李梅玲,張凱,尹彥霞,黃丹楓
(上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院,200240)
青菜屬十字花科蕓薹屬蕓薹種白菜亞種[Brassica campestris ssp.Chinensis (L.)],原產(chǎn)于中國(guó),又稱(chēng)小白菜、不結(jié)球白菜等,其質(zhì)地鮮嫩、營(yíng)養(yǎng)豐富,在蔬菜消費(fèi)中占有重要地位[1]。青菜種植耗水量大,而水資源短缺是一個(gè)全球性的問(wèn)題[2],因此實(shí)現(xiàn)水分低消耗、蔬菜高產(chǎn)出是人們渴望的最終目標(biāo)[3]。
影響蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的因素眾多,土壤(基質(zhì))水分狀況是影響植物氣體交換、植物蒸騰速率和水分利用率的重要環(huán)境指標(biāo)[4~6]。合理的基質(zhì)含水量不僅可節(jié)約水資源,還可以提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量;栽培氣候也通過(guò)影響基質(zhì)含水量變化間接影響作物生長(zhǎng)狀況。Doria等[7]研究發(fā)現(xiàn),栽培地氣候波動(dòng)導(dǎo)致蒸騰蒸發(fā)量的變化影響作物對(duì)灌溉的需求,從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育?;艉O嫉萚8]指出,環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致水分對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響,往往與施肥、溫度、空氣濕度、光照等栽培條件有關(guān),Nazeer等[9]在小麥對(duì)高溫和滲透壓下的反應(yīng)一文中提到,溫度過(guò)高導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)增多,加劇干旱,從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育,因此,研究灌溉對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響不能脫離一定的環(huán)境條件。
我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中水分管理缺乏科學(xué)的量化指標(biāo),依靠豐水高產(chǎn)型的經(jīng)驗(yàn)灌溉,水分管理比較粗放[10]。精準(zhǔn)灌溉作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分,不僅保護(hù)生態(tài)環(huán)境,而且最大限度地優(yōu)化灌溉水用量,以獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益[11]。近年來(lái)智能精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究頗多,很多技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,如智能化精準(zhǔn)化灌溉設(shè)備[12]、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)[13]、物聯(lián)網(wǎng)與 ZigBee 技術(shù)[14]等,以上技術(shù)僅依據(jù)監(jiān)測(cè)基質(zhì)(土壤)濕度通過(guò)計(jì)算機(jī)指導(dǎo)灌溉,很少將基質(zhì)濕度與穴盤(pán)質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)綜合起來(lái)指導(dǎo)灌溉,其不足在于土壤(基質(zhì))濕度探頭不穩(wěn)定、穴盤(pán)孔穴深度不夠、穴盤(pán)各穴孔間差異大等,影響灌溉效果,因此,利用盤(pán)質(zhì)量輔助或代替基質(zhì)濕度傳感器監(jiān)測(cè)基質(zhì)含水量,有可能更加精確、方便地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。本試驗(yàn)分別從基質(zhì)水分、氣候兩方面探究盤(pán)質(zhì)量對(duì)小青菜生長(zhǎng)的直接、間接影響,旨在建立盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)含水量的相關(guān)關(guān)系,指導(dǎo)灌溉指標(biāo)的確定,為精準(zhǔn)灌溉提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2012年11月5~26日在上海浦東新區(qū)大團(tuán)鎮(zhèn)多利農(nóng)莊1號(hào)溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室水分、溫度、光照及生產(chǎn)管理均與1號(hào)棚內(nèi)一致。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)大氣濕度波動(dòng)幅度較大,白天最低濕度50%以上,晚上接近100%。陰雨天大氣濕度波動(dòng)較小,但濕度持續(xù)過(guò)高,且光照較弱。大氣溫度與基質(zhì)溫度之間呈現(xiàn)規(guī)律的周期性變化。整個(gè)生長(zhǎng)期白天溫度在13~23℃,夜晚溫度在8~18℃。大氣溫度早晚溫差在0.2~12.4℃,基質(zhì)溫度早晚溫差在5~14℃。管理采用有機(jī)基質(zhì)栽培,在小青菜生長(zhǎng)期間不施用化肥和營(yíng)養(yǎng)液,只適當(dāng)補(bǔ)充水分。
試驗(yàn)材料為小青菜,供試品種為青陽(yáng),采用200孔穴盤(pán)進(jìn)行機(jī)器播種。育苗基質(zhì)為園欣牌育苗基質(zhì),其養(yǎng)分配比為泥炭∶珍珠巖∶園藝蛭石=1∶1∶1(體積比),有機(jī)質(zhì)含量50%,pH值5.6~6.5,腐殖質(zhì)含量35%,N、P、K含量3%。有機(jī)肥占15%(質(zhì)量比),其養(yǎng)分配比為有機(jī)質(zhì)含量5%,N、P、K含量6%,有益菌含量5億/g。
試驗(yàn)設(shè)播種穴盤(pán)和未播種穴盤(pán)2個(gè)處理,4個(gè)區(qū)組 (按照溫室位置從南到北依次分為N1、N2、N3、N4)。在播種穴盤(pán)和未播種穴盤(pán)內(nèi)分別固定插入一個(gè)土壤水分傳感器。將溫度傳感器插入播種穴盤(pán)監(jiān)測(cè)基質(zhì)溫度,將農(nóng)用通設(shè)定為30 min導(dǎo)出一次環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化。農(nóng)用通是北京旗碩科技公司研發(fā)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可自動(dòng)采集溫度、濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式接入互聯(lián)網(wǎng),用戶(hù)能借助電腦或手機(jī)了解現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)。
盤(pán)質(zhì)量每天7:30和16:30測(cè)定,基質(zhì)濕度、大氣濕度、基質(zhì)溫度、大氣溫度、光照強(qiáng)度采用農(nóng)用通自動(dòng)監(jiān)測(cè),每隔30min獲得一次數(shù)據(jù)?;|(zhì)含水量分別由基質(zhì)相對(duì)水分含量和基質(zhì)濕度表征,其測(cè)定方法不同,基質(zhì)相對(duì)水分含量采用烘干法測(cè)定[15],為質(zhì)量比;基質(zhì)相對(duì)濕度由農(nóng)用通監(jiān)測(cè),為體積比。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SAS 9.1.3 Portable、WPS表格軟件分析。
圖1-A可看出,整體上盤(pán)質(zhì)量降低的趨勢(shì)是晴天大于陰雨天,由圖1-B可更直觀地看出,12:00~14:00時(shí)段晴天與陰雨天盤(pán)質(zhì)量減少量差異最大,這是由于此時(shí)段晴天光照和溫度最強(qiáng)烈,蒸騰、蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,故盤(pán)質(zhì)量減少量最大。圖1-B中14:00~16:00時(shí)段晴天、陰雨天盤(pán)質(zhì)量減少量相同,其原因可能是晴天此時(shí)段室外光照降低,由于溫室位置下午光照無(wú)法輻射至試驗(yàn)區(qū),導(dǎo)致蒸騰蒸發(fā)量減少,而陰天雖然光照較弱,但密閉環(huán)境下溫室內(nèi)溫度積聚導(dǎo)致溫室內(nèi)溫度未明顯降低,故出現(xiàn)兩者盤(pán)質(zhì)量減少量無(wú)差異情況。本試驗(yàn)結(jié)果表明,晴天、陰雨天白天盤(pán)質(zhì)量減少量總和分別為0.148、0.082 kg,晴天蒸騰蒸發(fā)量是陰天的1.8倍。
圖1 晴天、陰雨天盤(pán)質(zhì)量日變化規(guī)律及盤(pán)質(zhì)量減少量對(duì)比
從圖2中可看出,陰雨天基質(zhì)相對(duì)濕度是一條趨于平行于坐標(biāo)橫軸的直線,基質(zhì)相對(duì)濕度降低極緩慢,而晴天基質(zhì)相對(duì)濕度降低極顯著。結(jié)合圖1可以看出,晴天、陰雨天基質(zhì)含水量變化差異很大,因此在工廠化生產(chǎn)中其灌溉方式應(yīng)分別對(duì)待,以適應(yīng)作物生長(zhǎng)需求。徐磊等[1]認(rèn)為,晴天基質(zhì)中含水量要高于陰天,有利于植物生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累,陰天弱光下基質(zhì)含水量較高會(huì)導(dǎo)致植株徒長(zhǎng)形成弱苗,影響蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì),因此,合理控制基質(zhì)含水量對(duì)增產(chǎn)增收意義重大。
圖3-A中播種處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量間線性相關(guān)系數(shù)為0.821 9,圖3-B中未播種處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量線性相關(guān)系數(shù)為0.985 5,遠(yuǎn)大于0.70[16],結(jié)果顯示,兩處理盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量間存在極顯著線性相關(guān),說(shuō)明盤(pán)質(zhì)量能夠反映基質(zhì)相對(duì)水分含量的變化,從而指導(dǎo)灌溉。對(duì)比圖3-A與圖3-B相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn),播種穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量線性相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)低于未播種穴盤(pán),說(shuō)明除操作繁瑣外,采用烘干法測(cè)得基質(zhì)水分含量時(shí)基質(zhì)中植物殘留物對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響不容忽視。
圖4-A中播種處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度之間線性相關(guān)系數(shù)為0.977 3,圖4-B中盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.977 7,遠(yuǎn)大于0.70[16,兩處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度之間均具有極顯著線性相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明用盤(pán)質(zhì)量能夠反映基質(zhì)相對(duì)濕度的變化,進(jìn)而指導(dǎo)灌溉。圖4-A、圖4-B相關(guān)系數(shù)一致,說(shuō)明基質(zhì)中殘留的植物成分對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響可以忽略。
圖3 盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量間的相關(guān)關(guān)系
由圖5-A可看出,播種穴盤(pán)質(zhì)量的減少量大于未播種穴盤(pán),這是由于播種穴盤(pán)中植物蒸騰作用所造成的;但兩者無(wú)差異顯著性(p=0.189 5)。圖5-B結(jié)果顯示,晴天、陰天盤(pán)質(zhì)量減少量差異極顯著(p=0.001),晴天盤(pán)質(zhì)量減少量為陰雨天的2~8倍,晴天植物蒸騰和基質(zhì)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于陰雨天,故在生產(chǎn)中,天氣變化時(shí)灌溉措施也應(yīng)分別調(diào)整,以適應(yīng)植物生長(zhǎng)需求。圖5-C和圖5-D分別為隨機(jī)一個(gè)陰雨天及晴天盤(pán)質(zhì)量減少量對(duì)比,分析結(jié)果顯示,無(wú)論陰天(p=0.342 2)還是晴天(p=0.547 1)4 個(gè)區(qū)組盤(pán)質(zhì)量減少量無(wú)顯著性差異,這說(shuō)明在溫室條件下,不同區(qū)組穴盤(pán)質(zhì)量減少量無(wú)顯著性差異,但相同區(qū)組內(nèi),晴天、陰天盤(pán)質(zhì)量減少量差異極顯著。
圖3分析結(jié)果顯示,盤(pán)質(zhì)量與其基質(zhì)水分含量之間有極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,可以用盤(pán)質(zhì)量反映基質(zhì)含水量的變化。基質(zhì)水分含量由烘干法測(cè)定,該方法相對(duì)較精確,但烘干法測(cè)定基質(zhì)含水量不僅操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng),不能實(shí)時(shí)指導(dǎo)灌溉,而且在采樣過(guò)程中基質(zhì)中會(huì)因殘留一部分植物根系而影響測(cè)定結(jié)果。圖3分析顯示,播種盤(pán)質(zhì)量及未播種盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量相關(guān)系數(shù)差異較大,說(shuō)明在操作過(guò)程中殘留根系導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果存在較大的試驗(yàn)誤差,故綜合以上因素烘干法測(cè)基質(zhì)相對(duì)含水量并不是指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉最佳方法。
圖4分析結(jié)果顯示,無(wú)論是播種穴盤(pán)還是未播種穴盤(pán)質(zhì)量與其基質(zhì)相對(duì)濕度間均有極強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系,可用盤(pán)質(zhì)量反應(yīng)基質(zhì)濕度的變化?;|(zhì)相對(duì)濕度由農(nóng)用通測(cè)定,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基質(zhì)相對(duì)濕度的變化,而且基質(zhì)相對(duì)濕度與基質(zhì)水分含量具有線性關(guān)系,準(zhǔn)確性可靠。以下分別為播種處理(Y1)及未播種處理(Y2)基質(zhì)相對(duì)濕度與基質(zhì)水分含量之間的關(guān)系,
圖4 盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度間的相關(guān)關(guān)系
工廠化灌溉生產(chǎn)蔬菜是一個(gè)資本密集型的產(chǎn)業(yè)[17],相對(duì)于基質(zhì)水分含量的測(cè)定,采用農(nóng)用通測(cè)定基質(zhì)相對(duì)濕度具有快捷方便并可遠(yuǎn)程操作的優(yōu)點(diǎn),更加適于工廠化生產(chǎn)的灌溉管理。然而,農(nóng)用通濕度傳感器定點(diǎn)測(cè)定基質(zhì)相對(duì)濕度代表性不強(qiáng)且價(jià)格昂貴,大面積工廠化栽培中單純依靠農(nóng)用通指示基質(zhì)含水量需要多個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),成本太高。以上分析表明盤(pán)質(zhì)量可作為指導(dǎo)灌溉的指標(biāo)之一,結(jié)合盤(pán)質(zhì)量變化和基質(zhì)濕度變化作為灌溉的理論依據(jù)不僅能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)灌溉管理,同時(shí)還能減少濕度傳感器的應(yīng)用使之更廣泛地應(yīng)用在不同生長(zhǎng)期、作物、季節(jié)等栽培管理中。
圖5-C和圖5-D分析了播種和未播種處理間盤(pán)質(zhì)量減少量的差異顯著性,結(jié)果顯示,無(wú)論是晴天還是陰天區(qū)組間盤(pán)質(zhì)量減少量均無(wú)顯著性差異,可不分位置統(tǒng)一灌溉量管理。有3種情況會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)果,第一種情況是從南到北溫室中光照強(qiáng)度無(wú)顯著性差異,穴盤(pán)及基質(zhì)的蒸騰蒸發(fā)量(ET)差異不明顯,可造成以上結(jié)果[18];第二種情況是4個(gè)區(qū)組光照差異顯著,即苗床從南到北光照強(qiáng)度逐漸降低,ET逐漸降低,植物生長(zhǎng)量逐漸降低,故盤(pán)質(zhì)量減少無(wú)顯著差異;第三種情況是忽略光照強(qiáng)度變化對(duì)ET和生長(zhǎng)量的影響。人工灌溉如果南北不均也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果,人工灌溉不均勻?qū)е禄|(zhì)含水量差異巨大,影響植物生長(zhǎng),而工廠化生產(chǎn)采用機(jī)械灌溉相對(duì)人工灌溉更加均勻、統(tǒng)一,章鷗等[19]在研究不同基質(zhì)含水量對(duì)花椰菜工廠化育苗的影響中采用自走式移動(dòng)噴灌機(jī)進(jìn)行灌溉,從而控制灌溉量和盤(pán)質(zhì)量。在工廠化栽培中采用稱(chēng)重法測(cè)盤(pán)質(zhì)量或盆質(zhì)量作為灌溉指標(biāo)的研究也越來(lái)越廣泛[20,21]。本試驗(yàn)在王淑琴等[20]的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)盤(pán)質(zhì)量不僅與基質(zhì)水分含量具有極顯著的線性關(guān)系,還與基質(zhì)相對(duì)濕度具有極顯著的線性關(guān)系。盤(pán)質(zhì)量作為灌溉指標(biāo)操作復(fù)雜,以基質(zhì)相對(duì)濕度變化反映盤(pán)質(zhì)量變化可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的指導(dǎo)灌溉,可作為指導(dǎo)灌溉的輔助措施。另外,大面積工廠化栽培中基質(zhì)相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)成本過(guò)高,因此要實(shí)現(xiàn)工廠化栽培的節(jié)約化、精準(zhǔn)化還需要更進(jìn)一步的研究,如利用機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)植物葉片顏色、葉片開(kāi)展度、葉片溫度等指導(dǎo)灌溉,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還需要大量的研究工作。
圖5 穴盤(pán)質(zhì)量日減少量對(duì)比
[1]徐磊,蔣芳玲,吳震,等.基質(zhì)含水量和光照度對(duì)不結(jié)球白菜的生長(zhǎng)及品質(zhì)的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009,25(4):865-870.
[2]張榮萍,馬均,王賀正,等.不同灌水方式對(duì)水稻生育特性及水分利用率的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2005,21(9):144-150.
[3]Al-Said F A,Ashfaq M,Al-Barhi M,et al.Water productivity of vegetables undermodern irrigation methhods in Oman[J].Irrigation and Darainage,2012,61(4):477-489.
[4]Sadras V O,Milroy S P.Soil-water thresholds for the response of leaf expansion and gas exchange:A review[J].Field Crops Research,1996,47:253-266.
[5]Turner N C.Adaptation to water deficits:a changing perspective[J].Aust Plant Physiol,1986,13(1):175-190.
[6]Turner N C,Schultz ED,Gollan T.The responses of stomata and leaf gas exchange to vapour pressure deficits and soil water content II.In the mesophytic herbaceous species Helianthus annuus[J].Oecologia,1985,65(3):348-355.
[7]Doria R O,Madramoo too C A.Retracted:estimation of irrigation requirements for some crops in South Quebec using cropwat[J].Irrigation and Darainage,2012,61(4):1-11.
[8]霍海霞,牛文全,汪有科.設(shè)施蔬菜灌溉技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].節(jié)水灌溉,2012(4):22-29.
[9]Shah N H,Paulsen G M.Responses of wheat to combined high temperature and osmotic stress during maturation II[J].Plant Journal of Biological Sciences,2000,3(10):1 639-1 643.
[10]楊麗娟,張玉龍,須暉.棚室蔬菜生產(chǎn)中灌溉技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(6):264-267.
[11]王福義.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)概述[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2012(8):71-72.
[12]樊銘京,謝清華,宋玉娟,等.作物智能化精準(zhǔn)灌溉監(jiān)測(cè)控制技術(shù)應(yīng)用研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,43(2):299-303.
[13]韓建明,何志剛,錢(qián)亞明,等.作物智能化精準(zhǔn)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2012,24(7):130-132.
[14]黃艷,楊登強(qiáng).基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)灌溉農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)
用框架[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2012(7):68-71.
[15]陸欣,謝英荷.土壤肥料學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2001:318-319.
[16]Norman G R,Streiner D L.Biostatistics:The bare essentials[M].BC:Decker Inc,2008:137-138.
[17]Woltering L,Pasterank D,Ndjeunga J.The Africanmarket garden:The development of a low-pressure drip irrigation system for smallholders in the sudano sahel[J].Irrigation and Darainage,2011,60(5):613-621.
[18]李建明,王平,李江.灌溉量對(duì)亞低溫下溫室番茄生理生化與品質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(2):129-134.
[19]章鷗,毛久庚,魏猷剛,等.不同基質(zhì)含水量對(duì)秋播花椰菜工廠化育苗質(zhì)量的影響[J].中國(guó)園藝文摘,2011(12):20-23.
[20]王淑琴,黃丹楓,鄒志榮.網(wǎng)紋甜瓜工廠化育苗灌溉指標(biāo)的研究[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(35):236-239.
[21]郭永青,李建明,鄒志榮,等.不同補(bǔ)充灌水量對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,19(4):169-172.