滴灌水热调控对土壤温度及白菜生长和产量的影响

张 星，栗岩峰，李久生(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048)

0 引 言

土壤水热条件是影响作物生长和产量的重要因素，也是近年来灌溉调控和管理研究的关注热点。目前，针对土壤水热调控的研究和应用主要围绕覆膜滴灌技术展开。地膜覆盖隔绝了土壤与外界的水分交换，抑制或减弱了土壤与外界的潜热和显热交换，改变了土壤热传导的方式和速度[1]，对耕层土壤温度的增加非常明显。例如胡晓棠[2]等在新疆石河子的研究表明膜下滴灌可以使棉花花蕾期地表温度提高4～5 ℃；曹玉军[3]等在东北半干旱区的研究表明膜下滴灌使玉米苗期至拔节期5～25 cm土层的温度增加了约2.8 ℃；刘洋等[4]在东北半湿润区的研究表明膜下滴灌提高了玉米生育前期的土壤温度，苗期5～25 cm的日均土壤温度增加2.3 ℃。地膜覆盖引起的水热条件变化对促进作物生长和增加产量有重要的作用，国内外有关膜下滴灌增产效果的研究很多，涉及的作物包括棉花、西红柿、秋葵、甘蓝、马铃薯、洋葱、黄瓜、玉米等[4-11]，以东北膜下滴灌玉米为例[4]，膜下滴灌可使成熟期玉米的地上部分干物质质量、氮素吸氮量以及平均产量比不覆膜滴灌处理分别提高了14%、16%和11%，增产效果显著。覆膜的增产效果也与作物自身的特性有关，例如对黄瓜等喜温作物的增产效果更为明显[11]，而对于马铃薯，在生育期的中后期覆膜可能会导致土壤温度过高而引起减产[9]；因此，有必要开展不同作物对土壤水热条件变化的响应机制研究。此外，灌溉水温的变化也会引起土壤水热条件的改变，从而影响作物生长、养分吸收和产量。目前，仅有少量的研究集中在利用调节灌溉水温改善寒区水稻的生长条件和产量方面[12]，对于旱作物的灌溉水温调节，尤其是滴灌条件下灌溉水温调控的研究国内外均未见报道。

白菜是华北地区主要的蔬菜作物，播种期一般在夏末秋初(8月初)，初冬收获。幼苗期由于气温较高，极易受热害、虫害等影响导致各类病害发生，而延迟播种期又会引起生育后期温度过低，影响作物生长和产量形成。通过水热调控获得适宜的土壤水热条件，为实现白菜的生育期延迟并保障产量提供了重要途径。本文以白菜为研究对象，同时考虑覆膜和灌溉水温调节两种土壤水热调控方式，探讨滴灌条件下利用灌溉水温调节土壤温度的可行性，对比分析灌溉水温调节与覆膜等两种调控方式在对土壤温度变化以及对作物生长和产量的影响，土壤温度调节措施提供科学依据，对华北地区秋冬季白菜种植和管理具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2015年在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验研究基地的日光温室内进行。该基地位于北京市大兴区魏善庄镇，东经116°26′，北纬39°37′，海拔40.1 m，属半干旱大陆性季风气候。全年大于10 ℃有效积温为4 730 ℃，无霜期平均185 d。日光温室长50 m，宽7.6 m，南北走向。温室内土壤为粉壤土(美国制)，土壤质地随深度没有明显变化(见表1)。

试验供试作物为白菜(Brassica pekinensis)，品种为“北京新三号”，9月12日播种，10月8日定植，株距和行距分别为30和60 cm，12月6日收获，生育期共85 d。在白菜种植前对所有试验小区进行了均匀的大定额灌水，以便使土壤具有较一致的初始水分和养分条件。

表1 供试土壤基本物理特性

1.2 试验设计

试验考虑土壤温度调节方式和施氮量两个因素，土壤温度调节考虑灌溉水加温和覆膜两种方式，设灌溉水加温、覆膜、覆膜条件下灌溉水加温和无调节措施4个水平，分别记为T、M、TM、C。相关的研究结果表明，大白菜生长的适宜温度是22～25 ℃[13]，而且土壤氮素的净矿化和硝化速率在5～25℃范围内随土壤温度的增加而升高[14]，因此灌溉水加温的目标是将土壤温度提高至20 ℃左右。预实验结果表明，灌溉水温在30～35℃时，土壤温度可基本控制在20 ℃左右。因此，试验中灌溉水加温和覆膜条件下灌溉水加温两种调节方式都将灌溉水温设定为30～35 ℃。试验中利用太阳能热水器和电热水器提供热水，灌水过程中将热水和地下水在水箱内混掺，并根据实时监测的水温调整混掺比例，以使灌溉水温保持在设定范围内。施氮量参考北京郊区大白菜生产中常用的施氮量[15,16]设置0、135、270 kg/hm23个水平，记为N0、N1、N2，试验采用全组合试验设计，共12个处理，每个处理设置3个重复，共计36个试验小区。小区规格为3 m×2.4 m，在温室内按区组式随机排列，两个小区留0.3 m的缓冲区，以防止小区间可能的横向水分交换并方便试验观测。

滴灌带选用Netafim公司生产的Supertypoon-16125型內镶片式滴灌带，0.1 MPa压力时标称流量为1.1 L/h，滴头间距30 cm，每条滴灌带控制一行作物。

1.3 灌水与施肥

灌水间隔设为4～6 d，灌水量根据放置在白菜冠层顶部直径20 cm的蒸发皿的蒸发量确定，蒸发皿蒸发量每天早上8∶00测量。灌水量等于灌水间隔内的累积蒸发量与作物皿系数的乘积，根据FAO推荐的白菜作物系数[17]选取苗期作物皿系数为0.7，进入莲座期后作物皿系数取1.5。白菜全生育期内共灌水9次，灌水量为109 mm，生育期内灌水施肥过程如图1所示。10月8日定植后，开始进行灌溉水加温处理。11月21日出现降雪，温室内最低气温降至0 ℃以下(见图2)，出现冻害，停止灌水。

白菜播种前，按总施氮量的10%施入底肥。生育期共施氮肥5次，施肥间隔为10 d左右(见图1)。其中莲座期(10月26日)和结球期(11月16日)各施入总施氮量的30%，其他3次均为总量的10%。氮肥选用尿素，施肥时将尿素溶于肥料桶中，用比例施肥泵(Mix Rite Model 2504，以色列)施入试验小区。

图1 白菜生育期内累积灌水量和累积施肥量

图2 生育期内温室气温变化图

1.4 观测指标

(1)土壤温度。土壤温度用EM50土壤多参数自动监测系统(5TE，美国)和曲管地温计监测，在中间施氮量的4个处理(TN1、MN1、TMN1、CN1)中选择1个重复安装4组EM50探头，在湿润区外不灌水处也安装一组EM50探头，共5组，每组埋设10、20、30 和40 cm 4个深度，埋设位置在小区中部滴头正下方位置，自动测试的间隔设为每30 min一次。在中间施氮量处理的另一个重复中埋设4组曲管地温计，每组埋设5、10、15、20 cm 4个深度，埋设位置与EM50探头位置相同，观测时间是每天8∶00，14∶00，18∶00。

(2)气温。使用HOBO PRO温湿度自动记录仪(U23-001，美国)实时监测温室内的温度，记录间隔设为30 min。有效积温的计算方法如下[18]：

(1)

式中：Tmax和Tmin分别为最高和最低气温；Tbase为最低临界温度，取10 ℃；n为生育期天数。

(3) 作物生长指标和产量。从莲座期开始，每10 d测量一次株高，结球期开始后每10 d测一次球高和球直径，由球高除以球直径得到球形指数，每个小区内固定2株。

莲座期(10月26日)、结球期(11月16日)和收获时(12月5日)分别在每个小区内选择1棵白菜，称鲜重，在温度65 ℃左右烘干至恒重，称量植株干物质质量，并对干物质样品研磨后，用凯氏定氮仪(Kjeltec2300，FOSS，丹麦)测量植株全氮含量，计算植株吸氮量(植株全氮含量乘以地上部分的干物质含量)。

白菜成熟时，每小区在中间位置选定12株白菜称鲜重计算产量。

2 结果与分析

2.1 灌水过程中的土壤温度变化

图3选取中施氮处理N1在苗期、莲座期和结球期等不同生育阶段的3次灌水过程，给出了10 cm深度土壤的温度变化过程。结果显示，灌水开始后灌溉水加温处理(TN1)和覆膜后灌溉水加温处理(TMN1)的土壤温度均出现快速上升，在约1.5 h后达到最大值(每次灌水时间一般是2 h左右)。与无调节措施处理(CN1)相比，TN1处理在苗期、莲座期和结球期的增温幅度最大达到3.9、4.8和7.0 ℃；TMN1处理的增温幅度最大达到3.2、5.4和6.0 ℃。说明随着生育后期气温的降低，灌溉水加温对土壤温度的调节作用更加明显。灌水结束后TN1处理的土壤温度出现明显下降，4～5 h后与无调节措施处理基本一致。TMN1处理在灌水结束后土壤温度下降较慢，尤其是在莲座和结球期，土壤温度始终高于其他处理。覆膜处理(MN1)在灌水过程中的土壤温度变化与CN1处理基本一致，在苗期中午气温较高时，MN1处理由于受气温影响较小，土壤温度甚至低于CN1处理，到夜间气温较低后，覆膜的保温效果逐渐显现，土壤温度开始高于CN1处理。从单次灌水过程来看，单纯的灌溉水加温对土壤温度的调节作用有限，而覆膜的保温作用仅在生育前期气温较高时较为明显，在生育后期气温较低时，灌溉水加温与覆膜相结合才能取得较好的土壤增温效果。

图3 不同生育阶段的灌水过程中10 cm深度土壤的温度变化

2.2 生育期内的土壤温度变化

图4给出了施氮量为N1时不同土壤温度调节处理的土壤温度日均值在生育期内的变化，由于各处理在40 cm深度处的土壤温度差异很小，文中仅给出了10～30 cm的结果。结果显示，MN1处理在10、20和30 cm土壤中的积温比CN1处理分别增加67、116和158 ℃，说明覆膜的增温作用在深层土壤中更为明显。TN1处理在各层土壤中的增温作用较弱，在10、20和30 cm土壤中的积温比CN1处理分别增加22、15和56 ℃。TMN1处理在各层土壤中的温度在整个生育期内始终高于其他处理，在10、20和30 cm土壤中的积温比CN1处理分别增加136、128和120 ℃，增温效果明显。同时也可以看出，将覆膜与灌溉水加温处理相结合对20 cm以上表层土壤的增温效果最为明显。比较不同生育阶段的结果可以看出，与无调节的CN1处理相比，TN1处理、MN1处理和TMN1处理在10～30 cm土层的土壤温度平均值在苗期分别增加了0.1、1.7和1.4 ℃，在莲座期增加0.4、0.6和2.3 ℃，在结球期增加0.6、0.2和3.0 ℃。说明覆膜对土壤温度的调节主要体现在苗期，而增加水温对土壤温度的调节在生育期内呈逐渐增加的趋势，与覆膜结合后增温效果有大幅提高。

图4 不同土壤温度调节处理的土壤温度日均值在生育期内的变化

图5 不同土壤温度调节处理的增温幅度在生育期内的变化

为了比较不同土壤温度调节处理的增温幅度，图5给出了MN1、TN1和TMN1处理与CN1处理的温度差在生育期内的变化。结果显示，TMN1处理的增温幅度在0.5～3.6 ℃范围内，在生育期内呈先增加后减小的趋势，11月中旬以后气温骤降是增温幅度下降的主要原因。MN1处理的增温幅度在生育期内呈明显的递减趋势，进一步说明了覆膜的增温效果主要体现在生育期的前期。TN1处理的增温幅度最小，在-0.8～1.5 ℃范围内，在生育期内的温度增幅呈缓慢增大趋势。

2.3 滴灌水热调控对白菜生长指标的影响

图6和图7分别给出了白菜株高和球形指数在生育期内的变化。结果显示，生育期内各处理株高变化趋势一致，都随时间逐渐增加，并在结球期出现下降趋势。株高随施氮量增加有增加的趋势，但在生育后期和收获时处理间差异逐渐减小。增加灌溉水温对白菜株高没有明显的影响，覆膜和覆膜后灌溉水加温处理对白菜株高有增加的趋势，除莲座期初期达到显著水平(P=0.04和P=0.01)外，其他时期均未达到显著水平。图7的结果显示，各处理球形指数均值稳定在4左右，但随施氮量和土壤温度调节方式均无明显的变化趋势，处理间差异均不显著(P=0.32和P=0.31)。

2.4 氮素吸收和产量

表2给出了各生育阶段的干物质累积量、吸氮量及产量的方差分析结果。结果显示，干物质量和施氮量随施氮量增加有增加的趋势，但差异均不显著(P=0.37和P=0.10)。土壤温度调节方式对生育前期的干物质累积影响显著(P=0.01)，覆膜以及覆膜后灌溉水加温都能使干物质累积量明显增加，例如在结球期，灌溉水加温处理没有带来干物质量的明显增加，而覆膜和覆膜后灌溉水加温处理的干物质质量比无调节处理分别增加18%和19%。施氮量较高时，土壤温度调节措施的影响也更加明显，例如覆膜条件下灌溉水加温处理在高施氮量时干物质量的增幅最大，为21%。吸氮量受施氮量和温度调节方式的影响与干物质量较为一致，方差分析显示除结球期调温方式和莲座期交互作用的影响达显著水平外，其他影响均不显著。

图6 生育期内株高均值的变化

图7 生育期内球形指数均值的变化

表2 干物质质量、吸氮量和产量的方差分析

注：NS表示在α=0.05水平上差异不显著，*和**分别代表α=0.05和α=0.01水平上显著。

从表2中还可以看出，不同的土壤温度调节措施都会带来白菜产量的增加，其中灌溉水加温、覆膜以及覆膜条件下灌溉水加温处理的产量分别比无调节处理增产3.9%、10.6%和11.1%，处理间差异显著(P=0.01)。说明采用灌溉水加温和覆膜处理等措施改变了土壤温度，促进了作物生长发育和养分吸收，带来了产量的增加。覆膜处理的增温和增产效果均大于灌溉水加温处理，覆膜和灌溉水加温处理结合后，对土壤温度和白菜产量的增加效果最大。

3 结 语

通过在日光温室内开展田间试验，研究了在滴灌条件下增加灌溉水温与覆膜对土壤温度的调节作用以及对白菜生长、干物质积累、氮素吸收和产量的影响，主要结论如下。

(1) 灌溉水加温能使灌水过程的土壤温度明显增加，且气温越低，增温效果越明显，在苗期、莲座期和结球期的灌水过程中增温幅度最大达到3.9、4.8和7.0℃，但在灌后土壤温度下降较快，对生育期内积温的提高效果有限。覆膜的保温作用在气温较高的生育前期和深层土壤中更为明显。将覆膜与灌溉水加温处理相结合可以取得很好的增温效果，在10、20和30 cm土壤中整个生育前期内的积温比无调节措施处理分别增加136、128和120 ℃。

(2) 土壤温度调节措施对白菜株高和球形指数均无显著影响。覆膜和覆膜后灌溉水加温都能使生育前期的干物质累积量显著增加，施氮量较高时，土壤温度调节措施的影响也更加明显。不同的土壤温度调节措施都会带来白菜产量的显著增加，灌溉水加温、覆膜以及覆膜条件下灌溉水加温处理的产量分别比无调节处理增产3.9%、10.6%和11.1%。

(3)在秋冬白菜生产中，采用覆膜与灌溉水加温处理相结合的土壤温度的调节方式可以起到有效的增温和增产作用。

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