设施蔬菜控漏灌水机理与技术研究

摘要

本文针对设施菜田灌溉水量大、渗漏浪费严重,蔬菜节水灌溉理论缺乏、灌溉指标体系不健全的问题,基于设施蔬菜高频灌溉和移栽栽培的特点,以根-土-水系统为核心,进行了以番茄、黄瓜为代表的日光温室蔬菜控漏灌水机理与技术研究。通过控制性蔬菜试验,研究了根系分布特征及其对土壤水分环境的响应,不同灌溉与栽培方式下根系消耗土壤水的空间特征和不同根土空间对番茄生长的贡献率,不同灌水量下的番茄田水分与养分土体运移特征与控漏灌溉土壤水分含量阈值,不同灌水量对番茄生长发育、产量和水分生产效率的影响,蔬菜控漏灌溉的灌水定额指标体系构建;配合不同减蒸控漏的灌溉方式的番茄产量、水分利用效率之间的关系研究,构建蔬菜节水灌溉关键技术。
　　 本研究探讨了温室环境下高频灌溉的浅根系蔬菜的根-土-水-肥的关系,阐明了设施蔬菜控漏灌溉的机理,提出了“根-水-肥同位管理”的理念和采取“依根定水”的管理策略,确立了根层灌溉关键指标,达到了控漏灌溉节水的目标。提出结合现有的减蒸技术能够实现蔬菜“减蒸控漏”是蔬菜高效用水的有效途径。主要研究结果如下:
　　 1.日光温室蔬菜根系分布特征及对土壤水分环境的响应蔬菜主要根系层分布具有相对稳定性。蔬菜根系扎深基本不受灌溉方式、灌溉水量等土壤水分环境变化的影响,露地甘蓝垂直分布的最大深度30cm、温室黄瓜30cm、温室番茄60cm。蔬菜占根质量90％的主要根系分布在0～30cm的浅土层。不同蔬菜种类根重在土层的垂直分布,露地甘蓝91％以上在0～10cm,温室黄瓜99％以上在0～25cm土层,温室番茄92％以上在0～30cm土层。面对主要根系层的“依浅根管理”对蔬菜作物尤为重要。
　　 蔬菜根系密集层垂直分布具有变化性。以根质量最大的土层作为蔬菜的根系密集层,根系密集层显著受灌溉方式、土壤水分、供水界面、覆盖与否等条件因素影响。滴灌、覆膜和水分过高环境都使其变浅。地下供水(渗灌)较地面供水(沟灌)使根系分布呈现较均匀化特征。调节根系密集层的分布范围有利于根系更大范围吸收水分及养分。
　　 2.番茄对土壤水的消耗特征灌溉方式影响番茄田不同生育时期的最大耗水层、土体水分活跃层、亚活跃层、稳定层及主要耗水层等耗水表征量,但无论何种灌溉方式,番茄田各生育期的土壤水分活跃层均在0～30cm的土层,土壤水分稳定层在30～60cm或40～60cm土层。番茄田的主要耗水层次均在0～40cm土层,该层次耗水量占番茄根层耗水的85％～90％以上;耗水强度最大层除采收期在0～10cm土层外,其他时期均在10～20cm土层。0～40cm土层是菜田控漏灌溉所要考虑的关键“根土层”。
　　 不同生育期蔬菜田耗水强度呈现花果期盛果期＞结果后期＞花果期的趋势;不同灌溉方式下各时期日耗水量分别为,膜下渗灌:花果期0.77mm、盛果期2.02mm、结果后期1.95mm;膜下沟灌:花果期0.74mm、盛果期1.90mm、结果后期1.99mm;沟灌:花果期1.22mm、盛果期3.32mm、结果后期3.29mm。番茄田不同生育期耗水强度的明确,为制定可变灌溉周期提供了依据。
　　 3不同根土空间对番茄生长的贡献率不同根土空间对温室番茄产量的试验研究表明,至少30cm的根系纵深,才能够获得与对照差异不显著的产量效果,30cm根土空间的番茄产量可达对照的97.9％,40cm可达到99.1％。番茄不同生育性状所需根土空间具有差异。株高初花期需要10cm、花果期需要30cm的根土空间以满足水肥供给;而叶片数、茎粗、节间等生长性状不同时期则需10cm根土空间;叶面积初花期及果膨期后期需要10cm,果膨期前期则需要20cm。
　　 土体的塑料隔深与番茄产量及根系生物量与番茄产量均呈现二次曲线关系,以产量为目标的番茄田最大“根土功能空间”为0～40cm。由此,促进一定根土空间范围内的根-水-肥功能同位与同步,成为实现较高的产量和水肥利用效率的基础。
　　 4.蔬菜控漏灌水定额指标的确定不同生育期土壤含水量对黄瓜生育影响的研究表明,黄瓜各生长指标的增速存在显著的阶段差异。株高增速最大期在苗期,叶片数在初瓜期,叶面积在盛瓜期,茎粗在结瓜后期。缺水对处于最大增速期器官的影响极为明显。根据温室黄瓜生育及产量对土壤水分的响应,确定了黄瓜不同生育期灌溉的土壤水分阈限值:下限指标分别为苗期75％、初瓜期75％、盛瓜期85％和结瓜后期85％;上限指标分别为苗期95％、初瓜期95％、盛瓜期100％和结瓜后期100％。不同生育期适宜的土壤水分指标分别为:苗期75％-80％、初瓜期75％-95％;盛瓜期85％-95％;后期85％-95％。由此估算黄瓜不同生育期的控漏经济灌水定额在10～14m3/667m2。
　　 温室番茄不同生育性状对土壤水分的反应具有显著差异,茎粗基本不受灌水量影响,株高各个时段均对土壤水分反应敏感,Fv/Fm和光合速率只在采收前阶段或进入采收期后才呈现差异。不同土壤水分与番茄产量,及土壤水分与菜田耗水量均为二次曲线关系。综合考虑生长、产量、水分生产效率等指标,秋冬茬温室番茄生产以灌水量15m3/667m2为宜,灌溉10与15m3/667m2产量差异不显著,灌水量10m3/667m2也可作为生产选择。
　　 5温室番茄田水分与养分的土体运移规律及控漏灌水定额灌溉水土体运移监测表明,灌水定额大于30mm水平下,水分入渗深度可达120cm土层,小于15mm时,最深至60cm,灌水定额7.5mm水分入渗深度仅40cm,并部分层次不能达到田间持水量的85％。以主要根系层40cm为界,灌水定额大于30mm水平下会造成59.13％以上的灌溉水量渗漏;以最深根层60cm为界,则花果期会造成48.23％,盛果期36.27％以上的灌溉水渗漏。在灌水定额7.5mm～45mm范围内,灌溉水根层外的渗漏率与灌水定额呈线性相关;0～40 cm、0～50 cm、0～60 cm不同土层渗漏率为0的灌水定额分别为:9.55mm、11.27mm和12.07mm。
　　 施肥与不施肥条件下的灌溉试验表明,灌水定额与土壤硝态氮淋溶量和淋溶率、渗漏率均呈直线关系。灌溉均会引起浅根层(0～20 cm)硝态氮淋溶,灌溉施肥条件下7.5-15mm灌水定额范围内硝态氮积累有一个峰值,而22.5-45mm范围则有两个峰值。以40cm土层为界面,灌水定额在7.5-15mm时,灌溉不施肥条件下硝态氮渗漏率为0,灌溉施肥条件下土壤硝态氮渗漏率为0-5.19％:灌水定额在22.5-45mm之间,灌溉不施肥土壤硝态氮渗漏率为5.38％-19.08％,灌溉施肥条件下土壤硝态氮渗漏率为21.91％-61.96％。
　　 综合蔬菜对水分处理的生物学反应及水土工程学特征,提出黄瓜不同生育期的控漏经济灌水定额在10-14m3/667m2,番茄适宜的灌水定额10-15 m3/667m2。控制番茄田花果期与采收期水氮根层外渗漏的最大灌溉定额为15m3/667m2。
　　 6通过日光温室小区栽培番茄试验,比较沟灌(CK)、全覆盖膜下沟灌和膜下渗灌3种灌溉方式的土壤耗水特点、节水效果及其温室生态环境效应表明,膜下灌溉方式,能够减少灌溉水的浪费。膜下渗灌和膜下沟灌较沟灌(CK)提高灌溉水效率47.98％～48.90％,提高水分生产效率43.80％-91.57％。膜下灌溉能够显著降低温室空气相对湿度,有效减少病虫害发生,提高蔬菜品质。
　　 本文依蔬菜生物学、生态学及菜田水土工程学为基础,揭示了蔬菜控漏灌溉的基本机理,提出了针对浅根性蔬菜作物采取“依根定水”,达到“根-水-肥同位”运行的控漏灌溉指标与技术体系,为促进与实现“减蒸控漏”的蔬菜水资源高效生产提供了有效途径。

目录

文摘

英文文摘

绪论

1 研究背景及意义

1.1 土壤水分的调控和管理是设施蔬菜生产提质增效的关键

1.2 设施蔬菜高效用水是缓解农业水资源窘况的重中之重

1.3 设施蔬菜节水是蔬菜生产可持续发展的必然选择

1.4 实施蔬菜控漏灌溉是设施蔬菜高效用水的核心

2 国内外研究进展

2.1 农田灌溉理论的发展研究

2.2 农田节水原理的应用研究

2.3 根-水-土关系的研究

2.4 作物土壤水分阈值研究

2.5 蔬菜灌溉指标的研究

2.6 控制蔬菜田灌溉水渗漏的灌水量指标研究

3 论文研究所针对的科学问题与主攻目标

4 研究内容和方法

4.1 研究内容

4.2 拟解决的关键性问题

4.3 研究方法

5 技术路线

第一章 日光温室蔬菜根系分布特征及对土壤水分环境的响应

第一节 日光温室番茄根系分布特征及对灌溉方式的响应

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结论

第二节 日光温室黄瓜根系垂直分布特征及对土壤水分环境的响应

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结论

第三节 露地甘蓝根系垂直分布特征及对土壤水分环境的响应

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结论

第四节 本章结论与讨论

1 结论

2 讨论

第二章 不同灌溉方式下根系耗水土层特征研究

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验设计

2 结果与分析

2.1 膜下渗灌不同时期根系耗水层次及耗水量特征

2.2 膜下沟灌番茄不同时期根系耗水层次及耗水量特征

2.3 不覆盖沟灌番茄不同时期根系耗水层次及耗水量特征

2.4 不同灌溉方式不同时期耗水层次变化比较

3 结论与讨论

第三章 不同根土空间对番茄生长的贡献率研究

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验设计

2 结果与分析

2.1 不同隔层处理对番茄生长指标的影响

2.2 隔层处理对番茄产量的影响

2.3 隔层处理对根系生物量的影响

2.4 不同隔根处理的土壤耗水特征

3 结论与讨论

3.1 不同生长指标所需根系纵深空间

3.2 隔层处理与根的生物量及产量关系

3.3 番茄适宜的控漏灌溉润湿层指标

3.4 根系的分布层次与产量关系

3.5 根系的质量与产量关系

3.6 根系的营养空间与控漏灌溉关系

3.7 需要深化研究内容

第四章 设施黄瓜控漏灌溉土壤水分含量阈值及灌水量指标研究

1 材料与方法

1.1 试验地概况同隔根试验

1.2 试验设计

1.3 测定项目与方法

1.4 施肥及其他管理

1.5 数据处理

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分处理对黄瓜植株生长的影响

2.2 土壤水分处理对黄瓜茎粗生长的影响

2.3 土壤水分处理对黄瓜叶片数生长的影响

2.4 土壤水分处理对黄瓜叶面积生长的影响

2.5 土壤水分处理对黄瓜产量影响及不同时期土壤水分阈限的确定

2.6 土壤水分处理对水分生产效率的影响及适宜土壤水分阈值确定

2.7 黄瓜不同土壤时期灌水量指标的估算

3 结论与讨论

3.1 生长指标阶段增长态势特点

3.2 黄瓜适宜土壤水分阈值与灌水量范围

3.3 有待进一步研究问题

第五章 不同灌水量下水分与养分的土体运移研究

第一节 日光温室番茄不同灌水量的土体水分渗透特征及渗漏量研究

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结论

4 讨论

第二节 日光温室番茄不同灌水量的土体硝态氮淋溶特征及淋溶量研究

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结论

4 讨论

第六章 日光温室番茄生长发育对灌水量的响应

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验方案

2 结果与分析

2.1 不同灌水量对番茄植株生长量的影响

2.2 不同灌溉处理对光合速率及荧光的影响

2.3 灌水量对产量、水分生产效率的影响

3 结论与讨论

第七章 日光温室番茄控漏节水灌溉技术综合效果比较

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验设计与测试方法

2 研究结果

2.1 番茄不同灌溉方式耗水量比较

2.2 不同灌溉方式产量及水分利用效率的比较

2.3 不同灌溉方法对温室空气湿度的影响

3 结论

第八章 结论

1 日光温室蔬菜根系分布特征及对土壤水分环境的响应

2 日光温室番茄对土壤水的消耗特征

3 不同根土空间对番茄生长的贡献率

4 土壤水分环境对温室蔬菜生育的影响特征

5 温室番茄田水分与养分的土体运移规律及控漏灌水定额

6 不同灌溉方式的水分生产效果

参考文献

作者简历

致谢

发表的论文