冀健紅，劉新陽

(1.中國電建集團(tuán)華中電力設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450007；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

0 引 言

制定合理的灌溉制度不僅可以節(jié)約農(nóng)業(yè)用水量，而且可以調(diào)節(jié)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)等指標(biāo)[1]。目前，莖流計測量作物蒸騰量的方法已廣泛應(yīng)用于溫室當(dāng)中，用于確定作物的需水量，并作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行驗證，其基本原理就是建立測定熱量的擴(kuò)散速率與液流速率的關(guān)系來確定植株蒸騰量。如彭致功等人[2,3]利用莖流計技術(shù)監(jiān)測了溫室茄子和番茄等作物的莖稈液流量，并對結(jié)果進(jìn)行了驗證，發(fā)現(xiàn)在不受或受外界影響較小的情況下，作物蒸騰的變化規(guī)律與作物莖稈液流量的變化基本一致。隨后，劉浩等人[4]采用莖流計法監(jiān)測了溫室番茄的蒸騰變化，并利用該結(jié)果驗證了Penman-Monteith方程估算溫室番茄蒸騰量的準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示模型估算結(jié)果與莖流計所測蒸騰量具有較高的吻合度?？梢?，采用莖流計監(jiān)測溫室作物蒸騰量已成為一種常用方法。然而，由于不同植株間的葉面積、莖粗、根系發(fā)育程度等個體差異較大，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不一致，無法得到標(biāo)準(zhǔn)化的蒸騰量數(shù)據(jù)。本文以莖流計的操作流程入手對溫室番茄實(shí)測結(jié)果進(jìn)行驗證，并提出了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法，消除了個體之間的誤差。采用通徑分析法建立了溫室氣象與莖流之間的關(guān)系，探討了主要通徑因子對莖流變化的影響。本研究為進(jìn)一步推廣應(yīng)用莖流計測量作物蒸騰量提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2019年3-6月在河南鄭州的華北水利水電大學(xué)溫室中進(jìn)行，試驗區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降雨量640 mm，年均蒸發(fā)量1 900 mm，多年平均氣溫14.5 ℃。試驗所用溫室為現(xiàn)代化Venlo型玻璃溫室，溫室的跨度為9.6 m，長度為56 m，開間為4 m。溫室為鋼架結(jié)構(gòu)，四周及頂部均是玻璃材質(zhì)，溫室南北面各安裝了兩臺大型排風(fēng)扇可保證內(nèi)外空氣交換，從而保持溫室內(nèi)的溫濕度變化。試驗區(qū)土壤為壤土類，0～100 cm平均密度為1.41 g/cm3，田間持水率為31.5 cm3/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗選用當(dāng)?shù)爻Ｓ梅哑贩N“金頂新星”為研究對象，于1月20日育種，3月18日移栽到溫室。對試驗小區(qū)進(jìn)行分區(qū)處理，各小區(qū)畦長8.0 m，寬1.0 m，整畦移植。為方便管理，試驗采用寬窄行種植方式，寬行和窄行分別為65和45 cm，并在寬行中間起壟。滴灌帶鋪設(shè)在番茄植株行上，保證滴頭與植株一一對應(yīng)。試驗設(shè)置3次重復(fù)。參考20 cm蒸發(fā)皿的累積蒸發(fā)量(Ep)作為灌水依據(jù)，即當(dāng)Ep達(dá)到20 mm±2時開始灌水，為保證充分灌水，每次灌水定額為0.9Ep[4]。所有小區(qū)首部安裝有水表記錄，小區(qū)設(shè)置3次重復(fù)。各處理之間埋設(shè)塑料膜，以防止土壤水分的側(cè)向滲透。

1.3 觀測內(nèi)容

1.3.1 氣象資料

在溫室內(nèi)距地表高2 m位置處安裝有一套自動氣象站，該氣象站可以同時監(jiān)測溫室內(nèi)部的溫度、相對濕度、太陽輻射和風(fēng)速等氣象因子，系統(tǒng)每隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，并自動保存在CR1000數(shù)據(jù)采集器中(Campbell, USA)。

1.3.2 植株莖流速率

采用包裹式莖流計(Flow32-1k system, Dynamax, Houston, TX, USA)于2018年5月15日-7月15日測量番茄植株的蒸騰量，選擇長勢一致的4棵植株進(jìn)行測量，探頭安裝在距地表20 cm以上的位置，以免測量過程中受到土壤熱量的影響，所選番茄莖稈直徑滿足探頭的測量范圍，確保探頭與莖稈緊密接觸。采用CR1000數(shù)據(jù)采集器(Campbell, USA)每60 s讀取一次數(shù)據(jù)，每30 min自動記錄一次平均值。

1.3.3 盆栽試驗

盆栽試驗與小區(qū)試驗結(jié)合進(jìn)行，為使植株生長最大限度接近于小區(qū)環(huán)境條件，盆栽試驗在同一個溫室中進(jìn)行，土壤、施肥和水分狀況與小區(qū)試驗相同。試驗將盆栽表面用石蠟密封，以最大程度降低棵間蒸發(fā)的影響，采用輸液器模擬滴灌控制土壤水分。每天上午8∶00-8∶30對盆栽進(jìn)行稱重以獲得番茄的日蒸散量。同步觀測植株不同部位的莖流速率，將稱重所得的蒸騰量于莖流計進(jìn)行對比。

1.3.4 土壤水分

采用兩套ECH2O土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)(Decagon Devices, Inc., USA)測量20、40、60和80 cm處的體積含水率，探頭埋設(shè)在番茄植株的行上，并保持與滴頭15 cm的距離，系統(tǒng)每隔30 min自動記錄一次數(shù)據(jù)。根據(jù)水量平衡法確定作物的耗水量：

ET=P+I+W-D-ΔS

(1)

式中：ET為耗水量，mm；P為降雨量，mm；I為灌水量，mm；W為地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層滲漏量，mm；ΔS為土壤儲水量的變化量，mm。

在溫室中，由于不受降雨的影響，因此，P=0。本試驗地地下水位在5 m以下，無地下水補(bǔ)給量，W=0。滴灌條件下，最大灌水量為20 mm，不產(chǎn)生滲漏，D=0。因此，溫室中的水量平衡公式為：

ET=I-ΔS

(2)

1.3.5 株高和葉面積

試驗期間，隨機(jī)選擇5棵植株進(jìn)行標(biāo)記，每隔7 d，同時測量這5棵番茄植株的株高和葉面積。株高采用直尺進(jìn)行測量，測量范圍為地表至最大冠層處。測量番茄葉片的最大葉寬和葉長，葉面積=最大葉寬×葉長×0.65[4]。

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1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2017進(jìn)行分析繪圖，采用SPSS 18.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同天氣狀況下莖稈液流的變化

圖1為晴天、多云和陰雨天3種不同天氣條件下的莖稈液流(Tf)變化規(guī)律，可以看出，在晴朗無云條件下，番茄Tf的日變化呈單峰曲線，并且夜間仍有微弱莖流量。從圖1中還可以看出，Tf幾乎是從早上6∶00之后開始增大，并隨著太陽輻射(Rs)和水汽壓差(VPD)的升高，Tf逐漸增大，到中午13∶00左右達(dá)到最大值，且變化趨于平緩，最大Tf為115 g/h，此時Rs在1.7 MJ/(m2·h)附近波動。14∶00之后隨著Rs和VPD的降低，Tf也逐漸減小，這可能是由于植株內(nèi)部機(jī)制自我調(diào)節(jié)和外部VPD共同作用的結(jié)果。多云天氣下，Tf變化曲線呈多峰型，這是由于Rs強(qiáng)弱不穩(wěn)定導(dǎo)致的結(jié)果。陰雨天，Rs的值較低，最大值低于0.5 MJ/(m2·h)，且不穩(wěn)定，此時Tf的波動也比較小。

圖1 不同天氣條件下溫室番茄的莖稈液流日變化

從圖1中還可以看出，在晴天和多云天氣下，Rs最大時，Tf并未達(dá)到最大，說明Tf具有一定的滯后性，而VPD卻滯后于Tf，可見，在晴天和多云天氣下Rs是影響植株莖流變化的主導(dǎo)因子，VPD次之；而在陰雨天，由于云層薄厚的變化導(dǎo)致Rs出現(xiàn)不規(guī)律波動，輻射強(qiáng)度維持在較低水平，而Tf隨VPD的變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化，且Tf的變化與VPD的變化幾乎同步。

2.2 莖流速率與LAI的關(guān)系

圖2給出了充分供水條件下番茄4棵植株的Tf。由圖2可知，4棵番茄的Tf變化趨勢基本一致，但大小存在明顯差異，其中不同植株之間Tf的最大差異超過了60%。造成此差異的可能原因是不同植株間的葉面積指數(shù)(LAI)不同引起的。此外，當(dāng)莖流計的探頭與莖稈直徑不相匹配時，也會影響莖流計的測量精度。因此，解釋LAI與Tf的相關(guān)性，以及安裝莖流計之前準(zhǔn)確測量莖稈直徑大小至關(guān)重要[5]。從6月1日-5日番茄植株日莖流總量與LAI的關(guān)系可以看出(圖3)，番茄植株日莖流量均隨LAI的增大呈線性增大趨勢，決定系數(shù)(R2)為0.77，且達(dá)到了極顯著性水平(P<0.01)，因此，可將莖流速率按探頭上方的葉面積與莖流速率進(jìn)行轉(zhuǎn)化[6-9]，可按照公式(3)進(jìn)行處理：

Fi=fi/LAi

(3)

式中：Fi為第i個植株莖稈單位葉面積上的莖流速率，g/(m2·h)；fi為第i個莖稈監(jiān)測所得莖流速率，g/h；LAi為第i個植株探頭安裝點(diǎn)位上方的葉面積，m2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化處理前植株莖流速率的株間變異

圖3 植株莖流速率與LAI的關(guān)系

4個不同莖稈的Tf經(jīng)各自探頭上方葉面積標(biāo)準(zhǔn)化處理后(圖4)彼此互相疊加，但仍存在一定的差異，番茄不同植株之間的最大差異縮小到15%以內(nèi)，這是由于不同植株個體發(fā)育和構(gòu)造的不一致性，以及不同植株性狀之間的差異導(dǎo)致的。因此，在實(shí)際莖流速率監(jiān)測過程中，可選取有代表性的植株4～6株進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)行水分狀況判別時去掉由探頭熱電偶、加熱器損壞等原因引起的極端植株監(jiān)測數(shù)據(jù)，取其余植株監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值作為診斷依據(jù)，這樣即可削弱株間變異對監(jiān)測結(jié)果的影響程度。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化處理后植株莖流速率的株間變異

(4)

式中：Tf為番茄植株蒸騰速率，mm/h；n為植株監(jiān)測數(shù)；LAI為葉面積指數(shù)，m2/m2；其他符號意義同前。

2.3 對莖流計監(jiān)測結(jié)果的驗證

為驗證莖流速率監(jiān)測結(jié)果的可靠性，驗證LAI轉(zhuǎn)換后的莖流速率精度。通過連續(xù)7 d對2株番茄的莖流觀測結(jié)果與相應(yīng)稱重結(jié)果進(jìn)行對比，從圖5可以看出，莖流監(jiān)測結(jié)果與稱重結(jié)果相關(guān)性較好，2株莖流監(jiān)測結(jié)果在7 d內(nèi)的日最大誤差為21.7%，2株番茄7 d內(nèi)累計莖流量分別為2 327和2 177 g，稱重實(shí)測蒸騰量分別為2 394和2 368 g，監(jiān)測值與實(shí)測值的誤差分別為2.8%和8.0%，由此可見，莖流監(jiān)測值可以真實(shí)的反映番茄植株的蒸騰量。

圖5 莖流監(jiān)測結(jié)果與實(shí)測蒸騰量的對比

2.4 植株莖流速率與氣象因子的相關(guān)性

氣象因子是影響植株莖流大小的關(guān)鍵要素，圖6分析了太陽輻射(Rs)、氣溫(Ta)、相對濕度(RH)、風(fēng)速(u2)和水汽壓差(VPD)與Tf的關(guān)系，并采用通徑分析方法建立了回歸方程(表1)。可以看出，Rs和VPD是影響莖流量的主要因子，達(dá)到了顯著水平(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.908和0.872。Ta和u2對莖流的影響不顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.483和0.649(表1)，因此，Rs和VPD具有統(tǒng)計學(xué)意義，應(yīng)留在方程中，氣象因子與Tf的回歸方程可表示為：Tf= 0.213Rs+1.536VPD-0.305。從通徑分析結(jié)果來看，Rs對Tf的影響是最大的，其次是VPD，而Ta是最小的，間接通徑系數(shù)的合計值低于對應(yīng)的直接通徑系數(shù)，說明Ta和u2對Tf的影響主要是通過Rs和VPD實(shí)現(xiàn)的。決策系數(shù)是通徑分析中的決策指標(biāo)，用它可把自變量對響應(yīng)變量的綜合作用進(jìn)行排序，確定主要決策變量和限制變量?？梢钥闯觯琑s和VPD的決策系數(shù)均大于0，說明自變量Rs和VPD對于響應(yīng)變量均起到了增進(jìn)作用，且Rs的增進(jìn)作用要高于VPD。因此，溫室中影響番茄莖稈液流變化的主要因子是太陽輻射。

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)分析了溫室滴灌番茄莖稈液流在不同天氣條件下的變化規(guī)律，探討了葉面積指數(shù)與莖稈液流的關(guān)系，采用通徑分析法建立了氣象因子與莖稈液流的簡單回歸方程，得出以下結(jié)論。

(1)不同天氣條件下太陽輻射和水汽壓差是影響莖稈液流的主要因素，其中太陽輻射的作用大于水汽壓差，且太陽輻射相對于莖稈液流的最大值具有一定的滯后性；

圖6 莖流速率與氣象因子的相關(guān)性

表1 番茄植株日莖流速率與氣象要素的通徑系數(shù)法分析

(2)LAI與莖稈液流的關(guān)系密切，隨著LAI的增加，莖稈液流有線性增大的趨勢，采用LAI標(biāo)準(zhǔn)化處理后的莖稈液流，偏差在15%以內(nèi)；

(3)采用莖流計測量蒸騰量的結(jié)果與稱重法幾乎一致，平均偏差為5.4%，可用莖流計法直接測量作物的需水量；

(4)采用通徑分析法得出氣象因子與莖稈液流的回歸關(guān)系為：Tf= 0.213Rs+1.536VPD-0.305，氣溫和風(fēng)速對莖稈液流的影響主要是通過Rs和VPD實(shí)現(xiàn)的，且Rs對莖稈液流的直接作用要高于VPD。