果。

圖3 不同生育階段的灌水過程中10 cm深度土壤的溫度變化

2.2 生育期內的土壤溫度變化

圖4給出了施氮量為N1時不同土壤溫度調節處理的土壤溫度日均值在生育期內的變化，由于各處理在40 cm深度處的土壤溫度差異很小，文中僅給出了10～30 cm的結果。結果顯示，MN1處理在10、20和30 cm土壤中的積溫比CN1處理分別增加67、116和158 ℃，說明覆膜的增溫作用在深層土壤中更為明顯。TN1處理在各層土壤中的增溫作用較弱，在10、20和30 cm土壤中的積溫比CN1處理分別增加22、15和56 ℃。TMN1處理在各層土壤中的溫度在整個生育期內始終高于其他處理，在10、20和30 cm土壤中的積溫比CN1處理分別增加136、128和120 ℃，增溫效果明顯。同時也可以看出，將覆膜與灌溉水加溫處理相結合對20 cm以上表層土壤的增溫效果最為明顯。比較不同生育階段的結果可以看出，與無調節的CN1處理相比，TN1處理、MN1處理和TMN1處理在10～30 cm土層的土壤溫度平均值在苗期分別增加了0.1、1.7和1.4 ℃，在蓮座期增加0.4、0.6和2.3 ℃，在結球期增加0.6、0.2和3.0 ℃。說明覆膜對土壤溫度的調節主要體現在苗期，而增加水溫對土壤溫度的調節在生育期內呈逐漸增加的趨勢，與覆膜結合后增溫效果有大幅提高。

圖4 不同土壤溫度調節處理的土壤溫度日均值在生育期內的變化

圖5 不同土壤溫度調節處理的增溫幅度在生育期內的變化

為了比較不同土壤溫度調節處理的增溫幅度，圖5給出了MN1、TN1和TMN1處理與CN1處理的溫度差在生育期內的變化。結果顯示，TMN1處理的增溫幅度在0.5～3.6 ℃范圍內，在生育期內呈先增加后減小的趨勢，11月中旬以后氣溫驟降是增溫幅度下降的主要原因。MN1處理的增溫幅度在生育期內呈明顯的遞減趨勢，進一步說明了覆膜的增溫效果主要體現在生育期的前期。TN1處理的增溫幅度最小，在-0.8～1.5 ℃范圍內，在生育期內的溫度增幅呈緩慢增大趨勢。

2.3 滴灌水熱調控對白菜生長指標的影響

圖6和圖7分別給出了白菜株高和球形指數在生育期內的變化。結果顯示，生育期內各處理株高變化趨勢一致，都隨時間逐漸增加，并在結球期出現下降趨勢。株高隨施氮量增加有增加的趨勢，但在生育后期和收獲時處理間差異逐漸減小。增加灌溉水溫對白菜株高沒有明顯的影響，覆膜和覆膜后灌溉水加溫處理對白菜株高有增加的趨勢，除蓮座期初期達到顯著水平(P=0.04和P=0.01)外，其他時期均未達到顯著水平。圖7的結果顯示，各處理球形指數均值穩定在4左右，但隨施氮量和土壤溫度調節方式均無明顯的變化趨勢，處理間差異均不顯著(P=0.32和P=0.31)。

2.4 氮素吸收和產量

表2給出了各生育階段的干物質累積量、吸氮量及產量的方差分析結果。結果顯示，干物質量和施氮量隨施氮量增加有增加的趨勢，但差異均不顯著(P=0.37和P=0.10)。土壤溫度調節方式對生育前期的干物質累積影響顯著(P=0.01)，覆膜以及覆膜后灌溉水加溫都能使干物質累積量明顯增加，例如在結球期，灌溉水加溫處理沒有帶來干物質量的明顯增加，而覆膜和覆膜后灌溉水加溫處理的干物質質量比無調節處理分別增加18%和19%。施氮量較高時，土壤溫度調節措施的影響也更加明顯，例如覆膜條件下灌溉水加溫處理在高施氮量時干物質量的增幅最大，為21%。吸氮量受施氮量和溫度調節方式的影響與干物質量較為一致，方差分析顯示除結球期調溫方式和蓮座期交互作用的影響達顯著水平外，其他影響均不顯著。

圖6 生育期內株高均值的變化

圖7 生育期內球形指數均值的變化

表2 干物質質量、吸氮量和產量的方差分析

注：NS表示在α=0.05水平上差異不顯著，*和**分別代表α=0.05和α=0.01水平上顯著。

從表2中還可以看出，不同的土壤溫度調節措施都會帶來白菜產量的增加，其中灌溉水加溫、覆膜以及覆膜條件下灌溉水加溫處理的產量分別比無調節處理增產3.9%、10.6%和11.1%，處理間差異顯著(P=0.01)。說明采用灌溉水加溫和覆膜處理等措施改變了土壤溫度，促進了作物生長發育和養分吸收，帶來了產量的增加。覆膜處理的增溫和增產效果均大于灌溉水加溫處理，覆膜和灌溉水加溫處理結合后，對土壤溫度和白菜產量的增加效果最大。

3 結 語

通過在日光溫室內開展田間試驗，研究了在滴灌條件下增加灌溉水溫與覆膜對土壤溫度的調節作用以及對白菜生長、干物質積累、氮素吸收和產量的影響，主要結論如下。

(1) 灌溉水加溫能使灌水過程的土壤溫度明顯增加，且氣溫越低，增溫效果越明顯，在苗期、蓮座期和結球期的灌水過程中增溫幅度最大達到3.9、4.8和7.0℃，但在灌后土壤溫度下降較快，對生育期內積溫的提高效果有限。覆膜的保溫作用在氣溫較高的生育前期和深層土壤中更為明顯。將覆膜與灌溉水加溫處理相結合可以取得很好的增溫效果，在10、20和30 cm土壤中整個生育前期內的積溫比無調節措施處理分別增加136、128和120 ℃。

(2) 土壤溫度調節措施對白菜株高和球形指數均無顯著影響。覆膜和覆膜后灌溉水加溫都能使生育前期的干物質累積量顯著增加，施氮量較高時，土壤溫度調節措施的影響也更加明顯。不同的土壤溫度調節措施都會帶來白菜產量的顯著增加，灌溉水加溫、覆膜以及覆膜條件下灌溉水加溫處理的產量分別比無調節處理增產3.9%、10.6%和11.1%。

(3)在秋冬白菜生產中，采用覆膜與灌溉水加溫處理相結合的土壤溫度的調節方式可以起到有效的增溫和增產作用。

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