日光溫室覆膜滴灌條件下茄子需水規(guī)律研究

杜秋月，李木子，孫書洪,2，葉瀾濤,2

(1.天津農(nóng)學院，水利工程學院，天津 300384；2.天津市農(nóng)業(yè)水利技術工程中心，天津 300384)

設施栽培是指對栽培技術進行精準化的操作，通過先進的設施技術，使得栽培工作得到更加充分有效的管理和控制。目前主要的設施技術是指利用塑料大棚、日光溫室和小拱棚等對瓜果進行春提早或秋延后栽培的技術。其技術要點是對大棚室內(nèi)溫度、濕度、各類氣體、光照等的有效調(diào)控。據(jù)統(tǒng)計，截至2004年，我國設施農(nóng)業(yè)的占地面積發(fā)展到了210 萬hm2，蔬菜人均占有量達到了70 kg[1-4]。設施栽培條件下，光照、溫度、濕度、風速等氣象因素與露天環(huán)境下的氣象因素不同，相較于露天作物，設施栽培作物所處的生長環(huán)境特征表現(xiàn)為：光照條件較弱，增溫保溫效果較好，風速小，空氣濕度較大。目前國內(nèi)外眾多研究學者對于設施作物進行了需水量計算研究，并累積了大量實測資料，取得了一定的研究成果。針對設施作物的生長和栽培特點，探求作物全生育期需水量及需水規(guī)律，指導農(nóng)業(yè)節(jié)水提供依據(jù)，進而緩解農(nóng)業(yè)用水短缺，提高農(nóng)業(yè)用水效率具有重要的實際意義[5-9]。同時節(jié)水灌溉條件下的設施栽培作物的需水規(guī)律研究也是目前農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水領域的研究重點之一。由于地域及栽培模式等因素差異阻礙了研究結果的通用性，致使許多研究成果無法直接應用到實際生產(chǎn)中[10-13]。本文針對地下水埋深較淺的低平原區(qū)開展了覆膜滴灌條件下日光溫室茄子的需水量以及需水規(guī)律研究,本試驗研究中對作物全生育期采取了充分灌溉，可為區(qū)域節(jié)水灌溉提供技術指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及設計

試驗區(qū)位于天津市靜海區(qū)陳官屯鎮(zhèn)胡辛莊村。該地區(qū)北緯38°46′，東經(jīng)116°53′，處于華北大平原的東北部，地勢低平，海拔一般為3～4 m。屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春秋季節(jié)短，冬夏季節(jié)長。降水多集中在夏季，年平均降水量約590 mm 7月份最多，平均205 mm，1月份最少，平均3 mm。年平均蒸發(fā)量1 778 mm。多年平均氣溫11.9 ℃，累年平均無霜期193 d，平均日照2 699 h，日照率61%。地下水位埋深在1.5～2 m內(nèi)。

試驗在二代日光溫室中進行，溫室地塊長110 m，寬8 m。試驗區(qū)土壤類型為潮土，土壤的基本性狀見表1。試驗期間溫室內(nèi)種植東方長茄，茄子定植日期為2017年10月22日，品種為，種植方式為育苗栽種，植株兩行之間距離為40 cm，膜與膜之間距離為90 cm，植株橫向之間距離為60 cm，滴灌帶滴頭間隔為30 cm，主管直徑為4 cm，滴灌帶直徑為1.5 cm。灌溉水源來自深水井，灌溉方式為膜下滴灌。

表1 土壤的基本性狀Tab.1 The basic characteristics of soil

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤含水率的測定

用土鉆取溫室大棚中央位置處土壤，每次測定兩個點，分別為膜內(nèi)一個點和膜外一個點。取土深度為0～100 cm，每20 cm一層，共5層，每周取樣測定一次。對覆膜滴灌條件下的土壤含水率進行加權平均，求得整個測試深度0～100 cm的土壤平均含水率。

1.2.2 生長性狀指標的測定

選定大棚內(nèi)五株植株掛牌標記，7 d進行一次株高、葉面積及莖粗的測量，現(xiàn)場測量工具分別為皮尺和游標卡尺。用直尺測量各葉片的葉長和最大葉寬，將葉片視作矩形，葉片的計算面積即是葉長與最大葉寬之積。將測量葉片帶回實驗室，用AM-300手持式激光葉面積儀掃描葉片實際面積，對葉片實際面積與計算面積之間的關系進行研究，并對試驗數(shù)據(jù)進行了對比分析。得到葉片實際面積與計算面積之間的計算公式為：y=0.644 9x+9.241 4，相關系數(shù)R2=0.9934，x為茄子葉片實測面積，y為茄子葉片計算面積。

1.2.3 溫室環(huán)境因子的測定

溫室中氣溫、相對空氣濕度采用優(yōu)利德(UNI-T)數(shù)字溫濕度計記錄儲存數(shù)據(jù)(溫度測量精確度±1.0 ℃，濕度測量精確度±2.5%RH)。數(shù)據(jù)記錄儀放置在距離溫室地面1.5 m高度處。地溫采用便攜式電導率測試儀測試。采用CI-340便攜式光合測定儀測定植株上部葉片的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)等光合參數(shù)。每7 d測量一次，選定葉片位于植株頂端第3片葉片，重復測定3次，取其測定平均值。

1.2.4 需水量的計算

水量平衡法是根據(jù)作物根區(qū)內(nèi)水的質(zhì)量守恒來估算作物需水量。該方法簡單易操作，而且還能達到足夠的精度，在作物需水規(guī)律研究中應用廣泛。其表達式為：

ET=M+P+Δw-R±q

(1)

式中：ET為田間蒸散量(即需水量)；M為灌水量，可由水表控制；P為降水量；Δw為根系層內(nèi)儲水量的變化；R為徑流量；q為根系層地下水補給量(向下為正，表示地下水上升補給，向上為負，表示下滲)，以上變量的單位均以mm計。

在日光溫室條件下，降雨量及徑流量均不考慮。對式(1)簡化得：

ET=M+Δw±q

(2)

用土壤含水率表達式(2)，可寫出下式：

(3)

式中：θt2、θt1分別為t2時段土壤含水率和t1時段土壤含水率；γ為計劃濕潤層內(nèi)土壤的干密度，g/cm3；H為土壤計劃濕潤層，cm。

根系層儲水量Δw的變化可通過土壤含水率獲得，此處根系層深度取100 cm，對于單元土體從t1到t2時段根系層內(nèi)水量平衡方程式：

Wt2-Wt1=M-ET±q

(4)

式中：Wt2、Wt1分別為t2時段末土壤水量和t1時段初土壤水量，mm。

1.2.5 根系層下界面水分通量計算

當?shù)叵滤裆钶^淺時，在土壤水勢梯度作用下，地下水與土壤水之間會產(chǎn)生水分交換。當根系層土壤儲水量大于臨界儲水量時，根系層下界面水分通量方向向下，當根系層土壤儲水量小于臨界儲水量時，根系層下界面水分通量方向向上，當根系層土壤儲水量等于臨界儲水量時，通量為零。由于試驗區(qū)在靜海，地下水位埋深在1.5～2 m內(nèi)，需考慮地下水補給量。在國內(nèi)，雷志棟等人(1993年)以分段函數(shù)的形式給出了根系層下界面水分通量q與根系層土壤儲水量w的經(jīng)驗關系。

(5)

式中：W為根系層土壤儲水量；WC為根區(qū)通量變向臨界土壤儲水量(以下簡稱臨界儲水量)；KBU和KBD分別為上補系數(shù)和下滲系數(shù)。

由于孫書洪的試驗條件即土壤條件，地下水條件，氣象條件與本試驗一致。所以根據(jù)孫書洪對于天津市西青區(qū)試驗地的數(shù)據(jù)進行分析得出:KBU=0.006,KBD=0.036；WC=280 mm[14]。

2 結果分析

2.1 日光溫室環(huán)境因子分析

研究茄子生長期內(nèi)典型日(2017-12-19)平均土壤溫度(地表0～5 cm)與日平均氣溫的變化過程，見圖1。白天氣溫明顯高于地溫，夜間氣溫略低于地溫。9∶30-10∶00左右氣溫上升較快，之后超過地溫，13∶00-14∶00氣溫達到峰值之后又迅速回落，在17∶30-18∶00左右氣溫降低到地溫以下，夜間氣溫和地溫保持恒定。其中隨著茄子生育成長，溫室內(nèi)日平均土壤溫度(地面下5 cm處)與日平均氣溫有非常好的線性關系，經(jīng)計算分析得其相關系數(shù)達到0.82以上。并且溫室內(nèi)空氣濕度受到溫室外空氣濕度的影響較小。

圖1 茄子典型日(2017-12-19)土壤溫度(5 cm處)和空氣溫度的日變化過程線Fig.1 Diurnal variation of soil temperature (5 cm) and air temperature on a typical day of eggplant (2017-12-19)

2.2 茄子葉面積指數(shù)隨時間變化規(guī)律

根據(jù)測試結果繪制出茄子葉面積指數(shù)隨時間變化過程線，見圖2。測試時間從定植后15 d開始，即2017年11月8日起始測定葉面積指數(shù)，為0.389，隨后逐漸增大，到2018年1月20日達到最大值為1.068，緊接著開始減小，到2018年3月27日時減小到0.59，在進入到2018年4月7日過程中又呈現(xiàn)上升趨勢。茄子葉面積指數(shù)出現(xiàn)多個減小增大的波動，主要原因是茄子有剪枝的管理措施。

圖2 設施茄子葉面積指數(shù)變化過程線Fig.2 Process line of leaf area index of eggplant in facilities

2.3 茄子生長性狀指標隨時間變化規(guī)律

定植之后的一個月內(nèi)茄子處于緩慢生長階段，株高的變化較為平緩，達到開花坐果期以后，茄子進入到快速生長階段，株高不斷增大，趨勢較陡。直到結果后期，株高不再增長，高度基本穩(wěn)定。茄子生育期內(nèi)葉面積的變化趨勢與株高變化趨勢類似，隨著生長期的延長葉面積值逐漸增加，前期增長速度較快，后期增長速度較慢。茄子莖粗隨其發(fā)育成長而增加，在苗期茄子的生長主要以營養(yǎng)為主，莖粗增長較快。進入開花坐果期后莖粗的增長明顯減慢直至趨于穩(wěn)定。

2.4 茄子測試期間的灌水時間與灌水量

表2給出了茄子測試期間的灌水時間與灌水量。測試期間共210 d，期間灌水12次，灌水間隔13～25 d，共計灌水量510 mm。

表2 茄子生長期灌水時間與灌水量Tab.2 Irrigation time and irrigation volume of eggplant

2.5 茄子需水規(guī)律

圖3給出了茄子試驗測試期間參考作物葉片蒸騰速率的變化過程。由圖3可以看出，日光溫室茄子葉片每天的蒸騰速率隨著植株發(fā)育成長而逐漸增大，苗期變化幅度較小，變化范圍為1.2～3.79 mm/d；開花坐果期變化幅度較大，變化范圍為2.951～6.78 mm/d；結果后期變化幅度又開始變小，變化范圍為2.06～3.44 mm/d。

圖3 茄子葉片蒸騰速率隨時間的變化過程Fig.3 Changes of transpiration rate of eggplant leaves over time

測試茄子生長期內(nèi)各土層土壤含水率，做出土壤含水率變化圖，該試驗研究中采用的是膜下滴灌局部灌溉，設置了膜內(nèi)土壤含水率與膜外土壤含水率變化對照，見圖4。

圖4 茄子溫室滴灌膜內(nèi)膜外土壤含水率比較Fig.4 Comparison of soil moisture content outside the intima of drip film in eggplant greenhouse

由圖4可以看出茄子生育期膜內(nèi)土壤含水率與膜外土壤含水率的相關關系表現(xiàn)為各土層膜內(nèi)土壤含水率均高于膜外。主要原因是膜下滴灌的滴灌帶在膜內(nèi)，從而減少了植株棵間蒸發(fā)。同時隨著深度的增加，膜內(nèi)土壤含水率與膜外土壤含水率的差異也在逐漸變小。

根據(jù)實測的土壤含水率，茄子需水量采用水量平衡方程計算。得到擬合需水量變化，與實測需水量相比較(見圖5)。茄子生育期內(nèi)擬合需水量與實測需水量之間的相關系數(shù)R2=0.824 9，相關性較好。由圖5可以看出，在適宜水分條件下，日光溫室茄子的需水規(guī)律表現(xiàn)為苗期小，最少需水量為0.7 mm/d，進入開花坐果期逐漸增大，到結果盛期最大可達到6.344 mm/d，進入結果后期又開始逐漸減小。

圖5 茄子需水量在生育期內(nèi)變化規(guī)律Fig.5 Variation of water requirement of eggplant during growth period

對茄子需水規(guī)律及其葉片蒸騰速率與之間的關系進行研究，并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析。見圖6，其中茄子需水規(guī)律及其葉片蒸騰速率之間的相關系數(shù)R2=0.838 6。由圖6可知，茄子需水規(guī)律與葉片蒸騰速率變化規(guī)律具有較好的相關性，呈現(xiàn)為苗期小、結果盛期大、后期變小的趨勢。

圖6 茄子需水規(guī)律與葉片蒸騰速率關系圖Fig.6 Relationship between water demand and leaf transpiration rate of eggplant

3 結 語

通過在試驗區(qū)對作物進行試驗及數(shù)據(jù)整理分析后，得出以下結論：

(1)葉片的蒸騰速率隨著植株生育成長而增大，苗期的蒸騰速率較小，最小值為1.2 mm/d ，開花坐果期的蒸騰速率較大，進入結果盛期最大蒸騰速率可達到6.78 mm/d，后期的蒸騰速率又開始變小。

(2)茄子需水規(guī)律在整個生育階段與葉片蒸騰速率變化規(guī)律具有較好的相似性，呈現(xiàn)為苗期小、開花坐果期大、結果盛期達到最大、后期變小的趨勢。其中結果盛期的最大需水量可達到6.344 mm/d，苗期需水量較少，最小值為0.7 mm/d。

(3)茄子生育期內(nèi)各土層膜內(nèi)土壤含水率均高于膜外，覆膜有效抑制了棵間土壤蒸發(fā)，有一定的抑蒸保墑作用。覆膜在一定程度保持土壤水分，是提高水分利用效率的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施。

在實際操作中，葉片蒸騰速率通過CI-340便攜式光合測定儀測定，方便快捷，研究中初步擬定了葉片蒸騰速率與作物需水規(guī)律相關關系，且相關性較好，由此通過葉片蒸騰速率來估算作物需水量，為試驗研究提供了便捷。但是本研究中考慮的因素較少，還需要繼續(xù)優(yōu)化研究。