基于土壤水分的自動滴灌模式對溫室黃瓜產量及水肥利用效率的影響

梁新書，廉曉娟，張金良，張雪飛，楊 軍，王正祥，張余良，王 艷

（1.天津市農業資源與環境研究所，天津 300192；2.天津市農業科學院信息研究所，天津 300192）

我國設施蔬菜種植面積發展十分迅速［1］，但是，目前設施蔬菜生產大多采用大水大肥的管理模式，有研究結果表明，在經驗畦灌條件下，灌溉水的50%～60%滲漏到耕層以下，大大降低了水分利用率［2］。傳統過量施肥會引起土壤養分累積、酸化、鹽漬化、地下水和大氣污染等一系列問題，對我國設施蔬菜種植體系的可持續發展利用構成了很大的威脅［3-6］。與此同時，傳統灌溉施肥以畦灌或溝灌為主，這種方式費力費時，所需勞動力成本在逐漸加大，亟需自動控制的農業節水節肥技術。因此，設施蔬菜灌溉施肥實現精準化和自動化控制是蔬菜安全生產的發展方向和必然趨勢，對節約水肥資源、提高勞動生產率和促進現代農業可持續發展具有重要意義［7］。

我國蔬菜灌溉施肥技術相對于農業發達國家比較落后，系統成套性較差，自動化及智能化程度較低。但是，針對我國的國情和農業發展目標，國內學者在蔬菜作物合理的灌溉施肥指標及配套的灌溉施肥設備研發等方面已取得很大進展。在蔬菜節水方面，國內學者研究灌水定額主要借助蒸滲儀［2，8］、蒸騰儀［8-9］、蒸發皿［10］等儀器和測量土壤含水量［11-12］等方法。在蔬菜施肥方面，多種蔬菜作物的需肥規律及平衡施肥研究也有了一定的結果［13-17］。另外，水肥一體化技術被認為是一項高效的灌溉施肥技術，目前此技術的研究也逐漸成熟［18-19］。但是，相比于農業發達國家，我國蔬菜自動化灌溉施肥技術還有很大差距［20］。

黃瓜是設施蔬菜中種植面積較大且經濟價值較高的作物，但由于其需水需肥量大且根系較淺，因此灌水施肥操作非常頻繁且費時費力，加之過量灌溉施肥問題尤為突出，所以，本試驗以溫室黃瓜為研究對象，分析基于土壤水分的自動滴灌模式對溫室黃瓜產量及水肥利用效率的影響，旨在為基于土壤水分的自動滴灌模式能在設施蔬菜生產上推廣應用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗點基本情況

試驗于2016年3月11日—2016年7月10日在天津市北辰區雨農蔬菜種植專業合作社8號日光溫室進行。日光溫室長70 m，室內跨度9.8 m，后墻高2.2 m，脊高3.6 m，供試溫室內部溫光條件見圖1。供試土壤為重黏土，砂粒、粉粒及黏粒的比例分別為1.3%、30.7%及68.0%?；A土樣水解氮含量為196.7 mg/kg，速效磷含量為116.0 mg/kg，速效鉀含量為573.3 mg/kg，有機質含量為2.8%，全鹽含量為0.38%，pH值為7.81，容重為1.2 g/cm3，田間持水量（FC）為30.8%。

1.2 試驗設計

定植前撒施商品有機肥22.5 t/hm2，過磷酸鈣750 kg/hm2，用旋耕機翻耕。做畦方式為傳統的高平畦，畦寬80 cm，溝寬50 cm。供試作物為黃瓜，2葉1心的黃瓜幼苗于2016年3月11日定植，每畦2行，行內株距為30 cm，畦內行距為40 cm，種植密度為51 300株/hm2。定植后灌水75 mm，1周后澆緩苗水12mm，待根瓜坐?。?月18日）后開始處理。試驗共分2個處理：

傳統滴灌模式（CK）：按照當地農民溫室黃瓜滴灌管理習慣進行水肥控制，隔1次水沖1次肥，每次灌溉定額為18 mm，每次純養分（N+P2O5+K2O）投入量為90 kg/hm2；結果前期（5月30日之前）氮磷鉀比例為20∶15∶15，結果中后期氮磷鉀比例為10∶5∶35。

基于土壤水分的自動滴灌模式［automatic drip irrigation based on soilmoisture，簡稱ADI-SW］：此模式借助筆者所在課題組研發的灌溉施肥設備完成，此設備土壤水分傳感器實時監測土壤墑情，可設定的參數包括判定是否啟動灌溉的時間、灌水量和施肥量。此模式設定每天08：00控制系統開始判定，當15 cm深度土壤水分下降到一定閾值（黃瓜結果期土壤相對含水量閾值設為75% FC，由前期預試驗得出，水分傳感器此時對應的土壤容積含水量讀數為37.6%）時，控制器開啟定量灌水施肥，每次小定額供應水肥。每次灌水定額為5 mm，每次施純N 濃度為120 g/m3，氮磷鉀比例為1∶0.3∶1.5，折算后每次純養分（N+P2O5+K2O）投入量為16.8 kg/hm2，肥料種類為尿素、磷酸二氫鉀和硝酸鉀。

每個小區的面積為3.9 m×7.5 m，每個處理設3次重復，隨機區組排列。2個處理均采用滴灌系統，滴頭間距為30 cm，保證每個滴孔對應1株植株，并安裝了精度為0.000 1 m3的水表。試驗過程中除水肥管理不同外，其余田間管理均與當地農民常規管理一致，具體灌溉施肥制度見圖2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 安裝氣象站監測溫室內光輻射強度、空氣溫度及空氣濕度的變化 溫室內安裝1個小型自動環境氣象站（HOBO U30，ONSET-NRC，美國）并配置相應的傳感器，利用數據自動采集器記錄。光輻射強度（S-LIB-M003）及空氣溫度傳感器（S-THB-M002）高度為距離地面1.5m；測量土溫傳感器（S-TMB-M006）埋深10 cm；所有數據保存間隔為30 min。

1.3.2 測定根層土壤水分動態變化 土壤水分傳感器（SSMD-M005）在處理前埋深15 cm來監測土壤容積含水量的變化。數據保存間隔為30 min。

1.3.3 測定植株生長參數（株高、莖粗、葉片數及葉面積）處理后每隔7 d每小區選取3株代表性植株，測定黃瓜的生長量。用米尺測量株高；用游標卡尺測量莖粗；記錄葉片數；選取黃瓜最大葉片，測量其長度和寬度，然后根據黃瓜成熟葉片葉面積公式（葉面積＝0.879 67×長×寬-63.239 6）計算可得最大葉面積。

1.3.4 經濟產量 分別統計每小區黃瓜的產量，折算成單位面積產量；并且記錄每小區商品瓜數（條），并折算成單株瓜數（條）。

1.3.5 水肥利用率的測定 分別記錄各處理下黃瓜整個生長期的灌水與施肥總量，結合黃瓜產量計算水肥利用率。灌溉水利用效率為單位面積黃瓜產量與灌水總量的比值；肥料偏生產力為單位面積黃瓜產量與純N、P2O5及K2O投入量之和的比值。

1.3.6 測定拉秧后土壤的理化性質 在拉秧期取土樣，取0～20 cm、20～40 cm及40～60 cm土層土樣分析土壤水解氮、速效磷、速效鉀、全鹽含量及pH值。堿解氮含量采用堿解擴散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨-火焰光度計法測定，全鹽含量采用質量法測定，pH 值采用電位法測定，土水比為1 g∶2.5 mL。

1.4 數據處理與分析

數據處理采用Excel 2010及SPSS 17.0，2個處理的方差分析采用獨立樣本t檢驗，在0.05水平上進行比較。

2 結果與分析

2.1 根層土壤水分動態變化

從土壤容積含水量的動態變化數據（圖3）可以看出，傳統滴灌模式共灌水18次，而基于土壤水分的自動滴灌模式共灌水22次。處理開始后，傳統滴灌模式每次灌水前傳感器監測的土壤容積含水量下限的范圍為35.86%～38.35%，變異幅度較大，會造成每次灌溉前根層土壤缺水嚴重或根本不缺水的情況會發生，如此不合理的灌溉往往會導致水分的浪費；而基于土壤水分的自動滴灌模式處理下啟動灌水施肥程序前傳感器監測的土壤容積含水量下限范圍為37.03%～37.56%，變異幅度較小，此數值對應的相對含水量均為70%～75% FC，能夠保證根層土壤處于適宜水分范圍內。

2.2 黃瓜生長參數的分析

從黃瓜生長參數的數據（圖4）可以得出，隨著生長周期的延長，傳統滴灌模式和基于土壤水分的自動滴灌模式兩處理在株高、莖粗、葉片數及葉面積上均沒有顯著差異。表明相對于傳統滴灌模式，基于土壤水分的自動滴灌模式在水肥投入減少的情況下并沒有引起黃瓜生長受限。

2.3 黃瓜產量及產量組成分析

從黃瓜產量及產量組成數據（表1）可以得出，相比于傳統滴灌模式，基于土壤水分的自動滴灌模式處理顯著提高黃瓜產量8.9%，而對瓜條數及平均單果質量均沒有產生顯著影響。表明相對于傳統滴灌模式，基于土壤水分的自動滴灌模式在水肥投入減少的情況下仍能確保黃瓜高產。

2.4 灌溉水利用率和肥料偏生產力分析

從黃瓜產量及產量組成數據（表2）可以看出，相比于傳統滴灌模式，基于土壤水分的自動滴灌模式處理在節水52.2%、節肥49.0%的前提下，可使灌溉水利用效率提高127.7%，肥料偏生產力提高113.5%。說明智能滴灌模式是一種有效的節水節肥的水肥管理方式。

2.5 拉秧后不同土層土壤理化性狀

從不同土層土壤理化性狀的數據（圖5）可以看出，黃瓜拉秧后，相比于傳統滴灌模式，基于土壤水分的自動滴灌模式處理顯著降低了0～20 cm土層的速效磷、速效鉀含量及40～60 cm土層的全鹽含量。雖然其他土層理化性狀數據差異不顯著，但總的趨勢是，基于土壤水分的自動滴灌模式處理可降低土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和全鹽的含量，提高土壤pH值。另外，基于土壤水分的自動滴灌模式處理可有效降低深層土壤（40～60 cm）的含水量，避免土壤深層滲漏，減少水分的浪費。說明基于土壤水分的自動滴灌模式可降低土壤養分和鹽分的累積，避免土壤酸化，是一種有效保護土壤環境的水肥管理方式。

3 結論與討論

水分和養分是作物生長發育的兩大必需要素，合理的灌溉施肥措施是蔬菜作物高產高效的關鍵。一般認為，按照蔬菜作物生長階段對水分和養分的需求，定量地供給到作物根系附近，就可以實現作物豐產高效的目的。有研究表明，按照設施黃瓜需水需肥規律，采用自動灌溉施肥系統，實行每日供應水肥可達到節水節肥豐產的效果。但是，當異常天氣出現時，按照黃瓜需水需肥規律進行自動水肥管理效果不理想，所以還需配備相應的土壤水分監測傳感器進一步調整灌溉施肥決策，進而實現變量控制作物水肥供應［21］。

表1 傳統滴灌模式和基于土壤水分的自動滴灌模式對黃瓜產量及產量組成的影響

表2 傳統滴灌模式和基于土壤水分的自動滴灌模式對黃瓜灌溉水利用率和肥料偏生產力的影響

本試驗中，基于土壤水分的自動滴灌模式借助土壤水分測定儀監測土壤墑情，當土壤水分下降到一定閾值（結果期閾值為75% FC，15 cm土層深度水分傳感器讀數為0.376）時，借助控制器進行定量灌水施肥，每次灌水定額為5 mm，可以保證土壤水分保持在根層土壤，另外，從拉秧后不同土層的含水量數據也可看出，滴灌智能模式的灌溉強烈影響0～40 cm土層的土壤含水量，沒有造成水分向更深土層的滲漏［22］。根系是作物吸收水分和養分的重要器官，黃瓜的根系主要分布在0～30 cm土層中，基于土壤水分的自動滴灌模式可以使土壤有效水分和養分的分布與黃瓜根系分布保持空間一致性，并且使根層土壤的含水量始終基本處于75%～100% FC之間，這可能是可實現黃瓜豐產高效的重要原因［11-12，23］。采用土壤含水量下限和小定額水肥供應的基于土壤水分的自動滴灌模式可以實現水肥管理的變量控制，能夠解決由土壤、氣候、人事操作等變化所引起的水肥管理措施也需隨之改變的問題，可以更好地提高溫室黃瓜水肥利用率。

現階段，依據土壤相對含水量的水平進行溫室黃瓜灌溉已被廣泛證明是可取的，但是，國內土壤水分傳感器設備卻存在差異，因此，不同的水分傳感器在應用前應充分了解其特性，應提前測定土壤相對含水量為75%田間持水量時土壤水分傳感器所對應的數值，可把此值作為灌溉程序啟動的土壤水分下限值。本試驗結果表明，基于土壤水分的自動滴灌模式可以更好地實現設施黃瓜節水節肥與可持續種植。