滴頭流量對壓砂土壤水鹽分布及西瓜生長、產量的影響

楊宗凱，譚軍利,2,3*，王西娜，馬瑞

滴頭流量對壓砂土壤水鹽分布及西瓜生長、產量的影響

楊宗凱1，譚軍利1,2,3*，王西娜4，馬瑞4

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術 研究中心，銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；4.寧夏大學 農學院，銀川 750021）

【目的】探明微咸水灌溉條件下滴頭流量對壓砂地土壤水鹽分布及西瓜生長和產量的影響。【方法】通過田間試驗，設置Q1（2 L/h）、Q2（3 L/h）、Q3（4 L/h）3種滴頭流量，研究滴頭流量對灌水前后土壤水鹽分布特征、西瓜生長、產量、果實品質及水分利用效率的影響。【結果】滴頭流量越大，土壤水平濕潤范圍越大，膜間土壤含水率越高，滴頭下方垂直濕潤深度越淺。各處理0～100 cm土壤鹽分經過一個全生育期均呈下降趨勢，鹽分減少量隨滴頭流量增大而增加。果實可溶性糖量隨滴頭流量增大呈先增大后減小趨勢，Q2處理最大，分別較Q1、Q3處理提高了54.3%和22.3%；維生素C量隨滴頭流量增加呈先減少后增加趨勢，Q3處理最高，較Q2處理提高了53.7%。西瓜產量與灌溉水利用效率均隨滴頭流量增大而增加，Q3處理產量分別較Q1、Q2處理提高了6.20%和3.56%，Q3處理的灌溉水利用效率分別較Q1、Q2處理提高了6.49%和3.72%。【結論】綜合考慮土壤水鹽再分布形式與西瓜產量、品質，適用于壓砂地西瓜微咸水滴灌流量為Q3（4 L/h）。

滴灌；滴頭流量；壓砂地；微咸水；水鹽分布；西瓜

0 引言

【研究意義】寧夏中衛香山地處干旱半干旱地帶，農業水資源相對緊缺[1-2]，當地采用微咸水滴灌與壓砂覆膜相結合的種植方式應對水資源匱乏狀況，該模式比其他種植技術能有效降低作物棵間蒸發，影響土壤水熱運移[3]，對土壤表層進行覆蓋處理，可弱化土壤鹽漬化危害，改善作物根系生長環境[4-6]。當地瓜農利用滴灌種植西瓜，但缺乏合理的滴灌參數指導。調節灌水量、滴頭流量與滴頭間距等滴灌參數，可影響土壤水鹽分布與作物產量[7]。壓砂地表層的砂礫層滲透性強，土壤層滲透性相對較弱，滴頭流量作為滴灌技術重要參數之一，通過調節滴頭流量來改善壓砂地土壤水鹽分布，對當地西瓜種植與水資源高效利用有重要意義。【研究進展】砂礫覆蓋可有效改變水分入滲階段土壤優質流與基質流配比[8]，蒸發時期水分階段化運動規律同樣受覆砂影響[9-10]，蒸發與入滲階段水分運動導致土壤鹽分運動與分布形式發生改變[11]。覆砂對土壤水鹽的調控效果，直接作用于壓砂瓜的耗水量及產量[12]。滴頭流量作為田間滴灌的基本參數，對調控土壤水鹽運移有重要作用[13]。濕潤體垂向距離隨滴頭流量的增大而減小，水平濕潤距離則隨滴頭流量增大而增大[14]。土壤脫鹽區的形成與濕潤體的形狀有密切關系，適當的滴頭流量可促使適合作物生長的濕潤體與脫鹽區形成，對作物生長有一定的促進作用[15-18]，可有效提高作物產量[18-21]。【切入點】覆砂與適宜的滴頭流量可以改變土壤的水鹽分布特征為作物的生長提供良好的水鹽環境，但滴頭流量對壓砂地土壤水鹽分布影響的研究相對較少，滴頭流量與壓砂西瓜產量的關系并不明確，選擇適宜的滴頭流量是壓砂地西瓜產業急需解決的關鍵問題。【擬解決問題】為此，通過田間試驗比較不同滴頭流量對土壤水鹽分特征、西瓜生長及產量和品質的影響，為壓砂地微咸水合理利用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年4—8月在寧夏中衛市沙坡頭區香山鄉紅圈子村進行，該區域溫差大，氣候干燥，年降水量220～240 mm，蒸發量為2 200～2 500 mm，年蒸發量是年降水量的9～10倍。年內降水不均，主要集中在6—7月，西瓜生育期降水量81.6 mm，日降水量分布如圖1所示。

圖1 西瓜生育期內降水量

試驗地0～100 cm土層土壤理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性狀

當地灌溉采用地下微咸水，地下水埋深在200～260 m范圍內，近年來呈下降趨勢。地下水鹽分及離子成分如表2所示。

表2 灌溉水鹽分及離子組成

1.2 試驗設計

試驗在田間進行，鋪設貼片式滴灌管，滴頭間距為15 cm，管上覆寬度為1 m塑料薄膜。試驗設3種滴頭流量，分別為Q1（2 L/h）、Q2（3 L/h）、Q3（4 L/h），為3個處理，每個處理1個首部，安裝壓力表，監測滴灌管工作壓力，由首部閥門調節壓力。3個處理全生育期灌水9次，每次灌水量90m3/hm2，全生育期共灌水810m3/hm2，灌水量參考試驗田附近農戶經驗灌水量，由水表控制。灌溉頻率參考不同生育期灌水量與灌溉定額的最適比例設定，幼苗期灌水1次，伸蔓期灌水2次（每次間隔7 d），坐果期灌水1次，膨瓜期灌水5次（每次間隔7 d）。每個首部后接5條滴灌管，對應5行，中間3行為3個重復，兩邊各1行為保護行，避免試驗區被其他處理干擾。西瓜株行距為1.2 m×1.7 m，每個小區共30株西瓜。

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 土壤指標

在水平距離滴灌帶0、15、30、45、60、75、90、105、120 cm處，垂直向下每20 cm取1次土，取至100 cm，植株行距為120 cm。取樣時間為播前取1次，6月30日灌水前取1次，7月10日取1次為灌水后土樣（當地農民灌水周期為2周1次，且10 d內無降水干擾），西瓜成熟后取1次。用烘干法測量土壤含水率。將土樣風干碾碎過1 mm篩，將土樣配置土水質量比1∶5的溶液，用雷磁DDS-307A電導率儀測量電導率。

1.3.2 西瓜生長指標

在西瓜伸蔓期、開花期、坐果期、成熟期，每個小區選取5株瓜，用卷尺測量主蔓長，游標卡尺測量植株莖粗。

1.3.3 西瓜品質及產量

西瓜成熟后，每個小區選取10個瓜作為樣本，測量各項指標。用百分位電子秤稱量單瓜質量（kg）；縱切，用卷尺測量西瓜橫徑與縱徑（cm）；用硬度計測量瓜皮硬度與果肉硬度（kPa）。用數顯折射儀測量可溶性固形物（%）；用NaOH滴定法測定總酸（%）；用蒽酮比色法測定可溶性糖（g/kg）；用鉬藍比色法測定維生素C（mg/kg）。

1.3.4 灌溉水分利用效率

灌溉水分利用效率計算式[22]為：

， （1）

式中：為灌溉水分利用效率（kg/m3）；為西瓜果實產量（kg/hm2）；為灌溉定額（m3/hm2）。

1.3.5 數據處理

采用SPSS Statistics 25處理試驗數據，采用LSD法進行差異顯著性檢驗，采用Origin2018作圖。

2 結果與分析

2.1 滴頭流量對灌水前后土壤水分分布的影響

6月30日灌水前土壤質量含水率分布情況如圖2所示。灌水前各處理水分分布形式無明顯規律，這可能與取樣前的多次降水有關；土壤質量含水率從地表到深層呈先增大后減小的分布特征，在心土層（40～60 cm）土壤質量含水率達到最高。7月10日灌水后在水平尺度上，各處理土壤質量含水率從膜內到膜間呈下降趨勢，在膜間土壤含水率最低，受大氣條件影響，該區域部分水分補給土壤蒸發，土壤質量含水率降低；垂直方向，土壤質量含水率隨土層深度增加呈先增大后減小趨勢，心土層土壤質量含水率較高，與播前相似。

滴頭流量對土壤剖面水分分布有顯著影響。Q1處理下土壤水分主要集中在膜內心土層，膜間土壤質量含水率下降，若以含水率為12%的等值線所包圍的區域為低含水區，則膜間低含水率區域深度達到25 cm。Q2處理下水分集中在心土層，該土層膜內蓄水量稍高于膜間，低含水率最深達10 cm。Q3處理水分同樣聚集在心土層，該土層膜間土壤質量含水率較高，膜間低含水率區域深度為5 cm，并且在表土層（0～40 cm）以滴頭為中心形成半徑為20～40 cm的類圓形含水率較低區域。綜上可知，滴頭流量越大，水平濕潤范圍越大，膜間土壤質量含水率越高。

圖2 灌水前后各處理土壤含水率分布

2.2 滴頭流量對土壤鹽分的影響

6月30日灌水前土壤電導率分布見圖3，Q1、Q2處理土壤電導率在底土層（60～100 cm）較大，Q3處理電導率較為均勻，無積鹽區。空間尺度上各處理土壤電導率差異性較大，無明顯規律，這是由灌水前試驗區多次降水導致。

7月10日灌水后各處理土壤電導率分布形式見圖3。若以400 μS/cm等值線包圍的區域為脫鹽區域，以800 μS/cm等值線包圍的區域為積鹽區域，Q1處理小區灌水后，滴頭下方脫鹽區深度達90 cm，水平脫鹽范圍約30 cm；表土層脫鹽區域較小，膜間表土層均未達到脫鹽標準；膜間心土層出現積鹽區；底土層電導率較灌水前下降，以上說明該處理鹽分發生橫向上移。Q2處理在滴頭下方脫鹽深度為40～50 cm，水平范圍較大；表層土脫鹽區域較大，心土層土壤電導率較灌水前有所增加，底土層電導率下降，說明該處理土壤鹽分上移，上移效果較Q1處理差，未出現積鹽區。Q3處理脫鹽深度為30～40 cm，表土層完全脫鹽，40～80 cm脫鹽效果不明顯，在80～100 cm層部分區域大量積鹽。

灌水后滴頭下方土壤脫鹽深度表現為Q1處理>Q2處理>Q3處理，說明滴頭流量越大，脫鹽區域越淺。表土層脫鹽效果為Q3處理>Q2處理>Q1處理，說明滴頭流量越大，土壤水平脫鹽范圍越廣。隨著滴頭流量的增大，土壤水平脫鹽范圍增大，垂直脫鹽深度減小。

表3為播前與收獲期不同土層深度土壤電導率，將鹽分變化量定義為收獲期與播前土壤平均電導率之差，鹽分變化率為鹽分變化量與初始電導率比值。收獲期Q3處理鹽分減少最多；心土層Q1、Q2處理鹽分減少較多，約為26%；Q2、Q3處理底土層脫鹽效果優于Q1處理。土壤剖面鹽分平均變化率均為負值，說明各處理土壤均為脫鹽狀態，且脫鹽效果隨滴頭流量增大而提高。

表3 播前、收獲期各處理不同土層平均電導率

收獲期土壤電導率分布如圖4所示，Q1處理在0～5 cm土層深度形成較小脫鹽區，在膜間20 cm以下土層大量積鹽；Q2處理在膜間0～20 cm形成脫鹽區，底土層發生小范圍積鹽，40～80 cm土層深度存在較大的電導率大于600 μS/cm區域；Q3處理膜內、膜間均存在脫鹽區，深度約20 cm，心土層和底土層鹽分也相對較低。隨著滴頭流量增加，高鹽區面積越來越小，位置逐漸下移，說明此次試驗中大滴頭流量可有效改善土壤鹽分累積。

圖4 收獲期各處理電導率分布

2.3 滴頭流量對西瓜生長的影響

西瓜各生育期主蔓長如圖5所示，Q2處理主蔓長在伸蔓期比Q1、Q3處理長10～20 cm，原因可能是植株生長初期根系分布較淺，對鹽分脅迫敏感，Q1處理水平方向鹽分淋洗效果最差，Q3處理垂直方向鹽分淋洗效果最差，Q2處理脫鹽區對西瓜苗期生長更為合理。伸蔓期—開花期，各處理主蔓增長量為132～134 cm，增長量無明顯差異。從開花期開始，作物從營養生長轉變為生殖生長，主蔓生長減緩，各處理增長量在20 cm左右。坐果期—成熟期，Q1、Q2處理增長量大約在24 cm，Q3處理增長37 cm，生長速度大于其他處理。最終主蔓長度均在310～320 cm，各處理無明顯差異。表明西瓜主蔓增長在各生育期滴對滴頭流量響應不同，伸蔓期與成熟期對滴頭流量較為敏感，其他生育期受滴頭流量影響較小。

圖5 不同生育期植株的主蔓長

如圖6所示，在整個西瓜生育期中，Q3處理莖粗顯著大于Q1、Q2處理。伸蔓期3個處理莖粗較前期依次增加了26.1%、30.5%、35.0%，Q3處理增速最明顯。莖粗在開花期以后增長緩慢，其原因與主蔓長從開花期生長減緩原因相同，西瓜從營養生長階段轉變為生殖生長階段。總的來說，Q3處理能更好的促進植株莖粗增長。

圖6 不同生育期植株的莖粗

2.4 滴頭流量對西瓜產量及品質指標影響

由表4可知，不同滴頭流量西瓜的橫徑均達到了23 cm，瓜皮硬度在86～89 kPa之間，果肉硬度在1～2 kPa之間，各處理之間無明顯差異。Q3處理縱徑優于Q1、Q2處理。西瓜縱徑與橫徑的比值定義為果形指數，是果實品質外觀的重要指標，果實形態指數為Q3處理最大，果型相對較好。綜上，Q3處理更有利于西瓜果實形態發育。

表4 不同滴頭流量對西瓜形態指數影響

注 同一列不同字母表示在0.05水平有顯著差異。下同。

由表5可知，不同滴頭流量處理下的瓜心可溶性固形物均在11%水平以上，瓜周的在9.5%以上，總酸量都在7%～9%之間，各處理間并無顯著差異。不同滴頭流量對總酸量、瓜心和瓜周的可溶性固形物量影響并不明顯。維生素C量最高的是Q3處理，較Q1、Q2處理的維生素量分別提高了14.8%和53.7%。可溶性糖量最高的是Q2處理達75.04 g/kg，與Q1、Q3處理相比，可溶性糖量分別提高了54.3%、22.3%。因此，Q2處理口感更好，Q3處理維生素C量最高。

表5 不同滴頭流量處理對西瓜品質的影響

由表6可知，西瓜產量隨滴頭流量增加而增大。試驗中所有處理灌水定額及灌水周期一致，所以灌溉水分利用效率與產量呈相同規律。本試驗中，增大滴頭流量，有利于提高產量與灌溉水分利用效率。

表6 不同滴頭流量處理對西瓜產量及灌溉水分利用效率的影響

3 討論

土壤覆砂影響土壤蒸發與入滲。砂層水分傳輸能力較弱，土壤層水分只能以水蒸氣形式向上擴散，灌水后土壤含水率較高，但受砂層水分運輸能力限制，土層水分不易到達砂層表面補給蒸發量[23]，限制土壤蒸發中的快速失水階段[10]，蒸發損失較小，水分可有效進入覆砂土壤中。入滲過程中，砂層大孔隙具備儲水能力，導致水分發生一定橫向運移[24]，橫向運移后因大孔隙導流作用水分垂直入滲[25]，到達土層對土壤進行濕潤，影響土壤受水方式[26]。本試驗水鹽分布特征受壓砂與滴灌共同影響。

水分再分布發生在灌水后12 h內[27]，滴頭流量在該時間段內顯著影響土壤水分分布[28]，覆砂與覆膜結合條件下隨滴頭流量的增加，濕潤區水平距離增大，垂直深度減小，這與前人[24]研究結論相似。本試驗水分運動規律與譚軍利等[26]研究結果不同，原因可能是砂層砂礫級配導致的孔隙大小不同，孔隙大小決定砂層飽和導水率[26-27]，滴頭流量與砂層飽和導水率的關系決定了水分運動形式。本次試驗灌水后取樣時間距灌水前較久，該時間段內土壤水運動受自然驅動力影響大，水分分布形式仍存在一定的差異性，說明滴頭流量對覆砂土壤水分分布影響較為長久，對改善作物水分環境有較大可行性。

流量較小的Q1處理滴頭下方垂直脫鹽深度較大，膜間脫鹽效果較差甚至出現返鹽現象，流量較大的Q3處理脫鹽區寬淺，表土層以下鹽分累積，這與前人[29]研究規律相符。收獲期土壤鹽分均有下降，這可能是因為西瓜生育期降水較多所致，灌溉屬補灌性質。說明對滴頭流量調節，與降水結合，可影響土壤鹽分分布形式。

李德智等[30]研究表明，滴頭流量的改變對作物耗水規律造成影響，合適的滴頭流量決定土壤的濕潤區與脫鹽區形狀，影響植物根系發育，改善根系吸水效果，促進作物生長發育。本研究中最適合西瓜生長的滴頭流量是4 L/h，此時根系吸水量最大，灌水后滴頭附近形成面積較大類圓形土壤含水率較低區域。

本試驗將滴頭流量設置為單一因素，控制的則是土壤下濕潤區與脫鹽區形狀，灌水定額大小影響土壤濕潤區大小[31]，濕潤區與脫鹽區綜合可影響植物根系發育吸水，本次試驗灌水定額較小，微咸水滴灌條件下較小的灌水定額會導致鹽分在土壤表層聚集[32]，后續試驗可將灌水定額納入試驗因素，以求得最適合當地西瓜種植的灌水定額與滴頭流量組合。

4 結論

1）隨著滴頭流量增大，水平濕潤距離增加，壓砂地微咸水滴灌膜間0～60 cm土層土壤含水率越高。

2）脫鹽區形狀隨滴頭流量增加，從“窄、深”向“寬、淺”發展。研究區土壤剖面土壤總含鹽量隨滴頭流量增大而減小。

3）本試驗中滴頭流量為4 L/h處理的西瓜果實品質表現較好，果形指數、維生素C、可溶性糖量較高，該灌溉定額條件下產量與灌溉水利用效率隨滴頭流量增加而提高，4 L/h處理的產量與灌溉水利用效率處于較高水平。

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Effect of Dripping Rate on Soil Water and Salt Redistribution and Growth and Yield of Watermelon in Gravel-mulched Field

YANG Zongkai1, TAN Junli1,2,3*, WANG Xi’na4, MA Rui4

(1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Ningxia Research Center for Water Saving Irrigation and Water Resources Regulation Engineering Technology, Yinchuan 750021, China; 3. Engineering Research Center for Efficient Utilization of Water Resources in Modern Agriculture in Dry Areas, Ministry of Education, Yinchuan 750021, China; 4. Agricultural College of Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

【Objective】Gravel mulching combined with drip irrigation is an improved agronomic technique for crop production in northwestern China. The purpose of this study is to investigate the impact of dripping rate of the emitters on soil water and salt redistribution, as well as the growth and yield of watermelon.【Method】The field experiment had three treatments with the dripping rate controlled at 2 L/h (Q1), 3 L/h (Q2), or 4 L/h (Q3), respectively. In each treatment, we measured the spatiotemporal variation in soil water and salt, water use efficiency, as well as growth, yield and fruit quality of the watermelon.【Result】Horizontal advancement of the wetting front in the soil increased with dripping rate. After harvest, soil salt content in the 0～100 cm soil layer decreased, with the decreasing rate increasing as the dripping rate increased. Also, with the increase in dripping rate, the soluble sugar content in the fruits increased first followed by a decline. Of the three dripping rates we compared, Q2 increased the soluble sugar content in the fruit the most, up by 54.3% and 22.3%, respectively, compared to Q1 and Q3. With the increase in dripping rate, the vitamin C content in the fruits decreased first and then ramped up. Q3 gave the highest vitamin C content, increasing by 53.7% compared to Q2. Increasing dripping rate boosted both fruit yield and water use efficiency. Compared to Q1 and Q2, Q3 increased fruit yield by 6.20% and 3.56%, and water use efficiency by 6.49% and 3.72%, respectively.【Conclusion】Taking soil water and salt redistribution, as well as watermelon yield and quality into account, the optimal dripping rate for watermelon growth in the gravel-mulched soil was 4 L/h when using the local saline water for irrigation.

drip irrigation; dripping rate; gravel-sand mulched field; saline water; distribution of water and salt; watermelon

1672 - 3317（2023）04 - 0030 - 08

S257.6；S651

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022324

楊宗凱, 譚軍利, 王西娜, 等. 滴頭流量對壓砂土壤水鹽分布及西瓜生長、產量的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(4): 30-37.

YANG Zongkai, TAN Junli, WANG Xi’na, et al. Effect of Dripping Rate on Soil Water and Salt Redistribution and Growth and Yield of Watermelon in Gravel-mulched Field[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(4): 30-37.

2022-06-14

寧夏自然科學基金項目（2022AAC02013，2020AAC03090）；國家自然科學基金項目（31860590）；寧夏高等學校一流學科建設（水利工程）項目（NXYLXK2021A03）

楊宗凱（1992-），男，河南登封人。碩士研究生，主要從事農業水資源高效利用研究。E-mail: 1269764230@qq.com

譚軍利（1979-），男，湖南茶陵人。教授，博士，主要從事農業水資源高效利用研究。E-mail: tanjl@nxu.edu.cn

責任編輯：白芳芳