不同滴灌带布置方式对黄金梨生长及水分利用效率的影响

王林林，吴文勇，肖 娟*，黄倩楠

（1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京100044；3.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083）

0 引 言

【研究意义】据最新公报显示，2018 年农业用水3 693.1 亿m3，占用水总量的61.4%[2]，其中90%以上为灌溉用水[3]，而2005—2014 年梨树的年平均用水量位居各果树树种之首[4]，因此，研究水分对梨树生长规律的影响具有重要意义。【研究进展】目前针对果园如何进行科学合理的灌溉以提高水分利用效率获得经济价值较高的果实已引起国内外诸多学者的关注。滴灌作为一种现代微灌技术，在节水、增产、改善土壤性能方面起到了很重要的作用，经济价值较高的作物在生产中应得到广泛推广[5-6]。【切入点】滴灌带不同的布置方式，比如：地面布置与地下布置、单双行及环状布置，会对作物的耗水及产量产生不同的影响[7]。研究表明，与地面灌溉相比，地下滴灌技术不仅可以节水增产[8]，还可降低漫灌造成的肥料渗漏损失[9]；环绕式滴灌较普通灌溉可节水37%、增产34.1%～45.1%[10]。同时，滴灌带的铺设间距及埋深也会影响作物的生长。张荟荟等[11]、王京伟等[12]的研究结果表明，滴灌带埋深20 cm 时作物的产量、品质及水分利用效率最佳；赵鹤等[13]在研究不同滴灌带铺设间距时得出：40 cm 是对叶类蔬菜获得高产的最佳距离。此外，灌水量也是影响果树产量及品质的一大重要因素，土壤水分不足或过多及灌水时期不当均会使作物生长发育受到制约[14-16]。姚佳宾等[17]研究表明油葵在灌水下限控制在田间持水率的60%～70%时的产量和水分利用效率最高；李蕊等[18]、陈倩秋[19]、张亚雄[20]的研究表明，灌水上下限分别设定在田间持水率的90%和60%时，苹果树的各项生长指标较其他处理组最优。【拟解决的关键问题】现阶段针对滴灌带布置方式的研究多集中在作物上，果树在这方面的研究较少。基于此，试验以黄金梨为材料，研究在60%灌水下限下不同滴灌带布置方式对黄金梨生长、品质和水分利用效率的影响，为进一步探索滴灌的节水增产机制、指导梨树生产实践提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018 年3 月31 日—9 月10 日在北京大兴区圣泽林庄园（东经116°29′，北纬39°36′）展开。该地为暖温带半湿润大陆季风气候，海拔28 m，年平均气温11.6 ℃，多年平均降雨量556 mm，年均水面蒸发量946.9 mm，土面蒸发量466.7 mm。在试验开始前对试验地0～120 cm 土层土壤的基本理化性质进行测定，详情见表1。

表1 土壤基本理化性质 Table 1 Soil fundamental physical and chemical properties

1.2 试验设计

供试品种为8 a 树龄的成龄黄金梨，占地约0.144 hm2，分为A、B、C 三个小区，各小区长30 m，宽16 m，小区内梨树种植行距4 m，株距3 m，共4 行，每行定植10 棵梨树。每2 a 秋季施用1 次有机肥，每次每棵梨树2 m3，施用在距离梨树树干100～120 cm处，深40～80 cm。施用肥料种类为牛粪。本次试验前，已于2016 年10 月施用了有机肥。

以滴灌带布置方式为影响因素，设置4 个处理，分别为对照组CK（地面单行滴灌）、T1（地面双行滴灌）、T2（地下双行滴灌）、T3（地面环状滴灌），每个处理重复3 次。对照组单行滴灌带布置在每行梨树的西侧，距离梨树40 cm；双行布置滴灌带布置在每行梨树的二侧，各距离梨树40 cm；地下双行滴灌带布置在梨树二侧40 cm 处距离地面40 cm 的地下；环状布置处理中，从支管接PE 管至行间，在每棵树处分别接滴灌带，以梨树为圆心，将滴灌带围成半径40 cm 的圆，用铁丝将滴灌带固定。试验灌水上下限分别设置为田间持水率的100%、60%，对照组依据果农经验值灌溉，各处理组的其他田间管理在试验期间保持一致。滴灌带布置见图1。

图1 滴灌带布置示意图 Fig.1 Diagram of drip irrigation belt arrangements

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤含水率

采用TRIME-PICO-IPH 土壤水分监测系统测定。每个处理随机选取一棵长势相似、生长健康的树，在其行间每隔40 cm、棵间每隔30 cm 各打5 根Trime管，共10 个水分监测点，每7 天测1 次，每个测点的测定深度为130 cm，每隔10 cm 测1 次，取其10～100 cm 平均值。

1.3.2 新梢

每个处理选择长势均匀的3 颗梨树，每棵树随机选取树冠外围生长强势的5 枝新梢做标记，用游标卡尺每2 周测1 次新梢的长度和直径。

1.3.3 果实生长

每个处理选取3 棵长势均匀梨树，每棵梨树上挑选5 个生长良好的果实做标记，每2 周测1 次果实的横径和纵径。

1.3.4 产量及品质

于2018年9月10日测产，各处理随机选取4株，取其平均值作为单株产量，以单株产量通过面积换算获得总产量；每个处理随机挑选3 个样品，检测果实的总氮（紫外分光光度法）、硝酸盐（紫外分光光度法）、可溶性固形物（硫酸-蒽酮比色法）、可滴定酸（氢氧化钠-酚酞滴定法）和维生素C（钼蓝比色法），取平均值为最终测量值。

1.3.5 气象因子

在试验地设立无线自动气象监测站，对试验期间的降水量、气温、土壤温度、风速、风向、大气压、相对湿度、太阳辐射等气象因子进行连续监测。

1.4 计算公式及方法

灌水量：按照计划湿润层10～100 cm 土层测定的土壤含水率为依据，确定灌水时间和灌水量，灌水量计算式为：

式中：m 为灌水量（mm）；a 为灌水上限与土壤实测含水率占田间持水率比值的差值（%）；θ 为土壤田间持水率（%）；p 为土壤湿润比，取33%；H 为计划湿润层深度，取1.0 m。

果形指数：

式中：SI 为果形指数；X1、X2分别为果实纵径、横径。

作物耗水量：利用水量平衡法计算，计算式为：

式中：ET 为梨树耗水量（mm）；I 为灌水量（mm）；P 为降雨量（mm）；U 为地下水补给量（mm），由于地下水埋深大于4 m，故忽略不计，U=0；D 为深层渗漏量（mm），本试验采用滴灌，灌水定额较小，灌溉基本上不会产生渗漏，所以D=0；R 为地表径流量（mm），由于试验区地势平坦，R 可忽略不计；θt1、θt2、分别为t1、t2 时刻根区10～100 cm 深度土壤的平均含水率。

水分利用效率：定义为消耗单位水量所产生的经济产品数量。实际计算时，作物水分利用效率可由同一面积上收获经济产品总量除以消耗的总水量得到。计算式为：

式中：WUE 为水分利用效率（kg/m3）；Y 为作物产量（kg/hm2）；ET 为作物实际耗水量（mm）。

1.5 数据处理

采用Excel 2016 对数据做基础处理及作图，SPSS 20.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌带布置方式对土壤含水率的影响

生育期内不同处理的土壤含水率见图2。从图2可以看出，土壤含水率在生育期内会因降雨和灌水的影响产生波动。CK 因灌水量最大，在全生育期土壤含水率最高；T1、T2 和T3 处理受灌水下限60%的制约，生育期内土壤含水率均低于CK；因为T2 处理滴灌带布置在地下40 cm 深度，与滴灌带布置在地上的T1、T3 处理相比，可将水分直接输送到梨树根系周围，减少了地表无效水的蒸发，所以生育期土壤含水率整体高出T1 和T3 处理；T1 和T3 处理的土壤含水率差异不明显。

图2 生育期内土壤含水率 Fig.2 Soil moisture during growth period

2.2 不同滴灌带布置方式对新梢长势的影响

不同滴灌带布置方式下的新梢长度和直径变化如图3、图4 所示。从图3 可以看出，不同处理组的新梢长度随生育期的延长而增加。3 个试验组的新梢长度较 CK 增加 59.68%～77.96%，且差异显著（P<0.05）。其中，T3 处理环状布置和T2 处理地下双行布置下的新梢长度分别较T1 处理地面双行处理增长了11.45%和7.42%，说明相较地面双行布置，地面环状和地下双行布置更有利于新梢长度的发育。

图3 不同滴灌带布置方式下的新梢长度 Fig.3 New shoots length of different treats

从图4 可以看出，各处理组的新梢直径增长趋势一致，滴灌带布置方式未对新梢直径的造成显著影响（P>0.05）。其中T2、T3 处理的直径在全生育期中始终大于T1 处理和CK，T2 处理的新梢直径最大，T1处理和CK 生长较差，说明就新梢直径发育而言，滴灌带选择地下布置优于地面布置，环状布置又优于单、双行布置。

图4 不同滴灌带布置方式下的新梢直径 Fig.4 New shoots diameter of different treats

2.3 不同滴灌带布置方式对黄金梨形态指标的影响

2.3.1 黄金梨果形指数的变化

生育期内黄金梨的果形指数变化如表2 所示。各处理组的果形指数总体呈递减的趋势，说明黄金梨先纵向发育，后横向发育。5 月初，CK 的果形指数最大，T2、T3 处理的果形指数大于T1 处理，说明CK组果实受灌水的影响最先进入发育阶段，T2、T3 处理果实分别因保水性、根系吸水均匀性较好比T1 处理提早开始发育；进入7 月后，CK 组果形指数相较其他组降到最低；8 月开始，各处理组的果形指数均降到1.00 以下，最终稳定在0.97～0.99 之间，说明滴灌带布置方式未对黄金梨的形态造成显著影响。

表2 生育期内果形指数变化 Table 2 Changes of fruit shape index during growth period

2.3.2 黄金梨直径日增长量的变化

图5 为不同滴灌带布置方式下黄金梨直径日增长量。由图5 可知，不同处理果实直径日增长量在生育期内均呈现“慢-快-慢”的趋势。6 月中旬前，各处理果实均处于缓慢增长期，果实的直径日增长量维持在0.26～0.34 mm 之间；6 月下旬到8 月上旬是果实快速膨大期，7 月中旬日均增长量达到最大值，其中T2、T3 处理达到0.92～0.94 mm，T1 处理显著低于其他2 个处理，仅为0.79 mm，这可能由于6 到8 月期间，气温升高，地面双行滴灌带布置形式与其他2 组处理相比，土壤蒸发量明显增加所造成的。进入8 月下旬，各处理果实直径的日均增长量下降到0.12～0.17 mm，果实开始上糖和着色。这与薛晓敏等[21]所得结论一致。在整个生育期，T2、T3 处理平均的果实日均增长量大于CK 和T1 处理，说明地下双行和地面环状滴灌带布置对黄金梨的生长更有利。

2.4 不同灌水下限和滴灌带布置方式对黄金梨产量及品质的影响

2.4.1 不同滴灌带布置方式对黄金梨产量的影响

不同滴灌带布置方式下黄金梨单株产量和总产量的变化见图6。不同滴灌带布置方式下，T2 处理单株产量和总产量均显著高于其他3 组处理，其中单株产量较CK、T1 和T3 处理分别增加7.83、7.44 和8.96 kg，总产量较CK、T1 和T3 处理分别增加6 531、7 677和6 198 kg/hm2，且差异显著。2.4.2 不同滴灌带布置方式对黄金梨品质的影响

图5 不同滴灌带布置方式下黄金梨直径日增长量 Fig.5 Daily growth diameter of golden pear of different drip irrigation belt arrangements

图6 不同滴灌带布置方式下黄金梨产量 Fig.6 Yield of golden pear of different drip irrigation belt arrangements

不同滴灌带布置方式下果实的品质指标见表3。从表3 可以看出，不同滴灌带布置方式对黄金梨品质的影响不显著。果实总氮量T2 处理最高，较CK 组提高了6.33%；可溶性固形物T1 处理最高，较CK组提高2.31%。还原型Vc 量，T1、T2 和T3 处理分别比CK 高13.10%、15.79%和11.39%，说明生育期内过高的灌水量不利于总氮、可溶性固形物和还原型Vc 量的转化合成。本试验可滴定酸度结果从大到小依次为T2 处理>T3 处理>T1 处理=CK，说明滴灌带地下双行布置和地面环状布置比地面双行布置更容易导致可滴定酸在果实内的集聚。果实品质对不同滴灌带布置处理未达到显著性差异的原因可能是7、8月充沛的雨水量使各处理组土壤含水率整体上升，对果实成熟期的营养注入影响不明显。

表3 不同处理果实品质指标 Table3 Fruit quality of different treatments

2.5 不同灌水下限和滴灌带布置方式对梨树耗水特性及水分利用效率的影响

表4 为不同滴灌带布置方式下黄金梨的耗水量及水分利用效率。从表4 可以看出，CK 在生育期内耗水量最大，较T1、T2和T3处理高出43.5%～46.92%，且差异显著；T1、T2、T3 处理的耗水量差异不显著，说明滴灌带布置方式对黄金梨耗水没有显著差异。

T2 处理水分利用效率最高，较T1、T3 处理分别提高31.87%和27.21%，与T1、T3 处理均存在显著性差异，说明地下滴灌较地上灌溉，能够减少地表蒸腾，灌入的水量更有效地保持在根系范围内供梨树吸收，对水分的利用效率更高。

表4 不同滴灌带布置方式下黄金梨水分利用效率 Table 4 WUE of different drip irrigation belt arrangements

T1 与T3 处理间差异不显著，说明滴灌带选择地面双行与地面环状对黄金梨的水分利用效率没有显著影响。T1、T2 和T3 处理的水分利用效率与CK 相比，分别高出40%、84.62%和45.13%，且差异显著，说明目前多数果园的灌溉水利用效率有很大的提升空间。

3 讨 论

不同的滴灌带布置方式会导致作物对水分的利用效果不同，进而影响到果树根系的生长[22-23]。研究表明，作物的产量及水分利用效率与根系活力及根系对土壤养分的吸收有一定的内在联系[7,12]。

本研究以8 a 生黄金梨为试验材料，研究地面滴灌带布置和地下滴灌带布置对产量品质及水分利用效率的影响，结果发现，与地面双行滴灌带布置相比，地面环状滴灌带布置的黄金梨产量增加了6.28%，水分利用效率提高了3.81%。胡兰等[8]、孔清华等[24]也得到类似的结果，证实了地下滴灌与地表滴灌相比，确实能提高作物产量和水分利用效率。说明地下滴灌作为一种将水分直接输送到果树根区土壤的灌溉方式，能够减少地表水分蒸发，显著提高灌溉水的利用效率。此外，本研究还发现，与传统地面单双行滴灌相比，地面环状滴灌带布置处理在生育期内耗水量减少了43.5%，产量增加了1.33%，水分利用效率提高了45.42%。这一结果与王志平等[10]的研究结果一致，即环绕滴灌对作物生长、产量和水分利用效率产生积极影响的类似结果。经初步分析，滴灌带采用环状布置能够节水增产的原因可能是环状滴灌带改变了水分在土壤中的分布，使水分均匀分布在果树根系的四周，增大了果树根系的吸水面积，减少了土壤无效蒸发，使得根系对水分利用率得到提高，促进了根系生长及地上部分的发育。但关于滴灌带布置方式这方面的前期研究主要针对作物，而对果树在该方面的研究相对较少，这也为今后的研究方向提供了一定的借鉴。

果实品质方面，李憑峰等[25]研究表明，水分亏缺能提高樱桃的Vc 量、可溶性固形物比例，降低可滴定酸度。本试验也发现，灌水下限受到控制的地面双行、地下双行与地面环状滴灌带布置的处理组果实可滴定酸度较对照组提高了7.86%～8.57%，Vc 量较对照组提高了11.95%～15.79%，但可溶性固形物并未发现此规律，这可能与不同处理的土壤及施肥相同有关。

另外，本试验仅研究了60%灌水下限下不同滴灌带布置方式对黄金梨生长及水分利用效率的影响，未能将灌水因子考虑进去，探究不同滴灌带布置的最佳灌水下限。且滴灌带的布置方式中，地下滴灌带的布置仅设置了地下双行一种，而本试验研究结果发现环状布置在节水增产方面要优于双行布置，基于此研究结果，下一步的研究中可增加地下环状滴灌带布置，再将滴灌带布置方式与灌水下限进行耦合，探究在不同灌水下限控制下的不同滴灌带布置方式对黄金梨各项生长指标及最终产量、品质和水分利用效率的变化，以期为果园的高效管理提供必要的数据支撑。

4 结 论

1）与对照组相比，地面双行、地下双行和地面环状3 种滴灌带布置方式在新梢长度和直径、黄金梨的直径日均增长量等生长指标均得到不同程度的提高；产量和水分利用效率方面，地下双行滴灌带布置分别提高了32.61%、84.72%；地面环状滴灌带布置产量分别提高了1.33%、45.42%；地面双行滴灌带布置产量降低了4.88%，但总耗水量降低了46.92%，水分利用效率提高了40.08%。

2）与地面双行滴灌带布置相比，地面环状滴灌带布置的黄金梨产量增加了6.28%，水分利用效率提高了3.81%。

3）与地面环状滴灌带布置相比，地下双行滴灌带布置的黄金梨产量增加了24.77%，水分利用效率提高了27.03%。

4）综合考虑增产和节水效益得出，地下双行是最佳滴灌带布置方式。滴灌带布置方式地下双行优于地面环状，地面环状优于地面双行，地面双行优于地面单行。