大棚甜瓜蒸騰規(guī)律及其影響因子

張大龍，常毅博，李建明，張中典，潘銅華，杜清潔,鄭 剛

( 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，楊凌 712100)

大棚甜瓜蒸騰規(guī)律及其影響因子

張大龍，常毅博，李建明*，張中典，潘銅華，杜清潔,鄭 剛

( 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，楊凌 712100)

研究大棚甜瓜的蒸騰規(guī)律和影響因子，可以為大棚甜瓜水分優(yōu)化管理提供理論依據(jù)。利用大棚盆栽試驗(yàn)，設(shè)定了4個(gè)水分梯度，定量分析了大棚甜瓜蒸騰規(guī)律及蒸騰量與植株生理特性、氣象環(huán)境因子、土壤水分含量的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)各水分處理?xiàng)l件下甜瓜蒸騰強(qiáng)度日變化曲線均呈“雙峰型”，有明顯的“午休”現(xiàn)象。(2)甜瓜生理需水系數(shù)與葉面積指數(shù)、有效積溫關(guān)系顯著，分別呈線性和拋物線函數(shù)關(guān)系。(3)甜瓜全生育期累計(jì)蒸騰量呈現(xiàn)出“慢—快—慢”的變化規(guī)律，可以用Logistic函數(shù)進(jìn)行模擬。(4)甜瓜葉面積指數(shù)、日平均空氣溫度、日平均空氣相對濕度、日太陽輻射累積、土壤相對含水量均與單株日蒸騰量呈顯著性相關(guān)關(guān)系；甜瓜葉面積指數(shù)對蒸騰的綜合作用最大，是決策變量；土壤水分含量是限制變量，主要通過對其他因子的影響間接作用于蒸騰。(5)氣象環(huán)境因子對甜瓜蒸騰量的影響力很大程度上取決于土壤水分含量；氣象環(huán)境因子與蒸騰量的相關(guān)性隨土壤水分含量的增大而增大，在土壤相對含水量為70%—80%范圍內(nèi)達(dá)到最高值，當(dāng)土壤含水量接近田間持水量時(shí)，與各因子的相關(guān)系數(shù)逐漸下降。(6)甜瓜水分脅迫指數(shù)與土壤相對有效含水量關(guān)系顯著，二者呈現(xiàn)線性關(guān)系。

甜瓜；蒸騰作用；生理需水系數(shù)；通徑分析；環(huán)境因子；土壤水分

在設(shè)施作物生產(chǎn)中，作物蒸騰量不僅是確定合理的作物肥水灌溉控制目標(biāo)的依據(jù)，同時(shí)對設(shè)施內(nèi)的環(huán)境有重要影響，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益[1]。蒸騰作用在植物生活過程中具有重要的意義，植物根系在一生中吸收的大部分水分都被蒸騰散失掉了，只有小部分參加生理活動(dòng)[2]。蒸騰作用是一個(gè)復(fù)雜的植物生理過程和水分運(yùn)動(dòng)的物理過程，它與外界環(huán)境因子之間關(guān)系密切，溫室大棚是一個(gè)半封閉體系，作物通過蒸騰作用與設(shè)施環(huán)境因子互相影響，在這個(gè)過程中，設(shè)施內(nèi)作物形成了獨(dú)特的蒸騰規(guī)律。設(shè)施內(nèi)土壤-植物-環(huán)境系統(tǒng)和蔬菜的蒸騰耗水規(guī)律等問題的研究受到廣泛重視，作物蒸騰耗水已成為設(shè)施作物灌溉制度中的重要內(nèi)容[3]。研究設(shè)施作物蒸騰規(guī)律和影響因子，系統(tǒng)探索作物蒸騰規(guī)律，找出主要影響因素及影響機(jī)理，在設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中具有重要理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

近年來，設(shè)施作物蒸騰研究主要集中在Penman-Monteith公式的應(yīng)用和設(shè)施內(nèi)環(huán)境因素對作物蒸騰的影響[4- 5]。目前，關(guān)于土壤水分、植株生理特性、設(shè)施內(nèi)環(huán)境因素對作物蒸騰綜合影響的研究還鮮見報(bào)道。本文以甜瓜為研究對象，研究了設(shè)施栽培條件下蒸騰日變化和全生育期變化規(guī)律，綜合考察了大棚甜瓜蒸騰的生理生態(tài)影響因子，并且定量分析了各因子之間的相互作用，較為深入的揭示了各因子影響蒸騰的機(jī)理。本研究對于根據(jù)作物長勢、土壤墑情和設(shè)施內(nèi)氣象狀況制定設(shè)施栽培節(jié)水灌溉制度具有一定參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用的厚皮甜瓜品種為“一品天下208”， 由楊凌千普農(nóng)業(yè)公司提供。

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)新天地試驗(yàn)基地塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地年均溫12.9 ℃，無霜期220 d，日照時(shí)數(shù)2196 h，年降水量660 mm，年蒸發(fā)量993 mm。試驗(yàn)用大棚長45 m，寬7.8 m，高3.5 m，南北走向，覆蓋無滴聚乙烯薄膜。土質(zhì)為塿土，肥力中等。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別于2011年8—10月，2012年3—6月進(jìn)行，均按常規(guī)栽培管理方式進(jìn)行。

栽培盆高48 cm，直徑35 cm。栽培基質(zhì)體積配比為菜園土∶腐熟牛糞= 2∶1，每盆裝基質(zhì)16 kg?；|(zhì)容重為1.26 g/kg，田間質(zhì)量持水率為27.1% 。每盆底部放置托盤盛裝下滲的土壤重力水，盆內(nèi)用地膜覆蓋防止土面蒸發(fā)。株距40 cm，行距60 cm。試驗(yàn)設(shè)定4個(gè)水分梯度：重度虧缺(W1)、輕度虧缺(W2)、適宜供水(W3)、充分供水(W4)，其土壤含水量分別為田間持水量的45%—55%、60%—70%、75%—5%、90%—100%。參考李建明[6]等方法每天早上稱重后按照單株日蒸騰量的100%進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，結(jié)合烘干法校正盆內(nèi)土壤水分含量，使各處理土壤含水量分別保持在設(shè)定的范圍。每個(gè)土壤水分處理定植25盆，計(jì)算各水分處理下甜瓜每日平均單株蒸騰量。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

(1)單株日蒸騰量 采用稱重法計(jì)算甜瓜單株日蒸騰量。用上海友聲衡器有限公司生產(chǎn)的精度為0.1g的BS系列精密電子計(jì)重秤每天8:00定時(shí)稱盆重，盆重的減少量即為單株的當(dāng)日蒸騰耗水量。將每天耗水質(zhì)量M(g)轉(zhuǎn)化為ET(mm)：

栽培盆的底面積S=πr2=961.6cm2

ET=M/S=M/961.6 cm =M/96.16 mm

(2)葉面積指數(shù) 每4—5d測量1次所有植株葉片的葉長，根據(jù)實(shí)際擬合的葉面積-葉長回歸公式計(jì)算。單葉葉面積采用葉面積儀測定，通過回歸分析得到甜瓜單葉面積LA單(cm2)與葉長L(cm)為冪函數(shù)關(guān)系：

LA=0.728L2.024

(R2=0.989)

計(jì)算得到測量日的單株總?cè)~面積，再根據(jù)倪紀(jì)恒[7]等提出的輻熱積法計(jì)算每天的單株總?cè)~面積，進(jìn)而計(jì)算葉面積指數(shù)：

LAI=∑LA×d/10000

式中，d為種植密度(株/m2)。

(3)土壤相對含水量 采用烘干法測定土壤相對含水量，試驗(yàn)每隔7 d在灌水前取土樣同時(shí)回填相同質(zhì)量相同含水量土壤，取土深度為自表層向下5—6 cm[8]。

(4)大棚內(nèi)環(huán)境因子 空氣溫度、空氣相對濕度和太陽輻射采用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的氣象環(huán)境記錄儀記錄，儀器懸掛于試驗(yàn)區(qū)中部地面上方1 m處，每0.5h記錄1次，計(jì)算日平均空氣溫度、日平均空氣相對濕度、日太陽總輻射。

(5)水面蒸發(fā)量 將直徑20cm的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿置于甜瓜冠層上方，其高度隨著植物的生長而進(jìn)行調(diào)整，每天8:00用精度為0.1mm的配套量筒進(jìn)行測量

2 結(jié)果與分析

2.1 大棚甜瓜蒸騰規(guī)律

2.1.1 不同水分條件下甜瓜日蒸騰強(qiáng)度變化過程

試驗(yàn)日選取2012年5月15日(定植后第40天)，晴天，棚內(nèi)白天溫度19.6—42.7℃，甜瓜處在伸蔓期，蒸騰作用處于較旺盛狀態(tài)。

圖1 不同水分處理?xiàng)l件下甜瓜日蒸騰強(qiáng)度變化曲線 Fig.1 Curve of transpiration rate for muskmelon under different water treatmentsW1：重度虧缺；W2：輕度虧缺；W3適宜供水；W4充分供水

由圖1可知，4種土壤水分處理下，甜瓜蒸騰強(qiáng)度日變化曲線均呈雙峰型，在午間表現(xiàn)出清晰的下凹趨勢，即植物的“午休”現(xiàn)象。在供水充分(W4)和適宜(W3)的條件下，蒸騰強(qiáng)度變化趨勢基本一致，甜瓜蒸騰速率有一個(gè)較強(qiáng)的峰值，峰值出現(xiàn)在12:00和16:00，最大值出現(xiàn)在12:00左右，隨后下降， 因?yàn)橹形绻庹諒?qiáng)度最大，為了保護(hù)葉片不被灼傷、減少水分的耗損，氣孔會(huì)關(guān)閉一段時(shí)間，隨之蒸騰速率也下降。當(dāng)光強(qiáng)午后減弱時(shí)，蒸騰作用又逐漸增強(qiáng)[2]。重度虧缺(W1)和輕度虧缺(W2)處理下曲線變化趨勢較為平緩，蒸騰速率高峰有提前到來的趨勢，說明土壤含水量過低影響了甜瓜正常生理過程，葉片水分虧缺提早出現(xiàn)。當(dāng)發(fā)生水分脅迫時(shí)，降低蒸騰作用, 這樣保證了植物體內(nèi)正常需水量。蒸騰的減弱在午后得到一定程度的恢復(fù)，蒸騰有所回升，然后隨著氣溫及光強(qiáng)的下降和日落前后氣孔的逐步關(guān)閉，蒸騰又趨減弱。

2.1.2 大棚甜瓜全生育期蒸騰規(guī)律

植物蒸騰耗水除取決于本身的生物學(xué)特性外，常因環(huán)境條件的變化而變化，為消除氣候變化對耗水的影響，本文采用蒸發(fā)比的方法，即相對蒸騰量，用作物生理需水系數(shù)K表示：

K=Ep/E0

式中,Ep為土壤供水充分時(shí)作物蒸騰耗水量；E0為大氣蒸發(fā)力，用同期水面蒸發(fā)量表示，由于水面蒸發(fā)綜合了氣象因子對蒸發(fā)的影響，是表征氣候環(huán)境影響力的綜合指標(biāo)。生理需水系數(shù)K反映了作物的生物學(xué)蒸騰特性。

由圖2可以看出，甜瓜全生育期生理需水系數(shù)變化趨勢呈現(xiàn)單峰曲線。甜瓜剛移栽后因緩苗而生長緩慢，植株較弱小，蒸騰量低，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，甜瓜逐漸生長壯大，葉面積迅速增長，進(jìn)入果實(shí)膨大期后，需水系數(shù)維持在較高水平，之后隨著植株衰老逐漸變小。以定植后天數(shù)t為自變量，可擬合得到甜瓜生理需水系數(shù)的時(shí)間模型：

K(t)= -0.001t2+ 0.095t-0.412

(R2=0.909，P<0.01)

圖2 甜瓜生育期生理需水曲線 Fig.2 Physiological water requirement curve of muskmelon during growth period

為檢驗(yàn)甜瓜生理需水系數(shù)模型的適用性和精度，分別對2012年4月14—26日(伸蔓期)和5月20日—6月1日(開花坐果期)兩個(gè)階段的需水系數(shù)進(jìn)行模擬，并與相應(yīng)實(shí)測值進(jìn)行對比，由圖3可以看出，實(shí)測值與模擬值具有較好的一致性，2個(gè)時(shí)段平均相對誤差分別為16.8%和15.6%。

圖3 甜瓜生理需水系數(shù)模擬值與實(shí)測值的比較Fig.3 Comparison of simulation and measured values of physiological water requirement coefficients

2.1.3 甜瓜生理需水系數(shù)與葉面積指數(shù)、有效積溫的關(guān)系

作物生理需水系數(shù)表征作物生物學(xué)耗水特性，與作物生長發(fā)育狀況密切相關(guān)，而葉面積指數(shù)和有效積溫是作物形態(tài)建成和模擬常用的指標(biāo)[9]。根據(jù)實(shí)測甜瓜生長發(fā)育過程中葉面積指數(shù)和有效積溫，由圖4可以看出，甜瓜生理需水系數(shù)與葉面積指數(shù)和有效積溫均存在較好相關(guān)性，可分別以二者為自變量建立生理需水系數(shù)預(yù)測模型。

生理需水系數(shù)隨葉面積的增大而增大，存在極顯著線性關(guān)系，擬合得到關(guān)系式為：

K(LAI)=0.439LAI+0.093

(R2=0.941，P<0.01)

生理需水系數(shù)隨有效積溫的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，可用二次函數(shù)來模擬，

擬合得到關(guān)系式為：

K(TU)= -5×10-6TU2+ 0.006TU- 0.014

(R2=0.909，P<0.01)

式中，TU為有效積溫，用下列公式計(jì)算：

圖4 甜瓜生理需水系數(shù)與葉面積指數(shù)、有效積溫的關(guān)系Fig.4 Relationship between physiological coefficients and leaf area index、effective accumulated temperature for muskmelon

式中，Ti為第i天日平均溫度，Tb為生長基點(diǎn)溫度，參考李建明等的文獻(xiàn)[10]，甜瓜出苗期Tb取值18℃，出苗后取值13℃。

2.1.4 甜瓜生育期內(nèi)累計(jì)蒸騰量變化規(guī)律

依據(jù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和生物學(xué)原理，在一定的環(huán)境中，生物生長的結(jié)果都趨近于一個(gè)期望的頂極，由作物因素、氣候因素、土壤因素共同決定的作物累計(jì)蒸騰量變化也符合這一規(guī)律[11]。由圖5可以看出，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，甜瓜累計(jì)蒸騰量遵從S型漸進(jìn)增長曲線的變化規(guī)律，增長速率呈現(xiàn)“慢—快—慢”的變化趨勢，可以用Logistic函數(shù)進(jìn)行模擬和生長階段劃分。采用殷祚云[12]方法，對模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，模型表達(dá)式為：

(R2=0.997，P<0.01)

模型表達(dá)式中各參數(shù)的含義：t為定植后天數(shù)；70.188為增長極限，表征甜瓜日蒸騰量的極限值；0.106為增長率系數(shù)，表征系統(tǒng)狀態(tài)趨近于頂級的速度；63.553為截距系數(shù)，表征基礎(chǔ)狀態(tài)參數(shù)。

圖5 甜瓜生育期累計(jì)蒸騰量曲線 Fig.5 Curve of accumulative transpiration for muskmelon

2.2 大棚甜瓜蒸騰量影響因子分析

2.2.1 大棚甜瓜蒸騰量與影響因子的pearson相關(guān)分析及通徑分析

選取葉面積指數(shù)(LAI，)、土壤相對含水量(W，%)、日平均氣溫(T，℃)、日平均空氣相對濕度(RH，%)、日太陽輻射累計(jì)(PAR，mol·m-1·s-1)作為影響大棚甜瓜日蒸騰量ET(mm)的主要因子。根據(jù)實(shí)測ET與LAI、W、T、RH、PAR進(jìn)行多元線性回歸，得到方程為：

ET= -344.88+84.619W+153.56LAI+ 15.081T-2.747RH+21.633PAR

F檢驗(yàn)表明，回歸模型的可信度達(dá)到97.52%(R2=0.9510)，說明甜瓜日蒸騰量的變異平方和有95.10%是由上述因子的變化造成的。

對ET及影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析，由表1可以看出，除日平均空氣相對濕度與甜瓜日蒸騰量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，其他各因子均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。其中，葉面積指數(shù)正相關(guān)性最強(qiáng)，其次是土壤相對含水量、日平均氣溫、日太陽輻射累計(jì)。

在各自變量間相關(guān)，且自變量又都和因變量相關(guān)的情況下，自變量和因變量之間的相關(guān)系數(shù)既包含著這一自變量對因變量的直接貢獻(xiàn)，也包含著通過其他自變量而起的間接貢獻(xiàn)[13]。影響植物蒸騰的各因子并不是孤立的，它們共同作用于蒸騰，且相互影響。通徑分析在多元回歸的基礎(chǔ)上將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)(某一自變量對因變量的直接作用)和間接通徑系數(shù)(該自變量通過其他自變量對因變量的間接作用)[14]。由表2通徑系數(shù)可看出，對甜瓜蒸騰直接影響最大的是葉面積指數(shù)LAI，其次是日平均氣溫T，而土壤含水量W、日平均空氣相對濕度RH、日太陽總輻射PAR的直接影響作用都比較小。

根據(jù)以上分析建立因子影響路徑圖，如圖6所示，可見葉面積指數(shù)LAI是連接土壤水分、氣象環(huán)境與作物蒸騰的重要中轉(zhuǎn)因子。土壤含水量W主要通過對葉面積指數(shù)LAI的增強(qiáng)作用對蒸騰間接產(chǎn)生正影響。日平均空氣相對濕度RH主要通過對日平均氣溫T的限制作用對蒸騰間接產(chǎn)生負(fù)影響。日太陽總輻射PAR主要通過對葉面積指數(shù)LAI和日平均氣溫T的增強(qiáng)作用對蒸騰間接產(chǎn)生正影響。

決策系數(shù)R是通徑分析的決策指標(biāo)，可以把各自變量對因變量的綜合作用進(jìn)行排序，以確定主要決策變量和限制變量[15]。將各因子的決策系數(shù)進(jìn)行排序，順序?yàn)椋篟(LAI)>R(T)>R(PAR)>R(RH)>R(W)。因此，葉面積指數(shù)LAI是主要決策變量，對蒸騰的綜合作用最大，土壤水分是主要限制變量。剩余因子的決策系數(shù)為22.13%，該值較大，說明還有一些影響蒸騰量的因子未被考慮，有待于進(jìn)一步研究。

表1 大棚甜瓜日蒸騰量與影響因子的相關(guān)和通徑分析

*P<0.05，**P<0.01;LAI：葉面積指數(shù)Leaf area index；W：土壤相對含水量Soil relative water content (%)；T：日平均氣溫Daily average temperature (℃)；RH：日平均空氣相對濕度Daily average relative humidity(%)；PAR日太陽輻射累計(jì)Photosynthetically active radiation(mol·m-1·s-1)；ET：日蒸騰量Daily transpiration(mm)

圖6 各因子影響甜瓜日蒸騰量的主要路徑Fig.6 Influence path of factor on transpiration for muskmelonLAI：葉面積指數(shù)Leaf area index；W：土壤相對含水量Soil relative water content (%)；T：日平均氣溫Daily average temperature (℃)；RH：日平均空氣相對濕度Daily average relative humidity(%)；PAR日太陽輻射累計(jì)Photosynthetically active radiation(mol·m-1·s-1)；ET：日蒸騰量Daily transpiration(mm)

2.2.2 土壤水分對甜瓜蒸騰的影響

土壤水分含量為甜瓜蒸騰作用的限制變量，對蒸騰的直接作用很小，但與蒸騰的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，其通過對其他各變量對蒸騰產(chǎn)生間接影響的作用機(jī)理值得進(jìn)一步探討。

對不同土壤含水量條件下蒸騰與各環(huán)境因子分別進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)甜瓜蒸騰量與氣象環(huán)境因子的相關(guān)性與土壤水分含量存在密切關(guān)系。由表2和圖7可以看出，甜瓜日蒸騰量與溫度，空氣相對濕度，太陽輻射的相關(guān)系數(shù)隨土壤水分含量的增大而增大，在70%—80%土壤水分范圍內(nèi)達(dá)到最高值，當(dāng)土壤含水量逐漸接近田間持水量時(shí)，與各因子的相關(guān)系數(shù)逐漸下降。由此可見，土壤水分含量對蒸騰起限制作用主要是在水分虧缺和過飽和的情況下，甜瓜蒸騰量與環(huán)境因子的相關(guān)性變小。在水分適宜的條件下,植株的蒸騰受環(huán)境因子影響較高，主要由其生物學(xué)特性與氣象環(huán)境因子決定。環(huán)境因子對蒸騰的影響很多程度上通過植物本身調(diào)節(jié)氣孔形態(tài)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)土壤水分虧缺時(shí)，作物根系會(huì)發(fā)出信號傳遞到葉片氣孔，氣孔導(dǎo)度降低[16]。土壤水分含量過大時(shí)，土壤通氣性差，根系呼吸減弱，導(dǎo)致根系吸水和蒸騰的減小。

表2 不同土壤含水量下甜瓜蒸騰量TLA與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)

圖7 蒸騰量與環(huán)境因子的相關(guān)性與土壤含水量的關(guān)系Fig.7 Trend of correlation between transpiration and environmental factors with soil moisture

水分脅迫條件下，蒸騰量減少，由氣候決定的脅迫程度不同，可用相對蒸騰量的減少來表示作物的水分脅迫狀況，即：

式中，CWSI為作物水分脅迫指數(shù)；ETc為缺水處理的實(shí)際蒸騰量；ETm為充分供水時(shí)潛在蒸騰量。CWSI較好的反映了水分脅迫強(qiáng)度和持續(xù)期長短對作物生長的影響。用相對蒸騰蒸發(fā)虧缺能較好的反映作物的受旱狀況，是一個(gè)較葉水勢、氣孔阻力、細(xì)胞液濃度更宏觀的實(shí)用指標(biāo)。

通過實(shí)測各水分處理?xiàng)l件下甜瓜實(shí)際蒸騰量，如圖8所示，CWSI與土壤相對有效含水率Aw存在較顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨土壤含水量的增加，甜瓜水分脅迫程度降低。CWSI與Aw的回歸關(guān)系方程式為：

CWSI= -1.203Aw+0.874 (R2=0.809)

其中，

式中，θi為土壤含水率，θp、θf分別為凋萎系數(shù)和田間持水率。方程的相關(guān)系數(shù)r= - 0.899，F(xiàn)=106.242>F(0.01)=7.95，通過顯著性檢驗(yàn)，因此采用土壤相對有效含水量表示甜瓜水分脅迫程度具有一定可行性。

圖8 水分脅迫指數(shù)與土壤相對有效含水率的關(guān)系 Fig.8 Relationship between water stress index and relative effective moisture content

3 討論與結(jié)論

3.1 大棚甜瓜蒸騰規(guī)律

以往的設(shè)施作物蒸騰規(guī)律研究[17- 19]一般忽略了對同期大氣蒸發(fā)力的觀測，因不同年份氣象存在的較大差異限制了研究成果的應(yīng)用。作物生理需水系數(shù)以作物蒸騰量與大氣蒸發(fā)力的比值形式較好的消除了氣象因素的影響，汪耀富[20]等研究了烤煙生理需水系數(shù)生育期內(nèi)的變化規(guī)律，并以生長歷時(shí)為自變量得到烤煙生理需水時(shí)間系數(shù)的模型。本研究在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)以有效積溫和葉面積作為生理發(fā)育尺度，也可以較好的模擬甜瓜生理需水系數(shù)生育期內(nèi)變化規(guī)律。生理需水系數(shù)與基于Penman-Monteith公式作物系數(shù)同為反映作物蒸騰特性與生育進(jìn)程關(guān)系的重要參數(shù)，用作物系數(shù)來預(yù)測作物蒸騰量雖具有充分理論依據(jù)和較高精度，但參數(shù)繁雜且不易獲得，我國目前能提供如此詳盡資料的氣象站點(diǎn)相對不多。用生理需水系數(shù)法模擬蒸騰僅需水面蒸發(fā)量資料，是一種方便有效的估算設(shè)施作物蒸騰量的方法，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。由于蒸發(fā)皿具有能量貯存的特點(diǎn)導(dǎo)致皿蒸發(fā)速率變化幅度一般比作物日蒸騰速率變化幅度小，依此估算短期蒸騰量會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因蒸發(fā)皿熱效應(yīng)對作物蒸騰估算產(chǎn)生的影響還有待于進(jìn)一步研究。

很少有研究注意到設(shè)施作物累積蒸騰量的變化規(guī)律。郭占奎[21]等和牛勇[22]等分別建立了日光溫室西紅柿、黃瓜耗水量累計(jì)值與水面蒸發(fā)量和積溫的經(jīng)驗(yàn)回歸關(guān)系式，但未能解釋作物累計(jì)蒸騰量變化的生物學(xué)機(jī)理意義。本研究在此基礎(chǔ)上探討了甜瓜全生育期內(nèi)累積蒸騰量的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)“慢—快—慢”的S形變化曲線，用Logistic模型進(jìn)行了模擬，建立了甜瓜蒸騰動(dòng)態(tài)變化模型，并且對模型表達(dá)式中各參數(shù)所代表的累計(jì)蒸騰量趨近的頂值、增長率系數(shù)和系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)等生物學(xué)意義做出了解釋。

3.2 大棚甜瓜蒸騰的影響因子

對于作物蒸騰與氣象環(huán)境因子的關(guān)系國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的經(jīng)驗(yàn)分析和機(jī)理研究。經(jīng)驗(yàn)分析多集中于植株蒸騰與環(huán)境因子之間的相關(guān)分析[23]和回歸分析[24- 25]。Penman-Monteith公式是目前精度最高的定量描述作物蒸騰與氣象環(huán)境因子關(guān)系的普適機(jī)理模型，國外對溫室大棚作物蒸騰的研究多限于氣候溫和的海洋性氣候和地中海氣候[26- 29]，其結(jié)果不一定適用于我國季風(fēng)氣候區(qū)。近些年，國內(nèi)已經(jīng)對我國南方高溫高濕環(huán)境下設(shè)施作物蒸騰機(jī)理開展了研究[1,30- 31]，但針對西北地區(qū)干旱半干旱環(huán)境下設(shè)施作物蒸騰的系統(tǒng)研究少見報(bào)道。

P-M方程以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，充分考慮了空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，但P-M方程基于土壤水分適宜作物生長良好的理想條件，未包含土壤水分參數(shù)。氣象環(huán)境因子對蒸騰的作用在不同土壤水分含量條件下差異較大，因此很難建立一種通用的作物蒸騰-環(huán)境因子關(guān)系式。本研究綜合考察了影響作物蒸騰的環(huán)境氣象參數(shù)、植株生理參數(shù)、土壤水分參數(shù)，定量分析了各因子對蒸騰的直接作用和通過其他因子產(chǎn)生的間接作用，并且對不同土壤水分條件下環(huán)境因子與蒸騰的關(guān)系及影響機(jī)理進(jìn)行了探究。利用通徑分析和決策系數(shù)的方法發(fā)現(xiàn)在所考察的因子中，對甜瓜日蒸騰量直接影響最大的是甜瓜葉面積指數(shù)，而土壤含水量直接影響作用最小，主要通過對葉面積指數(shù)的增強(qiáng)作用對日蒸騰量間接產(chǎn)生正影響。將各因子的決策系數(shù)進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)葉面積指數(shù)是主要決策變量，對蒸騰的綜合作用最大，而土壤水分含量決策系數(shù)最小，是主要限制變量。剩余因子的決策系數(shù)為22.13%，可能包括大棚內(nèi)風(fēng)速、土壤溫度、土壤營養(yǎng)狀況等，這些因子對甜瓜日蒸騰量的影響機(jī)理還不明確，有待于進(jìn)一步研究。

基于土壤水分含量是影響甜瓜蒸騰的限制變量，對甜瓜蒸騰的直接作用很小，但與甜瓜蒸騰的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平，對土壤水分含量影響蒸騰的機(jī)理做了進(jìn)一步探究。土壤水分與大棚甜瓜蒸騰存在著兩種關(guān)系：當(dāng)土壤供水適宜時(shí)，甜瓜的蒸騰主要受其本身的生物學(xué)特性與外界氣象因子的影響；當(dāng)土壤供水虧缺或過飽和時(shí)，土壤含水量為影響蒸騰的主導(dǎo)因子，蒸騰與環(huán)境因子的相關(guān)性較差。這與劉碩[32]等研究不同土壤水分條件下山杏的蒸騰特性時(shí)得出的結(jié)論相似。研究結(jié)果進(jìn)一步說明植物蒸騰是一個(gè)復(fù)雜的過程，受多種因子綜合影響，按最小限制因子定律，作物蒸騰量可能和最小限制因子關(guān)系最密切，需今后的研究進(jìn)一步證實(shí)。

水分脅迫條件下，土壤含水量作為限制因子使甜瓜蒸騰量少于土壤水分充足條件下的蒸騰量，很難從本質(zhì)上建立起土壤含水量與植物蒸騰之間的固定關(guān)系模式，這可能一方面與土壤性質(zhì)和含水量本身存在著較大的空間變異有關(guān)；另一方面與植物蒸騰受其他天氣變量影響有關(guān)[33]。關(guān)于植物蒸騰與土壤水分的研究多集中于林木和農(nóng)作物，比較不同水分條件下植物蒸騰量差異或建立蒸騰量與土壤含水量的經(jīng)驗(yàn)回歸模型[34- 37]，但因氣象環(huán)境的差異對作物耗水量的影響使研究結(jié)果的應(yīng)用受到限制。本研究引用了作物水分脅迫指數(shù)，以比值形式消除了棚室氣象環(huán)境的影響，可以較好的揭示了水分虧缺對作物蒸騰的影響，發(fā)現(xiàn)水分脅迫指數(shù)與土壤相對有效含水率之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與孟平[38]在研究蘋果樹水分脅迫系數(shù)與土壤水分關(guān)系時(shí)得到的結(jié)論相似，對節(jié)水灌溉條件下作物蒸騰的研究具有一定意義。

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The critical factors of transpiration on muskmelon in plastic greenhouse

ZHANG Dalong，CHANG Yibo, LI Jianming*，ZHANG Zhongdian，PAN Tonghua, DU Qingjie, ZHENG Gang

CollegeofHorticulture,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

Although there is a rich history of studies of transpiration, a full description of the mechanisms that control this process still eludes us. This lack is related to the fact that control of this process is distributed over a large range of scales from atmospheric turbulence to the regulation of ion transporter in the membranes of cells. The aim of this study was to determine the actual relationship between muskmelon transpiration and multiple environmental and physiological factors under greenhouse condition. Pot experiments were conducted in a plastic greenhouse and physiological and ecological parameters were periodically measured as well as vegetative development. It is possible to draw some firm conclusions: (1) The diurnal course of muskmelon transpiration appeared as double-peak curve, with the peaks respectively appearing at 12:00 and 16:00; The double-peak curve showed gentle change tendency under water stress condition and acute fluctuation under sufficient water condition.(2)The physiological water requirement coefficients (K, ratio of crop transpiration to atmospheric evaporation) was characteristic index of internal biological control of transpiration, variation ofKduring whole growth period appeared as a quadratic function; There was a strong relationship betweenKand leaf area index (LAI), effective accumulated temperature (TU) with high coefficients of determination(R2) of 0.941 and 0.909, respectively; The relationship betweenKand the two variables were explained with a linear function(K=0.439LAI+0.093) and exponential function(K= -5×10TU2+ 0.006TU- 0.014 ).(3)The accumulative transpiration of muskmelon during growth period presented “ S ” dynamic course feasible for the logistic function to simulate with the independent variable of days(t) after transplanting[ET=70.188/(1+63.553e-0.106t),R2=0.997].(4)Significant correlation was found between muskmelon daily transpiration and leaf area index (LAI)、daily average temperature (T)、daily average relative humidity (RH)、daily solar radiation accumulation (PAR)、relative soil water content (W);LAIwas the decision variable since it made greatest comprehensive effect on transpiration;Wwas the limiting variable since it made indirect influence on transpiration through other factors such asLAI;The decision coefficient of surplus factors was 22.13%, indicating that some other factors making significantly impact on transpiration had not been taken into account.(5)The response of muskmelon transpiration to meteorological environmental factors was determined by soil moisture content : the correlation coefficient between daily transpiration and meteorological environmental factors increased with the soil moisture content and reached the peak with the relative soil water content of 70%—80%, then decreased gradually.(5)Crop water stress index(CWSI) quantified the effect of soil water content made on transpiration, decoupling the interference function of meteorological environment;CWSIwas significantly related with soil relative effective moisture content (Aw) and a empirical model was constructed (CWSI=-1.203Aw+0.874,R2=0.809).Plant transpiration was a complicated biological and physical process affected by multiple factors, meanwhile, there was a interaction effect between influencing factors, so the crop transpiration should not be analyzed in isolation. It seems that crop transpiration under greenhouse condition was most closely correlated with the minimum limiting factor, this conclusion was in accord with the law of minimum limiting factor. Further research was necessary to improve mechanistic understanding of transpiration process from crop canopy level to leaf stomata level.

muskmelon；transpiration； physiological water requirement coefficients；path analysis； meteorological environmental factors；soil moisture

國家“十二五”863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA100504)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAD29B01)

2012- 10- 05;

2013- 05- 13

10.5846/stxb201210051371

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lijianming66@163.com

張大龍，常毅博，李建明，張中典，潘銅華，杜清潔,鄭剛.大棚甜瓜蒸騰規(guī)律及其影響因子.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(4):953- 962.

Zhang D L，Chang Y B， Li J M，Zhang Z D，Pan T H, Du Q J, Zheng G.The critical factors of transpiration on muskmelon in plastic greenhouse.Acta Ecologica Sinica,2014,34(4):953- 962.