不同灌水定額下北疆地區(qū)滴灌打瓜耗水規(guī)律的研究

艾鵬睿，趙經(jīng)華，馬英杰，黃紅建，陶洪飛，楊 磊(.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 83005；.新疆阿勒泰地區(qū)水利管理處， 新疆 阿勒泰 836500)

新疆地處于歐亞大陸腹地，常年干旱少雨，是典型的干旱半干旱地區(qū)，其經(jīng)濟(jì)來源以農(nóng)業(yè)為主。由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，農(nóng)業(yè)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，造成水資源供需緊張，供需矛盾日益突出，經(jīng)濟(jì)增長受限嚴(yán)重。為保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，減少農(nóng)業(yè)用水，促進(jìn)節(jié)水灌溉勢在必行。

打瓜，又稱籽瓜，是西瓜的一種，營養(yǎng)價值較高。由于其對環(huán)境有良好的耐瘠薄、耐干旱性，所以成為新疆的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，其種植面積已經(jīng)達(dá)到20萬hm2[1]。但由于新疆地處于歐亞大陸腹地，常年干旱少雨。因此，打瓜生產(chǎn)受水資源緊缺限制嚴(yán)重。故發(fā)展節(jié)水灌溉，分析打瓜耗水規(guī)律具有重要意義。打瓜耗水量是由產(chǎn)量和灌水量所決定的，在保持或盡可能提高產(chǎn)量的前提下，降低灌水量是節(jié)水技術(shù)的重要發(fā)展方向。為了降低灌水量，需要了解打瓜各時段的耗水特性及其產(chǎn)量之間的關(guān)系。近些年來對作物耗水過程的研究，正日益受到國內(nèi)外結(jié)果灌溉研究者的重視[2,3]。而新疆地區(qū)同樣對作物耗水規(guī)律研究頗多，程裕偉等對滴灌條件下春小麥的耗水規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的探究[4]；劉虎等對青貯玉米需水量與需水規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的研究[5]；王振華等對棉花土壤耗水變化特征進(jìn)行的研究[6]。這些研究雖然取得了較好的研究成果，但其研究多關(guān)注于大田作物，而對于瓜果類，尤其是打瓜耗水規(guī)律研究基本為空白。因此對不同灌水定額下打瓜耗水規(guī)律尚需系統(tǒng)的定量進(jìn)行測試分析。

有研究表明[7-9]，瓜果類作物對水分的敏感期主要在開花坐果期和果實(shí)膨大前中期。瓜果在這兩個生育期的生長發(fā)育都對產(chǎn)量有著顯著的影響，而其他生育期則對產(chǎn)量影響程度較小。因此可著重對這兩個生育期進(jìn)行灌溉，以保證植株的良好生長，增加產(chǎn)量。同時分析其耗水規(guī)律，并對該時期耗水量進(jìn)行系統(tǒng)的定量測試分析，以探究新疆地區(qū)瓜果類在生育期的耗水規(guī)律。這樣既可以保證保證植株的良好生長，降低試驗(yàn)成本及人力物力的浪費(fèi)。

本試驗(yàn)利用TRIME-IPH土壤剖面含水量測量系統(tǒng)對不同灌水定額下打瓜在開花坐果期和果實(shí)膨大前中期耗水規(guī)律進(jìn)行分析研究，旨在為打瓜的節(jié)水灌溉技術(shù)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地條件

灌溉試驗(yàn)站位于新疆阿勒泰地區(qū)福海縣。地理位置為：東經(jīng)87°35′58″；北緯47°01′22″；海拔約為445 m。試驗(yàn)地土壤知底經(jīng)測定：多為礫石沙土，質(zhì)地較差。其中土壤干密度為1.56～1.70 g/cm3、田間持水率為12%～26%、有機(jī)質(zhì)含量為0.213%、全氮為0.027%、速效氮為19.5×10-6、速效磷為9.0×10-6、 速效鉀為92.4×10-6。依據(jù)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)耕地土壤研發(fā)分分級標(biāo)準(zhǔn)評價[10]，該土壤質(zhì)地屬于極低量級，容易影響作物產(chǎn)量，使產(chǎn)量偏低。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

打瓜供試采用周邊地區(qū)常用品種——黑大片。試驗(yàn)采用滴灌灌溉，人工播種方式，設(shè)株距為25 cm，行距為(40+80)cm，其結(jié)果如圖1所示。依據(jù)前人研究成果[1,11]和當(dāng)?shù)毓限r(nóng)經(jīng)驗(yàn)表明：開花坐果期和果實(shí)膨大前中期大致時間在7月上旬至8月上旬左右。故灌水時間主要在該時間進(jìn)行灌溉。為保證試驗(yàn)具有較好的涵蓋性，本試驗(yàn)共設(shè)置6個由小到大的灌水處理(T1：225 m3/hm2；T2： 300 m3/hm2；T3： 375 m3/hm2；T4：450 m3/hm2；T5： 525 m3/hm2；T6：600 m3/hm2)。其中小區(qū)長42 m，寬7.2 m，面積為302.4 m2，折合0.030 24 hm2。依據(jù)灌排試驗(yàn)規(guī)范，保證試驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)程度，減少人為及其他不可預(yù)知因素所產(chǎn)生的誤差。每個處理分別設(shè)置3個重復(fù)，小區(qū)采取隨機(jī)排列方式,共計(jì)設(shè)置18個灌水小區(qū)。試驗(yàn)于5月20日播種開始，9月5日收獲結(jié)束，各處理灌溉制度設(shè)計(jì)見表1 。

圖1 打瓜灌溉布置形式(單位：cm)

表1 打瓜滴灌水分高效利用試驗(yàn)設(shè)計(jì) m3/hm2

1.3 參數(shù)測定方法

(1)土壤水分測定方法：在打瓜行向兩側(cè)各布置若干TRIME管， TRIME管分別距植株20 cm。采用TRIME-IPH土壤剖面含水量測量系統(tǒng)對不同深度土壤水分狀況進(jìn)行監(jiān)測。垂直深度每隔20 cm測一個含水率，測量深度60 cm。

(2)測定時間：選定每次灌水前和灌水后隔1 d各進(jìn)行1次測量。灌水后隔1 d進(jìn)行測量由于滴灌灌水周期較長，一般為下午灌溉完成。但為保證灌溉后水分充分下滲濕潤，需要等待一段時間后方可進(jìn)行測定。因此選擇灌水后隔1 d進(jìn)行測定土壤含水量。

(3)作物耗水量測定：根據(jù)水量平衡原理計(jì)算打瓜各時段的耗水量[12]，可以用下式表示：

ET=W0-Wt+P0+M+K-S

(1)

式中：ET為時段t內(nèi)作物的耗水量，mm；W0、Wt為時段初和任一時間t的土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)的儲水量，mm；P0為土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)保存的有效水量，mm；M為時段t內(nèi)的灌水量，mm；K為時段t內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm；S為時段t內(nèi)的深層滲漏量，mm[12]。

對該地區(qū)地下水位進(jìn)行取樣測量，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地下水位較深，均為6 m以下，因此忽略地下水補(bǔ)給(即K=0)。

(4)階段水分利用效率WUE階：水分利用效率是指作物消耗單位水量所制造的干物質(zhì)量[13]，計(jì)算公式見(2)。但公式中所用耗水量為作物全生育期耗水，本試驗(yàn)無法計(jì)算出全生育期耗水量，但可以計(jì)算出階段耗水量，故用階段耗水量代替全生育期耗水量，所求出水分利用效率稱為階段水分利用效率WUE階。

WUE=Y/ET

(2)

式中：WUE為作物水分利用率，kg/(hm2·mm)；Y為作物產(chǎn)量，kg/hm2；ET為作物全生育期耗水，mm。

(5)土壤水分消退指數(shù)：土壤水分消退指數(shù)主要與氣象、作物、土壤等條件有關(guān)，可以反映出土壤含水率消退的變化規(guī)律，其計(jì)算公式見下式。

k=ln [(Wm-P)/Wn]/(tn-tm)

(3)

式中：k為土壤水分消退指數(shù)；Wm、Wn分別為第m日和n日的土壤貯水量；tm、tn分別為日期。

(6)作物產(chǎn)量：待打瓜成熟后，分別取各小區(qū)打瓜籽重量進(jìn)行測產(chǎn)，然后采用同倍比放大法折合成每公頃產(chǎn)量，作為最終產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水處理下打瓜各生育期階段耗水模數(shù)

依據(jù)水量平衡原理(1.3節(jié))，計(jì)算出打瓜7月1日-8月10日植株耗水量，并按各生育期進(jìn)行匯總，最終得到打瓜開花坐果前、中、后期和果實(shí)膨大前、中期累計(jì)耗水量及平均耗水量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 打瓜各時段耗水模數(shù)

注：CA為耗水量；CP為耗水模系數(shù)；CD為耗水強(qiáng)度。

由表2容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水量從T1處理(225 m3/hm2)上升到T4處理(450 m3/hm2)時，作物耗水量從151 mm上升到了211 mm。灌水量增加幅度為100%，作物耗水量增加幅度為43%，耗水量增加幅度較為明顯。說明灌水量顯著影響作物耗水量，且耗水量隨灌水量增加而變大。當(dāng)灌水量從T4處理(450 m3/hm2)上升到T6處理(600 m3/hm2)時，灌水量增加幅度為33%，而作物耗水量則變化幅度較小，耗水量為 199～211 mm左右。說明當(dāng)灌水量增加到一定程度時，灌水量的增加將不影響作物耗水量，甚至有可能限制耗水量的增加。分析認(rèn)為：灌水量影響作物耗水量，當(dāng)灌水量較小，也會引起植物水勢和膨壓降低等，干擾植物正常代謝機(jī)能，造成作物耗水量較小。但當(dāng)灌水量大于450 m3/hm2時，會造成土壤含水量過多或過高，同時促進(jìn)大氣濕度引起植物體內(nèi)水分失衡，進(jìn)而影響作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及產(chǎn)品品質(zhì)等情況[14,15]。

由表2還可以發(fā)現(xiàn)，各處理作物耗水模數(shù)總體變化趨勢相似，但各生育期作物耗水模數(shù)差異顯著。比較各生育期作物耗水模數(shù)，其大小依次為開花坐果前期(31%)>開花坐果中期(29%)>開花坐果后期(20%)>果實(shí)膨大中期(12%)>果實(shí)膨大前期(7%)。由此可見打瓜各生育期耗水量波動及規(guī)律非常明顯。但在正常情況下[15-17]，打瓜在開花坐果期生殖器官逐漸發(fā)育，且由少到多。因此作物消耗水量應(yīng)呈上升趨勢，到果實(shí)膨大期，耗水量雖有減少，但減少幅度較小。而實(shí)際所測數(shù)據(jù)為開花坐果前期>中期>后期，果實(shí)膨大前期突然耗水量急劇減少，而到了中期開始增大。這與正常情況不相符合。分析認(rèn)為：可能有兩種情況造成該現(xiàn)象。①由氣象資料可知，該地區(qū)在7月6日前后發(fā)生暴雨天氣，降水量較大，造成土壤含水率增幅明顯。土壤含水率增加會促進(jìn)作物耗水量增加，以至于開花坐果前期耗水量最大，而到了中后期，土壤水分含量逐漸恢復(fù)正常，作物耗水量也隨之減少。②根據(jù)該地區(qū)土質(zhì)情況認(rèn)為，該情況有可能是由于土地較為貧瘠所造成的。因?yàn)樽魑镌诮?jīng)歷某時期后后會消耗養(yǎng)分過多，而該土地較為貧瘠，無法充分供給。因此作物需要進(jìn)行一段時間的“休養(yǎng)”，方可重新供給養(yǎng)分。由此，為驗(yàn)證上述兩種情況是否正確，需要對打瓜日均耗水量進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2 不同灌水處理下打瓜日均耗水量

由圖2可以看出，日均耗水量出現(xiàn)兩個峰值，兩個谷值。第一峰值出現(xiàn)在7月12日前后，各處理日均耗水量在7.44～9.36 mm之間變化。第二個峰值出現(xiàn)在7月21日前后，各處理日均耗水量在3.8～8.02 mm之間變化。第一谷值出現(xiàn)7月17日前后，各處理日均耗水量在2.54～3.85 mm之間變化。第二谷值出現(xiàn)7月29日前后，各處理日均耗水量在0.69～1.64 mm之間變化。因此打瓜耗水量上下波動較為頻繁，且總體呈下降趨勢。因此表明谷值所產(chǎn)生是由于作物進(jìn)行“休養(yǎng)”所導(dǎo)致，試驗(yàn)出現(xiàn)異常現(xiàn)象是土地較為貧瘠所引起的。而兩個峰值耗水量差幅明顯，且各處理在該時間耗水量大小順序類似，所以不是由于降雨所引起的異常現(xiàn)象。故在打瓜開花坐果期和果實(shí)膨大期應(yīng)注意保證作物水分補(bǔ)充，防止因灌水量不足而造成的減產(chǎn)，同時也應(yīng)注意土壤肥力，在該時期應(yīng)保證養(yǎng)分供給，增加產(chǎn)量。

由圖2還可以發(fā)現(xiàn)，總體上打瓜各處理日均耗水規(guī)律相同。比較各處理耗水量發(fā)現(xiàn)：日耗水量出現(xiàn)最大峰值時，各處理差幅最大；日耗水量出現(xiàn)最低谷值時，耗水量差幅最小。說明增加灌水量，主要對作物耗水量較大或水分敏感程度較高時影響顯著；而對耗水量較小或水分敏感程度較差時，影響程度較小。因此在進(jìn)行節(jié)水灌溉研究時，可對耗水量較大或水分敏感程度較高的生育期進(jìn)行灌溉，其他生育期可減少灌溉量或者不進(jìn)行灌溉。

2.3 不同灌水處理下打瓜土壤水分消退指數(shù)

依據(jù)土壤水分消退指數(shù)計(jì)算公式(2)，計(jì)算出打瓜各處理土壤水分消退指數(shù)。其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同灌水處理下打瓜日均耗水量變化趨勢

圖3 不同灌水處理下土壤水分消退指數(shù)變化趨勢

由圖3可以看出：各處理土壤水分消退指數(shù)變化趨勢相同，數(shù)值在0.015～0.254之間波動，其中最大值出現(xiàn)在T4處理的7月12日前后。對比土壤水分消退指數(shù)兩個峰值發(fā)現(xiàn)，在該時期各處理大小規(guī)律基本相同。而其他時期，大小規(guī)律明顯程度較差。但總體上均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。分析認(rèn)為：該情況是由于作物各時期對水分的敏感程度不同所致[18-20]。在兩個峰值時期對水分敏感程度類似，造成各處理大小規(guī)律基本相同。而其他時間，水分的敏感程度差距明顯，造成大小規(guī)律明顯程度各不相同。

2.4 不同灌水處理下打瓜的產(chǎn)量

對作物產(chǎn)量進(jìn)行匯總后，計(jì)算出階段水分利用效率，并利用LSD法進(jìn)行檢驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示。由表3可以看出。T1～T4處理作物產(chǎn)量增加顯著， T4～T6處理作物產(chǎn)量差幅不明顯。說明當(dāng)水量達(dá)到450 m3/hm2時，灌水量的增加不會促進(jìn)產(chǎn)量的增加。耗水量與作物產(chǎn)量變化趨勢類似，對兩者進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.85，達(dá)到顯著相關(guān)。說明耗水量與作物產(chǎn)量有著很好的相關(guān)關(guān)系。而階段水分利用率，除T1處理外其變化趨勢也與作物產(chǎn)量類似。T1處理出現(xiàn)反常原因可能為，當(dāng)灌水量較小時，作物會產(chǎn)生應(yīng)激保護(hù)情況，用于保護(hù)部分果實(shí)的生長發(fā)育，致使水分利用率出現(xiàn)反常。

表3 不同灌水定額下紅棗打瓜產(chǎn)量

3 結(jié) 語

(1)試驗(yàn)說明：作物耗水量與作物產(chǎn)量有著很好的相關(guān)性，研究作物耗水規(guī)律可以為節(jié)水灌溉技術(shù)提供很好理論指導(dǎo)依據(jù)。但是當(dāng)灌水量較小時，會出現(xiàn)反常現(xiàn)象，其原因是因?yàn)樽魑飼a(chǎn)生應(yīng)激保護(hù)情況，用于保護(hù)部分果實(shí)的生長發(fā)育，致使出現(xiàn)反常。

(2)打瓜開花坐果期和果實(shí)膨大前中期耗水規(guī)律為：開花坐果后期(31%)>開花坐果中期(28%)>開花坐果前期(20%)>果實(shí)膨大中期(14%)>果實(shí)膨大前期(7%)。但在土地貧瘠的情況下，作物耗水規(guī)律有可能出現(xiàn)“休養(yǎng)”情況，即作物耗水突然出現(xiàn)數(shù)值較低情況，其原因?yàn)樽魑镌谇耙粫r段消耗養(yǎng)分過多，造成作物養(yǎng)分缺失，需進(jìn)行“休養(yǎng)”，補(bǔ)充養(yǎng)分。因此在打瓜開花坐果期和果實(shí)膨大期應(yīng)注意對作物進(jìn)行水分與養(yǎng)分的補(bǔ)給。以增加作物產(chǎn)量，提高產(chǎn)品品質(zhì)等。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明：作物灌水需求程度，主要由該時期作物對水分敏感程度所決定。由試驗(yàn)可知，當(dāng)水分敏感程度較大時，各灌水處理日耗水量差距顯著。當(dāng)水分敏感程度較差時，各灌水處理日耗水量差距較小。同時作物各生育期水分敏感程度不同，會引起各生育期最佳灌水定額不同。因此在以后的試驗(yàn)中，可能需要對各生育期進(jìn)行定量分析，以探究各生育期單獨(dú)的最佳灌水定額。

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