不同灌水量和灌水頻率對田間黃瓜耗水特性及產量的影響

冀健紅，張曄，李艷麗，劉新陽，趙禮，傅國強

不同灌水量和灌水頻率對田間黃瓜耗水特性及產量的影響

冀健紅1，張曄2，李艷麗2，劉新陽3*，趙禮2，傅國強2

（1.河南水利與環境職業學院，鄭州 450008；2.浙江省水利水電工程質量與安全監督管理中心，杭州 310012；3.華北水利水電大學，鄭州 450045）

確定大田黃瓜最適宜的灌溉頻率和灌水量。試驗于2018年在華北水利水電大學農業高效用水試驗場進行，以20 cm標準蒸發皿的累積蒸發量（E20）作為灌水依據，灌溉處理分為2個灌溉間隔（I1:3 d；I2:6 d）和3種水面蒸發系數（K1:0.5；K2:0.7；K3:0.9），共6個處理，對黃瓜耗水特性、產量構成和水分利用效率進行了分析。黃瓜整個生育期耗水量在380~570 mm之間波動，黃瓜的產量在18.2~46.1 t/hm2之間波動。從不同灌水頻率組合來看，I2K3處理的產量最高，其中，K3處理的早期產量最高，而I1與I2處理的水分利用效率無明顯差異。果實數與灌水量之間、耗水量與產量之間均呈正線性相關關系。建議對于田間黃瓜栽培，灌溉間隔設置為6 d，蒸發皿系數選擇0.9為宜。

蒸發皿；灌水間隔；水面蒸發系數；灌溉制度；黃瓜

0 引言

【研究意義】合理的灌溉制度不僅可以為植物生長提供良好的水分條件，同時可以更好了解植物對水分的敏感變化[1-2]。現代農業耕作方法的增產主要取決于是否能夠及時和充分地滿足作物健康生長所需的灌溉用水，因此，為了獲得單位面積的最高產量，除了確定植物的水分消耗和灌溉間隔，還需要確定植物在各個時期對水分的敏感程度[3-4]。

【研究進展】20 cm標準蒸發皿由于其操作簡單，近年來在制定作物灌溉制度時得到了廣泛應用。研究發現，植物水分的消耗與蒸發皿的蒸發量之間存在著密切關系[5-7]。利用蒸發皿蒸發量作為一種灌溉參考，并作為制定灌溉制度的依據是一種可靠的方法。此外，由于20 cm蒸發皿最適合由植物、土壤和大氣三者構成的合成體系，因此，常被參考用來制定作物的灌溉制度，如Liu等[8]認為當20 cm蒸發皿累積蒸發量達到10 mm時，采用0.9作為蒸發皿系數進行灌水可以完全滿足溫室番茄的需水要求；Yuan等[9]認為大田馬鈴薯栽培蒸發皿系數可以采用0.75，其產量最優，水分利用效率最高。劉海軍等[6]認為蒸發皿系數為0.75可以滿足大田小麥的需水要求。在灌水頻率方面，滴灌灌水頻率采用8 d可顯著提高馬鈴薯的產量，且水分利用效率較佳[10-11]，而低頻（10 d）灌溉則有助于棉花增產[12]。對于番茄栽培，建議灌水間隔設置為6 d可減少氮肥的流失，從而增加產量[13]。以往研究多是在灌水間隔或蒸發皿系數單個因素上考慮不同灌水條件對作物需水的影響，較少考慮二者的綜合效應。

黃瓜屬于葫蘆科，是一種典型的蔬菜作物，全世界種植面積約240萬hm2，每年黃瓜產量接近4 000萬t。因此，黃瓜被認為是最重要的經濟蔬菜之一[14-15]。【切入點】近年來，在河南商丘地區種植廣泛，但大田栽培條件下，由于所受環境因子較為復雜，有關黃瓜的需水規律研究較為少見，尤其是在不同蒸發皿系數和灌水頻率組合條件下，黃瓜的耗水特性如何變化，還有待進一步研究。【擬解決的關鍵問題】確定不同的灌水時間間隔和水面蒸發系數對黃瓜耗水特性及產量構成的影響，進而利用蒸發皿制定適合大田黃瓜栽培的灌溉制度。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年5―9月在華北水利水電大學農業高效用水試驗場（34°72′N，113°65′E，海拔110.4 m。）進行。試驗區年均降雨量640 mm，年均蒸發量1 900 mm，屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫14.5 ℃，日照時間1 870 h，無霜期209 d。試驗區土壤為壤土，0～90 cm土壤平均體積質量為1.5 g/cm3，田間持水率為21.5%（質量含水率）。

1.2 試驗設計

試驗在防雨棚下進行，于2018年5月15日播種，每穴平均播4粒黃瓜種子，行距和株距分別為95和40 cm。灌溉處理包括2個灌水間隔（I1:3 d；I2:6 d）和3種水面蒸發系數（K1:0.5；K2:0.7；K3:0.9）。參考20 cm標準蒸發皿的累積蒸發量進行灌溉，蒸發皿放置在距地表高2 m的位置，在灌水間隔內蒸發皿累積蒸發量與水面蒸發系數相乘得到各處理的單次灌水量。每個試驗小區的面積是3.9 m×2.0 m，并種植15棵黃瓜，小區之間的間距為1 m。按完全隨機設計，重復3次。在播種前對每個小區施用磷酸二銨，施用量為0.27 t/hm2，并在開花期（7月3日）和果實成熟期（7月29日）對每個小區施用68 g尿素。采用滴灌灌水方式，每個小區安裝1塊精度為0.001 m3的水表，以便于精準控制灌水量。灌水計劃在第1層果實坐果時開始，到8月下旬停止（以果實減少80%作為截止日期）。

1.3 試驗觀測項目與方法

1.3.1 土壤含水率

在黃瓜整個生長期間進行土壤水分的測量，從黃瓜出苗開始，采用TRIME-IPH時域反射儀每隔7～10 d對0～90 cm的土壤含水率進行測定（在每次灌水前后加測），測量間隔深度為10 cm。為確保儀器測定的準確性，采用取土烘干法對儀器進行矯正。

1.3.2 灌水量

灌水量（r）為20 cm蒸發皿的累積蒸發量與蒸發皿系數的乘積，計算式為：

r20c， （1）

式中：r為灌水量（mm）；20為20 cm蒸發皿的累積蒸發量（mm）；c為蒸發皿系數。

1.3.3 產量指標

在黃瓜收獲時，每個小區選擇10株，采用電子秤（精度為0.01 g）測量黃瓜的單果質量，采用游標卡尺測量黃瓜中間部位的直徑、采用卷尺測量其長度，最后核算每次采摘的黃瓜個數。在本試驗中，將前4次采摘的黃瓜作為早期產量。

1.3.4 耗水量和水分利用效率

耗水量（）采用水量平衡法[16]計算：

rr+(0t)，（2）

式中：為耗水量（mm）；r為灌水量（mm）；r為降水量（mm）；為地下水補給量（mm）；為深層滲漏量（mm）；0、t分別為時段初和時段末90 cm土層內的儲水量（mm）。由于試驗是在防雨棚下進行的，所以r=0；試驗地的地下水埋深較深（在5.0 m以下），可以忽略地下水補給量，即=0；因為所有處理單次灌水定額較小，幾乎不產生深層滲漏，即=0。

水分利用效率（）、灌溉水利用效率（）和灌溉水補償率（rc）計算式[17]為：

式中：為灌溉水利用效率（kg/m3）；為水分利用效率（kg/m3）；rc為灌溉水補償率（%）；為黃瓜產量（t/hm2）；為作物耗水量（mm）；r為總灌水量（mm）。

1.3.5 數據分析與處理

數據統計分析采用DPS（v13.0）統計軟件，圖表采用Excel進行繪制。

2 結果與分析

2.1 灌水前后土壤含水率的變化

黃瓜試驗的灌水時間從7月15日開始，8月26日結束。圖1為0～90 cm各處理灌水前后土壤含水率變化，灌溉前土壤含水率接近凋萎系數（，8.5%），灌水后接近田間持水率（，32.3%）。其中I2處理比I1處理灌溉前的土壤含水率更接近，由于I2處理的每次灌溉水量都比較大，在每次灌溉之后I2處理比I1處理更接近。高蒸發皿系數的土壤含水率在灌溉前后均高于低蒸發皿系數處理。另一方面，在相同的蒸發皿系數條件下，I2處理更靠近。此外，由于I1處理經常灌溉，因此其蒸發損失要比I2處理大得多。

2.2 灌溉用水量、耗水量和水面蒸發量變化

表1給出了不同處理的灌溉水量（r）和耗水量（）的變化。從表1可以看出，播種到苗期，各處理的r在313.2～502.9 mm之間變化，隨著r的增加而增加。每隔3 d和6 d分別灌溉14次和7次，在整個生育期內有680.3 mm的水量蒸發。其中K1處理的灌溉水量最低，平均為315.7 mm，K3處理的灌溉水量最高，平均為498.5 mm。由于7月的太陽輻射較強，溫度較高，因此，7月的水面蒸發量是最高的，灌溉水量也最多。

表1 不同處理的灌溉水量（Ir）、耗水量（ET）、水面蒸發量（E20）分布

2.3 產量和水分利用效率

表2為不同水分處理產量指標變化。黃瓜播種62 d后首次收獲，生育期內共收獲17次，持續到第122 d（9月6日）。K3處理灌水量最大，植株耗水量最高，對應的早期產量也最多，同時K3處理的總產量也最高。K1處理的總產量最低，灌水量也最少。對于K2處理，雖然早期產量沒有K1處理高，但總產量在K1處理與K3處理之間，可見，黃瓜的產量會隨著灌水定額的增加而增加。

從表2可以看出，K3處理產量最高，2種灌溉頻率的和也最高。在3 d灌水間隔條件下，隨著灌水量的增大，和出現了先減小后增加的變化趨勢。而在6 d灌水間隔條件下，K1和K2處理的和沒有明顯的差異，但均小于K3處理。可見，當灌水間隔相同時，選用0.9的蒸發皿系數可使得灌溉用水效果達到最佳水平。在2種灌水間隔條件下，灌水量越多，相應的rc也就越高，并且6 d灌水間隔的rc普遍高于對應的3 d灌水間隔。這可能是由于頻繁灌溉的植物會消耗更多的水分，從而使作物不易遭遇水分脅迫，同時黃瓜屬于淺根作物，更容易得到灌溉水的補償。所有處理的rc均高于80%（除I1K1處理外），說明各水分處理的黃瓜基本得到了灌溉補償。

表2 不同處理的產量指標及水分利用效率

2.4 產量指標與收獲產量的關系

為了分析各產量指標與收獲產量之間的相關性，圖2給出了果實數量（）、果實平均質量（）與產量之間的關系。從圖2可以看出，隨著和的增加，收獲產量呈明顯的增加趨勢。其中，對產量的貢獻最大，二者的回歸方程為=0.17-4.09，相關系數（2=0.95）達到顯著水平。與收獲產量之間的回歸方程為=0.34-18.52，相關系數（2=0.72）未達到顯著水平。

r和也會影響和從圖3中可以看出，隨著r和的增加，和都有明顯的增加趨勢，與r相比，的增加對和的影響最大，相關系數（2=0.89）均達到了顯著水平。從r對和的影響來看，r對的影響高于FN。因此，2種灌溉間隔期黃瓜果實的供水量越高，黃瓜果實質量就越大。

圖4給出了不同水分處理的灌水量、耗水量與黃瓜產量之間的關系。黃瓜產量與灌水量和耗水量呈線性正相關關系，但耗水量與產量之間的相關性（2=0.82）要高于灌水量（2=0.78）。說明黃瓜植株對水分脅迫非常敏感，之前研究表明，對于大多數的淺根作物而言，其對水分脅迫的敏感程度均較高[3]。

圖2 黃瓜果實數量（FN）、果實平均質量（MFW）與產量的關系

圖3 灌水量、耗水量與黃瓜產量指數之間的相關性

圖4 灌水量和耗水量與黃瓜產量的相關性

2.5 不同處理耗水量與水面蒸發量的關系

表3為不同處理的累積在生長期內與累積20之間的關系。與20呈線性正相關關系。因此，利用蒸發皿蒸發量來確定作物灌溉制度是可行的。本研究最佳灌溉處理（I2K3）的/20方程（=0.9420-33.88）也是合理的。因此，將灌水間隔為6 d的累積蒸發量代入方程中可以得到相應的耗水量。

表3 不同處理累積耗水量與累積水面蒸發量的關系

在圖5可以看到，不同處理在整個生育期內/20的變化情況，水分最少的I1K1處理對應最小的/20比值。/20在植物生長初期較低，至灌水開始及早期開花結果后會有所提高，在生長中期，由于冠層擴大，連續的花序，果實成熟以及最后的果實收獲導致/20呈上升趨勢，之后進入平穩階段，最后在生育期結束之前/20有所下降。說明冠層發育與植物耗水具有一定相關性。研究發現[19]，/20與植物冠層呈線性正相關，直到植物冠層覆蓋了植物行內80%的土壤。

圖5 不同處理ET/E20的變化

3 討論

黃瓜在生長的過程中對水分變化十分敏感，水分脅迫不僅會影響黃瓜的外觀品質，還會降低經濟產量[2-4]。當發生水分虧缺時，黃瓜的開花數量會減少，莖粗和長度等均有所降低。本研究認為，選用蒸發皿系數為0.9有利于黃瓜產量的提高，低于0.9時，產量及產量構成均會受到影響。增加灌水量會提高果實的平均質量，對提高產量貢獻最大[18]。對于大田黃瓜栽培，蒸發皿系數選擇1.0時可增加產量，而采用該蒸發皿系數指導溫室黃瓜灌水制度時，其有所降低[7]。在針對日光溫室滴灌黃瓜的研究中發現蒸發皿系數選擇0.8時可滿足需水要求，但低于0.75則會顯著抑制產量的形成[2,21]。這可能是由于溫室內輻射低、濕度大以及灌水方式的不同引起的。水分脅迫的減產效應還表現在其它蔬菜作物上，如番茄[8-9]、哈密瓜[20]和馬鈴薯[10-11]等作物。

蔬菜作物的產量構成，除了對灌水量反應較為敏感外，灌水頻率也是影響產量構成的重要因素。本研究得出，相同蒸發皿系數條件下，6 d灌水頻率的產量要高于3 d。在類似的研究中同樣發現，低頻灌溉的產量要明顯高于高頻灌溉，這是因為高頻灌溉會在地表形成一層水膜，從而抑制了作物根系的呼吸，最終影響產量的構成[8,12-13]。

對于淺根作物，在整個生長過程中對水分脅迫的敏感程度還表現在和等方面[3]，本研究認為，對于黃瓜栽培，較低的灌水量并不會提高，而0.9蒸發皿系數處理的和最高。在類似對大田作物的研究發現，當灌水頻率相同時，和表現出先降低后升高的趨勢；并且當土壤水分下限較低時，并不能獲得較高的和，反而產量下降比較顯著[7,20]。出現這種現象的主要原因是虧缺灌溉明顯抑制了作物的產量，尤其在黃瓜的營養生長期，虧缺灌溉不僅會造成植物體內大量脫落酸的形成，而且會出現黃瓜的落花和落果現象，從而影響產量[3-4,7,20]。

小型水面蒸發皿具有簡單易操作的特點，且能夠代表一定條件下的氣象狀況，在一定條件下，作物的耗水量計算也可以通過建立耗水量與水面蒸發量的關系式來簡單獲得[7]。本研究認為蒸發皿的累積蒸發量與大田黃瓜的累積耗水量呈良好的線性關系，二者之比（/20）在整個生長階段的變化趨勢表現為：生育初期小，中期開始上升，后期趨于穩定或下降的變化趨勢。在對溫室滴灌番茄的研究中發現耗水量與水面蒸發量在初期和生育后期均比較小，而中期較大，二者呈顯著性線性關系，相關系數在0.99以上[8,22]。因此，在進行灌溉制度設計時，可在作物生育初期和后期采用較低的蒸發皿系數（0.5），而在生育中期采用較高的蒸發皿系數（0.9）進行灌溉設計，從而實現節水增產的目的。

4 結論

1）I2K3處理的總收益最高，和超過80 kg/m3，灌溉水補償率接近90%。當水面蒸發系數相同時，灌水間隔為6 d處理的和均高于3 d處理。

2）灌溉水量與果實數量、單果質量以及產量之間呈較好的正相關關系。2種灌溉間隔的K3處理早期產量均為最高。因此，推薦黃瓜在田間管理條件下水面蒸發系數優先選用0.9，并以6 d作為灌溉間隔，以實現黃瓜節水增產的目的。

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Effects of Irrigation Amount and Frequency on Water Consumption and Yield of Field Cucumber

JI Jianhong1, ZHANG Ye2, LI Yanli2, LIU Xinyang3*, ZHAO Li2, FU Guoqiang2

(1. Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou 450008, China; 2. Zhejiang Water Conservancy and Hydropower Engineering Quality and Safety Supervision and Management Center, Hangzhou 310012, China; 3. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China )

Optimal irrigation scheduling not only provides a suitable soil environment for plants to grow but can also reduce agrichemical leaching caused by excessive irrigation. Irrigation scheduling in modern agriculture is normally calculated based on the water a crop requires during different growth stages. In addition to determining water consumption by the crop and irrigation interval, knowing the sensitivity of the crop to soil moisture at different growth stages is also essential.The areas of field-cultivated cucumber have seen an increase over the past few years agricultural high efficiency water use test site of North China University of water resources and hydropower, but there is a lack of understanding of a suitable irrigation scheduling for it. The purpose of this paper to fill this knowledge gap.The experiment was conducted in 2018 in a rainproof shelter; it consisted of two irrigation intervals: 3 days (I1) and 6 days (I2). Added to these were three irrigation amounts with each determined from evaporation measured from a 20cm pan multiplied by an evaporation coefficient - 0.5 (K1), 0.7 (K2) or 0.9 (K3). Overall, there were six treatments. In each treatment we measured the change in soil water content, yield traits including diameter, weight and length of the fruits, water consumption, water use efficiency and irrigation water compensation rate.Prolonging irrigation frequency as in I2made soil moisture approach the wilting point prior to next irrigation which topped up the soil moisture approximately to the field capacity. Water consumption by the cucumber over its whole growth season was between 380 and 570 mm, with its associated yield varying between 18.2 and 46.1 t/hm2. I2K3was most effective for improving yield; when other conditions were the same, K3increased the yield most. The irrigation frequency did not have a noticeable effect on water use efficiency. The yield traits varied with both irrigation amount and frequency, with the yield increasing with the irrigation amount. It was found that, similar as the linear increase in yield with water consumption, the fruit numbers were also positively proportional to irrigation amount. There was a linear positive correlation between the water consumption and the pan-evaporation in all treatments, indicating that the evaporation measured from the 20 cm pan is adequate to be used to determine the irrigation scheduling of the field cucumber.Combing irrigation interval of 6 days with the evaporation measured from the 20 cm pan multiplied a pan coefficient 0.9 as the irrigation amount in each irrigation was most effective to improve cucumber yield and its water use efficiency.

Pan evaporation; irrigation interval; pan evaporation coefficient; irrigation scheduling; cucumber

S275.9

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020302

1672 - 3317（2021）03 - 0063 - 07

冀健紅, 張曄, 李艷麗, 等. 不同灌水量和灌水頻率對田間黃瓜耗水特性及產量的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(3): 63-69.

JI Jianhong, ZHANG Ye, LI Yanli, et al. Effects of Irrigation Amount and Frequency on Water Consumption and Yield of Field Cucumber[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 63-69.

2020-06-05

國家自然科學基金項目（51309099）；浙江省水利廳重大科技項目（RA1806）；浙江省水利廳專項經費項目（5638896）

冀健紅（1985-），女。高級工程師，主要從事節水灌溉工程建設和管理等方面工作。E-mail: jianhongji@126.com

劉新陽（1979-），男。教授，主要從事節水灌溉工程建設和管理等方面工作。E-mail: lxywd2008@126.com

責任編輯：陸紅飛