云南高原氣候環(huán)境下冬季娃娃菜的耗水規(guī)律研究

倪匡迪，張劉東，陳 晨，吳歐俁

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 昆明 650051；2.云南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 昆明 650000）

近年來(lái)，云南蔬菜種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，云南蔬菜已經(jīng)進(jìn)入北京、上海、廣州、深圳等全國(guó)150 多個(gè)大中城市及港澳臺(tái)地區(qū)，形成冬早蔬菜供北方、夏秋蔬菜供南方的基本格局[1]。云南省具有特殊的低緯度高原氣候特征，水資源干濕季分布特征明顯，冬季（12—2 月）降雨量很少，約占全年降雨量的4.9%[2]。根據(jù)國(guó)家氣象信息中心-中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)昆明站1980－2017 年的公開(kāi)數(shù)據(jù)，研究地區(qū)冬季（12—2 月）多年平均氣溫9.6 ℃，冬季多年平均日最高氣溫16.5 ℃，在補(bǔ)充灌溉條件下仍能夠進(jìn)行露地經(jīng)濟(jì)作物種植，冬早蔬菜生產(chǎn)具有區(qū)位優(yōu)勢(shì)，研究地區(qū)冬季露地種植經(jīng)濟(jì)作物耗水規(guī)律對(duì)地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于作物耗水規(guī)律的研究主要集中在玉米[3]、水稻[4]、小麥[5-6]、馬鈴薯[7]等主糧作物上，在葉類(lèi)蔬菜方面的研究則主要集中在菠菜[8-9]、白菜[10]等方面。娃娃菜作為云南省主要蔬菜產(chǎn)品之一，目前關(guān)于娃娃菜耗水規(guī)律試驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)在云南乃至全國(guó)都較為少見(jiàn)，特別是關(guān)于冬季種植條件下耗水規(guī)律的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，筆者以娃娃菜作為試驗(yàn)材料，基于云南獨(dú)特的自然氣候條件，進(jìn)行盆栽娃娃菜的耗水規(guī)律研究。通過(guò)設(shè)置不同灌溉處理組研究水分虧缺對(duì)娃娃菜耗水量以及生長(zhǎng)的影響，結(jié)合昆明氣象站氣象數(shù)據(jù)分析充分灌溉條件下娃娃菜的耗水規(guī)律與參考作物需水規(guī)律，以期探討特定氣候和生產(chǎn)條件下的娃娃菜的耗水特征，提高農(nóng)田生產(chǎn)效率。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2021 年11 月至2022 年2 月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)省級(jí)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中心開(kāi)展。試驗(yàn)區(qū)采用地面嵌入式盆栽系統(tǒng)，安裝移動(dòng)式遮雨棚以隔絕降水，試驗(yàn)區(qū)海拔1943 m，屬于北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候。娃娃菜于2021 年11 月27 日移栽，生育期72 d。試驗(yàn)土壤采用滇中地區(qū)常見(jiàn)的紅壤，環(huán)刀法測(cè)定盆內(nèi)土壤田間持水量為36.40%（質(zhì)量含水率），容重為1.1 g·cm-3。試驗(yàn)中使用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心-中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)昆明站的公開(kāi)數(shù)據(jù)，氣象因子統(tǒng)計(jì)如表1 所示，表中生育期以T0 組生長(zhǎng)情況進(jìn)行劃分。

表1 娃娃菜生育期內(nèi)氣象因子統(tǒng)計(jì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以金秋福娃為試材，采用4 葉1 心商品苗，在移栽后10 d 進(jìn)行水分處理。試驗(yàn)盆上徑、下徑、高分別為30.0、27.0、32.4 cm，空盆平均質(zhì)量0.845 kg，每盆移栽量為1 株。為確保娃娃菜幼苗成活及試驗(yàn)處理的一致性，試驗(yàn)處理前保持盆內(nèi)土壤含水率在90%左右的田間持水量，并設(shè)置4 個(gè)備用盆，用于補(bǔ)充娃娃菜移栽過(guò)程中可能發(fā)生死亡的盆栽。試驗(yàn)以娃娃菜水分虧缺程度為試驗(yàn)因素，設(shè)置4 個(gè)處理，每個(gè)處理選取3 盆采用相同灌水方式的娃娃菜進(jìn)行測(cè)量。其中，處理1（T0）全生育期進(jìn)行充分灌溉、處理2（T1）采用相對(duì)含水率80%～90%進(jìn)行灌溉、處理3（T2）采用相對(duì)含水率70%～80%進(jìn)行灌溉、處理4（T3）采用相對(duì)含水率60%～70%進(jìn)行灌溉。每日測(cè)量盆內(nèi)土壤含水率，當(dāng)相對(duì)含水率達(dá)到設(shè)定下限時(shí)開(kāi)始灌水，每個(gè)處理的灌水下限均為設(shè)定含水率的最低值，一次性灌水至設(shè)定上限，每個(gè)處理的灌水上限均為設(shè)定含水率的最高值，并運(yùn)用稱(chēng)質(zhì)量法測(cè)定耗水量。每2 d 運(yùn)用鋼卷尺（精度0.1 cm）測(cè)定娃娃菜的株高和株幅作為生長(zhǎng)生理指標(biāo)，待娃娃菜成熟采摘后，使用電子天平測(cè)量產(chǎn)量指標(biāo)及根系鮮質(zhì)量指標(biāo)。試驗(yàn)選取氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、水汽壓5 個(gè)影響作物需水量的主要?dú)庀笠蜃优c充分灌溉處理下的耗水量（ET）進(jìn)行相關(guān)性分析，得到2 個(gè)變量間的Pearson 相關(guān)系數(shù)，并使用SPSS 軟件運(yùn)用通徑分析[11]研究各個(gè)氣象因子對(duì)充分灌溉處理下冬季種植娃娃菜耗水量的影響并得到直接通徑系數(shù)與間接通徑系數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 耗水量（ET）盆栽試驗(yàn)采用稱(chēng)質(zhì)量法結(jié)合水量平衡方程計(jì)算耗水量（ET），公式如下：

式中：ET為階段作物耗水量（mm）；G1為時(shí)段開(kāi)始時(shí)的盆栽總質(zhì)量（kg）；GM為時(shí)段內(nèi)向盆內(nèi)的灌水量（kg）；GP為時(shí)段內(nèi)落入盆栽中的降雨量（kg）；G2為時(shí)段結(jié)束時(shí)的盆栽總質(zhì)量（kg）；GC時(shí)段內(nèi)盆栽向外排出的水量（kg）；S為盆栽?xún)?nèi)的水平截面積（m2）。由于盆栽試驗(yàn)設(shè)置了遮雨棚，盆栽底部密封，不發(fā)生滲漏現(xiàn)象，因此，GP=0，GC=0。

1.3.2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）參考作物需水

量是指參考作物在供水充足條件下的作物需水量，主要受氣象因素影響，可以普遍應(yīng)用于不同地區(qū)[12]。試驗(yàn)所用氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心-中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)昆明站的公開(kāi)數(shù)據(jù)，使用FAO-56 推薦的Penman-Monteith 公式[12]計(jì)算，該公式的可靠性經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多年研究與實(shí)踐檢驗(yàn)，已經(jīng)成為計(jì)算ET0所采用的公認(rèn)方法，見(jiàn)式（2）。

式中：ET0為參考作物需水量（mm·d-1）；Rn為到達(dá)作物表面的凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；在逐日估算時(shí)，G=0；T為日平均氣溫（℃），按日最高氣溫和日最低氣溫的算術(shù)平均值計(jì)算；u2為2 m 高處的平均風(fēng)速（m·s-1）；es-ea為飽和水氣壓差（kPa）；Δ為飽和水汽壓曲線的傾率（kPa·℃-1）；γ為濕度計(jì)常數(shù)（kPa·℃-1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0 和Excel 2010 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理下單株娃娃菜的耗水情況

由表2 可知，不同處理下娃娃菜移栽后全生育周期的總灌水次數(shù)、總灌水量、總耗水量均表現(xiàn)為T(mén)0＞T1＞T2＞T3，各處理之間總耗水量差異顯著，其中T0 處理總耗水量最高，為154.52 mm，T1 處理次之，為135.33 mm，較T0 低12.42%。

表2 不同處理下娃娃菜全生育期的灌水和耗水情況

將娃娃菜全生育周期劃分為6 個(gè)生長(zhǎng)階段進(jìn)行耗水強(qiáng)度研究，每個(gè)生長(zhǎng)階段12 d，圖1 為各生長(zhǎng)階段不同水分處理下娃娃菜單株階段耗水強(qiáng)度的差異比較。不同處理下各生長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)的生育期和生長(zhǎng)狀態(tài)見(jiàn)表3。全生育期內(nèi)，T0、T1、T2 單株耗水強(qiáng)度均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，T3 處理全生育周期耗水量波動(dòng)幅度較小。在1～12 d，T0 處理耗水強(qiáng)度為1.44 mm·d-1，顯著高于其他處理，T1、T2、T3 之間差異并不顯著；在13～60 d，T0 和T1 處理的耗水強(qiáng)度均顯著高于T2 和T3 處理；在37～48 d，T0 處理耗水強(qiáng)度達(dá)到最高值，為3.31 mm·d-1；在13～60 d，T0 和T1 之間的耗水強(qiáng)度沒(méi)有顯著差異，從第49 天開(kāi)始至生育期結(jié)束，T2 的耗水強(qiáng)度顯著高于T3；從第61 天開(kāi)始至生育期結(jié)束，T0 處理耗水強(qiáng)度再次顯著高于T1，T1 和T2 處理則表現(xiàn)為差異不顯著。由表3 所示，T0、T1 組的娃娃菜生育進(jìn)程基本吻合，而T2、T3 組在蓮座期之后無(wú)法正常進(jìn)入結(jié)球期，表明水分虧缺會(huì)影響娃娃菜的生育進(jìn)程。

表3 不同處理下各生長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)的生育期或生長(zhǎng)狀態(tài)

圖1 不同水分處理下娃娃菜生長(zhǎng)期間耗水強(qiáng)度

2.2 不同水分處理對(duì)娃娃菜生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

通過(guò)對(duì)各處理成熟后的生長(zhǎng)生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析，從表4 可以看出，株高、株幅、單株產(chǎn)量以及平均根系鮮質(zhì)量4 個(gè)指標(biāo)，T0 與T1 均無(wú)顯著差異，各組的差異性表現(xiàn)為T(mén)0、T1＞T2＞T3；T0、T1 處理下娃娃菜的單株產(chǎn)量最高，分別為237.20、210.13 g，T2 處理次之，為92.63 g；T3 組的單株產(chǎn)量最低，為30.93 g，T2、T3 處理產(chǎn)量相比T0處理下降了60.95%～86.96%。

表4 不同處理下娃娃菜生長(zhǎng)生產(chǎn)指標(biāo)

由圖2 可知，單個(gè)處理娃娃菜的株高（圖2-A）和株幅（圖2-B）生長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，T0、T1 處理在幼苗期（2021 年11 月27 日至2021 年12 月15 日，即移栽后19 d 內(nèi)）生長(zhǎng)較慢，在蓮座期與結(jié)球期（2021 年12 月16 日至2022 年1 月30 日，即移栽后20～65 d）生長(zhǎng)明顯加快，在成熟期（2021 年1 月31 日至2022 年2 月6 日，即移栽后66～72 d）生長(zhǎng)再次放緩。T2 與T3 在移栽后40 d（2021 年11 月27 日至2022 年1 月6 日）內(nèi)均表現(xiàn)出生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，在移栽40 d（2022 年1 月7 日至2022 年2 月6 日）后，T2 組生長(zhǎng)速度有所提高，但是依然滯后于T0、T1處理，T3 處理全生育期的生長(zhǎng)受到抑制，生長(zhǎng)緩慢。

2.3 充分灌溉條件下實(shí)際耗水量與參考作物需水量的對(duì)比

由表5 可知，娃娃菜耗水強(qiáng)度在結(jié)球期達(dá)到最大值，為2.74 mm·d-1，參考作物需水強(qiáng)度在成熟期達(dá)到最大值，為2.47 mm·d-1；在結(jié)球期的耗水模數(shù)最大，為47.65%，其次是蓮座期，為22.57%。在幼苗期和蓮座期，娃娃菜的實(shí)際耗水量小于參考作物需水量；在結(jié)球期，娃娃菜的實(shí)際耗水量大于參考作物需水量；在成熟期，娃娃菜的實(shí)際耗水量小于參考作物需水量；全生育周期娃娃菜耗水量比參考作物需水量高0.82 mm。

2.4 冬季娃娃菜耗水量影響因素分析

2.4.1 相關(guān)性分析 由表6 可知，充分灌溉處理下娃娃菜耗水量（ET）與氣溫、風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)，與日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度和水汽壓呈極顯著負(fù)相關(guān)。其中相對(duì)濕度與耗水量相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為-0.774，其次為風(fēng)速與水汽壓等。表明相對(duì)濕度是影響冬季娃娃菜耗水量的重要?dú)庀笠蜃印?/p>

表6 充分灌溉處理下冬季種植娃娃菜耗水量（ET）與氣象因子的相關(guān)性分析

2.4.2 通徑分析 由表7 可知，相對(duì)濕度對(duì)冬季娃娃菜耗水量的直接通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)之和均為最大，分別為-0.586，0.317，相對(duì)濕度對(duì)冬季娃娃菜耗水量的直接抑制作用較大，此外，相對(duì)濕度還主要通過(guò)水汽壓間接影響冬季娃娃菜耗水量。

表7 充分灌溉處理下冬季種植娃娃菜耗水量影響因素通徑分析

3 討論與結(jié)論

在筆者試驗(yàn)中，與充分灌溉相比，在田間持水量80%～90%調(diào)虧灌溉娃娃菜平均單株產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異的情況下，總耗水量可以減少12.42%，而田間持水量80%以下的2 個(gè)調(diào)虧灌溉處理組單株產(chǎn)量均顯著下降。由此可見(jiàn)，對(duì)冬季娃娃菜適當(dāng)進(jìn)行調(diào)虧灌溉不會(huì)顯著降低娃娃菜產(chǎn)量，同時(shí)可以一定程度上減少其耗水量，但是如果灌水虧缺量過(guò)多，則會(huì)導(dǎo)致作物顯著減產(chǎn)。在其他葉類(lèi)蔬菜中也有類(lèi)似特征，在冬季溫室供熱滴灌條件下，高土壤水分下限處理下白菜產(chǎn)量更高，但其耗水量較高，控制設(shè)施栽培白菜土壤相對(duì)含水率下限的70%處理較控制田間持水量下限的60%、80%2 個(gè)處理的水分生產(chǎn)率更高[13]；在苗期和蓮座期控制灌水量為常規(guī)灌水量65%可以提高青花菜的水分利用率和產(chǎn)量[14]。在筆者的試驗(yàn)中，T2、T3 處理娃娃菜生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，尤其是結(jié)球進(jìn)程受到了影響，無(wú)法正常結(jié)球。從國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看，同屬十字花科蕓薹屬的甘藍(lán)（卷心菜）也有類(lèi)似表現(xiàn)，Nyatuame 等[15]在2013年非洲加納的田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在缺水處理下，甘藍(lán)的結(jié)球會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育不良以及彎曲畸形的情況；2009 年，梁玉芹等[16]在河北的日光溫室甘藍(lán)種植試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)灌水量過(guò)少會(huì)影響甘藍(lán)內(nèi)徑的生長(zhǎng)發(fā)育。

國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于小型葉類(lèi)蔬菜的研究顯示，生菜全生育周期的需水量在95.20～121.40 mm[17]。冬季大白菜全生育周期的耗水量在121.75～131.08 mm 之間，各生育周期的耗水強(qiáng)度在0.92～2.11 mm·d-1[13]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在充分灌溉下，娃娃菜全生育周期的耗水量為154.52 mm，各生育期的耗水強(qiáng)度在1.70～2.74 mm·d-1，與國(guó)內(nèi)學(xué)者在其他蔬菜上的研究相比較大，造成差異的原因除了蔬菜種類(lèi)不同外，還包括作物耗水量受輻射、相對(duì)濕度、溫度等氣象因素影響導(dǎo)致作物耗水量和耗水強(qiáng)度的不同，除此之外還包括種植環(huán)境、土壤理化性質(zhì)、灌水方式等因素造成的影響[18]。徐俊增等[17]認(rèn)為，夏季濕度的增加，降低了夏季增溫對(duì)需水量的影響，從而導(dǎo)致冬季生菜的需水量高于夏季，說(shuō)明相對(duì)濕度是影響作物需水量的重要因素，從筆者的相關(guān)性分析和通徑分析的結(jié)果來(lái)看，相對(duì)濕度較其他氣象土壤因素對(duì)冬季娃娃菜耗水量的影響更大。

筆者采用盆栽的方式開(kāi)展試驗(yàn)，相較于田間使用烘干法、TDR（土壤墑情測(cè)量?jī)x）等水分測(cè)量方法，盆栽環(huán)境可以應(yīng)用稱(chēng)質(zhì)量法更加及時(shí)地測(cè)量和更加精準(zhǔn)地控制土壤含水率。另外，田間試驗(yàn)在發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)易產(chǎn)生地表徑流進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果，筆者采用盆栽試驗(yàn)則可以很好地避免這些因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。但是，盆栽試驗(yàn)的環(huán)境相對(duì)于田間試驗(yàn)也更加的理想化，加之目前國(guó)內(nèi)外比較缺乏針對(duì)娃娃菜耗水規(guī)律的相關(guān)研究。因此，筆者擬深入研究，以更加充分了解和認(rèn)識(shí)娃娃菜的耗水規(guī)律，進(jìn)一步貼近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。

綜上所述，土壤含水率控制在田間持水量的80%～90%進(jìn)行調(diào)虧灌溉相比充分灌溉不會(huì)顯著導(dǎo)致娃娃菜減產(chǎn)，同時(shí)可以減少12.42%的作物耗水量，節(jié)水潛力較大。當(dāng)土壤含水率控制在田間持水量的70%～80%甚至更低時(shí)則會(huì)導(dǎo)致作物顯著減產(chǎn)，在充分灌溉條件下，相對(duì)濕度是影響冬季娃娃菜耗水量的主要因素。筆者的研究結(jié)果可為云南地區(qū)娃娃菜種植灌水提供參考。