日光溫室覆膜滴灌條件下茄子需水規律研究

杜秋月，李木子，孫書洪,2，葉瀾濤,2

(1.天津農學院，水利工程學院，天津 300384；2.天津市農業水利技術工程中心，天津 300384)

設施栽培是指對栽培技術進行精準化的操作，通過先進的設施技術，使得栽培工作得到更加充分有效的管理和控制。目前主要的設施技術是指利用塑料大棚、日光溫室和小拱棚等對瓜果進行春提早或秋延后栽培的技術。其技術要點是對大棚室內溫度、濕度、各類氣體、光照等的有效調控。據統計，截至2004年，我國設施農業的占地面積發展到了210 萬hm2，蔬菜人均占有量達到了70 kg[1-4]。設施栽培條件下，光照、溫度、濕度、風速等氣象因素與露天環境下的氣象因素不同，相較于露天作物，設施栽培作物所處的生長環境特征表現為：光照條件較弱，增溫保溫效果較好，風速小，空氣濕度較大。目前國內外眾多研究學者對于設施作物進行了需水量計算研究，并累積了大量實測資料，取得了一定的研究成果。針對設施作物的生長和栽培特點，探求作物全生育期需水量及需水規律，指導農業節水提供依據，進而緩解農業用水短缺，提高農業用水效率具有重要的實際意義[5-9]。同時節水灌溉條件下的設施栽培作物的需水規律研究也是目前農業與生態節水領域的研究重點之一。由于地域及栽培模式等因素差異阻礙了研究結果的通用性，致使許多研究成果無法直接應用到實際生產中[10-13]。本文針對地下水埋深較淺的低平原區開展了覆膜滴灌條件下日光溫室茄子的需水量以及需水規律研究,本試驗研究中對作物全生育期采取了充分灌溉，可為區域節水灌溉提供技術指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料及設計

試驗區位于天津市靜海區陳官屯鎮胡辛莊村。該地區北緯38°46′，東經116°53′，處于華北大平原的東北部，地勢低平，海拔一般為3～4 m。屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，春秋季節短，冬夏季節長。降水多集中在夏季，年平均降水量約590 mm 7月份最多，平均205 mm，1月份最少，平均3 mm。年平均蒸發量1 778 mm。多年平均氣溫11.9 ℃，累年平均無霜期193 d，平均日照2 699 h，日照率61%。地下水位埋深在1.5～2 m內。

試驗在二代日光溫室中進行，溫室地塊長110 m，寬8 m。試驗區土壤類型為潮土，土壤的基本性狀見表1。試驗期間溫室內種植東方長茄，茄子定植日期為2017年10月22日，品種為，種植方式為育苗栽種，植株兩行之間距離為40 cm，膜與膜之間距離為90 cm，植株橫向之間距離為60 cm，滴灌帶滴頭間隔為30 cm，主管直徑為4 cm，滴灌帶直徑為1.5 cm。灌溉水源來自深水井，灌溉方式為膜下滴灌。

表1 土壤的基本性狀Tab.1 The basic characteristics of soil

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤含水率的測定

用土鉆取溫室大棚中央位置處土壤，每次測定兩個點，分別為膜內一個點和膜外一個點。取土深度為0～100 cm，每20 cm一層，共5層，每周取樣測定一次。對覆膜滴灌條件下的土壤含水率進行加權平均，求得整個測試深度0～100 cm的土壤平均含水率。

1.2.2 生長性狀指標的測定

選定大棚內五株植株掛牌標記，7 d進行一次株高、葉面積及莖粗的測量，現場測量工具分別為皮尺和游標卡尺。用直尺測量各葉片的葉長和最大葉寬，將葉片視作矩形，葉片的計算面積即是葉長與最大葉寬之積。將測量葉片帶回實驗室，用AM-300手持式激光葉面積儀掃描葉片實際面積，對葉片實際面積與計算面積之間的關系進行研究，并對試驗數據進行了對比分析。得到葉片實際面積與計算面積之間的計算公式為：y=0.644 9x+9.241 4，相關系數R2=0.9934，x為茄子葉片實測面積，y為茄子葉片計算面積。

1.2.3 溫室環境因子的測定

溫室中氣溫、相對空氣濕度采用優利德(UNI-T)數字溫濕度計記錄儲存數據(溫度測量精確度±1.0 ℃，濕度測量精確度±2.5%RH)。數據記錄儀放置在距離溫室地面1.5 m高度處。地溫采用便攜式電導率測試儀測試。采用CI-340便攜式光合測定儀測定植株上部葉片的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)等光合參數。每7 d測量一次，選定葉片位于植株頂端第3片葉片，重復測定3次，取其測定平均值。

1.2.4 需水量的計算

水量平衡法是根據作物根區內水的質量守恒來估算作物需水量。該方法簡單易操作，而且還能達到足夠的精度，在作物需水規律研究中應用廣泛。其表達式為：

ET=M+P+Δw-R±q

(1)

式中：ET為田間蒸散量(即需水量)；M為灌水量，可由水表控制；P為降水量；Δw為根系層內儲水量的變化；R為徑流量；q為根系層地下水補給量(向下為正，表示地下水上升補給，向上為負，表示下滲)，以上變量的單位均以mm計。

在日光溫室條件下，降雨量及徑流量均不考慮。對式(1)簡化得：

ET=M+Δw±q

(2)

用土壤含水率表達式(2)，可寫出下式：

(3)

式中：θt2、θt1分別為t2時段土壤含水率和t1時段土壤含水率；γ為計劃濕潤層內土壤的干密度，g/cm3；H為土壤計劃濕潤層，cm。

根系層儲水量Δw的變化可通過土壤含水率獲得，此處根系層深度取100 cm，對于單元土體從t1到t2時段根系層內水量平衡方程式：

Wt2-Wt1=M-ET±q

(4)

式中：Wt2、Wt1分別為t2時段末土壤水量和t1時段初土壤水量，mm。

1.2.5 根系層下界面水分通量計算

當地下水埋深較淺時，在土壤水勢梯度作用下，地下水與土壤水之間會產生水分交換。當根系層土壤儲水量大于臨界儲水量時，根系層下界面水分通量方向向下，當根系層土壤儲水量小于臨界儲水量時，根系層下界面水分通量方向向上，當根系層土壤儲水量等于臨界儲水量時，通量為零。由于試驗區在靜海，地下水位埋深在1.5～2 m內，需考慮地下水補給量。在國內，雷志棟等人(1993年)以分段函數的形式給出了根系層下界面水分通量q與根系層土壤儲水量w的經驗關系。

(5)

式中：W為根系層土壤儲水量；WC為根區通量變向臨界土壤儲水量(以下簡稱臨界儲水量)；KBU和KBD分別為上補系數和下滲系數。

由于孫書洪的試驗條件即土壤條件，地下水條件，氣象條件與本試驗一致。所以根據孫書洪對于天津市西青區試驗地的數據進行分析得出:KBU=0.006,KBD=0.036；WC=280 mm[14]。

2 結果分析

2.1 日光溫室環境因子分析

研究茄子生長期內典型日(2017-12-19)平均土壤溫度(地表0～5 cm)與日平均氣溫的變化過程，見圖1。白天氣溫明顯高于地溫，夜間氣溫略低于地溫。9∶30-10∶00左右氣溫上升較快，之后超過地溫，13∶00-14∶00氣溫達到峰值之后又迅速回落，在17∶30-18∶00左右氣溫降低到地溫以下，夜間氣溫和地溫保持恒定。其中隨著茄子生育成長，溫室內日平均土壤溫度(地面下5 cm處)與日平均氣溫有非常好的線性關系，經計算分析得其相關系數達到0.82以上。并且溫室內空氣濕度受到溫室外空氣濕度的影響較小。

圖1 茄子典型日(2017-12-19)土壤溫度(5 cm處)和空氣溫度的日變化過程線Fig.1 Diurnal variation of soil temperature (5 cm) and air temperature on a typical day of eggplant (2017-12-19)

2.2 茄子葉面積指數隨時間變化規律

根據測試結果繪制出茄子葉面積指數隨時間變化過程線，見圖2。測試時間從定植后15 d開始，即2017年11月8日起始測定葉面積指數，為0.389，隨后逐漸增大，到2018年1月20日達到最大值為1.068，緊接著開始減小，到2018年3月27日時減小到0.59，在進入到2018年4月7日過程中又呈現上升趨勢。茄子葉面積指數出現多個減小增大的波動，主要原因是茄子有剪枝的管理措施。

圖2 設施茄子葉面積指數變化過程線Fig.2 Process line of leaf area index of eggplant in facilities

2.3 茄子生長性狀指標隨時間變化規律

定植之后的一個月內茄子處于緩慢生長階段，株高的變化較為平緩，達到開花坐果期以后，茄子進入到快速生長階段，株高不斷增大，趨勢較陡。直到結果后期，株高不再增長，高度基本穩定。茄子生育期內葉面積的變化趨勢與株高變化趨勢類似，隨著生長期的延長葉面積值逐漸增加，前期增長速度較快，后期增長速度較慢。茄子莖粗隨其發育成長而增加，在苗期茄子的生長主要以營養為主，莖粗增長較快。進入開花坐果期后莖粗的增長明顯減慢直至趨于穩定。

2.4 茄子測試期間的灌水時間與灌水量

表2給出了茄子測試期間的灌水時間與灌水量。測試期間共210 d，期間灌水12次，灌水間隔13～25 d，共計灌水量510 mm。

表2 茄子生長期灌水時間與灌水量Tab.2 Irrigation time and irrigation volume of eggplant

2.5 茄子需水規律

圖3給出了茄子試驗測試期間參考作物葉片蒸騰速率的變化過程。由圖3可以看出，日光溫室茄子葉片每天的蒸騰速率隨著植株發育成長而逐漸增大，苗期變化幅度較小，變化范圍為1.2～3.79 mm/d；開花坐果期變化幅度較大，變化范圍為2.951～6.78 mm/d；結果后期變化幅度又開始變小，變化范圍為2.06～3.44 mm/d。

圖3 茄子葉片蒸騰速率隨時間的變化過程Fig.3 Changes of transpiration rate of eggplant leaves over time

測試茄子生長期內各土層土壤含水率，做出土壤含水率變化圖，該試驗研究中采用的是膜下滴灌局部灌溉，設置了膜內土壤含水率與膜外土壤含水率變化對照，見圖4。

圖4 茄子溫室滴灌膜內膜外土壤含水率比較Fig.4 Comparison of soil moisture content outside the intima of drip film in eggplant greenhouse

由圖4可以看出茄子生育期膜內土壤含水率與膜外土壤含水率的相關關系表現為各土層膜內土壤含水率均高于膜外。主要原因是膜下滴灌的滴灌帶在膜內，從而減少了植株棵間蒸發。同時隨著深度的增加，膜內土壤含水率與膜外土壤含水率的差異也在逐漸變小。

根據實測的土壤含水率，茄子需水量采用水量平衡方程計算。得到擬合需水量變化，與實測需水量相比較(見圖5)。茄子生育期內擬合需水量與實測需水量之間的相關系數R2=0.824 9，相關性較好。由圖5可以看出，在適宜水分條件下，日光溫室茄子的需水規律表現為苗期小，最少需水量為0.7 mm/d，進入開花坐果期逐漸增大，到結果盛期最大可達到6.344 mm/d，進入結果后期又開始逐漸減小。

圖5 茄子需水量在生育期內變化規律Fig.5 Variation of water requirement of eggplant during growth period

對茄子需水規律及其葉片蒸騰速率與之間的關系進行研究，并對試驗數據進行了分析。見圖6，其中茄子需水規律及其葉片蒸騰速率之間的相關系數R2=0.838 6。由圖6可知，茄子需水規律與葉片蒸騰速率變化規律具有較好的相關性，呈現為苗期小、結果盛期大、后期變小的趨勢。

圖6 茄子需水規律與葉片蒸騰速率關系圖Fig.6 Relationship between water demand and leaf transpiration rate of eggplant

3 結 語

通過在試驗區對作物進行試驗及數據整理分析后，得出以下結論：

(1)葉片的蒸騰速率隨著植株生育成長而增大，苗期的蒸騰速率較小，最小值為1.2 mm/d ，開花坐果期的蒸騰速率較大，進入結果盛期最大蒸騰速率可達到6.78 mm/d，后期的蒸騰速率又開始變小。

(2)茄子需水規律在整個生育階段與葉片蒸騰速率變化規律具有較好的相似性，呈現為苗期小、開花坐果期大、結果盛期達到最大、后期變小的趨勢。其中結果盛期的最大需水量可達到6.344 mm/d，苗期需水量較少，最小值為0.7 mm/d。

(3)茄子生育期內各土層膜內土壤含水率均高于膜外，覆膜有效抑制了棵間土壤蒸發，有一定的抑蒸保墑作用。覆膜在一定程度保持土壤水分，是提高水分利用效率的重要農業生產措施。

在實際操作中，葉片蒸騰速率通過CI-340便攜式光合測定儀測定，方便快捷，研究中初步擬定了葉片蒸騰速率與作物需水規律相關關系，且相關性較好，由此通過葉片蒸騰速率來估算作物需水量，為試驗研究提供了便捷。但是本研究中考慮的因素較少，還需要繼續優化研究。