不同灌水下限对设施滴灌无土栽培红掌水分利用和生长的影响

不同灌水下限对设施滴灌无土栽培红掌水分利用和生长的影响

马福生1,2，刘洪禄1,2，吴文勇1,2，杨胜利1,2
（1. 北京市水利科学研究所，北京 100044； 2. 北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100044）

0 引 言
花卉在营造城市景观、增强社会文明方面发挥了重要作用。随着城乡一体化迅速发展和人民生活水平的不断提高，全社会对花卉的需求量日益增加，全国花卉种植规模不断扩大。根据财政部网站资料，我国花卉产业规模已居世界第一，2008 年花卉面积已达7.75 万hm2，全国花卉销售额达到666.9 亿元，花卉出口3.99 亿美元。据 统 计 ， 典 型 设 施花卉灌溉定额为3 150 ～3 900 m3/hm2[1]，均为优质的清洁水资源，存在灌溉水利用率低、灌溉制度缺乏科学依据等问题，优质灌溉水肥源浪费严重。目前，典型农作物[2-6]、果树[7-9]和景观植物[10-12]的耗水规律研究已经取得了众多成果，但设施花卉节水灌溉研究力度仍然薄弱，其中典型无土栽培设施花卉耗水规律研究成果更是少见报道，严重滞后于花卉产业的迅速发展。揭示植物耗水规律是研究自然界水分循环、探索植物生态功能和指导植物精量灌溉、保障经济产品高产优质的必然需求，一直是水文、气象、农田水利、生态环境等各个学科的研究热点。本文正是立足于高端设施花卉耗水研究力度薄弱的现状，以典型的盆栽观叶花卉－红掌为研究对象，系统研究其设施生产全过程的耗水规律和水分利用效率，为设施盆栽红掌的灌溉系统设计和精量灌溉控制提供科学依据。

1 试验布置与观测方法
1.1 基本情况与试验设计
本试验在北京市吉鼎立达科贸有限公司生产基地（通州区永乐店镇）的智能连栋温室内进行。温室材料为双层中空阳光板，跨度8 m，开间4 m。室内配温度、湿度和光照调控设备，温度保持在20℃～30℃之间，温室运行管理模式详见参考文献[13]。试验选择红掌为供试对象，品种为“火焰”，属天南星科（Araceae）、红掌属（Anthurium）。以进口丹麦品氏托普（PINDSTURP）泥炭土和国产珍珠岩按照体积比10:1 的比例混合作为栽培基质，基质干体积质量为0.16 g/cm3，基质体积持水率（θFC）为0.4315。供试红掌采用盆栽，花盆上口直径为16 cm，下底直径10 cm，高12.8 cm，容积1.4 L 左右，填装基质至距花盆上口2 cm 左右。试验处理如表1 所示。
表1 试验处理设置

注：灌水下限以占基质持水量的百分率计。
本文以基质持水量作为上限控制各处理灌水定额。试验于2009 年7 月4 日移栽时开始，至2009 年11 月5 日结束，共历时124 d。供试种苗摆放密度为苗期15 盆/m2、后期10 盆/m2，移栽时种苗高18 cm 左右，长势均一。采用出水量为3.85 L/h 的压力补偿式滴头（工作压力范围为0.05～3 MPa），配以4 个出水口的平口多孔管，用统一长度1 m 的芒管连接滴箭，侧向浅插入花盆基质1 cm 左右的花卉根系中心区域供水，按照相应控制下限，将基质持水率作为上限确定灌水定额。花盆置于托架上，托架下放置聚氯乙烯（PVC）盛水器收集渗漏水。每个处理5 次重复，监测样株两侧设置保护行，采用带有压力罐的自吸式稳压水泵为动力，应用美国产水力驱动的比例施肥泵实现随水施肥，所有试验小区随机分布，耕作、施肥、病虫害防治处理措施均相同。
1.2 观测方法
1）耗水量。花盆质量、每盆漏水量、花卉样株质量测试方法与参考文献[13]相同。耗水量以单盆花卉耗水质量计，运用水量平衡法确定阶段耗水量，见式（1）。

式中，ETi 为第i 时段耗水量，g/盆；W1 为时段初花盆质量，g/盆；W2 为时段末花盆质量，g/盆；I 为时段内花盆灌水量，g/盆；D 为时段内花盆漏水量，g/盆。
2）生物量。分东西和南北两个方向用直尺测量样株的冠幅，取两个方向的平均值作为样株冠幅的代表值。测定叶片长度和最宽处的宽度。以种植盆盆沿为基准，测量盆沿到花卉样株最高点处的距离作为株高代表值。佛焰苞顶点至叶柄根部距离作为其长度值，最宽处距离作为其宽度值。
3）基质水分物理特性。用常规方法[14]测试栽培介质的干体积质量和基质持水量。
4）基质含水率。用供试种苗整体盆质量减去植株质量、基质干质量和盆质量，得到基质中含水的质量，用含水质量除以水的容重，再除以基质体积测算得到基质含水率。

3 结果与讨论
3.1 滴灌条件下不同灌水下限对基质含水率的影响
不同灌水下限处理对基质含水率的影响如图1 所示。

a. T1（灌水下限为基质持水率的90%）

b. T2（灌水下限为基质持水率的80%）

c. T3（灌水下限为基质持水率的70%）

d. T4（灌水下限为基质持水率的60%）

e. T5（灌水下限为基质持水率的50%）
注：相对含水率以占基质持水量的百分比计
图1 不同灌水下限对试验期间基质含水率的影响
试验开始时，各处理基质基础含水率统一调整为基质持水量。7 月4 日到7 月7 日各处理均未灌水，从图1可以看出，处理间基质含水率差异不大；7 月7 日至7 月12 日，T1、T2 和T3 先后达到灌水下限实施灌水，3 个处理基质含水率从T1 到T3 依次降低，均高于未灌水且含水率差异不大的T4 和T5。7 月20 日以后，基质含水率总体表现为T1 的82%～96%θFC、T2 的75%～94%θFC、T3 的64%～88%θFC、T4 的56%～80%θFC 和T5 的44%～76%θFC 之间，总体表现为自T1 到T5 随着灌水下限的降低而降低。与Karam F 等取得的灌水下限对土壤含水率的影响研究结果一致[15]。
不同灌水下限对灌水后基质含水率的影响如图2 所示，对田间水利用系数的影响如图3 所示。从图 2 可以看出，随着灌水下限的降低，各处理灌水后基质含水率相应降低。试验期间，T1、T2、T3、T4 和T5 各处理灌水后基质含水率平均值分别为93.32%θFC、89.31%θFC 、83.31%θFC 、76.02%θFC 和66.95%θFC，均低于利用常规测试方法得到的基质持水量水平，这是基质滴灌局部供水和有机介质物理特性随基质含水量发生变化造成的。根据试验实测结果，T1、T2、T3、T4 和T5 试验期间各次灌水平均渗漏损失水量分别是22.30、49.05、78.02、107.74和138.62 g/盆，灌溉渗漏损失量随着灌水下限的降低而增加。

注：相对含水率以占基质持水率的百分比计。
图2 不同灌水下限对灌水后基质含水率的影响

注：相对含水率以占基质持水率的百分比计。
图3 不同灌水下限对田间水利用系数的影响
田间水利用系数是实际灌入田间的有效水量（旱作农田指蓄存在计划湿润层中的灌溉水量）和末级固定渠道（农渠）放出水量的比值[16]，本文指灌水时被种植盆内基质吸收保存的水量与灌溉供入种植盆内总水量的比值，灌溉供入种植盆内总水量实测得到，被基质保存水量由总水量减去渗漏水量得到。从图3 可以看出，供试条件下，田间水利用系数总体呈现出随着灌水前基质含水率的降低而降低的趋势。试验期间，T1、T2、T3、T4 和T5 处理的平均田间水利用系数分别为0.519、0.471、0.439、0.419 和0.402，而《微灌工程技术规范》（GB/T 50485-2009）中规定滴灌的灌溉水利用系数不应低于0.9[17]，供试基质的田间水利用系数比该规范规定的灌溉水利用系数限值还低。
综上所述，灌水下限是影响滴灌供水条件下，基质含水率和田间灌溉水利用系数的关键要素，二者均随着灌水下限的降低而降低。齐海鹰[18]等研究了不同供水方式对基质理化特性的影响，发现不同供水方式对基质孔隙结构、基质体积、盐分和酸碱环境有显著影响。因此，本文基质含水率和田间灌溉水利用系数的变化特征可能是滴箭局部供水对供试栽培基质体积和孔隙结构造成影响的结果，对于无土栽培基质的水分吸持耗散机理还需深入研究。
3.2 滴灌条件下不同灌水下限处理对红掌灌溉用水量的影响
滴灌条件下，不同灌水下限对红掌灌溉用水量的影响如表2 所示。
表2 不同灌水下限对供试红掌灌溉制度的影响

注：灌水定额以每盆计。
从表 2 可以看出，灌水周期随着灌水下限的降低而延长，与常规土壤节水灌溉试验的结论基本相同[19-20]；但各处理的灌溉定额随着灌水下限的降低而增加，与T1相比较，T2、T3、T4 和T5 灌溉定额分别增加了5.3%、22.7%、38.2%和29.3%，与常规土壤节水灌溉试验相反[21]。供试基质的田间水利用系数随着灌水下限的降低而减小，是导致基质栽培灌溉定额随灌水下限降低而增加的原因。
3.3 滴灌条件下不同灌水下限对红掌生长状况的影响
滴灌条件下，不同灌水下限对红掌株高和冠幅生长发育的影响分别如图4a 和图4b 所示。

从图 4a 可以看出，T3 和T4 表现出了较为明显的生长优势，试验结束时，T1、T2、T3、T4 和T5 各处理的红掌株高分别为25.4、27.0、28.5、30.3 和28.7 cm。显著性检验（p=0.05）结果表明，T4 的株高显著高于T1，比T1 提高了19.3%，其余处理与T1 间差异不显著。从图 4b 可以看出，与株高一样，T4 的冠幅也表现出了明显的生长优势，试验结束时，T1、T2、T3、T4 和T5 处理的红掌冠幅分别是35.3、33.3、35.2、40.5 和36.2 cm。显著性检验（p=0.05）结果表明，T4 的冠幅显著高于T1，比T1 提高了14.7%，其余处理与T1 间差异不显著。滴灌供水条件下，不同灌水下限处理对红掌观赏部位佛焰苞的影响如表3 所示。可以看出，5 个处理红掌的花朵数均约为3 朵，处理间差异不大。T1~T4 这4 个处理的佛焰苞长度均为10.5 cm左右、宽度均为7.5 cm左右，处理间差异不大（p=0.05）。灌水下限最低的T5 佛焰苞长度、宽度均最小，对红掌的观赏品质产生了负面影响。
表3 不同灌水下限对红掌佛焰苞的影响

3.4 滴灌条件下不同灌水下限对红掌耗水的影响
滴灌条件下，不同灌水下限对红掌耗水量的影响如表4 所示。
表4 不同灌水下限对试验期间红掌耗水量的影响

注：以每盆计。
从表 4 可以看出，试验期间供试红掌耗水量介于2 521～2 985 g/盆之间。与T1 相比较，T2、T3、T4 和T5 均减少了红掌的耗水总量，耗水总量分别降低了14.2%、6.1%、4.3%和15.5%，即灌水下限降低减少了供试红掌的耗水量。李霞[22]等开展了不同基质含水量下盆栽番茄蒸腾量研究，也发现基质含水率下降总体上减少了基质盆栽西红柿的蒸腾量。不同处理间耗水量差异是植株蒸腾和基质蒸发共同影响的结果，从株高可以看出（图4a），T1 和T2 植株长势相对较弱，T1 由于灌水频繁，基质含水率始终处于较高水平，基质蒸发能力强可能是其总体耗水多的主要原因，T2 含水率明显低于T1，基质蒸发能力弱可能是其耗水量降低的主要原因；T3 和T4 植株长势好，蒸腾能力强可能是其耗水量较高的原因；T5 的基质含水率水平最低，且植株长势较弱，基质蒸发和植株蒸腾能力均弱，可能是其耗水量偏低的主要原因。盆栽基质的耗水构成机制还需深入研究。
3.5 连栋温室滴灌条件下无土栽培红掌的适宜灌水下限
花卉产业的典型特点是投入成本高、追求高收益，灌水技术和灌溉制度是影响花卉质量和效益的关键。在品质决定花卉经济价值的条件下，灌溉制度制定应优先服务于获得花卉高品质，同时，综合考虑节水、节肥、节能以及减少人力资源投入等多重效益。本文研究结果表明，灌水下限是影响红掌耗水和品质的关键，与T1 相比较，灌水下限控制为基质持水量60%的T4 花朵数和佛焰苞大小未受影响，但耗水量降低了4.3%，株高显著提高了19.3%，冠幅显著提高了14.7%，提升了红掌的观赏品质。其余处理与T1 相比较，虽然耗水量均有不同程度的降低，但均未提升红掌观赏品质，甚至T5 对观赏品质造成了负面影响。因此，本文滴灌供水条件下，红掌的适宜灌水下限应控制为基质持水量的60%，此时基质含水率处于基质持水量的60%~80%之间；移栽60d 内灌水周期4～5 d，60～124 d 灌水周期2～3 d，试验期间灌水定额为185.44 g/盆。虽然本研究中的T4 取得了较好的灌溉效果，但是其田间水利用系数仅为0.42 左右，滴灌优质水肥资源渗漏损失严重，成为重要的环境污染源。急需深入研究无土栽培基质水分吸持机理，研发基质栽培滴灌技术模式，开发理化性质稳定的基质材料，加强优质水肥资源循环利用，确保花卉优质的同时，提高水肥资源利用效率，支撑花卉产业同时实现灌溉节水、产品优质、产业环保等多重目标。

4 结 论
1）灌水下限是影响基质含水率和灌溉水利用率的关键控制性要素，基质含水率、田间水利用系数均随着灌水下限的降低而降低，灌溉渗漏损失量随着灌水下限的降低而增加。本文供试条件下，田间水利用系数仅为0.40～0.52 左右；灌水周期随灌水下限的降低而延长，灌溉定额反而增加，与灌水下限为基质持水率90%处理相比较，灌水下限为基质持水率80%、70%、60%和50%处理的灌溉定额分别增加了5.3%、22.7%、38.2%和29.3%。
2）供试条件下，处理间红掌的花朵数差异不大，均约为3 朵。灌水下限为基质持水量60%时，红掌佛焰苞大小未受影响，株高和冠幅分别显著增加19.3%和14.7%（p=0.05），提升了观赏品质。其余处理除灌水下限为基质持水率50%的处理减小了红掌的佛焰苞外，与灌水下限为基质持水率90%的处理差异不显著。
3）供试期间，红掌耗水量约为2 522～2 986 g/盆，且耗水量随着灌水下限的降低而减小，与灌水下限为基质持水率的90%处理相比较，灌水下限为基质持水率80%、70%、60%和50%处理的耗水量分别降低了14.2%、6.1%、4.3%和15.5%；以获得供试条件下红掌最优观赏品质为目标确定红掌的适宜灌水下限应控制为基质持水量的60%，基质含水率处于基质持水量的60%～80%之间，移栽60 d 内灌水周期4～5d，60～124 d 后灌水周期2～3 d，灌水定额为185.44 g/盆。