不同施肥器对日光温室茄子生长及根际养分浓度的影响

王 蓉，李 佳，朱 英，马 玲，杨常新，杨冬艳

(1.宁夏吴忠国家农业科技园区管委会，宁夏 吴忠 751100；2.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；3.宁夏农林科学院种质资源研究所，银川 750021)

水肥一体化技术是肥溶于水，按需灌溉施肥及节水节肥的关键措施[1]。通过管道设计，将作物所需养分和水分定时定量的按配比供给，实现节水节肥、省工、高产高效的目的[2,3]，而实现水肥一体化的关键是灌溉施肥装置[4]。目前，国外如荷兰、以色列、日本等农业发达国家针对灌溉施肥机的研究和应用已相当成熟，其推广应用的自动灌溉施肥机可实现智能化的精准水肥一体化，也是施肥器大型化、国际智能化的发展趋势[5-7]，但价格高昂、移动不便，很难适应国内的市场需求。国内学者关于灌溉施肥机的研究也取得了一定的进展，市面上推广主要有压差溶肥器、文丘里注肥器、电动注肥泵、比例注肥泵等施肥装置。施肥装置的灌水和施肥均匀度是决定水肥利用率的重要因素，会直接影响作物的产量和品质，也是评价滴灌施肥系统性能的重要指标[8]。周舟等研制的移动式温室精准施肥机，灌水、施肥的均匀度分别可达99.6%和98.8%[8,9]；吴松等学者设计的施肥机可控制肥水的EC、pH且实现自动施肥[10]；姚舟华、陈囡囡、左志宇等研制的温室自动灌溉施肥机，可实现营养液配方、浓度、酸碱度的自动调控[11-13]。针对施肥机的稳定性和可操作性做了大量的研究，但混肥均匀度、浓度调配及其对作物和土壤EC、pH的影响等研究往往被忽略，现有的灌溉施肥系统也难以满足不同作物在不同生长时期对营养均匀度和浓度的动态需求。因此，本文通过比较现有的3种施肥器对日光温室茄子生长及根际养分浓度的影响，结合施肥器的灌溉量和灌溉时间等操作性能，来初步确定在农民农业生产中溶肥浓度和均匀度高、容易推广、性价比高的水肥一体机，以提高农业设施的效率和用户的经济效益。

1 材料与方法

1.1 试验基地概况

试验设置在宁夏吴忠(孙家滩)国家农业科技园区的日光温室，基地全年光照时间达3 000 h，全年太阳辐射高达700 kJ/m2，年平均气温8.8 ℃。年平均降水量193 mm，年蒸发量2 013 mm，气候干燥。试验温室宽15 m，长100 m，钢架结构，净栽培面积0.107 hm2，温室后墙基底宽8 m，脊高7.5 m，棚膜种类是明净华涂层膜，外覆盖保温材料保温被，保温采光效果良好。

1.2 试验材料供试品种：二珉圆茄。

供试肥料：海法魔力丰Ⅰ型：18-27-27(N-P2O5-K2O)，海法魔力丰Ⅱ型：12-5-40+2 MgO(N-P2O5-K2O)。

1.3 试验设计

试验于2017年9月8日定植，定植密度为27 000 株/hm2，株距25 cm，垄宽80 cm，走道60 cm。生育期结束于2017年12月28日。

在统一压力水源条件下，选择3种均是靠水动力驱动的施肥器，施肥浓度可调控，试验处理按照不同施肥器设置，具体选择：Mixrite 2.5自动比例施肥器；可调比例式文丘里施肥器(型号：ATP800，工作压力100～500 kPa，吸入流量6.0～160 L/h)；涡旋式施肥器。为方便记录，分别将3种施肥器按照英文首字母记录为：APF(Automatic Proportional Fertilizer)、APVI(Adjustable Proportional Venturi Injector)、VF(Vortex Fertilizer)，小区面积16.8 m2，4次重复。

APF、APVI试验开始前，将一定量的海法魔力丰复合可溶肥倒入容积15 L的施肥罐中，进水管加水至施肥罐满，人为搅匀(肥液里没有固体颗粒)；VF先将一定量的海法魔力丰复合可溶肥倒入容积15 L的施肥罐中，盖上施肥罐，直接打开进水管，罐内靠压差自动加水至施肥罐满然后搅匀。具体水肥管理见表1。

表1 茄子生育期计划用水、用肥情况

注：幼苗期、开花坐果期用肥料海法魔力丰Ⅰ型，采收期选用海法魔力丰Ⅱ型。

1.4 测试项目与方法

测定项目：茎粗、株高、果实产量、定植前及收获后土壤0～60 cm的EC和pH值；跟踪持续测定土壤自然含水率和肥液EC、pH；测试系统稳定性及压力参数、系统流量。

(1)肥液EC、pH测量。利用便携式EC测量仪CT-20、便携式pH测量仪在不同时间段在滴灌带末端接取肥液测定。

(2)土壤含水率测定。随机取不同土层土壤测定，利用公式计算：土壤含水率(重量含水率)=(原土重-烘干土重)/烘干土重×100%。

(3)土壤EC、pH测定。每次施肥灌水前后取原状土测定。

(4)株高测定。选择生长大小基本一致植株5株进行标记作为调查株，小区株高(地面到生长点)用钢卷尺每10 d测量一次。

(5)茎粗测定。茎粗用游标卡尺测量植株地面以上10 cm处植株直径，每10 d测量一次。

(6)产量测定。用电子秤称量小区产量(精确到0.01 g)。

1.5 数据处理

数据处理采用Excel 2007、DPS 7.05统计分析软件和Origin 2017、Curve Expert曲线软件。

2 结果与分析

2.1 3种不同施肥器的运行参数

施肥罐APF的系统稳定性高、可控性高、吸肥量相对稳定，机器本身造价昂贵；APVI较APF，可控性相对差，吸肥量与压差值有很大关系，造价便宜；VF稳定性和可控性不高，施肥桶盖容易破损，影响其气密性，肥浓度不均匀，在运行过程中不断稀释。从表2中可以看出，3者的系统流量从高到低依次为APVI>APF>VF。

表2 3种水肥一体机的运行参数

2.2 3种施肥器运行下肥液EC、pH的变化

由图1、图2看出：在前6 min内APF、APVI、VF的肥液EC、pH均是增高趋势，此阶段可能是肥液逐步进入试验田的时间段。6 min之后，APF肥液EC稳定，维持在1.61～1.65 mS/cm，pH变化趋势与EC基本保持一致，变化范围为7.36～7.61；APVI的肥液EC依然呈现缓慢增长趋势，至12 min时达最大值1.98 mS/cm，之后又缓慢下降至1.54 mS/cm，随后几乎稳定不变，其pH变化趋势同EC。这可能是施肥罐APF、APVI开始施肥前罐内先充满水，人为搅匀，肥料溶解得相对充分，故APF肥液在到达试验田时EC、pH恒定，肥液均匀，APVI在6～25 min时运行压差相对不稳定，造成肥液EC、pH不均匀有波动，后期趋于稳定。VF是先加肥，盖上施肥罐，直接打开进水管，罐内靠压差自动加水至施肥罐加满且搅拌，在运行阶段施肥罐内会不断有水进入和肥液流出。6 min之后，肥液浓度最高达3.2 mS/cm，pH为8.13，随施肥过程进行，施肥罐内进的水不断稀释肥液，肥液浓度逐渐变小，至35 min时EC、pH恒定，分别为0.73 mS/cm、7.48，即是开始运行前水的EC、pH值，说明此阶段以后施肥罐内肥料已经全部溶解用尽。肥液溶解的均匀度会直接影响到作物根系对营养的吸收，根据以上3个施肥设备中的EC、pH变化，可推出溶肥的均匀度依次为APF>APVI>VF。

图1 3种施肥器运行下肥液EC的变化

图2 3种施肥器运行下肥液pH的变化

2.3 不同处理0～30、30～60 cm土层自然含水率变化

由图3看出，0～30 cm土层在APF、APVI、VF施肥器应用下的土壤平均含水率分别为14.71%、14.85%、13.08%，前2者之间差异不大，较VF均存在显著性差异；30～60 cm土层在APF、APVI、VF施肥器应用下的土壤平均含水率分别为10.47%、8.31%、10.07%，APF、VF差异不显著，2者较APVI均存在显著性差异。这可能与系统流量有很大关系，土壤表层系统流量大，易积水，而对于土层深处来说，由于系统流量大，很容易漏水走水，土层下渗的水就会相对减少。

图3 生育期0～30、30～60 cm土壤自然含水率的变化

2.4 不同处理0～30、30～60 cm土壤EC变化

由图4看出，0～30、30～60 cm土壤EC为0.1～0.8 mS/cm。APF应用下的0～30 cm土壤EC变化在茄子整个生育期呈“M”趋势，这与施肥前后有关系，波峰时是施肥后第1 d数据，而波谷时是施肥前数据，明显反映了施肥前后0～30 cm土壤的EC变化和作物吸收有直接关系；30～60 cm土壤EC呈波峰式变化，深层土壤养分被作物利用过程相对缓和，需要土壤养分运移过程，且无论定植前和生育末期0～30、30～60 cm土壤的EC值几乎没有变化，可见，APF应用下的营养液浓度均匀，易被作物迅速吸收，且不在土壤残留；APVI应用下的0～30、30～60 cm土壤EC前期只有0.1 mS/cm，随肥液施入后没有明显起伏变化，后期骤然增高，达0.7～0.8 mS/cm。可能由于肥液浓度的不均匀造成，但在土壤自身可调节范围内，之后又骤然下降，生育末期与定植时EC值相比较，0～30 cm土壤增加了0.06 mS/cm，30～60 cm土壤反而下降了0.06 mS/cm；VF应用下的0～30、30～60 cm土壤EC变化趋势与APF相似，均呈“M”趋势，随施肥时土壤EC增高，植物吸收后下降。

图4 生育期0～30、30～60 cm土壤EC的变化

2.5 不同处理0～30、30～60 cm土壤pH变化

土壤pH是影响植物生长的关键因子。由图5看出，0～30、30～60 cm土壤pH为7.84～8.63，均呈碱性甚至强碱性。3个处理的0～30 cm土壤pH生长末期与定植前相比较，差异不显著。其中，APF由定植前的8.52降低为8.2，APVI比定植前降低0.07，VF较定植前有所增高，增3.75%。30～60 cm土壤中，3个施肥罐的土壤pH虽然在生长中期有跌幅，但总体变化均在生长末期时呈增高趋势。较定植前，3者应用下分别增加4.33%、4.2%、3.91%。

图5 生育期0～30、30～60 cm 土壤pH的变化

2.6 不同处理对茄子生长指标的影响

2.6.1 不同处理对茄子茎粗的影响

由图6看出，茄子茎粗生长在11月下旬就趋于稳定，定植后的前60 d属于缓慢增长期，APF、APVI、VF应用下分别以0.11、0.11、0.10 mm/d增长；定植后的60～76 d属于快速增长期，3者分别以0.17、0.15、0.18 mm/d增长。APF的茎粗最高达17.44 mm，分别比APVI、VF高出2.72%、0.77%，可见，水肥一体机的系统流量、运行稳定性直接影响植株茎粗的生长。

图6 茄子生育期茎粗的变化

2.6.2 不同处理对茄子株高的影响

从实际所测数据得出：可用Logistic方程模拟不同处理下茄子株高生长曲线(见图7)。APF、APVI、VF的株高分别可以用Logistic方程式y=124.91/(1+20.997 e-0.062 8 x)、y=120.15/(1+26.03 e-0.059 x)、y=123.23/(1+34.2 e-0.070 5 x)来模拟，且相关系数均达到0.99。株高可以反映作物的生长趋势，直接影响产量高低。通过模拟方程可知，APF的株高最高可达118.51 cm，比APVI、VF分别高出0.71%、2.95%。

图7 茄子生育期实际株高及“S”形模拟曲线

2.7 不同处理对茄子叶面积的影响

叶面积是与产量关系最密切、变化最大，同时又是比较容易控制的一个因素。叶面积变化又与叶形指数变化高度正相关，其相关性计算参照宋亚平等学者的叶面积测量方法研究[14](见表3)。

如图8所示，茄子叶形在不同生育期有差别，对应的叶面积也大不相同，叶形指数(宽/长)在生育前期较小，变化范围为0.57～0.71，随生育期推移逐渐变大，生育期末叶形指数为0.57～0.88。其中，APF、VF应用下的叶形指数变化趋势及变化值相近，生育前期叶形指数<0.63，叶片长椭圆形，生育末期叶形指数为0.63～0.86，叶片椭圆形；APVI应用下，生育前期叶形指数0.71，叶片椭圆形，生育末期叶形指数高达0.88，叶片椭圆形。

根据叶形指数变化范围对应的叶面积公式计算得不同处理下的叶面积变化(见图9)，茄子叶面积在前期处于缓慢增长期，生育末期有所变小，这可能与叶片萎蔫缩水有一定关系。APF的叶面积明显高于VF、APVI，在叶面积最大时，前者比后者分别高出12.43%、19.48%，最高达306.62 cm2。

表3 茄子叶长与叶面积的相关系数及回归方程[14]

注：叶面积通过参考上述叶长与叶面积的回归方程所得(x为叶长，y为叶面积)。

图8 生育期茄子叶形指数变化

图9 生育期茄子叶面积的变化

2.8 不同处理对茄子产量及水肥生产率的影响

由表4可知：在同等施肥量、灌水量的条件下，APF、APVI之间的产量未达到显著差异，而2者均与VF的产量达到极显著差异，在灌溉水分生产率和肥料偏生产率上也存在差异。其中，APF、APVI比VF分别增产17.77%、17.03%；APF、APVI的灌溉水分生产率比VF均高出17.81%、17.05%；APF、APVI的肥料偏生产率比VF均高出17.78%、17.04%。可见，APF、APVI在同等用肥量和灌水量的条件下，也达到了增产增效的目的。

表4 不同水肥一体机对茄子产量及水肥生产率的影响

3 结论与讨论

本试验从0～30 cm土壤自然含水率变化来看，变化范围为13.08%～14.85%，30～60 cm土层保持在8.31%～10.47%。从肥液EC、pH来看：3种施肥罐肥液至田间在6 min之后，APF的肥液EC稳定，维持在1.61～1.65 mS/cm，pH变化趋势和EC基本保持一致；APVI的肥液EC依然缓慢增长至12 min，之后又缓慢下降至1.54 mS/cm，之后基本恒定，其pH变化趋势同EC；VF在运行阶段肥液浓度不断被稀释，最高达3.2 mS/cm，pH为8.13，之后肥液浓度逐渐变小至肥料全部溶解。由肥液EC、pH可推出溶肥的均匀度依次为APF>APVI>VF。3个不同施肥器应用后的茄子根际的土壤EC、pH变化不同：APF下土壤EC在0～30 cm土层呈“M”变化趋势，30～60 cm土层呈波峰式；APVI下的0～30 cm土层增加了0.06 mS/cm，30～60 cm土壤反而下降了0.06 mS/cm；VF下的0～60 cm土层变化趋势与APF相似。土壤pH在0～30 cm土层时，3个处理变化趋势不同，在30～60 cm土层时，变化趋势相同，这就和施肥设备的性能及混肥均匀度有关。学者陈囡囡、韩启彪研究表明压差施肥器施肥前期肥液浓度消减较快，后期会趋于平缓，且入罐流量的大小是影响肥液浓度衰减速率的主因素[12-15]。同时，李加念的团队及赵燕东研究指出，灌溉施肥器运行性能、混肥均匀度会影响作物的生长及根际养分浓度的分布、水肥利用率[16,17]。本研究中选择的APF施肥器混肥均匀度高、施肥量可控，且可以通过肥液EC和pH进行实时调控，EC和pH变化相对平稳；APVI、VF有时肥液的溶解不均匀，会造成某次或某个时期土壤EC骤然增高，从而可能形成土壤反渗透压，植物根系无法吸收营养和养分，抑制作物的生长，故试验结果表明茄子生长指标茎粗、株高、产量及水肥利用率均是APF最高，APVI次之，APF、APVI产量差异不显著。

综上所述，在APF、APVI产量分别为27 860.4、27 685.05 kg/hm2，灌溉水分生产率分别为24.43、24.29 kg/m3，肥料偏生产率为61.91、61.52 kg/kg，以上指标2者均差异不显著。考虑APF设备操作要求高且造价昂贵，大面积推广有一定的局限性，农民不易接受，而APVI设备造价便宜，操作简单，后续维护工作少，易在田间地头安装，因此，推荐APVI(可调比例式文丘里注肥器)进行大面积推广。