自動灌溉施肥模式對溫室黃瓜產(chǎn)量及水肥利用的影響

張金良，梁新書，廉曉娟，楊 軍，王正祥，張余良，王 艷

(天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，天津 300192)

天津市位于華北平原東北部，年平均降雨量575 mm，農(nóng)業(yè)用水占全市用水的50%，年缺水近8 億m3，是一個資源型缺水城市。目前，天津設(shè)施蔬菜種植面積發(fā)展十分迅速，到2012 年，設(shè)施蔬菜面積已達到4 萬hm,2[1]。但是，目前設(shè)施蔬菜生產(chǎn)大多采用大水大肥的管理模式。有研究結(jié)果表明，在經(jīng)驗畦灌條件下，灌溉水的50%～60%滲漏到耕層以下，大大降低了水的利用率，水利用率僅為30%～40%，浪費極為嚴重[2,3]，而發(fā)達國家農(nóng)業(yè)水利用率可達70%～80%[4]；過量的施肥會引起土壤板結(jié)、酸化、鹽漬化、地下水和大氣污染等一系列問題[5-8]。這些對天津市設(shè)施蔬菜種植體系的可持續(xù)發(fā)展利用構(gòu)成了很大的威脅。另外，傳統(tǒng)灌溉施肥方式費力費時，所需勞動力成本在逐漸加大，加之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平等生產(chǎn)條件的變化，設(shè)施蔬菜現(xiàn)代化水肥管理的需求日益提升。因此，蔬菜水肥管理急需利用計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)等高新技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點的農(nóng)業(yè)節(jié)水節(jié)肥技術(shù)。以色列農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，智能控制溫室滴灌水利用率可達88%，是世界農(nóng)業(yè)節(jié)水的典范，因此，學(xué)習(xí)以色列先進的作物水肥管理技術(shù)，對解決天津水資源匱乏、菜田生態(tài)環(huán)境惡化及農(nóng)業(yè)節(jié)本增效意義重大。所以，本研究在引進以色列先進的節(jié)水灌溉設(shè)備與技術(shù)的基礎(chǔ)上，參考以色列專家的指導(dǎo)，結(jié)合本地區(qū)實際條件進行自動水肥管理，與傳統(tǒng)水肥管理作比較，研究了2種灌溉施肥制度對日光溫室秋冬茬黃瓜產(chǎn)量及水肥利用效率的影響，旨在探求適合本市設(shè)施蔬菜可持續(xù)發(fā)展的灌溉施肥模式。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015年9-12月在天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地日光溫室中進行。該溫室長度60 m，室內(nèi)跨度8 m，后墻高3.5 m，脊高4.8 m，溫室內(nèi)具體的溫光環(huán)境條件見圖1。供試作物為黃瓜，品種為天津市科潤黃瓜研究所研發(fā)的“308”，供試土壤為黏土，0～20 cm土層密度為1.15 g/cm3，田間持水量為35.2%。

試驗共分2個處理：①手動簡易灌溉施肥處理：采用文丘里施肥器，人工定時進行灌溉，灌溉施肥制度為天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所前期試驗獲得的黃瓜高效水肥管理技術(shù)；②自動灌溉施肥處理：引進以色列耐特菲姆公司福萊斯3G開放桶式施肥機，設(shè)定程序后每天定時定量進行自動供應(yīng)水肥，自動灌溉施肥制度是借鑒以色列專家建議的黃瓜水肥管理技術(shù)，結(jié)合設(shè)施蔬菜需水肥規(guī)律[9-13]以及天津市本地條件所確定的。每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)小區(qū)面積為5.2 m×8.0 m。定植日期為2015年9月17日，黃瓜幼苗兩葉一心。栽培方式為傳統(tǒng)的畦栽，畦寬80 cm，溝寬50 cm，每畦2行，行內(nèi)株距為40 cm，畦內(nèi)行距40 cm，畦間行距為90 cm，種植密度為35 070 株/hm2。2處理均采用耐特菲姆公司生產(chǎn)的壓力補償?shù)喂嘞到y(tǒng)，滴頭間距為40 cm。2處理分別安裝了精度為0.000 1 m3的水表，肥料種類為尿素、磷酸二氫鉀、硝酸鉀，氮磷鉀比例為1∶0.3∶1.5。試驗過程中除水肥管理不同外，其余田間管理均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)管理一致，具體灌溉施肥制度見表1。

圖1 試驗日光溫室內(nèi)部光輻射強度與空氣溫度的狀況

表1 日光溫室秋冬茬黃瓜手動簡易與自動灌溉施肥制度比較

1.2 測定項目與方法

(1)溫室內(nèi)部環(huán)境、表層土溫以及土壤含水量的動態(tài)監(jiān)測。每處理安裝一個小型自動環(huán)境氣象站(HOBO U30，ONSET-NRC，美國)，并配置相應(yīng)的傳感器利用數(shù)據(jù)自動采集器記錄。光輻射強度(S-LIB-M003)及空氣溫度傳感器(S-THB-M002)距離地面1.5 m；測量土溫傳感器(S-TMB-M006)埋深10 cm；土壤水分傳感器(S-SMD-M005)在處理前埋深10 cm來監(jiān)測0～10 cm土層體積含水量的變化，處理后埋深15 cm來監(jiān)測5～15 cm土層體積含水量的動態(tài)變化。

(2)黃瓜的生長指標。處理后每隔7 d每小區(qū)選取3株代表性植株測定黃瓜的生長量。用米尺測量株高；用游標卡尺測量莖粗；記錄葉片數(shù)；選取黃瓜最大葉片，測量其長度和寬度，最大葉面積根據(jù)黃瓜成熟葉片葉面積公式0.8796 7×長×寬-63.239 6計算可得。

(3)黃瓜產(chǎn)量的測定。分別統(tǒng)計每小區(qū)黃瓜的商品瓜、畸形瓜產(chǎn)量，折算成單產(chǎn)，并且記錄每小區(qū)商品瓜條數(shù)，并折算成單位面積瓜條數(shù)。

(4)水肥利用效率的測定。分別記錄各處理下黃瓜整個生長期的灌水與施肥總量，結(jié)合黃瓜產(chǎn)量計算水肥利用率。灌溉水利用效率為單位面積黃瓜產(chǎn)量與灌水總量的比值；氮肥偏生產(chǎn)力為單位面積黃瓜產(chǎn)量與純N投入量的比值；磷肥偏生產(chǎn)力為單位面積黃瓜產(chǎn)量與P2O5投入量的比值；鉀肥偏生產(chǎn)力為黃瓜產(chǎn)量與K2O投入量的比值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010以及Spss 19.0。

2 結(jié)果分析

2.1手動灌溉與自動灌溉對土壤溫度和含水量的影響

由土壤溫度和水分數(shù)據(jù)圖2可以看出，手動灌溉與自動灌溉施肥兩者土壤溫度沒有顯著差異，說明在灌水量控制的情況下，每天的自動灌溉施肥并不會引起土壤溫度的降低。但是，兩者的土壤水分變化存在一定的差異，手動灌溉處理下，土壤的體積含水量在灌水后急劇增高，然后緩慢下降，經(jīng)過5～7 d，達到最低值，隨后伴隨著下一次灌水的到來又急劇升高緩慢下降，如此反復(fù)，土壤干濕交替，一個灌溉周期內(nèi)土壤體積含水量變幅較大；而自動灌溉處理下，隨著每天進行小額灌水施肥，土壤水分每天都有升高和下降，但土壤體積含水量變幅較小。例如，在10月13-20日，手動灌溉施肥處理的土壤體積含水量最大值為40.07%，最小值為35.19%，變幅為4.88%，而自動灌溉施肥處理的土壤體積含水量最大值為39.27%，最小值為36.37%，變幅為2.90%，變幅明顯減小。說明相比于手動灌溉施肥處理，自動灌溉施肥處理土壤水分含量更加趨于穩(wěn)定，可能會避免土壤水分過多或過少對作物生長所產(chǎn)生的不利影響。另外，在10月24日前后，自動灌溉施肥處理的土壤體積含水量表現(xiàn)為持續(xù)下降，這是由于整個試驗基地供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障引起的。

圖2 手動與自動灌溉制度下土壤溫度和體積含水量的動態(tài)變化 注：數(shù)據(jù)獲得時間均在每日零點。

2.2 手動與自動灌溉對黃瓜營養(yǎng)生長的影響

從黃瓜生長指標數(shù)據(jù)(見表2)可以看出，與手動簡易灌溉施肥處理相比，采用自動灌溉施肥處理對黃瓜的株高、莖粗、葉片數(shù)及最大葉面積均沒有顯著影響，隨著處理時間的延長，差異仍然不顯著。這說明自動灌溉施肥處理雖然減少了22.4%的灌水量，減少了30.4%的氮磷鉀投入量，但由于按需每日供應(yīng)水肥，可能增加了黃瓜的水肥利用效率，因此仍能保證其正常生長。

表2 手動簡易與自動灌溉施肥對秋冬茬黃瓜生長指標的影響

2.3 手動與自動灌溉對黃瓜產(chǎn)量及產(chǎn)量組成的影響

由于溫室黃瓜11月份遭遇連陰天及極端低溫天氣，溫室最低氣溫已達到0 ℃，導(dǎo)致黃瓜生長受阻，最終黃瓜產(chǎn)量整體偏低。由圖3可以看出，與手動簡易灌溉施肥處理相比，采用自動灌溉施肥處理可以顯著提高黃瓜的商品瓜產(chǎn)量及總產(chǎn)量(p<0.05)，兩者分別提高11.1%及11.4%；畸形瓜產(chǎn)量兩者無顯著差異。由表3可以得出，與手動簡易灌溉施肥處理相比，采用自動灌溉施肥處理可以顯著提高黃瓜的平均單果重，對商品瓜瓜條數(shù)沒有顯著差異，這說明按照黃瓜需水需肥量采用自動灌溉施肥可以有利于各類物質(zhì)向果實運移，進而提高單果重。

圖3 手動與自動灌溉對黃瓜產(chǎn)量的影響

2.4 手動與自動灌溉對黃瓜水肥利用率的影響

由圖4可以看出，與手動灌溉施肥處理相比，采用自動灌溉施肥處理可以顯著提高黃瓜灌溉水利用效率和肥量偏生產(chǎn)力(氮肥、磷肥及鉀肥)，分別提高43.6%和60.0%(60.0%、60.0%及60.0%)。這說明采用自動灌溉施肥雖然減少了水肥投入量，但按照黃瓜需水需肥量供應(yīng)水肥，可以提高水肥利用效率。

表3 手動簡易與自動灌溉施肥對秋冬茬黃瓜生長指標的影響

圖4 手動與自動灌溉對黃瓜灌溉水利用率 和肥料偏生產(chǎn)力的影響

3 討論與結(jié)論

不同的灌溉施肥措施會影響土壤中水分和養(yǎng)分的有效性及空間分布，進而影響作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量的形成。對于傳統(tǒng)水肥管理方式而言，種植者往往會一次投入大量的水肥來保證土壤水肥供應(yīng)的充足，并且用較長周期的灌水施肥間隔來減少水肥供應(yīng)次數(shù)去避免傳統(tǒng)灌溉施肥操作費時費力。有研究表明，在一個灌溉施肥周期內(nèi)，傳統(tǒng)間隔水肥管理方式會使作物根層土壤的水分和養(yǎng)分含量前期過高，而后期有可能呈現(xiàn)虧缺狀態(tài)，如此波動可能不利于作物的生長發(fā)育[14]。本試驗結(jié)果表明，與手動灌溉相比，自動灌溉雖然減少了水肥投入量，但少食多餐的灌溉施肥模式使土壤水含量更加趨于穩(wěn)定(見圖2)，可能有利于作物對水肥的吸收，最終黃瓜株高、莖粗、葉面積以及葉片數(shù)生態(tài)指標并無顯著差異(見表2)，這表明2種施肥方式均能滿足黃瓜正常生長需求。

黃瓜的經(jīng)濟產(chǎn)量由定植密度、單株瓜條數(shù)及平均單果重組成，不同水肥措施可能會影響植株坐瓜數(shù)和單果重從而影響產(chǎn)量的高低與水肥利用率。與手動灌溉相比，自動灌溉無論是產(chǎn)量還是灌溉水利用率都是顯著提高的(見圖3、圖4)，這可能是因為黃瓜根系淺，吸收水肥的能力相對較弱，自動灌溉模式按照黃瓜的水肥需求參數(shù)設(shè)定程序后，每天按時進行水肥供應(yīng)，水肥能及時經(jīng)根系吸收到植株中被利用，特別是盛瓜期，對水肥的需求更加的旺盛，自動灌溉每天及時補充水分和養(yǎng)分，更有利用于物質(zhì)向果實中積累。另外，自動灌溉這種少食多餐的灌溉模式更能促進植株根系生長發(fā)育，有利于植株對水肥的吸收，這可能也是增產(chǎn)的原因[15]。

與手動灌溉施肥相比，自動灌溉施肥的優(yōu)勢之一就是省時省力省工，手動水肥管理需由種植管理者進行肥料溶解并查看水表進行定量灌溉，而自動水肥管理只需要種植者提前設(shè)定好灌溉施肥程序，不用人工看管，設(shè)定時間一到，施肥機自動運行，待灌溉施肥結(jié)束后，施肥機自動停止。灌溉施肥程序設(shè)定簡單易學(xué)，并且一臺施肥機能夠控制園區(qū)10個以上棚的灌溉施肥，省去不少勞動力，從而減少勞務(wù)費的支出。雖然自動灌溉施肥模式節(jié)水節(jié)肥增產(chǎn)增效，省時省力省工，但由于自動化灌溉施肥系統(tǒng)價格比較昂貴，將其真正應(yīng)用到田間管理的經(jīng)濟效益分析還需進一步論證。隨著國產(chǎn)化經(jīng)濟型灌溉施肥系統(tǒng)的研發(fā)與改進，自動灌溉施肥模式會有很廣闊的應(yīng)用前景。

與手動簡易灌溉施肥系統(tǒng)相比，采用自動灌溉施肥系統(tǒng)，按照黃瓜需水需肥規(guī)律每日供應(yīng)水肥，可實現(xiàn)節(jié)水22.4%，節(jié)肥30.4%，在保證黃瓜正常生長的基礎(chǔ)上，使根層土壤含水量更加穩(wěn)定，顯著提高黃瓜單果重，使商品瓜產(chǎn)量提高11.1%，灌溉水利用率提高43.6%，肥料偏生產(chǎn)力提高60.0%。但當(dāng)異常天氣出現(xiàn)時，按照黃瓜需水需肥規(guī)律進行自動水肥管理效果不理想，所以還需配備相應(yīng)的土壤水分監(jiān)測傳感器進一步調(diào)整灌溉施肥決策，進而實現(xiàn)作物智能化水肥管理。

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