基于稱重式蒸滲儀的溫室秋茬禮品西瓜 蒸散特征及影響因子

楊 宜，李銀坤，陶虹蓉，郭文忠，李海平，李靈芝

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801； 3.農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)(華北)重點實驗室，北京100097)

0 引 言

近年來，禮品西瓜作為廣受生產(chǎn)者和消費者喜愛的高檔果品種類，在設(shè)施中的栽培面積不斷擴大，但由于灌水和施肥的不合理施用，導(dǎo)致禮品西瓜出現(xiàn)裂瓜、畸形和延遲上市等問題，嚴重制約了禮品西瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。

作物蒸散量又稱需水量，是農(nóng)業(yè)方面最重要的水分消耗途徑，明確作物蒸散規(guī)律是建立合理灌溉制度的前提，對于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有十分重要的意義[2]。稱重式蒸滲儀(Lysimeter)可以直接獲取作物的蒸散量，且測量精度高、數(shù)據(jù)的連續(xù)性好，被廣泛用來研究農(nóng)田水分蒸散特征與作物耗水規(guī)律[3,4]。許高平(2014年)利用稱重式蒸滲儀研究了華北地區(qū)夏玉米的耗水特征，明確了夏玉米的日耗水速率及其與氣象因素的相關(guān)性[5]。張征宇等(2014年)基于蒸滲儀獲取的實測蒸散量數(shù)據(jù)，并分析了冬小麥日蒸散量在全生育季節(jié)內(nèi)的變化特征[6]。但上述研究均是基于稱重式蒸滲儀技術(shù)對大田糧食作物的耗水規(guī)律探討，利用稱重式蒸滲儀研究溫室作物精細蒸散特征的研究則極為少見，且由于溫室內(nèi)環(huán)境的相對密閉性，具有溫濕度高、作物耗水強度大等特點，溫室作物逐時蒸散量與主要環(huán)境因子的動態(tài)變化及其相互關(guān)系尚不明確。因此，本研究以溫室禮品西瓜為研究對象，以直徑20 cm的蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量為灌水依據(jù)，基于稱重式蒸滲儀獲取的蒸散量實測值研究了禮品西瓜精細耗水規(guī)律及其影響因素，為建立溫室禮品西瓜科學(xué)的節(jié)水灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在北京市農(nóng)林科學(xué)院玻璃溫室內(nèi)進行。供試西瓜為小型西瓜，品種為“京秀”。 2017年8月12日選取約3葉1心的西瓜秧苗，移栽4株在稱重式蒸滲儀上。保護行采用畦栽，每畦栽種兩行，株距為0.45 m，行距0.4 m。溫室內(nèi)布置2個直徑為20 cm的蒸發(fā)皿，以每日17∶30測定的水面蒸發(fā)量累積值乘以系數(shù)0.8作為灌水依據(jù)，灌水周期為7～10 d。分別選取2017年9月22日(陰天)和9月23日(晴天)兩個典型天氣分析西瓜的逐時蒸散規(guī)律，兩典型日溫度及生長指標相近。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 蒸散量

稱重式蒸滲儀每h記錄一次土柱重量(分辨率0.01 mm)，蒸散量的計算原理為：

T×A=(Wt-1-Wt)/ρ+I

(1)

式中：T為時間段內(nèi)蒸散量，mm；A為蒸滲儀箱體的表面積，0.6 m2；Wt-1、Wt為t-1時刻和t時刻蒸滲儀箱體內(nèi)土、水的質(zhì)量，g；ρ為水的密度，1 g/cm3；I為時段內(nèi)的灌水量，mm。

1.2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)

利用小型氣象站對溫室內(nèi)平均溫度、相對濕度和太陽輻射等環(huán)境因子進行監(jiān)測，采集間隔為1 d及1 h；在溫室中央位置放置2個20 cm蒸發(fā)皿，取每日17∶30記錄的兩個蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均值為溫室水面蒸發(fā)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)日均溫濕度變化

秋茬禮品西瓜全生育期內(nèi)的平均溫度為22.28 ℃，其中在定植1～38 d(苗期和伸蔓期)內(nèi)的溫度變化相對穩(wěn)定，日均溫度穩(wěn)定在25.61～31.86 ℃，但隨著生育期的進一步延長，日均溫度呈明顯的下降趨勢。溫室內(nèi)相對濕度在西瓜定植后38 d內(nèi)(苗期與伸蔓期)呈小幅下降趨勢，日均相對濕度變化范圍為53.71%～88.10%；在定植33 d后相對濕度又呈逐漸上升趨勢，變化幅度在70.3%～93.3%。

圖1 溫室禮品西瓜全生育期日均溫度及相對濕度變化

2.2 溫室秋茬西瓜逐時蒸散特征分析

晴天時秋茬禮品西瓜在晴天時的逐時蒸散量呈雙峰曲線變化(圖2)，峰值分別出現(xiàn)在11∶00和13∶00，峰值分別達0.14 mm/h和0.20 mm/h，而在00∶00-7∶00以及19∶00-24∶00時段內(nèi)的蒸散量較低，變動幅度小，變化范圍分別只有0.03～0.06 mm/h與0.03～0.07 mm/h。晴天的太陽輻射日變化與蒸散量變化特征相似，但呈單峰曲線，峰值出現(xiàn)在12∶00，峰值之后太陽輻射值下降明顯，18∶00時已低至3.56 W/m2。陰天時禮品西瓜逐時蒸散量與太陽輻射均呈單峰曲線變化(圖2)，峰值均出現(xiàn)在12∶00。峰值之后均呈緩慢下降趨勢，至18∶00時下降至穩(wěn)定狀態(tài)。統(tǒng)計分析表明，晴天與陰天的西瓜日蒸散量均與對應(yīng)的太陽輻射呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系[圖3(a)和圖3(b)]，R2在0.7以上(P<0.01)，說明太陽輻射是影響逐時蒸散量變化的關(guān)鍵因子。

圖2 禮品西瓜不同天氣日蒸散規(guī)律

圖3 禮品西瓜逐時蒸散量與太陽輻射的關(guān)系

2.3 溫室秋茬西瓜全生育期日蒸散動態(tài)分析

圖4為秋茬西瓜全生育期內(nèi)日蒸散量和累積蒸散量的動態(tài)變化。秋茬西瓜日蒸散量的變化幅度為0.41～2.35 mm，并隨著生育期的推進，呈先升高后降低的變化趨勢，其中日蒸散量在定植39 d(開花坐果期)時出現(xiàn)最高值(2.35 mm)，之后日蒸散量呈波動下降趨勢。在定植80 d后，日蒸散量在0.93 mm左右波動。秋茬西瓜全生育期的累積蒸散量呈“S”型變化趨勢，其中在西瓜定植1～31 d(苗期及伸蔓期)內(nèi)的變化相對平緩，而在定植32～80 d(開花坐果期及果實膨大期)內(nèi)的增加幅度較大，從定植81 d時(成熟期)累積蒸散量的增加又趨于平緩。溫室秋茬西瓜在全生育期的累積蒸散量有114.79 mm，平均日蒸散量為1.11 mm。

圖4 溫室西瓜全生育期逐日及累積蒸散量變化

2.4 溫室秋茬西瓜不同生育期蒸散特征分析

溫室秋茬禮品西瓜在果實膨大期的蒸散量最高，然后依次為伸蔓期、開花坐果期、成熟期與苗期。其中開花坐果期的蒸散強度最大，可達1.34 mm/d，該期間的蒸散量可占全生育期蒸散量的37.68%。而果實膨大期與伸蔓期的蒸散量則占到全生育期蒸散量的65%以上。說明果實膨大期與伸蔓期是秋茬西瓜需水的關(guān)鍵階段。西瓜在苗期的蒸散量及占全生育期蒸散量的比例均為最低，平均蒸散強度也只有1.04 mm/d。

表1 西瓜各生育階段蒸散規(guī)律

2.5 溫室西瓜日蒸散量與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

如表2所示，溫室內(nèi)主要環(huán)境因子均與西瓜蒸散量具有顯著的相關(guān)關(guān)系。其中相對濕度與蒸散量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而光合有效輻射、太陽輻射、最高溫度、最低溫度以及平均溫度等均與蒸散量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。在眾多環(huán)境因子中，光合有效輻射、太陽輻射、飽和差、最高溫度和相對濕度與西瓜日蒸散量的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，說明西瓜蒸散量受到上述環(huán)境因子的影響相對較大。

基于SPSS軟件的西瓜蒸散量與各環(huán)境因子的線性逐步回歸分析表明：光合有效輻射、太陽輻射和相對濕度是影響蒸散量最重要的環(huán)境因子。雖然飽和差與西瓜日蒸散量的相關(guān)系數(shù)也高達0.742(表2)，但在逐步回歸中作為非主要變量被剔除，說明其并非影響蒸散量的決定因素。在上述分析的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法建立了基于溫室主要環(huán)境因子(光合有效輻射、太陽輻射和相對濕度)估算秋茬西瓜蒸散量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚公式(2)]：

表2 各氣象因子與西瓜蒸散量的相關(guān)系數(shù)

注：**表示在 0.01 水平上顯著相關(guān)。

ET=0.819+0.016PAR-0.019Rs-0.005Rh

(2)

式中：ET為參考作物蒸散量，mm/d；PAR為光合有效輻射，W/m2；Rs為太陽輻射，W/m2；Rh為相對濕度，%。模型的檢驗結(jié)果如表3所示，其中經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷腞2達0.706，精度較高。

表3 西瓜日蒸散量估算模型檢驗結(jié)果

3 結(jié)果與討論

植株的蒸騰作用受到其自身生長狀況與外界環(huán)境因子共同影響，定量的分析植株全生育期的蒸散規(guī)律，可為指導(dǎo)科學(xué)灌溉提供依據(jù)[7]。在本試驗中，溫室西瓜在苗期和伸蔓期以營養(yǎng)生長為主，且溫室內(nèi)溫度較高，在此階段地表蒸發(fā)以土壤蒸發(fā)為主；到開花結(jié)果期出現(xiàn)了日蒸散量峰值，為2.55 mm/d，此時植株由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向旺盛的生殖生長，西瓜葉面積的快速增長是該時期蒸散量增加的主要原因，鄭健等[8]研究也認為，葉面積指數(shù)與日蒸散量相關(guān)性較高，是表征植株蒸騰速率的重要生理指標，進一步說明了西瓜在開花坐果期出現(xiàn)的需水高峰可能與西瓜的葉面積等生理指標有關(guān)；進入果實膨大期后，溫室內(nèi)溫度持續(xù)降低，此時平均溫度僅有18.29 ℃，比開花坐果期平均溫度(25.53 ℃)低了7.24 ℃，這一時期西瓜的平均蒸散強度對比開花坐果期有所降低，僅為1.08 mm/d，許金香等[9]研究也表明，秋冬茬果菜的日蒸散量呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的變化趨勢，需水量在果實膨大期略低于開花結(jié)果期，溫室內(nèi)較低的平均溫度無法滿足西瓜正常生長，可能是引起日蒸散量逐漸降低的原因。

溫室內(nèi)環(huán)境因子如輻射、溫度、相對濕度等外因決定了作物需水的潛勢，與作物自身的蒸散特性共同影響著作物的蒸散量[10]。本試驗中，太陽輻射及光合有效輻射均與西瓜日蒸散量具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達0.777和0.813，但平均溫度與蒸散量的相關(guān)系數(shù)為僅為0.434，說明溫度因素在本試驗中與蒸散量的相關(guān)性不佳，這與劉浩[11]等和牛勇等[12]研究結(jié)論一致，由于生育后期全天溫差較大，以日為尺度較難體現(xiàn)后期溫度大幅度變化情況，可能會在計算時造成一定程度的誤差。在不同典型天氣條件下(晴天與陰天)，禮品西瓜逐時蒸散量在晴天呈雙峰曲線變化，在陰天時呈單峰曲線變化，西瓜日蒸散量與太陽輻射的變化趨勢一致，峰值出現(xiàn)時間也與基本相同，二者間呈極顯著相關(guān)(R2均大于0.7)，進一步說明了太陽輻射是影響西瓜日蒸散量的關(guān)鍵因子。溫室內(nèi)相對濕度的大小也是影響溫室西瓜需水量的重要因素，寶哲等[13]認為相對濕度是影響小型西瓜蒸散量的決定因子，本試驗通過逐步回歸分析得出，相對濕度與太陽輻射、光合有效輻射共同作為西瓜日蒸散量變化的主控因子，對西瓜日蒸散量的變化起到關(guān)鍵性作用，與寶哲等[13]研究一致。因此，本試驗基于光合有效輻射、太陽輻射和相對濕度建立了西瓜日蒸散量經(jīng)驗?zāi)Ｐ?R2達0.706)，可用于秋茬禮品西瓜日蒸散量的估算。