负压灌溉对菠菜生长及水分利用效率的影响

向艳艳，黄运湘，龙怀玉，杨蕾静，黄煌，于康，欧阳宁相

(1. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128； 2. 湘西州土壤肥料工作站，湖南 吉首 416000； 3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

水分是作物产量形成的关键要素.灌溉技术的发展以节水增产为最重要目标，国内外众多研究表明[1-2]先进的灌溉技术、科学的水肥管理能显著提高设施蔬菜产量，有效提高水肥资源利用效率，低压管灌、喷灌、滴灌、渗灌、作物控制性分根区交替灌溉以及调亏灌溉技术，基本上消除了土壤水分养分的大起大落[3]，微灌水肥耦合可协同提高蔬菜产量和水分、养分利用效率，但仍然是被动地接受灌溉水和肥料养分.

负压灌溉技术作为一种先进的灌溉方式，其原理是通过作物蒸发蒸腾耗水使得根系土水势下降，形成灌溉系统与土壤之间的水势差，从而实现作物主动从土壤中吸收水分和养分.一些研究[4-6]表明，应用负压灌溉技术可实现小油菜、小白菜、辣椒等多种作物增产节水，改善品质、提高水肥利用效率.李生平等[7-8]研究发现-5.0～ -10.0 kPa负压供水很好地协调碳同化和水分耗散之间的关系，促进作物生长和水分高效利用，产量较常规灌溉提高20.1%～69.3%，水分利用效率提高149.8%～165.6%.丁亚会等[9]研究表明，-15.0 kPa负压灌溉下随水施钾能有效促进烤烟植株干物质积累和钾素的吸收，明显地提高水分利用效率和钾肥利用率.LI等[10]研究连续负压供水对辣椒生长发育的影响表明，-5.0 kPa负压供水下辣椒产量较常规灌溉提高13.79%，-5.0～-15.0 kPa处理下水分效率提高12.66% ～ 124.67%.李银坤等[11]研究滴灌营养液模式与负压灌溉水肥一体化对番茄水肥利用的影响，结果表明负压水肥一体化灌溉的周年耗水量较低，水分利用效率较营养液滴灌施肥提高了10.0%～30.3%.

菠菜营养价值高、地域适应性广，是最常见的设施栽培蔬菜之一.文中采用一种新型负压水肥一体化灌溉装置，研究不同给水负压对菠菜生长发育和水分利用效率的影响，获取菠菜生长最适宜的负压灌溉值，为南方地区菠菜栽培的水分管理提供技术指导.

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为湖南农业大学校区内的潮菜园土，土壤质地为粉砂质黏壤土.采集0～20 cm耕作层土壤，土壤采回后经风干、锤碎、过5 mm筛、混匀备用.土壤基本理化性质：pH为5.64，有机质为39.24 g/kg，全氮为1.93 g/kg，全磷为2.22 g/kg，全钾为12.33 g/kg，碱解氮为85.7 mg/kg，速效钾为213.9 mg/kg，有效磷为77.6 mg/kg，田间持水量26.8%.

1.2 负压灌溉装置与工作原理

负压灌溉装置由负压发生器、储水器、渗水器、输水管道系统4个部分组成，连接方法见图1.

负压发生器采用重液式负压阀控制负压值[12]，储水器为密封性良好的圆柱形PVC桶(内径190 mm，高500 mm)，桶上装有水位观测管，渗水器为透水不透气的多孔陶土管(内径10 mm，外径18 mm，长230 mm)，输水管道以透明的有机塑料软管，连接储水器与渗水器.渗水器埋于盆栽桶中间位置，距离土表10 cm深处，略向下倾斜至头部高于尾部1 cm左右，利于陶土管内空气排出.负压灌溉装置供水原理是随作物生长吸水，土壤水势降低，低于负压发生器设定的压力值，灌溉水在土壤吸力的作用下渗入土壤，储水器水位下降，使得储水器上部气体空间增大，桶内压强减小，外部空气经由硅胶管进入储水器，而实现整个系统负压水平维持在一个动态平衡状态，以产生连续稳定的供水负压恒稳供水.

图1 负压灌溉装置示意图Fig.1 Sketch of a negative pressure irrigation equipment

1.3 试验设计与处理

采用土壤盆栽试验的方法，于2016年10月—2017年2月在湖南农业大学土肥高效利用试验基地网室内进行.试验设4个处理，处理1：对照(CK，人工浇灌)；处理2：-5.0 kPa负压灌溉；处理3：-10.0 kPa负压灌溉；处理4：-15.0 kPa负压灌溉，每处理重复3次.

将供试土壤湿润至田间持水量后装入已连接好灌溉装置的橡胶盆(上口34 cm、下底24 cm、高25 cm)内，每盆12 kg风干土.储水器(容积13.3 dm3)注入氮浓度为0.031 8%的营养液，ω(N)∶ω(P2O5)∶ω(K2O)=1∶0.65∶1，供试肥源为硫酸铵、磷酸二氢钾和硫酸钾，实行水肥一体化自动灌溉.对照处理采用相同浓度营养液人工浇灌，每次500 mL，以土壤平均含水量为田间持水量的70%～80%作为作物是否需要灌溉的依据.选择晴天播种(10月15日)，等种子萌发长出幼苗后，选择长势一致的幼苗留于盆中，每盆8株.试验期间每7 d记录1次水位下降深度，并观察其生长动态.负压灌溉储水器水位降至最低刻度线时，立即补水，根据储水器水位下降深度计算灌溉量.

1.4 采样与分析测定

试验于2017年2月22日分盆钵按地上部和根部分别收获.带回实验室测定其鲜质量.每处理随机选取3株测定地上部茎叶维生素C、可溶性糖、脯氨酸含量，其余菠菜地上部杀青烘干后测定水分含量和植株氮磷钾含量.剪取根尖部分测定根系活力.菠菜收获后使用土钻采取陶土管两侧5 cm 内0～20 cm土样，每重复采集3个点，测定土壤含水量.

土壤基本理化性质采用常规分析方法测定.生物产量用天平称重；可溶性糖、维生素C、脯氨酸含量采用酶联免疫(ELISA)法测定，试剂盒由上海岚派生物科技有限公司提供；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法(TTC 法)测定；地上部干样经H2SO4—H2O2消化，全氮用蒸馏法，全磷用钼锑抗比色法，全钾用火焰光度计法测定，植株含水量和土壤含水量采用烘干法测定，田间持水量采用威尔科克斯法测定.

1.5 数据处理

耗水量采用水量平衡法计算，温室盆栽试验条件下隔绝了降雨，负压灌溉供水量和浇灌量较少，故地表径流、水分土表蒸发、深层渗漏可忽略不计；同时，试验地地下水位较深，可视地下水补给量为0.因此，菠菜耗水量计算公式为

ET=I-ΔS=Sh-ΔS，

(1)

水分利用效率

WUE=DW/ET，

(2)

灌溉水分利用效率

IWUE=DW/I，

(3)

式中：ET为作物耗水量，dm3/pot；I为灌溉量，dm3/pot；S为储水器底面积，dm2；h为水位下降深度，dm；ΔS为试验初期和末期每盆土壤水分变化量；DW为菠菜地上部干质量，g.

TAA(N，P，K)=NC·DW，

(4)

式中：TAA为菠菜地上部氮(磷、钾)累积吸收量，mg；NC为菠菜地上部氮(磷、钾)含量， g/kg.

采用Excel 2007 对数据进行统计分析，采用SPSS Statistics 17.0进行差异显著性分析.

2 结果与分析

2.1 不同供水处理的土壤水分含量

表1为不同供水处理土壤含水量.从表1可以看出，-5.0 kPa～-15.0 kPa负压供水，土壤含水量均显著低于CK，较CK下降24.9%～48.3%.不同供水负压下，土壤含水量随供水负压值的降低而减少，-15.0 kPa显著低于-5.0 kPa和-10.0 kPa，处理-5.0 kPa和-10.0 kPa的差异不具有统计学意义.

表1 不同供水处理土壤含水量Tab.1 Soil water contents in different water supply treatments

2.2 菠菜生物量和根冠比

表2为不同供水处理菠菜地上部(Ma)和地下部(Mb)生物产量.从表2可以看出，菠菜地上部生物产量以CK和处理-5.0 kPa较高，显著高于-10.0 kPa和-15.0 kPa.地下部生物量以处理-5.0 kPa最高，显著高于CK和-15.0 kPa.根冠比(γ)以CK最低，显著低于负压供水处理，供水负压值降低，根冠比增大，表明土壤水分亏缺，首先抑制了根系的生长，继而影响地上部的生长发育，地上部产量显著下降，根冠比增大.

表2 不同供水处理菠菜地上部和地下部生物产量Tab.2 Aboveground and underground biomass of spinach in different water supply treatments

2.3 菠菜生育期耗水量和水分利用效率

表3为不同供水处理菠菜耗水量和水分利用效率.从表3可以看出，-5.0～-15.0 kPa负压供水，灌水量和耗水量均低于对照，分别较对照下降41.6%～66.7%和29.7%～44.7%.不同负压供水，菠菜全生育期灌水量和耗水量随供水负压值的降低而减少，处理-15.0 kPa灌水量仅为-5.0 kPa的57.0%，土壤含水量显著下降(见表1)，不能满足菠菜对水分的需求，菠菜产量显著降低(见表2).从灌溉水分利用效率(IWUE)和水分利用效率(WUE)分析，-5.0～-15.0 kPa负压供水灌溉水分利用效率显著高于对照，较对照提高51.6%～64.0%，水分利用效率以-5.0 kPa最高，显著高于CK和-15.0 kPa，分别提高28.0%和29.2%，与-10.0 kPa差异不具有统计学意义.

表3 不同供水处理菠菜耗水量和水分利用效率Tab.3 Water consumption and water use efficie-ncy of spinach in different water supply treatments

2.4 菠菜脯氨酸含量和根系活力

脯氨酸作为植物蛋白质的组分之一,以游离态广泛存在于植物体内，其作用是调节细胞质浓度,从而调节细胞渗透性，在干旱环境下脯氨酸含量θp会增加.图2为不同供水处理菠菜脯氨酸含量和根系活力r,图中不同小写字母表示处理间差异具有统计学意义(P<0.05).从图2a可知，-5.0～-10.0 kPa负压供水，菠菜脯氨酸含量与对照差异不具有统计学意义，供水负压值降低，脯氨酸含量急剧升高，处理-15.0 kPa菠菜脯氨酸含量较CK，-5.0和-10.0 kPa分别提高61.5%，55.6%和47.8%.根系是植物吸收水分和养分的重要器官，也是感知环境信号，实现植株生长自调节的重要传感器.根系活力是评价植株生长环境特别是水分胁迫的重要生理指标之一.从图2b可知，-5.0 kPa负压供水，菠菜根系活力显著高于CK,-10.0 和-15.0 kPa，分别提高65.3%,51.5%和91.0%.供水负压值降低，土壤含水量下降，根系活力显著降低，表明适度控制土壤水分，有利于植物根系生长和根系活力的提升，干旱加剧，植株自调节能力下降，生物产量降低.

图2 不同供水处理菠菜脯氨酸含量和根系活力Fig.2 Proline contents and root activities of spinach in different water supply treatments

2.5 菠菜VC、可溶性糖、氮磷钾含量

图3为不同供水负压处理菠菜维生素C(θVC)和可溶性糖含量(θss).从图3可以看出，菠菜维生素C和可溶性糖含量均以处理-5.0 kPa最高，分别为0.507 2 mg/g和1.74%，均显著高于-15.0 kPa.维生素C含量分别较CK，-10.0和-15.0 kPa提高18.3%，10.5%和44.9%；可溶性糖含量分别较CK，-10.0和-15.0 kPa提高6.1%，23.4%和47.5%；表明-5.0 kPa处理控制适宜土壤水分，有利于提高菠菜叶片中VC和可溶性糖含量，改善其品质.

表4为不同供水处理菠菜氮磷钾含量及吸收量.从表4可以看出，-5.0～-15.0 kPa负压供水，菠菜地上部氮、磷、钾含量均高于CK.累积吸收量以处理-5.0 kPa最高，氮显著高于CK，磷、钾与CK差异不具有统计学意义.随着供水负压值的下降，菠菜地上部氮、磷、钾含量和累积吸收量逐渐降低.

由于每个处理的耗水量不同，随灌溉水输入土壤的氮、磷、钾总量有差异，其中以对照处理最高，处理-5.0 kPa较CK分别降低25.0%，22.2%和25.0%，累积吸收量分别提高17.70%，1.63%和0.39%，表明适宜的负压灌溉有利于作物对养分特别是氮素养分的吸收利用.

图3 不同供水负压处理菠菜维生素C和可溶性糖含量Fig.3 Vitamin C contents of and soluble sugar of spinach in different water supply treatments

表4 不同供水处理菠菜氮磷钾含量及吸收量Tab.4 Nitrogen, phosphorus and potassium uptakes of spinach in different water supply treatments

3 讨 论

在水资源日益紧缺的条件下，合理灌溉不仅满足作物生长发育对水分的需求，同时节约水资源，提高灌溉效率.文中研究结果表明，-5.0 kPa负压供水，菠菜生长状况良好，地上部生物产量接近对照(人工浇灌)，地下部生物量显著高于对照；全生育期耗水量显著低于对照，表明-5.0 kPa负压供水可满足菠菜对水分的需求，能维持菠菜较高的产量，又明显减少灌溉用水量，与以小白菜[5]、黄瓜[8]、番茄[11]等作为试验材料的研究结果一致.负压灌溉由于其平稳的水分供给，维持了良好的土壤结构[8]，相较于常规人工浇灌更有利于根系的生长，提高根系活力，促进养分吸收，有助于产量形成.SMUCKER等[13]发现在水分胁迫下作物光合产物优先分配给根系，根冠比增大，发达的根系和较大的根冠比有利于吸收更多的水分和营养养分，以适应干旱逆境，但过分庞大的根系会影响地上部的生物量，进而影响适宜产量的形成.文中研究表明，处理-5.0 kPa负压供水，菠菜根系活力高于CK和-10.0，-15.0 kPa，根冠比低于-10.0和-15.0 kPa，说明过低的负压供水(-10.0～15.0 kPa)，不能满足作物对水分的需求，根系活力下降，根冠比增大，不利于地上部产量的形成.边云等[14]研究表明土壤水分过量和亏缺都会影响土壤养分浓度，养分浓度过低或过高均会抑制根系的生长和对水分、养分的吸收.处理-5.0 kPa负压供水，菠菜地下部生物量和氮、磷、钾吸收量均高于CK和-10.0，-15.0 kPa.综上所述，-5.0 kPa负压供水能维持稳定的土壤含水量，满足菠菜对水分的需求，促进菠菜对养分的吸收和提高生物产量.

作物水分利用效率是评价水资源高效利用的重要指标.人工浇灌为间歇性灌溉方式 ，在1个灌溉周期内土壤含水量处于变化状态，灌溉初期土壤湿润，土面蒸发量大，水分利用效率下降.负压灌溉通过渗水器直接供水于作物根系附近，利用灌溉系统与土壤之间的水势梯度实现作物连续主动吸取所需水分，提高灌溉水的利用效率.究其原因，其一，负压灌溉适当减少灌溉量，植株可通过气孔调节影响叶片蒸腾速率从而平衡叶片水分，进而提高水分利用效率[7]；其二，负压灌溉基于作物根区湿润方式调控土壤水分运动及有效性，有效抑制土壤表面水分蒸发消耗[8]；其三，适宜负压灌溉下作物根系活力高于人工浇灌，改变了根系导水率，增强作物吸水的根压驱动力，从而促进水分有效吸收利用.本研究表明，-5.0 kPa负压灌溉菠菜水分利用效率显著高于对照，较对照提高28.0%.供水负压值降低，水分利用效率下降，当供水负压值降低至-15.0 kPa时，水分利用效率显著低于-5.0 kPa和对照处理，表明-15.0 kPa负压供水已不能满足菠菜生长对水分的需求，菠菜产量显著下降，水分利用效率随之降低.脯氨酸作为渗透调节物质，在干旱环境下通过其在体内的大量积累，以抵御干旱胁迫.研究表明，处理-15.0 kPa负压供水下菠菜脯氨酸含量明显升高，显著高于对照和-5.0和-10.0 kPa，表明菠菜处于严重水分胁迫状态，作物可能通过气孔关闭以减少蒸腾耗水导致作物光合作用受阻，严重抑制产量形成，水分利用效率低下.

4 结 论

1) 与人工浇灌相比，适宜的负压(-5.0 kPa)灌溉，在保证一定生物产量的基础上，显著提高水分利用效率，降低灌溉用水量.

2) -5.0 kPa负压灌溉，土壤含水量控制在菠菜生长适宜的范围，促进根系生长发育和对养分的吸收利用，同时改善菠菜品质.