青菜栽培盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)含水量的相關(guān)關(guān)系研究

李梅玲，張凱，尹彥霞，黃丹楓

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，200240）

青菜屬十字花科蕓薹屬蕓薹種白菜亞種[Brassica campestris ssp.Chinensis （L.）]，原產(chǎn)于中國(guó)，又稱(chēng)小白菜、不結(jié)球白菜等，其質(zhì)地鮮嫩、營(yíng)養(yǎng)豐富，在蔬菜消費(fèi)中占有重要地位[1]。青菜種植耗水量大，而水資源短缺是一個(gè)全球性的問(wèn)題[2]，因此實(shí)現(xiàn)水分低消耗、蔬菜高產(chǎn)出是人們渴望的最終目標(biāo)[3]。

影響蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的因素眾多，土壤（基質(zhì)）水分狀況是影響植物氣體交換、植物蒸騰速率和水分利用率的重要環(huán)境指標(biāo)[4～6]。合理的基質(zhì)含水量不僅可節(jié)約水資源，還可以提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量；栽培氣候也通過(guò)影響基質(zhì)含水量變化間接影響作物生長(zhǎng)狀況。Doria等[7]研究發(fā)現(xiàn)，栽培地氣候波動(dòng)導(dǎo)致蒸騰蒸發(fā)量的變化影響作物對(duì)灌溉的需求，從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育?；艉Ｏ嫉萚8]指出，環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致水分對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響，往往與施肥、溫度、空氣濕度、光照等栽培條件有關(guān)，Nazeer等[9]在小麥對(duì)高溫和滲透壓下的反應(yīng)一文中提到，溫度過(guò)高導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)增多，加劇干旱，從而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，因此，研究灌溉對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響不能脫離一定的環(huán)境條件。

我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中水分管理缺乏科學(xué)的量化指標(biāo)，依靠豐水高產(chǎn)型的經(jīng)驗(yàn)灌溉，水分管理比較粗放[10]。精準(zhǔn)灌溉作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，不僅保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且最大限度地優(yōu)化灌溉水用量，以獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益[11]。近年來(lái)智能精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究頗多，很多技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如智能化精準(zhǔn)化灌溉設(shè)備[12]、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)[13]、物聯(lián)網(wǎng)與 ZigBee 技術(shù)[14]等，以上技術(shù)僅依據(jù)監(jiān)測(cè)基質(zhì)（土壤）濕度通過(guò)計(jì)算機(jī)指導(dǎo)灌溉，很少將基質(zhì)濕度與穴盤(pán)質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)綜合起來(lái)指導(dǎo)灌溉，其不足在于土壤（基質(zhì)）濕度探頭不穩(wěn)定、穴盤(pán)孔穴深度不夠、穴盤(pán)各穴孔間差異大等，影響灌溉效果，因此，利用盤(pán)質(zhì)量輔助或代替基質(zhì)濕度傳感器監(jiān)測(cè)基質(zhì)含水量，有可能更加精確、方便地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。本試驗(yàn)分別從基質(zhì)水分、氣候兩方面探究盤(pán)質(zhì)量對(duì)小青菜生長(zhǎng)的直接、間接影響，旨在建立盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)含水量的相關(guān)關(guān)系，指導(dǎo)灌溉指標(biāo)的確定，為精準(zhǔn)灌溉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)管理

試驗(yàn)于2012年11月5～26日在上海浦東新區(qū)大團(tuán)鎮(zhèn)多利農(nóng)莊1號(hào)溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室水分、溫度、光照及生產(chǎn)管理均與1號(hào)棚內(nèi)一致。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)大氣濕度波動(dòng)幅度較大，白天最低濕度50%以上，晚上接近100%。陰雨天大氣濕度波動(dòng)較小，但濕度持續(xù)過(guò)高，且光照較弱。大氣溫度與基質(zhì)溫度之間呈現(xiàn)規(guī)律的周期性變化。整個(gè)生長(zhǎng)期白天溫度在13～23℃，夜晚溫度在8～18℃。大氣溫度早晚溫差在0.2～12.4℃，基質(zhì)溫度早晚溫差在5～14℃。管理采用有機(jī)基質(zhì)栽培，在小青菜生長(zhǎng)期間不施用化肥和營(yíng)養(yǎng)液，只適當(dāng)補(bǔ)充水分。

1.2 供試材料

試驗(yàn)材料為小青菜，供試品種為青陽(yáng)，采用200孔穴盤(pán)進(jìn)行機(jī)器播種。育苗基質(zhì)為園欣牌育苗基質(zhì)，其養(yǎng)分配比為泥炭∶珍珠巖∶園藝蛭石=1∶1∶1（體積比），有機(jī)質(zhì)含量50%，pH值5.6～6.5，腐殖質(zhì)含量35%，N、P、K含量3%。有機(jī)肥占15%（質(zhì)量比），其養(yǎng)分配比為有機(jī)質(zhì)含量5%，N、P、K含量6%，有益菌含量5億/g。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)播種穴盤(pán)和未播種穴盤(pán)2個(gè)處理，4個(gè)區(qū)組 （按照溫室位置從南到北依次分為N1、N2、N3、N4）。在播種穴盤(pán)和未播種穴盤(pán)內(nèi)分別固定插入一個(gè)土壤水分傳感器。將溫度傳感器插入播種穴盤(pán)監(jiān)測(cè)基質(zhì)溫度，將農(nóng)用通設(shè)定為30 min導(dǎo)出一次環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化。農(nóng)用通是北京旗碩科技公司研發(fā)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可自動(dòng)采集溫度、濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)能借助電腦或手機(jī)了解現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定與方法

盤(pán)質(zhì)量每天7：30和16：30測(cè)定，基質(zhì)濕度、大氣濕度、基質(zhì)溫度、大氣溫度、光照強(qiáng)度采用農(nóng)用通自動(dòng)監(jiān)測(cè)，每隔30min獲得一次數(shù)據(jù)?；|(zhì)含水量分別由基質(zhì)相對(duì)水分含量和基質(zhì)濕度表征，其測(cè)定方法不同，基質(zhì)相對(duì)水分含量采用烘干法測(cè)定[15]，為質(zhì)量比；基質(zhì)相對(duì)濕度由農(nóng)用通監(jiān)測(cè)，為體積比。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SAS 9.1.3 Portable、WPS表格軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 盤(pán)質(zhì)量的日變化

圖1-A可看出，整體上盤(pán)質(zhì)量降低的趨勢(shì)是晴天大于陰雨天，由圖1-B可更直觀地看出，12：00～14：00時(shí)段晴天與陰雨天盤(pán)質(zhì)量減少量差異最大，這是由于此時(shí)段晴天光照和溫度最強(qiáng)烈，蒸騰、蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，故盤(pán)質(zhì)量減少量最大。圖1-B中14：00～16：00時(shí)段晴天、陰雨天盤(pán)質(zhì)量減少量相同，其原因可能是晴天此時(shí)段室外光照降低，由于溫室位置下午光照無(wú)法輻射至試驗(yàn)區(qū)，導(dǎo)致蒸騰蒸發(fā)量減少，而陰天雖然光照較弱，但密閉環(huán)境下溫室內(nèi)溫度積聚導(dǎo)致溫室內(nèi)溫度未明顯降低，故出現(xiàn)兩者盤(pán)質(zhì)量減少量無(wú)差異情況。本試驗(yàn)結(jié)果表明，晴天、陰雨天白天盤(pán)質(zhì)量減少量總和分別為0.148、0.082 kg，晴天蒸騰蒸發(fā)量是陰天的1.8倍。

圖1 晴天、陰雨天盤(pán)質(zhì)量日變化規(guī)律及盤(pán)質(zhì)量減少量對(duì)比

2.2 基質(zhì)相對(duì)濕度日變化

從圖2中可看出，陰雨天基質(zhì)相對(duì)濕度是一條趨于平行于坐標(biāo)橫軸的直線，基質(zhì)相對(duì)濕度降低極緩慢，而晴天基質(zhì)相對(duì)濕度降低極顯著。結(jié)合圖1可以看出，晴天、陰雨天基質(zhì)含水量變化差異很大，因此在工廠化生產(chǎn)中其灌溉方式應(yīng)分別對(duì)待，以適應(yīng)作物生長(zhǎng)需求。徐磊等[1]認(rèn)為，晴天基質(zhì)中含水量要高于陰天，有利于植物生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累，陰天弱光下基質(zhì)含水量較高會(huì)導(dǎo)致植株徒長(zhǎng)形成弱苗，影響蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)，因此，合理控制基質(zhì)含水量對(duì)增產(chǎn)增收意義重大。

2.3 盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量相關(guān)關(guān)系

圖3-A中播種處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量間線性相關(guān)系數(shù)為0.821 9，圖3-B中未播種處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量線性相關(guān)系數(shù)為0.985 5，遠(yuǎn)大于0.70[16]，結(jié)果顯示，兩處理盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量間存在極顯著線性相關(guān)，說(shuō)明盤(pán)質(zhì)量能夠反映基質(zhì)相對(duì)水分含量的變化，從而指導(dǎo)灌溉。對(duì)比圖3-A與圖3-B相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，播種穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量線性相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)低于未播種穴盤(pán)，說(shuō)明除操作繁瑣外，采用烘干法測(cè)得基質(zhì)水分含量時(shí)基質(zhì)中植物殘留物對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響不容忽視。

2.4 盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度相關(guān)關(guān)系

圖4-A中播種處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度之間線性相關(guān)系數(shù)為0.977 3，圖4-B中盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.977 7，遠(yuǎn)大于0.70[16，兩處理穴盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度之間均具有極顯著線性相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明用盤(pán)質(zhì)量能夠反映基質(zhì)相對(duì)濕度的變化，進(jìn)而指導(dǎo)灌溉。圖4-A、圖4-B相關(guān)系數(shù)一致，說(shuō)明基質(zhì)中殘留的植物成分對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響可以忽略。

圖3 盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量間的相關(guān)關(guān)系

2.5 蒸發(fā)、蒸騰量與穴盤(pán)質(zhì)量的相互關(guān)系

由圖5-A可看出，播種穴盤(pán)質(zhì)量的減少量大于未播種穴盤(pán)，這是由于播種穴盤(pán)中植物蒸騰作用所造成的；但兩者無(wú)差異顯著性（p=0.189 5）。圖5-B結(jié)果顯示，晴天、陰天盤(pán)質(zhì)量減少量差異極顯著（p=0.001），晴天盤(pán)質(zhì)量減少量為陰雨天的2～8倍，晴天植物蒸騰和基質(zhì)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于陰雨天，故在生產(chǎn)中，天氣變化時(shí)灌溉措施也應(yīng)分別調(diào)整，以適應(yīng)植物生長(zhǎng)需求。圖5-C和圖5-D分別為隨機(jī)一個(gè)陰雨天及晴天盤(pán)質(zhì)量減少量對(duì)比，分析結(jié)果顯示，無(wú)論陰天（p=0.342 2）還是晴天（p=0.547 1）4 個(gè)區(qū)組盤(pán)質(zhì)量減少量無(wú)顯著性差異，這說(shuō)明在溫室條件下，不同區(qū)組穴盤(pán)質(zhì)量減少量無(wú)顯著性差異，但相同區(qū)組內(nèi)，晴天、陰天盤(pán)質(zhì)量減少量差異極顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)含水量相關(guān)性分析

圖3分析結(jié)果顯示，盤(pán)質(zhì)量與其基質(zhì)水分含量之間有極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，可以用盤(pán)質(zhì)量反映基質(zhì)含水量的變化。基質(zhì)水分含量由烘干法測(cè)定，該方法相對(duì)較精確，但烘干法測(cè)定基質(zhì)含水量不僅操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)指導(dǎo)灌溉，而且在采樣過(guò)程中基質(zhì)中會(huì)因殘留一部分植物根系而影響測(cè)定結(jié)果。圖3分析顯示，播種盤(pán)質(zhì)量及未播種盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)水分含量相關(guān)系數(shù)差異較大，說(shuō)明在操作過(guò)程中殘留根系導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果存在較大的試驗(yàn)誤差，故綜合以上因素烘干法測(cè)基質(zhì)相對(duì)含水量并不是指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉最佳方法。

圖4分析結(jié)果顯示，無(wú)論是播種穴盤(pán)還是未播種穴盤(pán)質(zhì)量與其基質(zhì)相對(duì)濕度間均有極強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，可用盤(pán)質(zhì)量反應(yīng)基質(zhì)濕度的變化?；|(zhì)相對(duì)濕度由農(nóng)用通測(cè)定，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基質(zhì)相對(duì)濕度的變化，而且基質(zhì)相對(duì)濕度與基質(zhì)水分含量具有線性關(guān)系，準(zhǔn)確性可靠。以下分別為播種處理（Y1）及未播種處理（Y2）基質(zhì)相對(duì)濕度與基質(zhì)水分含量之間的關(guān)系，

圖4 盤(pán)質(zhì)量與基質(zhì)相對(duì)濕度間的相關(guān)關(guān)系

工廠化灌溉生產(chǎn)蔬菜是一個(gè)資本密集型的產(chǎn)業(yè)[17]，相對(duì)于基質(zhì)水分含量的測(cè)定，采用農(nóng)用通測(cè)定基質(zhì)相對(duì)濕度具有快捷方便并可遠(yuǎn)程操作的優(yōu)點(diǎn)，更加適于工廠化生產(chǎn)的灌溉管理。然而，農(nóng)用通濕度傳感器定點(diǎn)測(cè)定基質(zhì)相對(duì)濕度代表性不強(qiáng)且價(jià)格昂貴，大面積工廠化栽培中單純依靠農(nóng)用通指示基質(zhì)含水量需要多個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，成本太高。以上分析表明盤(pán)質(zhì)量可作為指導(dǎo)灌溉的指標(biāo)之一，結(jié)合盤(pán)質(zhì)量變化和基質(zhì)濕度變化作為灌溉的理論依據(jù)不僅能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)灌溉管理，同時(shí)還能減少濕度傳感器的應(yīng)用使之更廣泛地應(yīng)用在不同生長(zhǎng)期、作物、季節(jié)等栽培管理中。

3.2 盤(pán)質(zhì)量標(biāo)定方法的優(yōu)化

圖5-C和圖5-D分析了播種和未播種處理間盤(pán)質(zhì)量減少量的差異顯著性，結(jié)果顯示，無(wú)論是晴天還是陰天區(qū)組間盤(pán)質(zhì)量減少量均無(wú)顯著性差異，可不分位置統(tǒng)一灌溉量管理。有3種情況會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)果，第一種情況是從南到北溫室中光照強(qiáng)度無(wú)顯著性差異，穴盤(pán)及基質(zhì)的蒸騰蒸發(fā)量（ET）差異不明顯，可造成以上結(jié)果[18]；第二種情況是4個(gè)區(qū)組光照差異顯著，即苗床從南到北光照強(qiáng)度逐漸降低，ET逐漸降低，植物生長(zhǎng)量逐漸降低，故盤(pán)質(zhì)量減少無(wú)顯著差異；第三種情況是忽略光照強(qiáng)度變化對(duì)ET和生長(zhǎng)量的影響。人工灌溉如果南北不均也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，人工灌溉不均勻?qū)е禄|(zhì)含水量差異巨大，影響植物生長(zhǎng)，而工廠化生產(chǎn)采用機(jī)械灌溉相對(duì)人工灌溉更加均勻、統(tǒng)一，章鷗等[19]在研究不同基質(zhì)含水量對(duì)花椰菜工廠化育苗的影響中采用自走式移動(dòng)噴灌機(jī)進(jìn)行灌溉，從而控制灌溉量和盤(pán)質(zhì)量。在工廠化栽培中采用稱(chēng)重法測(cè)盤(pán)質(zhì)量或盆質(zhì)量作為灌溉指標(biāo)的研究也越來(lái)越廣泛[20，21]。本試驗(yàn)在王淑琴等[20]的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)盤(pán)質(zhì)量不僅與基質(zhì)水分含量具有極顯著的線性關(guān)系，還與基質(zhì)相對(duì)濕度具有極顯著的線性關(guān)系。盤(pán)質(zhì)量作為灌溉指標(biāo)操作復(fù)雜，以基質(zhì)相對(duì)濕度變化反映盤(pán)質(zhì)量變化可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的指導(dǎo)灌溉，可作為指導(dǎo)灌溉的輔助措施。另外，大面積工廠化栽培中基質(zhì)相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)成本過(guò)高，因此要實(shí)現(xiàn)工廠化栽培的節(jié)約化、精準(zhǔn)化還需要更進(jìn)一步的研究，如利用機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)植物葉片顏色、葉片開(kāi)展度、葉片溫度等指導(dǎo)灌溉，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還需要大量的研究工作。

圖5 穴盤(pán)質(zhì)量日減少量對(duì)比

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