加氧灌溉溫室甜瓜植株蒸騰特征及模擬

摘要：利用熱技術方法研究了不同天氣條件下溫室甜瓜植株蒸騰速率的變化特征，分析了植株蒸騰與環境因子的相關關系，并利用環境因子對植株蒸騰進行了模擬。結果表明，晴天條件下溫室甜瓜植株蒸騰日變化基本呈對稱單峰曲線，蒸騰速率與太陽總輻射、氣溫、光合有效輻射和相對濕度的相關性較強，利用該環境因子預測蒸騰精度較高；陰天和雨天條件下溫室甜瓜植株蒸騰日變化規律性較弱，蒸騰速率與環境因子的相關性較差。調控溫室輻射強度和相對濕度是實現節水高效農業的有效手段。

關鍵詞：甜瓜；植株蒸騰；環境因子；蒸騰模擬

中圖分類號：S652；Q945.17+2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3556-03

蒸騰作用是植物體內的水分以氣態方式從植物的表面向外界散失的過程。植物蒸騰的生理意義表現在蒸騰作用失水所造成的水勢梯度是植物吸收和運輸水分、無機離子的驅動力，另外蒸騰作用還可以降低植物體的溫度[1]。試驗表明，植物根系吸收水分的99%用于蒸騰作用，因此農業生產上經常利用植物的蒸騰失水情況制定合理的灌溉制度[2]，同時也是判斷植物生理活性的一個重要指標[3]。測量植物蒸騰的方法很多，傳統的方法包括快速稱重法[4]、整樹容器法[5]、空調室法[6]和化學示蹤法[7]等，這些方法由于存在對植物的破壞性較大、成本較高和操作較困難等問題而限制了其大面積的應用。近年來，熱技術方法由于具有基本保持樹木的自然生長狀態、連續觀測、易于野外操作和遠程下載數據等優點而得到了廣泛應用[8]。熱技術方法主要是通過測量樹干蒸騰來反映植株的蒸騰狀況，樹干蒸騰是指由于植株蒸騰引起的莖部上升流，樹干是蒸騰通道的咽喉部位，因此，通過精確測量植株的蒸騰量可以基本反映蒸騰失水量。試驗應用熱技術方法研究加氧灌溉條件下溫室甜瓜的植株蒸騰特征，并分析植株蒸騰與環境因子的定量關系，從而為溫室甜瓜灌溉制度的制定和溫室環境的調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

加氧灌溉試驗于2009年4～7月在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室的玻璃溫室內進行。玻璃溫室結構為房脊型，長、寬和高分別為36.0、10.3和4.0 m，溫室內南、北墻分別裝有大型風機和濕簾來調節室內的溫、濕度。玻璃溫室內0～70 cm土層平均土壤干容重為1.38 g/cm3，田間持水量為23.6%（質量含水率）。土壤有機質含量為14.03 g/kg，全氮含量為1.21 g/kg，全磷含量為1.07 g/kg，全鉀含量為21.16 g/kg，土壤肥力中等。

1.2 試驗設計

試驗甜瓜品種為“一品天下208”，基質穴盤育苗，2009年4月19日3葉1心時定植在壟上，7月1日收獲。每壟定植1行甜瓜，甜瓜的株距和行距分別為40 cm和100 cm。每小區面積為7.2 m2，采用直徑20 cm蒸發皿的2日累積蒸發量作為地下滴灌的灌水定額，為防止水分側滲，小區之間用深70 cm的塑料薄膜隔離。滴灌的加氧頻率為每兩天1次，輸氣毛管埋深20 cm，與輸水毛管間隔10 cm并排埋設，出氣處為直徑6 mm、間隔120°的3個出氣口，出氣口用2 mm厚的無紡布包裹，以防止土壤顆粒進入毛管和保證出氣均勻。通過空氣壓縮機向輸氣毛管內通氣，通氣量按以下公式計算：

V=S·L·（1-■）（1）

式中，V為每次加氣量（L），S為壟的橫截面積（m2），L為壟長（m），ρs為土壤比重，ρb為土壤容重（g/cm3）。據此可以得到每壟每次的加氣量為148.942 L。

溫室甜瓜的施肥、打藥等其他田間管理措施均相同。

1.3 項目觀測與方法

觀測項目包括植株蒸騰和環境因子，其中蒸騰采用美國Dynamax公司生產的包裹式液流測量系統進行液流速率的監測，數據監測精度為每半小時一次，然后利用配套的計算軟件把電壓數據轉換為蒸騰數據。采用盆栽稱重法對熱技術法進行精度校正；環境因子包括地溫、太陽總輻射、光合有效輻射、氣溫、氣壓和相對濕度，其中地溫采用錦州華天氣象儀器制造有限公司生產的HTRM-I系列溫度測量系統監測，太陽總輻射、光合有效輻射、氣溫和相對濕度利用放置在溫室內的WEATHER-HAWK小型自動氣象站監測，環境因子的監測時間分辨率均為1 h。

2 結果與分析

2.1 不同天氣條件下植株蒸騰特征

葉片是植物蒸騰作用的主要器官，蒸騰速率的大小受葉片氣孔開度大小的控制，而葉水勢是影響氣孔開度的直接原因。一般來說，晴天條件下光照較強，溫度較高，葉水勢增大，葉片氣孔開度增加；陰天和雨天光照減弱，溫度降低，葉水勢隨之降低，葉片氣孔開度減小。在溫室甜瓜的伸蔓期，典型天氣條件下3個連續晴天（4月26日、27日和28日）、陰天（4月23日、30日和5月4日）和雨天（5月8日、9日和10日）的植株平均蒸騰速率的變化特征如圖1。

由圖1可知，不同天氣條件下溫室甜瓜植株蒸騰速率日變化存在較大差異。晴天的植株蒸騰速率變化趨勢呈明顯的單峰曲線，蒸騰強度從早晨7：00左右開始迅速增加，到中午12：00達到一天中的最大值120.44 g/h（單株的蒸騰速率，其他地方同），之后迅速降低，到19：30下降到13.41 g/h，夜間在該值附近輕微波動；蒸騰強度在14：00～16：30之間有較大的波動，這是因為溫室天窗和濕簾的開啟影響到了溫室環境的改變，從而影響到了葉片氣孔的開度。陰天和雨天的植株蒸騰強度啟動時間相對于晴天有所推遲，推遲時間約為1 h；陰天的植株蒸騰強度啟動后緩慢增加，在15：00達到一天中的最高值41.34 g/h，之后迅速降低，19：30降低到8.83 g/h；雨天的植株蒸騰速率變化較為緩和，一天中沒有明顯的最大值和最小值，這是因為雨天的溫度和光照變化較小，氣孔的開度變化也弱。

2.2 植株蒸騰速率與環境因子的相關分析

在土壤水分供應充足的條件下，環境狀況決定了葉片氣孔的開閉程度，進而影響到植株的蒸騰速率。研究氣象因子與蒸騰的定量關系，可以有效地調節溫室環境，在不損害作物正常生長的前提下減少無效水分蒸發，為節水灌溉提供理論依據。相關分析是研究自然現象之間是否存在某種依存關系，并對具體有依存關系的現象探討其相關方向以及相關程度，是研究隨機變量之間的相關關系的一種統計分析方法。不同天氣條件下各環境因子與植株蒸騰速率的相關關系見表1。

由表1可知，不同天氣條件下溫室甜瓜植株蒸騰速率均與太陽總輻射、光合有效輻射極顯著相關，與大氣壓、地溫的相關性較小。晴天條件下蒸騰速率與氣溫和空氣相對濕度也極顯著相關，說明晴天中蒸騰速率的受控因素較為復雜。陰天、雨天條件下蒸騰速率僅與太陽總輻射、光合有效輻射極顯著相關。說明在任何天氣情況下，通過改變太陽總輻射和光合有效輻射可以有效地調節溫室甜瓜的蒸騰速率，即在太陽輻射較強時溫室可以采取遮陰措施，而在輻射較小時可以人為增加光源，從而達到植物較少蒸騰失水，實現水分的高效利用。

2.3 植株蒸騰速率與環境因子的多元回歸分析

相關分析僅表示各環境因子對植株蒸騰速率影響的強弱，無法利用環境因子的變化預測植株蒸騰速率的變化。回歸分析是研究因變量與自變量之間變動比例關系的一種方法，最終結果一般是建立某種經驗性的回歸方程。多元線性回歸是最簡單的擬合模型，選取相關分析中與甜瓜植株蒸騰速率相關性極顯著的各環境因子與蒸騰速率建立回歸模型，回歸方程的表達式分別為：

■s=-10.299+0.513 x1+0.117 x2+0.140 x3+255.01 x4（2）

■c=5.458+0.259 x3+150.112 x4 （3）

■r=6.286+0.033 x3+30.905 x4 （4）

式中，ys、yc和yr分別為晴天、陰天和雨天的蒸騰速率，x1、x2、x3和x4分別為氣溫、相對濕度、太陽總輻射和光合有效輻射值。

由方程的決定系數可知，晴天條件下利用環境因子預測植株蒸騰速率精度較高，陰天次之，雨天最差，這與不同天氣條件下植株蒸騰速率的日變化相一致，即晴天的植株蒸騰速率較為規律，與環境因子的相關性較強，而雨天的植株蒸騰速率規律性較弱，與環境因子的相關性也弱，利用環境因子預測蒸騰速率較為牽強。

把不同天氣條件下的環境因子數據分別代入方程（2）、（3）和（4），得到植株蒸騰速率的預測值，將觀測值與預測值繪入散點圖，結果如圖2。

從蒸騰速率觀測值與預測值的回歸曲線可以看出，晴天的蒸騰值較接近回歸曲線，在蒸騰速率值較大時擬合效果不甚理想；陰天的蒸騰速率值在回歸曲線附近波動，但偏差較大。雨天的蒸騰速率值偏離回歸曲線較大，數據點較為分散，因此利用晴天的環境因子數據預測植株蒸騰是可信的。

3 小結

蒸騰是植物散失水分的重要途徑，人工掌控蒸騰速率是實現高效節水農業的有效手段。通過熱技術方法研究發現晴天條件下植株蒸騰速率受環境因子中的太陽總輻射、氣溫、光合有效輻射和相對濕度的強烈影響，因此通過改變溫室環境中的輻射強度和相對濕度可以達到有效調節作物蒸騰的目的；陰天和雨天條件下植株蒸騰規律性較差，與環境因子的相關性也差，但由于陰天和雨天植物蒸騰較弱，植株失水可以忽略不計，該種環境條件下的植物蒸騰不作為節水農業考慮的范疇。

參考文獻：

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