不同微灌形式对土壤水肥分布和枸杞产量的影响

董世德，秦 垦，万书勤，康跃虎，邹文勇

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049； 3 宁夏农林科学院枸杞工程技术研究所，银川 750002；4.宁夏大地生态有限公司，银川 750002)

0 引 言

微灌技术是世界范围内应用最为广泛的高效灌溉技术之一，是通过安装在土壤表面上方、土壤表面或土壤内部的灌水器，将水和化学物质小流量、长时间、高频率地供应到作物根系分布范围的一种灌溉方式，主要形式包括滴灌、微喷灌、涌泉灌(或小管出流灌)等[1]。滴灌又分为地表滴灌、地下滴灌、架上滴灌等，架上滴灌常出现在国内外果园生产中，是将滴灌带(管)悬挂在距离地面30～50 cm高度，其主要目的是为了方便果园田间除草作业。目前，许多学者做了不同微灌形式对林果生长及耗水等影响的试验研究，结果显示，与传统漫灌相比，地表滴灌和微喷灌能够显著减少香梨、枣树的耗水量，并显著提高其产量和品质[2,3]。蒋岑等人[4]以红枣为研究对象，设置微喷灌、滴灌和涌泉灌开展田间试验，结果表明，微喷灌和滴灌湿润深度在60 cm，而涌泉灌可达80 cm；红枣生长、产量、根系分布等综合分析表明微喷灌优于滴灌，而涌泉灌最差。

鉴于中宁日益紧缺的水资源状况，在新建设的枸杞标准化生产基地，都要求采用高效节水灌溉和水肥一体化技术，而目前针对不同微灌方式对土壤水肥分布、枸杞生长和产量等影响的研究较少。本论文研究地表滴灌、地下滴灌、架上滴灌和涌泉灌等4种不同微灌形式对土壤水肥分布以及枸杞产量等的影响，为枸杞标准化生产基地适宜的微灌形式的选择提供建议和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区地位于中宁县恩和镇红梧山，东经105°46′12″ E，北纬37° 25′30″ N，气候属温带大陆性季风气候，年平均气温9.5 ℃，年均无霜期159～169 d，年均降水量200 mm左右，年蒸发量1 830～1 950 mm。试验区土壤为灰钙土，质地为砂粉土，0～60 cm深度土壤饱和泥浆提取液电导率平均为1.5 dS/m，为非盐渍土。地下水埋深20～40 m，地下水矿化度为3～13 g/L。灌溉水为黄河水，电导率平均为0.6 dS/m。

1.2 试验设计与布置

试验设计4种微灌方式处理，分别为地表滴灌，地下滴灌，架上滴灌和涌泉灌。其中，地表滴灌和架上滴灌采用压力补偿内镶式圆柱滴灌管，滴头间距50 cm，100 kPa压力下灌水器流量为4 L/h；地下滴灌采用以色列蛇口地埋式滴灌管，埋深5 cm，滴头间距30 cm，100 kPa压力下灌水器流量为1.2 L/h；涌泉灌由稳流器、软管及灌水器组成，稳流器在100 kPa压力下灌水器出水量为10 L/h。每个处理重复2次，共8个试验小区，采用随机区组试验设计。每个试验小区首部安装有水表、压力表、压差式施肥罐(带流量计)、阀门。

枸杞为2龄宁杞1号，前2年为大田滴灌统一灌水，长势均一，第3年(2016年)开始分不同微灌形式进行灌溉。每个试验小区2行枸杞，每行50株，株行距1 m×3 m，如图1所示。每个试验小区面积300 m2，8个试验小区，总面积2 400 m2。

在每个处理中随机选择一个试验小区(两个重复中的一个)埋设一支真空负压计，用来监测土壤水基质势并指导灌溉，负压计埋设于灌水器或涌泉灌出水口正下方20 cm处。在第一次灌水(春灌)后，按负压计控制阈值指导灌溉，当4个处理中有任意2支负压计示数低于-20 kPa时即进行灌溉[5]。不进行施肥时，每次额定灌水量30 mm。需要施肥时，每次施肥灌溉额定灌水量为60 mm，考虑到养分的淋失，设计当灌水进行到接近一半时，向施肥罐中加入肥料，进行施肥灌溉；通过调整肥料罐上的流量计，保证施肥罐中肥料全部随灌溉水进入田间后，还能灌溉10 min左右的水，以清洗管道。枸杞生育期内计划施肥3次，分别选在新枝生长期(5月)、花蕾形成高峰期(6月)和开花结果高峰期(7月)，每次施肥量分别为尿素75 kg/hm2，一铵75 kg/hm2，硫酸钾45 kg/hm2。由于黄河水来水晚，春灌时间较晚(5月15号)，5月份没有施肥，实际施肥2次，分别为6月8日和7月10日。

图1 试验布置及取样示意图(单位：cm)

1.3 试验观测与方法

每天8∶00记录负压计土壤水基质势，按土壤水基质势指导灌溉。

施肥灌水前2 d和灌水后2 d分别取土样并立即用烘干法测定土壤质量含水率，剩余土样室内风干后，磨碎过1 mm筛，采用标准饱和泥浆法提取土壤溶液[6]，测定土壤饱和泥浆提取液电导率(ECe)，可在一定程度上反映土壤的养分状况。土样用直径5 cm的土钻钻取，取样布点为：距灌水器水平距离为0、30、60、90、120、150 cm，垂直深度为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm，如图1所示。文中根区定为距灌水器水平60 cm内，垂直深度60 cm内的土体，非根区为根区以外分析的土体，见图1。根区和非根区平均ECe值采用距离加权的方式计算，见公式(1)。土壤剖面平均含水率也按类似计算方式。

(1)

在枸杞生长旺季，采用ACS-430手持式植物冠层光谱仪测定随机一个重复的随机一行枸杞冠层植被覆盖指数(NDVI值)，保持传感器探头在冠层上方30 cm处，匀速前进式测量。

每个处理随机选定6株长势基本一致的枸杞，按照枸杞园统一采收标准进行采收，测定枸杞产量。

2 结果与分析

2.1 微灌方式对土壤水分的影响

2.1.1 水分连续动态变化

不同处理的土壤水基质势随时间的变化规律见图2。从图2可知，不同灌溉方式下土壤水基质势都基本控制在设计的阈值范围内，且变化规律相同，表现为灌溉后，土壤水基质势迅速增大，之后随着枸杞的生长耗水和土面蒸发，土壤水基质势又逐渐降低。总体上与其他两种灌溉方式相比，地表滴灌和涌泉灌条件下土壤水基质势值较高，说明在枸杞整个生育期地表滴灌和涌泉灌方式下枸杞根系主要分布层的土壤水分状况更好。

图2 不同灌溉方式下土壤水基质势变动图

2.1.2 单次灌水水分空间分布

7月10日灌水施肥后，不同处理土壤质量含水率等值线图如图3所示。在相同灌水量条件下，相比其他微灌形式，涌泉灌条件下整个土体土壤水分含量高，且水分分布均匀，其中根区土壤水分含量平均为14.7%，非根区平均为12.4%，这与涌泉灌单个灌水器流量大(10 L/h)有关，大且多的出流量促进了水分的水平运移和垂直入渗。地表滴灌水平湿润区可以达到90 cm处，高含水区基本保持在根区范围，且分布均匀，平均土壤水分含量为14.3%，而非根区平均为9.5%。地下滴灌水分分布状况和地表滴灌基本类似，但是高含水区在20 cm深度以下，其40 cm深度以下水平湿润区可以达到90 cm远。架上滴灌和地表滴灌均采用相同流量的滴灌管，其水分分布状况同地表滴灌也基本类似，但是高含水区基本保持在距离滴头水平距离60 cm范围内，且其40 cm深度以下水平湿润区可以达到90 cm，甚至更远，这可能是因为悬挂条件下水滴出流势能较大，水滴滴落的动能促进了水分垂直入渗。在相同灌水量条件下，涌泉灌整个土体土壤水分状况最好，土壤水分含量平均为13.5%，其次是地表滴灌，平均为11.9%，架上滴灌最差，平均为11.3%。由此可见，相比其他微灌形式，涌泉灌土壤湿润能力更强，湿润范围更广。

图3 灌水施肥后土壤水分分布情况图

2.1.3 灌水前后土壤水分分布

7月10日盛果期施肥灌溉前、后枸杞根区和非根区土壤水分分布情况，如图4所示。图4(a)和图4(b)分别为灌溉施肥前后根区和非根区土壤水分差异状况。7月份为枸杞开花结果高峰期，也是耗水高峰期，因此在7月灌溉前各处理根区水分[图4(a)虚线]维持较低水平，表现为40 cm深以上土层水分消耗严重，土壤含水率仅在4%～8%，表明微灌条件下枸杞根系吸水大部分在40 cm以上土层内，这与微灌条件下多年生植物大部分根系分布在50 cm以内土层有很大关系[7-8]。各处理在10～30 cm深度内土壤水分含量有较大差异，地表滴灌、涌泉灌、地下滴灌和架上滴灌的平均土壤含水率分别为7.51%、5.67%、6.55%和7.09%。灌水后，所有处理根区水分都大幅度增加，基本维持在13%左右，并且水分在垂向上的差异减小。灌水结束后，土壤含水率在10～30 cm深度内亦有较大差异，地表滴灌、涌泉灌、地下滴灌和架上滴灌的平均土壤含水率分别为13.89%、14.49%、12.51%和13.21%。灌水后地表滴灌、涌泉灌、地下滴灌和架上滴灌在10～30 cm土层的平均土壤含水率分别增加了6.38%、8.82%、5.96%和6.12%，其中涌泉灌处理的土壤含水率增加幅度显著其他三种灌溉处理，而其他三种灌溉方式之间没有显著差异。涌泉灌条件下较高的土壤含水率主要与其靶向性和大流量有关，涌泉灌出水口数与枸杞植株数1∶1配置，与滴灌管相比，减少了枸杞植株间的水分分配，大大提高了供水的有效性，在大的流量条件下，其水分运移更迅速。

图4 不同时间段灌水施肥前后土壤水分分布图

各处理非根区在施肥灌水前，表层土壤水分略微高于根区表层土壤，但也基本维持在7%左右。施肥灌水后，各处理土壤水分有不同程度的增加，其中，涌泉灌土壤含水率增加幅度最大，达5.38%，地下滴灌和地表滴灌次之，分别为3.41%和2.29%，架上滴灌增幅最小，仅0.47%。这说明，在一次大的灌水后，经过2 d的水分再分配过程，涌泉灌、地下滴灌和地表滴灌条件下，水分可以较多地运移到距离滴头60 cm以外的土壤，而架上滴灌水分运移相对不明显，这与图3单次灌水后的土壤水分空间分布相吻合。

2.2 微灌方式对土壤ECe的影响

2.2.1 单次灌溉施肥后ECe空间分布

7月灌水施肥后，不同处理土壤ECe空间分布情况如图5所示。微灌条件下，土壤盐分和养分会随湿润锋运动到湿润锋边缘，并在滴头附近形成低盐区。Jiusheng等人在沙土条件下研究水肥一体灌溉对养分分布影响，发现土壤中硝态氮在湿润锋边缘聚集，并且较易淋失[9]。图5可以看出，不同微灌形式下土壤ECe值差异较大，地表滴灌条件下，土壤养分有向地表聚集的趋势，主要分布在距离灌水器90 cm范围内的表层土体内；涌泉灌条件下由于流量较大，土壤养分横向运移明显，主要分布在距离灌水器90 cm外的40 cm深度左右土体内；地下滴灌条件土壤养分有分别向地表聚集和深层运动的趋势，主要分布在距离灌水器30～110 cm远的土体内；架上滴灌条件下，由于水滴带有动能，到达地面破碎后点源变为局部面源，因而水分扩散能力较强，不论水平还是垂向运移均很明显，土壤养分主要分布在距离灌水器60 cm外的整个土体内。总体来看，地表滴灌和地下滴灌对土壤养分淋洗量相对于涌泉灌和架上滴灌要小。

图5 7月灌水施肥后土壤ECe空间分布图

2.2.2 灌溉施肥前后土壤ECe分布

6月和7月份施肥灌溉前、后枸杞根区和非根区土壤ECe分布差异，如图6所示。由图6(a)可知，在施肥灌溉前，地表滴灌、涌泉灌和地下滴灌养分较低，说明枸杞对养分吸收较多，而架上滴灌条件下，有明显的养分积累状况，电导率显著高于本底值1倍，说明枸杞之前施用的肥料利用率有限，从而不利于枸杞的生长，这一点可以由图7长势和图8产量得到验证。施肥灌溉后，地表滴灌、涌泉灌和架上滴灌三个处理根区养分小幅减小，主要是受湿润锋推移的影响，而地下滴灌根区养分却有增加的趋势，由图5可以看出，地下滴灌土壤养分主要分布在距离灌水器30～110 cm远的土体内，因此在灌水后根区养分有增加趋势。非根区养分分布如图6(b)示，地表滴灌和涌泉灌条件下养分较低，而架上滴灌和地下滴灌有养分积累的情况，在6月生长阶段，架上滴灌和地下滴灌灌溉的枸杞养分有盈余，而地表滴灌和涌泉灌条件下枸杞对养分利用充分，这说明地表滴灌和涌泉灌2种灌溉方式下的枸杞长势较好，这一点亦可以由图7长势和图8产量得到验证。

图6 不同时间段根区和非根区灌水施肥前后ECe变化情况图

7月份是枸杞生长发育的旺盛期，土壤水分蒸发和植物蒸腾都达到峰值，养分利用也达到峰值，由图6(c)可知，施肥灌水前，根区养分较6月份有小幅增加，这可能与枸杞园蒸散发有关，强烈的水分蒸散发促进了养分离子的表聚。施肥灌溉后，受湿润锋推移的影响，各处理根区养分均有所降低。地表滴灌、涌泉灌和地下滴灌3种灌溉条件下养分在非根区积累不明显，说明7月这一阶段枸杞对养分利用效率提高，而架上滴灌条件下依然出现了养分累积。

结合单次灌水水分分布、土壤水分变化规律及土壤养分分布可以看出，不同微灌方式影响到单次灌水条件下水分在根区和非根区的空间分布，进而影响到土壤水分随时间变化的规律。而养分作为一种溶质，受水分运动影响显著，不论是哪种微灌方式，在根区附近都有一个养分的淋洗区，而养分的淋洗量和淋洗强度又受灌水器流量、次灌水量等的影响。因此，不同灌水方式主要是通过植物根区及非根区水肥耦合关系对植物生长造成影响的。

2.3 微灌方式对枸杞生长和产量的影响

2.3.1 枸杞冠层NDVI分析

植被指数是研究作物生长信息众多关注的指标之一。而归一化差值植被指数(NDVI)是研究较多的植被指数之一[10]。该指数对植被生长状况、生产率及其他生物物理、生物化学特征敏感，在土地利用覆盖监测、植被覆盖密度评价、作物识别和作物产量预报等方面应用广泛[11]。一般绿色植被的NDVI值为0.2～0.8，而且数值越大说明生长状况越良好。

对4种灌溉方式下的枸杞测定冠层NDVI值，并绘制频率分布图，如图7所示。NDVI值小于0.2时，地表滴灌和涌泉灌条件下频率小于30%，而地下滴灌和架上滴灌条件下大于50%，说明前两种灌溉条件下枸杞生长更旺盛茂密，而后两种灌溉条件下更稀疏；NDVI在0.2 ～ 0.4范围内，4种灌溉方式没有显著差异；而NDVI在0.4～0.6范围内，地表滴灌和涌泉灌频率维持在30%以上且显著高于架上滴灌和地下滴灌(20%以内)；当NDVI大于0.6时，地表滴灌和涌泉灌频率依然有10%左右的分布而架上滴灌和地下滴灌不足3%。通过冠层NDVI分析可知，地表滴灌和涌泉灌方式下的枸杞生长状况显著好于地下滴灌和架上滴灌，这也解释了地表滴灌和涌泉灌条件下根区和非根区养分含量较低的现象。

图7 不同灌溉方式下枸杞冠层NDVI频率分布图

2.3.2 枸杞产量分析

8、9月份对试验区分别进行了枸杞夏果和秋果测产，不同灌溉条件下枸杞鲜果产量见图8。枸杞夏果产量远高于秋果产量，大约为秋果产量的三倍。地表滴灌方式下夏果产量最高，达到5 000 kg/hm2，其次为涌泉灌和地下滴灌，产量各为4400和4 000 kg/hm2，架上滴灌方式下的枸杞夏果产量最低，仅为2 400 kg/hm2，不到滴灌产量的50%。从秋果产量来看，地表滴灌和架上滴灌产量较高，达到1 600 kg/hm2以上，而涌泉灌和地下滴灌处理产量较低，为1 350 kg/hm2左右，架上滴灌相对产量有所增加，但是实际产量增加有限。由总产量可以看出，地表滴灌、涌泉灌和地下滴灌方式下的产量均显著高于架上滴灌，产量为地表滴灌>涌泉灌>地下滴灌>架上滴灌。产量和枸杞长势相吻合，地表滴灌和涌泉灌方式下不论长势还是产量都较高，而地下滴灌方式下NDVI值偏低但产量仍可维持较高水平，架上滴灌方式下，不论枸杞冠层NDVI值还是产量都是最差的。综合分析水分、养分关系可知，水分状况相对一般、养分相对冗余的地下滴灌和架上滴灌方式下，枸杞生长相对较差。

图8 不同灌溉方式下枸杞鲜果产量图

3 结 语

(1)与地表滴灌、地下滴灌和架上滴灌相比，在灌水量相同的条件下，涌泉灌灌溉后土壤水分横向扩散能力更强，根区和非根区土壤水分增加幅度更大，整个土体平均土壤质量含水率最高，达14.49%，且水分分布均匀；而其他三种微灌方式，灌溉后土壤水分增加幅度、土壤剖面水分分布及平均含水率量均没有显著差异。

(2)不论是哪种微灌方式，在根区附近都有一个养分的淋洗区。总体上地表滴灌和地下滴灌方式下，土壤养分淋失量相对较小。微灌施肥灌溉，尤其是涌泉灌和架上滴灌水肥一体化灌溉时，要制定少量多次的施肥灌溉计划，最好是每次灌溉进行施肥，以减少养分淋洗。

(3)地表滴灌和涌泉灌在枸杞长势和产量上都好于地下滴灌和架上滴灌，这是水肥耦合作用的结果。但由于涌泉灌更易造成养分淋洗的问题，使得此灌溉方式下枸杞产量小于地表滴灌，因此推荐地表滴灌为宁夏中宁地区枸杞首选灌溉方式。

本研究结果仅基于一年的试验数据，还需要长期试验来进一步验证。另外评价架上滴灌方便田间作业而减少的劳动力成本，也是下一步需要研究的内容。

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