膜下滴灌微咸水矿化度对西葫芦生长影响研究

孔晓燕，郭向红，毕远杰，吕棚棚，雷明杰，王晓磊，张少文

(1.太原理工大学水利科学与工程学院,太原 030024； 2.山西省水利水电科学研究院,太原 030002)

目前，随着农业灌溉用水的不断增加，水资源短缺成为制约我国经济和社会可持续发展的瓶颈。我国一般将矿化度在2～5 g/L范围内的水资源认为是微咸水[1]。在我国的很多地区，特别是华北及滨海地区，分布着大量的咸水和微咸水资源，这部分水资源尚未得到很好的开发和利用，因此，考虑将微咸水、咸水资源用于农业灌溉是增加灌溉水源、解决当前我国水资源供需矛盾的重要途径之一。

膜下滴灌是最适合用于微咸水开发利用的灌溉技术，其灌水频率高、灌水流量小[2]，不仅可以大大减少棵间蒸发，抑制盐分上移，提高土壤的温度，而且在高频少量的淋洗作用下，可以为作物主根区提供一个良好的水盐环境，促进作物良好地生长[3]。膜下滴灌是以点水源扩散的形式由地面向作物根系分布范围的土壤中频繁供水，一方面，不断滴入土体的水分对土壤中的盐分有淋洗作用，可将土体中过多的盐分带出主根区范围，使滴头附近根系分布范围土壤中的盐分浓度接近灌溉水，形成盐分浓度很低的淡化脱盐区[4-6]；另一方面，滴灌可以使作物根区土壤经常保持较优的水分条件，土壤基质势很高，弥补了盐渍土中因盐分存在而降低的土壤溶质势，使得土壤总水势维持在较高的水平，有利于作物根系对水分的吸收，但是，使用微咸水灌溉，也可能增加土壤的盐分，使耕层的土壤含盐量超过作物的耐盐度，进而影响作物的生长。毕远杰[7]、王全九[8,9]、康越虎[10]等认为用微咸水滴灌作物，土壤含盐量会有所升高，但用低浓度的微咸水灌溉不但不会对作物的生长产生抑制作用，反而会有一定的促进作用。因此，必须合理利用微咸水资源才能达到节水增产的目的。

西葫芦是葫芦科南瓜属的一个种，由于其具有生长期短、营养价值高、较耐贮存、产量高等优点，因此深受人们的喜爱，现已成为西北地区日光温室冬春茬和秋冬茬的主栽品种之一[11,12]。有研究表明微咸水种植辣椒[1]、黄瓜[13,14]等蔬菜，辅以合理的土壤水盐调控措施，不仅对其产量无显著影响，而且品质、口感等有所提高，因此本文通过开展日光温室膜下滴灌试验，研究了不同矿化度微咸水对土壤水盐的分布及西葫芦生长的影响，以期更好地推广应用膜下滴灌技术，合理利用微咸水资源，为日光温室蔬菜合理利用微咸水提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在山西省水利水电科学研究院节水高效示范基地内进行，基地位于太原市小店区东南部薛店村。小店区地处晋中盆地北端，地理坐标为东经112°24′～112°43′，北纬37°36′～37°49′，属暖温带大陆性气候，年平均气温9.6 ℃，无霜期170 d，年平均日照时数2 675.8 h，年降水量495 mm左右。

1.2 试验设计

1.2.1 试验土壤与水质

试验区土壤质地为黏壤土,土壤基本参数见表1。土壤平均密度为1.39 g/cm3，田间持水率为35%。

灌溉水为基地浅层地下水(矿化度为5.1 g/L)与深层地下水(矿化度为1.7 g/L)及两者按一定比例混合而成的水(矿化度为3.5 g/L)。

1.2.2 试验方案

供试西葫芦品种为夏比特，播种量严格控制到每穴2粒种子，播种深度2～3 cm。播种时间为2016年4月2日，定苗时间为2016年4月13日，收获时间为2016年6月2日，生育期为62 d。播前将试验田进行20～30 cm翻耕并施肥，施肥量135 kg/hm2。本试验在西葫芦种植方式、种植密度、田间管理等均相同的情况下，试验控制因素为灌溉水矿化度，设置了3个水平，分别为1.7、3.5和5.1 g/L。每个处理设置3次重复。在西葫芦整个生育期，灌水量通过灌水上下限控制。灌水上限为田间持水率的90%，灌水下限为田间持水率的70%,西葫芦整个生育期共灌水3次，计划湿润层深度为40 cm(见表2)。每个处理各由一套首部系统控制，系统包括水源、水泵、压力表、筛网式过滤器、闸阀、支管。

表1 土壤基本参数Tab.1 Properties of soil

表2 试验方案Tab.2 Test design

1.2.3 试验布置

试验布置图如图1所示，垄长6 m，每小区2垄，小区面积为18.0 m2(1.5 m×6 m×2)，每垄上布置两条滴灌带，控制方式为“一膜两管两行”，滴灌带采用内镶式滴头，滴头间距0.3 m，滴头流量3 L/h。每个小区的西葫芦种植3行，第4行作为隔离带。每行种植10株西葫芦，西葫芦株距0.6 m，行距0.6 m。

图1 试验布置图(单位：cm)Fig.1 Experiment arrangement

1.3 试验观测

(1)出苗率：播种后第3 d开始记录出苗情况，每天记录一次，至第11 d止。记录每个小区的出苗数，以第8 d的出苗数作为最终出苗数。出苗的株数与播种时的种子数之比为西葫芦的出苗率。

(2)含水率与电导率：采用Diviner 2000检测0～50 cm的土壤水分动态，每10 cm为一层，每2 d测定一次，同时用土钻取土样用烘干法进行校验，每次灌水前后24 h取土测含水率，垂直滴管带距滴头的水平距离分别为0、10、20 cm，深度分别为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm。将试验土样在实验室自然风干，粉碎过1 mm筛，取土水比1∶5的土壤溶液浸提液，用DDS-308电导率仪进行测定分析。

(3)生长指标：每隔5 d随机选取3株用直尺测定其各叶片纵、横径，用校正系数法计算出总叶面积(K=0.785)，取其平均值。进入结果期，开始对西葫芦进行采摘，头瓜重400～500 g开始采收，之后2～3 d采摘一次，用电子秤称其称重，计算其产量。

1.4 数据分析

用excel对数据进行处理分析，用Surfer12.0绘制等值线图，用1stopt进行曲线拟合。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉水矿化度对土壤水分运移的影响

灌溉水矿化度的高低直接影响着土壤水分和盐分的分布状况。一般认为滴灌条件下土壤水盐迁移过程所形成的湿润体，是以点源为中心的一个半椭球体或半球体。土壤水分的差异是由于土壤入渗和地表水分蒸散、植物蒸腾作用而导致的差异[15]。

下面以第一次灌水为例，分析灌水前后土壤含水率的变化情况。图2为不同矿化度灌溉水滴灌后土壤水分变化情况(左图为灌前，右图为灌后)，分析图2可知，灌溉后，土壤含水率均大于灌前含水率，且距滴头越远，土壤含水率越小。受不同灌溉水矿化度影响的土壤水分分布区域不同，在二维空间内大致呈半椭圆状，矿化度越低，区域越宽浅，矿化度越高，区域越窄深。用矿化度为1.7 g/L的水滴灌后形成的土壤水分分布区域大致呈一个半径为20 cm的半圆形状，用矿化度为3.5 g/L的水滴灌后形成的土壤水分分布区域大致呈一个短轴为20 cm、长轴为30 cm的半椭圆形状，而用矿化度为5.1 g/L的水滴灌后形成的土壤水分分布区域大致呈一个短轴为15 cm、长轴为40 cm的半椭圆形状。

出现这种现象的原因是：滴灌后，滴头附近形成饱和区，重力作用大于毛细管作用，水分由滴头处向四周扩散，随着距滴头距离的增加，土壤含水率逐渐降低，土壤基质势也随之降低，土壤水吸力增加，水分运动变慢，因此含水率在滴头处最高，距滴头越远，土壤含水率越小[16,17]。用矿化度为5.1 g/L的微咸水滴灌后，土壤水的重力势和基质势均较高，土壤水吸力较小，水中的盐分离子与土壤胶体及土壤中原有的离子发生交换作用，使钙镁离子置换了原本吸附在土壤胶体上的钠离子，从而改变了土壤原有的团粒结构，使得土壤中大孔隙数量增加，而在水平方向上，没有重力梯度，水分只受到基质势的作用，因此5.1 g/L处理的土壤水分在垂向方向运移速率快，在水平方向运移速率慢[18]，所以其形成的土壤水分区域较窄深；而1.7 g/L处理则相反，其形成的土壤水分区域较宽浅。

图2 不同矿化度灌溉水滴灌后土壤水分变化情况Fig.2 Changes of soil moisturebydrip irrigation with different mineralization degree water

2.2 不同灌溉水矿化度对土壤盐分运移的影响

土壤含盐量低于初始水平的土体范围一般称为脱盐区，土壤含盐量高于初始水平的土体范围一般称为积盐区[19]，下面以第一次灌水为例，分析灌水前后土壤电导率变化情况。图3为不同矿化度灌溉水滴灌前后土壤电导率变化情况，由图3可知：不同矿化度微咸水滴灌入渗后，土壤盐分由上层逐渐被淋洗至下层，滴头正下方淋洗效果最好，距离滴头越远，淋洗效果越差，土体上层形成脱盐区，脱盐区主要集中在0～20 cm土层，土体下层形成积盐区，1.7 g/L处理的积盐区主要集中在20～30 cm土层，3.5 g/L处理和5.1 g/L的积盐区主要集中在30～40 cm土层。

上述现象的出现与不同矿化度水在土壤中的运移速率及灌溉水本身携带的盐分有关。1.7 g/L水本身含盐量小，故其在滴头处的淋洗效果最好，此外，1.7 g/L水在垂向方向运移速率最慢，在水平方向运移速率最快，因此盐分在垂向方向被带到较浅的土层，而在水平方向上，盐分在较远的地方聚集；相反，5.1 g/L水本身含盐量大，尽管其在垂向方向的运移速率最快，盐分在更深的土层聚集，但其在滴头正下方的淋洗效果仍为最差，水平方向上，5.1 g/L水的运移速率最慢，盐分在离滴头较近的位置聚集。这与Souza C F、苏莹[20]等的盐分运移研究结果类似，土壤中盐分随水分的迁移而迁移，且上层土壤盐分将向下层迁移，并在湿润锋附近累积，这样土壤将出现上层脱盐，下层积盐的现象。

图3 不同矿化度灌溉水灌前、后土壤盐分变化情况Fig.3 Changes of soil salinity on different mineralization degree water

土壤积盐量是指生育期结束后土壤含盐量与土壤初始含盐量的差值。定义土壤积盐率为土壤积盐量与土壤初始含盐量的比值。图4表示生育期结束后各处理不同土层土壤盐分情况，从图4可以看出：生育期结束后，各处理0～20 cm土层土壤电导率均低于土壤初始电导率，0～10 cm土层的脱盐率分别为21%、15%、9%，10～20 cm土层的脱盐率分别为8%、5%、3%，20～30 cm土层土壤开始出现积盐现象，各处理的积盐率分别为30%、27%、34%；对于30～40 cm 土层，1.7 g/L处理只有5%的积盐率，而3.5和5.1 g/L处理出现明显的积盐现象，积盐率分别达到了38%和47%，说明随着矿化度的增大，其积盐程度也逐渐增大，这主要是由于微咸水矿化度越高，其在垂直方向的入渗深度越大，带入土壤中的盐分也越多，盐分在湿润锋处聚集，从而提高了该土层土壤的电导率。

图4 生育期结束后各土层土壤盐分情况Fig.4 Condition of soil salinity after growth period

上述研究结果表明，不同矿化度水质灌溉后土壤积盐区不同，1.7 g/L处理积盐区主要集中在 20～30 cm土层，3.5和5.1 g/L处理的积盐区主要集中在30～40 cm土层，因此在淡水资源紧缺的地区，结合作物根系分布，考虑到微咸水对土壤水盐的调控作用，适时适量的采用微咸水对作物进行补充灌溉，可以有效提高土壤含水量以满足作物对水分的需求，同时将土壤盐分压至作物主根层以下，尽量减少土壤中盐分的对作物的不良影响，以保证正常生长及产量。

2.3 不同灌溉水矿化度对西葫芦生长及产量的影响

2.3.1 出苗率

不同矿化度灌溉水处理下西葫芦出苗率随时间的动态变化过程见图5。从图5可以看出，不同矿化度灌溉水处理下西葫芦出苗率随时间均呈现先急剧上升，然后趋于稳定的趋势。灌溉水矿化度为1.7和3.5 g/L时西葫芦出苗率均能达到100%，灌溉水矿化度为5.1 g/L的处理西葫芦未能出全苗，但出苗率与其他两个处理相比较，只降低7%。随着灌溉水矿化度的增大，西葫芦出苗时间逐渐延长，出苗率逐渐降低。播种后第3 d，处理一和处理二已有部分出苗，处理三的出苗时间推迟一天。播种后第6 d，处理一的出苗率已经达到了80%左右，与处理一相比，处理二的出苗率降低了10%，处理三的出苗率降低了21%，其原因是灌溉水矿化度越高，带入土壤中的盐分也越多，提高了土壤溶液浓度，外界溶液渗透压增高，导致种子吸水困难，进而影响种子吸水膨胀，减缓种子萌发，且灌溉水矿化度愈高，这种渗透胁迫愈严重，这与谢德意等[21]的结论相一致。在播种后第9 d，处理三出现部分幼苗萎蔫的现象，这是由于高矿化度灌溉水带入土壤中较多的盐分而产生的渗透胁迫和离子毒害作用导致了部分弱苗出现萎蔫，未能存活。因此，在淡水资源严重紧缺的地区，用矿化度为5.1 g/L的微咸水灌溉西葫芦时，加大播种量有利于提高西葫芦的出苗率。

图5 灌溉水矿化度对西葫芦出苗率的影响Fig.5The effect of Mineralization degree of irrigation water on rate of emergence of marrow

为了更直观地描述不同灌溉水矿化度处理下出苗率随时间的变化过程，用Logistic函数对其进行拟合，拟合方程如下：

(1)

式中：y为出苗率，%；t为播种后天数，d；A为出苗率的理论最大值；B、k均为生长系数。

拟合结果如表3所示。从表3可以看出，不同矿化度处理下，R2值均在0.99以上，相关性很好，且拟合式中的A值与实测值非常接近，随着灌溉水矿化度的增大，生长系数k逐渐减小，说明Logistic生长模型能较好地表达出苗率随时间的变化过程。

表3 不同灌溉水矿化度处理下出苗率与播种后天数的拟合结果Tab.3 Fitting results of emergencerate and days after sowing underdifferent mineralization degree of irrigation water

2.3.2 叶面积

叶片是作物进行光合作用与外界进行水气交换的主要器官，叶片的大小、数量和空间分布是影响干物质积累重要因素，叶片面积的大小常用叶面积指数LAI表示。叶面积指数是反映作物群体大小的较好地动态指标。图6给出了各处理叶面积指数随时间的动态变化过程，从图6可以看出：各处理西葫芦叶面积指数随时间呈现先增大后减小的趋势，5.1 g/L处理叶面积指数最大值比1.7和3.5 g/L推迟了5 d，当西葫芦进入生殖生长阶段，当叶面积指数增加到一定的程度后，田间郁闭，光照不足，叶片开始逐渐掉落，叶片生长速率变为负值；在生育后期，处理的叶面积指数最大，为3.03 m2/m2，5.1 g/L处理仍保持较大的叶面积指数，为3 m2/m2，1.7 g/L处理的叶面积指数最小，这是因为在高浓度盐分胁迫条件下，溶质胁迫和特殊离子毒害作用影响光合作用等新陈代谢过程，推迟了植株的生长，在1.7和3.5 g/L处理已经进入生殖生长，而5.1 g/L处理的营养生长仍在继续。

图6 灌溉水矿化度对西葫芦叶面积的影响Fig.6 The effect of Mineralization degree of irrigation water on leaf area of marrow

为了更直观地描述不同灌溉水矿化度处理下叶面积指数随时间的变化过程，用Logistic函数对其进行拟合，拟合方程如下：

(2)

式中：y为叶面积指数，m2/m2；t为播种后天数，d；A为叶面积指数的理论最大值，B、k均为生长系数。

拟合结果如表4所示。从表4可以看出，不同矿化度处理下，R2值均在0.90以上，相关性很好，且拟合式中的A值与实测值非常接近，随着灌溉水矿化度的增大，生长系数k逐渐减小，说明Logistic生长模型能较好地表达叶面积指数随时间的变化过程。

表4 不同灌溉水矿化度处理下叶面积指数与播种后天数的拟合结果Tab.4 Fitting results of leaf area index and days after sowingunder different mineralization degree of irrigation water

2.3.3 产 量

图7为不同矿化度微咸水处理对西葫芦产量(每个小区的产量)的影响，由图7可以看出，西葫芦产量随着灌溉水矿化度的增大而减少，用矿化度为3.5和5.1 g/L的微咸水灌溉比1.7 g/L的分别减产12.7%和30.4%，即灌溉水矿化度大于3 g/L时，灌溉水矿化度越大，其减产程度越大。这是因为用微咸水灌溉使土壤盐分增加，增大了土壤的渗透势，根系吸水困难，相应地抑制了西葫芦地上部分的生长，进而影响西葫芦产量。

图7 灌溉水矿化度对西葫芦产量的影响Fig.7 The effect of mineralization degree of irrigation water on grain yield of marrow

3 结 语

通过对西葫芦微咸水膜下滴灌温室种植试验结果分析，得出以下结论。

(1)受不同灌溉水矿化度影响的土壤水分分布区域不同。在二维空间内虽大致呈半椭圆状，但矿化度越高，区域越窄深，矿化度越低，区域越宽浅。

(2)用不同矿化度的微咸水滴灌，对土壤盐分均有淋洗作用，淋洗作用主要发生在表层0～20 cm的垂直方向，1.7 g/L处理的积盐区主要集中在20～30 cm土层，3.5 g/L处理和5.1 g/L的积盐区主要集中在30～40 cm土层。西葫芦整个生育期结束后，各处理0～20 cm土层土壤电导率均低于土壤初始电导率，20～40 cm土层，土壤均处于积盐状态，且随着矿化度的增大，其积盐程度也逐渐增大。

(3)不同矿化度的微咸水滴灌对西葫芦的出苗率及出苗时间有着不同程度的抑制作用，随着灌溉水矿化度的增大，出苗率降低，出苗时间延长。

(4)随着灌溉水矿化度的增大，西葫芦的叶面积指数和产量均受到一定程度的抑制作用。

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