干湿交替条件下温室西瓜耗水量与产量的关系

殷韶梅，胡笑涛

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.宁夏农垦农林牧技术推广服务中心，银川 750024)

0 引 言

近年来，迫于水资源危机的日益严重，研究者们在传统节水理论的基础上，提出了许多新的概念和方法，如限水灌溉[1]、非充分灌溉[2]、局部灌溉[3]、调亏灌溉[4]与交替灌溉[5]等。其中关于交替灌溉理论方面的研究主要是根系分区交替灌溉和垂直方向的交替灌溉，交替控制部分区域干燥、部分根系区域湿润，通过交替使不同区域的根系经受一定程度的水分胁迫锻炼，刺激根系吸收补偿功能。以上研究均是对作物根系进行空间上的交替灌溉，利用作物根系功能和改变根区剖面土壤湿润方式来提高作物水分利用效率。但是，目前国内外在时间上进行干湿交替灌溉还甚少，主要集中在小麦[6]、水稻[7]、玉米[8]等大田作物的研究，关于温室作物的研究更少。因此，可以通过温室条件下干湿交替灌溉试验研究土壤水分环境反复变化对温室作物的生长及产量的影响。

建立耗水量与产量之间的函数关系是推广节水农业的理论依据。确定作物的经济灌溉定额和适宜的灌水时间，开展有限水量在不同区域、不同作物及不同生育时期之间的优化配置等工作都需要使用这些函数关系[9]。因此，研究缺水地区非充分灌溉条件下作物耗水量与产量之间的关系，有助于缓解该地区水资源匮乏，对于我国节水农业的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验地点位于武威市凉州区清源镇发展村沙产业暨循环农业示范园区8号温室，灌溉方式为膜下沟灌(地膜平铺于沟中，灌溉水从膜下输送到田间的灌溉方法)，供试作物为西瓜(四季秀丽)。西瓜于2010年11月10日播种，2010年11月15日播种砧木(南瓜)，11月25日采用顶插法进行嫁接处理，2011年1月12日定植，苗龄四叶一心，定植前灌溉底墒水355.2 m3/hm2，2月20日开始人工授粉，2月28日西瓜开始上架双蔓整枝，4月12日完全收获，全生育期自定植之日至完全收获共90 d。

在西瓜定植前，用旋耕机对温室进行犁耕，之后人工起垄，沟施磷酸二铵300 kg/hm2底肥。西瓜种植采用适合于当地的宽窄行模式，其中垄南北长7.40 m，宽0.75 m，高0.25 m，垄中心间距1.15 m。灌水沟南北长7.40 m，宽0.4 m，深0.15 m。每个处理包括5垄5沟(面积为42.6 m2)，中间3个为试验小区，两边作为保护，行株距为35 cm×55 cm，整个温室共74个垄沟组合。

1.2 试验设计

本次试验在具有多年温室西瓜种植经验的农户温室内开展介入式试验，一切管理诸如施肥、授粉、吊蔓等管理均依照当地常规由农民操作，试验只进行不同的灌水量调控。结合西瓜在整个生育期对水分需求的特性并根据农民经验，分别在2月21日，3月9日，3月25日，4月4日共进行4次灌水处理，即播种-开花(40 d)，开花-坐果(17 d)，坐果-膨大(16 d)，膨大-收获(10 d)进行灌水处理。本试验设定在沟内进行亏缺-补偿交替处理，根据农民经验设定温室西瓜对照灌水定额为355.2 m3/hm2，设定对照(CK)为奇数次灌水定额与偶数次灌水定额相同，其余处理均为奇数次灌水定额小于偶数次灌水定额，奇数次灌水定额设4个水平，偶数次灌水定额设3个水平，共7个处理，3次重复，21个小区，具体见表1。试验处理之间设保护以消除水分互渗对试验结果的影响。

表1 日光温室西瓜各处理灌水定额 355.2 m3/hm2

注：表中灌水定额均为该数值乘以对照的灌水定额，如1/2所代表的灌水定额即为1/2×355.2 =177.6 m3/hm2。

1.3 温室内基本环境监测

西瓜全生育期内，在温室中央安装便携式自动气象站(Weather hawk, Campbell Scientific, USA)连续监测内部气温、空气相对湿度、太阳辐射和参考作物蒸发蒸腾量ET0，每小时记录一组数据。各气象因子的变化过程见图1和图2。

图1 温室西瓜全生育期内温度和相对湿度变化Fig.1 Daily mean air temperature and relative humidity changes inside greenhouse during whole growth stage of watermelon

图2 温室西瓜全生育期内太阳辐射和ET0的变化Fig.2 Daily solar radiation and ET0 changes inside greenhouse during whole growth stage of watermelon

1.4 观测项目与方法

试验将蓄水池中的水利用水泵提水至灌水沟中，水表控制灌水量。分别于西瓜定植之日、每次灌水前及收获之日采用烘干法测定土壤含水率，分别在小区的垄上、灌水沟及垄下测定10，20，30，40，60，80 cm土壤含水率，取3处的平均值作为该深度的土壤含水率。西瓜在采收之日一次性收获完毕并由收购商直接收购，产量统计各个小区由收购商剪下的重量>1.5 kg无偏心瓜的单瓜重，并计算各小区产量，各处理取3个小区的产量的平均值作为小区产量。总市场产量采用小区产量按面积进行折算，折算系数为1 174.3。利用水量平衡法计算西瓜全生育期耗水量。灌溉水分利用效率(WUE)为总市场产量与灌溉定额的比值。作物需水系数(k)为全生育期耗水量与总市场产量的比值。西瓜单株耗水量采用小区单垄西瓜耗水量与单垄西瓜株数的比值的平均值。

1.5 数据分析

采用SAS8.2软件和Office Excel软件进行数据分析与作图。方差分析使用GLM回归及最小显著差数法(LSD)进行，差异显著性概率为0.05。

2 结果分析

2.1 不同处理对单株产量、耗水量及水分利用效率的影响

由图3可见，干湿交替条件下，随着灌溉定额的增加，单株产量呈现先增大后减小的趋势，单株耗水量呈递减趋势，而水分利用效率呈递增趋势。这说明，对于温室西瓜来说，较高的水分供应并不一定能够保证实现西瓜单株水平上的高产和高水分利用效率(如处理1和处理2)，而通过对其进行干湿交替灌溉，可以在刺激西瓜的根系下扎增强吸水能力的同时，却又不至于使西瓜植株受到严重的干旱胁迫，一定程度上保证其营养生长与生殖生长，从而实现高产、高效的统一。试验中T3,T4和T6的产量均超过2 kg，水分利用效率也均超过了0.45 mm，处理结果较好。

图3 不同处理对单株产量、耗水量及水分利用效率的影响Fig.3 Effects of different treatments on per plant yield, water consumption amount and water use efficiency

2.2 西瓜全生育期水分生产函数模型

大量研究表明作物耗水量与产量符合二次抛物线关系，二次曲线方程可以描述为：

Y=AET2c+BETc+C

(1)

式中：Y为作物产量，kg/hm2；ETc为作物耗水量，mm；A，B，C分别为回归系数。

2.2.1西瓜全生育期水分生产函数模型特性分析

作物需水量的确定 二次函数关系存在一个极大值，即抛物线的顶点处，该处西瓜产量(Y)达到最大值时的耗水量即为作物需水量。

dy/dETc=0

(2)

当dy/dETc=0时，即：

2AETc+B=0

(3)

西瓜产量Y有最大值。

ETc= -B/2A

(4)

通过本次试验处理的温室西瓜实测产量与耗水量数据分析计算的温室西瓜产量与耗水量的关系可以描述为：

Y=-9.802 8ET2c+2 048.4ETc-51 459R2=0.717 8

(5)

上述结果表明，R2=0.717 8达到显著水平，利用式(3)得ETc(Ymax)=104.48 mm，此时可获得最大产量Ymax=55 549.78 kg/hm2。

2.2.2作物需水系数与耗水量关系分析

作物需水系数k表示每公顷土地上每生产1 kg粮食(西瓜)所需要消耗的水量，单位为mm/kg。作物需水系数k与耗水量之间的相互关系为：

k=ETc/Y

(6)

通过本次试验处理的温室西瓜实测耗水量与产量数据分析计算的温室西瓜作物系数与耗水量的关系也符合二次曲线关系，可以描述为：

k=5×10-7ET2c-9×10-5ETc+0.005 2R2=0.965 5

(7)

上述结果表明，R2=0.965 5，达极显著水平，此二次函数存在一个极小值，该处西瓜的作物需水系数(k)达到最小值，表示该耗水量下生产单位kg西瓜所消耗的水量最少，该处

dk/dETc=0

(8)

当dk/dETc=0时，利用式(1)同样有2AETc+B=0时，温室西瓜需水系数k取得最小值，此时ETc=-B/2A。

利用式(3)得ETc(kmin)=90 mm，此时可获得最小的作物需水系数kmin=0.001 15。

2.2.3作物产量、需水系数与耗水量关系综合分析

由图4可以看出，随着耗水量的不断增加，西瓜产量与需水系数的变化可以分为3个阶段：

第一阶段，ETc∈(0，ETc(kmin)]。这一阶段，产量随耗水量呈单调递增趋势，而西瓜需水系数呈现单点递减趋势，并在阶段结束处k降至最小值。这说明灌溉水的投入与产出比在这一阶段随着耗水量的增加而增加，从而灌溉效益也得到了提高。因此，在这一阶段在供水许可范围内灌溉水量越多越好。

第二阶段，ETc∈(ETc(kmin)，ETc(Ymax)]。这一阶段，产量随耗水量依然呈单调递增趋势，在阶段结束处Y达到最大值，但是增长速率明显低于第一阶段；而西瓜需水系数也呈现单调递增趋势。说明在这一阶段灌溉水的投入与产出比开始出现负增长，也就是说增加单位产量所消耗的水量开始增加。

第三阶段，ETc∈(ETc(Ymax)，+∞)。这一阶段，随着耗水量的继续增加，产量开始减少，西瓜需水系数增加，表明投入与产出比将急剧减小，因此这一时段内增加灌溉水量不利于西瓜产量的形成。在实际生产中应避免这种情况的发生。

根据以上分析，ETc(Ymax)=104.48点可以认为是温室西瓜的作物需水量，也是温室西瓜充分灌溉时的耗水量，是温室西瓜过量灌溉与非充分灌溉的分界线。即当耗水量大于ETc(Ymax)时为过量灌溉，试验中处理CK、T1、T2均为过量灌溉；当耗水量小于ETc(Ymax)时为非充分灌溉，试验中处理T3、T4、T5、T6均为非充分灌溉。ETc(kmin)=0.111 15为温室西瓜最适亏缺水量点，当耗水量小于该水量时限制了产量的增长，因而增加单位kg西瓜所消耗的水量较大；而当耗水量大于该水量时，产量增加但每增加单位kg西瓜所消耗的水量也增加。因此，当ETc小于ETc(kmin)=0.001 15时，灌溉效益表现为递增特性，应当尽可能多的提供灌溉用水，充分发挥灌溉水分利用效率。耗水量的适宜区间应为[ETc(kmin)，ETc(Ymax)]，结合本试验处理即为[90 mm，104.48 mm]，需结合水分利用效率与水价等实际投入量在此区间内确定温室西瓜的经济灌溉定额。

3 结 语

温室西瓜全生育期耗水量-产量关系模型是根据田间试验所获得的试验数据经回归分析建立的，与所有统计模型一样，它本身具有较强的统计特征。一方面，由于其数据来源的取材准确性说明该模型具有一定的合理性和实用型；另一方面，由于试验地区的特殊的地理位置、气候条件等的影响，以及试验处理的不同都会使该模型表现出一定的不完善性和局限性。因此，该模型的建立和应用方面还存在一些问题。

上述建立的温室西瓜全生育期耗水量-产量关系模型是通过一次完整的试验过程获得相应的试验结果，并经过数据回归分析得到的。试验虽是针对耗水量与产量关系设计的，但是干湿交替灌溉与传统的调亏灌溉在土壤的湿润方式上还存在一定的差异，因此，所建立的模型和精度均受到一定程度的影响。需要在今后的灌溉试验中，同步进行调亏灌溉与干湿交替灌溉试验，并进行较长时间的连续试验研究，积累资料，以确定较为精确的、实用的作物耗水量-产量关系模型。

本试验的开展地位于甘肃武威市凉州区，通过该试验结果所建立的温室西瓜耗水量-产量模型所获得温室西瓜代表西北干旱内陆地区的适宜耗水量，但是由于气候条件、土壤肥力、灌溉方式、农作措施等的差异，需要在全国其他地区同步开展相同干湿交替灌溉试验，进而积累资料，从而确定较为精确的，具有代表性的作物耗水量-产量统一模型，或者适合各地区的耗水量-产量代表模型。

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