基于水分、電導(dǎo)率傳感器的黃瓜有機(jī)栽培灌溉決策研究

李友麗 郭文忠 趙 倩 李銀坤 楊子強(qiáng) 薛緒掌

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.寧夏吳忠國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會(huì)， 吳忠 751100)

基于水分、電導(dǎo)率傳感器的黃瓜有機(jī)栽培灌溉決策研究

李友麗1郭文忠1趙 倩1李銀坤1楊子強(qiáng)2薛緒掌1

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.寧夏吳忠國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會(huì)， 吳忠 751100)

以時(shí)序灌溉決策為對(duì)照(CK)，設(shè)置基于水分傳感器的單因子灌溉決策處理T1和基于水分、電導(dǎo)率傳感器的雙因子灌溉決策處理T2，監(jiān)測(cè)基質(zhì)含水率及灌溉液、回液的電導(dǎo)率決策灌溉量，測(cè)量黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)、葉片SPAD值、氣孔導(dǎo)度和光合速率日變化以及果實(shí)品質(zhì)、產(chǎn)量和灌溉量，分析灌溉液生產(chǎn)效率，研究黃瓜椰糠有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液灌溉決策。結(jié)果表明：不同灌溉決策下黃瓜的生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)產(chǎn)量差異不明顯；處理T2的總灌溉量較CK、T1減少了49.08%和31.85%，灌溉液生產(chǎn)效率與CK、T1相比分別提高了103.92%和60.59%?；谒?、EC傳感器的雙因子灌溉決策為黃瓜椰糠有機(jī)栽培提供了較合理的營(yíng)養(yǎng)液灌溉制度，適用于設(shè)施黃瓜椰糠有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)灌溉管理。

黃瓜； 灌溉決策； 水分傳感器； 電導(dǎo)率傳感器； 有機(jī)栽培； 有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液

引言

基質(zhì)栽培在土地、水、肥等資源有效利用和病蟲(chóng)害防治等多方面較土壤栽培具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其持水性、緩沖性等較差，極易出現(xiàn)水肥供應(yīng)不足或過(guò)量以及鹽漬化等問(wèn)題，科學(xué)的營(yíng)養(yǎng)液灌溉制度至關(guān)重要[1]。自動(dòng)灌溉削弱了人為干擾的不良影響，提高了生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。灌溉決策是自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的核心，其優(yōu)質(zhì)性和廣適性決定了自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)研究已成為農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的熱點(diǎn)[2]。

最常用的時(shí)序控制法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間和灌溉量(灌溉時(shí)長(zhǎng))，或?qū)⒐喔纫号c回液EC的差值作為輔助調(diào)整灌溉量的參考因子[3-4]，該方法簡(jiǎn)單但未能充分考慮環(huán)境因子和作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響[5-6]。光照強(qiáng)度是影響作物耗水量最主要的環(huán)境因子，累積光輻射法被認(rèn)為是較好的管理方法[6-7]，針對(duì)不同作物和基質(zhì)開(kāi)展的研究，其相關(guān)成果已在生產(chǎn)中得以應(yīng)用[8-9]。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)累積光輻射法沒(méi)有考慮溫度和濕度的影響(占30%)[6]；累積光輻射值僅是啟動(dòng)灌溉的決策因子，灌溉量仍為經(jīng)驗(yàn)值，該方法有待進(jìn)一步優(yōu)化。全膜覆蓋下，基質(zhì)含水量下降值被認(rèn)為是作物耗水量，基于水分傳感器監(jiān)測(cè)值灌溉或計(jì)算灌溉量能較好滿足作物水分供應(yīng)[10-11]。然而，GALLARDO等[12]認(rèn)為基質(zhì)栽培需要提供過(guò)量的灌溉液淋洗基質(zhì)以避免鹽分累積，張芳等[13]發(fā)現(xiàn)1.3倍計(jì)算灌溉量可充分淋洗基質(zhì)內(nèi)鹽分?；|(zhì)鹽分積累是營(yíng)養(yǎng)液中未被吸收的 “無(wú)效離子”累積、基質(zhì)吸附陽(yáng)離子或釋放養(yǎng)分影響營(yíng)養(yǎng)液化學(xué)平衡的結(jié)果，當(dāng)鹽分濃度超過(guò)一定值時(shí)才會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)造成影響。每次均采用過(guò)量灌溉，既導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)液浪費(fèi)，又污染環(huán)境。充分考慮鹽分淋洗制度，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化灌溉決策，提高營(yíng)養(yǎng)液利用效率具有非常重要的意義。

21世紀(jì)以來(lái)，有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，有機(jī)蔬菜栽培面積逐年增加。但是，配套的設(shè)施設(shè)備和栽培技術(shù)相對(duì)落后，機(jī)械化、自動(dòng)化程度極低，特別是水肥管理方面。椰糠作為一種有機(jī)栽培基質(zhì)已得到大面積應(yīng)用，而椰糠有機(jī)栽培的灌溉策略研究甚少。因此，本文擬利用傳感器原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，以水分傳感器決策計(jì)算灌溉量，以EC傳感器決策淋洗基質(zhì)，來(lái)探究黃瓜椰糠有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)灌溉決策，旨在優(yōu)化黃瓜椰糠有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液灌溉制度，實(shí)現(xiàn)水肥一體化智能裝備管控下有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液的高效利用，并為設(shè)施蔬菜無(wú)土有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液高效利用和智能管控提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2015年8月17日—11月10日在北京市昌平區(qū)小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地5號(hào)日光溫室中開(kāi)展，其栽培基質(zhì)為椰糠：質(zhì)量為1.95 kg/條，壓縮比5∶1，膨脹量8.619 kg，吸水膨脹的體積為100 cm×15 cm×10 cm，EC為4.22 mS/cm，使用前清水泡脹并淋洗，至淋洗液EC小于等于0.7 mS/cm時(shí)待用。供試作物為黃瓜(中農(nóng)26)，定植密度30 000株/hm2。營(yíng)養(yǎng)液為自主發(fā)酵的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液，灌溉液EC范圍參照山崎黃瓜營(yíng)養(yǎng)液配方[14]，滴箭灌溉。營(yíng)養(yǎng)液灌溉管理設(shè)備為北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心自主研發(fā)的有機(jī)水肥一體化智能裝備與系統(tǒng)：包括有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液發(fā)酵系統(tǒng)、AWF型水肥一體化智能裝備(5通道)和滴灌灌溉系統(tǒng)等(圖1)。有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液發(fā)酵區(qū)制備有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液， AWF型水肥一體化智能裝備與系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)灌溉決策進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液配制與田間灌溉管理[15]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前，生產(chǎn)中營(yíng)養(yǎng)液管理多采用定時(shí)定點(diǎn)灌溉，即時(shí)序法。田間試驗(yàn)中，當(dāng)栽培基質(zhì)如椰糠定植條包裹塑料膜，可認(rèn)為椰糠含水量下降值即為黃瓜的耗液量，參考田間灌溉量計(jì)算公式[16]，根據(jù)椰糠的實(shí)際含水率和設(shè)定的含水率上限值，便得出計(jì)算灌溉量。實(shí)際生產(chǎn)中，基質(zhì)栽培營(yíng)養(yǎng)液灌溉易導(dǎo)致基質(zhì)鹽分積累，影響作物生長(zhǎng)，需要灌溉過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)液以避免基質(zhì)鹽分積累。張芳等[13]在基質(zhì)(草炭)栽培的研究中發(fā)現(xiàn)每次以1.3倍計(jì)算灌溉量灌溉營(yíng)養(yǎng)液可以充分淋洗基質(zhì)鹽分。然而，過(guò)量營(yíng)養(yǎng)液灌溉既造成營(yíng)養(yǎng)液浪費(fèi)，又導(dǎo)致土壤等環(huán)境污染。有研究[4]認(rèn)為回液EC高于灌溉液EC時(shí)說(shuō)明基質(zhì)養(yǎng)分濃度偏高，需增加灌溉量淋洗基質(zhì)。因此，本試驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)灌溉決策以時(shí)序法[6]為對(duì)照，分別設(shè)置2個(gè)處理：基于水分傳感器的單因子灌溉決策(T1)和基于水分、EC傳感器的雙因子灌溉決策(T2)，每天07:00—18:00整點(diǎn)時(shí)刻系統(tǒng)分析傳感器返回的數(shù)據(jù)，按表1灌溉策略進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液灌溉管理。

營(yíng)養(yǎng)液灌溉量計(jì)算公式[16]為

式中M1——灌溉量V——基質(zhì)體積q1——椰糠基質(zhì)的最大含水率，為48.95% (體積含水率)

q2——整點(diǎn)時(shí)刻水分傳感器測(cè)定的含水率

p——土壤濕潤(rùn)比,取100%

η——水分利用效率，取1

將灌溉策略編寫(xiě)程序，導(dǎo)入有機(jī)水肥一體化智能裝備的操作系統(tǒng)。

試驗(yàn)各處理均設(shè)3次重復(fù)，共9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)排布，支流管道并聯(lián)于主灌溉管道上，主管與支管間安裝電磁閥和流量計(jì)，使各小區(qū)灌溉單獨(dú)管理。在AWF型水肥一體化智能裝備的混液桶和栽培灌溉區(qū)T3的回液桶中裝有EC傳感器，分別監(jiān)測(cè)灌溉液和回液的EC，其中監(jiān)測(cè)灌溉液EC的作用為參與營(yíng)養(yǎng)液配制和處理T2自動(dòng)灌溉的決策。在各栽培小區(qū)的椰糠中布置水分傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)椰糠含水率，如圖1所示。

圖1 有機(jī)水肥一體化智能裝備與系統(tǒng)平面圖Fig.1 Structure diagram of organic fertigation system1.水源 2.灌溉水泵 3.過(guò)濾器 4.電磁閥 5.流量傳感器 6.發(fā)酵罐 7.曝氣裝置 8.過(guò)濾層 9.循環(huán)泵 10.通氣管 11.液位傳感器 12.儲(chǔ)液箱 13.吸肥器 14.肥液檢測(cè)裝置 15.控制柜 16.配肥管道 17.施肥水泵 18.混液桶 19.液位傳感器 20.EC傳感器 21.灌溉電磁閥 22.灌溉逆止閥 23.田間灌溉電磁閥配液電磁閥 24.流量計(jì) 25.基質(zhì)水分傳感器 26.灌溉小區(qū) 27.回液桶

處理決策因子啟動(dòng)灌溉時(shí)間啟動(dòng)灌溉實(shí)際灌溉量CK時(shí)間07：00—18：00整點(diǎn)時(shí)刻是04mmT1基質(zhì)含水率07：00—18：00整點(diǎn)時(shí)刻基質(zhì)含水率小于等于q1計(jì)算灌溉量13M1T2基質(zhì)含水率、灌溉液與回液EC的差值07：00—18：00整點(diǎn)時(shí)刻基質(zhì)含水率小于等于q2回液EC與灌溉液EC的差值小于等于100mS/cm時(shí)，為計(jì)算灌溉量M1回液EC與灌溉液EC的差值大于100mS/cm時(shí)，為13M1[13]

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

有機(jī)水肥一體化智能系統(tǒng)讀取并存儲(chǔ)灌溉液和T2回液的EC、基質(zhì)含水率、單次灌溉量和累積灌溉量。

在每個(gè)處理的各重復(fù)小區(qū)中隨機(jī)選定3株黃瓜，根據(jù)黃瓜生育期和外界氣溫變化情況，分別在苗期-初花期(1次)、盛果期(2次，使用保溫棉被前、后各1次)監(jiān)測(cè)植株的株高增長(zhǎng)量，莖粗(各測(cè)量周期內(nèi)第1次測(cè)量前，先標(biāo)記近生長(zhǎng)點(diǎn)展開(kāi)葉片的葉柄基部下方1 cm處，同周期內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)此處植株的莖粗)，單葉片的葉面積(各測(cè)量周期內(nèi)第1次測(cè)量前，先標(biāo)記新出葉片，連續(xù)監(jiān)測(cè)該葉片的長(zhǎng)與寬，兩者的乘積再乘以系數(shù)0.739為該葉片面積[17])，單次監(jiān)測(cè)周期為10～15 d，每2～3 d測(cè)量1次；定期監(jiān)測(cè)功能葉片的葉綠素含量(SPAD-502型葉綠素含量測(cè)定儀)和氣孔導(dǎo)度(SC-1型穩(wěn)態(tài)氣孔計(jì))，采用LI-6400XT型便攜式光合儀測(cè)定盛果期葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度的日變化；盛果期取樣測(cè)黃瓜品質(zhì)：維生素C含量(2，6-二氯靛酚滴定法)，硝酸鹽含量(濃H2SO4-水楊酸法)，可溶性總糖含量(蒽酮比色法)，粗蛋白含量(凱氏定氮法)和可滴定酸含量(堿測(cè)定法)[18]；分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)處理每個(gè)重復(fù)的商品瓜產(chǎn)量，計(jì)算灌溉液生產(chǎn)效率(黃瓜產(chǎn)量與灌溉總量的比值)。

采用流量計(jì)自動(dòng)記錄灌溉量，Decagon微型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel處理，利用SPSS 17.0進(jìn)行差異顯著性分析，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)利用Decagon微型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫室氣象數(shù)據(jù)(圖2)，發(fā)現(xiàn)9月份溫室內(nèi)溫度仍偏高，日平均氣溫均在20～25℃，大部分夜間平均氣溫在18℃以上，甚至高達(dá)22.8℃，此時(shí)黃瓜處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期-初果期，需注意土壤濕度(灌水量)與夜間溫度，避免徒長(zhǎng)。10月7日后出現(xiàn)明顯降溫，10月7日—10月21日的日平均氣溫已低于20℃，夜間溫度也下降至12～15℃，該時(shí)期黃瓜生長(zhǎng)較好；10月下旬再次降溫，白天(07：00—18：00)平均氣溫已在25℃以下，近1/2天數(shù)低于20℃，為確保黃瓜正常生長(zhǎng)，夜間覆蓋保溫被，減緩室內(nèi)熱量散失，使夜間的最低溫度維持在12℃以上。

圖2 日光溫室內(nèi)空氣溫度變化情況Fig.2 Temperature variation of solar greenhouse

圖3 2015年9月9日—9月25日黃瓜株高增長(zhǎng)量Fig.3 Daily increment of cucumber plant height during September 9 and 25, 2015

2.1 不同灌溉決策對(duì)黃瓜植株生長(zhǎng)的影響

營(yíng)養(yǎng)液是基質(zhì)栽培下黃瓜植株生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分的唯一來(lái)源，灌溉決策直接影響植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)，包括株高、莖粗、葉面積等，合理的灌溉管理可確保作物生長(zhǎng)良好，避免營(yíng)養(yǎng)液浪費(fèi)，提高水分、養(yǎng)分利用率。

2.1.1 不同灌溉決策對(duì)株高的影響

9月8日—9月25日黃瓜處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期-初花、初果期，從圖2中可知該時(shí)期內(nèi)仍有高溫天氣，如灌溉量過(guò)大極易導(dǎo)致徒長(zhǎng)，反之則生長(zhǎng)緩慢，甚至出現(xiàn)花打頂現(xiàn)象，故合理灌溉是確保黃瓜植株正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵。圖3中，整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)時(shí)序決策灌溉與基于水分傳感器的單因子決策處理、基于水分和EC傳感器的雙因子決策處理下黃瓜的株高增長(zhǎng)量變化趨勢(shì)一致，溫度適宜時(shí)株高日增長(zhǎng)量為8～12 cm，溫度偏低時(shí)株高增長(zhǎng)量較??；分析不同灌溉決策下黃瓜株高日變化量，發(fā)現(xiàn)三者之間差異不明顯，說(shuō)明基于水分傳感器的灌溉決策和基于水分傳感器、EC傳感器的灌溉決策對(duì)植株高度變化的影響不顯著。

2.1.2 不同灌溉決策對(duì)莖粗的影響

植株生長(zhǎng)點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)體的細(xì)胞分裂增長(zhǎng)速度最快、代謝活性最強(qiáng)的部位。距離生長(zhǎng)點(diǎn)越近的營(yíng)養(yǎng)器官組織活性越強(qiáng)，生長(zhǎng)速率越快，同時(shí)更易受外界因素的影響，包括氣象因子、栽培介質(zhì)、水分和養(yǎng)分等。在蔬菜栽培中，水肥管理對(duì)近生長(zhǎng)點(diǎn)植株莖粗增長(zhǎng)速率和最終的莖粗均有影響，生產(chǎn)管理中將該指標(biāo)作為判斷水分管理合理與否的依據(jù)。由圖4可知，不同灌溉決策對(duì)莖粗增長(zhǎng)速率有一定影響。第1個(gè)測(cè)量周期(營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期)，不同處理的植株莖粗增長(zhǎng)速率差異不明顯，第2、3個(gè)測(cè)量周期(結(jié)果期)，CK和T1的增長(zhǎng)速率差異不顯著，且均大于處理T2，分析認(rèn)為這可能與結(jié)果期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并存、植株蒸騰作用和生理代謝需水量增大有關(guān)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)相同環(huán)境條件下不同灌溉決策對(duì)黃瓜植株莖粗生長(zhǎng)也存在一定影響。第2個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，不同處理下植株莖粗初始值較接近，而莖粗值趨于恒定時(shí)， CK與T1的值相近，且大于T2；第3個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，不同處理植株莖粗初始值為T(mén)2大于CK和T1，但莖粗增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定時(shí)，不同處理下植株莖粗不存在明顯差異。

圖4 黃瓜植株莖粗變化情況Fig.4 Stem diameter variation of cucumber

2.1.3 不同灌溉決策對(duì)新生葉片生長(zhǎng)的影響

圖6 黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量(SPAD值)Fig.6 Stomatal conductance and chlorophyll content (SPAD value) of cucumber leaves

營(yíng)養(yǎng)液管理對(duì)新生葉片的擴(kuò)展速率和完全展開(kāi)功能葉片的面積均有重要影響。選定距離生長(zhǎng)點(diǎn)最近的新出葉片，定期測(cè)量其長(zhǎng)與寬，計(jì)算葉面積，對(duì)比不同處理下擴(kuò)展速率及葉片完全展開(kāi)的面積。發(fā)現(xiàn)(圖5)新葉擴(kuò)展速率和完全展開(kāi)時(shí)的葉片面積形成均受灌溉策略的影響，不同測(cè)量周期內(nèi)均呈現(xiàn)出基于水分傳感器的單因子灌溉決策處理T1的新葉擴(kuò)展速率、完全展開(kāi)的功能葉片葉面積與時(shí)序灌溉對(duì)照CK接近，基于水分傳感器、EC傳感器的雙因子決策處理T2均小于對(duì)照CK和處理T1，但差異不顯著。

2.2 不同灌溉決策對(duì)黃瓜植株生理作用的影響

2.2.1 黃瓜葉片氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量

氣孔導(dǎo)度是指氣孔對(duì)水蒸氣、CO2等氣體的傳導(dǎo)度，它表示氣孔張開(kāi)程度，影響植株的蒸騰作用、光合作用和呼吸作用。氣孔可以根據(jù)環(huán)境條件的變化來(lái)調(diào)節(jié)自己的開(kāi)度而使植物在損失水分較少的情況下獲取最多的CO2。因此，當(dāng)其他環(huán)境條件一致時(shí)，水分供應(yīng)情況對(duì)氣孔開(kāi)度有直接影響。從圖6發(fā)現(xiàn)，對(duì)照與2個(gè)處理間氣孔導(dǎo)度變化規(guī)律一致，同一測(cè)定時(shí)間點(diǎn)上氣孔導(dǎo)度差異不明顯。同時(shí)可看出，不同自動(dòng)灌溉決策對(duì)盛果期黃瓜葉片葉綠素含量(SPAD值)的影響差異不顯著。

2.2.2 黃瓜葉片光合作用

圖7 黃瓜葉片凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導(dǎo)度Gs和胞間CO2濃度Ci日變化Fig.7 Diurnal variations of net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance and intercellular CO2concentration of cucumber leaves

在盛果期選擇晴天測(cè)量不同灌溉策略下黃瓜葉片凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導(dǎo)度Gs和胞間CO2濃度Ci的日變化，分析灌溉制度對(duì)其光合作用的影響。從圖7結(jié)果可以看出，3種不同灌溉策略控制下，葉片凈光合速率日變化規(guī)律一致，即先逐漸增大，在中午12：00達(dá)到峰值，然后逐漸下降；不同處理各時(shí)間點(diǎn)的凈光合速率差異不明顯，但時(shí)序決策灌溉CK的Pn峰值較處理T1、T2低。不同處理的蒸騰速率Tr日變化趨勢(shì)相同，均在上午10:00達(dá)到最大；基于水分傳感器和增加EC傳感器輔助決策處理T1、T2的蒸騰速率Tr均高于對(duì)照，但差異不明顯。同時(shí)可看到，處理T1、T2的氣孔導(dǎo)度Gs和胞間CO2濃度與對(duì)照CK相比不存在差異。這說(shuō)明處理T1、T2 2種灌溉決策的營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)滿足了黃瓜的營(yíng)養(yǎng)液需求，未對(duì)其葉片光合作用造成影響。

2.3 自動(dòng)灌溉決策對(duì)黃瓜品質(zhì)的影響

3種灌溉決策下基質(zhì)栽培黃瓜的品質(zhì)如表2所示，基于水分、EC傳感器的雙因子決策處理T2的可

溶性總糖和還原性維生素C含量最高，粗蛋白和可滴定酸含量稍低于對(duì)照而較處理T1高，硝酸鹽含量與對(duì)照CK接近而低于T1。對(duì)照CK、處理T1和處理T2 3種不同自動(dòng)灌溉決策管理下，黃瓜各品質(zhì)指標(biāo)的差異均未達(dá)到顯著水平。

表2 不同灌溉決策對(duì)黃瓜品質(zhì)的影響

注：同列數(shù)值后不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.4 自動(dòng)灌溉決策對(duì)黃瓜產(chǎn)量、灌溉量及灌溉液生產(chǎn)效率的影響

營(yíng)養(yǎng)液管理影響黃瓜植株生長(zhǎng)和生理代謝，最終影響黃瓜產(chǎn)量形成。科學(xué)合理的灌溉制度下，營(yíng)養(yǎng)液的適量供應(yīng)，可滿足作物的水分、養(yǎng)分需求，確保產(chǎn)量。從表3可看出，基于水分傳感器的單因子灌溉決策T1和基于水分、EC傳感器的雙因子灌溉決策T2的產(chǎn)量低于時(shí)序法對(duì)照CK，且處理T1較處理T2低，但均未達(dá)到顯著水平，說(shuō)明基于水分傳感器或水分和EC傳感器的自動(dòng)灌溉決策可為黃瓜提供充足水分和養(yǎng)分，確保產(chǎn)量形成；而處理T2較T1更有利于黃瓜產(chǎn)量形成。

黃瓜定植緩苗后，利用水肥一體化智能裝備，在系統(tǒng)控制下將自制高氮、高磷和高鉀有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液配比混合，根據(jù)灌溉策略進(jìn)行自動(dòng)灌溉管理，流量計(jì)記錄累計(jì)灌溉量(不包括緩苗前灌溉量)。發(fā)現(xiàn)基于水分傳感器的單因子灌溉決策T1的單株灌溉量和總灌溉量分別為1.35 L/d和3 240 m3/hm2，顯著低于對(duì)照CK(1.81 L/d和4 336 m3/hm2)，節(jié)約灌溉液25.97%?；谒帧C傳感器的雙因子決策灌溉T2的單株灌溉量和總灌溉量分別為0.92 L/d和2 208 m3/hm2，相比對(duì)照CK和處理T1分別節(jié)約灌溉量 49.08%和31.85%。處理T1和T2的灌溉液生產(chǎn)效率分別為13.93 kg/m3和22.37 kg/m3，分別較對(duì)照(10.97 kg/m3)提高了26.98%和103.92%，且處理T2相比處理T1提高了60.59%。這說(shuō)明基于水分傳感器和基于水分、EC傳感器的自動(dòng)灌溉策略更能為黃瓜基質(zhì)栽培提供合理的灌溉制度，有效降低灌溉量；而基于水分、EC傳感器的雙因子灌溉決策優(yōu)化了基質(zhì)鹽分累積的淋洗制度，使灌溉制度得到了進(jìn)一步完善。

表3 基于不同灌溉策略的黃瓜產(chǎn)量、灌溉量及灌溉液生產(chǎn)效率

3 討論

對(duì)于基質(zhì)栽培，營(yíng)養(yǎng)液灌溉量的合理性原則是既要滿足作物對(duì)水分、養(yǎng)分的需求，又不至于造成肥、水流失浪費(fèi)，或引起基質(zhì)鹽分累積等問(wèn)題[19]。回液量占灌溉液量比例、回液EC與灌溉液EC的差值可作為評(píng)價(jià)灌溉制度的標(biāo)準(zhǔn)，如回液量比例偏小或EC差值偏大，認(rèn)為灌溉量偏小不能滿足作物的水肥供應(yīng)，或基質(zhì)鹽分積累，影響根系生長(zhǎng)和水分、養(yǎng)分吸收；反之，灌溉量過(guò)大，造成營(yíng)養(yǎng)液浪費(fèi)，污染環(huán)境[20-21]。有研究認(rèn)為有10%～30%的灌溉液排出較合適[22]，SMITH[5]認(rèn)為排出液達(dá)到30%～35%可以較好淋洗基質(zhì)鹽分。本研究中，基于水分傳感器單因子決策處理T1以1.3倍計(jì)算灌溉量為實(shí)際灌溉量，確保每次灌溉均有30%左右的排出液用以淋洗基質(zhì)。處理T1黃瓜單株日均灌溉量和總灌溉量均顯著低于時(shí)序法對(duì)照CK；與對(duì)照相比所監(jiān)測(cè)的黃瓜生長(zhǎng)、生理及品質(zhì)指標(biāo)不存在差異；產(chǎn)量降低了5.27%，但差異不顯著，說(shuō)明全覆蓋的椰糠有機(jī)栽培系統(tǒng)中，基于水分傳感器的單因子灌溉決策以1.3倍的計(jì)算灌溉量灌溉，既降低了營(yíng)養(yǎng)液用量又使基質(zhì)鹽分得到了充分淋洗，確保了黃瓜的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)。

基質(zhì)鹽分偏高不僅會(huì)影響某些元素(如Ca)吸收，還可能造成生理傷害，如根系腐爛等[23]。但是，基質(zhì)的鹽分積累是一定時(shí)間段內(nèi)非理想灌溉管理導(dǎo)致的結(jié)果，故具有過(guò)程性，如每次灌溉均增加灌溉液淋洗基質(zhì)，一定程度上仍會(huì)造成灌溉液的浪費(fèi)。本研究處理T2中，EC傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回液EC，當(dāng)其與灌溉液EC的差值大于1 mS/cm時(shí)，灌溉1.3倍計(jì)算灌溉量(同T1)的營(yíng)養(yǎng)液，一方面補(bǔ)充基質(zhì)水分，另一方面淋洗基質(zhì)鹽分。結(jié)果顯示，該處理的黃瓜長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量和品質(zhì)較好，總灌溉量顯著低于對(duì)照CK和處理T1，而灌溉液生產(chǎn)效率顯著高于CK和T1。當(dāng)排出液EC在適宜范圍內(nèi)，未出現(xiàn)基質(zhì)鹽分偏高，不會(huì)對(duì)黃瓜生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，故不需要使用過(guò)量的灌溉液淋洗基質(zhì)。因此，認(rèn)為增加EC傳感器監(jiān)測(cè)回液EC輔助決策灌溉，有效優(yōu)化了淋洗制度，進(jìn)一步降低了營(yíng)養(yǎng)液灌溉量，提高了營(yíng)養(yǎng)液利用效率，獲得了更合理的灌溉決策。

上述關(guān)于灌溉決策的研究是在設(shè)施黃瓜椰糠有機(jī)栽培中開(kāi)展的，栽培基質(zhì)椰糠屬于有機(jī)基質(zhì)的一種，其理化性狀與草炭、稻殼、菇渣等有機(jī)基質(zhì)及巖棉、陶粒等惰性基質(zhì)均存在一定差異，結(jié)合栽培基質(zhì)理化性狀對(duì)營(yíng)養(yǎng)液管理的影響，本研究結(jié)果可為設(shè)施黃瓜的其他基質(zhì)栽培營(yíng)養(yǎng)液灌溉管理提供參考，但相關(guān)灌溉決策需繼續(xù)優(yōu)化。有機(jī)基質(zhì)栽培中，有機(jī)液和有機(jī)基質(zhì)中除含有作物生長(zhǎng)所需的N、P、K等多種養(yǎng)分元素外，還含有豐富的有機(jī)質(zhì)和大量微生物等，這對(duì)基質(zhì)陽(yáng)離子交換能力和作物吸收養(yǎng)分元素均有影響，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)栽培灌溉管理與無(wú)機(jī)栽培存在差異，故本研究中基于水分、EC傳感器的灌溉決策在黃瓜非有機(jī)基質(zhì)栽培中的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)的營(yíng)養(yǎng)液灌溉制度要為基質(zhì)栽培作物提供適量的水分和養(yǎng)分，并創(chuàng)造良好的根系環(huán)境，既要避免灌溉量過(guò)大造成營(yíng)養(yǎng)液浪費(fèi)和基質(zhì)溶氧量下降，又要避免淋洗不充分導(dǎo)致基質(zhì)鹽分積累。從本研究結(jié)果可知，基于水分、EC傳感器的雙因子灌溉決策相比時(shí)序灌溉法提供了更接近椰糠有機(jī)栽培時(shí)黃瓜真實(shí)耗水量的灌溉制度，相比基于水分傳感器的單因子灌溉決策進(jìn)一步優(yōu)化了椰糠基質(zhì)淋洗制度，使?fàn)I養(yǎng)液用量大幅降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水節(jié)肥和灌溉水生產(chǎn)效率的提高。因此，基于水分、EC傳感器的雙因子灌溉決策為黃瓜椰糠有機(jī)栽培提供了較合理的營(yíng)養(yǎng)液灌溉制度，可用于設(shè)施黃瓜椰糠有機(jī)栽培的營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)灌溉管理。

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Irrigation Scheduling Based on Moisture and Electric Conductivity Sensors in Organic Culture of Cucumber

LI Youli1GUO Wenzhong1ZHAO Qian1LI Yinkun1YANG Ziqiang2XUE Xuzhang1

(1.BeijingResearchCentreofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China2.ManagementCommitteeofWuzhongNationalAgriculturalSci-TechGardeninNingxia,Wuzhong751100,China)

An experiment was carried out to study irrigation schedule based on moisture and electric conductivity (EC) sensors in cucumber production based on organic culture. Coconut bran was the substrate of cultivation. Three irrigation strategies were implemented which was scheduled by digital timer (CK), moisture sensors (T1), as well as moisture and EC sensors together (T2). Coir moisture content, EC of input nutrient solution and drainage were monitored, which was used to determine irrigation volume. The growth parameters were measured, including SPAD value of leaves, stomatal conductance, photosynthetic rates, fruit quality and yield, as well as irrigation amount, and production efficiency of consumed nutrient solution was calculated. The results showed that under the three irrigation strategies, difference in plant growth, yield and quality of harvested cucumber was insignificant. Total irrigation amount of T2 was 49.08% less than that of CK, and 31.85% less than that of T1. Use efficiency of nutrient solution of T2 was 103.92% higher than that of CK and 60.59% more than that of T1, respectively. In conclusion, the irrigation strategy based on incorporated application of moisture and EC sensors offered better nutrient solution use efficiency. The strategy can be used in automatic management of nutrient solution supply in organic culture of cucumber in greenhouse.

cucumber; irrigation schedule； moisture sensor； electric conductivity sensor； organic cultivation; organic nutrient solution

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.034

2016-10-12

2017-02-06

北京市基金面上項(xiàng)目(20146142008)、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD05B02)、北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX20140415)和星火計(jì)劃項(xiàng)目(2015GA600005)

李友麗(1985—)，女，助理研究員，主要從事設(shè)施蔬菜水肥一體化技術(shù)研究，E-mail: liyl@nercita.org.cn

薛緒掌(1967—)，男，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水研究，E-mail: xuexz@nercita.org.cn

S625.5+8； S274.3

A

1000-1298(2017)06-0263-08