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论节水减氮对日光温室番茄产量与水氮利用效率的影响
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2018/4/23 9:54:16  

摘要:为降低蔬菜园区经验水肥管理制度造成的资源浪费,提高作物水肥利用效率,探讨了滴灌和膜下沟灌两种灌水技术下,节水减氮对番茄根区深层渗漏量、番茄耗水量、产量和水氮利用效率的影响。结果表明:在采用60%~80%园区经验灌水量的条件下, 番茄耗水量降低了17%~43%、水分利用效率提高了9%~59%, 灌水量对产量影响不显著;而在50%园区经验施氮量的条件下,番茄增产9%~17%、氮肥利用效率提高12%~35%;滴灌与膜下沟灌相比, 春夏茬各试验处理水分利用效率、氮肥利用效率和产量均值分别提高6.9%、8.4%和8.2%, 秋冬茬分别提高4.1%、4.9%和5.3%。综合分析表明, 与园区经验水氮用量相比, 80%的经验灌水量、50%的经验施氮量不会显著降低产量, 但可以显著提高水氮利用效率;滴灌与膜下沟灌相比能减少深层渗漏量, 减少水肥资源的浪费。

关键词:节水减氮; 深层渗漏; 产量; 水分利用效率; 氮肥利用效率;

中国作为农业大国, 在粮食作物、经济作物、园艺作物生产上均存在着水资源匮乏和肥料利用率不高的问题。在此形势下, 加快发展节水高效农业, 不仅是解决我国水资源短缺、实现水资源高效利用的有力保障, 同时也是保障粮食安全、生态安全和水资源安全的重大基础战略。2017年中央一号文件明确“把农业节水作为方向性、战略性大事来抓”[1], 因此节水、减肥已经成为“国家行动”。

近年来我国设施蔬菜生产迅速发展, 我国已成为世界上设施蔬菜栽培面积最大的国家, 至2014年已超过380万hm2[2]。在设施蔬菜生产中, 水、肥是最重要的物质投入,其利用情况直接影响着农作物的产量、品质和效益, 并且直接或间接的影响着生态环境[3-6]。蔬菜是一种高耗水耗肥作物, 蔬菜需求的刚性增长和我国水资源的严重短缺、土壤环境的恶化, 迫使蔬菜生产要采用节水减肥措施。由于缺乏水肥定量化标准规范, 园区普遍存在不合理灌溉,导致肥料流失, 致使作物产量低、品质劣[7-8], 因此蔬菜生产中亟需减少水肥用量, 尤其是氮肥用量, 降低蔬菜的硝酸盐含量, 减少土壤、地下水和地表水的硝酸盐污染, 实现环境友好、资源节约的蔬菜生产。有研究表明:相比沟灌, 滴灌处理番茄的营养生长期无明显优势, 但是在后期增产效果和保水性能均优于沟灌[9];随着灌水量和施氮量增加,番茄产量呈先增加后减少的趋势[10];在同一灌溉水平下, 随施肥量增加肥料偏生产力显著降低[11]。本文研究滴灌和膜下沟灌两种灌水技术条件下, 节水减氮对日光温室番茄深层渗漏量、耗水量和水氮利用效率的影响, 以期为设施蔬菜水肥管理提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河北省廊坊市永清县新苑阳光农业园区 (30°19′N, 116°29′E) , 基地属北温带亚湿润气候区, 年平均日照2 740 h, 年平均气温11.5℃, 年平均降雨540 mm。试验用日光温室为东西走向, 长79 m, 宽6.5 m。供试土壤为粉壤土, 其物理特性见表1。

1.2 试验设计

试验考虑灌水量、施氮量和灌水技术3个因素, 灌水量分为试验园区番茄栽培经验灌水量 (W3) 、经验灌水量的80%(W2) 、经验灌水量的60% (W1) 3个水平;施氮量分为试验园区番茄栽培经验施氮量 (N3) 、经验施氮量的50%(N2) 、不施氮 (N1) 3个水平;灌水技术包括滴灌 (D) 和膜下沟灌 (F) 。试验温室分为滴灌区和膜下沟灌区两部分, 滴灌和膜下沟灌均为9个处理, 每个处理3个重复, 两部分的各处理均为随机排列的方式布置, 试验小区尺寸6.5 m×1.35 m。

试验供试作物为番茄, 春夏茬于2015年4月7日定植, 7月20日拔秧;秋冬茬于2016年9月17日定植, 2017年2月14日拔秧。春夏茬试验在开花坐果期遇天气干旱, 浇了一次催花水, W3、W2、W1灌水量分别为20 mm、16 mm、12 mm;秋冬茬试验幼苗期灌水量较大,且低温季节要尽量减少浇水次数, 以免降低地温, 所以在开花坐果期没有进行灌水。春夏茬番茄全生育期W3、W2、W1灌水总量分别为262 mm、218.6mm、175.2 mm, N3、N2、N1施氮总量分别为100.24 kg/hm、87.05 kg/hm、73.86 kg/hm;秋冬茬番茄全生育期W3、W2、W1灌水总量分别为179 mm、151.6 mm、124.2 mm, N3、N2、N1分别为133.05 kg/hm、115.77 kg/hm、98.48 kg/hm。试验期间, 依据试验园区经验确定灌水时间, 春夏茬和秋冬茬番茄各生育期灌水总量见表2。

1.3 试验观测

(1) 土壤基质势:番茄定植后, 每个试验处理在番茄小区一侧的中间位置, 安装3支负压计, 埋深分别为20、40和60 cm, 在番茄整个生育期内, 每天上午7:00-7:30读数, 监测番茄根区土壤基质势的变化。

(2) 土壤含水率:番茄定植前, 在温室大棚内随机取三点用土钻取土, 检测土壤初始含水率。番茄生育期内, 平均每20天在番茄根区附近取土, 每个处理设置1个取样点, 取土深度为60 cm, 每20 cm取1个土样, 用烘干法测定土壤质量含水率。

(3) 番茄产量:在番茄采收期, 用电子秤称重各小区实际产量。

1.4 试验计算

(1) 深层渗漏量 (D) 根据达西定律[12]确定。土壤水分特征曲线参数和非饱和导水率采用Van Genuchten模型[13]。土壤颗粒组成及土壤密度, 利用RETC软件[14]中的ROSETTA人工神经网络模型[15]分析土壤水力特性参数。试验用土壤的Van Genuchten模型参数列于表3。据此利用负压计测得的番茄根区土壤深度40 cm和60 cm的土壤基质势, 计算番茄根区50 cm深度土壤的深层渗漏量。

 (2) 番茄耗水量 (ET) 根据农田水量平衡方程式[12]计算;番茄水分利用效率(WUE) 和氮肥利用效率 (PFP) [16]分别按式 (1) 和式 (2) 进行计算:

式中:WUE为番茄水分利用效率,t/ (hm·mm) ;PFP为氮肥偏生产力(kg/kg N) ;Y为番茄产量 (t/hm) ;ET为番茄耗水量 (mm);N为施氮量 (kg/hm) 。

2 结果与分析

2.1 番茄产量

两茬试验番茄产量统计及方差分析结果见表4。可知, 春夏季滴灌条件下, W1和W2处理分别比W3低12.6%和6.3%, 膜下沟灌条件下, W1和W2处理分别比W3低9.2%和10.2%;秋冬茬滴灌条件下, W1和W2处理分别比W3低13.0%和5.6%, 膜下沟灌条件下, W1和W2处理分别比W3低0.8%和0.3%, 减少灌水量会降低番茄产量,但灌水量仅在春秋茬膜下沟灌条件下表现出显著性。春夏季滴灌条件下, N2处理产量分别比N1和N3高6.4%和9.0%;秋冬季滴灌条件下, N2处理产量分别比N1和N3高18.8%和13.6%, 膜下沟灌条件下, N2处理分别比N1和N3高12.7%和16.9%, 灌水量相同条件下, 产量随施肥量的增加先增加后减小, 符合报酬递减效应, 施氮量仅在秋冬茬膜下沟灌条件下表现出显著性。春夏茬试验滴灌和膜下沟灌产量均值分别为73.61 t/hm和68.01 t/hm,秋冬茬分别为49.54 t/hm和47.04 t/hm,滴灌条件下比膜下沟灌条件下分别高8.2%和5.3%, 与膜下沟灌相比, 滴灌灌水技术能增加番茄产量, 春夏茬试验灌水技术对番茄产量的影响达到显著水平, 但秋冬茬试验未达到显著水平。

2.2 番茄根区深层渗漏量

两茬试验番茄根区各生育期深层渗漏量和方差分析结果如表5所示。春夏茬两种灌水技术条件下苗期、开花坐果期和结果期深层渗漏量均值分别为1.55 mm、1.30 mm和1.75 mm, 秋冬茬分别为3.48 mm、-0.71 mm和7.78 mm, 开花坐果期番茄渗漏量为负值,说明在这一时期没有产生深层渗漏, 可能是因为这一时期没有灌水,番茄根区储水量不能满足番茄生长和腾发量的需求, 造成一定程度的水分亏缺;结果期渗漏量较大, 说明结果期较大的灌水量不仅满足番茄的腾发需求, 也提高了番茄土壤的储水量,导致深层渗漏量增加, 实际生产中可以适当减少该生育阶段的灌水量。

春夏茬滴灌条件下, W1、W2、W3处理全生育期深层渗漏量均值分别为3.03 mm、4.40 mm、5.15 mm;膜下沟灌条件下, 分别为4.14 mm、5.36 mm、5.44 mm, 渗漏量随灌水量增加逐渐升高。膜下沟灌各生育期的渗漏量均高于滴灌, 可能是由于滴灌条件下出流量小、灌水均匀, 而膜下沟灌处理流量大, 土壤水分的垂向运动更大、入渗快, 番茄深层渗漏主要受灌水影响,从而增加了渗漏量。方差分析表明, 灌水量和施氮量对番茄深层渗漏量在α=0.05水平上均不存在显著差异。春夏季滴灌和膜下沟灌两种灌水技术下, 番茄全生育期深层渗漏量均值分别为4.19 mm和4.98 mm, 分别占全生育期总灌水量的1.9%和2.3%;秋冬季滴灌和膜下沟灌两种灌水技术下番茄全生育期深层渗漏量均值分别为8.39 mm和12.73 mm, 分别占全生育期总灌水量的5.86%和8.40%, 说明灌水技术对深层渗漏有一定影响, 但灌水技术对番茄深层渗漏量不存在显著差异。

2.3 番茄耗水量

两茬试验番茄根区各生育期耗水量和方差分析结果见表6。春夏茬试验两种灌水技术条件下苗期、开花坐果期和结果期番茄耗水量均值分别为28.55 mm、20.58 mm和118.65 mm, 秋冬茬分别为31.3 mm、28.57 mm和50.57 mm, 春夏茬折合日平均耗水量分别为2.04 mm、1.03 mm和1.67 mm/d, 秋冬茬分别为1.1 mm、0.9mm和0.6 mm/d, 苗期日耗水量最大。春夏茬滴灌条件下, 灌水量W2和W1处理番茄全生育期耗水量均值分别比W3处理低20.1%和33.7%, 膜下沟灌条件下W2和W1处理分别比W3处理低17.9%和38.9%;秋冬茬滴灌条件下, W2和W1处理分别比W3处理低29.1%和37.8%, 膜下沟灌条件下W2和W1处理分别比W3处理低21.3%和42.4%, 番茄耗水量随灌水量的降低而降低, 灌水量对番茄全生育期耗水总量的影响达到0.05水平的显著。在灌水量相同条件下, 番茄全生育期耗水总量随施氮量的增加大多呈现先降低后增高的趋势, 但施氮量对番茄耗水量的影响并不显著。春夏茬滴灌和膜下沟灌条件下, 各试验处理全生育期番茄耗水总量分别为168.30 mm和167.28 mm, 秋冬茬分别为110.31 mm和110.56 mm, 灌水技术对番茄耗水量的影响不显著。

2.4 水氮利用效率

两茬试验番茄水氮利用效率和方差分析结果见表7。春夏茬滴灌条件下,W1和W2处理WUE均值分别比W3高33.6%和18.2%, 膜下沟灌条件下分别高48.5%和9.3%;秋冬茬滴灌条件下, 分别高41.8%和32.8%, 膜下沟灌条件下分别高58.5%和25.1%。水分利用效率随灌水量的增加急剧降低, 可见限水灌溉有利于提高番茄WUE;两茬试验膜下沟灌条件下, 灌水量对番茄水分利用效率的影响均达到显著水平, 施氮量对番茄水分利用效率无显著影响。春夏茬滴灌条件下, 施氮量N1、N2和N3处理PFP均值分别为983.67 kg/ (kg N) 、887.94 kg/ (kg N) 和707.26 kg/ (kg N) , 膜下沟灌条件下分别924.30 kg/ (kg N) 、769.39 kg/ (kg N) 和686.26 kg/ (kg N) ;秋冬茬滴灌条件下, 施氮量N1、N2和N3处理PFP均值分别为466.86 kg/ (kg N) 、471.75 kg/ (kg N) 和361.12kg/ (kg N) , 膜下沟灌条件下分别463.65 kg/ (kg N) 、444.34 kg/ (kg N) 和330.85 kg/ (kg N) 。氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低, 施氮量对番茄PFP的影响达到0.05显著水平, 灌水量对番茄PFP的影响未达到显著水平。

春夏茬滴灌和膜下沟灌条件下, WUE均值分别为449.63 kg/ (hm·mm) 和420.66 kg/ (hm·mm) , PFP均值分别为859.62 kg/ (kg N) 和793.32 kg/ (kg N) ;秋冬茬滴灌和膜下沟灌条件下,WUE均值分别为466.19kg/ (hm·mm) 和447.65 kg/ (hm·mm) , PFP均值分别为433.24 kg/ (kg N) 和412.95 kg/ (kg N) , 灌水技术对WUE和PFP的影响虽未达到0.05显著水平, 但滴灌处理的WUE和PFP值均大于膜下沟灌处理, 可能是由于沟灌条件下较大的深层渗漏量降低了番茄的水氮利用效率。

3 讨论

作物生育期需要通过灌水和施肥来满足其生长发育, 适当的水分和肥料可以促进作物增产, 提高作物对水分和肥料的利用率, 而不适当的水分和肥料会导致作物减产, 而且会造成环境污染[17-19]。此外, 过量灌溉会使氮肥流失, 氮肥流失不仅降低了土壤肥力及化肥利用效率, 且造成了不同程度的农业面源污染, 氮肥的淋溶、渗透又会引发地下水硝酸盐的富集, 且富集程度随氮肥施用量的增加而增大[20-22]。因此, 要选择适当的灌水量和施氮量。研究结果表明, 春夏茬滴灌条件下, W3、W2和W1产量均值分别为68.65 t/hm、73.64t/hm和78.56 t/hm, 膜下沟灌条件下分别为66.02t/hm、65.29 t/hm和72.73 t/hm;秋冬季滴灌条件下, W3、W2和W1产量均值分别为45.95 t/hm、49.87 t/hm和52.81 t/hm, 膜下沟灌条件下分别为44.61t/hm、48.18t/hm和48.33 t/hm,过高灌水量会使作物减产, 这与文献[23]对番茄产量研究所得结论基本一致。李玉斌[23]等研究认为, 随着灌水量的增加, 玉米耗水量呈上升趋势, 本试验也得到相同结论。与W3相比, W1处理WUE提高41%~59%, W2处理WUE提高9%~33%;与N3相比, N1处理PFP提高29%~40%, N2处理PFP提高12%~35%, 灌水量增加, 番茄水分利用效率降低, 随施氮量增加, 番茄氮肥利用效率降低, 这与前人研究结果一致[24-26]。

4 结论

本文研究滴灌和膜下沟灌两种灌水技术条件下, 节水减氮对日光温室番茄产量、水氮利用效率、耗水量和深层渗漏量的影响, 结论如下:

(1) 两茬试验番茄产量均为W3处理略高于W1和W2处理, 番茄产量随灌水量的增加而增加, 但灌水量对产量影响未达到显著水平。秋冬茬膜下沟灌技术下, 施氮量对番茄产量的影响达到显著水平, 过高或过低的施氮量均不利于番茄产量增加。就灌水技术而言, 滴灌技术番茄产量高于膜下沟灌技术。

(2) 两茬试验不同灌水技术条件下, 番茄WUE随灌水量的增加而降低,PFP随施氮量的增加而降低。就灌水技术而言, 滴灌技术番茄WUE和PFP值均高于膜下沟灌技术。

(3) 番茄耗水量随灌水量减少而降低, 灌水量对番茄全生育期耗水总量的影响达到显著水平, 但施氮量对番茄耗水量的影响不显著。渗漏量随灌水量减少而降低, 适当降低灌水量有利于减少水分渗漏, 两茬试验均为结果期渗漏量较大,结果期较大的灌水量不仅满足番茄的腾发需求, 也提高了番茄土壤的储水量,导致深层渗漏量增加, 但灌水技术和水、氮用量对番茄深层渗漏量不存在显著差异。

本试验仅研究了化肥中氮肥用量对作物产量和氮肥利用效率的影响, 没有考虑底肥中有机肥提供氮素的因素, 在以后相关研究中还需进一步考虑。

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