供氮質(zhì)量濃度對(duì)水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗影響模擬研究

王利春，郭文忠，李友麗，寧松瑞，李銀坤，魏曉明

供氮質(zhì)量濃度對(duì)水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗影響模擬研究

王利春1，郭文忠1，李友麗1，寧松瑞2*，李銀坤1，魏曉明1

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100093；2.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

【】探明供氮質(zhì)量濃度對(duì)封閉式水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量的影響規(guī)律，構(gòu)建考慮供氮質(zhì)量濃度及氣象信息的水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量模型。以“富蘭德里”奶油生菜為供試作物，設(shè)置5個(gè)營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度（12.25、24.5、49、98、196 mg/L）處理，開展了2茬水培試驗(yàn)，測(cè)定了溫室內(nèi)氣象信息、生菜的葉面積指數(shù)（）和營(yíng)養(yǎng)液累積消耗量。水培生菜的營(yíng)養(yǎng)液累積消耗量和均隨著供氮質(zhì)量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，生菜與營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度呈二次曲線關(guān)系，建立了考慮營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度影響的生菜變化模型。模型驗(yàn)證結(jié)果表明，營(yíng)養(yǎng)液不同供氮質(zhì)量濃度處理的生菜模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了考慮營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度及氣象信息的水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量模型。利用構(gòu)建的營(yíng)養(yǎng)液消耗量模型對(duì)不同供氮質(zhì)量濃度處理的水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量進(jìn)行模擬，模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

水培；營(yíng)養(yǎng)液消耗量；葉面積指數(shù)；營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度；生菜

0 引言

【研究意義】水培（營(yíng)養(yǎng)液栽培）通過將植物根系直接浸沒在營(yíng)養(yǎng)液中，使作物擺脫了對(duì)土壤的依賴，減少了土傳性病蟲害的發(fā)生，節(jié)省了勞動(dòng)力且經(jīng)濟(jì)效益較高，目前已發(fā)展為蔬菜工廠化設(shè)施栽培的主要模式[1]。在水培模式下，營(yíng)養(yǎng)液提供了作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的水分和養(yǎng)分，還為作物根系生長(zhǎng)提供了空間。營(yíng)養(yǎng)液管理是水培技術(shù)的核心之一，也是影響作物產(chǎn)量及品質(zhì)的重要因素[2-3]。在商業(yè)化水培作物生產(chǎn)中，依據(jù)作物的水肥需求規(guī)律進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液的科學(xué)管理，對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高水肥利用效率及經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[4-5]。

【研究進(jìn)展】水培條件下，營(yíng)養(yǎng)液在較為封閉的介質(zhì)/環(huán)境中循環(huán)流動(dòng)，營(yíng)養(yǎng)液的消耗主要經(jīng)根系吸收進(jìn)入植物體內(nèi)，并通過葉片氣孔的蒸騰作用散失到空氣中，因此常將蒸騰量近似為作物營(yíng)養(yǎng)液消耗量[6-8]。準(zhǔn)確表征作物營(yíng)養(yǎng)液消耗規(guī)律，可為營(yíng)養(yǎng)液管理方案的制定提供支持，也可為營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分變化規(guī)律的定量表征提供理論基礎(chǔ)。水培條件下，作物的營(yíng)養(yǎng)液消耗量可通過傳感器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但傳感器的精度、昂貴的成本與場(chǎng)地條件等限制因素使得這種方法在生產(chǎn)實(shí)際中的推廣難度較大[9]。近年來，構(gòu)建及應(yīng)用數(shù)學(xué)模型量化作物營(yíng)養(yǎng)液消耗特征已成為設(shè)施作物栽培領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[10-11]。一些研究認(rèn)為設(shè)施栽培條件下的作物生長(zhǎng)過程主要受溫室內(nèi)的氣象因素（氣溫、相對(duì)濕度、太陽輻射等）影響，因此大多采用基于氣象資料的Penman公式等計(jì)算水培作物的營(yíng)養(yǎng)液消耗特征[11-12]。張大龍等[13]通過回歸方法建立以空氣溫度、相對(duì)濕度、光輻射為變量的作物營(yíng)養(yǎng)液消耗量預(yù)測(cè)模型。Adeyemi等[14]建立了以輻射和飽和水汽壓差為輸入變量的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量模擬模型。閆浩芳等[15]基于熱傳輸系數(shù)算法對(duì)Penman公式進(jìn)行修正，構(gòu)建了Venlo型溫室的黃瓜營(yíng)養(yǎng)液消耗模型。范金杰等[16]研究了大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)升高對(duì)水培小麥營(yíng)養(yǎng)液消耗的影響。另一些研究發(fā)現(xiàn)水培條件下，作物的生長(zhǎng)及耗水過程不僅受溫室小氣候的影響，還受到營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度影響[17-18]。因此，利用數(shù)學(xué)模型表征水培作物營(yíng)養(yǎng)液消耗過程，在考慮氣象因素的同時(shí)也需考慮營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度的影響。如果忽略供氮質(zhì)量濃度對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)液消耗的影響，則會(huì)給氮虧缺或氮過量條件下的作物營(yíng)養(yǎng)液消耗模擬帶來較大誤差。

【切入點(diǎn)】氮素對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量有重要作用，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度較低時(shí)，作物生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，作物的蒸騰作用也會(huì)受到供氮水平的影響[19]。因此綜合考慮供氮質(zhì)量濃度和溫室環(huán)境因素影響的水培作物營(yíng)養(yǎng)液消耗模型有利于豐富、完善設(shè)施作物營(yíng)養(yǎng)液消耗理論。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以水培生菜為研究對(duì)象，研究供氮質(zhì)量濃度對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗特征的影響，構(gòu)建水培生菜的營(yíng)養(yǎng)液消耗量模型，量化營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗規(guī)律的影響，為制定合理的營(yíng)養(yǎng)液管理策略、實(shí)現(xiàn)水培蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 生菜水培試驗(yàn)

試驗(yàn)于2019年3—5月在北京市農(nóng)林科學(xué)院北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心葉菜營(yíng)養(yǎng)液栽培專用玻璃溫室（116.29°E，39.94°N，海拔56 m）進(jìn)行。溫室安裝有通風(fēng)降溫系統(tǒng)，在高溫時(shí)開啟，對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。水培系統(tǒng)由封閉式栽培槽、定植板、營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)液桶組成；其中，封閉式栽培槽尺寸為195 cm×60 cm×8 cm，約盛放營(yíng)養(yǎng)液40 L；栽培槽的進(jìn)液口和回液口通過管道與營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)液桶相連接，回液口距槽底4.5 cm；儲(chǔ)液桶體積為60 L，放置在栽培槽下方；循環(huán)水泵放置在營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)液桶中，與栽培槽進(jìn)液口的管道相連接，用于將營(yíng)養(yǎng)液泵入栽培槽中，營(yíng)養(yǎng)液從栽培槽的出液口溢出后，通過管道回流到營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)液桶中，形成閉路循環(huán)；定植板放置在栽培槽上方，上面均勻布滿52個(gè)直徑3 cm的圓孔，每個(gè)圓孔定植1棵生菜，株間距和行間距均為15 cm。

以“富蘭德里”奶油生菜為供試材料，采用育苗移栽的方式，共開展了2茬栽培試驗(yàn)。第1茬栽培試驗(yàn)于3月25日將苗齡30 d的生菜移栽至水培系統(tǒng)中，于4月17日完成采收。第2茬于4月22日將苗齡30 d的生菜移栽至水培系統(tǒng)中，于5月20日完成采收。營(yíng)養(yǎng)液的氮質(zhì)量濃度共設(shè)置5個(gè)處理：12.25、24.5、49、98、196 mg/L，分別記為T1、T2、T3、T4（作為對(duì)照，養(yǎng)分質(zhì)量濃度與霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配方質(zhì)量濃度一致）、T5，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。各處理除氮、硫外（低氮處理用硫酸鉀作為鉀肥來源），其他元素質(zhì)量濃度參照霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配方設(shè)置在同一水平，見表1。各處理的營(yíng)養(yǎng)液微量元素采用通用配方（mg/L）：EDTA-2NaFe: 20，MnSO4.1H2O: 1.61，ZnSO4: 0.22，CuSO4: 0.08，H3BO3: 2.86，(NH4)6Mo7O24.4H2O: 0.02。蔬菜生長(zhǎng)過程中，每隔5 d用5%的硫酸或氫氧化鈉溶液將營(yíng)養(yǎng)液pH值調(diào)至6.0±0.2。配制營(yíng)養(yǎng)液的水源為RO反滲透水。

表1 各處理營(yíng)養(yǎng)液中大量元素配方

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

生菜定植后，各采樣周期（每隔4 d）從各處理隨機(jī)選取3株生菜，用葉面積儀（LI-COR Inc.，Lincoln, Nebraska, USA）測(cè)定各處理的葉面積，用于計(jì)算葉面積指數(shù)（）。每個(gè)處理選取1個(gè)營(yíng)養(yǎng)液桶，安裝液位傳感器（CTD-10, Decagon DevicesInc., Pullman, WA, USA）記錄營(yíng)養(yǎng)液桶中的液位動(dòng)態(tài)，同時(shí)根據(jù)標(biāo)定的營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)液桶中水位與營(yíng)養(yǎng)液體積之間關(guān)系計(jì)算生菜的營(yíng)養(yǎng)液消耗量。

1.3 水培生菜的營(yíng)養(yǎng)液消耗量模型

考慮溫室內(nèi)環(huán)境對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗的影響，利用溫室內(nèi)氣象站（Campbell Scientific, Inc., USA）采集氣象信息（氣溫、相對(duì)濕度等）通過修正的Penman公式將營(yíng)養(yǎng)液消耗量[11,20-21]可表征為：

式中：0為溫室內(nèi)的參考作物蒸散量（mm/d）；Δ為飽和水汽壓?溫度曲線的斜率（kPa/℃）；n為冠層上方凈輻射（MJ/(m2·d)）；為土壤熱通量（MJ/(m2·d)）；為干濕表常數(shù)（kPa/℃）；mean為日均氣溫（℃）；s為飽和水汽壓（kPa）；a為實(shí)際水汽壓（kPa）。

式中：為營(yíng)養(yǎng)液消耗量（mm/d）；a為生菜的潛在營(yíng)養(yǎng)液消耗量（mm/d）；c為作物系數(shù)，與作物種類、生育期、種植方式和水肥管理等因素有關(guān)，采用FAO推薦的c值會(huì)帶來較大誤差[11]。采用綜合反映作物實(shí)際生長(zhǎng)狀況的葉面積指數(shù)（）來修正c[22]：

式中：、分別為待擬合的常數(shù)。

學(xué)者們通過數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確刻畫了作物的變化過程[23]。由于本試驗(yàn)中的生菜生長(zhǎng)期較短（24～29 d）且?guī)缀跻恢碧幱诳焖偕L(zhǎng)狀態(tài)，因此，選用線性模型描述生菜生長(zhǎng)過程[4]：

式中：、為待優(yōu)化參數(shù)；0為移栽定植時(shí)生菜的葉面積指數(shù)；為植物移栽定植后的生長(zhǎng)度日（植物生長(zhǎng)期的累計(jì)熱量，℃），可通過定植后的日最高溫度和最低溫度（max和min，℃）和基點(diǎn)溫度（b，生菜b為4.0 ℃）進(jìn)行計(jì)算[24]：

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理由Excel 2016軟件完成。選用相對(duì)誤差（）、決定系數(shù)（2）、均方根差（）和標(biāo)準(zhǔn)均方根差（）來評(píng)估數(shù)學(xué)模型的精度[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水培生菜的營(yíng)養(yǎng)液消耗特征

第1茬試驗(yàn)（年積日DOY 86～107）和第2茬（DOY 121～140）試驗(yàn)期間，溫室的日最低溫度與日最高溫度、相對(duì)濕度、太陽輻射（圖1）的平均值分別為10.70 ℃、34.23 ℃、31.46%、78.43 W/(m2?s)和16.96 ℃、31.14 ℃、58.49%、67.84 W/(m2?s)。第2茬試驗(yàn)期間溫室內(nèi)的日最高溫度和輻射的平均值略低于第1茬試驗(yàn)的原因可能是：第2茬試驗(yàn)在氣溫較高的5月開展，且在高溫時(shí)段啟用了溫室的遮陰網(wǎng)及降溫系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)期間溫室內(nèi)的氣象資料

采用修正的Penman公式計(jì)算溫室內(nèi)逐日的參考作物蒸散量（0）見圖1（b）。第1茬試驗(yàn)期間的0為1.83～3.36 mm/d，平均值為2.74 mm/d；第2茬試驗(yàn)期間的0為1.32～3.74 mm/d，平均值為2.61 mm/d。第2茬試驗(yàn)期間的0小于第1茬試驗(yàn)期間的0可能與5月溫室內(nèi)頻繁開啟遮陰網(wǎng)及降溫系統(tǒng)等有關(guān)。

水培條件下，不同供氮質(zhì)量濃度處理的生菜累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量如圖2（a）所示。隨著生菜的快速生長(zhǎng)，不同供氮質(zhì)量濃度處理之間的生菜累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量的差異逐漸增大（<0.05）。生菜的累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量隨營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度（N）的增加總體呈先增大后降低的趨勢(shì)。以第1茬試驗(yàn)生菜移栽定植后20 d（20 DAT）為例，T1、T2、T3、T4、T5處理的生菜累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量分別為24.69、37.31、46.01、50.79和36.36 mm；說明水培的N若低于T4處理（<98 mg/L）時(shí)，可通過增加供氮質(zhì)量濃度來顯著提高生菜的營(yíng)養(yǎng)液消耗量（<0.05），氮質(zhì)量濃度過高（N>98 mg/L）則會(huì)抑制生菜的營(yíng)養(yǎng)液消耗過程。

圖2 不同供氮質(zhì)量濃度處理下的生菜累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量

2.2 供氮質(zhì)量濃度對(duì)生菜葉面積指數(shù)的影響

試驗(yàn)期間營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度處理下生菜的生長(zhǎng)過程如圖3所示。T1處理生菜的增長(zhǎng)較為緩慢，可能是生菜生長(zhǎng)過程中受到明顯的氮脅迫。T2—T5處理生菜均隨著移栽天數(shù)的增加而增大。

圖3 不同供氮質(zhì)量濃度處理下的生菜葉面積指數(shù)（LAI）

與生菜的累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量特征類似，生菜的隨著N的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。以第1茬試驗(yàn)生菜移栽后15 d（15 DAT）為例：T1、T2、T3、T4、T5處理的生菜平均值分別為1.46、3.70、4.54、5.41和4.64；與對(duì)照（T4）相比，T1、T2、T3處理和T5處理的生菜平均值分別下降了73.04%、31.65%、16.03%和17.64%。說明水培N顯著影響生菜增長(zhǎng)（<0.05）；根據(jù)式（2）和式（3）可知，不同供氮質(zhì)量濃度處理下生菜的c也將隨之產(chǎn)生顯著性差異（<0.05）。顯然，若不考慮營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度的影響，通過式（1）—式（4）直接計(jì)算將給不同供氮質(zhì)量濃度處理下水培生菜的營(yíng)養(yǎng)液消耗量模擬帶來較大的誤差。不同處理的生菜與營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度之間呈二次函數(shù)關(guān)系（圖4），相應(yīng)的擬合公式及決定系數(shù)（2）見表2。由表2可知，移栽后5、10、15、19 d和24 d時(shí)生菜的實(shí)測(cè)值與公式擬合值之間的2分別為0.40、0.81、0.86、0.85和0.81，總體擬合效果較好。利用移栽后5、10、15、19、24 d時(shí)與N之間擬合公式，可求得生菜葉面積指數(shù)的理論最大值（max）分別為0.93、3.42、5.97、7.61和10.29，其依次對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的營(yíng)養(yǎng)液最優(yōu)供氮質(zhì)量濃度（LM）為87.27、124.15、123.90、123.87 mg/L和123.81 mg/L。移栽后5 d時(shí)的擬合效果不理想，可能是由于水培初期（如生菜移植后5 d），營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度處理對(duì)生菜變化的影響并未顯現(xiàn)，隨著試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，生菜變化對(duì)營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度的響應(yīng)逐步顯現(xiàn)。

為定量表征N對(duì)生菜的影響程度，參照作物鹽分脅迫修正系數(shù)的構(gòu)建方法[25]，將不同供氮質(zhì)量濃度處理的生菜與其max的比值定義為葉面積指數(shù)氮素響應(yīng)因子（）：

不同取樣時(shí)期（移栽后10、15、19 d和24 d）生菜葉面積指數(shù)的氮素響應(yīng)因子（NL）與CN之間關(guān)系如圖5所示。水培生菜NL與CN呈二次函數(shù)關(guān)系（R2=0.82）。

圖5 移栽后各取樣時(shí)期生菜葉面積指數(shù)氮素響應(yīng)因子(NL)與營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度(CN)關(guān)系

在營(yíng)養(yǎng)液最優(yōu)的供氮質(zhì)量濃度條件下，生菜達(dá)到理論最大值（max）。隨著生菜的生長(zhǎng)，max的變化過程可以通過式（4）表示。利用第1茬試驗(yàn)期間的氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）計(jì)算GDD、結(jié)合實(shí)測(cè)的初始0及不同取樣時(shí)刻的max（表2），利用反求方法可估算式（4）中的參數(shù)值，分別為：=0.022、=0.050。根據(jù)式（4）、式（5）和式（6），可構(gòu)建考慮營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度（N）的水培生菜葉面積指數(shù)（）響應(yīng)模型：

結(jié)合第2茬試驗(yàn)期間溫室內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，利用式（7）可對(duì)不同供氮質(zhì)量濃度處理下生菜的進(jìn)行模擬，的模擬值與實(shí)測(cè)值如圖6所示。

圖6 第2茬移栽后各取樣時(shí)期生菜LAI模擬值與實(shí)測(cè)值

各取樣時(shí)期不同供氮質(zhì)量濃度處理生菜的模擬值與實(shí)測(cè)值多集中分布在1∶1線附近，模擬值與實(shí)測(cè)值之間的2為0.92，相應(yīng)的、、值分別為14.62%、0.42和17.69%。說明式（7）的模擬精度較高，可以用于準(zhǔn)確描述水培生菜的對(duì)N的響應(yīng)規(guī)律。

2.3 水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗模型

根據(jù)式（3）、式（4）和式（7），利用第1茬試驗(yàn)期間的生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量和氣象資料對(duì)式（3）中的參數(shù)和進(jìn)行優(yōu)化，得到=0.39、=0.49，建立考慮營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度和氣象信息共同影響的水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗模型。

利用第2茬試驗(yàn)的生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗資料對(duì)所構(gòu)建的營(yíng)養(yǎng)液消耗模型進(jìn)行驗(yàn)證，生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量的模擬值與實(shí)測(cè)值見圖2（b），模型模擬精度的分析結(jié)果如表3所示。

表2 各取樣時(shí)期生菜葉面積指數(shù)（LAI）與營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度（CN）關(guān)系擬合結(jié)果、葉面積指數(shù)理論最大值（LAImax）及對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液最優(yōu)供氮質(zhì)量濃度（CNLM）

表3 第2茬試驗(yàn)生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量的模擬精度分析

第2茬試驗(yàn)期間不同處理生菜的累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量的模擬值與實(shí)測(cè)值之間的<11.54%；介于2.06～3.31 mm之間，除T2處理外，其他4個(gè)處理的均小于15%，生菜累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好。以上結(jié)果表明，本文建立的水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗模型可以較準(zhǔn)確地模擬生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗量對(duì)營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度的響應(yīng)，這為估算水培作物的營(yíng)養(yǎng)液消耗提供了新的計(jì)算方法。

3 討論

封閉式水培條件下，作物生長(zhǎng)過程得到了充足的水分供應(yīng)，作物蒸騰耗水是營(yíng)養(yǎng)液消耗的主要途徑，也是導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)液組分和特性變化的主要因素。此外，營(yíng)養(yǎng)液的供氮質(zhì)量濃度直接影響蔬菜的產(chǎn)量、品質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)液的水肥利用效率[7,26]。研究表明，隨著N的增加，生菜的累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量和均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)N較低（<98 mg/L）時(shí)，生菜的生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)液消耗過程受到影響；當(dāng)N≥98 mg/L時(shí)，生菜的生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)液消耗過程也會(huì)受到抑制。N與生菜的之間呈明顯的二次函數(shù)關(guān)系（圖4），這與孫彭壽等[27]研究結(jié)論基本一致。蘇苑君等[1]發(fā)現(xiàn)水培生菜的產(chǎn)量隨著營(yíng)養(yǎng)液氮質(zhì)量濃度升高呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，喬源等[18]報(bào)道了水培芹菜的鮮質(zhì)量隨著營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度的增加呈先增大后減小的二次拋物線趨勢(shì)。此外，本文通過擬合獲得各取樣時(shí)期生菜葉面積指數(shù)與營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度之間的二次函數(shù)關(guān)系，分別求解不同時(shí)刻生菜葉面積指數(shù)理論最大值max及其對(duì)應(yīng)的最佳供氮質(zhì)量濃度，結(jié)果表明，除DAT5外，其他4個(gè)取樣時(shí)期生菜max對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液最佳供氮質(zhì)量濃度介于123.81～125.15 mg/L，這與賀志文等[28]得到的生菜（品種為洛迦諾）產(chǎn)量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)液最佳供氮質(zhì)量濃度為135.66 mg/L的結(jié)果較為接近。本研究開展的2茬試驗(yàn)中，除氮、硫外，各處理營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分供應(yīng)質(zhì)量濃度在同一水平，各處理營(yíng)養(yǎng)液硫質(zhì)量濃度均不低于營(yíng)養(yǎng)液硫質(zhì)量濃度推薦值（32 mg/L），故各處理生菜不存在除氮元素之外的其他元素脅迫。T1、T2、T3、T4、T5處理在第1茬和第2茬營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率平均值分別為1.13、0.95、0.80、1.30、3.17 mS/cm和1.34、0.98、0.93、1.50、3.38 mS/cm，除T5處理營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率較高外，其余處理生菜的營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率值均處在合理范圍內(nèi)，這也解釋了T5處理生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗受到抑制的原因是由于氮肥投入加大導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率升高，在離子脅迫作用下生菜對(duì)營(yíng)養(yǎng)液吸收過程受到了抑制。

本研究通過引入葉面積指數(shù)氮素響應(yīng)因子以定量表征N對(duì)生菜的影響（式（7）），構(gòu)建了綜合考慮氣象因素和營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度的水培作物營(yíng)養(yǎng)液消耗模型；模型模擬的累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量與實(shí)測(cè)值吻合較好，說明本研究構(gòu)建的水培作物營(yíng)養(yǎng)液消耗模型可以較準(zhǔn)確地模擬不同供氮質(zhì)量濃度處理的生菜累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量。本研究?jī)H考慮營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度和氣象因素對(duì)水培作物營(yíng)養(yǎng)液消耗量的影響，對(duì)于營(yíng)養(yǎng)液中磷、鉀等養(yǎng)分質(zhì)量濃度、以及養(yǎng)分耦合調(diào)控下水培作物的營(yíng)養(yǎng)液消耗模型構(gòu)建及其營(yíng)養(yǎng)液消耗規(guī)律等仍有待于進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

1）水培生菜的累積營(yíng)養(yǎng)液消耗量和葉面積指數(shù)均隨營(yíng)養(yǎng)液供氮質(zhì)量濃度的增加，呈先增后減的趨勢(shì)。

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Simulation Water Consumption of Hydroponic-cultured Lettuce:The Effects of Nitrogen Concentration

WANG Lichun1, GUO Wenzhong1, LI Youli1, NING Songrui2*, LI Yinkun1, WEI Xiaoming1

(1.Beijing Research Centre of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100093, China; 2.State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

【】The objective of this paper is to investigate the influence of nitrogen concentration in nutrient solution on physiological traits of lettuce grown in hydroponic culture.【】The experiment was conducted in a greenhouse, with the Flandria cultivar used as the model plant. We compared five nitrogen concentrations: 12.25, 24.5, 49, 98 and 196 mg/L, each having two replicates. In the experiment, we measured the leaf area index (), accumulated water consumption and the change in meteorologic factors in the greenhouse, from which we derived the relationship between water consumption of the crop and nitrogen concentrations in the solution.【】The accumulated water consumption andboth increased first followed by a decline as the nitrogen concentration increased. The relationships betweenand the nitrogen concentration can be fitted to a quadratic function, and comparison with measured data showed fitting of the model was accurate. The model describing the change in water consumption with nitrogen concentrations also agreed well with experimental data.【】Accumulative water consumption andof the hydroponic-cultured lettuce both increased with nitrogen concentration in the nutrient solution, and the models describing their relationships agreed well with experimental data.

hydroponic culture; water consumption; leaf area index; nitrogen concentration; lettuce

S274.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021230

王利春, 郭文忠, 李友麗, 等. 供氮質(zhì)量濃度對(duì)水培生菜營(yíng)養(yǎng)液消耗影響模擬研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(11): 37-43.

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1672 - 3317（2021）11 - 0037 - 07

2021-06-02

寧夏自治區(qū)重點(diǎn)（重大）研發(fā)專項(xiàng)（2019BBF02010）；“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020YFD1000300）；北京市農(nóng)林科學(xué)院青年基金項(xiàng)目（QNJJ201920）

王利春（1982-），男。副研究員，博士，主要從事設(shè)施作物水肥高效利用技術(shù)研究。E-mail: wanglc@nercita.org.cn

寧松瑞（1985-），男。副教授，博士，主要從事作物水肥高效利用與調(diào)控研究。E-mail: ningsongrui@163.com

責(zé)任編輯：韓 洋