高安琪，趙建貴，韋玉翡，白云飛，李志偉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西太谷030801）

番茄自身含有的番茄紅素、維生素A等營養(yǎng)物質(zhì)對人體有益，且番茄口感良好，市場需求量較大，可以說是不可或缺的蔬菜之一[1]。在番茄種植過程中，水肥對番茄的生長發(fā)育、產(chǎn)量以及品質(zhì)影響重大[2]。傳統(tǒng)的大水大肥灌溉方式，很大程度上造成了水資源和肥料的浪費(fèi)。為了改善這個(gè)現(xiàn)象，將環(huán)境因子與番茄生長發(fā)育相結(jié)合實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，從而指導(dǎo)溫室番茄高質(zhì)高效生產(chǎn)。隨著我國溫室無土栽培模式應(yīng)用的不斷增加，合理的灌溉模式在很大程度上可以降低對水肥資源的浪費(fèi)，同時(shí)也可以避免基質(zhì)中鹽分過多等缺陷，為提高番茄產(chǎn)量及品質(zhì)等提供了重要保證。因此，科學(xué)灌溉方式對溫室番茄水肥一體的研究有重大意義[3-5]。

作物的蒸騰過程對于作物水分和養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)有很重要的促進(jìn)作用，不但可以使植物體的溫度降低，并且對于植物進(jìn)行光合作用以及干物質(zhì)積累也非常重要[6]。蒸騰量是農(nóng)田生態(tài)、農(nóng)業(yè)氣象等領(lǐng)域重要的一部分，同時(shí)也是作物耕作方式和灌溉量確定的重要因素。Penman-Monteith方法是目前最常用計(jì)算蒸發(fā)蒸騰量的方法，因?yàn)樵摲椒ǖ幕A(chǔ)是能量平衡法和水汽擴(kuò)散理論，并且考慮了作物不同的生理特征對于蒸騰可能產(chǎn)生的影響和空氣動力學(xué)參數(shù)的變化情況，使得該方法的理論依據(jù)較為充分，計(jì)算精度較高[7-8]。國內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，灌溉量與株高和莖直的生長有顯著相關(guān)性[9]。番茄的株高和莖直可以很好地反映出環(huán)境對于作物生長發(fā)育的影響以及作物水肥盈缺情況，并且番茄株高和莖直的檢測不會損害作物，影響作物生長。本研究番茄蒸騰量（ET0）采用Penman-Monteith模型確定，從而可以進(jìn)一步確定番茄的參考需水量[10]。

本研究根據(jù)不同灌溉量對溫室番茄株高和莖直的響應(yīng)情況，通過番茄株高和莖直生長情況反饋溫室番茄水肥的最佳灌溉模式，并且采用本質(zhì)非線性與多元二次多項(xiàng)式回歸，建立基于輻照累積、日平均溫度和實(shí)際氣壓的株高和莖直模型，以期使水肥利用率達(dá)到最大化和極大改善作物生長不良的狀況[11-12]。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄品種為無限生長型歐美佳，其具有高抗TY病毒、強(qiáng)耐寒、低溫弱光仍能正常彭果等優(yōu)點(diǎn)，是北方秋延、越冬及早春的理想品種。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年9月至2020年3月在山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院玻璃溫室（東經(jīng)112°34′，北緯37°25′）中進(jìn)行。溫室內(nèi)具備加熱系統(tǒng)（暖氣管道加熱系統(tǒng)、1個(gè)9 kW暖風(fēng)機(jī)和2個(gè)3 kW暖風(fēng)機(jī)）、滴灌系統(tǒng)（水肥一體機(jī)）、通風(fēng)系統(tǒng)（通風(fēng)天窗）。溫室南北長12.8 m、寬9.6 m，東西共3跨，每跨跨度3 m，脊高5.5 m。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)由育苗公司進(jìn)行育苗，2019年9月26日番茄處于4葉1心時(shí)定植，番茄栽培基質(zhì)為椰糠，基質(zhì)袋為100 cm×20 cm×10 cm外白內(nèi)黑的PE材質(zhì)的番茄專用基質(zhì)袋。單蔓整枝，側(cè)蔓和卷須均及時(shí)摘除，同時(shí)依據(jù)植株生長狀況去除下部老葉。營養(yǎng)液使用韓國艾瑪（AIMA）水溶肥，可以充分滿足番茄作物生長發(fā)育所需要的所有大量元素和微量元素。2，4-D水稀釋液對番茄花進(jìn)行點(diǎn)花提高坐果率，寧南霉素、速利流體鋅和四霉素按一定比例混合定期對番茄預(yù)防病毒，且定期對番茄噴葉面肥為番茄補(bǔ)充鋅鎂鈣等微量元素。根據(jù)番茄生長發(fā)育周期分為幼苗期、開花期、結(jié)果期、采收期，其具體判斷標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)間階段如表1所示。

表1 番茄生長發(fā)育期具體時(shí)間

溫室內(nèi)共設(shè)有10行栽培架，每行栽培架間的距離為1.5 m，每個(gè)栽培架長7 m、寬30 cm。每行栽培架置有7個(gè)基質(zhì)袋，每個(gè)基質(zhì)袋定植4株番茄，株距25 cm，共定植28株番茄苗。不同灌溉量均采用相同配比的營養(yǎng)液進(jìn)行滴灌，每行設(shè)置3路滴箭管道，不同的試驗(yàn)每行分別設(shè)置滴箭管（直徑為5 mm），滴箭之間的距離為25 cm，滴箭插入距離番茄根部20 mm左右的位置，深度為10 mm。為保證番茄幼苗的存活率，在番茄定植后3 d用清水澆灌，使基質(zhì)完全濕潤，根據(jù)作物蒸騰量（ET0）對不同生長發(fā)育時(shí)期和不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行滴灌。

1.4 作物蒸騰量的確定與分析

參考作物蒸騰量（ET0）的確定對于確定番茄在生長發(fā)育過程中每天的需水量具有重要意義，該方法是目前最為常用和可靠的方法。本試驗(yàn)參考作物蒸騰量的確定是根據(jù)彭曼方程，其計(jì)算基于微氣象學(xué)方法和能力平衡。

式中，ET0為參考作物蒸騰量（mm/d）；T為平均溫度（℃）；U2為2 m高處風(fēng)速（m/s）；Δ為飽和水汽壓關(guān)系曲線斜率（kPa·℃）；ea為飽和水汽壓（kPa）；eb為實(shí)際水汽壓（kPa）；Rn為凈輻射（MJ/（m2·d））；G為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；γ為濕度表常數(shù)（kPa/℃）。

本試驗(yàn)研究不同灌溉量條件下，番茄株高和莖直的變化狀況。試驗(yàn)的自變量為水分，共設(shè)置3種單株灌溉量模式，即W1（100%ET0）、W2（80%ET0）、W3（60%ET0），如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)的單株日灌溉量

1.5 測定方法及項(xiàng)目

試驗(yàn)是根據(jù)蒸騰量（ET0）來確定灌溉量，所以，需要測定溫室內(nèi)每天的最高溫度（Tmax）、最低溫度（Tmin）、平均溫度（T）、風(fēng)速（U）、光合有效輻射等環(huán)境信息。環(huán)境信息的采集通過采用山西農(nóng)業(yè)大學(xué)微機(jī)測控團(tuán)隊(duì)自研發(fā)的無線多傳感網(wǎng)絡(luò)溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集[13]。該系統(tǒng)每6 min采集一次數(shù)據(jù)，并存儲于遠(yuǎn)程服務(wù)器中。

番茄株高和莖直的測量從開花期進(jìn)行測量，每試驗(yàn)標(biāo)記12株，每隔3 d測量一次。株高采用精度為0.1 cm的軟尺測量從番茄基部到植株生長點(diǎn)的高度；番茄的莖直采用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量。

1.6 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

番茄株高和莖直的模型建立用SAS軟件進(jìn)行，采用origin 2019b軟件對環(huán)境數(shù)據(jù)和番茄株高、莖直的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析以及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物蒸騰量（ET0）的動態(tài)規(guī)律分析

番茄ET0在結(jié)果期內(nèi)2019年11月15日的動態(tài)變化如圖1所示。ET0在一天之內(nèi)有顯著變化。由圖1可知，在9：00—13：00的時(shí)間段內(nèi)，光合有效輻射強(qiáng)度超過120 W/m2可計(jì)為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，而其他時(shí)間段光合有效輻射強(qiáng)度小于120 W/m2，不計(jì)為實(shí)際日照時(shí)數(shù)。在一天內(nèi)14：00溫度達(dá)到最大值，此時(shí)ET0達(dá)到了最大值，為0.652 mm/h。由此可知，在不同天氣環(huán)境下ET0具有差異性，分析每天ET0的變化對于灌溉量的確定具有重要意義。

試驗(yàn)番茄于2019年9月30日到2020年2月19日全生育期內(nèi)溫室中番茄蒸騰量（ET0）和平均溫度的每日動態(tài)變化情況如圖2、3所示。隨著時(shí)間的推進(jìn)和季節(jié)的變化作物蒸騰量（ET0）和日平均溫度均整體呈逐漸降低的趨勢，在苗期溫室內(nèi)ET0平均為2.768 9 mm/d，平均溫度為19.63℃；開花期ET0平均為1.671 9 mm/d，平均溫度為16.94℃；結(jié)果期ET0平均為1.271 9 mm/d，平均溫度為15.42℃；采收期ET0平均為1.399 9 mm/d，平均溫度為14.87℃。在苗期，環(huán)境溫度和ET0均為整個(gè)生育期的最大值，在結(jié)果期ET0為整個(gè)生育期最低，在采收期平均溫度為整個(gè)生育期最低。

2.2 番茄株高與莖直模型建立與分析

2.2.1 株高與莖直模型建立 光合有效輻射是植物生命活動、有機(jī)物質(zhì)合成和產(chǎn)量形成的能量來源。在綠色植物的光合作用過程中，吸收的太陽輻射中的一部分光譜能量使葉綠素分子處于激發(fā)態(tài)。輻照積累對植物高度和莖直的生長有良好的促進(jìn)作用。

式中，DTEP為光合有效輻射累積，簡稱輻照累積（W/m2）；PAR為光合有效輻射（W/m2）。

傳統(tǒng)的Logistic模型所解釋的植株生長過程是單純的建立在時(shí)間基礎(chǔ)上，從而忽略了地理位置不同和每日環(huán)境不同對植株生長所產(chǎn)生的影響[14]。因此，本試驗(yàn)用輻照累積（DTEP）模擬番茄株高的生長，同時(shí)結(jié)合溫度、實(shí)際氣壓等對作物株高變化的影響建立本質(zhì)非線性回歸方程。

式中，H為番茄植株高度的預(yù)測值（cm）；P為實(shí)際氣壓（kPa）；T為一天內(nèi)的平均溫度（℃）；DTEP為輻照累積（MJ/m2）；α、K、m、β為方程的參數(shù)。

植物莖直的變化可以很好地反映番茄體內(nèi)水分的變化，與環(huán)境因素有很好的相關(guān)性。通過對試驗(yàn)中輻照累積、溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其符合多元二次多項(xiàng)式回歸方程。

式中，D為番茄莖直的預(yù)測值（mm）；C、Ψ、χ、δ、ε、φ為方程的參數(shù)。

2.2.2 番茄株高、莖直變化規(guī)律分析 隨著生育期不斷的推進(jìn)，各處理下番茄的株高和莖直呈增加趨勢，但不同處理下的生長率不同，株高和莖直的變化分別如圖4、5所示。

由圖4、5可知，在番茄全生育期中，處理W1、W2、W3株高的平均增長率分別為6.27%、6.34%和5.81%，莖直的平均增長率分別為2.75%、3.18%和2.74%。因此，不同的灌溉水平導(dǎo)致番茄植株高度和莖直產(chǎn)生了差異性，且平均生長率也不同。其中，W2處理的番茄植株高度和莖直均超過W1、W3處理，株高和莖直平均增長率也高于W1、W3處理，W1處理的番茄株高和莖直及其平均增長率次之，W3處理番茄植株高度和莖直均低于W1、W2處理，且番茄株高和莖直平均增長率最低。

2.2.3 株高和莖直模型參數(shù)確定 由試驗(yàn)可知，在80%ET0灌溉量時(shí)，番茄作物生長最佳。本研究擬合采用株高長勢最好且增長率較好的處理水平W2全生育期的株高實(shí)測數(shù)據(jù)及溫室的溫度（T）、實(shí)際氣壓（P）、輻照累積（DTEP）擬合株高模型，其擬合的本質(zhì)非線性回歸方程中K值為263.2，m值為892.2，α值為-1 396.7，β值為-20。株高回歸模型中的P值小于0.000 1，決定系數(shù)（R2）達(dá)到0.997 7，所以，非線性模型顯著并且具有較高的擬合精度。

莖直模型的擬合采用本試驗(yàn)莖直最粗且增長率較好的處理水平W2全生育期莖直的實(shí)測值及溫室的溫度（T）、輻照累積（DTEP）。其擬合的多元二次多項(xiàng)式回歸方程中c值為10.08，Ψ值為0.67，χ值為4.31，δ值為0.71，ε值為0.527，β值為-2.02。莖直的回歸模型P值小于0.000 1，決定系數(shù)達(dá)（R2）達(dá)0.994 0，所以，多元二次多項(xiàng)式回歸模型顯著并且具有較高的擬合度。

3 討論

溫室番茄在無土栽培過程中，ET0動態(tài)變化顯著，一日內(nèi)不同時(shí)段ET0不盡相同，且每日ET0也均不同，所以，ET0的計(jì)算對于灌溉量的確定具有重要意義[15-17]。在光照達(dá)到120 W/m2的時(shí)間段越長，環(huán)境溫度高時(shí)其蒸騰量（ET0）就越大，此時(shí)番茄的需水量也在增加；當(dāng)光照時(shí)間不充足，且溫度較低的環(huán)境下ET0會較低，此時(shí)番茄的需水量較少[18]。根據(jù)ET0的動態(tài)變化確定灌溉量可極大地提高水肥利用率，盡可能地避免因?yàn)樗扛哂诜炎陨硇枨罂赡茉斐傻姆迅扛癄€、徒長等問題及低于自身需水量會造成的抑制番茄植株生長的情況。通過動態(tài)調(diào)節(jié)使番茄始終處于最適的需水環(huán)境中[19-20]。

基質(zhì)含水量是影響株高和莖直生長情況的關(guān)鍵因素，而基質(zhì)含水量的直接影響因素就是灌溉模式和灌溉量。有學(xué)者研究結(jié)果表明，在番茄快速生長期，灌溉量過多或者過少都會影響番茄株高和莖直的增長[21]。在本試驗(yàn)中，最佳灌溉量為W2，此灌溉量下株高和莖直增長率均達(dá)到最大值[22]。灌溉量為W1時(shí)，高于最佳灌溉量，導(dǎo)致株高和莖直生長較為緩慢，且造成了部分植株“徒長現(xiàn)象”的發(fā)生，植株較為細(xì)高[23-26]。而灌溉量W3低于最佳灌溉量，導(dǎo)致灌溉量達(dá)不到番茄自身生長所必需的需水量，從而使番茄的株高和莖直增長率均為最低[27-28]。

番茄生長信息除了受到自身品種的影響外，環(huán)境因素也是影響其生長的重要因素。呂天遠(yuǎn)[29]研究了基于輻熱積的株高模型，以及基于光合有效輻射的莖直模型。本研究株高模型則是通過本質(zhì)非線性回歸方程擬合，整合了番茄種植當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣壓（P）、環(huán)境溫度（T）、輻照累積（DTEP），決定系數(shù)（R2）達(dá)到0.997 7，具有較高的擬合精度。莖直模型則是通過多元二次回歸方程擬合，整合了環(huán)境溫度（T）、輻照積（DTEP），其決定系數(shù)（R2）達(dá)到0.994 0。此模型能夠清晰表示番茄株高和莖直的生長情況[30-31]。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)表明，在玻璃溫室內(nèi)基質(zhì)栽培條件下，隨著時(shí)間的推移，季節(jié)的變化蒸騰量（ET0）也在發(fā)生動態(tài)變化，因此，番茄的需水量也在隨著ET0的變化而變化。試驗(yàn)根據(jù)蒸騰量（ET0）確定灌溉量，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。結(jié)果表明，在80%ET0的條件下番茄的生長優(yōu)勢最明顯，番茄的株高增長率達(dá)到6.34%，莖直增長率達(dá)到3.18%。根據(jù)蒸騰量（ET0）控制灌溉模式可有效避免水肥的浪費(fèi)，以及過少、過多灌溉造成植株生長不良情況的發(fā)生。