基于自动灌溉模式的日光温室黄瓜土壤水分参数设定

梁新书 廉晓娟 李友丽 王艳 韩永钢 孙崧

摘    要：为研究日光温室黄瓜土壤水分自动灌溉参数，以日光温室秋冬茬3个黄瓜品种（‘W9’，‘津优35’，‘德瑞特721’）为研究对象，在结果期共设95% FC（田间持水量）、90% FC、80% FC、70% FC及60% FC 5个土壤灌溉下限处理，研究不同土壤水分下限自动灌溉处理对土壤水分、黄瓜产量及水肥利用率的影响。结果表明：从3个黄瓜品种表现看，‘W9’对水分处理响应不敏感，产量无显著差异，而‘津优35’和‘德瑞特721’黄瓜处理间的表现相对一致。当灌溉下限为95% FC和90% FC时，灌溉频次增加，高土壤含水量并不会显著提高黄瓜产量，但灌溉水利用率和肥料偏生产力都显著下降;当灌溉下限为60%FC時，灌溉频次下降，灌溉水利用率和肥料偏生产力会显著提高，但土壤相对缺水使‘津优35’和‘德瑞特721’黄瓜造成了一定减产;当土壤含水量灌溉下限为70%FC及80%FC时，土壤水分基本维持在70% FC～100% FC范围内，能保证较高的黄瓜产量和水肥利用率，可作为秋冬茬黄瓜自动水肥管理的合理灌溉参数。

关键词：黄瓜;灌溉参数;土壤水分传感器;自动灌溉

中图分类号：S274.1         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.012

Establishment of Soil Water Parameters for Cucumber in Solar Greenhouse Based on Automatic Irrigation Mode

LIANG Xinshu1， LIAN Xiaojuan1， LI Youli2， WANG Yan1， HAN Yonggang3， SUN Song4

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Tianjin Academy of Agricultural Sciences， Tianjin 300192， China; 2. Research Centre of Intelligent Equipment Technology of Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Beijing 100097， China; 3. Yongfeng Vegetable Planting Professional Cooperative of Binhai New District of Tianjin， Tianjin 300480， China; 4. Tianjin Youhe Agricultural Technology Service Limited Company， Tianjin 300061， China）

Abstract： In order to study the automatic irrigation parameters of soil water for cucumber in solar greenhouse， through taking three cucumber varieties （'W9'， 'Jinyou 35'， 'De Ruite 721'） in the solar greenhouse autumn-winter season as research objects， an experiment set five treatments of different irrigation lower limits during the fruiting period of cucumber， including 95% FC （field water holding capacity）， 90% FC， 80% FC， 70% FC and 60% FC， studying effects of different automatic irrigation treatments based on different soil water lower limits on soil water content， cucumber yield， water and fertilizer use efficiency. The results showed that from the performance of the three cucumber cultivars， 'W9' was insensitive to different water treatments and had no significant difference in yield， but the performances of 'Jinyou 35' and 'De Ruite 721' were relatively consistent between different treatments. When the lower irrigation limit of soil water content was 95% FC or 90% FC， the frequency of irrigation was raised， and the high soil water content did not significantly improve the cucumber yield， but the irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity decreased significantly. When the lower irrigation limit of soil water content was 60% FC， the frequency of irrigation decreased， although the irrigation water use efficiency and fertilizer partial productivity increased significantly， the relative lack of soil water caused a certain reduction in yield of 'Jinyou 35' and 'De Ruite 721'. When the lower limit of soil moisture irrigation were 70%FC and 80%FC， the soil water content was basically maintained in the range of 70%FC-100%FC， which could ensure higher yield and use efficiencies of water and fertilizer， and 70%FC-80%FC could be used as reasonable irrigation parameters for automatic fertigation of cucumber in autumn and winter season.

Key words： cucumber; irrigation parameters; soil water sensor; automatic irrigation

黄瓜是设施蔬菜生产中种植面积较大且经济价值较高的作物之一，但过量灌溉现象十分突出。传统灌溉方式下50%以上的灌溉水渗漏到耕层以下，易造成水肥资源的浪费，节水潜力巨大[1]。目前，国内学者已从不同角度对设施蔬菜需水规律[1-3]、灌水量[1-2]、灌水频率[3]、水肥耦合[4-5]、滴头间距和流量[6]等节水高效灌溉指标进行了研究。随着蔬菜产业的发展转型和节水研究的不断深入，对于规模化和现代化农业园区而言，自动控制的水肥一体化技术需求不断增加，灌溉施肥机、传感器灌溉等物联网节水技术的研究也不断涌现。目前，以色列、荷兰等农业发达国家普遍使用土壤墒情监测、自动化等先进节水灌溉技术[7-8]，但我国自动化灌溉技术起步晚，与国外差距还较大[9-11]。我国作物类型繁多、气候环境多变、土壤条件复杂、区域性较强，具体作物的自动化灌溉参数尚缺乏系统研究。因此，本试验以日光温室黄瓜为研究对象，采用基于土壤水分实时监测自动灌溉模式，研究不同土壤含水量下限对温室黄瓜产量及水肥利用率的影响，旨在为黄瓜实现自动变量水肥管理提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试作物为黄瓜，3个黄瓜品种分别为‘W9’（天津科润农业科技股份有限公司黄瓜研究所试验品种）、‘津优35’（天津科润农业科技股份有限公司）、‘德瑞特721’（天津德瑞特种业有限公司）。3个品种均适宜保护地栽培，田间表现整体适应性强，结瓜和丰产性较好，综合抗病能力强，植株长势中等，瓜条生长速度快，水肥需求量较大。

1.2 试验设计

试验共分5个水分主处理，5个黄瓜结果期灌溉下限对应的土壤相对含水量分别为95% FC，90% FC，80% FC，70% FC，60% FC。不同黄瓜品种为副处理，在每个水分处理下定植进行。每个小区面积为3.9 m×7.5 m，每个处理3次重复，随机区组排列。每个水分处理3个畦，每个小区定植3个不同品种，每畦定植1个品种。不同水分处理用40 cm深的阳光板作为隔离。试验采用的土壤水分传感器自动滴灌控制系统由北京农业智能装备技术研究中心试验定制，能依据实时土壤水分含量进行阈值判定，决策灌溉。采用的土壤水分传感器（SM8001）利用频域反射法连续测定土壤体积含水量，此测量方法符合目前国际标准，能实时快速稳定地反映土壤水分含量变化。

1.3 试验管理

试验于2017年9月6日—2018年1月13日在天津市滨海新区永丰蔬菜种植专业合作社日光温室中进行。供试土壤为粘土，0～20 cm土层土壤有机质含量4.87%，水解氮含量243.9 mg·kg-1，有效磷含量391.0 mg·kg-1，速效钾含量1 267.5 mg·kg-1，pH值7.44，全盐含量2.92 g·kg-1，容重为1.05 g·cm-3，田间持水量（FC）为40.11%（体积含水量）。定植前按300 m3·hm-2用量撒施稻壳鸡粪（N∶2.54%，P2O5∶2.5%，K2O∶2.6%），用旋耕机翻耕。做畦方式为传统高平畦，畦宽80 cm，沟宽50 cm。两叶一心的黄瓜幼苗于2017年9月6日定植，每畦2行，行内株距为30 cm，畦内行距40 cm，种植密度为51 300株·hm-2。

土壤水分传感器滴头正下方15 cm处（黄瓜根系主要集中在0～30 cm土层，此处是根系密集区）用于判断灌溉是否开启，每个处理在‘津优35’栽培畦内配有1个土壤水分传感器，传感器均标定后使用，传感器埋放位置的周边区域应保证土壤均匀、畦面平整、植株具有代表性、滴灌平整并固定等。每次灌水定额为5 mm，每次施纯氮浓度为140 g·m-3，氮磷钾比例为1∶0.3∶1.5，肥料种类为尿素、磷酸二氢钾和硝酸钾。

所有畦均采用滴灌，滴头间距为30 cm，每个滴孔对应1棵植株。试验过程中除水肥管理不同外，其余田间管理均与当地农民常规管理一致。黄瓜定植后，根瓜处理开始灌水处理，处理前共灌水150 mm。2017年10月16日开始灌水处理，当天共灌水施肥2次，2018年1月13日处理结束。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 根層和拉秧后不同土层土壤水分测定  土壤水分传感器（SM8001）埋在滴灌管滴头正下方15 cm处，实时监测土壤体积含水量的变化，并且用于判断各处理灌溉是否开启，数据保存间隔为10 min。在黄瓜拉秧期取0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层土样测定土壤质量含水量，含水量测定采用烘干法。

1.4.2 产量测定 每个畦收获时用电子秤测产量，分别统计不同品种黄瓜产量，然后折算成每公顷产量。

1.4.3 水肥利用率测定 试验结束后，统计各处理灌水量与施肥总量，计算水肥利用率。灌溉水利用效率为产量与灌水总量的比值;肥料偏生产力为产量与纯N、P2O5及K2O投入总量的比值。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS 17.0进行数据统计，不同处理方差分析采用one-way ANOVA分析过程中的Tukey多重比较方法在P<0.05水平上进行。

2 结果与分析

2.1 水肥投入量比较

通过表1可以得出，95% FC，90% FC，80% FC，70% FC及60% FC 5个水分处理的结果期共灌水施肥分别为45，31，21，20，2次。由此得出，若使土壤含水量维持在较高的水平，就要增加灌溉频次。相比于其他处理，70% FC和80% FC 2个处理的灌溉频次及灌水量均处在中等水平。

2.2 根层土壤含水量动态变化

由图1可知，在95% FC、90% FC和80% FC 3个处理下，每次灌水后土壤含水量呈增加—急剧下降—缓慢下降的趋势。这是由于灌溉后土壤含水量超过田间持水量，数值的急剧下降与土壤孔隙间重力水下渗速度较快有关。土壤含水量缓慢下降的起点都在40%附近，此数值与基础土样田间持水量测定值吻合。70% FC处理土壤体积含水量在每次灌溉后的最大值基本都低于40%，说明该处理灌水后土壤含水量未达到田间持水量。60% FC处理在处理开始灌水2次后，黄瓜结果期再没有进行灌水，说明根层水分的相对含水量并没有下降到60% FC以下，由拉秧土不同土层土壤含水量分布的数据图2可以得出，这可能是处理前灌水较多，传感器下方的水分向上运移或作物利用了较深土层的水分等多种原因综合导致的。另外，试验基地地下水位比较高，地下水位埋深1.2 m，也是该处理下根层土壤水分一直下降不到60% FC以下的原因之一。

2.3 黄瓜产量及水肥利用率分析

从不同处理灌水施肥投入量来看，5个处理之间水肥投入量存在很大差异，但是黄瓜产量的差异在不同品种之间的响应却不同。由表2可知，‘W9’黄瓜产量处理之间无显著差异，对水肥处理响应不敏感，而‘津优35’和‘德瑞特721’黄瓜在不同水肥处理之间的产量表现一致。从表2、表3和表4数据可知，增加灌水施肥投入量，维持高土壤含水量（95% FC和90% FC处理）并不会显著提高黄瓜产量，并且水肥投入量的增加使灌溉水利用率和肥料偏生产力显著下降。对于60% FC处理而言，水肥投入量过少，虽然利用了深层的水分，得到了非常高的灌溉水利用率和肥料偏生产力，但是黄瓜的产量在 ‘津优35’和‘德瑞特721’却造成了一定的损失，与70% FC处理相比，2个品种分别减产13.8%，11.7%。相比较而言，80% FC和70% FC 2个处理的灌水施肥量比较接近，既保证了高黄瓜产量，又保持了比较高的灌溉水利用率和偏生产力。相比较95% FC处理，70% FC～80% FC处理可节水32.0%～33.3%，节肥53.3%～55.6%，黄瓜产量在‘W9’、‘津优35’和‘德瑞特721’3个品种无显著差异，相应的灌溉水利用率分别提高56.0%～65.8%，48.2%～60.8%，35.7%～53.7%，相应的肥料偏生产力分别提高127.5%～148.8%，115.9%～141.1%，97.7%～130.5%。

3 结论与讨论

黄瓜属于高耗水蔬菜，需频繁灌溉。目前生产中多采用经验灌溉或定时定量灌溉模式，这容易引起灌水过多或过少、灌水时期不适宜等不合理灌溉现象的发生。随着设施农业自动化水肥管理需求的不断增加，确定基于土壤水分自动灌溉模式合理的参数是当前研究的热点和难点。本研究得出，基于埋深在滴头正下方15 cm处的土壤水分实时监测进行自动控制灌溉在日光温室黄瓜生产上是可行的。当土壤含水量灌溉下限为95% FC和90% FC时，会导致灌水施肥频次增加，水肥投入量增加并不会引起黄瓜增产，可能的原因是秋冬季节日光温室温光环境相对较差，黄瓜生长缓慢，较高的土壤含水量水平会使根层溶氧量不足，进一步抑制产量的形成，从而导致灌溉水利用率和肥料偏生产力的下降[12-13]。

当土壤含水量灌溉下限为60% FC时，虽然灌溉频次和水肥投入量都下降，灌溉水利用率和肥料偏生产力会显著提高，但土壤相对缺水，造成了黄瓜一定的减产，此结论与前人研究结果相一致[14-16]。从3个黄瓜品种的表现综合来看，当土壤含水量灌溉下限为70%FC～80%FC时，既能确保黄瓜高产，又能使灌溉水利用率和肥料偏生产力维持较高的水平，可能的原因是黄瓜根系主要分布在0～30 cm土层内，基于滴灌滴头15 cm处土壤水分监控的自动灌溉施肥模式可使土壤水分、养分与植株根系集中在根层，能有效保证空间一致性，土壤水分基本维持在70%FC～100%FC范围内，促进黄瓜节水丰产，避免土壤水分过多或过少的现象发生[17-19]。

本研究证明，采用基于土壤水分实时监测的自动灌溉模式，灌溉下限数值设置为70%FC～80%FC所对应的传感器度数，此方法可使土壤水分保持在相对适宜的范围内，彻底解决传统定时定量灌溉模式的引起土壤水分过多或缺乏的问题，使作物水分管理更加科学合理。作物长势、温室环境、栽培措施等均影响黄瓜生长期间的耗水量，从而造成灌水间隔的不确定性。采用合理的土壤灌溉下限值结合小定额灌溉，能真正实现按照作物耗水量进行灌溉。随着设施农业机械化和自动化生产水平的不断提高，此模式具有广阔的应用前景。

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