微咸水膜下滴灌对沙漠温室黄瓜产量的影响研究

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(陕西省水利水电工程咨询中心，陕西 西安 710004)

中国是一个水资源需求大国，随着国民经济、工业农业的发展，水资源短缺日益严重。微咸水矿化度一般为2～5 g/L范围内的水资源。我国西北地区宁夏回族自治区年平均降水290 mm，时空分布极不均匀，水面年蒸发量1 300 mm，地表水资源量949万 m3，地下水资源总量不足，另外在宁夏回族自治区银川北部具有丰富的咸水资源。但是，利用净化厂净化的微咸水资源直接灌溉成本较高，因此必须找到合理的纯净水与微咸水的配比，采用混合水灌溉，才能降低成本，保证较高的产量和更好的作物品质。李良涛(2010)等[1]利用作物生长模拟模型(PS123),分别进行了淡水灌溉方案和微咸水灌溉方案的模拟研究,分析了不同灌溉方案对作物生产力、水分利用效率的影响。试验结果与目前节水灌溉试验基本相吻合;并且通过灌溉方案模拟, 提出了在冬小麦生育期淡水灌溉一到四次, 会获得高产的最佳灌溉方案;在灌溉四次的冬小麦生产体系中, 建议冬前用淡水灌溉, 返青后可以考虑1～2次微咸水灌。虽然微咸水灌溉对冬小麦返青后无明显负作用。但是，依然要注意土壤积盐的影响，建议种下一季作物之前，要利用淡水灌溉一次以压盐。张余良等[2]在进行小麦种植时添加了土壤改良剂。结果表明,冬小麦播种前采用适当土壤改良剂能够提高冬小麦抽穗期、灌浆期的光合速率、叶绿素含量指数, 降低气孔导度、蒸腾速率。对于宁夏地区，处于黄河流域，在引黄灌溉较方便的地区可以将黄河水和微咸水混合灌溉。

沙地是我国北方干旱半干旱区主要的地貌景观类型之一，其主要分布在35°～50°N，75°～125°E之间，荒漠化土地面积为267.4万 km2,占国土面积的27.9%[3];其中四大沙地(毛乌素、浑善达克、科尔沁和呼伦贝尔)面积为1.03万 km2,分别占国土面积的1.07%和荒漠化面积的3.85%[3]。沙区旱区土壤本身的高渗漏、高蒸发性，导致水资源有效利用率低，植株成活率也较低。因此，沙漠化给我国土地资源和水资源的可持续发展带来了巨大的挑战。

滴灌作为一种高效、经济可行的灌溉技术，由于其应用高度本地化，在水和化学应用的调度上具有灵活性，因而得到了广泛的应用。另外，膜下滴灌是近年来在干旱地区广泛应用的一种新型农业节水灌溉技术。膜下滴灌不仅可以减少深层土壤水肥的渗漏，而且可以实现水肥一体化，地膜覆盖下的土壤温度和湿度可以保持在较高的水平，可以提高土壤肥力和作物产量[4]。

1 研究方法及试验设计

1.1 微咸水灌溉制度模拟优化模型

本文采用水盐灌溉制度模拟优化模型分为两部分：一是土壤水量平衡模型，其用于估算给定灌溉调度条件下农田随时间变化的蒸散量；二是利用作物电导率和田间蒸散量估算作物产量(作物耗水量)。

1.1.1 黄瓜生育期土壤水量平衡方程

土壤水量平衡的主要成分，即灌溉量(I)、实际蒸发蒸腾(ETa)、通过根区底部的土壤水通量(Q，向下渗流为正方向)。黄瓜根区水量平衡方程描述如下：

Wt-Wt-1=P-I-(ETa-Q)Δt-R

(1)

1.1.2 黄瓜水盐生产函数

通过水盐生产函数估算产量、水分和盐度之间的数学响应关系。近年来，已有大量研究只涉及水分胁迫或盐胁迫，以及水分胁迫和盐胁迫组合对作物产量的影响。研究结果表明，作物产量-盐分与作物产量-蒸散量呈线性关系[7-9]。对于水分-产量-蒸散的组合函数，一些学者认为水盐胁迫对作物产量的影响具有线性或非线性加法模型。然而，这些研究大多是从土壤水势或灌溉量的角度出发，而没有解释水盐共同胁迫下作物蒸散与产量的关系。

本研究采用的方法是整个生育期的水盐生产函数模型，即用来描述作物产量、ET(作物需水量)和EC(根区土壤电导率)之间的关系(式(2))。在式(2)中，假设黄瓜的产量只与两个变量有关，其他影响产量的因素假设为常数。估算的隐含关系：

Y=f(ET，ECsw，X)

(2)

基于这些研究成果的作物水盐生产函数，本研究选择了三种作物水盐生产函数，并对其进行了介绍：

线性函数：R(Y)=a0+a1R(ET)+a2R(ECsw)

(3)

Cobb-Douglas函数：R(Y)=a0R(ET)a1R(ECsw)a2

(4)

二次函数：

式中，R为成坑半径；为粉碎区半径，为介质断裂韧度；ϑ0为破碎岩石介质喷射的压缩射流系数, 由式(14)确定：

R(Y)=a0+a1R(ET)+a2R(ET)2+a3R(ECsw)+a4R(ECsw)2+a5R(ET)R(ECsw)

(5)

式中：R(Y),R(ET)和R(ECsw)为无量纲标准化变量；R(Y)为黄瓜相对作物产量；R(ET)为相对作物需水量；R(ECsw)为根区土壤相对电导率。

1.2 试验设计

黄瓜两年连续田间试验在宁夏银北地区沙漠温室(N 38°30°，E 106°07°，海拔1 111.5 m)进行。试验区位于中温带干旱气候区，年平均气温9.7℃，年降水量200 mm，年平均日照时间2 000～2 800 h。

试验在荒漠温室内进行，为5个处理对比试验，每个处理3次重复试验，膜下滴灌用PE塑料覆盖层(0.06 mm厚)，面积为165 m2。供试作物为黄瓜(黄乳)。覆膜宽度为0.7 m，采用一膜两行滴灌管铺设。相邻地膜间的距离为0.3 m，同一地膜下滴灌管行距为0.4 m，每行播种间隔0.3 m。总种植密度为90 045株/hm2。试验区土壤为砂壤土，生长期平均土壤干容重为1.485 g/cm3，田间持水量(θFC)为21.02 cm3/cm3。各试验区采用宽0.70 m、长5.50 m、深0.60 m的防渗处理，试验区地膜采用PE塑料覆盖。试验区底部用粘土铺盖，深度为0.10 m，具有防渗功能。然后用0.1 m、30 kg发酵分解秸秆回填砂壤土，再用0.4 m砂壤土，最后用0.1 m粘土在试验小区地表回填。每个试验小区的面积为3.85 m2，深度为0.6 m，试验点土壤质地和地下水质地见表1和表2。

表1 土壤物理化学性质

表2 灌溉水化学性质

五个试验处理的种植密度、施肥量和灌溉量均相同，生长期分别从2015年1月16日至6月22日和2015年8月11日至11月8日，表3为五个处理的灌溉方式。2015年1月16日至6月22日期间，从播种到收获的灌溉定额为每一块试验小区3 630 m3/hm2。在前期107 d的生长阶段，灌溉间隔为4 d；灌水定额为120 m3/hm2，在后期49 d的生长阶段，灌溉间隔为3 d，灌水定额为180 m3/hm2。从2015年8月11日的播种到11月8日的灌溉定额为每一块试验小区田1 714.5 m3/hm2；灌溉间隔为3 d；灌水定额为180 m3/hm2。本试验研究了利用微咸水灌溉的五种不同灌溉方式对黄瓜产量的影响，探索了在我国西北非耕地区利用微咸水灌溉的最佳灌溉方式。

表3 试验设计

1.3 试验测量方法

(1)在试验期间，Penman-Monteith模型所需的每日气象数据，包括最高、最低和平均气温、最高和最低相对湿度、实际和可能的日照时数比率以及温室2m高度的风速；由标准自动气象站(GAWS005 Veinasa)持续观测。每5秒对数据进行采样，并使用数据记录器计算和记录15 min的平均值；

(2)利用时频反射器(TDR)周期性地(每5～10 d)测量土壤体积含水率、土壤导电性和土壤温度。每个试验小区插有5根TDR管，5根TDR管间隔1米，在所有试验处理中，以0.2 m土壤厚度间隔进行测量，每次灌溉前后测量土壤体积含水率。

(3)黄瓜收获后，对每一个试验小区的黄瓜产量进行了测量。

2 结果分析

2.1 微咸水灌溉对黄瓜产量的影响研究

如图1所示，黄瓜产量关系为：处理4>处理1>处理3>处理2>CK。处理4获得最高产量，即净化水灌溉处理。处理3和处理2的产量近似，这是因为净化水和微咸水交替灌溉可以使土壤含盐量保持一个稳定水平。无论是基于灌溉时间的交替灌溉还是基于生长期的交替灌溉，对黄瓜产量的影响近似相同。除处理4外，处理1的产量最高，然而，CK的产量为最低值。与处理4相比，处理1、处理2、处理3和CK的黄瓜产量分别下降6.21%、14.67%、7.88%和17.71%。总而言之，从经济因素、节水方式和咸水高效利用等方面考虑，混水(微咸水和净化水按照1:1混合)灌溉是该地区的最佳灌溉方式。

2.2 微咸水灌溉下黄瓜水盐生产模型

本文采用线性函数模型、Cobb-Douglas函数模型以及二次函数模型分析黄瓜产量与作物需水量以及土壤电导率之间的关系，研究结果表明，Cobb-Douglas函数模型模拟结果较理想。通过二次函数模型模拟结果表明，在给定的其他变量不变的情况下，作物产量会随着产量的增加而增加，随着土壤电导率的增加而减少。同时，预测在收获时土壤的电导率会随着灌溉水的矿化度增加而增加。如果不对咸水进行过滤净化，那么土壤中的盐分积累和采收时间的土壤电导率将随着灌溉水量的增加而增加，直至下次灌溉开始。为了消除黄瓜第一生长期与第二生长期在土壤、田间环境和试验设计方面对黄瓜产量的差异影响，将黄瓜产量、需水量和土壤电导率三个变量通过减去平均值和除以标准差得到了标准差，转化为标准变量，即相对产量、相对需水量和相对土壤电导率(RY, RET和RECsw)，表4为模型中涉及变量的取值范围。首先，利用第一茬黄瓜的实测数据来拟合这三个水盐函数模型的系数；其次，利用第二茬黄瓜的实测数据对模型进行了验证。经验证，与需水量的标准偏差相比(SD=0.071)，产量的标准偏差(SD=2.64)相对较高。

图1 黄瓜产量

变量取值范围平均值标准偏差(SD)产量/t/hm242.39～49.945.812.64需水量/cm24.375～24.5624.460.071土壤电导率/sm/cm0.81～1.821.220.34

结果表明，在产量和土壤电导率变化的情况下，二次函数模型比线性函数模型和Cobb-Douglas函数模型(表5)能够更好地解释黄瓜产量、需水量随土壤电导率变化规律。三种水盐生产函数模型的RY,RET和RECsw均显著相关(P<0.05)。根据三个水盐生产函数模型的估算系数F和RMSE，二次函数模型的RMSE最低，F最高，说明二次函数模型具有较高的精度和统计显著性。从表5可以看出，在三种水盐生产函数模型中，RY和RET之间呈正相关，RY和RECsw之间呈负相关，这归因于高土壤盐分会导致作物的水盐胁迫，降低作物产量。研究结果表明，黄瓜产量不仅与土壤电导率有关，而且与黄瓜需水量有关。综上所述，二次函数模型计算的最大黄瓜产量估计值为42.08 t/hm2,ET和ECsw分别为23.81 cm和3.15 ms/cm。

在这些作物水盐生产模型中，黄瓜相对产量的预测能力可以通过观测值RY与模拟值RY之间的线性关系来估计。表6表示观测值RY与模拟值RY之间的线性函数关系以及三个作物水盐生产模型的模拟精度。通过观测值RY与模拟值RY的比较，可以看出，模拟值RY较观测值RY高，其原因在于第一茬黄瓜收获后导致土壤盐分积累，因此在第二茬黄瓜种植开始前土壤盐分较高，导致黄瓜生长出现水盐胁迫，减产。在这三个水盐生产函数模型中，二次函数模型的R2(0.76)值最高，RMSE值(0.5)最低。综上所述，二次函数模型可作为西北干旱地区温室黄瓜水盐胁迫下的水盐生产函数模型。

表5 黄瓜需水量与作物产量和土壤电导率的线性、Cobb-Douglas和二次函数模型估算

***在1%概率水平上显著；**在5%概率水平上显著；*在10%概率水平上显著。

表6 黄瓜产量实测值与水盐生产函数模型模拟值的拟合优度指标

3 结语

本试验采用1:1微咸水和净化水混合灌溉，获得了黄瓜最高的产量。在三个水盐生产函数模型中，二次函数模型的R2值(0.76)最高，RMSE值(0.5)最低。此外，研究结果表明，在产量和土壤盐分变化的情况下，二次函数模型中选择的变量比线性函数模型及Cobb-Douglas函数模型能更好地解释说明。综上所述，二次函数模型可作为我国西北干旱地区日光温室黄瓜水盐胁迫条件下水盐生产函数模型，咸水灌溉制度采用混合咸水和净化水按1:1为最优灌溉方案。