加氧灌溉溫室甜瓜植株蒸騰特征及模擬

摘要：利用熱技術(shù)方法研究了不同天氣條件下溫室甜瓜植株蒸騰速率的變化特征，分析了植株蒸騰與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，并利用環(huán)境因子對(duì)植株蒸騰進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，晴天條件下溫室甜瓜植株蒸騰日變化基本呈對(duì)稱單峰曲線，蒸騰速率與太陽總輻射、氣溫、光合有效輻射和相對(duì)濕度的相關(guān)性較強(qiáng)，利用該環(huán)境因子預(yù)測(cè)蒸騰精度較高；陰天和雨天條件下溫室甜瓜植株蒸騰日變化規(guī)律性較弱，蒸騰速率與環(huán)境因子的相關(guān)性較差。調(diào)控溫室輻射強(qiáng)度和相對(duì)濕度是實(shí)現(xiàn)節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的有效手段。

關(guān)鍵詞：甜瓜；植株蒸騰；環(huán)境因子；蒸騰模擬

中圖分類號(hào)：S652；Q945.17+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）15-3556-03

蒸騰作用是植物體內(nèi)的水分以氣態(tài)方式從植物的表面向外界散失的過程。植物蒸騰的生理意義表現(xiàn)在蒸騰作用失水所造成的水勢(shì)梯度是植物吸收和運(yùn)輸水分、無機(jī)離子的驅(qū)動(dòng)力，另外蒸騰作用還可以降低植物體的溫度[1]。試驗(yàn)表明，植物根系吸收水分的99%用于蒸騰作用，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上經(jīng)常利用植物的蒸騰失水情況制定合理的灌溉制度[2]，同時(shí)也是判斷植物生理活性的一個(gè)重要指標(biāo)[3]。測(cè)量植物蒸騰的方法很多，傳統(tǒng)的方法包括快速稱重法[4]、整樹容器法[5]、空調(diào)室法[6]和化學(xué)示蹤法[7]等，這些方法由于存在對(duì)植物的破壞性較大、成本較高和操作較困難等問題而限制了其大面積的應(yīng)用。近年來，熱技術(shù)方法由于具有基本保持樹木的自然生長狀態(tài)、連續(xù)觀測(cè)、易于野外操作和遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[8]。熱技術(shù)方法主要是通過測(cè)量樹干蒸騰來反映植株的蒸騰狀況，樹干蒸騰是指由于植株蒸騰引起的莖部上升流，樹干是蒸騰通道的咽喉部位，因此，通過精確測(cè)量植株的蒸騰量可以基本反映蒸騰失水量。試驗(yàn)應(yīng)用熱技術(shù)方法研究加氧灌溉條件下溫室甜瓜的植株蒸騰特征，并分析植株蒸騰與環(huán)境因子的定量關(guān)系，從而為溫室甜瓜灌溉制度的制定和溫室環(huán)境的調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

加氧灌溉試驗(yàn)于2009年4～7月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。玻璃溫室結(jié)構(gòu)為房脊型，長、寬和高分別為36.0、10.3和4.0 m，溫室內(nèi)南、北墻分別裝有大型風(fēng)機(jī)和濕簾來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫、濕度。玻璃溫室內(nèi)0～70 cm土層平均土壤干容重為1.38 g/cm3，田間持水量為23.6%（質(zhì)量含水率）。土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.03 g/kg，全氮含量為1.21 g/kg，全磷含量為1.07 g/kg，全鉀含量為21.16 g/kg，土壤肥力中等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)甜瓜品種為“一品天下208”，基質(zhì)穴盤育苗，2009年4月19日3葉1心時(shí)定植在壟上，7月1日收獲。每壟定植1行甜瓜，甜瓜的株距和行距分別為40 cm和100 cm。每小區(qū)面積為7.2 m2，采用直徑20 cm蒸發(fā)皿的2日累積蒸發(fā)量作為地下滴灌的灌水定額，為防止水分側(cè)滲，小區(qū)之間用深70 cm的塑料薄膜隔離。滴灌的加氧頻率為每兩天1次，輸氣毛管埋深20 cm，與輸水毛管間隔10 cm并排埋設(shè)，出氣處為直徑6 mm、間隔120°的3個(gè)出氣口，出氣口用2 mm厚的無紡布包裹，以防止土壤顆粒進(jìn)入毛管和保證出氣均勻。通過空氣壓縮機(jī)向輸氣毛管內(nèi)通氣，通氣量按以下公式計(jì)算：

V=S·L·（1-■）（1）

式中，V為每次加氣量（L），S為壟的橫截面積（m2），L為壟長（m），ρs為土壤比重，ρb為土壤容重（g/cm3）。據(jù)此可以得到每壟每次的加氣量為148.942 L。

溫室甜瓜的施肥、打藥等其他田間管理措施均相同。

1.3 項(xiàng)目觀測(cè)與方法

觀測(cè)項(xiàng)目包括植株蒸騰和環(huán)境因子，其中蒸騰采用美國Dynamax公司生產(chǎn)的包裹式液流測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行液流速率的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度為每半小時(shí)一次，然后利用配套的計(jì)算軟件把電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為蒸騰數(shù)據(jù)。采用盆栽稱重法對(duì)熱技術(shù)法進(jìn)行精度校正；環(huán)境因子包括地溫、太陽總輻射、光合有效輻射、氣溫、氣壓和相對(duì)濕度，其中地溫采用錦州華天氣象儀器制造有限公司生產(chǎn)的HTRM-I系列溫度測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，太陽總輻射、光合有效輻射、氣溫和相對(duì)濕度利用放置在溫室內(nèi)的WEATHER-HAWK小型自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)，環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)時(shí)間分辨率均為1 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同天氣條件下植株蒸騰特征

葉片是植物蒸騰作用的主要器官，蒸騰速率的大小受葉片氣孔開度大小的控制，而葉水勢(shì)是影響氣孔開度的直接原因。一般來說，晴天條件下光照較強(qiáng)，溫度較高，葉水勢(shì)增大，葉片氣孔開度增加；陰天和雨天光照減弱，溫度降低，葉水勢(shì)隨之降低，葉片氣孔開度減小。在溫室甜瓜的伸蔓期，典型天氣條件下3個(gè)連續(xù)晴天（4月26日、27日和28日）、陰天（4月23日、30日和5月4日）和雨天（5月8日、9日和10日）的植株平均蒸騰速率的變化特征如圖1。

由圖1可知，不同天氣條件下溫室甜瓜植株蒸騰速率日變化存在較大差異。晴天的植株蒸騰速率變化趨勢(shì)呈明顯的單峰曲線，蒸騰強(qiáng)度從早晨7：00左右開始迅速增加，到中午12：00達(dá)到一天中的最大值120.44 g/h（單株的蒸騰速率，其他地方同），之后迅速降低，到19：30下降到13.41 g/h，夜間在該值附近輕微波動(dòng)；蒸騰強(qiáng)度在14：00～16：30之間有較大的波動(dòng)，這是因?yàn)闇厥姨齑昂蜐窈煹拈_啟影響到了溫室環(huán)境的改變，從而影響到了葉片氣孔的開度。陰天和雨天的植株蒸騰強(qiáng)度啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)于晴天有所推遲，推遲時(shí)間約為1 h；陰天的植株蒸騰強(qiáng)度啟動(dòng)后緩慢增加，在15：00達(dá)到一天中的最高值41.34 g/h，之后迅速降低，19：30降低到8.83 g/h；雨天的植株蒸騰速率變化較為緩和，一天中沒有明顯的最大值和最小值，這是因?yàn)橛晏斓臏囟群凸庹兆兓^小，氣孔的開度變化也弱。

2.2 植株蒸騰速率與環(huán)境因子的相關(guān)分析

在土壤水分供應(yīng)充足的條件下，環(huán)境狀況決定了葉片氣孔的開閉程度，進(jìn)而影響到植株的蒸騰速率。研究氣象因子與蒸騰的定量關(guān)系，可以有效地調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，在不損害作物正常生長的前提下減少無效水分蒸發(fā)，為節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。相關(guān)分析是研究自然現(xiàn)象之間是否存在某種依存關(guān)系，并對(duì)具體有依存關(guān)系的現(xiàn)象探討其相關(guān)方向以及相關(guān)程度，是研究隨機(jī)變量之間的相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。不同天氣條件下各環(huán)境因子與植株蒸騰速率的相關(guān)關(guān)系見表1。

由表1可知，不同天氣條件下溫室甜瓜植株蒸騰速率均與太陽總輻射、光合有效輻射極顯著相關(guān)，與大氣壓、地溫的相關(guān)性較小。晴天條件下蒸騰速率與氣溫和空氣相對(duì)濕度也極顯著相關(guān)，說明晴天中蒸騰速率的受控因素較為復(fù)雜。陰天、雨天條件下蒸騰速率僅與太陽總輻射、光合有效輻射極顯著相關(guān)。說明在任何天氣情況下，通過改變太陽總輻射和光合有效輻射可以有效地調(diào)節(jié)溫室甜瓜的蒸騰速率，即在太陽輻射較強(qiáng)時(shí)溫室可以采取遮陰措施，而在輻射較小時(shí)可以人為增加光源，從而達(dá)到植物較少蒸騰失水，實(shí)現(xiàn)水分的高效利用。

2.3 植株蒸騰速率與環(huán)境因子的多元回歸分析

相關(guān)分析僅表示各環(huán)境因子對(duì)植株蒸騰速率影響的強(qiáng)弱，無法利用環(huán)境因子的變化預(yù)測(cè)植株蒸騰速率的變化?；貧w分析是研究因變量與自變量之間變動(dòng)比例關(guān)系的一種方法，最終結(jié)果一般是建立某種經(jīng)驗(yàn)性的回歸方程。多元線性回歸是最簡單的擬合模型，選取相關(guān)分析中與甜瓜植株蒸騰速率相關(guān)性極顯著的各環(huán)境因子與蒸騰速率建立回歸模型，回歸方程的表達(dá)式分別為：

■s=-10.299+0.513 x1+0.117 x2+0.140 x3+255.01 x4（2）

■c=5.458+0.259 x3+150.112 x4 （3）

■r=6.286+0.033 x3+30.905 x4 （4）

式中，ys、yc和yr分別為晴天、陰天和雨天的蒸騰速率，x1、x2、x3和x4分別為氣溫、相對(duì)濕度、太陽總輻射和光合有效輻射值。

由方程的決定系數(shù)可知，晴天條件下利用環(huán)境因子預(yù)測(cè)植株蒸騰速率精度較高，陰天次之，雨天最差，這與不同天氣條件下植株蒸騰速率的日變化相一致，即晴天的植株蒸騰速率較為規(guī)律，與環(huán)境因子的相關(guān)性較強(qiáng)，而雨天的植株蒸騰速率規(guī)律性較弱，與環(huán)境因子的相關(guān)性也弱，利用環(huán)境因子預(yù)測(cè)蒸騰速率較為牽強(qiáng)。

把不同天氣條件下的環(huán)境因子數(shù)據(jù)分別代入方程（2）、（3）和（4），得到植株蒸騰速率的預(yù)測(cè)值，將觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值繪入散點(diǎn)圖，結(jié)果如圖2。

從蒸騰速率觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值的回歸曲線可以看出，晴天的蒸騰值較接近回歸曲線，在蒸騰速率值較大時(shí)擬合效果不甚理想；陰天的蒸騰速率值在回歸曲線附近波動(dòng)，但偏差較大。雨天的蒸騰速率值偏離回歸曲線較大，數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分散，因此利用晴天的環(huán)境因子數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)植株蒸騰是可信的。

3 小結(jié)

蒸騰是植物散失水分的重要途徑，人工掌控蒸騰速率是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的有效手段。通過熱技術(shù)方法研究發(fā)現(xiàn)晴天條件下植株蒸騰速率受環(huán)境因子中的太陽總輻射、氣溫、光合有效輻射和相對(duì)濕度的強(qiáng)烈影響，因此通過改變溫室環(huán)境中的輻射強(qiáng)度和相對(duì)濕度可以達(dá)到有效調(diào)節(jié)作物蒸騰的目的；陰天和雨天條件下植株蒸騰規(guī)律性較差，與環(huán)境因子的相關(guān)性也差，但由于陰天和雨天植物蒸騰較弱，植株失水可以忽略不計(jì)，該種環(huán)境條件下的植物蒸騰不作為節(jié)水農(nóng)業(yè)考慮的范疇。

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