温室膜下滴灌条件下黄瓜经济灌溉制度及其下限值的研究

郑志伟，王仰仁，汪绍盛，赵宝永

(1.天津农学院水利工程学院，天津 300384；2.天津市水务局，天津 300374)

现状条件下灌水费用在蔬菜作物种植中仅占较小比例，人们更重视产量，因此常常出现过量灌水和施肥，由此引起了一系列如土壤硝酸盐过量累积导致土壤盐渍化、地下水硝酸盐含量超标造成水源污染、施肥量过大造成肥料利用率下降、蔬菜品质下降以及经济效益下降等问题[1-4]。因此，研究经济灌溉制度及其灌水下限值，指导温室蔬菜灌溉，有助于提高水肥利用率，增加作物产量，改善作物品质和土壤环境[5-10]。本研究对于合理指导生产、实现地区水资源可持续利用和农业的可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在天津市武清区北国之春农业示范园温室试验区 (E116°54′，N39°36′) 进行。该区秋季昼暖夜凉，温差大，冬季寒冷，北风多，日照少，降水稀少，全年平均气温为11.6 ℃，年平均日照总时数2 705 h，平均无霜期212 d，平均年降水量606.8 mm。温室为塑料薄膜拱形钢管日光温室，温室大棚宽8 m，长85 m，温室内屋脊最高处3 m。试验区土壤为中壤土，土壤密度(0～80 cm均值)为1.55 g/cm3，土壤的基本性状见表1。试验期间温室内种植黄瓜，品种为北斗星无刺黄瓜，其定植日期为2014年9月9日，采用宽窄行种植，每垄种植两行黄瓜，宽行行距1.0 m，窄行行距0.5 m，株距0.5m，垄长5.0 m，共种植56垄作物。灌溉水源为井水，井深80 m，灌溉方式为膜下滴灌，每垄窄行间布设两条滴灌带，滴灌带内径15 mm，滴头间距30 cm，滴头流量2.2 L/h。根据实际情况6～15 d灌水一次，一次灌水时长大致为240 min。温室顶部设通风口，并配置WS-Ⅱ型日光温室自动控温设备，可以实现手动启闭设备，开启范围为0～50 cm。温室大棚覆有厚0.8 mm的聚乙烯抗老化膜，外层覆盖复合保温被，保温被用电动卷帘机起放。秋冬季保温被每天9∶30掀起，17∶00左右放下盖严。夜间每30 min自动开启柴油暖风机，保证温室内温度不低于8 ℃，以避免影响作物生长。

表1 土壤理化基本性状

1.2 试验方法

1.2.1土壤含水率的测定

本试验针对膜下滴灌土壤含水率变化特点，每7 d取样测定一次，测定方法为烘干称重法，控制温度105 ℃，烘至恒重为止。每次测定两个点，一个是膜下，位于两条滴灌带中间，一个是膜外，位于宽行中点。测试深度为0～100 cm，每20 cm一层，共测试5层。根据试区土壤剖面结构和膜下滴灌条件下土壤含水率的剖面分布，将土壤含水率按照条带宽度做加权平均，求得整个条带0～100 cm的土壤平均含水率。

1.2.2温室环境因子的测定

温室内温湿度数据采用WatchDog2450型小型气象站(温度精确度: ±0.2%，湿度精确度：±2%)，固定于温室内距地面1.6 m高处，每隔30 min自动记录一次数据。叶片温度、蒸腾速率和光合有效辐射PAR等数据采用CI-340手持式光合作用仪测试。地温采用土壤三参数仪(WET-2-K1)测试，测试结果为0～5 cm深度的平均值。叶片温度、蒸腾速率、光合有效辐射值定株测试，每7 d一次，选定叶片位于株顶端第3片叶，3次重复。

1.2.3作物干物质重的测定

对于果实，可视为圆柱体，取果实最大直径为计算直径，最大长度为计算长度，根据圆柱体体积计算公式计算出果实计算体积，并找出果实干重与计算体积之间的关系。对于果实鲜重与干重，同样可以找出一定的关系；对于茎，也视为圆柱体，且认为茎干重与茎体积成正比例关系，黄瓜果实的比例系数(茎总干重/茎体积)为0.088 6。

1.2.4作物生长过程模拟方法

以干物质重量的变化描述作物生长过程。其中总干物质重用美国 系列模型，采用经验性的计算方法建立每日光合同化量与光合有效辐射之间的经验关系[5]。该模型认为潜在的干物质生产量(PCARD，g/m2)是截获的光合有效辐射[IPAR，MJ/(m2·d)]的指数函数。

PCARD=7.5IPAR0.6

(1)

冠层截获的光合有效辐射(IPAR)是到达冠层顶部的光合有效辐射[PAR，MJ/(m2·d)]、叶面积指数(LAI)和消光系数(K=0.85)的函数。

IPAR/PAR=1-e-K LAI

(2)

温度和水分胁迫可减少干物质积累数量，在考虑水分胁迫和温度胁迫条件下，实际的干物质生产量(CARBO，t/hm2)为：

CARBO=PCARDPRFTSWDF

(3)

PRFT为温度胁迫系数，计算公式为：

PRFT=[1-0.002 5 (T-Tp)2]σT

(4)

式中：Tp为最适宜作物生长的温度，℃；Tmin和Tmax分别为日最低气温和日最高气温，℃；σT为温度胁迫指数；T为白天温度。

白天温度T的计算公式为：

T=0.25Tmin+0.75Tmax

(5)

如果PRFT<0，则令PRFT=0。当作物吸收的土壤水分小于潜在蒸腾速率时，水分亏缺发生。水分亏缺因子(SWDF)用来计算实际干物质生产中水分对作物生产的影响，水分亏缺因子由水分平衡子模型计算得出。水分亏缺因子用下式计算：

(6)

式中：ET为作物遭受水分亏缺条件下的实际蒸发蒸腾量，mm/d；ETm为作物充分供水条件下的最大蒸发蒸腾量，mm/d，其中ETn=KcET0；σw为水分胁迫指数。

实际的干物质生产量(CARBO)为包括根在内的所有干物质的重量，需要经过计算才能得出地上部分干重。地上部分干物质重[W，t/(hm2·d)]可用下式进行计算：

W=30/40CARBOCVF

(7)

式中：CVF为干物质转化因子，其中包括了地上部干物质重占干物质生产量的比例。

通过上式可计算出地上部分干物质重 。地上部分干物质分配可通过分配系数计算。分配系数指某时刻植株各器官干物质重量与植株总生物量增量的比值。它是描述作物各器官干物质分配的一个重要概念。地上部干物质分配系数可简化为地上部各器官的干物质重占地上部分干物质总重的比例。植株地上部分干物质重则为各自的分配系数与地上部干物质的乘积。

DMl=DMSCPl

(8)

DMst=DMSCPst

(9)

DMf=DMSCPf

(10)

式中：DMl、DMst、DMf分别为时刻t叶片、茎和果实的干物质重累计值，t/hm2；DMS为时刻t地上部分的总干物质重累计值，t/hm2；CPl、CPst、CPf分别为植株地上部分干物质向叶片、茎以及果实的分配系数。

1.2.5经济灌溉制度确定方法

灌溉制度优化以单位面积纯收益最大为目标，约束条件为适宜的温度，其中纯收益计算只考虑灌水费用，包括灌溉设备费用、电费、人工管理费等，为了计算方便，将电费、灌溉设备费用和人工管理费用等一并折算为水费计算。在灌溉制度优化范围内，可以认为施肥、施药、大棚启闭、温度调节及种子、栽培等管理费用为常数。由此可写出目标函数如下：

(11)

式中：B为只考虑灌水费用的纯收益，元/hm2；y为作物产量，t/hm2；W为灌溉定额，mm；η为灌溉水利用系数，此处取η=0.9；Pc为作物产品单价，元/t；Pw为水价，元/m3。

优化计算过程中，灌水定额取30 mm。黄瓜产品单价为3 000 元/t，水价均取为1.5元/m3。不同灌水量及不同灌水时间条件下的作物产量y通过作物需水量和作物生长模型逐日模拟计算求得，进而利用式(13)可计算的温室膜下滴灌增产效益。

2 结果分析

2.1 干物质测定中的转换系数的率定

本研究是通过定株定期测试作物生长动态，如叶片长宽、茎长茎粗、果实体积等的变化，然后乘以转换系数，由此计算叶面积、叶干重、茎干重和果实干重及鲜重等。这里转换系数包括由计算叶面积(实测叶片长×宽)推求实际叶面积的系数、由叶面积计算叶干重的系数、由茎体积计算茎重的系数、由果实体积计算果实干重的系数以及由果实干重计算果实鲜重的系数。对应的计算公式为：

y=ax+b

(12)

式中：y为黄瓜实际叶面积、叶干重、茎重、果实干重和果实鲜重，g；x为对应的黄瓜计算叶面积、实际叶面积、茎体积、果实体积和果实干重，cm3；a，b为转换系数。

对应的转换系数率定结果见表2。由表2可以看出，对应的相关系数的平方均在0.92以上，相关性较高。

表2 转换系数率定结果

2.2 光合产物及分配系数随时间的变化过程

利用测试的黄瓜作物地上部分干物质重随时间的变化过程(见图1)，可求得黄瓜的光合产物分配系数，见图2。由图2可见黄瓜叶、茎、果实分配系数随时间的变化过程用直线进行拟合精度较高，对应的R2分别为0.933 2、0.820 6、0.937 1。

图1 黄瓜茎、叶和果实生长过程

图2 黄瓜光合产物分配系数变化过程

在测试的初期，黄瓜干物质主要分配给叶，随着作物的生长，果实的分配系数逐渐上升，由0.19增加到0.56，叶的分配系数在减小，由0.58减小到0.27。茎的分配系数基本保持不变，维持在0.2左右。

2.3 作物生长模型参数率定及检验

本研究主要对最适宜作物生长的温度Tp、水分胁迫指数σw和干物质转化因子CVF3个作物生长模型参数进行了率定。率定过程以模拟计算的地上部干物质重(茎、叶和果实的合计值)与实测值的误差平方和最小为目标，通过优化分析确定，结果见表3。通过表3的参数率定值点绘实测值与模拟值的关系曲线及变化过程，见图3和图4。由图3和图4可以看出，模型计算值与实测值较为接近，其相关系数的平方达到0.98以上，表明该作物生长模型及其参数可用于描述温室作物生长过程以及温度和水分胁迫对作物生长和产量的影响。

表3 黄瓜作物生长模型参数的率定结果

图3 温室黄瓜地上部干物重模拟值与实测值变化过程

图4 温室黄瓜地上部干物重模拟值与实测值散点图

2.4 经济灌溉制度及其节水增产增收效果

本研究中灌溉制度优化计算是一个以灌水时间为决策变量的非线性规划问题，这里采用坐标轮换法求解，求解结果见表4。

表4 温室膜下滴灌黄瓜不同灌水量条件下的

由表4可看出，在本试验年度条件下温室膜下滴灌黄瓜经济灌溉用水量为216 mm，相应的产量为38.2 t/hm2，相应的效益为11.096 万元/hm2，耗水量(蒸发蒸腾量ET)为258.7 mm。比较经济灌溉与实际灌水的增产效益，其产量和效益分别增加了2.54 t/hm2和2.36万元/hm2，节约灌溉水量为7.59%，具有显著的节水增产增收效果。

2.5 灌水下限值随时间的变化过程

以上述求得的经济灌溉制度为依据(见表4)，查经济灌溉制度中每次灌水前的土壤含水率及相应的时间(以定植期算起的天数表示)，由此可获得若干组数据(数据组数等于灌水次数)，见表5。以这些数据点绘灌水前土壤含水率与相应灌水时间的关系曲线(见图5)，同时，将生长期土壤含水率随时间的变化曲线绘在图5中。由图5可以看出灌水前土壤含水率(0～60 cm)随时间的变化幅度较作物生长期土壤含水率的变化幅度小得多，因此，可以认为温室膜下滴灌作物经济灌溉土壤含水率下限值为一个常数，各次灌水前土壤含水率的平均值为0.240，占田间持水率的百分数为85.8%,离均系数为0.879%。按照该灌水下限值灌水，可使单位面积的灌溉效益最大。该结果与牛勇[11]等(2009年)通过试验得到的黄瓜灌水下限(85%) 结果一致。

表5 温室膜下滴灌作物灌水前土壤含水率

注：相对含水率为灌水前土壤含水率(0～60 cm)占田间持水率的百分数；灌水时间为定植期算起的天数。

图5 灌水前、生长期土壤含水率(0～60 cm)与相应灌水时间的关系

3 结 语

(1)干物质测定中转换系数的率定结果(其相关系数的平方均在0.92以上)表明，采用转换系数推求作物生长过程精度较高，合理可行。

(2)在黄瓜生长期的初期(定值后54 d开始)，干物质主要分配给叶，随着生育期的增加，果实的分配系数逐渐上升，而叶的分配系数一直在减小。茎的分配系数测试期基本保持不变，维持在0.2左右。

(3)采用经济灌溉制度具有较好的节水增 产增收效果，其中增加产量2.54t/hm2，增加效益2.36万元/hm2，节约灌溉水量约为7.59%。

(4)对应经济灌溉制灌水下限值为一个常数，其值为0.240，占田间持水量的85.8%,离均系数为0.879%。

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