不同灌水方式对沙地枸杞土壤水分及产量的影响

刘晓丽，马理辉 ，岩晓莹，杨荣慧 ，訾 浩

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.神木县绿箐农庄科技有限公司，陕西 神木 719300；3.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 4.西北农林科技大学 资源与环境学院，陕西 杨凌 712100；5.陕西神木德塬农业综合开发有限公司，陕西 神木 719300）

0 引 言

相比沟灌和畦灌等灌溉方式，滴灌灌水利用率能提高 20%～40%[1]。地表滴灌将水滴到土壤表面并入渗到土壤中，由于湿土表面的蒸发损失比干土高10%～35%，因此，相比地表滴灌，地下滴灌将毛管埋入土中，避免了表层土壤湿润，减少了土面蒸发，可进一步提高灌水利用率[2]。但是，地下滴灌的出水口埋在土壤中，当停止灌溉时，管道内产生负压，出水口容易吸入土、产生堵塞，而且不易检修[3]。吴普特等[4]提出涌泉根灌技术，通过微管将水直接灌到植物根部，既减少地面蒸发、又避免了负压吸土产生的堵塞。然而，果树根系范围大，每棵树如果只设置1～2处滴灌出水口，长时间灌溉可造成根系向水性生长[5-6]，不利于果树均衡发育。因此，在涌泉根灌的基础上提出根际环形多点源滴灌技术，将滴灌管围绕树干1圈、埋入土中，该布置方式既能减少地面蒸发损失、将水灌到植物根部，又能多处供水满足果树生长需要。

土壤表层湿润时间越长、土壤蒸发量越大[7]。果树的主要根系层位于0～40 cm土层。将灌溉水直接输送到地表以下的根系层，既能减少蒸发损失、又能避免深层渗漏，是提高灌溉水利用率的关键。本文旨在定量比较地表滴灌、涌泉根灌、根际多点源滴灌这3种灌水方式土壤湿润体垂直分布范围的差异，以及相同灌水量对枸杞产量的影响，从而为推广应用根际环形多点源滴灌技术提供一定的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2017年在陕西省神木市锦界镇枸杞示范园开展小区试验。枸杞对环境适应性较强，耗水量大，对温度、光照、土壤要求不严格，可在沙地上种植。试验地属温带大陆性季风半旱草原气候，春季干旱秋季涝，风沙霜冻加冰雹，无霜期短，温差大，日照充足，降雨少。寒季略长于热季，富日照，少降水，多风沙。当地年平均降雨量390 mm左右，多集中在7—9月，年平均气温8.6 ℃，年极端最高气温38.4 ℃，极端最低气温-29 ℃。无霜期146 d左右，平均日照时间2 815 h。试验地土壤类型为壤质砂土，土壤保水保肥性能差。试验前枸杞园0～30 cm耕层土壤的基本性状为：有机质量为5.42 g/kg，有效氮量为14.58 mg/kg，有效磷量为12.41 mg/kg，速效钾量为87 mg/kg，pH值为8.0。试验材料为3 a生枸杞（品种为“宁杞一号”），栽植株行距1 m×2 m，栽植密度为5 000株/hm2。试验地土壤体积质量随土层深度呈上升趋势，0～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm 土层的土壤体积质量分别为1.40、1.56、1.55、1.58、1.60 g/cm3。

1.2 试验设计

以不灌溉为对照（CK），设置3种灌溉方式：地表滴灌、涌泉根灌、根际环形多点源滴灌（以下简称根际滴灌）。地表滴灌将内镶式滴灌管（滴头间距0.5 m、滴头流量3 L/h）放置在地表，水滴在土壤表面、入渗到土壤中，每株2个滴头，如图1（a）所示。涌泉根灌是用φ4PE，管一头连接稳流器（每棵树1个稳流器，流量6 L/h），另一头插入一个预先打好的孔中（孔深30 cm、直径5 cm），将水滴入孔中，如图1（b）所示。根际滴灌是围绕树干挖沟，沟深30 cm，将内镶式滴灌管（滴头间距0.5 m、滴头流量3 L/h）绕圈放入沟中、用土填埋，每株4个滴头，如图1（c）所示。在同一枸杞园进行灌水小区试验，小区长8 m（包括4行枸杞）、宽6 m（每行6株枸杞），每个小区面积为 48 m2，每种灌溉方式 3个重复，共计 12个小区。

图1 灌溉方式示意图Fig.1 Schematic diagram of irrigation method

从4月开始到8月底，共灌溉8次（灌水时间分别为4月18日、5月1日、5月25日、6月10日、6月25日、7月10日、7月30日、8月15日），灌水总量720 m3/hm2，每次单株枸杞的灌水量为0.018 m3，地表滴灌和涌泉根灌的单次灌水时长为3 h，根际滴灌的单次灌水时长为1.5 h。

1.3 观测指标与数据分析

观测指标包括：土壤质量含水率、土壤湿润体垂直分布范围、鲜果产量。灌溉结束2 h后，在灌水小区沿滴灌管方向、离滴头25 cm处用土钻分层取土，每10 cm一个土层，测定深度100 cm，采用烘干法测定不同土层质量含水率。在同一灌水小区，离滴头25 cm远的其他位置，地表滴灌处理沿滴灌管的方向，以相邻2个滴头为界，在水平方向上，每隔10 cm为1个取样点，垂直向下0～80 cm，每10 cm取1个样。根际滴灌处理以1个滴头为起始，沿2个滴头连线的方向，在水平方向上，每隔10 cm向下取土样，取50 cm水平距离，10 cm为1个土层深度，直到80 cm深度。涌泉根灌处理以土孔圆心为中心、沿毛管布置方向，水平方向上每隔10 cm向下取土样，10 cm为1个土层深度，直到80 cm深度。烘干法获得土壤水分数据，在Surfer 16.0软件中绘制土壤水分等值线图，并用灰度填充，以此表达土壤湿润体的分布状况。

每个灌水小区固定3株枸杞树，成熟时的果实全部采摘，用称质量法分别测定单株树的鲜果质量，将每次的鲜果质量累加得到单株树的鲜果总质量。数据采用DPS9.3软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式土壤湿润体垂直分布范围

图2为不同灌溉方式土壤湿润体分布情况。从图2可以看出，地表滴灌的湿润范围集中在0～29 cm土层，涌泉根灌的湿润范围集中在26～62 cm土层，根际滴灌的湿润范围集中在21～48 cm土层。由土壤水分蒸发过程的研究可知[8]，当环境条件一致时，地表0～20 cm土层越湿润，其蒸发速率越大，蒸发损失越高。地表滴灌有69%的土壤湿润体位于地表0～20 cm，由于每株树有2个滴头，土壤湿润体形成以滴头为中心的2个湿润体。由于涌泉根灌的孔深30 cm、根际滴灌埋深30 cm，涌泉根灌和根际环形多点源滴灌下土壤湿润体垂直分布均位于20 cm以下，也就减少了土壤水分高强度的蒸发。涌泉根灌由于只有1个出水口，土壤湿润体形成1个椭球体，而根际环形多点源滴灌下土壤湿润体分别以滴头为中心，形成较明显的2个椭球体。土壤湿润体的大小与形状对作物生长起关键性作用[9]。李润淮等[10]的研究表明，枸杞根系密集区的垂直分布在地表下20～40 cm的土层。以50 cm为灌水入渗的最大深度，涌泉根灌 27.8%的水分入渗超出了根系主要分布层，而根际滴灌100%水分位于根系主要分布层。考虑土壤水分高强度蒸发层、根系主要分布层2方面的限制，根际滴灌一方面减少了高强度的蒸发损失，另一方面降低了深层渗漏，是干旱半干旱区深根性经济林提高水分利用效率的有效技术措施。

图2 土壤湿润体分布图Fig.2 Distribution of soil wetted volume

2.2 不同灌溉方式对土壤水分的影响

灌水2 h后的土壤水分状况如图3所示。

图3 灌水2 h后的土壤水分状况Fig.3 Soil moisture after 2 h irrigation

由图3可知，不灌溉沙地地表受蒸发影响，土壤含水率非常低，20 cm以下的土壤含水率略高于地面。地表滴灌3 h后，水分能够入渗到30 cm深度的土层中，10～20 cm土层的含水率最高，达到9.5%。涌泉根灌和根际环形多点源滴灌方式下地表土壤的含水率没有增加，涌泉根灌的湿润中心位于26～62 cm之间，土壤水分最高值 9.3%，而根际环形多点源滴灌其土壤水分最高值为9.8%，其原因涌泉根灌历时3 h，而根际多点源环形滴灌历时 1.5 h，灌水时间越长，水分入渗得就越深、水分扩散分布得更均匀。从不同灌溉方式下土壤分层含水率分析认为，地表滴灌水分入渗到枸杞主要根系层是有限的，而涌泉根灌和根际滴灌水分能够完全到达主要根系分布层。

2.3 不同灌溉方式下产量和水分利用率WUE

虽然枸杞抗旱性强，但是枸杞产量与充足的水分和养分成正比[11]。采用地表滴灌和涌泉根灌、根际滴灌等灌水方式对3 a生沙地枸杞进行灌水试验，初步结果表明灌溉处理比不灌溉获得了增产，如表1所示。增产幅度最大的是根际滴灌技术。地表滴灌和涌泉根灌、根际滴灌产量比不灌溉枸杞分别增产2 075、3 145、4 150 kg/hm2，水分利用率分别提高了22.4%、41.9%、60.2%。

2.4 不同灌溉方式的经济效益

根据不同灌溉方式所耗费的材料量计算，地表滴灌、涌泉根灌、根际滴灌的基础设施一次性投入分别为15 000、15 000、19 500 元/hm2。虽然基础设施投入大致相同，但因田间输水管和滴头使用折旧年限不同，不同灌溉方式的年折算成本有一定差异。地表滴灌毛管放置在地面，易老化，使用期为7 a，涌泉根灌稳流器橡胶膜质量不稳定，使用期为5 a。根际滴灌输水管埋入土中，抗老化，使用折旧期为10 a。比较不同灌溉方式一次性投入后的年折算成本以及其他生产成本，详细列入表2。从表2可以看出，果实采摘费用最高，由于根际滴灌的产量最高，所以其采摘费用最高、总计成本最高。而涌泉根灌的灌溉设施年折旧费最高，但总成本排在根际滴灌之后。结合不同灌水方式的投入成本与产出效益，从表3可以看出，净收入高低排序为根际滴灌＞涌泉根灌＞地表滴灌，分别比对照提高了193.1%、126.3%和81.2%，单位水产值达到了15.0、13.3和11.5元/m3。

表1 不同灌溉技术增产效益比较Table 1 Comparison of yield on different irrigation method

表2 不同灌水方式生产成本 元/hm2Table 2 Comparison of cost on different irrigation method yuan/hm2

表3 不同灌水方式投入产出经济效益 元/hm2Table 3 Economic benefit of different irrigation method yuan/hm2

3 讨 论

干旱半干旱地区水资源短缺，水分是制约该区农林业生产的关键因子。干旱半干旱地区水分利用效率可提高的潜力很大，与不灌溉相比，少量灌溉水只要运用恰当，可以产生明显的效果[12]。陕北长城沿线风沙土土质疏松，黏粒量较低、持水性差，不利于雨水、灌溉水的留存[13]。因此，如何提高有限水量的灌溉水利用率，是该区农林业生产过程中用水管理的关键。滴灌比沟灌、畦灌的灌溉水利用率已经有了较大的提高[1]。为了进一步提高滴灌的灌溉水利用率，本研究提出根际环形多点源滴灌技术。

根系是植物吸收水分的主要器官，枸杞的适应性较强，耗水量大，枸杞根系具有明显的趋水性，合理灌水是提高枸杞产量和品质的根本途径[14]。枸杞的主要根系层位于20～40 cm土层，决定了其所能利用水分的土层范围。本研究中不同灌水方式导致水分在土壤中的分布空间不同，地表滴灌仅有部分土壤水分入渗到枸杞主要根系层，而涌泉根灌和根际环形多点源滴灌水分能够完全到达主要根系分布层，能有效地供给枸杞根系水分，满足枸杞不同生长阶段的水分需求。同时，涌泉根灌的湿润中心较根际环形多点源滴灌的湿润中心下移10 cm左右，而土壤水分最高值较根际环形多点源滴灌土壤水分最高值略小。原因可能是由于该区土壤类型为壤质砂土，土壤保水保肥性能差，涌泉根灌每次灌水时间为3 h，较根际多点源滴灌灌水时间长，土壤水分易产生深层渗漏所致。

张效星等[15]研究表明地表滴灌时猕猴桃在不同灌水量时对产量影响较小，WUE随灌水量的减小反而增加，猕猴桃产量仅下降 0.09%～6.24%，水分利用效率却提高到 23.16%。而本研究得出根际多点源滴灌与地表滴灌在同样灌水量条件下产量增加了30.9%，WUE提高了31.5%。WUE随产量的增加而增加。地表滴灌、涌泉根灌和根际环形多点源滴灌枸杞产量和WUE比不灌溉枸杞均有大幅提高，根际环形多点源滴灌技术获得了更高的水分利用效率，达到了1.88 kg/m3。这是因为根际环形多点源滴灌技术与地表滴灌相比，将同样的水量输送到植物的主要根系层，减少了表层土壤湿润产生的蒸发损失；与涌泉根灌相比，将同样的水量分配到植物的四周，相对减少了次灌水时间、缩短了水分入渗时间，相应地也就减少了水分深层渗漏量。

根际环形多点源滴灌技术尽管生产成本较高，但是获得的经济效益最大，其单位水产值分别是不灌溉的1.6倍，是地表滴灌处理的1.3倍，是涌泉根灌的1.1倍。研究认为该技术是干旱缺水区经济林栽培的一种有效水分管理措施，建议在干旱半干旱区沙地经济林栽培中广泛推广应用该技术。

4 结 论

1）根际环形多点源滴灌的水分湿润范围基本处于枸杞主要根系层，更适宜于沙质土壤的经济林，是减少地表蒸发损失和深层渗漏的有效技术措施。

2）枸杞耗水量大，水分管理在其生产管理中占重要地位。根际环形多点源滴灌下枸杞产量和水分利用率显著提高，该技术是一种适合沙地经济林栽植管理的有效用水管理措施，在干旱半干旱沙地经济林生产中有广阔的推广应用前景。