微潤灌管帶埋深對土壤水分及青椒生長的影響

王 堅，雷明杰，畢遠杰

(1.山西水利水電科學研究院，太原 0300022；2.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

微潤灌溉是一種將半透膜材料運用于灌溉領域的新型地下灌溉。管帶埋深是地下灌溉重要的因素，康銀紅認為管帶埋深應與土壤性質、作物種類、耕作狀況以及作物根系對土壤水分和土壤水分影響下的整個土壤生態環境的要求相適應[1]。謝海霞對地下滴灌的研究認為，當灌溉量較高時，滴灌管要深埋，反之，則要淺埋[2]。任杰認為，對于不同作物，應有相適應的管帶埋深，并應根據土壤導水率加以設定[3]。在對微潤灌溉的試驗研究中，牛文全認為黏壤土微潤灌溉最適宜埋深為15～20 cm[4]。牛文全、張俊、薛萬來等通過室內模擬試驗在微潤灌溉土壤水分分布方面做了相應研究[4-7]。這些基于室內模擬的試驗為微潤灌的研究提供了相應參考。張子卓通過溫室試驗研究了管帶埋深和壓力水頭對番茄生長的影響，試驗證明，微潤灌溉條件下，管帶埋深為15cm時最適宜番茄生長發育[8]。張群、陳天博等分別對馬鈴薯、番茄等作物在微潤灌溉下生長的影響進行了研究[9-10]，于秀琴等對溫室黃瓜生長和產量的影響進行了相關研究，認為微潤灌水器在大棚蔬菜灌溉應用中具有節水增產的效果[11]，張立坤對微潤灌條件下大棚娃娃菜試驗研究得出類似結論[12]。魏鎮華等在交替控水條件下微潤灌溉對番茄耗水和產量進行了研究[13]，對微潤灌溉條件下青椒生長的研究尚未見報道。綜上所述，當前針對微潤灌溉的研究主要集中于微潤灌水頭與埋深的適宜范圍研究，但研究成果多數受環境影響和制約的程度較大，因此有必要繼續開展對微潤灌條件下，管帶埋深對作物根區土壤水分與作物生長情況的相關實驗研究；本文即通過溫室種植試驗，研究了不同管帶埋深條件下青椒根區水分變化特性及其生長情況，探討了微潤灌條件下適宜青椒生長的管帶埋深，以期為微潤灌溉在溫室種植中運行效率的優化設計提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2016年4-9月在山西水利水電科學研究院節水高效示范基地日光溫室內進行。試驗地年平均氣溫9.6 ℃，無霜期170 d，年平均日照時數2 675.8 h，年降水量495 mm。試驗土壤為黏壤土，0～60 cm土層內土壤平均容重為1.39 g/cm3，田間持水率為0.35 cm3/cm3。試驗地各層土壤基本參數見表1。

表1 土壤基本參數Tab.1 Soil physical properties

1.2 試驗材料與設計

本次試驗設置管帶埋深為變量因素，管帶埋深設置3個水平，分別為10、15、20 cm(下文分別以D10、D15、D20表示)，為了進一步體現不同壓力水頭條件下埋深對土壤水分及作物生長的影響，設置100、150 cm 2種壓力水頭，交叉組成6個處理，每個處理重復3次，具體試驗方案如表2所示。供試青椒品種為高思頓凱璐，定植時間為2016年4月12日，結束時間為2016年9月22日，株距60 cm，行距60 cm，每行種植青椒10株，青椒種植于微潤帶正上方。在青椒整個生育期內連續供水。

表2 試驗方案Tab.2 Test plan

1.3 數據測試方法

(1)土壤含水率的測定。采用烘干法測量土壤含水率，分別沿管帶水平距離0、 5、10、15 cm用1 cm 土鉆進行取樣，取樣深度為40 cm，間距5 cm，每10 d采樣一次。

(2)株高的測定。青椒株高在定植后每10 d測定1次，每小區任意取3株，取平均值。株高采用鋼卷尺從青椒基部量起。

(3)根系分布檢測。選取代表性植株，平行于微潤管取剖面，測量青椒根系分布，每10 d測樣1次。

(4)青椒產量的測定。定植83 d后，定期從各處理小區采收青椒，采用電子秤測取各小區的總產量。

(5)數據處理。采用Sufer12、Origin8作圖，Excel2007做方差分析和公式擬合。

2 結果與分析

2.1 管帶埋深對土壤水分分布的影響

圖1為定植30 d時測得H150條件下不同管帶埋深土壤水分二維分布圖。由圖可以看出，微潤灌溉土壤在微潤管周圍含水率最高，距微潤管越遠土壤含水率越低。D10、D15、D20處理最高土壤含水率分別出現在8～15、 13～18、18～24 cm范圍內。D10處理在地表處的土壤水分含量最高，容易產生水分蒸發，造成水分損失，而D15、D20處理對地表處土壤含水率影響不大。3個處理在微潤管處含水量分別為39%、37%、36%，D10、D15、D20處理水平方向80%田間持水率分別出現在距管8、6.5、6 cm處；管帶上方80%田間持水率分別出現在距地面2、7、12.5 cm處；管帶下方80%田間持水率分別出現在距地面20、24、29 cm處。在固定壓力水頭下，管帶埋深越深，土壤的平均含水率越低，濕潤范圍相應減小。3個處理在距地表0～5 cm范圍內的平均含水率分別為23.1%、16.8%、13%；10～20 cm范圍內平均含水率分別為23.3%、26.3%、24.5%；25～40 cm范圍內平均含水率分別為18.9%、21.1%、22.4%。這是因為，隨著管帶埋深加深，土壤壓力勢不會發生顯著變化，而土壤壓力對微潤管的固持力增加[4]，導致水流在土壤中流動所受的阻力增加，累計入滲量減小。所以表現為，隨著管帶埋深的增加，濕潤范圍內的土壤平均含水率越低，微潤管濕潤范圍越小。

試驗在日光溫室內進行，青椒根系水分不受降雨影響，生育期內不同深度土壤水分動態變化圖如圖2所示。由圖可以看出，在生育期內不同土層平均含水率變化幅度不大。0～10 cm內D10處理平均含水率最高，土壤含水率主要分布在23%左右，三組處理間差異較大；10～20 cm內D15處理平均含水率最高，土壤含水率主要分布在26%左右，且各處理間差距減小；20～40 cm內D20處理平均土壤含水率最高，含水率主要分在22%左右，D15處理與D20處理間差異較小。

2.2 管帶埋深對青椒株高的影響

方差分析顯示，管帶埋深對青椒株高增長影響不顯著(P>0.05)。H150時，D20處理株高增長到119.8 cm，分別高出D15處理10%、10.3%，差異達顯著水平。這是因為，在生育期前期，青椒根系不發達，且主要分布在地表5 cm以內，而D10時微潤管的濕潤體分布在地表附近，能有效地為青椒供水。試驗測得，在生育期中期，D10處理青椒根系主要分布于4～16 cm，D15處理青椒根系主要分布于6～17 cm，D20處理青椒根系主要分布于7～21 cm。可見，隨著青椒的生長，青椒根系不斷向下延伸，D15、D20 cm的處理的土壤水分得以充分利用。三組處理中，D20處理更有利于青椒根系的深扎，使得青椒根系分布的范圍增大，充分利用周邊土壤中的水分和養分，青椒生長更快。

圖1 H150不同管帶埋深下土壤水分二維分布圖Fig.1 H150 soil moisture under different embedded depth of duct tape two-dimensional

圖2 不同處理各土層土壤水分動態變化Fig.2 Different processing each soil layer soil moisture dynamic change

對H150處理不同管帶埋深條件下青椒株高隨時間的增長曲線進行擬合可以發現，青椒株高增長隨時間的變化符合Logistic模型，擬合方程為：

式中：y為青椒株高，cm；x為定植天數，d；a，b，k為擬合參數。

通過對Logistic模型求一階導數，得出株高增長速率隨定植天數變化的方程：

由青椒株高生長速率隨時間變化圖(圖3)可以看出，在生育前期，不同管帶埋深下青椒株高生長速率變化表現為：生育前期D20處理青椒株高生長率最大，隨著青椒的生長，不同處理間的差異逐漸縮小，直至接近于零。

圖3 不同管帶埋深下青椒株高生長速率隨時間變化圖Fig.3 Green pepper plant height growth rate under different buried depth variation over time

2.3 管帶埋深對青椒產量的影響

圖4為管帶埋深對青椒產量的影響柱形圖。方差分析顯示，管帶埋深對青椒產量增長具有顯著影響(0.05>P)。由圖可以看出，3組試驗中，壓力水頭一定的情況下，D20處理青椒產量最高，D10處理產量最低，壓力水頭為100 cm時，D20處理青椒產量增長為15 676.92 kg/hm2，分別高出D15、 D10處理5.1%、10.4%；壓力水頭為150 cm時，D20處理產量為20 020.98 kg/hm2，分別高出D15、 D10處理6%、15.9%.這是因為，青椒根系主要分布在地表以下10～20 cm，管帶埋深10 cm時，微潤灌濕潤體分布在地表附近，不利于作物根系向下生長，導致青椒營養不足；而管帶埋深20 cm能保持青椒根系在微潤管濕潤范圍內，并誘導青椒根系深扎，為青椒的正常發育提供良好的水分條件，利于青椒水肥的吸收，達到增產效果。

圖4 管帶埋深對青椒產量的影響Fig.4 Green pepper production under different pressure head

2.4 對青椒灌溉水生產率的影響

圖5為管帶埋深對灌溉水生產率的影響柱形圖。方差分析顯示，管帶埋深對青椒灌溉水生產率變化具有極顯著影響(P<0.01)。由圖可知，壓力水頭一定時D20處理灌溉水生產率最高，D10處理灌溉水生產率最低。壓力水頭為100 cm時，D20處理青椒灌溉水生產率為20.1 kg/m3，分別高出D15、 D10處理20.4%、30%；壓力水頭為150 cm時，D20處理灌溉水生產率為13.76 kg/m3，分別高出D15、 D10處理16.4%、27.3%。這是因為，管帶埋深為20 cm時，土壤水分直接供給青椒根系，沒有產生深層滲漏和地表蒸發，而管帶埋深為10 cm時，濕潤體分布在地表附近，產生了無用的水分蒸發，導致灌溉水生產率降低。

圖5 管帶埋深對灌溉水生產率的影響Fig.5 Green pepper irrigation water utilization rate under different pressure head

3 結 語

(1)管帶埋深是影響微潤灌溉土壤濕潤范圍和流量的重要因素。管帶埋深越深，濕潤范圍內的土壤平均含水率越低，微潤管濕潤范圍越小。

(2)管帶埋深對青椒株高增長隨時間變化符合Logistic模型，擬合效果良好。

(3)微潤灌溉條件下，青椒生長發育適宜的管帶埋深為20 cm，在此埋深處理下，青椒株高、產量均為最大。管帶埋深為20 cm處理時，青椒灌溉水生產率最高。

本文僅探討了微潤灌溉條件下不同管帶埋深對作物生長的影響，而生產實踐中，適宜作物生長的微潤灌溉制度還應對工作壓力進行研究。

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