我国的水资源严重不足且存在极大的不均衡，特别是在北方地区缺水问题尤为突出^[1]，同时在我国部分地区依然存在大水漫灌的传统浇灌模式，这种模式浪费了大量的水资源，因此高效节水的灌溉技术和产品研发，已成为学术界研究的热点问题之一^[2–5]。

负压灌溉技术是一种精确灌溉技术。理论上可以做到灌溉时只提供作物生长所需要的水量，最大限度地减少由于蒸发和深层渗漏所造成的损失，从而大大提高作物的水分利用效率^[6–7]。刘明池等^[8]将负压灌溉应用于生产实践中，证实了负压灌溉是一种节水、高效、节能的灌溉技术；Nishihara等^[9]研究表明，负压灌溉条件下菠菜产量和水分利用效率与常规灌溉相比均有显著提高；李邵等^[10]在日光温室通过负压自动灌溉对番茄的蒸腾规律进行了研究，将系统负压设定在–60 hPa下，温室土壤含水量基本控制在晴天18.75%和阴天20.19%。Li等^[11]通过比较滴灌与负压灌溉对温室番茄土壤水含量和水分利用效率的影响，表明负压灌溉较滴灌更加节水高效；王相玲等^[12]通过盆栽试验发现适宜的供水负压能显著提高小白菜的产量、改善品质。肖海强等^[13]探讨了负压灌溉对烤烟水肥利用率的影响，发现–20～–10 kPa范围内氮磷吸收总量及利用率随着供水压力降低表现为先增加后降低。丁亚会等^[14]通过试验发现负压灌溉下随水施钾较常规土壤施钾肥有利于烟草对钾肥的吸收。负压灌溉技术已在油菜^[15]、黄瓜^[16–17]、番茄^[11]、裸燕麦^[18]、玉米^[19]及烤烟^[20–21]等多种作物的盆栽试验或田间小区试验中得到应用，结果表明负压灌溉不仅能实现作物的高效节水，而且能促进作物生长，起到增产、提质的效果^[22]。

在整个负压灌溉系统中，灌水器是整个负压灌溉系统的核心和关键部分。目前实践中应用的渗水器大多为陶瓷类无机材料，该灌水器存在易碎、韧性差和渗水速率慢等缺点^[23–24]；为了找到更优质的渗水器，江培福等^[24]通过对纤维灌水器和陶土灌水器的比较，发现土壤质地相同时，纤维灌水器较陶土灌水器出水流量高；之后，丛萍等^[25–26]研发了一种高分子有机材料PVFM灌水器，其材质饱和导水率较高，通过土柱试验将其和陶瓷头进行比较，发现PVFM的负压渗水性能优于陶瓷头，土壤水吸力随土壤含水率的变化关系与陶瓷头几乎一致，在适宜作物生长的–10～–5 kPa范围，PVFM灌水器比陶瓷头更容易满足作物对水分的需求。目前不同灌水器的研究大多应用于室内土柱试验，在有种植的情况下研究较少。菠菜是我国最常见的绿色蔬菜之一，其营养丰富，素有“蔬菜之王”的美称，但对水分要求高，负压灌溉还没有被运用到菠菜上^[27–28]。本文通过利用负压灌溉系统装置，研究了2种材质灌水器条件下不同供水负压对菠菜生长和养分吸收的影响，以期为灌水器材的可选性和负压灌溉的进一步推广提供理论依据。

试验于2016年9—11月在中国农业科学院遮雨网室内进行，试验地位于东经116.3°、北纬39.9°，试验采用中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研发的一种新型负压灌溉系统^[29]。供试作物为先锋菠菜，供试土壤为中国农业科学院廊坊国际高新技术产业园的表层土 (0—20 cm)，土壤质地为砂壤土，土壤容重为1.44 g/cm³，田间持水量为19.6% (质量百分比)，有机质含量为10.05 g/kg，全氮含量为0.60 g/kg，硝态氮、铵态氮、速效钾、有效磷含量分别为51.73、6.85、112.32、20.38 mg/kg，pH值为8.26。

试验用长42 cm、宽26 cm、高26 cm的长方体塑料盆，每盆装过2 mm筛的风干土30 kg。播种前不同处理施入相同数量的肥料，供试肥料为尿素0.42 g/kg、过磷酸钙0.16 g/kg、硫酸钾0.18 g/kg，肥料作为基肥一次性施入。试验设置三个水分处理分别为–4、–8和–12 kPa，分别记为W1、W2和W3，同时以常规浇水CK作为对照；灌溉系统的灌水器采用两种材质，分别为陶瓷头 (T) 和PVFM (P) 材料，共设W1T、W1P、W2T、W2P、W3T、W3P和CK 7个处理，每个处理三次重复，采用随机试验布置。菠菜于2016年9月9日播种，土壤初始含水量15.0%，行距15 cm，株距7.5 cm，每盆播6穴，每穴3粒，1～2片真叶间苗，每穴定苗1株。常规灌溉采用浇灌，每次浇水0.5 L，使用称重法 (每3天对整盆进行称重) 将土壤平均含水量控制在田间持水量的70%～80%^[27]。

图1为负压控水装置示意图，负压灌溉系统由灌水器、输水管、附带水位管的储水桶和负压发生器4部分组成，本试验采用的灌水器有两种，一种是陶瓷头，其规格为内径11 mm、外径18 mm、长250 mm；另一种是PVFM渗水器，其规格为空心，内径10 mm、外径30 mm、长150 mm。灌水器埋入土壤表面10 cm处，放置时保持“头部”高于“尾部”1 cm左右，使其具有一定的倾斜度，并且将其置于盆中间^[21]。由于植物生长对水分的需要，使得土壤水势低于负压发生器所设定的压力值，灌水器内的水受到土壤吸力的作用渗入土壤内，储水桶中的水流入输水管后，桶中压强减小，导致整个系统的压强逐渐降低，当降低到所设定的压力值时，负压发生器开始工作，气体进入储水桶，使得整个系统压强维持在一个动态平衡状态^[30]，保证灌水器可以恒稳供水。

图1(Fig. 1)

图1 负压供水盆栽装置示意图 Fig. 1 Sketch scheme of the negative pressure water supplying pot device

1) 日灌水量测定：在菠菜生育期内每天下午六点从储水器水位管上读出水位差，根据储水器内径计算供水量，单位为L。

2) 耗水量 = 供水量 – 储水量变化量 = 供水量 – (土壤含水量 – 土壤初始含水量) × 土体质量/水的密度，单位为L/盆^[12]。

3) 土壤含水量测定：每天5：00—6：00 pm用TZS-1K型 (浙江托普仪器有限公司) 土壤水分速测仪对土壤含水量进行测定^[31]。

4) 土壤含水量随时间变化的变异系数C_v，若C_v ≤ 0.1为弱变异性，0.1 < C_v < 1为中等变异性，C_v ≥ 1则为强变异性^[32]，按下式计算：

　　　　　　　　 $C_v = \displaystyle\frac{{Sx}}{x} $

式中：Sx为测定值的标准差；x为土壤含水量的平均值。

5) 水分利用效率 (WUE) = M/ET，M为单株菠菜地上部鲜重，ET为平均每株耗水量，即单位水量消耗所产生的经济产品数量，单位为kg/m³。

6) 株高、叶片数和叶面积的测定：从9月30日起，用米尺测量株高，数绿叶片数，用长宽系数法计算叶面积，每隔10天测量一次，每盆固定测量3株。

7) 地上部鲜重、干物质测定：沿土表处剪断，擦除表面的尘土立刻称取鲜重；于105℃杀青30 min，然后在恒温75℃烘至恒重，称量。

8) 地上部全氮、全磷、全钾的测定：分别取样，烘干粉碎后，过0.5 mm筛。样品经H₂SO₄–H₂O₂消煮，用凯氏法测定全氮含量，紫外分光光度计测定全磷含量，原子吸收分光光度计测定全钾含量。氮 (磷、钾) 吸收量 = 氮 (磷、钾) 含量 × 生物量^[13]

采用Excel 2010进行数据处理，Sigmaplot10.0软件绘图。方差分析采用SPSS 17.0软件ANOVA过程处理，采用邓肯新复极差法进行差异显著性检验。

播种一周后启动灌溉系统使之开始工作。图2为盆栽菠菜灌水系统累积灌水量随时间的变化情况，总体上负压灌溉的供水速率呈先慢后快的趋势，从播种第三周开始，菠菜逐渐进入旺长期，其蒸腾作用增强，耗水强度增加，灌溉量随之增加，这与温室不同灌水下限处理的茼蒿相似^[33]。供水第七周，不同处理累计灌水量为CK > W1P > W1T > W2P > W2T > W3P > W3T，可以看出负压供水条件下累计供水量均低于常规灌溉，依次分别较CK降低了7.7%、22.7%、38.0%、42.2%、56.9%和59.0%。在相同灌水器条件下，菠菜累计供水量随着供水压力的减小而减小，均为–4 kPa最多，–8 kPa次之，–12 kPa最少。全生育期49天的灌水总量，W1T较W2T、W3T分别高出33.8%、88.4%，W1P较W2P、W3P分别高出49.0%、114.1%，而在相同供水负压下，均为PVFM高于陶瓷头。

由图3可以看出，从14 d开始，负压供水压力下的土壤含水量基本保持稳定，能够满足菠菜生长对水分的需求，21～35 d开始土壤含水量有下降趋势，–12 kPa处理的下降趋势较明显，其供水速率稍微不能满足菠菜的生长需要，需要消耗土壤水分来补充菠菜耗水，35 d后土壤水分充足，土壤含水量又有上升趋势。在–4 kPa供水负压下，陶瓷头和PVFM的土壤含水量分别为25.7%～27.4%和25.8%～26.7%；在–8 kPa供水负压下，陶瓷头和PVFM的土壤含水量为21.0%～23.1%和22.0%～23.2%；在–12 kPa供水负压下，陶瓷头和PVFM的土壤含水量为19.1%～21.2%和18.6%～20.9%，CK的土壤含水量为13.6%～17.2%，可见，三种供水负压下土壤含水量的波动范围较对照小，另W1T、W1P、W2T、W2P、W3T和W3P处理下土壤含水量随时间变化的变异系数C_v依次分别为0.039、0.041、0.044、0.042、0.049和0.052，均属于弱变异，而CK的变异系数C_v为0.103，属于中等变异，表明负压供水系统运行稳定，在菠菜整个生育期土壤含水量基本稳定。在相同负压下，两种灌水器的土壤含水量差别不显著，但相同时间的土壤含水量有所不同，在–4 kPa和–8 kPa下，多数情况是PVFM的土壤含水量高，而在–12 kPa下，陶瓷头的土壤含水量则略高于PVFM的土壤含水量。随着供水负压的增大，土壤含水量减小，不同负压下的土壤含水量差别较大，W1T、W2T、W3T处理平均土壤含水量较对照分别高出72.3%、43.1%和30.7%；W1P、W2P、W3P处理平均土壤含水量较对照分别高出70.4%、40.7%和28.1%。可见，试验负压值设定在–12～–4 kPa，土壤含水量可以稳定地控制在18.6%～27.4%之间。

图2(Fig. 2)

图2 不同处理累计灌溉量 Fig. 2 Accumulative irrigation amount under different treatments

图3(Fig. 3)

图3 不同处理菠菜生育期内土壤含水量动态变化 Fig. 3 Changes of soil moisture contents under different treatments during spinach growth period

图4为菠菜生育期内周耗水量随时间的变化动态。从整体上说，菠菜整个生育期内周耗水量呈现“中间多，两头少”的变化规律。播种后28 d耗水速率显著加快且周耗水量达到巅峰值，这是由于菠菜进入了生长旺盛期，需要消耗较多的水分。播种四周之后，菠菜周耗水量逐渐减少直至采收。CK在第六周以后耗水量明显高于负压各处理的耗水量，这与水分在土表蒸发以及温度等环境因素有很大关系，并不能代表菠菜该时期真正的蒸腾量。图4还表明，供水压力对菠菜的耗水量有着明显的影响，在相同时期内周耗水量随着供水压力的增大而增大，而在相同时期相同供水压力下，两种材质灌水器中，均是以PVFM灌水器下的耗水量较大，说明相同条件下以PVFM更能满足菠菜生长对水分的需求。

图4(Fig. 4)

图4 不同处理菠菜生育期内耗水量动态变化 Fig. 4 Water consumption under different treatments during spinach growth period

菠菜的生长发育对土壤水分条件较为敏感。由图5可见，不同供水负压及不同灌水器处理对菠菜的农艺性状均有影响。在菠菜整个生育期，随着菠菜的生长，其生长速率先增加后减小，与不同供水处理下黄瓜和小白菜的株高生长速率相似^[34–35]。陶瓷头灌水器下，菠菜生长前期20～30 d，各生育期菠菜株高随着供水压力的减小而增大，播种后40 d开始，株高随着供水压力的减小而减小，表明灌水器为陶瓷头时较低的供水压力有利于株高的前期生长，而后期则是较高的供水压力有利于株高的生长；PVFM为灌水器下，各生育期菠菜的株高均随着供水压力的减小而减小，且在各生育期以–4 kPa、–8 kPa处理较高，且高于陶瓷头和CK，而–12 kPa处理的株高则低于陶瓷头。成熟期，陶瓷头灌水器处理下的菠菜株高较CK增加2.8%～17.1%；PVFM灌水器下，W1P和W2P处理的株高较CK增加20.6%～40.3%，而W3P则较CK下降了10.1%。

植物叶面积是与产量关系最为密切，其大小对干物质积累、产量和经济效益都有显著的影响^[36]。各生育期不同负压供水处理下，不论是PVFM还是陶瓷头灌水器均以–8 kPa最大，–4 kPa次之，–12 kPa最小，表现出随着供水压力的减小叶面积呈先增大后减小的趋势，且PVFM的叶面积较陶瓷头大，到50 d时不同水分水平和不同灌水器均差异显著。在成熟期，–4 kPa和–8 kPa的菠菜叶面积较CK分别增加了4.1%～24.2%和10.9%～30.0%；而W3T和W3P则较CK叶面积分别下降了28.7%和23.8%。对于菠菜的叶片数而言，在菠菜生长前期，不同处理间没有差异；40 d以后，以–12 kPa叶片数最多，–8 kPa次之，–4 kPa最少。可见土壤水分含量高的菠菜叶片数较少，土壤水分含量低的叶片数较多；相同负压供水条件下，不同灌水器处理对菠菜的叶片数没有明显差异。方差分析表明 (表1)，供水压力 (W) 对菠菜株高有显著影响，对菠菜叶片数和叶面积有极显著影响；灌水器对菠菜的农艺性状没有显著影响；供水压力和灌水器的交互作用对菠菜株高有显著影响，而对叶片数和叶面积没有显著影响。

图5(Fig. 5)

图5 不同处理菠菜农艺性状的动态变化 Fig. 5 Changes of agronomic traits under different treatments during spinach growth period [注（Note）：柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P<0.05) Different letters above the bars mean significant different among treatments at the 0.05 level.]

表1(Table 1)

表1 菠菜农艺性状的显著性检验 (F值) Table 1 Significance level of agronomic traits of spinach (F-value)

表1 菠菜农艺性状的显著性检验 (F值) Table 1 Significance level of agronomic traits of spinach (F-value) 处理 Treatment 株高 Height 叶片数 Leaf No. 叶面积 Leaf area 灌水量Water (W) 8.24* 367** 109.07** 灌水器Emitter (E) 0.43 0.12 9.11 W × E 14.19* 0.15 1.21 注（Note）：*—P < 0.05；**— P < 0.01.

由图6可以看出，随着供水压力的减小，菠菜单株干物质量先增加后减小。相同灌水器下，各供水压力为：–8 kPa干物质量最高，–4 kPa次之，对照再次，–12 kPa最低，W2T处理较W1T、W3T、CK处理分别高38.3%、83.6%、21.1%；W2P处理较W1P、W3P、CK处理分别高76.7%、161.8%、64.9%；相同供水压力下，W1T与W1P、W3T与W3P处理之间没有显著差异，但W2P处理较W2T处理显著地高36.2%。W2P处理的干物质量显著大于其他处理，说明该处理下菠菜生长状况良好，叶面积大，植株株体较大，干物质积累量较多。–12 kPa干物质量显著低于其他处理，说明该水分处理下，水分亏缺较严重，菠菜的生长受到限制，叶面积小，植株株体矮小，干物质积累量少。

不同处理菠菜根冠比在5.53%～7.39%范围。由图6分析可知，随着供水压力的减少，菠菜的根冠比先增加后减小，–8 kPa根冠比最大，–4 kPa和 –12 kPa根冠比接近，但 –12 kPa处理的干物质量最少，表明该处理会同时抑制菠菜地上部和根系的生长；相同供水负压下，处理W1T与W1P、W3T与W3P之间根冠比没有差异，W2T处理的根冠比明显高于W2P处理，但W2P处理的累积供水量、土壤含水量和单株干物质量都较W2T处理大，说明在此负压处理下，W2P处理更有利于菠菜地上部的生长。

图6(Fig. 6)

图6 不同处理对菠菜单株根冠比和干物质量的影响 Fig. 6 Effects of different treatments on root/shoot ratio and dry matter weight of spinach [注（Note）：柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著 (P<0.05) Different letters above the bars mean significant different among treatments at the 0.05 level.]

从表2中可以看出，供水压力、灌水器和两因素的交互作用均对菠菜的耗水量和水分利用效率有极显著影响 (P < 0.01)，而对菠菜产量而言，供水压力对其有显著影响 ( P < 0.05)，灌水器对菠菜产量没有显著影响，两者交互作用对菠菜的单株产量有极显著影响 ( P < 0.01)。

在菠菜整个生育期，CK处理的耗水量最多，与负压供水处理的耗水量差异显著。不同供水负压下，菠菜的耗水量随着供水压力的减小而显著减少。相同灌水器处理，W1T、W2T和W3T较对照的耗水量分别减少21.2%、39.9%和59.1%；W1P、W2P和W3P较对照处理的耗水量分别减少4.6%、35.9%和56.5%；相同负压处理下不同灌水器，均是PVFM的耗水量较陶瓷头大，且–4 kPa最显著。

不同处理对单株产量有显著影响，随着供水压力的减小，菠菜单株产量先增大后减小，即–8 kPa单株产量最高、–4 kPa次之、–12 kPa产量最少，–8 kPa单株产量显著地高于其他处理。陶瓷灌水器下，W2T和W1T分别较对照增产了38.0%和6.6%，W3T较对照减产了11.5%；PVFM灌水器下，W2P和W1P分别较对照增产了59.9%和11.0%，W3P较对照减产了5.8%。在相同供水处理下，均是PVFM的产量较陶瓷头高，其中–8 kPa处理差异显著。

从表2还可知，不同处理对菠菜水分利用效率有显著影响，但负压供水下的水分利用效率均大于对照，说明负压灌溉能有效提高菠菜的水分利用效率。负压灌溉下，水分利用效率随着供水压力的减少而增大，–12 kPa和–8 kPa水分利用效率均显著地高于–4 kPa处理，而–12 kPa和–8 kPa处理之间没有显著差异。陶瓷灌水器下，W3T、W2T和W1T处理分别较对照增加了86.1%、76.6%和11.4%；PVFM灌水器下，W3P、W2P和W1P处理分别较对对照增加了94.8%、88.3%和4.7%。不同灌水器在相同负压处理下的水分利用效率没有显著差异。

表2(Table 2)

表2 不同供水处理对菠菜耗水量、产量和水分利用效率的影响 Table 2 Effects of different water supply treatments on water consumption, yield and water use efficiency of spinach

表2 不同供水处理对菠菜耗水量、产量和水分利用效率的影响 Table 2 Effects of different water supply treatments on water consumption, yield and water use efficiency of spinach 处理 Treatment 耗水量 (L/ pot) Water consumption 产量 (g/plant) Yield 水分利用效率 (kg/m3) WUE W1T 16.25 ± 0.61 c 16.30 ± 1.01 c 4.97 ± 0.43 b W2T 12.38 ± 0.48 d 21.09 ± 3.18 b 7.88 ± 3.32 a W3T 18.43 ± 0.72 e 15.52 ± 1.06 c 8.30 ± 0.38 a W1P 19.68 ± 0.49 b 16.92 ± 1.33 c 4.67 ± 0.51 b W2P 13.22 ± 0.43 d 24.44 ± 2.83 a 8.40 ± 0.36 a W3P 8.96 ± 0.53 e 14.39 ± 0.77 c 8.69 ± 0.34 a CK 20.63 ± 1.49 a 15.28 ± 0.38 c 4.46 ± 0.58 b 显著性检验 (F值) Significance level (F-value) 灌水量Water (W) 2048.07** 11.35* 258.22** 灌水器Emitter (E) 14372.99** 1.37 1668.87** W × E 629.97** 20.85** 62.28** 注（Note）：数据为平均值 ± 标准差；同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05)；Data are mean ± standard deviation; Different letters in the same column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level. *— P < 0.05; **— P < 0.01.

表3为不同处理下菠菜氮磷钾的含量变化，负压供水下，随着供水压力的减小，菠菜的全磷、全钾含量都有所增大，而全氮则随着供水压力的减小而减小，且各处理氮、磷和钾含量均高于CK。其中，植株磷含量随着供水压力的减小而增加的幅度较小。相同灌水器，陶瓷头W1T、W2T和W3T的含氮量变幅在3.3%～3.9%之间，含磷量变幅在0.40%～0.45%，含钾量的变幅在5.4%～6.3%，且W1T和W3T处理的含钾量差异显著；PVFM材料W1P、W2P和W3P处理含氮量变幅在3.3%～4.0%之间，含磷量变幅在0.4%～0.5%，含钾量的变幅在5.5%～6.6%，且W1P与W3P磷钾含量有显著差异。此外，从氮磷钾吸收量可以看出，所有处理下菠菜吸收K₂O最多，N次之，P₂O₅最少。统计分析表明，供水压力对菠菜含磷量和含钾量有显著影响 (P < 0.05)，对菠菜含氮量没有影响；灌水器和供水压力与灌水器的交互作用均对菠菜的氮磷钾含量没有显著影响。

从表3不同处理下菠菜氮磷钾吸收量分析，相同灌水器不同供水压力下，均为–8 kPa的氮磷钾吸收量最高、–4 kPa次之、–12 kPa最少，而CK的氮磷钾吸收量均低于负压条件下的氮磷钾吸收量。相同供水压力不同灌水器下，氮磷钾的吸收量均以PVFM的较高，且在–8 kPa差异显著。菠菜氮磷钾的吸收比例也以K₂O最多，N次之，P₂O₅最少。此外，供水压力对菠菜氮钾的吸收有极显著影响 (P < 0.01)，对磷吸收量有显著影响 ( P < 0.05)；灌水器对钾吸收量有极显著影响，对氮磷养分吸收没有影响；灌水器与供水压力的交互作用对氮钾的吸收量有显著影响，而对磷吸收量没有影响。

表3(Table 3)

表3 不同供水处理对菠菜养分含量和吸收量的影响 Table 3 Effects of different water supply treatments on nutrient content and uptake of spinach

表3 不同供水处理对菠菜养分含量和吸收量的影响 Table 3 Effects of different water supply treatments on nutrient content and uptake of spinach 处理 Treatment 养分含量 Nutrient content (%) 养分吸收量 Nutrient uptake (mg/plant) N∶P∶K ratio N P K N P K W1T 3.87 ± 0.19 ab 0.37 ± 0.05 b 5.36 ± 0.41 cd 62.2 ± 8.92 c 6.3 ± 2.68 b 92.6 ± 8.54 c 1∶0.10∶1.49 W2T 3.55 ± 0.49 ab 0.40 ± 0.02 b 5.89 ± 0.51 abc 78.5 ± 4.90 b 8.8 ± 1.47 b 131.9 ± 3.54 b 1∶0.11∶1.68 W3T 3.28 ± 0.32 b 0.45 ± 0.55 ab 6.32 ± 0.73 ab 39.9 ± 4.10 d 5.5 ± 0.69 b 76.9 ± 8.53 d 1∶0.14∶1.93 W1P 3.96 ± 0.32 a 0.38 ± 0.03 b 5.47 ± 0.30 bcd 62.4 ± 8.91 bc 6.5 ± 1.96 b 95.4 ± 5.51 c 1∶0.10∶1.53 W2P 3.67 ± 0.46 ab 0.42 ± 0.10 ab 5.96 ± 0.26 abc 112.4 ± 8.23 a 12.8 ± 3.30 a 168.4 ± 5.14 a 1∶0.11∶1.49 W3P 3.31 ± 0.29 ab 0.52 ± 0.08 a 6.55 ± 0.49 a 37.8 ± 1.75 d 5.8 ± 1.52 b 69.5 ± 6.92 d 1∶0.15∶1.84 CK 3.26 ± 0.31b 0.35 ± 0.04 b 4.96 ± 0.27 d 60.3 ± 2.14 c 6.4 ± 0. 57 b 92.2 ± 9.24 c 1∶0.11∶1.52 显著性检验 (F值) Significance level (F-value) 灌水量Water (W) 2.39 11.79* 9.36* 681.36** 16.48* 320.52** 灌水器Emitter (E) 4.29 8.89 0.43 6.36 1.65 117.81** W × E 0.03 0.51 0.13 7.68* 1.29 9.26* 注（Note）：数据为平均值 ± 标准差；同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05)。Data are mean ± standard deviation; Different letters in the same column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level. *— P < 0.05; **— P < 0.01.

负压灌溉装置是一个全封闭的系统，通过作物的蒸腾蒸发，使得系统与土壤之间形成水势差，系统开始供水，实现了作物对水分的自动获取^[37]，与传统灌溉相比，负压灌溉变人为的“被动灌溉”为作物的“主动吸水”^[23]，能够适时适量地为作物提供水分。水分是决定植物生长发育的主要生态因子^[24]，土壤含水量的多少直接影响作物的生长发育，本试验负压值设定在–12～–4 kPa，土壤含水量可以控制在18.6%～27.4%之间，这与以往的研究结论基本一致^[38]。王相玲等^[12]研究表明负压设定在–20～0 kPa时，土壤含水量控制在3.6%～29.5%之间。耿伟等^[39]研究表明负压设定在–1～–150 kPa，土壤含水量可控制在10.6%～43.4%之间。不同研究其结果不同，可能与作物品种、灌水器型号、环境因素以及土壤质地有关^[15]。此外，本文中土壤含水量的变异系数C_v在一定程度上能够反映菠菜生长对水分需求的变化情况，负压灌溉下随着供水压力的减小，C_v有增大的趋势，相应的土壤含水量降低，进一步说明–12 kPa处理不能及时满足菠菜生长的耗水需求，导致其C_v值较–4 kPa和–8 kPa大。菠菜是典型的耗水作物，整个生育期的周耗水量呈现了先增加后降低的趋势，在旺长时耗水量明显增加，原因是进入旺长后株高、叶片和叶面积都加速生长，导致蒸散量也随之增加，对水分需求较大。采用负压灌溉技术可使灌溉时湿润土层未达土壤表面，在很大程度上减少了裸土蒸发，减少大量的无效耗水^[20]，不同处理耗水量的差异主要是由于作物蒸腾作用形成的。降低供水压力菠菜耗水量显著减少，且耗水量显著少于常规灌溉处理，在很大程度上减少对水分的消耗，实现节水高效的灌溉目的。

从菠菜的累计供水量、土壤含水量和周耗水量的结果来看，相同供水处理两种材质灌水器相比，均为PVFM有优势，说明灌水器材质对负压灌溉有一定影响。PVFM为有机高分子材料，其亲水性非常好、吸水能力强、有韧性，有小孔为主大孔为辅的较好孔隙结构^[25]，在相同截面上PVFM比陶瓷头有更多的水分通道，因此水分更易通过孔隙发达的PVFM^[40]；陶瓷头为无机材料，气孔比例较小，韧性差，渗水速率慢^[41]，所以试验设定负压供水在–8～–4 kPa下，PVFM材料灌水器的供水量、土壤含水量以及耗水量均较陶瓷头高，能更好地满足菠菜的生长需要，从而对菠菜的生长、水分利用效率和养分吸收都有一定的促进作用，进一步证明了负压灌溉系统的可行性以及PVFM材料作为负压灌水器的可选性。

水分利用效率 (WUE) 是衡量作物对水分利用的重要指标之一^[21]。负压灌溉下，水分利用效率随着供水压力的减少而增大，–12 kPa处理的水分利用效率最高，–8 kPa次之，–4 kPa最小。而对于产量来说，–8 kPa单株产量最高，–4 kPa次之，–12 kPa产量最少，出现了产量和水分利用效率不同步的现象，这可能是由于–12 kPa处理下，作物关闭气孔以减少蒸腾作用，同时阻碍了光合底物CO₂的吸收，进而使得叶片光合作用受抑制，引起耗水量下降，植株株高、叶面积等生长受到影响，干物质生产不足^[19]，最终抑制了干物质量积累和产量的形成。所以虽然–12 kPa的WUE最大，但产量最少，相比–4 kPa和–8 kPa，耗水量小是其WUE提高的原因，这与施关正等^[42]的结论一致。供水压力高或低都不利于菠菜产量的形成，适当调节灌溉供水，有利于提高菠菜产量和水分利用效率。在保持产量较高的情况下，W2P处理同时兼顾高产与节水高效，同时相比其他水处理干物质量也最高，是负压灌溉条件下较适宜菠菜生长的组合方案。

在植物的生长过程中，氮磷钾元素参与了植物许多重要的生理代谢活动，在植物体内起着不可替代的作用。随着供水压力的减小，菠菜的全磷、全钾含量都有所增大，而全氮含量则随着供水负压的减小而减小，这与万克江等^[28]、耿伟等^[39]的研究结果一致，表明土壤的水分状况会影响植株中的养分浓度。此外，土壤水分是保证氮肥充分发挥作用的主要因子，对氮肥在土壤中的转化、迁移 (质流与扩散)、植物吸收以及在体内的代谢均有很大的影响^[43]。菠菜氮磷钾吸收比例以K₂O最多，N次之，P₂O₅最少，对菠菜而言，对钾的需求往往大于氮和磷，所以钾含量和吸收量明显高于氮和磷，这与陈清等^[44]的研究结果一致。在所有处理中，–12 kPa处理的氮磷钾养分吸收量最小，这主要是由于水分亏缺影响土壤溶液浓度，浓度过高抑制根系的生长和对水分、养分的吸收^[45]，也会降低土壤微生物的数量和多样性^[46]。–4 kPa处理水分充足，与–12 kPa相比可能存在水分过量的问题，其土壤溶液浓度较–8 kPa低，也会抑制菠菜根系生长和养分的吸收，所以–8 kPa下菠菜的氮磷钾吸收量最大。同样由于灌水器材质的差异，在最佳的养分吸收量下，W2P处理为最佳组合。

目前将PVFM材料用于负压灌溉与作物种植的试验较少，且大多只是用于研究短生育期的作物，所以未来可对生育期较长的作物进行研究。此外，有研究表明在同质土壤条件下，土壤含水量升高，土壤粘聚力和内摩擦角会减小^[47]，因此，日后对负压灌溉不同供水压力和灌水器条件下的土壤微环境和土壤理化特性可以做进一步的研究。再者，对于PVFM灌水器的制备工艺和精度方面仍需进一步的鉴定和改良。

1) 负压供水能够维持土壤水分基本稳定。负压灌溉条件下菠菜整个生育期的供水速率先慢后快，周耗水量先增加后减少。相同灌水器菠菜累计供水量、土壤含水量和周耗水量随着供水压力的减小而减少，而在相同供水压力下，菠菜累计供水量和周耗水量均为PVFM高于陶瓷头。负压值设定在–12～–4 kPa，土壤含水量可以控制在18.6%～27.4%范围内，供水系统稳定运行，土壤含水量波动较小，属于弱变异。

2) 负压供水压力显著地影响了菠菜的农艺性状。在–12～–4 kPa范围内，菠菜株高随着供水压力的减小而减小，且两种灌水器的趋势保持一致。在供水压力较大时，其土壤含水量较高，菠菜生长良好，叶片数适中，叶面积较大；反之低的土壤含水量，菠菜植株矮小，叶片数较多，叶面积小。供水压力过高或过低都不利于菠菜的生长和干物质的形成，试验结果表明在–8～–4 kPa之间的负压灌溉比常规灌溉有利于菠菜生长，而负压灌溉下两种灌水器之间则是以PVMF更有优势。

3) 负压灌溉能够显著提高菠菜产量和水分利用效率。保持产量较高的情况下，最优水分利用效率对应的灌水处理为W2P，同时相比其他水处理干物质量也最高，减少了奢侈耗水，能达到节水高产的目的，与CK相比，产量提高了59.9%，耗水量降低了35.9%，WUE提高了88.3%。供水压力与灌水器两因素交互作用对菠菜耗水量、产量和WUE影响极显著 (P < 0.01)。

4) 不同供水压力对菠菜氮磷钾含量和吸收量均有影响。随着供水负压的增加，菠菜的全磷、全钾含量都有所增大，全氮含量减小，且各处理氮、磷和钾含量均高于对照。所有处理均为–8 kPa下PVFM灌水器下的氮磷钾吸收量最高，菠菜氮磷钾吸收比例为K₂O最多，N次之，P₂O₅最少。

5) PVFM材质灌水器更有利于菠菜的生长发育。相同供水压力下，菠菜累计供水量、土壤含水量、WUE、产量、氮磷钾养分含量与吸收量均以PVFM更有优势，且W2P处理最优。综合分析不同灌水器不同供水处理对菠菜生长、水分、产量以及养分吸收的影响，推荐本试验条件下，以供水负压控制在–8 kPa，灌水器为PVFM较为适宜菠菜生长的负压灌溉组合。