溫室滴灌黃瓜產量和水分利用效率對水分脅迫的響應

毋海梅，閆浩芳，張 川，黃 松，Sam Acquah Joe

溫室滴灌黃瓜產量和水分利用效率對水分脅迫的響應

毋海梅1，閆浩芳1※，張 川2，黃 松1，Sam Acquah Joe1

（1. 江蘇大學流體機械工程技術研究中心，鎮江 212013；2. 江蘇大學農業工程研究院，鎮江 212013）

為確定滴灌條件下溫室黃瓜的適宜灌水方案，該文基于20 cm標準蒸發皿的累計水面蒸發量設計不同灌水處理，研究了滴灌條件下不同灌水處理（充分灌水T1，輕度水分虧缺T2，中度水分虧缺T3）對不同種植季節溫室黃瓜生理特性、耗水量（Evapotranspiration，ETc）、產量及水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的影響，且于2017年8—12月（秋冬季）和2018年3—7月（春夏季）分別對不同灌水處理下土壤水分狀況、作物生理指標、耗水量、產量和WUE等指標進行了系統的田間試驗觀測及分析。研究結果表明，隨著灌水量的減小，溫室黃瓜產量和WUE均呈降低趨勢，不同程度的水分虧缺對黃瓜不同生育期ETc有一定的抑制作用，在黃瓜生長任一階段發生水分虧缺均會降低黃瓜植株的莖流速率、光合速率及氣孔導度，進而可能影響黃瓜干物質的運轉與積累，其中在作物生長中期，溫室黃瓜莖流速率及產量對水分虧缺響應最為顯著。黃瓜平均單果質量、果莖、果長和單株坐果數均隨灌水量的降低而減小，黃瓜果實畸形比例隨不同生長階段水分虧缺的增大而增大。不同種植季節溫室黃瓜T1處理的產量分別高出T2和T3處理的22.0%和51.2%（春夏季）、54.2%和73.9%（秋冬季）；溫室黃瓜T1處理的ETc分別高出T2和T3處理的17.4%和34.9%（春夏季）、24.0%和48.0%（秋冬季）；T1處理的WUE分別高出T2和T3處理的5.5%和25%（春夏季）、39.7%和50.0%（秋冬季）。綜合研究結果，黃瓜發育期適宜灌溉水量為累計水面蒸發量的0.8倍，生長中、后期為累計水面蒸發量的1.2倍。研究結果對實現農業水分高效利用及促進設施作物優質、高產具有重要參考價值。

溫室；蒸騰；蒸騰蒸發量；黃瓜；光合速率；產量

0 引 言

水分是一切生物維持生命必不可少的因素，大量研究表明，在光、熱條件滿足的情況下，水分供給是影響蔬菜作物產量和品質的主要因素之一[1-2]。由于蔬菜作物產量高、生長速度快、生長期間對水分的需求量較大且敏感，所以制定合理的灌溉制度對于提高蔬菜產量和品質具有重要的意義[3-6]。

影響作物產量和品質的因素很多，作物葉片光合速率、氣孔導度和莖流速率等直接關系著干物質的運轉與積累[7-8]，而土壤的水分狀況通過對作物生理生態指標的影響，進而間接影響到作物的產量及水分利用效率[9]。牛勇等[10]研究不同灌水量對溫室內膜下滴灌黃瓜植株形態、光合速率、產量及品質等指標的影響，結果表明，黃瓜株高受不同程度水分虧缺影響不明顯，而葉面積、光合速率和產量均隨土壤水分的增大而增大，最終選擇灌水下限為85%的田間持水量作為溫室黃瓜膜下滴灌的最適宜灌水下限。韓建會等[11]通過水分生產函數和回歸分析方法描述了水分虧缺對日光溫室黃瓜產量的影響，表明日光溫室黃瓜水分與產量相關性比較顯著。廖凱[12]采用盆栽試驗，模擬溫室黃瓜膜下滴灌條件下不同土壤體積含水率對黃瓜生理生態指標、產量與品質的影響，發現在黃瓜整個生長階段內，黃瓜葉片的光合速率與氣孔導度兩者呈正相關關系，在生長中期土壤體積含水率保持在75%～90%的田間持水量時可以提高光合速率和氣孔導度，即在溫室黃瓜整個生育期內控制灌溉上限為90%的田間持水量為宜，能達到豐產、高效用水的目的。

綜上所述，以往研究對灌溉水量上、下限的確定主要依據田間土壤持水量，然而，由于研究區域土壤類型及土壤體積含水率觀測手段及方法等的差異性，使得僅僅依據田間持水量及土壤水分含量確定準確的灌溉水量存在一定的局限性和不確定性。原保忠等[13]采用20cm標準蒸發皿的蒸發值來確定溫室番茄的滴灌灌水量，結果得出，番茄生育期內累計實際灌水量、蒸發皿累計蒸發量和作物累計需水量存在較好的一致性，提出可用日光溫室內作物冠層上蒸發皿蒸發量作為指導灌溉的指標，并提出在塑料溫室內馬鈴薯和草莓栽培蒸發皿系數分別以0.75[14]和1.1最佳[15]；然而，由于不同研究中溫室類型、灌水方式及作物種類的差異，導致依據蒸發皿系數確定灌水制度的研究結果存在較大的差異。

因此，本研究基于 Venlo型溫室內作物冠層頂端20 cm標準蒸發皿蒸發量，對溫室黃瓜不同生育階段設定不同灌溉水量，分析不同種植季節及生育階段溫室黃瓜各項生理指標、耗水量、產量及水分利用效率對不同程度水分虧缺的響應機理，確定溫室黃瓜各生育階段適宜的灌水方案，探尋提高溫室黃瓜水分利用效率的有效途徑，為溫室黃瓜優質生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及供試材料

本研究試驗于2017年8—12月（秋冬季）和2018年3—7月（春夏季）在江蘇大學現代農業裝備與技術省部共建重點實驗室Venlo型溫室內進行。試驗點位于江蘇省鎮江市（32°11′N、119°25′E，海拔23 m），屬亞熱帶季風氣候。試驗用Venlo型溫室屋脊呈南北走向，南北長20 m，東西長32 m，面積為640 m2，檐高4.4 m，跨度6.4 m，共兩跨，每跨有2個小屋頂，溫室覆蓋材料為厚4 mm的浮法玻璃。試驗土壤質地為沙壤土，作物根區土壤容重為1.266 g/cm3，田間持水量（FC）為0.408 cm3/cm3，凋萎系數（WP）為0.16 cm3/cm3。試驗選取目前國內種植比例較大的黃瓜（品種油亮3_2）作為供試作物。

1.2 試驗設計及試驗過程

按照FAO-56推薦方法[16]，黃瓜生育期劃分為生長初期、發育期、中期和后期共4個生育階段。不同種植季節溫室黃瓜生育階段的劃分見表1，春夏季和秋冬季溫室黃瓜全生育期天數均為120 d。春夏季和秋冬季幼苗期不做水分處理，發育期和中、后期設3個水分處理，分別為充分灌溉（T1）、輕度虧缺灌溉（T2）和中度虧缺灌溉（T3）。本試驗以20 cm標準蒸發皿蒸發量作為參考依據，當累計水面蒸發量（E）達到（20±2）mm時進行灌水。試驗黃瓜不同種植季節及生育期均設計3個灌水處理，表2為溫室黃瓜各生育階段不同灌水處理下的蒸發皿系數。在黃瓜生育期，秋冬季T1、T2和T3處理灌水量分別為0.9E、0.75E和0.5E，春夏季這3個處理灌水量分別為0.8E、0.6E和0.4E。中期和后期，秋冬季T1、T2和T3處理灌水量分別為1.2E、0.9E和0.6E，春夏季分別為1.2E、1.0E和0.8E。各處理進行4次重復，每個處理共36株，各重復小區面積為3 m×0.65 m×0.45 m，每個重復共有6株黃瓜，各重復之間用埋深30 cm的塑料隔板隔離。

分別于2017年8月21日（秋冬季）和2018年3月2日（春夏季）育苗，定植日期分別為2017年9月4日和2018年3月23日。試驗采用滴灌灌水方式（滴頭間距30 cm，滴頭流量1.0 L/h），滴灌帶布設方式為兩行一帶，試驗槽畦長16.7 m，寬0.9 m，采用雙行種植模式，行距45 cm，株距40 cm，種植密度為6.63株/m2。定植前施復合肥料（高濃度硫酸鉀型）作為底肥。黃瓜植株進入發育期后使用落蔓器將黃瓜植株懸吊在溫室上方的鐵絲上，每隔3 d人工授粉1次，同時進行噴藥等農作管理。

采用滴灌方式灌溉，水分處理開始日期分別為2017年9月15日（秋冬季）和2018年4月4日（春夏季）。為確保黃瓜幼苗成活，定植后以滴灌方式補充灌水20 mm[17]。將2個直徑均為20 cm的標準蒸發皿分別置于溫室內黃瓜作物附近的不同位置，在底部距離地面70 cm的固定支架上安裝標準蒸發皿[18]，于每日08:00，用精度為0.1 mm的配套量筒測定溫室內的水面蒸發量。當E達到（20±2）mm時進行灌水，不同種植季節溫室黃瓜各數相同，試驗期間春夏季灌水共22次，秋冬季灌水共有14次。

表1 不同種植季節溫室黃瓜生育階段的劃分

表2 溫室黃瓜各生育期不同灌水處理的蒸發皿系數

注：T1為充分灌溉；T2為輕度虧缺灌溉；T3為中度虧缺灌溉。下同。

Note: T1 is full irrigation; T2 is light deficit irrigation; T3 is moderate deficit irrigation. Same as below.

表3 溫室黃瓜不同水分處理下各生育階段的灌水量

1.3 測定項目與方法

1.3.1植株蒸騰

采用包裹式莖流計（Flow32-1k system，Dynamax，USA）監測系統觀測黃瓜植株莖稈液流速率，分別于5月13日—6月1日和6月10日—6月29日（春夏季），10月14日—10月30日和11月15日—11月28日（秋冬季），隨機選擇4～8株長勢良好無病蟲害的植株進行測定。為避免土壤熱量干擾，莖流計探頭包裹在地表以上20 cm處，為確保莖流計探頭與植株莖稈緊密接觸，莖流計傳感器類型為 SGA5-WS，所選探頭尺寸規格需滿足黃瓜莖稈直徑要求（5～7 mm）[18]。采用CR1000數據采集器，每15 min自動記錄1次數據，所采集的莖流量通過黃瓜的種植密度換算為植株蒸騰量。

1.3.2光合速率及氣孔導度

采用便攜式光合作用-熒光測量系統（GFS-3000，德國）在溫室黃瓜每個生育階段測定黃瓜植株葉片的光合速率和氣孔導度，同時使用外置紅藍光源，設置光強梯度為800mol/(m2·s)，流速設定750mol/(m2·s)。春夏季從2018年3月至7月，秋冬季從2017年9月至12月，測量時間范圍在08:00—18:00時進行，每隔1～2 h測定1次。在測量時，每個處理隨機選取黃瓜植株生長良好，無病蟲害，且能充分接收日照的葉片，并且盡量保證所選葉片空間取向和形狀相似，選取具有代表性的黃瓜植株冠層上層第三片功能葉的中間位置進行測定，為了避免因溫室環境等條件的改變而引起的測量誤差，每次測量時間控制在30 min以內結束。

1.3.3果實產量指標的測定

在果實成熟階段，每個處理取4個重復，每個重復標記6株，每次收獲時測量各處理黃瓜的果莖、果長及鮮質量，并計算各處理的產量。

1.3.4土壤體積含水率的測定

土壤體積含水率采用土壤水分、溫度及鹽分傳感器（Hydra Probe，TSL11300-Stevens）進行觀測，選擇最能代表作物根系附近土壤水分狀況—滴灌系統相鄰滴頭的中間位置[12]，將傳感器探頭埋置于地表下10 cm處，由CR1000數據采集器記錄每10 min觀測結果。

1.3.5 水分利用效率

水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）是指植物消耗單位蒸騰蒸發量所產生的作物光合作用量或生長量，也有研究將其定義為每消耗單位水量所產作物果實的鮮果質量，將WUE作為評價作物生長適宜程度的綜合生長發育指標。可用公式（1）計算溫室黃瓜滴灌條件下不同灌水處理的WUE[19]。

WUE=/ETc（1）

式中WUE表示水分利用效率，kg/m3；表示產量，kg/hm2；ETc表示作物生育階段的耗水量，mm。

ETc用水量平衡公式計算如下：

ETc=?+P++S+D（2）

式中?表示計算時段內30 cm深度內土壤儲水量變化量，mm；P表示計算時段內降雨量，mm，由于溫室內無降雨量，此項忽略不計；表示計算時段內的灌水量，mm；S表示計算時段內地下水的補給量，由于本次試驗灌溉方式為滴灌，且該區域地下水埋深較大，故S及深層滲漏量D也忽略不計。

2 結果與分析

2.1 不同灌水處理下黃瓜根系層土壤水分的變化規律

圖1為春夏季與秋冬季溫室黃瓜在不同灌水處理下根系層土壤體積含水率的變化特征。

圖1 不同灌水處理溫室黃瓜根系層土壤體積含水率變化

生長初期不設置水分處理，為確保植株的成活率，定植時灌水1次，黃瓜植株在生長初期耗水量較小，初始土壤體積含水率無明顯差異。春夏季和秋冬季分別從播種后天數為32和25 d開始進行不同灌水處理。春夏季黃瓜育苗時間在3月，氣溫較低限制了黃瓜幼苗的生長，而秋冬季的育苗時間在8月，氣溫較高，對于喜熱的黃瓜植株能快速生長，所以春夏季黃瓜灌水處理的開始時間較秋冬季遲。如圖1所示，春夏季和秋冬季分別在播種32和25 d后，隨著灌溉次數和耗水量的增加，不同灌水處理的土壤體積含水率開始出現明顯的差異，T1處理的根系層土壤體積含水率明顯高于T2和T3處理。由于春夏季灌水頻率較高，所以春夏季土壤體積含水率峰值比秋冬季多，春夏季不同灌水處理土壤體積含水率最大值均值分別為0.408、0.324和0.288 cm3/cm3，最小值的均值分別為0.257、0.227和0.193 cm3/cm3；秋冬季不同灌水處理土壤體積含水率最大值均值分別為0.405、0.322和0.269 cm3/cm3，最小值的均值分別為0.234、0.196和0.179 cm3/cm3。從進行水分處理到溫室黃瓜試驗結束，春夏季和秋冬季T1處理的土壤體積含水率均值分別為0.339和0.337 cm3/cm3，T2處理分別為0.257和0.265 cm3/cm3，T3處理分別為0.223和0.237 cm3/cm3，春夏季T1處理的土壤含水率均值分別比T2和T3高24.2%和34.2%（<0.05），秋冬季T1處理的土壤含水率均值分別比T2和T3高21.3%和29.7%（<0.05），由此發現，春夏季各處理間土壤含水率的差異大于秋冬季，T2和T3的均值低于秋冬季，原因是秋冬季太陽輻射低于春夏季，氣溫也低于春夏季，使得黃瓜作物的耗水受到了氣候因子的抑制。

2.2 溫室黃瓜莖流速率對不同程度水分脅迫的響應特征

不同灌水處理下春夏季和秋冬季黃瓜作物生長中期和后期的莖流速率日變化規律如圖2所示，隨著作物生育期的推進，黃瓜植株的莖流速率也隨之變化，當作物進入生長中期（圖2a和2c），植株葉面積指數和株高都達到最大值，植株莖流速率也隨之達到峰值。不同灌水處理下，春夏季溫室黃瓜生長中期莖流速率最大值分別為106.38、53.51和15.98 g/h，生長后期分別為42.52、30.71和19.32 g/h；秋冬季黃瓜生長中期分別為104.21、51.56 和 19.90 g/h，生長后期分別為29.94、18.38和8.01 g/h；春夏季黃瓜生長中期各灌水處理間莖流速率的差值分別為52.87 g/h（T1和T2）和37.53 g/h（T2和T3），秋冬季分別為52.56 g/h（T1和T2）和31.66 g/h（T2和T3）。楊再強等[20]對溫室番茄和Yamane等[21]對桃樹的研究結果均顯示水分虧缺狀況下植株莖流量顯著降低。在黃瓜生長后期，春夏季各處理間莖流速率的差值分別為11.81 g/h（T1和T2）和11.39 g/h（T2和T3），秋冬季差值分別為11.56 g/h（T1和T2）和10.28 g/h（T2和T3）。從上述結果可以得出，灌水處理（水分脅迫）對黃瓜生長中期莖流速率峰值的影響大于對生長后期的影響，主要是由于黃瓜進入生長后期，黃瓜植株逐漸衰老，各灌水處理黃瓜的生理機能下降，植株對水分需求量減少。

在黃瓜生長中期和后期，選擇晴天（2018年5月18日和6月19日）和陰天（2018年5月21日和6月20日）2種天氣狀況，對不同灌水處理下黃瓜植株莖流速率進行對比分析，如圖2所示，不同灌水處理單株黃瓜莖流速率的日變化規律相似。以秋冬季黃瓜生長中期（圖2c）為例，晴天各灌水處理（T1、T2和T3）最大莖流速率值分別為104.21、51.56和19.90 g/h，陰天分別為37.59、28.17和17.27 g/h，晴天灌水處理間差值分別為52.56 g/h（T1和T2）和31.66 g/h（T2和T3），陰天分別為9.42和10.91 g/h，各灌水處理莖流速率的大小表現形式為T1>T2>T3，晴天>陰天，且晴天各灌水處理間的差值比陰天更大。可以得出，水分虧缺抑制了黃瓜植株的莖流速率，在晴天尤為明顯。龔雪文等[17]研究不同灌水水平下單株番茄莖流速率的日變化過程，發現充分和虧缺灌水處理的番茄莖流速率在晴天差異最大，陰雨天較小，且滯后太陽輻射1 h，與本文研究結果一致。

圖2 不同灌水處理對黃瓜莖流速率的影響

2.3 溫室黃瓜光合速率及氣孔導度對不同程度水分脅迫的響應特征

光合作用是植株利用外界能量和物質合成自身需求物質的一項生理過程，它是作物產量形成的基礎，在作物生長的不同時期，水分虧缺對作物葉片的光合作用均產生不同的影響。作物葉片氣孔是調節作物水熱平衡的重要通道之一，而氣孔導度的大小直接影響到作物光合作用和蒸騰作用。圖3分別為春夏季和秋冬季不同灌水處理下溫室黃瓜生長中期光合速率與氣孔導度的日變化規律。生長中期的觀測時間間隔為1 h，觀測時間段為08:00—18:00。如圖3所示，在黃瓜作物生長中期，葉片光合速率和氣孔導度日變化規律呈雙峰型，春夏季和秋冬季黃瓜光合速率和氣孔導度日變化趨勢基本相似，日變化趨勢也基本相似，不同種植季節各灌水處理葉片光合速率和氣孔導度的表現形式均為T1>T2>T3。由于土壤含水率的減小會直接導致氣孔開度變小、葉片水勢升高及黃瓜葉面積減小，進而削弱了黃瓜葉片的光合速率，這一特征在T3水分處理上體現最為明顯，胡笑濤等[23]研究發現當作物經受水分虧缺時，會在根區不斷產生脫落酸并經由木質部傳輸到作物葉片減小氣孔開度，進而抑制作物葉片的蒸騰作用。

春夏季黃瓜生長中期各處理光合速率的峰值出現在12:00和15:00左右，最大值出現在15:00左右，T1、T2和T3處理下光合速率峰值分別為22.09、20.38和14.03mmol/(m2·s)；秋冬季各處理光合速率峰值出現在11:00和14:00左右，最大值出現在14:00左右，T1、T2和T3處理下光合速率值峰值分別為21.67、21.39和20.36 mmol/(m2·s)。春夏季黃瓜生長中期各處理氣孔導度峰值出現在11:00和14:00左右，最大值出現在14:00左右，T1、T2和T3處理下峰值分別為421.07、344.66和339.09 mmol/(m2·s)；秋冬季各處理光合速率峰值出現在11:00和15:00左右，最大值出現在15:00左右，T1、T2和T3處理下峰值分別為635.08、478.73和403.01 mmol/(m2·s)，春夏季T1處理光合速率和氣孔導度的最大值分別比T2和T3處理高7.7%和36.5%、18.1%和19.5%（<0.05），秋冬季T1處理光合速率和氣孔導度的最大值分別比T2和T3處理高1.73%和6.0%、24.6%和36.5%（<0.05），且春夏季雙峰值比秋冬季峰值出現時間推遲了1 h，可能是因為春夏季中期處于5月上旬，秋冬季處于9月中旬，9月相對于5月太陽輻射較大，氣溫較高。春夏季13:00與秋冬季12:00左右，由于中午氣溫和太陽輻射達到最大值，葉片氣孔關閉，出現光合“午休”現象，導致光合速率急速下降。

圖3 不同灌水處理對溫室黃瓜中期光合速率和氣孔導度的影響（觀測間隔：1 h）

圖4分別為春夏季和秋冬季不同灌水處理下溫室黃瓜生長后期光合速率與氣孔導度的日變化規律。在生長后期以2 h為測量時間尺度，觀測時間段為08:00—18:00。如圖4所示，在溫室黃瓜生長后期，當測量時間尺度為2 h時，葉片光合速率和氣孔導度日變化規律呈現單峰型，春夏季和秋冬季各灌水處理黃瓜葉片光合速率和氣孔導度的日變化趨勢基本相似，不同種植季節各灌水處理黃瓜葉片光合速率和氣孔導度的表現形式均為T1 > T2 > T3。春夏季和秋冬季黃瓜生長后期各處理光合速率和氣孔導度的峰值均出現在12:00—13:00左右，春夏季黃瓜在不同灌水處理下（T1、T2和T3）光合速率最大值分別為11.88、7.52和5.48 mmol/(m2·s)，氣孔導度最大值分別為219.58、182.08和142.47 mmol/(m2·s)；T1、T2和T3處理下秋冬季黃瓜光合速率最大值分別為9.87、5.79和3.95 mmol/(m2·s)，氣孔導度最大值分別為177.63、151.34和121.26 mmol/(m2·s)，春夏季TI處理光合速率和氣孔導度的最大值分別比T2和T3處理高36.7%和53.9%、17.1%和35.2%（<0.05），秋冬季TI處理光合速率和氣孔導度的最大值分別比T2和T3處理高41.33%和59.7%、14.8%和31.7%（<0.05），春夏季黃瓜光合速率和氣孔導度最大值均大于秋冬季，主要原因為春夏季黃瓜生長后期（6月）太陽輻射和氣溫較秋冬季黃瓜生長后期（11月份）大。

圖4 不同灌水處理對溫室黃瓜后期光合速率和氣孔導度的影響（觀測間隔：2 h）

2.4 不同灌水處理下溫室黃瓜ETc的變化規律

黃瓜生育期內不同灌水處理下日均ETc變化規律如圖5所示，春夏季和秋冬季不同灌水處理下日均ETc變化規律相似，均表現為T1 > T2 > T3。如圖所示，春夏季各處理日均ETc基本呈上升趨勢，主要是由于溫室內氣溫的升高導致黃瓜ETc增大。在溫室黃瓜生長發育期，春夏季T1、T2和T3處理下的日均ETc的變化范圍分別為2.35～3.36、2.02～2.51和1.57～1.97 mm/d，該生長階段不同灌水處理下日均ETc增長緩慢，且各處理間差異較小；在黃瓜生長中期，T1、T2和T3處理下日均ETc變化范圍分別為3.44～6.66、2.87～5.55和2.30～4.44 mm/d，該生長階段隨著氣溫的升高，作物ETc也隨之增大；在黃瓜生長后期，T1、T2和T3處理下日均ETc的變化范圍分別為3.43～5.64、2.86～4.70和2.23～3.76 mm/d。

秋冬季各處理日均ETc變化趨勢和春夏季類似，不同的是秋冬季的日均ETc普遍低于春夏季，主要原因是秋冬季（10—12月份）溫室內氣溫逐漸降低，對于喜熱的黃瓜作物，植株生長受到低氣溫的影響，使得日均ETc減小；秋冬季黃瓜生長發育期，秋冬季T1、T2和T3處理下日均ETc變化范圍分別為2.02～3.35、1.62～2.53和1.13～1.68 mm/d；在黃瓜生長中期，T1、T2和T3處理下日均ETc的變化范圍分別為2.47～3.85、2.05～2.89和1.40～1.92 mm/d，該階段由于氣溫的迅速降低使得黃瓜的ETc增長變緩慢，增長速度遠遠低于春夏季；在黃瓜生長后期，T1、T2和T3日均ETc變化范圍分別為1.71～2.92、1.29～2.38和0.87～1.70 mm/d，該階段由于氣溫很低，日均ETc也隨之降低。在作物生長中期，T1處理的ETc分別達到最大，春夏季為6.66 mm/d，秋冬季為3.85 mm/d。

圖5 不同種植季節溫室黃瓜不同灌水處理日均ETc的變化

2.5 不同灌水處理對溫室黃瓜產量、耗水量及WUE的影響

不同程度水分虧缺對作物各生育階段生長發育產生不同的影響，最終反映在作物的經濟產量和WUE上。在對溫室栽培管理技術的研究中，產量和WUE是確定準確灌水量的決定性因素。溫室黃瓜不同種植季節各灌水處理下黃瓜的產量、耗水量及WUE如表4所示，由表可知，隨著溫室黃瓜灌水量的減少，黃瓜耗水量、產量和WUE均呈降低趨勢。春夏季溫室黃瓜的產量、耗水量和WUE分別為51 062～104 598 kg/hm2、216.22～331.99 mm和23.61～31.50 kg/m3；秋冬季溫室黃瓜的產量、耗水量和WUE分別為16 295～62 586 kg/hm2、100.29～192.77 mm和16.25～32.47 kg/m3。各灌水處理間產量、耗水量和WUE差異顯著（<0.05），春夏季和秋冬季T1處理的產量、耗水量和WUE均最高，依次大于T2和T3處理。春夏季T1處理的產量分別高出T2和T3的22.0%和51.2%，秋冬季T1處理的產量分別高出T2和T3的54.2%和73.9%；春夏季T1處理的耗水量分別高出T2和T3的17.4%和34.9%，秋冬季T1處理的耗水量分別高出T2和T3的24.0%和48.0%；春夏季T1處理的WUE分別高出T2和T3的5.5%和25%，秋冬季T1處理的WUE分別高出T2和T3的39.7%和50.0%。

圖6為春夏季和秋冬季溫室黃瓜不同灌水處理下產量的對比，如圖所示，除春夏季前期（圖6a），在不同采摘期（前期、中期和后期），春夏季和秋冬季T1處理溫室黃瓜總產量在整個采摘期3個處理中最大，且其產量優勢主要是在作物生長（采摘）中期積累的，在作物生長初期3個水分處理的產量T1顯著小于T2和T3，在作物生長中期，T1處理黃瓜產量與T2和T3處理差異顯著。其原因是：在作物生長中期，黃瓜果實生長速度較快，隨著果實的膨大，對水分的需求也逐漸增大，T1處理的土壤平均含水率較高，黃瓜植株可以較為輕松的從土壤中獲取水分用來滿足植株生長需求及產量的形成；而土壤體積含水率較低的T2和T3處理，不利于黃瓜植株吸收水分，龔雪文等[26]研究發現充分灌水并不能顯著促進果實生長，但虧缺灌水必將抑制果實的正常發育，甚至導致減產。不同灌水處理對春夏季溫室黃瓜產量的影響與對秋冬季的影響相似，在黃瓜生長（采摘）初期，春夏季和秋冬季T2和T3處理的產量均高于T1處理，是由于黃瓜植株受水分虧缺的影響，會縮短植株生育期，導致早熟狀況。在作物生長中、后期，各處理的產量大小順序為T1 > T2 > T3，且各處理間的差異較作物生長初期更為顯著，表明在作物生長中、后期水分虧缺對產量的影響更顯著。

表4 不同處理黃瓜的產量、耗水量及水分利用效率

注：同列不同小寫字母表示同季節不同處理間差異達到顯著水平（<0.05）。下同。

Note: Different lowercase letters at same column indicate significant difference among treatments for same season (<0.05).Same below.

注：不同小寫字母表示相同生育期不同處理間差異達到顯著水平（P<0.05）。

2.6 灌水處理對溫室黃瓜產量形成過程的影響

通過監測不同灌水處理下春夏季和秋冬季溫室黃瓜的平均單果質量、果莖、果長、單株坐果數和果實畸形比例等數據，分析黃瓜植株及果實對不同程度水分虧缺的響應規律，見表5。由表可見，春夏季和秋冬季結果相似：溫室黃瓜平均單果質量、果莖、果長和單株坐果數均隨灌水量的減小而降低，各處理間單果質量差異較大。單株坐果數隨灌水量的增加而增多，T1與T2、T3處理的單株坐果數有顯著差異，T2與T3處理間的差異性不顯著。不同生長階段的水分虧缺都會導致黃瓜果實畸形比例的增大，不同處理黃瓜果實畸形比例以T3最高、T2次之、T1最低。作物生長中、后期是黃瓜發育成型及成熟的重要時期，對水分需求量較大，過多的水分虧缺會導致黃瓜果實難以成型，最終導致黃瓜果實畸形及壞死。

表5 灌水處理對黃瓜產量及構成要素的影響

3 討 論

以設施作物栽培的經濟效益最佳為基礎，以省水、省力、豐產為目標，本研究系統分析了不同種植季節（春夏季和秋冬季）溫室黃瓜各生育期生理特性、耗水量、產量及WUE等指標對不同灌水量的響應特征，結果顯示，較T2（輕度水分脅迫）和T3（中度水分脅迫）處理，T1處理（充分灌水）黃瓜植株長勢最好、光合作用最強、果實畸形比例最小且外觀優異，黃瓜耗水量、產量及WUE也均較T2和T3處理高。其中，在黃瓜生長中期，各項生理指標（莖流速率、氣孔導度和光合速率）對水分脅迫最為敏感，且比較黃瓜各項生理指標對水分脅迫的響應特征發現，黃瓜生長中期莖流速率較光合速率、氣孔導度對水分脅迫的響應更為顯著，其次是光合速率。Yamane等[21]對桃樹的研究結果均顯示水分虧缺狀況下植株莖流量顯著降低，劉浩[27]得出充分灌水的光合速率與氣孔導度分別高于虧缺灌水；本研究結果顯示，在作物生長中期，春夏季T1處理光合速率和氣孔導度的最大值分別高出T2和T3處理的7.7%和36.5%、18.1%和19.5%（<0.05），說明在黃瓜生長中期，黃瓜莖流速率較光合速率及氣孔導度對水分脅迫的響應更為顯著，其次是光合速率。以不同觀測時間間隔做對比，很明顯2 h觀測時間間隔不能體現12:00左右氣孔關閉的現象。這與牛勇等[10]研究結果相似，研究表明觀測時間間隔為2 h時，葉片光合速率和氣孔導度日變化規律均沒有呈現雙峰型（即葉片“午休”現象）。水分虧缺對黃瓜葉片光合速率和氣孔導度有明顯的影響，土壤體積含水率越高，植株葉片的光合速率越大，而土壤體積含水率過低，黃瓜葉片的氣孔“午休”現象愈加明顯。張西平等[28]研究結果顯示，在溫室膜下滴灌條件下，溫室黃瓜的光合速率受土壤體積含水率的影響，土壤體積含水率過低可能會抑制作物的光合作用，最終將導致作物產量的降低。本研究得出春夏季T1水分處理光合速率和氣孔導度的最大值分別高T2和T3水分處理的36.7%和53.9%、17.1%和35.2%（<0.05），可以得出，在黃瓜生長后期，水分脅迫對光合速率的影響較氣孔導度更顯著。

通過分析溫室黃瓜各項生理及產量等指標，本研究推薦T1處理為適宜研究區域溫室黃瓜適宜的灌水方案，即溫室黃瓜各生育期灌水量分別為0.8E（發育期）及1.2E（生長中/后期）。龔雪文等[26]通過華北地區日光溫室黃瓜耗水量、產量及品質指標等對灌水處理的研究，得出華北地區日光溫室黃瓜全生育期最適應的灌水量是選用0.75E；而Zhang等[29]的研究結果顯示，西南地區日光溫室地下滴灌黃瓜全生育期灌溉水量為0.8E；Yuan等[30]提出在塑料大棚內馬鈴薯和草莓栽培全生育期最佳灌水量分別為0.75E和1.1E。由此可見，由于溫室類型、灌水方式及作物種類等的差異，在依據蒸發皿系數確定溫室作物適宜灌水方案的研究結果方面與本研究基于Venlo型溫室黃瓜確定的灌溉水量存在較大的差異。

因此，研究滴灌條件下溫室作物的節水灌溉指標還需進一步與實際情況相結合，逐步使溫室等設施農業的水分管理更制度化、科學化，此外，本研究依據蒸發皿系數確定溫室作物適宜的灌水方案可及時根據土壤水分變化狀況控制灌溉。

4 結 論

1）春夏季和秋冬季溫室黃瓜不同灌水處理下土壤根系層含水率及日均量變化趨勢相似，其表現形式均為充分灌溉（T1）最高、輕度虧缺灌溉（T2）次之、中度虧缺灌溉（T3）最低。不同程度的水分虧缺對黃瓜生育期的蒸騰蒸發量有一定的抑制作用，在黃瓜生長中期、后期表現尤為顯著，而對作物生長初期和發育期的抑制作用不太顯著。在作物生長中期，T1處理的蒸騰蒸發量分別達到最大，春夏季為6.66 mm/d，秋冬季為3.85 mm/d。

2）溫室黃瓜莖流速率日變化趨勢呈單峰曲線；灌水量越高，莖流速率越大。觀測時間間隔為1 h時，黃瓜光合速率與氣孔導度的日變化均呈雙峰型，各灌水處理下溫室黃瓜光合速率和氣孔導度的日變化趨勢基本相似，春夏季T1處理光合速率和氣孔導度的最大值分別高出T2和T3處理的7.7%和36.5%、18.1%和19.5%（< 0.05）。水分虧缺直接影響黃瓜作物的光合作用，導致黃瓜氣孔開度下降、葉片水勢升高及黃瓜葉片氣孔“午休”現象愈加明顯，這一特征在T3灌水處理上體現最為明顯。

3）隨著灌水量的減少，黃瓜的產量和水分利用效率均呈降低趨勢，各灌水處理間產量、耗水量和水分利用效率差異均明顯，T1處理的產量顯著高于T2和T3（<0.05）；春夏季T1處理的水分利用效率顯著高于T2和T3的5.5%和25%，秋冬季分別為39.7 %和50.0%（<0.05）。溫室黃瓜平均單果質量、果莖、果長和單株坐果數均隨灌水量的減少而減小，各灌水處理黃瓜單果質量差異較大，果莖、果長和單株坐果數差異較小，黃瓜果實畸形比例表現形式為T3最高、T1最低。不同生育階段的水分虧缺都會導致溫室黃瓜果實畸形比例的增大，尤其在作物生長中期和后期。

4）通過分析溫室黃瓜不同生育期各項指標對灌溉水量的響應特征，本研究確定的滴灌條件下黃瓜適宜的灌水量分別為累計水面蒸發量的0.8倍（發育期）及1.2倍（生長中/后期）。

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Responses of yield and water use efficiency of drip-irrigated cucumber in greenhouse to water stress

Wu Haimei1, Yan Haofang1※, Zhang Chuan2, Huang Song1, Sam Acquah Joe1

(1.,,212013,; 2.,,212013,)

To optimize the drip irrigation schedule of greenhouse cucumber is of great significance for achieving efficient use of agricultural water, promoting high yields and quality of facility crops and improving farmers' living standards. The greenhouse cucumber was planted in 2017 (autumn-winter planting season) and 2018 (spring-summer planting season) in the Venlo-type greenhouse of Modern Agricultural Equipment and Technology of Jiangsu University. Irrigation treatments were designed based on the cumulative water surface evaporation of 20 cm standard pan and they included three irrigation levels of full irrigation (T1), light deficit irrigation (T2) and moderate deficit irrigation (T3). In the spring-summer season, the coefficients of evaporating pan were 0.8, 0.6 and 0.4 at the development stage of cucumber for the treatments of T1, T2 and T3, respectively and 1.2, 1.0 and 0.8 at the middle and later stages of cucumber for the treatments of T1, T2 and T3, respectively. In the autumn-winter season, the coefficients of evaporating pan were 0.9, 0.75 and 0.45 at the development stage of cucumber for the treatments of T1, T2 and T3, respectively and 1.2, 0.9 and 0.6 at the middle and later stages of cucumber for the treatments of T1, T2 and T3, respectively. Soil moisture, evapotranspiration, yield and water use efficiency were determined. Stem flow rate, photosynthetic rate and stomatal conductance were also measured. The results showed that the cucumber yield and water use efficiency had a decreasing trend with the decrease of irrigation amount. Different degrees of water deficit had certain inhibitory effects on the evapotranspiration in different growth stages of cucumber. Water deficit at any growth stage of cucumber decreased the sap flow rate, photosynthetic rate, stomatal conductance and decreased the accumulation of dry matter of cucumber. The average fruit weight, fruit stem diameter, fruit length and fruit number per plant decreased with the decrease of irrigation amount. The proportion of cucumber fruit malformation increased with the increase in water deficit at different growth stages. The response of yield, evapotranspiration and water use efficiencyof greenhouse cucumber in different planting seasons to different irrigation amount showed that the yield of greenhouse cucumber for T1 treatment were higher than T2 and T3 treatments by 22.0% and 51.2% in the spring and summer planting seasons, respectively and by 54.2% and 73.9% in autumn and winter planting seasons, respectively. The evapotranspiration for T1 treatment was higher than T2 and T3 treatments by 17.4% and 34.9% in the spring and summer planting season, and by 24.0% and 48.0% in the autumn and winter planting seasons, respectively. The water use efficiency of T1 treatment was higher than T2 and T3 treatments by 5.5%and 25% in the spring and summer planting seasons and by 39.7% and 50.0% in the autumn and winter seasons, respectively. The irrigation scheme with 0.8 times the cumulative evaporation amount during the development stage and 1.2 times the cumulative evaporation amount during the middle and later stage was recommended for greenhouse cucumber cultivation. This study is of great significance for efficient use of agricultural irrigation water and the improvement of yield and quality of facility crops.

greenhouse; transpiration; evapotranspiration; cucumber; photosynthetic rate; yield;

毋海梅，閆浩芳，張川，等. 溫室滴灌黃瓜產量和水分利用效率對水分脅迫的響應 [J]. 農業工程學報，2020，36(9)：84-93.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.010 http://www.tcsae.org

Wu Haimei, Yan Haofang, Zhang Chuan, et al. Responses of yield and water use efficiency of drip-irrigated cucumber in greenhouse to water stress[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 84-93. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.010 http://www.tcsae.org

2019-10-22

2020-03-10

國家自然科學基金項目（51509107、51609103、41830863）；江蘇省自然科學基金（BK20150509、BK20140546）；國家“十三五”重大研發項目課題（2016YFA0601501）

毋海梅，主要從事農業節水灌溉與水分高效利用方面的研究。Email：hlwhm520@163.com

閆浩芳，博士，副研究員，主要從事農業節水灌溉與水分高效利用方面的研究。Email：yanhaofang@yahoo.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.010

S642.2

A

1002-6819(2020)-09-0084-10