不同灌水方式對沙地枸杞土壤水分及產量的影響

劉曉麗，馬理輝 ，巖曉瑩，楊榮慧 ，訾 浩

（1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.神木縣綠箐農莊科技有限公司，陜西 神木 719300；3.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 4.西北農林科技大學 資源與環境學院，陜西 楊凌 712100；5.陜西神木德塬農業綜合開發有限公司，陜西 神木 719300）

0 引 言

相比溝灌和畦灌等灌溉方式，滴灌灌水利用率能提高 20%～40%[1]。地表滴灌將水滴到土壤表面并入滲到土壤中，由于濕土表面的蒸發損失比干土高10%～35%，因此，相比地表滴灌，地下滴灌將毛管埋入土中，避免了表層土壤濕潤，減少了土面蒸發，可進一步提高灌水利用率[2]。但是，地下滴灌的出水口埋在土壤中，當停止灌溉時，管道內產生負壓，出水口容易吸入土、產生堵塞，而且不易檢修[3]。吳普特等[4]提出涌泉根灌技術，通過微管將水直接灌到植物根部，既減少地面蒸發、又避免了負壓吸土產生的堵塞。然而，果樹根系范圍大，每棵樹如果只設置1～2處滴灌出水口，長時間灌溉可造成根系向水性生長[5-6]，不利于果樹均衡發育。因此，在涌泉根灌的基礎上提出根際環形多點源滴灌技術，將滴灌管圍繞樹干1圈、埋入土中，該布置方式既能減少地面蒸發損失、將水灌到植物根部，又能多處供水滿足果樹生長需要。

土壤表層濕潤時間越長、土壤蒸發量越大[7]。果樹的主要根系層位于0～40 cm土層。將灌溉水直接輸送到地表以下的根系層，既能減少蒸發損失、又能避免深層滲漏，是提高灌溉水利用率的關鍵。本文旨在定量比較地表滴灌、涌泉根灌、根際多點源滴灌這3種灌水方式土壤濕潤體垂直分布范圍的差異，以及相同灌水量對枸杞產量的影響，從而為推廣應用根際環形多點源滴灌技術提供一定的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

2017年在陜西省神木市錦界鎮枸杞示范園開展小區試驗。枸杞對環境適應性較強，耗水量大，對溫度、光照、土壤要求不嚴格，可在沙地上種植。試驗地屬溫帶大陸性季風半旱草原氣候，春季干旱秋季澇，風沙霜凍加冰雹，無霜期短，溫差大，日照充足，降雨少。寒季略長于熱季，富日照，少降水，多風沙。當地年平均降雨量390 mm左右，多集中在7—9月，年平均氣溫8.6 ℃，年極端最高氣溫38.4 ℃，極端最低氣溫-29 ℃。無霜期146 d左右，平均日照時間2 815 h。試驗地土壤類型為壤質砂土，土壤保水保肥性能差。試驗前枸杞園0～30 cm耕層土壤的基本性狀為：有機質量為5.42 g/kg，有效氮量為14.58 mg/kg，有效磷量為12.41 mg/kg，速效鉀量為87 mg/kg，pH值為8.0。試驗材料為3 a生枸杞（品種為“寧杞一號”），栽植株行距1 m×2 m，栽植密度為5 000株/hm2。試驗地土壤體積質量隨土層深度呈上升趨勢，0～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 土層的土壤體積質量分別為1.40、1.56、1.55、1.58、1.60 g/cm3。

1.2 試驗設計

以不灌溉為對照（CK），設置3種灌溉方式：地表滴灌、涌泉根灌、根際環形多點源滴灌（以下簡稱根際滴灌）。地表滴灌將內鑲式滴灌管（滴頭間距0.5 m、滴頭流量3 L/h）放置在地表，水滴在土壤表面、入滲到土壤中，每株2個滴頭，如圖1（a）所示。涌泉根灌是用φ4PE，管一頭連接穩流器（每棵樹1個穩流器，流量6 L/h），另一頭插入一個預先打好的孔中（孔深30 cm、直徑5 cm），將水滴入孔中，如圖1（b）所示。根際滴灌是圍繞樹干挖溝，溝深30 cm，將內鑲式滴灌管（滴頭間距0.5 m、滴頭流量3 L/h）繞圈放入溝中、用土填埋，每株4個滴頭，如圖1（c）所示。在同一枸杞園進行灌水小區試驗，小區長8 m（包括4行枸杞）、寬6 m（每行6株枸杞），每個小區面積為 48 m2，每種灌溉方式 3個重復，共計 12個小區。

圖1 灌溉方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of irrigation method

從4月開始到8月底，共灌溉8次（灌水時間分別為4月18日、5月1日、5月25日、6月10日、6月25日、7月10日、7月30日、8月15日），灌水總量720 m3/hm2，每次單株枸杞的灌水量為0.018 m3，地表滴灌和涌泉根灌的單次灌水時長為3 h，根際滴灌的單次灌水時長為1.5 h。

1.3 觀測指標與數據分析

觀測指標包括：土壤質量含水率、土壤濕潤體垂直分布范圍、鮮果產量。灌溉結束2 h后，在灌水小區沿滴灌管方向、離滴頭25 cm處用土鉆分層取土，每10 cm一個土層，測定深度100 cm，采用烘干法測定不同土層質量含水率。在同一灌水小區，離滴頭25 cm遠的其他位置，地表滴灌處理沿滴灌管的方向，以相鄰2個滴頭為界，在水平方向上，每隔10 cm為1個取樣點，垂直向下0～80 cm，每10 cm取1個樣。根際滴灌處理以1個滴頭為起始，沿2個滴頭連線的方向，在水平方向上，每隔10 cm向下取土樣，取50 cm水平距離，10 cm為1個土層深度，直到80 cm深度。涌泉根灌處理以土孔圓心為中心、沿毛管布置方向，水平方向上每隔10 cm向下取土樣，10 cm為1個土層深度，直到80 cm深度。烘干法獲得土壤水分數據，在Surfer 16.0軟件中繪制土壤水分等值線圖，并用灰度填充，以此表達土壤濕潤體的分布狀況。

每個灌水小區固定3株枸杞樹，成熟時的果實全部采摘，用稱質量法分別測定單株樹的鮮果質量，將每次的鮮果質量累加得到單株樹的鮮果總質量。數據采用DPS9.3軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式土壤濕潤體垂直分布范圍

圖2為不同灌溉方式土壤濕潤體分布情況。從圖2可以看出，地表滴灌的濕潤范圍集中在0～29 cm土層，涌泉根灌的濕潤范圍集中在26～62 cm土層，根際滴灌的濕潤范圍集中在21～48 cm土層。由土壤水分蒸發過程的研究可知[8]，當環境條件一致時，地表0～20 cm土層越濕潤，其蒸發速率越大，蒸發損失越高。地表滴灌有69%的土壤濕潤體位于地表0～20 cm，由于每株樹有2個滴頭，土壤濕潤體形成以滴頭為中心的2個濕潤體。由于涌泉根灌的孔深30 cm、根際滴灌埋深30 cm，涌泉根灌和根際環形多點源滴灌下土壤濕潤體垂直分布均位于20 cm以下，也就減少了土壤水分高強度的蒸發。涌泉根灌由于只有1個出水口，土壤濕潤體形成1個橢球體，而根際環形多點源滴灌下土壤濕潤體分別以滴頭為中心，形成較明顯的2個橢球體。土壤濕潤體的大小與形狀對作物生長起關鍵性作用[9]。李潤淮等[10]的研究表明，枸杞根系密集區的垂直分布在地表下20～40 cm的土層。以50 cm為灌水入滲的最大深度，涌泉根灌 27.8%的水分入滲超出了根系主要分布層，而根際滴灌100%水分位于根系主要分布層。考慮土壤水分高強度蒸發層、根系主要分布層2方面的限制，根際滴灌一方面減少了高強度的蒸發損失，另一方面降低了深層滲漏，是干旱半干旱區深根性經濟林提高水分利用效率的有效技術措施。

圖2 土壤濕潤體分布圖Fig.2 Distribution of soil wetted volume

2.2 不同灌溉方式對土壤水分的影響

灌水2 h后的土壤水分狀況如圖3所示。

圖3 灌水2 h后的土壤水分狀況Fig.3 Soil moisture after 2 h irrigation

由圖3可知，不灌溉沙地地表受蒸發影響，土壤含水率非常低，20 cm以下的土壤含水率略高于地面。地表滴灌3 h后，水分能夠入滲到30 cm深度的土層中，10～20 cm土層的含水率最高，達到9.5%。涌泉根灌和根際環形多點源滴灌方式下地表土壤的含水率沒有增加，涌泉根灌的濕潤中心位于26～62 cm之間，土壤水分最高值 9.3%，而根際環形多點源滴灌其土壤水分最高值為9.8%，其原因涌泉根灌歷時3 h，而根際多點源環形滴灌歷時 1.5 h，灌水時間越長，水分入滲得就越深、水分擴散分布得更均勻。從不同灌溉方式下土壤分層含水率分析認為，地表滴灌水分入滲到枸杞主要根系層是有限的，而涌泉根灌和根際滴灌水分能夠完全到達主要根系分布層。

2.3 不同灌溉方式下產量和水分利用率WUE

雖然枸杞抗旱性強，但是枸杞產量與充足的水分和養分成正比[11]。采用地表滴灌和涌泉根灌、根際滴灌等灌水方式對3 a生沙地枸杞進行灌水試驗，初步結果表明灌溉處理比不灌溉獲得了增產，如表1所示。增產幅度最大的是根際滴灌技術。地表滴灌和涌泉根灌、根際滴灌產量比不灌溉枸杞分別增產2 075、3 145、4 150 kg/hm2，水分利用率分別提高了22.4%、41.9%、60.2%。

2.4 不同灌溉方式的經濟效益

根據不同灌溉方式所耗費的材料量計算，地表滴灌、涌泉根灌、根際滴灌的基礎設施一次性投入分別為15 000、15 000、19 500 元/hm2。雖然基礎設施投入大致相同，但因田間輸水管和滴頭使用折舊年限不同，不同灌溉方式的年折算成本有一定差異。地表滴灌毛管放置在地面，易老化，使用期為7 a，涌泉根灌穩流器橡膠膜質量不穩定，使用期為5 a。根際滴灌輸水管埋入土中，抗老化，使用折舊期為10 a。比較不同灌溉方式一次性投入后的年折算成本以及其他生產成本，詳細列入表2。從表2可以看出，果實采摘費用最高，由于根際滴灌的產量最高，所以其采摘費用最高、總計成本最高。而涌泉根灌的灌溉設施年折舊費最高，但總成本排在根際滴灌之后。結合不同灌水方式的投入成本與產出效益，從表3可以看出，凈收入高低排序為根際滴灌＞涌泉根灌＞地表滴灌，分別比對照提高了193.1%、126.3%和81.2%，單位水產值達到了15.0、13.3和11.5元/m3。

表1 不同灌溉技術增產效益比較Table 1 Comparison of yield on different irrigation method

表2 不同灌水方式生產成本 元/hm2Table 2 Comparison of cost on different irrigation method yuan/hm2

表3 不同灌水方式投入產出經濟效益 元/hm2Table 3 Economic benefit of different irrigation method yuan/hm2

3 討 論

干旱半干旱地區水資源短缺，水分是制約該區農林業生產的關鍵因子。干旱半干旱地區水分利用效率可提高的潛力很大，與不灌溉相比，少量灌溉水只要運用恰當，可以產生明顯的效果[12]。陜北長城沿線風沙土土質疏松，黏粒量較低、持水性差，不利于雨水、灌溉水的留存[13]。因此，如何提高有限水量的灌溉水利用率，是該區農林業生產過程中用水管理的關鍵。滴灌比溝灌、畦灌的灌溉水利用率已經有了較大的提高[1]。為了進一步提高滴灌的灌溉水利用率，本研究提出根際環形多點源滴灌技術。

根系是植物吸收水分的主要器官，枸杞的適應性較強，耗水量大，枸杞根系具有明顯的趨水性，合理灌水是提高枸杞產量和品質的根本途徑[14]。枸杞的主要根系層位于20～40 cm土層，決定了其所能利用水分的土層范圍。本研究中不同灌水方式導致水分在土壤中的分布空間不同，地表滴灌僅有部分土壤水分入滲到枸杞主要根系層，而涌泉根灌和根際環形多點源滴灌水分能夠完全到達主要根系分布層，能有效地供給枸杞根系水分，滿足枸杞不同生長階段的水分需求。同時，涌泉根灌的濕潤中心較根際環形多點源滴灌的濕潤中心下移10 cm左右，而土壤水分最高值較根際環形多點源滴灌土壤水分最高值略小。原因可能是由于該區土壤類型為壤質砂土，土壤保水保肥性能差，涌泉根灌每次灌水時間為3 h，較根際多點源滴灌灌水時間長，土壤水分易產生深層滲漏所致。

張效星等[15]研究表明地表滴灌時獼猴桃在不同灌水量時對產量影響較小，WUE隨灌水量的減小反而增加，獼猴桃產量僅下降 0.09%～6.24%，水分利用效率卻提高到 23.16%。而本研究得出根際多點源滴灌與地表滴灌在同樣灌水量條件下產量增加了30.9%，WUE提高了31.5%。WUE隨產量的增加而增加。地表滴灌、涌泉根灌和根際環形多點源滴灌枸杞產量和WUE比不灌溉枸杞均有大幅提高，根際環形多點源滴灌技術獲得了更高的水分利用效率，達到了1.88 kg/m3。這是因為根際環形多點源滴灌技術與地表滴灌相比，將同樣的水量輸送到植物的主要根系層，減少了表層土壤濕潤產生的蒸發損失；與涌泉根灌相比，將同樣的水量分配到植物的四周，相對減少了次灌水時間、縮短了水分入滲時間，相應地也就減少了水分深層滲漏量。

根際環形多點源滴灌技術盡管生產成本較高，但是獲得的經濟效益最大，其單位水產值分別是不灌溉的1.6倍，是地表滴灌處理的1.3倍，是涌泉根灌的1.1倍。研究認為該技術是干旱缺水區經濟林栽培的一種有效水分管理措施，建議在干旱半干旱區沙地經濟林栽培中廣泛推廣應用該技術。

4 結 論

1）根際環形多點源滴灌的水分濕潤范圍基本處于枸杞主要根系層，更適宜于沙質土壤的經濟林，是減少地表蒸發損失和深層滲漏的有效技術措施。

2）枸杞耗水量大，水分管理在其生產管理中占重要地位。根際環形多點源滴灌下枸杞產量和水分利用率顯著提高，該技術是一種適合沙地經濟林栽植管理的有效用水管理措施，在干旱半干旱沙地經濟林生產中有廣闊的推廣應用前景。