原桂霞,張濤,溫江麗

(1. 北京市水科學技術研究院,北京 100048;2. 北京市南水北調環(huán)線管理處,北京 100176;3. 北京農業(yè)職業(yè)學院,北京 102442)

小型西瓜是設施栽培量較大的果品種類之一.西瓜需水量較大,對水分比較敏感,不同灌溉制度對其生理生態(tài)性狀具有明顯影響[1].無土栽培具有克服土壤連作、降低病蟲害發(fā)生等優(yōu)點,在設施農業(yè)中應用越來越多.但是無土栽培基質的緩沖能力較差,水分對于作物、環(huán)境空氣的影響更為直接[2].

作物蒸騰量不僅是確定合理灌溉制度的依據(jù),還對設施環(huán)境有重要影響,進而影響作物產(chǎn)量、品質及經(jīng)濟效益[3].植物的蒸騰作用不但由自身的生理特性決定,而且在很大程度上受環(huán)境因子的影響.溫室作物通過蒸騰作用與環(huán)境因子互相影響,在這個過程中,溫室內作物形成了獨特的蒸騰規(guī)律[4].系統(tǒng)探索溫室作物蒸騰規(guī)律和影響因子,對于實現(xiàn)設施農業(yè)智能灌溉具有重要理論價值和實踐意義.

在作物蒸騰過程中,各因子之間相互影響、相互作用,并共同對作物蒸騰產(chǎn)生影響[5].前人對溫室作物蒸騰規(guī)律及其與環(huán)境因子的關系進行了大量研究,主要集中在番茄[6]、黃瓜[7]、茄子[8]及甜瓜[4]等,這些研究大多直接探討作物各階段蒸騰量的主要控制因子,而各因子的時間尺度效應則往往被忽略,因而難以全面揭示溫室作物蒸騰規(guī)律和影響因素.已有研究發(fā)現(xiàn),不同時間尺度植物蒸騰變化特征差別較大,時間尺度效應區(qū)別明顯[9-10].不同時間尺度作物蒸騰是一個復雜多變的過程,另外,水分脅迫對作物蒸騰具有抑制作用[11].然而,充分和虧缺灌溉條件下,對不同時間尺度蒸騰量變化規(guī)律以及不同時間尺度主控環(huán)境因子的研究比較匱乏.

因此,文中以溫室無土栽培小型西瓜為研究對象,利用自動稱重系統(tǒng)實時監(jiān)測不同灌水量條件下西瓜蒸騰量,研究不同時間尺度和不同灌水量條件下西瓜蒸騰及其影響因子的關系.研究結果對于進一步揭示時間尺度效應對設施作物蒸騰規(guī)律的影響、確定溫室無土栽培西瓜需水關鍵期和關鍵影響因子、制定科學合理的水分精準管理策略、提高作物水分效率等方面具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

試驗于北京市農林科學院多功能玻璃連棟溫室(116°17′E,39°56′N)內進行,海拔57 m,全市多年平均降水量585 mm,屬于溫帶季風氣候.

溫室材料為雙層透明中空PC板,高6 m,南北和東西跨度分別為33 m和34 m.供試作物為小型西瓜,品種為“京穎”,購于京研益農種業(yè)科技有限公司.供試基質為復合育苗基質,購于北京園藝公司,基質容重為0.34 g/cm3,基質持水孔隙度為60.42%,pH為6.26,土壤導電率EC為0.45 mS/cm.試驗采用盆栽形式,花盆高12 cm,上口和下底直徑分別為17.7 cm和11.4 cm,每盆裝基質360 g.

1.2 試驗方法

2021年4月7日選取三葉一心的小西瓜苗,定植在花盆中,每盆定植一株,植株行距和株距分別為50 cm和25 cm,定植后每個花盆表層覆蓋聚乙烯薄膜,以防止水分蒸發(fā).采用滴箭灌溉,滴箭形式為一出二,滴頭流量為2 L/h.不同處理均追施3次水溶性復合肥料(mN∶mP2O5∶mK2O=3∶1∶6),每株西瓜單次用氮量為6 g,不同處理施肥量相同.西瓜生育期劃分為苗期(定植22 d內,4月7日—4月29日)、開花坐果期(定植23～38 d,4月30日—5月15日)、果實膨大期(定植39～60 d,5月16日—6月6日)和果實成熟期(定植61～74 d,6月7日—6月20日).

試驗共設3個處理,水分梯度(根據(jù)前期在北京農林科學院溫室開展的基質栽培田間水分管理經(jīng)驗,盡量不讓西瓜發(fā)生重度缺水)設置為灌溉上限分別占基質持水量(FC)的95%～100%(T1),75%～80%(T2)和55%～60%(T3),每個處理6次重復,各處理隨機排列.

1.3 測定項目及方法

1.3.1 西瓜耗水量

試驗共栽培18盆小型西瓜,每個處理選取3盆長勢均勻的西瓜盆栽分別置于具有自記功能的電子秤(型號BM6G,量程30 kg,精度0.1 g,中航電測儀器股份有限公司,中國)上,對西瓜蒸騰量(ET)進行實時監(jiān)測,數(shù)據(jù)采集為每次5 min.ET根據(jù)水量平衡方程計算

ET=10(Mt-Mt+1)/(ρS)+I,

(1)

式中:Mt和Mt+1分別為第t時刻和t+1時刻花盆和西瓜植株的總質量,g;ρ為水的密度,g/cm3;S為單株西瓜所占的面積,S=植株行距×株距,cm2;I為時段內的灌水量,mm.

1.3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)

利用小氣候監(jiān)測系統(tǒng)(型號AG1000,Campbell Scientific公司,美國)對空氣溫度(T)、相對濕度(RH)和太陽輻射(RS)等環(huán)境因子進行實時監(jiān)測,包括溫濕度傳感器(型號HMP155A,溫度傳感器量程-80 ℃～60 ℃,濕度傳感器量程0～100%,溫度傳感器精度±0.2 ℃,濕度傳感器精度±0.2%,Campbell Scientific公司,美國)、RS傳感器(型號LI200X,量程0～1 000 W/m2,精度±3%,Campbell Scientific公司,美國)、光合有效輻射(PAR)傳感器(型號LI190SB,測量光譜波段400～700 nm,靈敏度±5%,Campbell Scientific公司,美國).數(shù)據(jù)采集頻率為10 min/次.飽和水氣壓差(VPD)根據(jù)ALLEN[12]提供的方法計算.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理并繪制相關圖表,利用SPSS 26.0軟件對各處理結果進行統(tǒng)計分析.

2 試驗結果與分析

2.1 小時尺度下蒸騰變化規(guī)律與環(huán)境因子的關系

2.1.1 小時尺度蒸騰變化規(guī)律

分別選取4月24日、5月11日、6月6日和6月13日作為西瓜苗期、開花坐果期、果實膨大期和果實成熟期典型日,分析不同灌水處理西瓜典型日蒸騰量(ET)逐小時動態(tài)變化如圖1所示.

圖1 不同灌水處理西瓜各生育期典型日蒸騰量變化

由圖1可知,不同生育期內,不同灌水處理西瓜ET逐小時變化曲線類似,晝高夜低,均呈現(xiàn)單峰曲線.以開花坐果期為例,不同灌水處理ET在中午12:00左右達到峰值,ET值由大到小依次為T1處理(ET1), T2處理(ET2), T3處理(ET3).由圖可知,不同處理西瓜苗期的典型日ET均較小,ET1,ET2和ET3的典型日峰值量分別為0.08,0.06和0.04 mm/h;果實膨大期西瓜的典型日ET較大,ET1,ET2和ET3峰值分別為0.68,0.49和0.37 mm/h;在果實成熟期,不同處理西瓜典型日ET峰值降低且持續(xù)時間縮短.

2.1.2 小時尺度下蒸騰量與環(huán)境因子關系

表1為不同時間尺度下西瓜ET與環(huán)境因子的相關關系.由表可知,小時尺度下,不同灌水處理ET與各環(huán)境因子的相關關系在P=0.01水平下具有統(tǒng)計學意義.不同灌水處理ET與平均氣溫(Ta)、太陽輻射(RS)、飽和水汽壓差(VPD)和光合有效輻射(PAR)顯著正相關,而與相對濕度(RH)顯著負相關.ET1和PAR相關性最高,相關系數(shù)為0.76;其次為RS,相關系數(shù)為0.74;最后是Ta和VPD.ET2與RH,VPD相關性最高,其次為Ta.ET3和PAR相關性最高,其次為RS和VPD,ET3與RH的相關性最低,相關系數(shù)為-0.71.可見,小時尺度下,不同環(huán)境因子對不同灌水處理ET的相關關系有所不同.

表1 不同時間尺度下西瓜蒸騰量與環(huán)境因子的相關關系

為進一步探究環(huán)境因子對不同灌水處理西瓜ET的綜合作用,基于主要環(huán)境因子建立小時尺度下ET1,ET2和ET3逐步回歸方程(見表1).由表可知,ET1的逐步回歸方程中,RS,Ta和RH均為輸入變量,綜合關系模型可以解釋ET1變化的51.9%,其中對ET1貢獻最大的為RS,貢獻量為45.5%.進入ET2和ET3的逐步回歸方程的環(huán)境因子有RS,Ta,RH和VPD,綜合關系模型分別可以解釋ET2和ET3變化的56.9%和54.3%,其中RS對ET2和ET3的貢獻量分別為46.6%和48.4%.3個逐步回歸方程的P值均為0,表明方程均通過了顯著性檢驗.

2.1.3 小時尺度下蒸騰量與環(huán)境因子通徑分析

表2為不同時間尺度下西瓜蒸騰量與環(huán)境因子的通徑分析,表中Ra為直接通徑系數(shù),Rb為間接通徑系數(shù),Rc為決策系數(shù).

表2 不同時間尺度下西瓜蒸騰量與環(huán)境因子的通徑分析

利用通徑分析可以直觀地辨識ET影響因子的路徑及貢獻大小.由表2可知,ET1受各環(huán)境因子的直接影響從大到小依次為RS,Ta和RH,對比直接和間接通徑系數(shù)可知,RS和Ta對ET1的直接作用最大.由于RH對ET1的直接通徑系數(shù)小于其間接通徑系數(shù)的合計值,說明RH對ET1的影響主要是通過RS和Ta實現(xiàn)的,對ET1起間接抑制作用.將決策系數(shù)由大到小排列依次是RS,Ta和RH.RS和Ta分別是影響ET1的主要和次要決策因子,RH對ET1的綜合影響是負向的,為間接限制因子.

ET2受各環(huán)境因子的直接影響從大到小依次為RS,VPD,RH和Ta.其中RS和VPD對ET2的直接作用最大;RH通過RS,Ta和VPD對ET2起間接抑制作用;Ta通過對RS和VPD的促進作用,進而對ET2起間接正向影響.由決策系數(shù)可知,VPD和RS分別是影響ET2的主要和次要決策因子,RH為間接限制因子.

由直接通徑系數(shù)得出ET3受各環(huán)境因子的直接影響從大到小依次為RS,Ta,VPD和RH.其中RS對ET3的直接作用最大.Ta,RH和VPD對ET3的影響主要是間接作用,Ta通過對RS和VPD的促進作用,進而對ET3起正向影響;RH主要通過RS實現(xiàn)對ET3的間接抑制作用.RS和VPD分別是影響ET3的主要和次要決策因子,RH為間接限制因子.

2.2 日尺度下蒸騰變化規(guī)律與環(huán)境因子的關系

2.2.1 日蒸騰變化規(guī)律

圖2為日尺度下不同灌水處理西瓜ET的變化規(guī)律,圖中td為定植后天數(shù).由圖2可知,不同灌水處理ET均隨生育期先增大后減小,在西瓜果實膨大期達到最大值.在苗期內,由于植株較小,各處理西瓜日ET均較小,各處理差異不具有統(tǒng)計學意義,ET1,ET2和ET3均值分別為0.58,0.56和0.55 mm/d;在開花坐果期,不同灌水處理ET逐漸增加,且差異逐漸增大;在果實膨大期,ET1為3.63 mm/d,分別較ET2和ET3提高22.68%和39.88%;在果實成熟期,不同處理ET逐漸下降.全生育期內ET1,ET2和ET3均值分別為2.58,2.14和1.84 mm/d,不同灌水處理差異顯著.

當然，經(jīng)我們研究，伏爾加河河水未冰凍實非造成西岸部眾未能參予東歸的主要原因。當時游牧于西岸的是與渥巴錫政見不同的和碩特、杜爾伯特臺吉扎木揚、揚德克，以及敦杜克夫家族所轄之部眾，這部分王公貴族并不同意渥巴錫的東歸主張，甚至還出現(xiàn)像扎木揚那樣的告密者。因此，西岸各部王公不會起而響應才是真正的原因，而渥巴錫出于對這些人的疑慮，不把東歸義舉的準確信息向他們透露，也是正常的兵家之道。

圖2 日尺度下西瓜蒸騰量

2.2.2 蒸騰量與環(huán)境因子關系

由表1可知,日尺度下,除RH外,不同灌水處理西瓜ET與其余環(huán)境因子相關關系在0.01水平下具有統(tǒng)計學意義.不同灌水處理ET與Ta,RS,VPD和PAR均顯著正相關.ET1,ET2和ET3與環(huán)境因子相關性排序由大到小為RS,PAR,Ta和VPD.ET1,ET2和ET3與RH的相關性均最低,分別為-0.11,-0.17和-0.19.可見,日尺度下,不同環(huán)境因子對不同灌水處理ET的影響類似.

ET1的逐步回歸方程中,RS,Ta和PAR均為輸入變量,綜合關系模型可以解釋ET1變化的76.4%.進入ET2和ET3的逐步回歸方程的環(huán)境因子有RS和Ta,綜合關系模型分別可以解釋ET2和ET3變化的72.4%和68.5%(見表1).3個回歸方程均在0.01水平下具有統(tǒng)計學意義.

2.2.3 蒸騰量與環(huán)境因子通徑分析

由表2可知,ET1受各環(huán)境因子的直接影響從大到小依次為RS,Ta和PAR.RS對ET1的直接作用最大;Ta和PAR通過RS實現(xiàn)對ET1的間接作用.將決策系數(shù)由大到小排列依次為RS,PAR和Ta,其中RS和Ta是影響ET1的主要決策因子;PAR對ET1的影響是負向的,故PAR為限制因子.

ET2和ET3受各環(huán)境因子的直接影響從大到小依次為RS,Ta.其中RS對ET2和ET3的直接作用最大;Ta通過對RS的促進作用,間接對ET2和ET3起正向影響.將決策系數(shù)由大到小排列依次為RS,Ta,故影響日尺度下ET2和ET3的主要和次要決策因子分別為RS,Ta.

2.3 旬尺度下蒸騰變化規(guī)律與環(huán)境因子的關系

2.3.1 蒸騰變化規(guī)律

圖3 旬尺度下西瓜蒸騰量

2.3.2 蒸騰量與環(huán)境因子關系

由表1可見,旬尺度下,除RH外,不同灌水處理西瓜ET與Ta,RS,VPD和PAR均顯著正相關.各環(huán)境因子對不同灌水處理西瓜ET的影響程度從大到小依次為RS,PAR,Ta,VPD.可見,旬尺度下和日尺度下,不同環(huán)境因子和不同灌水處理ET的相關關系類似.

由逐步回歸方程可知,RS和RH均為ET1的逐步回歸方程的輸入變量,綜合關系模型可以解釋ET1變化的98.4%.RS為ET2和ET3的逐步回歸方程引入的唯一因子,綜合關系模型分別可以解釋ET2和ET3變化的96.2%和96.6%.3個回歸方程均通過了顯著性檢驗.

2.3.3 蒸騰量與環(huán)境因子通徑分析

由直接通徑系數(shù)可知,旬尺度下,ET1受各環(huán)境因子的直接影響從大到小依次為RS,RH(見表2).RS對ET1的直接作用最大;RH對ET1的影響主要是通過RS實現(xiàn)的.決策系數(shù)由大到小排列依次為RS,RH.RS為影響ET1的主要決策因子,RH為限制因子.

ET2和ET3僅有1個顯著因子RS,直接通徑系數(shù)分別為0.981,0.983.可見,RS對于不同灌水處理ET均顯著高于其他環(huán)境因子,說明RS是影響旬尺度下西瓜ET的主要環(huán)境因子.

3 討 論

植株蒸騰作用受本身生理過程與外界環(huán)境因子的綜合作用,此外,還會受作物種類、栽培方式、灌溉管理措施等因素影響,這些因素對植株蒸騰的影響相互作用、錯綜復雜[13].本研究中,在不同時間尺度下,不同灌水處理西瓜ET均呈現(xiàn)ET1>ET2>ET3的結果,可見,不同時間尺度下西瓜ET均隨灌水量的增加而增加,這與LI等[14]研究結論一致.

作物蒸騰與RS,Ta,VPD等環(huán)境因素具有良好的相關性[5].不同時間尺度下,不同處理西瓜ET與Ta,RS,VPD和PAR的相關關系均具有統(tǒng)計學意義(見表1).小時尺度下,不同處理西瓜ET與RH均顯著負相關;而在日和旬尺度下,與RH相關關系不具有統(tǒng)計學意義.總體而言,不同時間尺度下,RS和PAR與不同處理西瓜ET均有較好的相關性,這與楊宜等[15]研究結論一致.小時、日和旬尺度下不同處理西瓜ET回歸模型的決定系數(shù)分別為0.519～0.569,0.685～0.764,0.962～0.984,可見,不同處理西瓜ET回歸方程決定系數(shù)均隨時間尺度的增大而增大,本結論與孫國祥等[9]一致.在小時、日和旬尺度下,進入ET1,ET2和ET3逐步回歸方程中的環(huán)境因子數(shù)量逐漸減少(見表1).

通徑分析結果表明,小時尺度下,ET1決策系數(shù)由大到小依次為RS,Ta和RH;ET2決策系數(shù)由大到小依次為VPD,RS,Ta和RH;ET3決策系數(shù)由大到小依次為RS,VPD,Ta和RH.可見,小時尺度下,在充分灌溉和虧缺嚴重條件下,RS對西瓜ET決定能力更大.日尺度下,ET1決策系數(shù)由大到小依次為RS,PAR和Ta;ET2和ET3決策系數(shù)由大到小均為RS,Ta.旬尺度下,ET1決策系數(shù)由大到小依次為RS,RH;ET2和ET3僅有一個顯著因子RS.RS的強弱決定植物氣孔的開張程度,又決定Ta和RH的變化,從而對于溫室西瓜蒸散過程起到關鍵作用.

本研究采用無土栽培盆栽試驗,該研究的適用性受到一定限制,但對依據(jù)溫室環(huán)境決策無土栽培灌溉的理論研究有一定的參考價值.對不同栽培模式西瓜ET變化特征和影響因素有待于進一步研究.

4 結 論

1) 小時尺度下,不同處理西瓜不同生育期ET均呈現(xiàn)晝高夜低的單峰變化趨勢.日和旬尺度下,不同灌水處理ET隨生育期先增加后降低.不同時間尺度下西瓜ET均隨灌水量的增加而增加.

2) 不同時間尺度下,影響不同灌水處理西瓜ET的主要因素不完全相同,影響程度也不同.RS對于不同時間尺度不同灌水處理溫室西瓜蒸散過程均起到關鍵作用,顯著影響著西瓜ET的變化.

3) 隨著時間尺度增大,影響不同灌水處理西瓜ET的主要因子逐漸減少,不同灌水處理ET與主要環(huán)境因子的回歸模型顯著性逐漸提高.在估算溫室西瓜ET時,小時尺度下推薦采用植物蒸騰儀器直接測定的方法;而在較大尺度可以監(jiān)測溫室少量環(huán)境因子來計算.