无土盆栽红掌潮汐灌溉技术

马福生1，2　刘洪禄1，2　杨胜利1，2　郝仲勇1，2　范海燕1，2　马志军1，2

（1.北京市水科学技术研究院　北京　100048；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　100048）

【摘　要】　为支撑设施无土盆栽潮汐灌溉技术应用，该文以连栋温室固体基质盆栽花卉—红掌为试材，设置营养液深分别为花盆高的1/2（T1）、1/3（T2）、1/4（T3）、1/5（T4）和传统滴灌供水处理（T5），研究了潮汐灌溉和滴灌对基质含水率、灌溉水利用、红掌品质和耗水的影响。结果表明：与滴灌处理相比较，潮汐灌溉处理基质含水率明显偏高，灌水周期增加1～3d，耗水量增加44.2%～69.3%，红掌株高、冠幅分别增加6.6～11.4cm和7.3～10.6cm，佛焰苞长、宽分别增加0.8～1.5cm和0.5～1.8cm，花序高增加0.2～1.0cm。潮汐灌溉营养液深不超过盆高的1/4时，对基质含水率、灌水周期和红掌耗水量影响不明显，超过盆高的1/4后，随营养液深增加，基质含水率显著增加，灌水周期延长，耗水量总体随营养液深增加而增大。潮汐灌溉的营养液深是花盆高的1/5时，红掌观赏品质最优，此时营养液深为2.56cm，是供试潮汐灌溉营养液较优控制深度，灌水周期为3～5d。

【关键词】　灌溉　水分　潮汐　红掌　基质含水率　无土栽培

1　引言

2009年，中国花卉生产总面积达到83.4万hm2，销售总额719.8亿元；盆栽花卉种植面积达到81710.6hm2，销售额180.8亿元；花卉保护地栽培面积达到81767.5hm2，其中温室面积21490.5hm2［1］。花卉已成为都市农业的支柱产业之一，移动管灌浪费人力及水肥进而破坏环境，滴灌系统不能适应盆花摆放密度改变造成管理困难等问题凸显，传统灌水技术落后，新技术研发滞后。

潮汐灌溉作为一种灌水新技术，原理是利用专用设备，将盆栽花卉浸泡于一定深度的营养液一定时间后，利用基质毛细作用吸水实现营养液在基质内均匀分布，剩余营养液进入回收储蓄池，经特定设备处理后实现循环再利用。该技术在国外发展较早，20世纪90年代以来，国内外科研工作者围绕肥料和基质类型对潮汐灌溉植物生长的影响［2－3］、温室不同灌水技术水分利用比较［4］、潮汐灌溉系统的藻类控制技术［5］开展了系统的研究工作，并形成了专利［6］。21世纪初，中国研究人员开始介绍潮汐灌水技术［7－8］，该技术于2010年落户宁夏［9］，2011年开发了专用栽培床［10］，并开展了盆栽八仙潮汐灌溉栽培试验［11］，迅速形成多项灌溉设备专利。中国在取得上述成果的同时，对于该技术用于都市农业高端盆栽花卉的研究成果还少见报道，最优浸泡营养液深、灌水下限、浸泡时间等关键运行参数控制标准尚不明确，本文以盆栽花卉——红掌为对象，以滴灌为对照，系统研究了不同营养液深对基质含水率、灌溉水利用、植株生长和耗水的影响，为都市农业潮汐灌溉新技术运行提供了科学依据。

2　材料与方法

2.1　试验设计

本试验在北京市水科学技术研究院综合节水示范区（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8m，开间4m。室内配温度、湿度和光照调控设备，全年温度保持在20～30℃。通过外遮阳和内遮荫调节光照强度，避免花卉叶片灼伤。温室运行管理详见参考文献［12］。试验于2009年7月4日定植开始，至11月5日结束，共124d。定植至10月14日的花盆密度为15盆/m2、10月14日以后为10盆/m2。定植种苗长势均一，高18cm左右。供试对象为盆栽红掌，品种“火焰”，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体积比10∶1均匀混合作为栽培基质，干容重0.16g/cm3，基质体积持水率（θFC）为0.4315。供试花盆上口直径16cm、高12.8cm、下底直径10cm，容积1.4L。试验设置5个处理，T1、T2、T3、T4为潮汐灌溉处理，营养液深分别是盆高（H）的1/2、1/3、1/4和1/5，T5为滴灌处理，如表1所示。

潮汐灌溉采用透明亚克力板粘接的水槽作为栽培容器，供试花盆按生产密度摆放，按各处理设定的营养液深度控制注液量，浸泡30min后，排除余水。滴灌处理采用出水量为3.85L/h的压力补偿式滴头（压力范围0.05～3MPa），配1分4的平口多孔管，统一用长1m的芒管连接滴箭，浅插入花卉根系中心区基质内供水，花盆置于托架上，托架下放置PVC盛水器收集渗漏水；各处理灌水下限统一控制为基质持水率（θFC）的80%，滴灌按灌水上限为100%θFC计算灌水定额。每个处理5次重复，样株周围设保护株。滴灌采用带有压力罐的自吸式稳压水泵、美国产水力驱动比例施肥泵，潮汐灌溉采用直接将肥料溶于水中浸泡实现随水施肥。按正常生产要求确定滴灌施肥次数，潮汐灌溉处理施肥次数与滴灌相同，5个试验小区随机分布，管护、病虫害防治处理措施、肥液浓度均相同，如表2所示。

2.2　观测方法

（1）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；以花盆盆沿为基准，测量盆沿到花卉样株最高点处的距离作为株高代表值；分别选取典型时间点测试株高和冠幅，测定日期为7月7日、8月5日、8月31日、9月7日、10月22日和11月5日。佛焰苞顶点至叶柄根部距离作为其长度代表值，最宽处距离作为其宽度代表值，试验结束时测试其佛焰苞长度、宽度和花序高度。

（2）基质持水率和干容重。用常规方法［13］测试。

（3）基质含水率。花与盆整体质量、滴灌逐盆漏水量测试方法与参考文献［12］相同。基质干质量按试验前测定的干容重装填确定，空盆质量于试验前称质量确定，花与盆整体质量取5盆称质量样盆的平均质量。每次取同一处理保护行内长势与称质量样株相同的植株3株，取出植株测其净质量，取3株平均值作为植株质量代表值，测试周期为5天左右，以测试当天为中心，前后各2天共用同一植株质量值，逐日计算基质含水率。用供试种苗花与盆整体质量减去植株质量、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。

（4）耗水量。耗水以单盆花卉耗水质量计，运用水量平衡法确定耗水强度，计算耗水量，其计算公式为

3　结果与讨论

3.1　基质含水率变化规律

各处理灌水后基质含水率如图1所示。可以看出，所有处理灌水后基质含水率均呈小幅波动的变化趋势，T1、T2、T3、T4和T5处理的灌水后基质含水率范围分别为106.5% θFC～118.2%θFC、96.7%θFC～110.0%θFC、90.2%θFC～103.4%θFC、89.4%θFC～105.0% θFC和82.7%θFC～93.1%θFC，灌水后基质含水率平均值分别为112.8%θFC、105.8%θFC、95.9%θFC、96.8%θFC和89.1%θFC。可以看出，潮汐灌溉处理灌水后基质平均相对含水率比滴灌高6.8%θFC～23.7%θFC，T1、T2处理的含水率明显高于其他3个处理，T1最高，滴灌处理T5最低；潮汐灌溉T3、T4处理的基质含水率互有高低，总体差异不大。营养液深不超过盆高的1/4时，灌水后基质相对含水率受营养液深影响不大，但超过盆高的1/4后，随着营养液深增加而显著增加。

试验期间，各处理基质含水率水平分析结果如表3所示。T1、T2、T3、T4和T5的平均相对基质含水率分别是98.5%θFC、95.4%θFC、90.4%θFC、90.7%θFC和84.7%θFC，潮汐灌溉处理比滴灌高5.7%θFC～13.8%θFC，且均出现了含水率超过基质持水率的现象，滴灌处理T5的含水率均低于基质持水率。盆高的1/4是营养液影响基质含水率水平的临界值，营养液深不超过1/4盆高时，对基质含水率影响不大；超过1/4盆高后，含水率超过100%θFC的天数比例随营养液深增加而提高，处于80%～100%θFC的天数比例相应降低。

基质含水率是基质水气热环境的主要影响因子。有机基质不同于土壤，目前，基质水分的吸持迁移规律研究还不够深入，齐海鹰［14］等研究发现不同供水方式对基质孔隙结构、基质体积有显著影响。而孔隙结构转化可能导致持水能力变化。滴灌处理灌水后基质相对含水率低于基质持水率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［15］。不同水分供应条件下，无土栽培基质的孔隙结构变化规律及其对基质水分吸持耗散特性的影响规律还需深入研究。

3.2　灌水周期与灌溉水利用效率

本文研究结果表明，试验期间各处理灌水周期分别为T1的5～7d（平均5.6d）、T2的4～6d（平均4.9d）、T3和T4的3～5d（平均3.7d）、T5的2～3d（平均2.6d）。可以看出，在灌水下限均控制为基质持水率的80%时，潮汐灌溉的灌水周期比滴灌长，T1、T2、T3和T4的平均灌水周期分别比滴灌处理T5长3d、2.3d和1d左右；与基质含水率变化规律一致，1/4盆高是影响潮汐灌溉灌水周期的营养液深临界值，当营养液深不超过1/4盆高时，灌水周期差异不大，超过1/4盆高后，灌水周期随营养液深的增加而显著延长。即控制相同灌水下限的条件下，潮汐灌溉可延长灌水周期，减少灌水劳动力投入。Catherline A.Neal等［4］研究结果表明潮汐灌溉的灌水周期比滴灌处理长，与本文结果相同。

基质盆栽作为设施花卉的主要生产形式，主要用移动管灌和滴灌等传统技术供水，本文供试基质滴灌田间水利用系数仅为0.4～0.5［15］，比《微灌工程技术规范》（GB/T 50485—2009）中规定的滴灌灌溉水利用系数不应低于0.9的限值还低［16］，清洁优质水肥资源渗漏损失严重，这可能是受滴头流量影响的结果。李明思等［17］研究表明，滴头流量对土壤湿润体形状有显著影响。但针对滴头流量对有限体积有机栽培基质湿润体的影响规律有待深入研究。而潮汐灌溉技术可以通过配备尾水回收、水质处理和再利用设备，实现水肥资源循环利用，水肥利用效率可达到90%以上［10］。与滴灌处理相比较，潮汐灌溉可显著提高水肥资源利用效率，减少水肥资源渗漏损失。

3.3　红掌耗水规律

5个处理供试红掌的耗水强度变化过程如图2所示。各处理供试红掌的耗水强度均随着生长发育时间的延长而在波动中逐渐增加。试验期间，T1、T2、T3、T4和T5的最大耗水强度分别为52.3g/（盆·d）、47.8g/（盆·d）、46.8g/（盆·d）、45.2g/（盆·d）和33.6g/（盆·d），最小耗水强度分别为12.3g/（盆·d）、11.2g/（盆·d）、11.3g/（盆· d）、9.0g/（盆·d）和7.0g/（盆·d），平均值分别为35.1g/（盆·d）、31.7g/（盆·d）、30.6g/（盆·d）、29.8g/（盆·d）和21.1g/（盆·d）。潮汐灌溉处理供试红掌耗水强度均高于滴灌。

试验期间各月红掌平均耗水强度和耗水量如表4所示。从7月到10月，各处理耗水强度和耗水量均随植株生长而增加。灌水方式明显影响红掌耗水，潮汐灌溉处理平均耗水强度、月耗水量和试验期间耗水总量均显著高于滴灌处理，T1、T2、T3、T4的耗水总量分别比T5增加了69.3%、53.2%、47.5%和44.2%，总体呈现随营养液深增加而增大的变化趋势。按潮汐灌溉营养液利用率0.9计、滴灌0.5计，试验期间潮汐灌溉处理需要的营养液量为4106.6～4820g/（盆·d），比滴灌的5 124.6g/（盆·d）低6%～20%，灌溉用营养液总量明显减少。

3.4　红掌生长及品质状况

株高、冠幅是影响红掌观赏品质的关键指标，各处理红掌株高和冠幅情况如图3所示。可以看出，试验结束时，T1、T2、T3、T4和T5的株高分别为33.6cm、34.7cm、 35.3cm、38.4cm和27.0cm，冠幅分别为41.9cm、42.6cm、40.6cm、43.9cm和33.3cm，潮汐灌溉处理的红掌株高和冠幅显著高于滴灌处理（p＝0.05）。潮汐灌溉处理T4株高比T1显著提高了14.3%（p＝0.05），其余处理间株高及所有处理间冠幅不存在显著差异。

各处理佛焰苞情况如表5所示。佛焰苞是红掌主要观赏部位，试验结束时，各处理佛焰苞数量差异不大，均为3朵左右；与滴灌处理T5相比较，潮汐灌溉处理的佛焰苞长度增加了0.8～1.5cm，佛焰苞宽度增加了0.5～1.8cm；除潮汐灌溉处理T4花序高度比T5提高了1 cm左右外，其余处理花序高与T5差异不大。

综上所述，在灌水下限统一控制为基质持水率的80%时，红掌生长明显受到灌水方式影响，潮汐灌溉处理的红掌长势明显优于滴灌处理，营养液深为盆高1/5的T4在红掌株高、佛焰苞尺寸均表现出一致优越性。Catherine A.Neal［4］等研究表明，植物生长明显受灌水方式影响，潮汐灌溉是提高灌溉用水效率和获得潜在最优长势的灌水技术，水肥交互作用是影响植物生长的重要因素。John M.Dole等［18］研究表明潮汐灌溉的猩猩树用水效率、株高、茎粗、叶宽和总干物质量均最高，且生长明显受到营养液养分浓度的影响。Daniel I.Leskovar［19］研究表明，灌水方式、水分状况和肥料施用是影响植物根系和新芽生长的关键要素，其相互作用机理还有待深入研究。马福生等［12］研究表明，即使滴灌条件下，灌水下限对滴灌红掌生长仍然存在显著影响。本文不同灌水方式对红掌生长的影响可能是各处理水肥耦合机制造成的，无土栽培水肥利用对植物生长的影响机理还有待于深入研究。

3.5　红掌适宜灌溉制度

本文研究结果表明，营养液深为盆高1/5的T4在佛焰苞数量、长度、宽度和花序高度方面均表现最优，且耗水量比T1降低了15%，是潮汐灌溉较为适宜的营养液控制深度，此时营养液深度为2.56cm，与杨铁顺［8］推荐的大部分花卉营养液适宜深度为25mm结果一致。因此，本文供试条件下，以获得最优红掌品质为目标，推荐潮汐灌溉营养液深取花盆高的1/5，为2.56cm；灌水周期受花卉水、肥、气、热环境影响，处于3～5d。

4　结论

（1）灌水方式是影响基质含水率、灌水周期和耗水规律的关键。潮汐灌溉灌水后基质含水率处于96%θFC～113%θFC之间，比滴灌处理的89.1%θFC提高了约7%θFC～23% θFC；潮汐灌溉试验期间的平均基质含水率为90.4%θFC～98.5%θFC，比滴灌处理的84.7%θFC提高了5.7%θFC～13.8%θFC。潮汐灌溉红掌的耗水量为3696～4338g/（盆·d），比滴灌的2562.3g/（盆·d）增加了44.2%～69.3%；灌溉水利用率由滴灌的0.4～0.5提高到0.9，灌溉用营养液从滴灌的5124.6g/盆减少到4106.6～4820.0g/盆；潮汐灌溉处理的灌水周期为3～7d，平均比滴灌处理延长1～3d，提高了劳动生产率。

（2）灌水方式对红掌品质有显著影响。潮汐灌溉处理红掌的株高为33.4～38.6cm，比滴灌的27.0cm提高了6.6～11.4cm；冠幅为40.6～43.9cm，比滴灌的33.3cm提高了7.3～10.6cm；佛焰苞长和宽为11.2～12.9cm、7.8～9.1cm，分别比滴灌的长10.4cm、宽7.3cm提高0.8～1.5cm和0.5～1.8cm；佛焰苞花序高为3.6～4.4cm，比滴灌处理的3.4cm提高0.2～1.0cm。

（3）1/4盆高是影响潮汐灌溉基质含水率、红掌耗水量和灌水周期的营养液临界值，营养液深不超过1/4盆高时，基质含水率、红掌耗水量和灌水周期差异不大；超过1/4盆高后，基质含水率、灌水周期和红掌耗水量均随营养液深增加而迅速提高。

（4）潮汐灌溉处理营养液深为1/5盆高时，红掌观赏品质最优，且耗水量比营养液深为盆高1/2的T1降低了15%，灌溉用水总量比滴灌减少了20%，此时营养液深为2.56cm，灌水周期处于3～5d之间，平均为3.7d。2.56cm可作为供试条件下的较优营养液深。

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