不同灌水量對(duì)溫室茄子蒸騰規(guī)律及水分利用的影響

王 湛，李銀坤，郭文忠，韓 雪,3

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南京 210095；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，北京 100094)

水分是影響蔬菜生長(zhǎng)最為關(guān)鍵的生態(tài)因子之一。水分的過(guò)多與不足，均會(huì)對(duì)蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。溫室蔬菜不能直接利用天然降水，需要依靠灌溉來(lái)補(bǔ)充水分，而在我國(guó)蔬菜生產(chǎn)中仍主要依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)灌水，灌溉量大，灌溉水有效利用系數(shù)低，嚴(yán)重浪費(fèi)了水源，造成設(shè)施蔬菜發(fā)病率增高，產(chǎn)量和效益低下[1,2]。

蒸騰是植物生理特征的重要指標(biāo)，而蒸騰強(qiáng)度大小反映了植物潛在耗水能力的強(qiáng)弱[3]。現(xiàn)有研究表明，蔬菜作物的蒸騰耗水在其生長(zhǎng)過(guò)程中具有類似的變化規(guī)律，一般隨著生育期推進(jìn)呈先增大后降低的變化趨勢(shì)，其中結(jié)果期的蒸騰耗水量最大，可占全生育期耗水的50%以上[4,5]。作物的蒸騰耗水除受其自身生理特性影響外，還受到溫度、濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子的影響[6，7]。牛勇等[8]研究認(rèn)為溫室黃瓜的蒸騰量與太陽(yáng)凈輻射的相關(guān)性最大，其次是溫室內(nèi)的相對(duì)濕度。但是在土壤供水虧缺或過(guò)飽和時(shí)，土壤含水量則成為影響蒸騰的主導(dǎo)因子[9]。有研究表明[10，11]，灌水量不足將嚴(yán)重抑制植株蒸騰，影響植株生長(zhǎng)，其中40%～50%田間持水量條件下的溫室番茄蒸騰量相比75%～80%田間持水量降低了51.0%，但在土壤含水量為90%～100%田間持水量時(shí)，葉片無(wú)效蒸騰迅速增加，水分利用效率降低?？梢?jiàn)，適宜的土壤水分條件是減少水分損失、提高水分利用效率的關(guān)鍵[12]。而探討蔬菜作物精細(xì)蒸騰耗水強(qiáng)度及生育期蒸騰量對(duì)不同灌水量的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)解釋溫室蔬菜節(jié)水機(jī)理及制定高產(chǎn)高效的灌溉制度具有重要的理論與實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物蒸騰耗水量的測(cè)定方法很多，而稱重式蒸滲儀被認(rèn)為是測(cè)量作物騰發(fā)量和滲漏量的標(biāo)準(zhǔn)儀器[13]。當(dāng)前基于稱重式蒸滲儀開(kāi)展溫室茄子蒸騰耗水動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)研究也較為少見(jiàn)。本試驗(yàn)以茄子為材料，以稱重式蒸滲儀為試驗(yàn)平臺(tái)，以20 cm標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量為灌溉依據(jù)，通過(guò)研究不同灌溉量下溫室茄子的日蒸騰耗水強(qiáng)度以及茄子生育期內(nèi)蒸騰量的動(dòng)態(tài)變化，以期為溫室茄子制定合理的灌溉制度，實(shí)現(xiàn)節(jié)水生產(chǎn)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年8-12月在北京市農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)溫室內(nèi)進(jìn)行。該地區(qū)位于東經(jīng)116.29°，北緯39.94°。海拔56 m，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫11.1℃。供試溫室長(zhǎng)38 m，寬11 m，南北走向，土質(zhì)為砂壤土。試驗(yàn)前0～20 cm土壤理化性質(zhì)為：土壤容重1.40 g/cm3，田間體積持水量28.0%，有機(jī)質(zhì)含量15.89 g/kg，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.60 g/kg，速效鉀含量0.15 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)直徑為20 cm蒸發(fā)皿測(cè)定的冠層水面蒸發(fā)量設(shè)置3種灌水量水平：I1，累計(jì)水面蒸發(fā)量的60%(Kcp1：0.6)；I2，累計(jì)水面蒸發(fā)量的80%(Kcp2：0.8)；I3，累計(jì)水面蒸發(fā)量的100%(Kcp3：1.0)。

供試茄子品種為“京茄黑寶”，于2017年8月8日定植，定植時(shí)選取4葉1心的秧苗。栽培方式為畦栽，畦寬70 cm，采用雙行錯(cuò)位定植法，行距50 cm，株距45 cm，栽培畦覆蓋地膜。灌溉方式為膜下滴灌，在畦上鋪設(shè)2條滴灌帶(滴頭間距10 cm)。各處理施肥量相同，在茄子定植前基施有機(jī)肥30 000 kg/hm2(N、P2O5、K2O含量分別為7.14、0.06和3.68 g/kg)，定植后追施大量元素水溶性肥料(N∶P2O5∶K2O =3∶1∶1)。施肥時(shí)先將肥料在水中充分溶解，然后隨滴灌施入。本試驗(yàn)將茄子生育期劃分為4個(gè)階段：苗期(定植29 d內(nèi))，開(kāi)花結(jié)果期(定植30～56 d)，結(jié)果盛期(定植57～101 d)和結(jié)果末期(定植102 d至拉秧)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量及灌水量

溫室內(nèi)設(shè)置有直徑為20 cm的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿，其高度與茄子冠層保持一致。每日下午18∶00用分辨度為0.1 mm水深的配套量筒測(cè)量蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量，測(cè)量完畢后再倒入10 mm的水，蒸發(fā)皿剩余水量與最初倒入的10 mm的差值即為水面蒸發(fā)量(Ep)，水面蒸發(fā)量的累積值分別乘以灌溉系數(shù)，即為實(shí)際灌水量，其計(jì)算公式如下：

I=Kcp∑EP

(1)

式中：I為灌水量，mm；Kcp為灌溉系數(shù)；Ep為累積水面蒸發(fā)量，mm。

1.3.2 茄子蒸騰量

溫室安裝有稱重式蒸滲儀試驗(yàn)平臺(tái)，稱重式蒸滲儀長(zhǎng)100 cm，寬60 cm，土體深90 cm。每1 h記錄一次土柱重量(分辨率為0.01 mm水深)。稱重式蒸滲儀內(nèi)裸露土壤全部用地膜覆蓋，茄子蒸騰量根據(jù)水量平衡方程計(jì)算：

T=(Wt-1+Wt)/(Sρ)+I

(2)

式中：T為時(shí)間段內(nèi)蒸騰量，mm；S為蒸滲儀箱體的表面積，m2；Wt-1、Wt為t-1時(shí)刻和t時(shí)刻蒸滲儀箱體內(nèi)土、水的質(zhì)量，kg；ρ為水的密度，g/cm3。

各生育期分別取一個(gè)晴朗天氣分析茄子的蒸騰強(qiáng)度變化規(guī)律，具體選取日期為苗期：定植后24 d；開(kāi)花結(jié)果期：定植后44 d；結(jié)果盛期：定植后78 d；結(jié)果末期：定植后108 d。

1.3.3 茄子產(chǎn)量(kg/hm2)

進(jìn)入結(jié)果期后，對(duì)各處理每次采收的茄子分別進(jìn)行稱重計(jì)產(chǎn)，并折算成公頃產(chǎn)量。

1.3.4 水分利用效率(WUE，kg/m3)

WUE=Y/ET

(3)

式中：Y為產(chǎn)量，kg/hm2；ET為總蒸騰量，mm。

1.3.4 溫室環(huán)境因子

溫室中央安裝有自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)部氣象數(shù)據(jù)，包括：氣溫、相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射等參數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)與方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)由Excel 2003進(jìn)行整理作圖，用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 溫室內(nèi)水面蒸發(fā)與氣溫的變化規(guī)律

由圖1可以看出，蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量Ep與溫度T的變化相似，均呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。二者具有極顯著的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)r=0.7677，P<0.01)。試驗(yàn)期間溫度T呈逐漸下降趨勢(shì)，全生育期內(nèi)的平均溫度為19.8 ℃。水面蒸發(fā)量Ep在定植23 d內(nèi)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，最大水面蒸發(fā)量為3.90 mm/d，然后隨著茄子生育期的推進(jìn)下降趨勢(shì)明顯，在定植100 d后水面蒸發(fā)量Ep在0.55 mm/d上下浮動(dòng)。試驗(yàn)期間的水面蒸發(fā)總量為174.4 mm。

2.2 溫室茄子各生育期蒸騰量日變化及其與溫度的關(guān)系

茄子各生育期內(nèi)蒸騰耗水強(qiáng)度的日變化過(guò)程如圖2所示。從圖2可以看出，不同灌水處理下茄子各生育期的蒸騰強(qiáng)度和溫度的變化趨勢(shì)一致。蒸騰作用主要發(fā)生在白天，夜間也有發(fā)生，但相對(duì)較弱且比較穩(wěn)定。各生育期的蒸騰強(qiáng)度日變化均呈單峰曲線，其中苗期、開(kāi)花結(jié)果期和結(jié)果盛期的蒸騰強(qiáng)度均在7∶00隨著溫度的升高而逐漸增大，并在13∶00溫度達(dá)到最高時(shí)，蒸騰強(qiáng)度也出現(xiàn)峰值，峰值之后隨著溫度的降低迅速減小，并在19∶00趨于穩(wěn)定。而結(jié)果末期的蒸騰強(qiáng)度從8∶00開(kāi)始才有明顯的上升趨勢(shì)，在12∶00時(shí)達(dá)峰值，15∶00時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖1 蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量及溫度變化Fig.1 Water surface evaporation of evaporator and temperature changes

茄子蒸騰強(qiáng)度的峰值在不同生育期差異很大。在開(kāi)花結(jié)果期的峰值最大，其次為結(jié)果盛期，結(jié)果末期的峰值最小。處理I1、I2和I3在開(kāi)花結(jié)果期的蒸騰強(qiáng)度峰值分別為0.20、0.28和0.31 mm/h，相比處理I1，處理I2和I3的蒸騰強(qiáng)度峰值可分別增加40.0%和55.0%。

2.3 不同灌水處理下茄子日蒸騰量和累積蒸騰量的動(dòng)態(tài)變化

溫室茄子日蒸騰量和累積蒸騰量的動(dòng)態(tài)變化如圖3所示?？梢悦黠@看出，各處理的日蒸騰量隨生育期的推進(jìn)均呈先升高后降低的變化規(guī)律。各處理的日蒸騰量在茄子苗期呈逐漸增大趨勢(shì)，在開(kāi)花結(jié)果期達(dá)到峰值2.45～2.93 mm/d，結(jié)果盛期日蒸騰量呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，到結(jié)果末期時(shí)日蒸騰量已明顯減小，日蒸騰量在0.3 mm/d左右波動(dòng)。

圖2 溫室茄子不同生育期蒸騰耗水強(qiáng)度Fig.2 Transpiration rate at different growth stages of greenhouse eggplant

圖3 生育期內(nèi)日蒸騰量及累積蒸騰量變化Fig.3 Changes of daily transpiration and accumulated transpiration during the growth period

各處理累積蒸騰量變化趨勢(shì)均為“S”型曲線(圖3)，苗期增長(zhǎng)緩慢，開(kāi)花結(jié)果期增長(zhǎng)加快，到結(jié)果盛期和結(jié)果末期時(shí)增長(zhǎng)速率又逐漸減小。溫室茄子的總蒸騰量為84.1～128.9 mm，其中開(kāi)花結(jié)果期的階段累積蒸騰量最高，可占全生育期累積蒸騰量的38.7%～42.0%；其次為結(jié)果盛期，占總蒸騰量的28.9%～36.1%；結(jié)果末期的蒸騰量?jī)H占總蒸騰量的6.1%～8.1%。灌水量越大其在不同生育階段的累積蒸騰量也越大，處理I2和I3在開(kāi)花結(jié)果期的階段累積蒸騰量分別比處理I1增加了20.4%和41.4%，而在結(jié)果盛期也分別比處理I1增加了41.3%和91.3%。從溫室茄子全生育期的累積蒸騰量看，處理I2和I3相比處理I1也分別增加了24.9%和53.2%。

2.4 溫室茄子日蒸騰量影響因素分析

蒸騰是土壤水分被植物吸收后以氣體狀態(tài)通過(guò)植株表面(主要是葉片)從體內(nèi)散發(fā)到體外的過(guò)程，因此植株蒸騰強(qiáng)度大小受到空氣溫濕度、太陽(yáng)輻射等環(huán)境因子的影響。不同處理下茄子日蒸騰量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析如表1所示?？梢钥闯觯诓煌┧畻l件下，茄子日蒸騰量與溫室內(nèi)溫度、太陽(yáng)輻射及光合有效輻射均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。光合有效輻射與茄子日蒸騰量的相關(guān)性最高，而日均溫度與茄子日蒸騰量的相關(guān)系數(shù)最小。

表1 溫室茄子日蒸騰量與環(huán)境因子相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis of daily transpiration and environmental factors of eggplant in greenhouse

注：**P<0.01，N=127。

2.5 不同灌水處理下溫室茄子產(chǎn)量與水分利用效率

由圖4可知，溫室茄子的產(chǎn)量隨著灌水量的增大而增加，處理I2和I3的產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但與處理I1相比，分別增加了44.7%(P<0.05)和56.9%(P<0.05)。各處理的水分利用效率無(wú)顯著性差異，其中處理I2的水分利用效率最高，為25.5 kg/m3，相比處理I1和I3分別增加了15.9%和13.3%。

注：圖中不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)圖4 茄子產(chǎn)量及水分利用效率Fig.4 Eggplant yield and water use efficiency

3 討 論

植物的蒸騰作用是一種復(fù)雜的生理過(guò)程，是植物對(duì)水分和礦物質(zhì)鹽吸收和運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)主要?jiǎng)恿Γ谥参锷L(zhǎng)過(guò)程中起重要作用。本試驗(yàn)中溫室秋茬茄子的蒸騰強(qiáng)度日變化表現(xiàn)為單峰曲線，蒸騰強(qiáng)度在7∶00-8∶00時(shí)開(kāi)始增大，12∶00-13∶00時(shí)達(dá)到峰值，峰值之后逐漸下降，并在18∶00趨于穩(wěn)定。這與已有研究結(jié)果一致[14,15]。溫室茄子日蒸騰量受到日均溫度、相對(duì)濕度、光合有效輻射以及光合有效輻射等環(huán)境因子的顯著影響(表1)，其中與光合有效輻射的相關(guān)性最高，而與日均溫度的相關(guān)性較低。日蒸騰量與日均溫度的相關(guān)性最低，其原因與以日作為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)尺度，溫室內(nèi)溫度保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，溫度變動(dòng)幅度較小有關(guān)；而在以小時(shí)為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)尺度時(shí)，溫室內(nèi)溫度的變動(dòng)幅度則相對(duì)較大，其與蒸騰強(qiáng)度的相關(guān)性也相對(duì)較高[16]。在本試驗(yàn)條件下，不同生育期內(nèi)蒸騰強(qiáng)度日變化峰值的出現(xiàn)時(shí)間與出現(xiàn)溫度峰值的時(shí)間基本一致(圖2)，這是因?yàn)樵跍囟壬邥r(shí)，葉片溫度也隨著升高，植物需要通過(guò)蒸騰作用散失水分降低葉溫以適應(yīng)高溫環(huán)境，因此蒸騰強(qiáng)度日變化一般隨著溫度的升高而增大[15]。同時(shí)也說(shuō)明溫度對(duì)蒸騰強(qiáng)度的日變化過(guò)程影響更加明顯。

作物的蒸騰耗水量在不同的生育時(shí)期存在著很大差異。本試驗(yàn)條件下，隨著溫室秋茬茄子生育期的推進(jìn)，蒸騰強(qiáng)度峰值與日蒸騰量均呈先增大后減小的變化規(guī)律。開(kāi)花結(jié)果期的蒸騰強(qiáng)度日變化峰值以及階段累積蒸騰量最大，其中蒸騰強(qiáng)度峰值可達(dá)0.20～0.31 mm/h，階段累積蒸騰量為35.3～49.9 mm，占到總蒸騰量的38.7%～42.0%，其次為結(jié)果盛期，而結(jié)果末期的蒸騰強(qiáng)度日變化峰值與累積蒸騰量最低。這是因?yàn)樵诿缙跁r(shí)植株較弱，日蒸騰量較小，到開(kāi)花結(jié)果期后，茄子植株的葉面積增大，并且由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯成L(zhǎng)，對(duì)水分的需求旺盛，蒸騰量也隨著增大；但進(jìn)入結(jié)果盛期時(shí)，溫室內(nèi)溫度逐漸降低，水面蒸發(fā)量也明顯下降(圖1)，茄子生長(zhǎng)速度減緩，日蒸騰量也呈下降趨勢(shì)(圖3)；而到結(jié)果末期時(shí)，隨著溫度進(jìn)一步降低，植株衰老，新陳代謝活動(dòng)減弱，蒸騰強(qiáng)度下降明顯[17,18]。增加灌水量不僅提高了茄子的蒸騰強(qiáng)度，且增加了全生育期的總蒸騰量。相比處理I1，處理I2和I3在開(kāi)花結(jié)果期的蒸騰強(qiáng)度峰值可分別提高40.0%和55.0%，全生育期的總蒸騰量分別增加24.9%和53.2%。王雪梅等[19]研究也表明，增加灌水量可顯著提高溫室番茄的平均蒸騰強(qiáng)度。不同灌水處理對(duì)茄子的蒸騰強(qiáng)度日變化與累積蒸騰量都具有不同程度的影響，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生影響。與處理I1相比，處理I2和I3的產(chǎn)量都有顯著增加(圖4)。裴蕓等[20]研究結(jié)果表明，隨著灌水量的增加，生菜的光合速率、蒸騰強(qiáng)度逐漸增大，促進(jìn)了生菜的光合作用，其地上部鮮重和干重均顯著提高。但處理I3與處理I2相比，茄子產(chǎn)量并無(wú)顯著性提高。說(shuō)明溫室秋茬茄子產(chǎn)量并不隨著灌水量的增大成等比例增加，而適宜灌水對(duì)茄子的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量增加最為有利[17]。龔雪文等[21]研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水量低于0.75Ep-20時(shí)，黃瓜的產(chǎn)量與灌水量成正比，當(dāng)灌水量超過(guò)0.75Ep-20時(shí)，各處理產(chǎn)量增加不顯著甚至不增加。本試驗(yàn)條件下，水分利用效率也以處理I2的最高，則進(jìn)一步表明了適當(dāng)降低灌水量不僅能夠保證茄子產(chǎn)量，且對(duì)提升水分利用也具有較佳的效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)溫室秋茬茄子不同生育階段的蒸騰強(qiáng)度日變化均呈單峰曲線，灌水量越高蒸騰強(qiáng)度峰值也越高。峰值在12∶00-13∶00出現(xiàn)。其中開(kāi)花結(jié)果期的蒸騰強(qiáng)度峰值最高，為0.20～0.31 mm/h，結(jié)果末期蒸騰強(qiáng)度峰值最小，僅為0.04～0.08 mm/h。與處理I1相比，處理I2和I3在開(kāi)花結(jié)果期的蒸騰強(qiáng)度峰值分別增加了40.0%和55.0%。

(2)開(kāi)花結(jié)果期是溫室秋茬茄子蒸騰量最大的階段，增加灌水量可提高累積蒸騰量。溫室秋茬茄子總蒸騰量為84.1～128.9 mm，而開(kāi)花結(jié)果期的累積蒸騰量占到總蒸騰量的42.0%～38.7%。相比處理I1，處理I2和I3的總蒸騰量分別增加了24.9%和53.2%。

(3)溫室茄子日蒸騰量受溫室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射以及光合有效輻射等環(huán)境因子的顯著影響。其中光合有效輻射與茄子日蒸騰量的相關(guān)性最高。

(4)適當(dāng)減少灌水量能夠保證溫室秋茬茄子產(chǎn)量，提高水分利用效率。處理I2的產(chǎn)量相比處理I1增加了44.7%(P<0.05)，且與處理I3無(wú)顯著差異。水分利用效率以處理I2最高，為25.5 kg/m3，比處理I1與I3分別增加了15.9%與13.3%。