优化滴灌频率与毛管间距对半干旱区秋葵产量及水分利用效率的影响

《Archives of Agronomy and Soil Science》：Enhancing yield and water productivity of okra through optimized drip irrigation scheduling in a semi-arid agroecosystem

　　

在本次研究中，研究人员通过于2019年和2020年雨季开展的田间试验，研究了不同灌溉频率（IF）和毛管间距（LS）对地表滴灌条件下秋葵最大产量和灌溉水利用效率（IWUE）的影响。处理包括四种灌溉频率：每日（I1）、间隔1天（I2）、间隔2天（I3）和间隔3天（I4），以及两种毛管间距：45 cm（S1）和60 cm（S2）。研究人员对不同处理下的土壤水分动态、作物生长参数、产量和IWUE进行了调查。结果表明，每日灌溉使表层土壤保持较高的含水量，而深层土壤含水量逐渐下降。相比之下，较长的灌溉间隔（I2-I4）在0–30至45 cm深度内含水量下降，随后在45–60 cm土层中增加。此外，产量、IWUE和肥料利用效率（FUE）在不同处理间差异显著。在两个年份中，最高秋葵产量（11.19和10.97 t ha-1）、IWUE（14.12和12.31 kg m-3）和FUE（69.9和68.6 kg-1）均在S1I1处理下获得，而最低值则在S2I4处理下记录到。研究表明，在砂壤土和半干旱条件下，采用45 cm毛管间距进行每日灌溉是实现最大生产力和IWUE的最有效策略。

研究背景与问题

秋葵是一种在全球热带和亚热带地区广泛种植的蔬菜，营养价值高，被誉为“穷人的蔬菜”。印度是全球最大的秋葵生产国，占世界总产量的约62%，但其国内各邦之间产量差异较大，部分邦低于全国平均水平，仍有提升空间。在半干旱地区的印度，淡水资源严重短缺，传统灌溉方式（如漫灌、畦灌）效率低下。滴灌技术可节水36–92%，但如何优化滴灌系统的设计参数（尤其是毛管间距LS）与灌溉管理措施（尤其是灌溉频率IF），以实现单位水量的最大作物生产力，仍缺乏针对秋葵在特定土壤和气候条件下的系统研究。特别是在哈里亚纳邦希萨尔地区的砂壤土和半干旱条件下，关于IF与LS组合对土壤水分分布、秋葵生长、产量、灌溉水利用效率（IWUE）及肥料利用效率（FUE）的综合影响，科学依据十分有限。因此，本研究旨在确定地表滴灌条件下最有效的LS与IF组合，以提高秋葵产量和水资源利用效率。

研究内容与结论

研究人员在2019年和2020年夏季，于印度哈里亚纳邦CCS农业大学研究田进行了田间试验。试验设置了两种LS（45 cm和60 cm）和四种IF（每日、间隔1天、间隔2天、间隔3天），采用裂区设计，重复三次。研究评估了不同处理对土壤水分动态、作物生长参数、产量、IWUE和FUE的影响。结果表明，每日灌溉结合45 cm LS（S₁I₁）处理获得了最高的秋葵产量（11.19 t ha^-1）、IWUE（14.12 kg m^-3）和FUE（69.9 kg^-1），而60 cm LS结合间隔3天灌溉（S₂I₄）处理表现最差。该研究证实，在砂壤土和半干旱条件下，采用45 cm毛管间距与每日灌溉的组合是最优的水分管理策略，能够显著提升作物产量和资源利用效率。

关键技术方法

1. 1.
   试验设计与处理设置：采用裂区设计，主区为两种毛管间距（LS）：45 cm和60 cm；副区为四种灌溉频率（IF）：每日（I₁）、间隔1天（I₂）、间隔2天（I₃）和间隔3天（I₄），共8个处理，重复3次。试验在2 m × 2 m微小区内进行。
2. 2.
   灌溉调度方法：播种后先用漫灌法浇5 cm水确保出苗，之后基于100%作物蒸散量（ET_c）进行灌溉调度。参考蒸散量通过A级蒸发皿数据乘以蒸发皿系数（0.7）估算，再乘以阶段特定的作物系数（K_c）得到ET_c。有效降雨量从作物需水量中扣除。净灌溉需水量除以滴灌系统应用效率（90%）得到毛灌溉需水量。每次灌水量根据ET_c、LS、滴头间距（30 cm）、湿润面积因子（Wa）和系统均匀度（0.9）计算，并通过调整运行时间实现等量灌溉，仅改变灌溉频次。
3. 3.
   土壤水分监测：采用烘干法测定播后30、60、90天（DAS）四个垂直深度（0–15、15–30、30–45、45–60 cm）和三个径向距离（对于45 cm LS为0、11.25、22.5 cm；对于60 cm LS为0、15、30 cm）的土壤含水量，并使用Surfer 14软件绘制土壤水分等值线图。
4. 4.
   数据分析方法：使用OPSTAT统计软件在线版进行统计分析，采用邓肯多重极差检验（DMRT）在5%显著性水平下检验不同灌溉频率间的差异显著性。

研究结果

气象参数特征与灌水量

2019年和2020年生长季的最高温度分别为22–39°C和23–39°C，累积蒸发量分别为421 mm和526 mm，总降雨量分别为274 mm和318 mm。每小区总灌水量分别为317升和356升。

不同处理对土壤储水量的影响

无论径向距离如何，45 cm LS下的土壤储水量均高于60 cm LS。在45 cm LS下，30 DAS时I₁处理在零径向距离处获得最大储水量（3.42 cm），90 DAS时I₄处理在22.5 cm径向距离处获得最小储水量（2.25 cm）。垂直方向上，I₁处理的土壤含水量随深度增加而递减，表明高频灌溉维持了上层土壤的高湿度。而较长灌溉间隔（I₂–I₄）处理则表现出水分在0–30至45 cm深度减少、但在45–60 cm深度增加的规律，说明低频灌溉促进了水分的深层下渗。

土壤水分的时空分布

45 cm LS下60 DAS时的等值线图显示，在零径向距离和15 cm深度处，I₁至I₄处理的土壤含水量分别为14.1%、13.7%、12.7%和12.1%；而在45 cm深度处，对应值分别为11.1%、12.3%、12.7%和12.9%。这表明高频灌溉使表层水分更高，而低频灌溉使深层水分更高。60 cm LS下也观察到相似趋势。

植物生长参数

S₁I₁处理获得了最高的发芽率（94.6%和94.2%）、最大的植株冠幅（1764.5 cm²和1711.7 cm²）、最早的开花天数（38天和37天）和最多的主枝数（3.7）。S₂I₄处理则表现最差。在90 DAS时，S₁I₁处理的株高最高（114.5 cm和109.9 cm），而S₂I₄处理最矮（92.5 cm和88.4 cm）。

产量与产量构成

S₁I₁处理的秋葵产量最高（11.19 t ha^-1），S₂I₄处理最低（9.23 t ha^-1）。在45 cm LS下，I₁处理的产量分别比I₂、I₃和I₄处理高出3.52%、9.38%和14.53%。在60 cm LS下，I₁处理的产量分别比I₂、I₃和I₄处理高出1.81%、7.19%和10.10%。

灌溉水和肥料利用效率

S₁I₁处理获得了最高的IWUE（13.22 kg m^-3）和FUE（69.3 kg^-1），而S₂I₄处理最低（IWUE为11.04 kg m^-3，FUE为57.9 kg^-1）。随着灌溉间隔的延长，IWUE显著降低。45 cm LS在所有IF下均保持了略高于60 cm LS的IWUE值。

总结与讨论

研究结论指出，在砂壤土和半干旱条件下，采用45 cm毛管间距配合每日灌溉（S₁I₁）是提高秋葵产量、IWUE和FUE的最有效地表滴灌管理策略。该策略通过维持根层上部土壤的良好水分状况，促进了作物的生长发育，从而实现了最高的产量和资源利用效率。从经济角度看，由于所有处理的总灌水量相同，每日灌溉并未增加抽水成本，但增加了调度管理的频次。然而，降雨可能减少后续灌溉需求，尤其是在低频灌溉方案下，这可能带来运营成本的节约。因此，在实际应用中，需权衡每日灌溉带来的增产增效收益与其额外的管理投入。该研究为半干旱地区砂壤土条件下的秋葵滴灌提供了重要的实践指导，有助于制定更精准的田间灌溉计划，提高有限水资源的利用效率。