微孔渗灌环形布设对灵武长枣土壤水分分布及产量的影响

李兴强，孙兆军,，焦炳忠，朱文婷，何 俊，韩 磊

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学环境工程研究院，宁夏 银川 750021；3.教育部中阿旱区特色资源与环境治理国际合作联合实验室，宁夏 银川 750021)

灵武长枣(ZiziphusjujubaMill.cv.Lingwuchangzao)，属于鼠李科枣属，是宁夏主要特色经济作物之一，在发展农业产业结构、增加农业收入方面具有重要作用。目前，随着长期种植、盲目灌溉以及种植面积的扩大，已出现灌溉水资源短缺、枣树产量和品质降低、经济效益下降的问题。

地下微孔渗灌是一种高效节水灌溉方法，其不仅可降低地表径流和蒸发，提高作物产量和水分利用效率[1]，而且有利于保蓄根系周围的水分和养分[2]，以供作物生长发育利用。对于地下灌溉的研究，牛文全等[3]针对微润管埋深和铺设间距对番茄的土壤水分变化和盐分运移进行了研究，筛选出了最佳的埋深和铺设间距。白丹等[4]对地下竖管灌溉方式下土壤湿润体空间分布规律进行研究，建立了土壤容重、土壤初始含水率、灌水压力、灌水器直径和埋深与湿润体时空变化特征值的量化关系。张陆军等[5]将涌泉根灌应用于梨枣树，确定了适宜的布置方式与灌水量，认为单棵树布置2个灌水器和单株灌80 L为最佳组合，能够提高产量和水分利用效率。孙三民等[6]采用间接地下滴灌及导水装置对其灌水器埋深在干旱区矮化密植红枣的应用进行试验研究，表明枣树细根空间分布呈现由“宽浅型”向“深根型”变化，并相对于地表滴灌表现出较好的节水增产效果。目前，对于微孔渗灌的研究，任秋实[7]在马铃薯上采用地下渗灌方式设置不同施氮量进行研究，得出适宜的灌水方式和施氮量的组合有利于作物节水节肥。韩懂懂等[8]在枣树上的应用，设置不同灌溉定额与滴灌、管灌进行对比研究，得出渗灌较滴灌更有利于提高产量和水分利用效率。目前对微孔渗灌只是简单地做了灌水量等试验，基于微孔渗灌环形铺设方式及不同埋深对灵武长枣土壤水分分布、产量以及水分利用效率的研究鲜有报道。因此，本文设置微孔渗灌铺设半径和埋深的2因素3水平试验，对比分析枣树土壤水分空间分布、耗水量、产量及水分利用效率的变化，旨在确定微孔渗灌最佳的铺设半径和埋深，为灵武长枣高效种植技术的推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验于2019年4―10月在宁夏银川平原引黄灌区(105°59′22.87″E ，36°51′55.37″N)进行，该地区年均降水量仅为200 mm，枣树全生育期内降雨量为174 mm，生育期内降雨量见图1。研究区土壤为砂壤土，采用激光粒度仪(Mastersizer 3000，MalvernLtd, UK)测定试验地各土层颗粒组成，见表1，粒径大小分3级(<0.002 mm、0.002～0.02 mm、0.02～2 mm)。处理前0～100 cm土壤基本理化性状见表2。

表1 试验地各层土壤分类占比(体积分数%)

1.2 试验材料

供试作物为6 a生灵武长枣，移栽定植后主要采用沟灌，2015年改为滴灌灌水方式。行株距为300 cm×400 cm，胸径5.2～6.3 cm；平均树高为280～330 cm；平均冠幅为200 cm(南北)×180 cm(东西)。试验前，通过对枣树根系分布范围进行采挖观测，枣树主根根系分布(距树干)垂直深度在0～60 cm，水平半径在0～100 cm。地下水埋深20 m以下。

地下渗灌管[9]：采用本团队改进加工生产的微孔渗灌管，由废旧橡胶粉末和聚乙烯再生料按一定比例混合加工挤压出的渗灌管道式灌水器，管道外径为22.20 mm，内径为18.20 mm，出水量为300～400 ml·m-1·min-1。渗灌管在空气中测试渗水效果如图2所示。

1.3 试验设计

根据试验地根系分布和当地灌溉方式设微孔渗灌不同埋深D(10、20、30 cm)、不同铺设半径R(30、40、50 cm)2因素3水平随机区组试验，每个处理设3次重复，共27个小区，每个小区2株枣树。具体试验设计及编号见表3。

表3 试验设计

2019年3月在枣树萌芽期之前，对枣树进行修剪、旋耕，并按照试验设计进行处理，地下渗灌铺设采用人工开沟，按照试验设计布设灌水器，铺设环形以枣树树干为圆心，深度以地表为起点，向下测量。管道安装好后进行通水测试，然后回填，渗灌田间布置如图3所示。根据试验地土壤质地、土壤养分含量和当地对枣树水肥管理经验，采用少量多次进行灌水和施肥，所有处理均在开花期(2次)、坐果期(3次)、果实膨大期(3次)施肥。供试水源来自地下水20 m，肥料为复合滴灌专用肥(N、P2O5和K2O占比分别为33%、12%和5%)。枣树全生育期灌溉施肥制度如表4所示。

表4 枣树全生育期灌溉施肥制度

1.4 测定项目及方法

(1)土壤含水率：2019年3月，按照试验设计布设Trime-IPH管(200 cm)土壤水分测量系统(IMKO，Ettlingen，Germany)，测定数据前用烘干法进行校正，于枣树生长期内监测0～200 cm土层土壤含水率，每隔20 cm测定一次，测定时间为灌水前后和降雨后。

(2)枣吊长度：从萌芽期到成熟期，每个处理选取固定枣树，在果树东、西、南、北4个方向各选一枝当年新生枝条，用卷尺测定新梢长度，用电子数显游标卡尺测量新梢直径。

(3)坐果率：于开花期记录枣吊开花数(N1)，采收时统计枣吊果实数量(N2)，计算公式为：

坐果率=N2/N1×100%

(4)果实产量(Y)：在枣树果实成熟后，分别在东、西、南、北及内部各位置随机取样，测定单果质量，产量计算公式为：

产量(kg·hm-2)=平均单果质量(kg)×单株结果数

×种植数(株·hm-2)

(5)枣树耗水量(ET)：利用水量平衡法计算枣树全生育期内的耗水量。计算公式为：

ET=P+I+K-J-S-(Wt-W0)

式中，ET为耗水量(mm)；P为有效降雨量(mm)；I为灌水量(mm)；K为时间段t内的地下水补给量(mm)；J为径流量(mm)；S为深层渗漏量(mm)；Wt、W0为时段初和任一时间t时的土壤计划湿润层内的储水量(mm)。试验区地下水位在20 m以下，并且每次灌水量较少，故K、J、S忽略不计。上式简化为：

ET=P+I-(Wt-W0)

(6)水分利用效率(WUE)的计算公式为：

WUE(kg·m-3)=Y/ET

1.5 数据分析

利用Excel 2010和Origin9.1分别进行数据整理和绘图，SPSS 22.0统计分析软件对数据进行方差分析(LSD法，显著性水平设定为p=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对枣树土壤水分分布的影响

图4为以枣树为中心的微孔渗灌不同埋深和铺设半径下土壤含水率空间分布情况。可以看出，随着微孔渗灌埋深的增加，土壤含水率最大分布范围和湿润锋均向下移动，埋深从10 cm增加到30 cm时，土壤含水率垂直方向最大分布范围从0～45 cm增加到10～55 cm。随着微孔渗灌铺设半径的增大，土壤含水率最大分布范围和湿润锋均向外移动，铺设半径从30 cm增加到50 cm时，土壤含水率空间分布整体向外移动10 cm；在相同铺设半径下，随着微孔渗灌埋设的增加，表层土壤含水量分布范围逐渐下移，并且微孔渗灌铺设位置正下方的湿润锋(土壤含水率为14%)随着埋设深度的增加，埋深为30 cm较20 cm土壤含水率分布范围分别向下增加了8 cm(R30)、15 cm(R40)、12 cm(R50)，较l0 cm土壤含水率分布范围分别向下增加了13 cm(R30)、22 cm(R40)、21 cm(R50)。各处理灌水量均相同，以微孔渗灌为中心的土壤含水率最大值均在20.00%～22.00%之间，微孔渗灌不同埋深和铺设半径组合对土壤剖面含水率分布范围不同。随着埋设和铺设半径的增加土壤湿润体范围逐渐增大，R50D30处理垂直方向上的土壤湿润锋可以达到55 cm，而R30D10处理的土壤湿润锋垂直方向最大为40 cm。各处理土壤含水率在水平方向分布范围均大于垂直方向，一方面，可能是与灌水器铺设位置和枣树在移栽时50～60 cm 处施入垫层(秸秆、有机肥)厚度有关；另一方面，试验地土壤0～50 cm范围主要以砂质土壤为主，水分入渗能力和地表蒸发较强。各处理土壤含水率在15.00%～18.00%范围，各处理水平距离最大处均在80 cm 左右，随着微孔渗灌铺设半径的增加，水平范围从50～80 cm缩小到70～85 cm。随着微孔渗灌埋深和铺设半径增大，土壤含水率值在15.00%～20.00%的分布范围区域相应增大，铺设半径单因素下的分布范围区域较埋深单因素下土壤含水率分布范围较大。

2.2 不同处理对枣树枣吊长及坐果率的影响

表5为不同微孔渗灌埋深和铺设半径组合下枣树生长情况的变化，可以看出，枣树的枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率均表现为R40D20处理最高，分别为31.24 cm、66朵、39个、59.70%，并且与其他处理均存在显著差异(p<0.05)。相同微孔渗灌铺设半径下，枣树枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率均随着埋深的增加先增加后降低，都表现为埋深D20下最高，D10次之，D30最小；微孔渗灌铺设半径R30下，埋深D20 比D10和D30的枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率分别提高了5.69%和10.25%、17.65%和13.21%、24.00%和55.00%、7.94%和37.31%；微孔渗灌铺设半径R40下，埋深D20 比D10和D30的枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率分别提高了5.40%和20.29%、4.76%和17.86%、8.33%和69.57%、3.86%和46.29%；微孔渗灌铺设半径R50下，埋深D20 比D10和D30的枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率分别提高了5.77%和13.27%、12.00%和27.27%、50.00%和66.67%、37.14%和32.49%；除了R50下D20与D10提高幅度比D30高外，其他铺设半径处理下D20比D30下提高幅度均高于D10。相同微孔渗灌埋深下，各铺设半径对枣树枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率均表现为R40>R30>R50；在D2条件下，R40处理下的枣树枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率比R30和R50分别提高了15.28%和20.02%、10.00%和17.86%、25.81%和30.00%、14.39%和10.66%；并且枣树枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数均表现为R40处理比R50提高幅度大于R30。

2.3 不同处理对枣树产量及水分利用效率的影响

枣树产量的高低主要由单果重、单株结果数、单位面积枣树栽培数确定，本试验枣树株行距已确定，因此，单果重、单株结果数的大小直接影响产量。表6为微孔渗灌不同铺设半径和埋深组合下对枣树耗水量、产量构成因素、产量及水分利用效率的影响。可以看出，微孔渗灌铺设半径和埋深下各处理枣树的单果重、单株结果数、产量、水分利用效率均表现为R40D20处理最高，分别为19.20 g、444个、7 666.82 kg·hm-2、2.83 kg·m3，并且均与其他处理存在显著差异(p<0.05)。相同铺设半径下，枣树单果重、单株结果数、产量、水分利用效率均表现D20最大，并且与D10、D30处理存在显著差异(p<0.05)。相同埋深下，R40下枣树单果重、单株结果数、产量、水分利用效率最大。枣树全生育期耗水量R50D10处理最大为362.38 mm，比R50D30处理耗水量最低(238.90 mm)多123.48 mm，与其他处理均存在显著差异(p<0.05)。在相同铺设半径下，随着微孔渗灌埋深增加，耗水量逐渐降低，并存在显著差异(p<0.05)。

3 讨 论

3.1 微孔渗灌不同铺设方式对枣园土壤水分空间分布的影响

微孔渗灌灌水器不同的铺设位置，导致土壤含水率空间分布出现差异。地下渗灌灌水器铺设位置附近的土壤含水率变化较大，最大值均在灌水器附近，水分逐渐向四周扩散并减小[10-11]。已有研究表明，地下灌溉灌水器的埋深和压力是影响土壤水分空间分布的主要因素，有研究表明微润灌溉最适宜的埋深在15～20 cm之间[12]，微孔渗灌埋深较浅时，土壤含水率分布主要集中在表层，原因是受到地表蒸发的影响，水分通过土壤空隙向上扩散较快。本研究土壤含水率均随微孔渗灌埋深和铺设半径增加而向下和向外扩散。本文试验表明，各处理均为土壤含水率向下扩散大于其他方向，水平方向上左、右土壤水分扩散条件一致，土壤水分分布特征类似[4]；一方面可能是由于地下渗灌方式下随着灌溉时间的延长，水分在灌水器周围聚集，而水分在土壤吸力及自身重力作用下，就会向下运移；另一方面，地下灌溉有抑制水分通过地表蒸发而散失的效果；并且植株吸收水分最先从离树干湿润区最近处吸收[13]。这与汤英等[14]采用微润管不同埋深和水头对果树进行试验研究的结果一致。

表6 不同处理方式对枣树产量及其水分利用效率的影响

3.2 微孔渗灌不同铺设方式对枣树产量、水分利用效率的影响

土壤中水分的分布直接影响作物的根系生长，根系吸收水分和养分的能力与作物的生长和光合作用相联系，进而影响作物的产量和水分利用效率[15]。适宜的毛管埋深(20、40 cm)和灌水量有利于促进作物生长提高产量和果实品质[16]，并且可以促进作物根系生长[17]。本文试验发现微孔渗灌铺设方式为埋深20 cm、环形铺设半径40 cm有利于枣树产量构成因素、产量及水分利用效率的提高。也有研究表明[7]，地下渗灌埋深10 cm更有利于马铃薯产量和水分利用效率的提高，与本文埋深20 cm最佳结论不符，主要是马铃薯根系较浅，果实在地下生长，对水分的要求较低，并且试验中采用起垄种植所致；枣树根系分布范围较广，可以吸收更深层的土壤水分[18]，本试验中选取的枣树根系分布在0～60 cm，微孔渗灌埋深较深时，不利于提高枣树产量和水分利用效率，并且微孔渗灌埋深10 cm较埋深为30 cm的产量更高、产量构成因素更优，主要是埋深较浅时，土壤水分向下运移在0～40 cm，位于根系集中区域，并且表层土壤更有利于根系呼吸。

4 结 论

1)随着微孔渗灌埋深的增加，土壤含水率最大分布范围和湿润锋均向下移动，埋深从10 cm增加到30 cm时，土壤含水率垂直方向最大分布范围从0～45 cm增加到10～55 cm。随着微孔渗灌铺设半径的增大，土壤含水率最大分布范围和湿润锋均向外移动，铺设半径从30 cm增加到50 cm时，土壤含水率空间分布整体向外移动10 cm，并且各处理的最大湿润区域土壤含水率值均在20%以上。

2)R40D20处理下枣树的枣吊长度、每吊开花数、每吊坐果数、坐果率、单果重、单株结果数、产量、水分利用效率均最大，分别为31.24 cm、66朵、39个、59.70%、19.20 g、444个、7 666.82 kg·hm-2、2.83 kg·m-3，并且均与其他处理存在显著差异(p<0.05)。