華寧柑桔根域灌溉技術應用效果評價

劉軼男，李冬云，王金振，李 茂，孫致遠，彭 磊，李 琦

(1 云南農業大學機電工程學院，昆明，650201；2 華寧縣柑桔科學研究所，云南華寧，652899；3 云南農業大學園林園藝學院，昆明，650201)

華寧縣位于云南中部，氣候適宜柑桔生長，所產柑桔果實口感好、品質優、產量高，比省外其他柑桔產區早成熟40～60 d[1-5]。目前華寧柑桔的灌溉方式以微噴灌為主。與傳統灌溉(用橡皮管引水澆灌)相比，自動控制微噴灌和手動控制微噴灌可節水53%和42%[6]。根域灌溉技術類似于地下滲灌，通過埋在土壤下的根灌管直接將水分送達植物根域，通過自動控制可定時定量進行灌溉，避免了水沿土壤表面的流失、因蒸發而損失以及浸濕土壤表層的無效灌溉損失，可進一步提高水肥利用率。華寧縣華溪鎮的柑桔主要種植區位于曲江(珠江上游支流)干熱河谷地區，春季和初夏較為干旱，這一時期的需水量較大，確保有效灌溉對全年柑桔生產具有重要意義。自2016年開始，作者研究團隊在華寧縣農業局亞熱帶水果示范園(位于華溪鎮斑茅棵)內，測定柑桔根系吸水的最佳范圍，構建水肥藥一體化根域精準自動灌溉系統，以期為柑桔產業的節本增效提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗園概況自2016年開始進行試驗。試驗地點在華寧縣亞熱帶水果示范園內，地理坐標為北緯24°58′、東經103°19′，海拔1 223 m，年日照時數2 190 h，年平均氣溫19.5 ℃，年平均地面溫度18.9 ℃，常年無霜期350 d，年平均相對濕度70%～80%，該地區屬干熱河谷氣候。試驗園地勢為南高北低坡度約為10°，上層(0～30 cm)土壤為保水性能較差的砂壤土，下層(30～45 cm)土壤為風化石居多的礫類土，45 cm以下多為石塊。以4年生興津溫州蜜柑(枳砧)開始進行根域灌溉技術與微噴灌灌溉技術研究與試驗，根域灌溉地面積4 695 m2，微噴灌灌溉地面積1 467 m2。定植株行距為1.5 m×2 m。

1.2 根域灌溉系統構成灌溉系統前端有兩個水肥罐接收來自蓄水池(或水庫)經過沉淀過濾的水，一個存水量3 m3，另一個存水量5 m3，兩個均可以在罐內攪拌所需比例混合均勻的水肥液，水肥液或灌溉水出罐后分別經過8根主出水管道輸送至柑桔地，同時控制室內的電控柜通過控制主出水管上的電磁閥和水泵的開關可以實現自動灌水施肥(見圖1和圖2)。

灌水時有自動、手動兩種模式可以選擇。自動模式下，根據土壤濕度傳感器返回的數值是否達到設定值來自動進行灌溉的啟停。手動模式下，根據柑桔樹實際的生長情況手動開啟或關閉灌溉系統(見圖3)。

圖1 控制室與水肥罐

圖2 控制室管路布置

圖3 控制室內電控柜控制面板

自動灌水模式：自動灌水程序啟動→水罐進水閥啟動→管道增壓離心水泵→流量計開始工作→電磁閥開啟→達到土壤濕度傳感器設定值后增壓泵、電磁閥等停止運行5秒后依次關閉→自動灌水程序關閉。

自動施肥模式：對所需施肥量(此處是根據水肥配比來確定水量)以及攪拌電機運行時間進行設定。其中3 m3、5 m3水罐均為水肥攪拌罐，也均可作為灌溉儲水罐，自動施肥與自動灌水模式形成互鎖，互不干擾。

手動灌水模式：打開人機交流平臺操作界面選擇手動控制。點擊開啟3 m3或5 m3水罐進水閥，進行水罐儲水，之后則根據所需澆灌任務點擊相應的管路灌水電磁閥即可，灌溉量控制則依據記錄顯示來進行。

手動施肥模式：點擊開啟3 m3或5 m3進水閥，放入肥料液，點擊開啟攪拌電機進行水肥混合攪拌，再點擊開啟施肥閥與所需灌溉相對應的管路灌水電磁閥即可。

灌水器采用根灌管。根灌管采用環狀圍繞式，并在根灌管內壁一圈均勻分布打8～10對穿孔后將其埋于地表面下15～20 cm深、距離樹干50～80 cm遠的土壤里，它的主要作用是將水肥液或灌溉水均勻地分配到果樹根域附近的土壤。根灌管掩埋前需經過出水均勻性檢查(見圖4)。

淺置土壤濕度傳感器埋于根灌管下方10 cm深(地表面下30 cm深)處，深置土壤濕度傳感器埋于根灌管下方25 cm深(地表面下45 cm深)處(見圖5)。在整個系統開啟的灌溉過程中，土壤濕度傳感器一直實時監測，一旦出現自然降雨，使土壤濕度達到設定的預期值，則正在運行的系統灌溉模式將立刻自動停止運行。

注：根域灌溉系統構建于2015年，2016年改進灌溉系統時拍攝照片。圖5同。

圖5 土壤溫濕度傳感器埋設深度與位置

1.3 土壤濕度傳感器校準2016年12月，采用土壤烘干法測定土壤濕度，以此對土壤濕度傳感器進行校準。①將盛土用的鋁盒(直徑6 cm，高3 cm)洗凈烘干，放入干燥器中冷卻至室溫，迅速用測量范圍為1～100 g的普通天秤準確稱重(W1)。②在試驗地選取一塊柑桔樹滴水線下方區域挖剖面，剖面尺寸為立面40 cm(高)×30 cm(寬)，選擇已埋入地下用于自動采集數據的傳感器廠商生產的手持式土壤濕度傳感器插入土壤中測量濕度并記錄數據，然后立即采取此傳感器附近區域土壤樣品約25 g放入鋁盒中，平鋪后蓋好，迅速稱重(W2)。③將裝入濕土的鋁盒的蓋子打開，鋁盒的蓋子平放在盒下，一同放入烘箱內保持105～110 ℃，烘烤8 h，取出加蓋，放在干燥器中冷卻至室溫，迅速稱重(W3)。④準備10個鋁盒，在試驗地塊選取10株柑桔樹，灌水量分別按5、10、15、20、25、30、35、40、45和50 L在其滴水線附近用瓢沿著以樹干為中心寬為30 cm的環型帶均勻澆水(環型帶中心直徑100 cm)，澆水后10 min，在環型帶區域向下挖出剖面后，在離土壤表面深30～35 cm處按上述①、②、③進行測量，記錄數據，最后按公式W=[(W2-W3)/(W3-W1)]×100%計算土壤含水量。式中：W—土壤含水量(%)；W1—鋁盒質量(g)；W2—濕土加上鋁盒質量(g)；W3—干土加上鋁盒質量(g)。⑤整理出土壤濕度傳感器讀數值記為“土壤濕度值1”與土壤烘干法測定的土壤“實際濕度值”記為“土壤濕度值2”，結果如表1所示。根據所得數據進行線性回歸分析，得到土壤濕度值2(y)與土壤濕度值1(x)的回歸方程為y= 2.299 8x+ 0.007 6(R2= 0.998，p<0.001),以此方程校準土壤濕度傳感器。

表1 不同灌水量下試驗地土壤含水量與土壤濕度傳感器測定值 %

1.4 試驗地旱季土壤含水量測定2016年12月，完成土壤濕度傳感器校準后，及時進行試驗地土壤含水量測定。為探索試驗地土壤含水量，充分利用已校準的土壤水分傳感器和自動灌溉系統的自動灌溉功能進行灌溉和數據采集，2016年12月16—23日每天夜間22：00至次日凌晨1：00執行一次灌溉，埋設傳感器的試驗地塊每株柑桔樹每次灌水5 L，每天灌水1次，一共灌溉7次。從每次灌溉前后傳感器測定值變化來看，澆水后濕度迅速上升，停止澆水后濕度緩慢下降。在連續執行灌溉期間，用線性回歸方程校正的土壤濕度傳感器低值在27.936%，高值在43.534%。可見，試驗地土壤保水能力較差。由于連續灌溉的7 d內無降雨，灌水時間在夜間，因此可以確定在不灌水情況下，旱季試驗地土壤含水量為28%～30%。

1.5 試驗方法參照農業部辦公廳印發的《水肥一體化技術指導意見》，結合試驗地實際情況，將灌溉系統灌水及施肥均勻系數調校到0.8以上，濕潤深度為0.3～0.45 cm，試驗地灌溉上限控制土壤含水量在85%，下限控制土壤含水量在55%，對應的灌溉系統土壤濕度數據采集傳感器設定值上限為36.5%，下限為23.6%。

對比試驗于2017年正式開始進行。采用根域灌溉方式的柑桔地為試驗地，采用微噴灌的柑桔地為對照地。試驗地的自動灌溉模式根據傳感器返回的數值自動判斷是否進行灌溉(土壤含水量小于55%開始灌溉，大于85%停止灌溉)，手動灌溉模式則根據柑桔樹的實際生長情況來選擇關閉或者開啟。微噴灌地塊采用人工方式根據灌溉經驗來判斷是否灌水以及灌水量。微噴灌對照地在管口處安裝水表用以記錄灌水量，根域灌溉試驗地由灌溉系統自動記錄灌水量。同時，記錄試驗地和對照地的肥料費用、人工費用、產量、產值等數據。

2 結果與分析

2.1 灌水量比較試驗結果看出，每年灌溉期的平均單株灌水量，采用根域灌溉的明顯低于微噴灌，節水79.7%～87.5%(見表2)。

表2 2017—2020年每年灌溉期不同灌溉處理平均單株灌水量L

2.2 肥料用量及費用比較試驗結果看出，在肥料大致相同的情況下，根域灌溉的肥料使用費用明顯低于對照微噴灌溉(見表3)。由此可知，在根域灌溉模式下肥料節約效果明顯。

表3 每年不同灌溉處理肥料使用情況

2.3 產量比較根域灌溉試驗地和微噴灌溉對照地均在2017年第一次掛果。2017—2020年每年單株產量均是根域灌溉明顯高于微噴灌溉，增幅為35.7%～111.1%。同時，根域灌溉的單株產量更加穩定，其變異系數為13.67%，而微噴灌溉單株產量的變異系數為21.68%(見表7)。

2.4 經濟效益比較根據實際保留植株所得的產值，扣除灌水、肥料、人工等實際損耗，換算單位面積(667 m2)的產值、成本與利潤(見表8)。與微噴灌溉相比，根域灌溉由于產量高(見表4)，產值也高。同時，根域灌溉除折舊費略高于微噴灌溉外，其余費用均低于微噴灌溉。因此，根域灌溉的利潤大大高于微噴灌溉，2017—2020年每年單位面積利潤分別增加2.14、1.45、3.27和0.52倍。

表7 2017—2020年每年不同灌溉處理的單株產量

表8 2017—2020年每年不同灌溉處理的產值、成本與利潤 元/ 667 m2

3 討論與結論

有研究表明，在柑桔生長的不同時期，如果能夠及時灌溉適宜的水量，則能提高單株產量和單果質量[7]。目前，華寧縣在旱季時期主要采用微噴灌灌溉方式進行柑桔園的灌溉。本研究表明，相比微噴灌，在華寧縣采用根域灌溉系統進行根域灌溉，節水節肥效果更明顯，能夠進一步增產增效。當前，滴灌與微噴灌管網系統材料已基本實現國產化，根域灌溉系統構建成本與滴灌和微噴灌系統構建成本接近，具有較強的技術應用推廣空間。