溫室芹菜需水強(qiáng)度與作物系數(shù)研究

李艷梅，廖上強(qiáng)，楊俊剛，張 琳，孫焱鑫，鄒國(guó)元

(1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2. 農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(北方)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097; 3.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

水資源缺乏是21世紀(jì)最突出的問(wèn)題，且正伴隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和干旱變得日益嚴(yán)峻[1]。為應(yīng)對(duì)缺水問(wèn)題，北京“調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式、發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)”的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整序幕正在拉開，計(jì)劃逐步退出高耗水糧經(jīng)作物，并將菜地面積由3.9 萬(wàn)hm2增至4.67 萬(wàn)hm2。在蔬菜產(chǎn)業(yè)內(nèi)部，準(zhǔn)確估算主要蔬菜類型的需水規(guī)律，合理規(guī)劃水資源在不同蔬菜品種間的配置及在同一品種不同生育階段的分配顯得尤為重要。

作物系數(shù)法是我國(guó)農(nóng)作物需水研究領(lǐng)域近年較多采用的一種方法[2-3]，根據(jù)參考需水量確定作物系數(shù)是該需水規(guī)律研究方法的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的農(nóng)作物需水研究主要針對(duì)糧經(jīng)作物的小麥、玉米和棉花[4-7]，近年雖有瓜菜、果菜和葉菜的文獻(xiàn)報(bào)道，但蔬菜研究總體較少，芹菜研究尚未見報(bào)道，這與近年京郊葉類蔬菜快速發(fā)展、芹菜成為重點(diǎn)葉菜發(fā)展品種的農(nóng)業(yè)發(fā)展需求不相匹配；多數(shù)文獻(xiàn)采用等間隔時(shí)間尺度進(jìn)行研究，需水量在不同生育期間的分配尚不明晰；傳統(tǒng)的計(jì)算作物參考需水量的P-M模型不適于溫室小氣候環(huán)境，而P-M修正模型的應(yīng)用僅有零星報(bào)道，基于溫室P-M修正模型計(jì)算的參考需水強(qiáng)度日變化規(guī)律鮮見報(bào)道。

基于以上各項(xiàng)尚待解決的問(wèn)題，本研究采用水量平衡法和P-M修正模型研究芹菜的需水強(qiáng)度、需水量和作物系數(shù)，旨在為芹菜合理灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014-2015年在北京市平谷區(qū)龐勝霖基地日光溫室進(jìn)行?；?40°02′N，116°55′E，海拔127 m)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬夏長(zhǎng)，春秋短。平谷氣象局近10 a(2005-2015年)氣象資料表明，年平均氣溫11.5 ℃，大于0 ℃的積溫4 470 ℃，大于10 ℃的積溫4 121～4 945 ℃，年均無(wú)霜期為191 d，全年日照時(shí)數(shù)2 729 h。年均降水量644 mm，年均蒸發(fā)量1 762 mm，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量是本區(qū)氣候條件的主要特點(diǎn)。地下水埋深25 m。

試驗(yàn)地土壤類型為褐土，質(zhì)地為壤土。耕層土壤容重1.34 g/cm3，田間持水量26.3%(質(zhì)量含水率)，凋萎系數(shù)7%(質(zhì)量含水率)。耕層土壤pH值7.43、有機(jī)質(zhì)含量1.77%、全氮含量0.21%，硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量分別為55、30和70 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

供試作物為芹菜，品種為文圖拉。2014年11月12日定植，2015年3月27日收獲，全生育期135 d。芹菜種植方式為平畦種植，小區(qū)面積為2 m×6.5 m。每畦8行，每行上株距為30 cm。芹菜定植前施三元復(fù)合肥(15-15-15)為基肥，N、P2O5和K2O用量均為128 kg/hm2。定植后第66 d追施尿素(N用量為153 kg/hm2)一次，方式為隨水追施。

試驗(yàn)采用自壓式滴灌系統(tǒng)，每行芹菜鋪設(shè)一條滴灌管，滴頭間距與株距相同，以水表計(jì)灌水量。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取1個(gè)滴灌管正下方的位置及2個(gè)滴灌管中間的位置，安裝3組土壤水分傳感器探頭，每組均對(duì)應(yīng)0～20、20～40、40～60和60～90 cm等4個(gè)土層。試驗(yàn)開始前開啟ET0自動(dòng)氣象站，設(shè)置2 h的數(shù)據(jù)采集步長(zhǎng)。將土壤水分傳感器鏈接到CR1000測(cè)量控制采集器上，用于實(shí)時(shí)測(cè)定不同土層的體積含水率，根據(jù)作物根系埋深確定好不同生育期的計(jì)劃灌水層，使計(jì)劃層貯水量始終保持在田持的60%～90%，滿足測(cè)定ETc所需的適宜土壤水分條件。借助水量平衡法，根據(jù)灌水量與土壤耗水動(dòng)態(tài)計(jì)算作物需水量。同時(shí)將溫濕度、太陽(yáng)輻射、氣壓、熱通量等氣象參數(shù)傳感器鏈接到CR1000測(cè)量控制采集器上，用于實(shí)時(shí)測(cè)定以上氣象參數(shù)。借助遠(yuǎn)程GPRS傳輸模塊和SIM卡實(shí)時(shí)獲取土壤水分和氣象數(shù)據(jù)。作物收獲后，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集功能。

1.3 計(jì)算公式

1.3.1 基于水量平衡法計(jì)算的作物需水量

(1)土壤貯水變化量。

ΔW=Qi2-Qi1=(θv2-θv1)×Hi

(1)

式中：ΔW為土壤貯水變化量，mm；Qi1和Qi2分別為測(cè)定時(shí)段起始和結(jié)束時(shí)第i層的水層厚度，mm；θv2和θv1分別為測(cè)定時(shí)段起始和結(jié)束時(shí)第i層的土壤體積含水率，%；Hi為第i層土壤厚度，mm。

(2)灌溉量。

Id=Iv×1 000/S

(2)

式中：Id為深度灌溉量，mm；Iv為體積灌溉量，m3；S為灌溉區(qū)橫截面積，m2。

(3)需水量。

ETc=Id+P+ΔW-R-Sd

(3)

式中：ETc為需水量，mm；Id為時(shí)段內(nèi)灌溉量；P為時(shí)間內(nèi)降雨量，溫室內(nèi)可忽略不計(jì)；ΔW為貯水變化量；R為徑流量，平原地區(qū)可忽略不計(jì)；Sd為上下邊界徑流通量，土壤含水量控制在適宜范圍內(nèi)時(shí)可假設(shè)為零。在上述各變量假設(shè)情況下，公式(3)可轉(zhuǎn)化為：

ETc=Id+ΔW

(4)

1.3.2 基于P-M修正模型計(jì)算的作物參考需水量

基于溫室特定環(huán)境(與露地相比，總輻射大幅降低，溫度和濕度有所提升，風(fēng)速接近于零)，本文采用陳新明等[8]的研究思路，利用溫室內(nèi)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，以PM方程為基礎(chǔ)，引入空氣動(dòng)力學(xué)阻力公式，對(duì)PM方程中與風(fēng)速有關(guān)的動(dòng)力學(xué)項(xiàng)進(jìn)行修正，推導(dǎo)出溫室環(huán)境下的參考需水量修正公式：

ETog=[0.408×Δ×(Rn-G)+

γ×1 694×(ea-ed)/(T+273)]/(Δ+1.64γ)

(5)

式中：ETog為溫室環(huán)境下的參考需水量，mm；Rn為作物表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，以天為單位計(jì)算時(shí)，土壤熱通量可忽略；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；ea和ed分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa；T為日平均溫度，℃；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率，kPa/℃。

1.3.3 需水強(qiáng)度

WRI=WR/T

(6)

式中：WRI為需水強(qiáng)度，mm/d；WR為需水量(ETc或ETog)，mm；T為時(shí)間尺度，d。

1.3.4 作物系數(shù)

Kc=ETc/ETog

(7)

式中：作物系數(shù)Kc以作物需水量和同時(shí)段參考作物需水量的比值表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖。采用SPSS17.0軟件進(jìn)行趨勢(shì)擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于氣象參數(shù)法計(jì)算的參考需水強(qiáng)度與參考累積需水量

參考需水強(qiáng)度(圖1)在全生育期總體表現(xiàn)出“增加-降低-增加”的變化趨勢(shì)，在4個(gè)生育階段的變化又有所不同，苗期呈兩邊高中間低的趨勢(shì)，葉叢初期和葉叢中期均呈先增加后降低的趨勢(shì)，葉叢后期呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。參考累積需水量隨作物生長(zhǎng)發(fā)育推進(jìn)逐步增加，線性函數(shù)能較好擬合其變化趨勢(shì)，擬合關(guān)系式為y=30.775x-3.634(F=840，R2=0.985)，其中y為參考累積需水量，x為生育天數(shù)。

圖1 芹菜參考需水強(qiáng)度與累積需水量的變化規(guī)律Fig.1 The variation laws in reference water requirement rate and cumulative water requirement of greenhouse celery

2.2 基于農(nóng)田水量平衡法計(jì)算的需水強(qiáng)度與累積需水量

圖2顯示：基于農(nóng)田水量平衡法計(jì)算的芹菜需水強(qiáng)度與基于氣象參數(shù)法計(jì)算的芹菜參考需水強(qiáng)度有所不同，其原因在于作物需水強(qiáng)度不僅與氣候因素有關(guān)，還與土壤性質(zhì)、作物類型及生長(zhǎng)狀況等有關(guān)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，芹菜需水強(qiáng)度總體低于參考需水強(qiáng)度，在全生育期表現(xiàn)出“增加-降低-增加-降低”的波動(dòng)變化趨勢(shì)。芹菜累積需水量隨生長(zhǎng)發(fā)育推進(jìn)呈近似線性函數(shù)趨勢(shì)增加，擬合關(guān)系式為y=15.216x-12.402(F=2 159，R2=0.994)，其中y為實(shí)際累積需水量，x為生育天數(shù)。

圖2 芹菜需水強(qiáng)度與累積需水量變化規(guī)律Fig.2 The variation laws in water requirement rate and water requirement of greenhouse celery

2.3 基于氣象參數(shù)法計(jì)算的參考需水強(qiáng)度的日變化規(guī)律

4個(gè)生育期的參考需水強(qiáng)度日變化曲線均呈“單峰型”(圖3)。早上隨著空氣溫度上升和相對(duì)濕度減小，需水強(qiáng)度隨之增加，至午間左右需水強(qiáng)度達(dá)到一天中的頂峰；午后高溫低濕的持續(xù)，使需水強(qiáng)度減??；以后由于氣溫快速下降和空氣濕度上升，需水強(qiáng)度繼續(xù)呈降低趨勢(shì)。4個(gè)生育期單峰曲線出現(xiàn)時(shí)間均約在8∶00-22∶00之間。峰值出現(xiàn)的時(shí)間有所不同，苗期在午間12∶00，葉叢初期、中期和后期在午間14∶00。苗期、葉叢初期、中期和后期的需水強(qiáng)度峰值分別為10、12、10、12 mm/d。

2.4 作物系數(shù)研究

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，芹菜作物系數(shù)隨定植時(shí)長(zhǎng)及大于10 ℃有效積溫增加均呈移動(dòng)平均函數(shù)變化趨勢(shì)(圖4和圖5)。定植開始及收獲時(shí)的作物系數(shù)低于其他時(shí)期，在全生育期存在4個(gè)波動(dòng)區(qū)，對(duì)應(yīng)的定植時(shí)期分別為0～54、54～90、90～117和117～135 d，對(duì)應(yīng)的大于10 ℃有效積溫范圍分別為0～677、667～1 076、1 076～1 336和1 336～1 572 ℃。從4個(gè)生育期的均值比較來(lái)看，葉叢中期和葉叢后期明顯高于葉叢初期和苗期。

圖3 芹菜參考需水強(qiáng)度日變化趨勢(shì)Fig.3 Daily changes of reference water requirement rate of greenhouse celery

圖4 芹菜作物系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 The variations of celery crop coefficient with time

2.5 需水強(qiáng)度、需水量和作物系數(shù)在不同生育期的比較

以4個(gè)生育期為時(shí)間尺度的計(jì)算結(jié)果表明(表1)，芹菜苗期、葉叢初期、葉叢中期和葉叢后期的需水強(qiáng)度分別為1.128、1.917、1.405和2.212 mm/d，需水量分別為30.46、51.77、63.23和79.63 mm，需水強(qiáng)度與需水量最高值均在葉叢后期，最低值均在苗期，葉叢中期需水強(qiáng)度比葉叢初期低出27%，需水量反而高出22%，這是由于葉叢中期的時(shí)長(zhǎng)比葉叢初期多出18 d。苗期、葉叢初期、葉叢中期和葉叢后期的作物系數(shù)分別為0.418、0.385、0.571和0.565。葉叢初期作物系數(shù)最低及葉叢中期作物系數(shù)最高的試驗(yàn)結(jié)果均與空氣溫度和相對(duì)濕度值對(duì)參考需水強(qiáng)度的影響有關(guān)。進(jìn)入葉叢后期，相對(duì)濕度較低引起飽和汽壓與實(shí)際汽壓間的差值較大，引起參考需水強(qiáng)度偏高，因而作物系數(shù)有較大的回落。從全生育期均值來(lái)看，需水強(qiáng)度、需水量和作物系數(shù)分別為1.666 mm/d、225.1 mm和0.484。

圖5 芹菜作物系數(shù)隨大于10 ℃積溫的變化規(guī)律Fig.5 The variations of celery crop coefficient with effective accumulative temperature

表1 芹菜各生育期的需水量、需水強(qiáng)度和作物系數(shù)Tab.1 water requirement, water requirement rate and crop coefficient of celery at different growth stages

3 討 論

前人有關(guān)露地作物需水量的研究表明，作物階段需水量表現(xiàn)為苗期和生育后期小、生育中期大的特征，這主要與作物苗期葉小、生育中期生長(zhǎng)旺盛及生育后期葉片衰老脫落引起的蒸騰耗水強(qiáng)度不同有關(guān)[2,9-12]。劉浩等[13]和葛建坤等[14]描述了溫室番茄需水量變化規(guī)律，總體看，生育后期大于其他生育時(shí)期，但需水量在不同生育期間的分配尚不明晰。本研究根據(jù)當(dāng)?shù)販厥仪锒缜鄄松L(zhǎng)發(fā)育狀況將其劃分出4個(gè)生育期，比較發(fā)現(xiàn)，芹菜需水量表現(xiàn)為逐漸增大、生育后期達(dá)到頂峰的特征(表1)，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民在溫室芹菜衰老前適時(shí)采收有關(guān)。本研究采用農(nóng)田水量平衡方程計(jì)算的芹菜需水強(qiáng)度在4個(gè)時(shí)期表現(xiàn)出“增加-降低-增加”的變化趨勢(shì)，且葉叢后期的需水強(qiáng)度較苗期有較大提升(圖2)。這與龔元石等[15]應(yīng)用時(shí)域反射儀研究冬小麥及劉浩等[13]應(yīng)用P-M修正模型研究溫室番茄的試驗(yàn)結(jié)果一致；與齊述華等[16]應(yīng)用時(shí)域反射儀研究花椰菜、莧菜和菠菜，肖娟等[11]應(yīng)用非稱重式測(cè)滲儀研究西瓜和蜜瓜，及張友賢等[18]應(yīng)用時(shí)域反射儀研究番茄的試驗(yàn)結(jié)果近似。芹菜苗期葉片較小，需水強(qiáng)度不大；葉叢初期葉片面積增大，葉面蒸發(fā)量隨之增大，葉片生理活動(dòng)強(qiáng)烈，作物需水強(qiáng)度有較大提升；葉叢后期葉面積指數(shù)達(dá)到峰值，相應(yīng)的需水強(qiáng)度達(dá)到最高。值得注意的是，進(jìn)入葉叢中期后適逢連續(xù)一月左右的陰天氣候，造成氣溫快速下降，致使該時(shí)期的需水強(qiáng)度反而低于葉叢初期。張振華等[9-10]在露地棉花和左余寶等[2]在露地夏玉米上的研究也發(fā)現(xiàn)作物需水強(qiáng)度呈“增加-降低-增加”的變化趨勢(shì)，但以上兩項(xiàng)研究作物生育末期的需水強(qiáng)度均明顯低于苗期，這可能與露田氣候變化及露地作物采收晚等有關(guān)。本研究基于農(nóng)田水量平衡法計(jì)算的溫室芹菜累積需水量呈近似直線函數(shù)變化(圖2)，與葉瀾濤等[17]溫室菠菜累積需水量呈Logistic曲線增加、中期增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯的試驗(yàn)結(jié)果有所不同，其原因可能與蔬菜類型有關(guān)，也可能與試驗(yàn)時(shí)的氣候、土壤、水肥及栽培等條件有關(guān)。

前人對(duì)露地作物參考需水量的研究尚未形成一致結(jié)論，既有逐漸降低、先增加后降低，也有反復(fù)的先增加后降低變化趨勢(shì)，這主要受制于動(dòng)態(tài)變化的氣候參數(shù)。此外，已有文獻(xiàn)尚未明確指出溫室作物參考需水量在不同生育階段的分配。本研究溫室芹菜參考需水量總體呈增加趨勢(shì)，與實(shí)測(cè)需水量近似，但葉叢中期較初期有所降低(表1)，原因在于該時(shí)期持續(xù)陰天致使溫室內(nèi)溫度明顯降低及相對(duì)濕度明顯增加?；跉庀蠓ㄓ?jì)算的參考需水強(qiáng)度明顯大于水基于水量平衡法計(jì)算的需水強(qiáng)度(表1，圖1和圖2)，且二者在4個(gè)生育階段內(nèi)的變化趨勢(shì)亦有所不同，再次說(shuō)明測(cè)算作物系數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)作物實(shí)際需水量的必要性。本文同時(shí)借助基于2 h采集頻率的氣象數(shù)據(jù)分析了不同生育期內(nèi)參考需水強(qiáng)度的日變化規(guī)律(圖3)，發(fā)現(xiàn)4個(gè)生育期的參考需水強(qiáng)度均表現(xiàn)為：早晨8點(diǎn)開始逐漸升高，午間12點(diǎn)至下午2點(diǎn)達(dá)到峰值，以后逐漸降低，至晚間10點(diǎn)左右回落至初始值，對(duì)比各氣象參數(shù)的同步變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，參考需水強(qiáng)度的日變化規(guī)律與輻射強(qiáng)度和溫度的日變化規(guī)律一致，與相對(duì)濕度和飽和水汽壓的日變化規(guī)律相反。葛建坤等[14]針對(duì)溫室番茄和張大龍等[19]針對(duì)溫室甜瓜的研究也發(fā)現(xiàn)，作物參考需水強(qiáng)度與空氣溫度和光輻射均呈正相關(guān)，與本研究的結(jié)論基本一致。4個(gè)生育期的參考需水強(qiáng)度又存在差異，表現(xiàn)為：苗期需水強(qiáng)度峰值約在中午12點(diǎn)出現(xiàn)，葉叢期(初期、中期和后期)需水強(qiáng)度峰值約在下午2點(diǎn)出現(xiàn)，葉叢初期和葉叢后期的參考需水強(qiáng)度峰值比苗期均高出了2 mm/d(圖3)。研究發(fā)現(xiàn)，累積參考需水量亦可采用線性函數(shù)較好的擬合。本研究基于農(nóng)田法和氣象法的比值計(jì)算的溫室芹菜作物系數(shù)總體呈“中間高、兩頭低”的趨勢(shì)(圖4和圖5)，與齊述華等(2002年)和張振華(2004年)等報(bào)道的作物系數(shù)大體呈拋物線變化趨勢(shì)大體一致，但在全生育期所表現(xiàn)出的移動(dòng)平均函數(shù)關(guān)系則與嚴(yán)菊芳等[20]報(bào)道的二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系有所不同。

4 結(jié) 論

(1)基于適宜灌水條件下農(nóng)田水量平衡法計(jì)算的溫室芹菜需水強(qiáng)度呈“增加-降低-增加”的變化趨勢(shì)，且葉叢后期的需水強(qiáng)度較苗期有較大提升；基于生育期的需水量表現(xiàn)為逐漸增大、生育后期達(dá)到頂峰的特征；累積需水量變化趨勢(shì)可用直線函數(shù)擬合。

(2)基于氣象法計(jì)算的溫室芹菜參考需水強(qiáng)度呈“增加-降低-增加”的變化趨勢(shì)，基于生育期的需水量表現(xiàn)為“增加-降低-增加”的波動(dòng)增加趨勢(shì)；參考累積需水量變化趨勢(shì)可用直線函數(shù)擬合。

(3)基于農(nóng)田法與氣象法比值計(jì)算的作物系數(shù)在全生育期呈移動(dòng)平均函數(shù)趨勢(shì)變化，葉叢中期和葉叢后期的作物系數(shù)大于其他兩個(gè)時(shí)期。從全生育期來(lái)看，溫室芹菜需水強(qiáng)度、累積需水量和作物系數(shù)分別為1.666 mm/d、225.1 mm和0.484。

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