供氮質量濃度對水培生菜營養液消耗影響模擬研究

王利春，郭文忠，李友麗，寧松瑞，李銀坤，魏曉明

供氮質量濃度對水培生菜營養液消耗影響模擬研究

王利春1，郭文忠1，李友麗1，寧松瑞2*，李銀坤1，魏曉明1

（1.北京市農林科學院 北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100093；2.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048）

【】探明供氮質量濃度對封閉式水培生菜營養液消耗量的影響規律，構建考慮供氮質量濃度及氣象信息的水培生菜營養液消耗量模型。以“富蘭德里”奶油生菜為供試作物，設置5個營養液供氮質量濃度（12.25、24.5、49、98、196 mg/L）處理，開展了2茬水培試驗，測定了溫室內氣象信息、生菜的葉面積指數（）和營養液累積消耗量。水培生菜的營養液累積消耗量和均隨著供氮質量濃度的增加呈先增大后減小的趨勢，生菜與營養液供氮質量濃度呈二次曲線關系，建立了考慮營養液供氮質量濃度影響的生菜變化模型。模型驗證結果表明，營養液不同供氮質量濃度處理的生菜模擬值與實測值吻合較好。在此基礎上，進一步構建了考慮營養液供氮質量濃度及氣象信息的水培生菜營養液消耗量模型。利用構建的營養液消耗量模型對不同供氮質量濃度處理的水培生菜營養液消耗量進行模擬，模擬值與實測值吻合較好。

水培；營養液消耗量；葉面積指數；營養液供氮質量濃度；生菜

0 引言

【研究意義】水培（營養液栽培）通過將植物根系直接浸沒在營養液中，使作物擺脫了對土壤的依賴，減少了土傳性病蟲害的發生，節省了勞動力且經濟效益較高，目前已發展為蔬菜工廠化設施栽培的主要模式[1]。在水培模式下，營養液提供了作物生長發育所需的水分和養分，還為作物根系生長提供了空間。營養液管理是水培技術的核心之一，也是影響作物產量及品質的重要因素[2-3]。在商業化水培作物生產中，依據作物的水肥需求規律進行營養液的科學管理，對促進作物生長、提高水肥利用效率及經濟效益具有重要意義[4-5]。

【研究進展】水培條件下，營養液在較為封閉的介質/環境中循環流動，營養液的消耗主要經根系吸收進入植物體內，并通過葉片氣孔的蒸騰作用散失到空氣中，因此常將蒸騰量近似為作物營養液消耗量[6-8]。準確表征作物營養液消耗規律，可為營養液管理方案的制定提供支持，也可為營養液養分變化規律的定量表征提供理論基礎。水培條件下，作物的營養液消耗量可通過傳感器等進行監測，但傳感器的精度、昂貴的成本與場地條件等限制因素使得這種方法在生產實際中的推廣難度較大[9]。近年來，構建及應用數學模型量化作物營養液消耗特征已成為設施作物栽培領域研究的熱點[10-11]。一些研究認為設施栽培條件下的作物生長過程主要受溫室內的氣象因素（氣溫、相對濕度、太陽輻射等）影響，因此大多采用基于氣象資料的Penman公式等計算水培作物的營養液消耗特征[11-12]。張大龍等[13]通過回歸方法建立以空氣溫度、相對濕度、光輻射為變量的作物營養液消耗量預測模型。Adeyemi等[14]建立了以輻射和飽和水汽壓差為輸入變量的數據驅動生菜營養液消耗量模擬模型。閆浩芳等[15]基于熱傳輸系數算法對Penman公式進行修正，構建了Venlo型溫室的黃瓜營養液消耗模型。范金杰等[16]研究了大氣CO2摩爾分數升高對水培小麥營養液消耗的影響。另一些研究發現水培條件下，作物的生長及耗水過程不僅受溫室小氣候的影響，還受到營養液供氮質量濃度影響[17-18]。因此，利用數學模型表征水培作物營養液消耗過程，在考慮氣象因素的同時也需考慮營養液供氮質量濃度的影響。如果忽略供氮質量濃度對作物營養液消耗的影響，則會給氮虧缺或氮過量條件下的作物營養液消耗模擬帶來較大誤差。

【切入點】氮素對作物的生長和產量有重要作用，當營養液供氮質量濃度較低時，作物生長會受到抑制，作物的蒸騰作用也會受到供氮水平的影響[19]。因此綜合考慮供氮質量濃度和溫室環境因素影響的水培作物營養液消耗模型有利于豐富、完善設施作物營養液消耗理論?！緮M解決的關鍵問題】本研究以水培生菜為研究對象，研究供氮質量濃度對生菜營養液消耗特征的影響，構建水培生菜的營養液消耗量模型，量化營養液供氮質量濃度對生菜營養液消耗規律的影響，為制定合理的營養液管理策略、實現水培蔬菜優質高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 生菜水培試驗

試驗于2019年3—5月在北京市農林科學院北京農業智能裝備技術研究中心葉菜營養液栽培專用玻璃溫室（116.29°E，39.94°N，海拔56 m）進行。溫室安裝有通風降溫系統，在高溫時開啟，對溫室內的環境進行調節。水培系統由封閉式栽培槽、定植板、營養液儲液桶組成；其中，封閉式栽培槽尺寸為195 cm×60 cm×8 cm，約盛放營養液40 L；栽培槽的進液口和回液口通過管道與營養液儲液桶相連接，回液口距槽底4.5 cm；儲液桶體積為60 L，放置在栽培槽下方；循環水泵放置在營養液儲液桶中，與栽培槽進液口的管道相連接，用于將營養液泵入栽培槽中，營養液從栽培槽的出液口溢出后，通過管道回流到營養液儲液桶中，形成閉路循環；定植板放置在栽培槽上方，上面均勻布滿52個直徑3 cm的圓孔，每個圓孔定植1棵生菜，株間距和行間距均為15 cm。

以“富蘭德里”奶油生菜為供試材料，采用育苗移栽的方式，共開展了2茬栽培試驗。第1茬栽培試驗于3月25日將苗齡30 d的生菜移栽至水培系統中，于4月17日完成采收。第2茬于4月22日將苗齡30 d的生菜移栽至水培系統中，于5月20日完成采收。營養液的氮質量濃度共設置5個處理：12.25、24.5、49、98、196 mg/L，分別記為T1、T2、T3、T4（作為對照，養分質量濃度與霍格蘭營養液配方質量濃度一致）、T5，每個處理設3個重復。各處理除氮、硫外（低氮處理用硫酸鉀作為鉀肥來源），其他元素質量濃度參照霍格蘭營養液配方設置在同一水平，見表1。各處理的營養液微量元素采用通用配方（mg/L）：EDTA-2NaFe: 20，MnSO4.1H2O: 1.61，ZnSO4: 0.22，CuSO4: 0.08，H3BO3: 2.86，(NH4)6Mo7O24.4H2O: 0.02。蔬菜生長過程中，每隔5 d用5%的硫酸或氫氧化鈉溶液將營養液pH值調至6.0±0.2。配制營養液的水源為RO反滲透水。

表1 各處理營養液中大量元素配方

1.2 測定項目及方法

生菜定植后，各采樣周期（每隔4 d）從各處理隨機選取3株生菜，用葉面積儀（LI-COR Inc.，Lincoln, Nebraska, USA）測定各處理的葉面積，用于計算葉面積指數（）。每個處理選取1個營養液桶，安裝液位傳感器（CTD-10, Decagon DevicesInc., Pullman, WA, USA）記錄營養液桶中的液位動態，同時根據標定的營養液儲液桶中水位與營養液體積之間關系計算生菜的營養液消耗量。

1.3 水培生菜的營養液消耗量模型

考慮溫室內環境對生菜營養液消耗的影響，利用溫室內氣象站（Campbell Scientific, Inc., USA）采集氣象信息（氣溫、相對濕度等）通過修正的Penman公式將營養液消耗量[11,20-21]可表征為：

式中：0為溫室內的參考作物蒸散量（mm/d）；Δ為飽和水汽壓?溫度曲線的斜率（kPa/℃）；n為冠層上方凈輻射（MJ/(m2·d)）；為土壤熱通量（MJ/(m2·d)）；為干濕表常數（kPa/℃）；mean為日均氣溫（℃）；s為飽和水汽壓（kPa）；a為實際水汽壓（kPa）。

式中：為營養液消耗量（mm/d）；a為生菜的潛在營養液消耗量（mm/d）；c為作物系數，與作物種類、生育期、種植方式和水肥管理等因素有關，采用FAO推薦的c值會帶來較大誤差[11]。采用綜合反映作物實際生長狀況的葉面積指數（）來修正c[22]：

式中：、分別為待擬合的常數。

學者們通過數學模型準確刻畫了作物的變化過程[23]。由于本試驗中的生菜生長期較短（24～29 d）且幾乎一直處于快速生長狀態，因此，選用線性模型描述生菜生長過程[4]：

式中：、為待優化參數；0為移栽定植時生菜的葉面積指數；為植物移栽定植后的生長度日（植物生長期的累計熱量，℃），可通過定植后的日最高溫度和最低溫度（max和min，℃）和基點溫度（b，生菜b為4.0 ℃）進行計算[24]：

1.4 數據處理

試驗數據處理由Excel 2016軟件完成。選用相對誤差（）、決定系數（2）、均方根差（）和標準均方根差（）來評估數學模型的精度[12]。

2 結果與分析

2.1 水培生菜的營養液消耗特征

第1茬試驗（年積日DOY 86～107）和第2茬（DOY 121～140）試驗期間，溫室的日最低溫度與日最高溫度、相對濕度、太陽輻射（圖1）的平均值分別為10.70 ℃、34.23 ℃、31.46%、78.43 W/(m2?s)和16.96 ℃、31.14 ℃、58.49%、67.84 W/(m2?s)。第2茬試驗期間溫室內的日最高溫度和輻射的平均值略低于第1茬試驗的原因可能是：第2茬試驗在氣溫較高的5月開展，且在高溫時段啟用了溫室的遮陰網及降溫系統。

圖1 試驗期間溫室內的氣象資料

采用修正的Penman公式計算溫室內逐日的參考作物蒸散量（0）見圖1（b）。第1茬試驗期間的0為1.83～3.36 mm/d，平均值為2.74 mm/d；第2茬試驗期間的0為1.32～3.74 mm/d，平均值為2.61 mm/d。第2茬試驗期間的0小于第1茬試驗期間的0可能與5月溫室內頻繁開啟遮陰網及降溫系統等有關。

水培條件下，不同供氮質量濃度處理的生菜累積營養液消耗量如圖2（a）所示。隨著生菜的快速生長，不同供氮質量濃度處理之間的生菜累積營養液消耗量的差異逐漸增大（<0.05）。生菜的累積營養液消耗量隨營養液供氮質量濃度（N）的增加總體呈先增大后降低的趨勢。以第1茬試驗生菜移栽定植后20 d（20 DAT）為例，T1、T2、T3、T4、T5處理的生菜累積營養液消耗量分別為24.69、37.31、46.01、50.79和36.36 mm；說明水培的N若低于T4處理（<98 mg/L）時，可通過增加供氮質量濃度來顯著提高生菜的營養液消耗量（<0.05），氮質量濃度過高（N>98 mg/L）則會抑制生菜的營養液消耗過程。

圖2 不同供氮質量濃度處理下的生菜累積營養液消耗量

2.2 供氮質量濃度對生菜葉面積指數的影響

試驗期間營養液供氮質量濃度處理下生菜的生長過程如圖3所示。T1處理生菜的增長較為緩慢，可能是生菜生長過程中受到明顯的氮脅迫。T2—T5處理生菜均隨著移栽天數的增加而增大。

圖3 不同供氮質量濃度處理下的生菜葉面積指數（LAI）

與生菜的累積營養液消耗量特征類似，生菜的隨著N的增加表現出先增大后減小的趨勢。以第1茬試驗生菜移栽后15 d（15 DAT）為例：T1、T2、T3、T4、T5處理的生菜平均值分別為1.46、3.70、4.54、5.41和4.64；與對照（T4）相比，T1、T2、T3處理和T5處理的生菜平均值分別下降了73.04%、31.65%、16.03%和17.64%。說明水培N顯著影響生菜增長（<0.05）；根據式（2）和式（3）可知，不同供氮質量濃度處理下生菜的c也將隨之產生顯著性差異（<0.05）。顯然，若不考慮營養液供氮質量濃度的影響，通過式（1）—式（4）直接計算將給不同供氮質量濃度處理下水培生菜的營養液消耗量模擬帶來較大的誤差。不同處理的生菜與營養液供氮質量濃度之間呈二次函數關系（圖4），相應的擬合公式及決定系數（2）見表2。由表2可知，移栽后5、10、15、19 d和24 d時生菜的實測值與公式擬合值之間的2分別為0.40、0.81、0.86、0.85和0.81，總體擬合效果較好。利用移栽后5、10、15、19、24 d時與N之間擬合公式，可求得生菜葉面積指數的理論最大值（max）分別為0.93、3.42、5.97、7.61和10.29，其依次對應不同時刻的營養液最優供氮質量濃度（LM）為87.27、124.15、123.90、123.87 mg/L和123.81 mg/L。移栽后5 d時的擬合效果不理想，可能是由于水培初期（如生菜移植后5 d），營養液供氮質量濃度處理對生菜變化的影響并未顯現，隨著試驗時間延長，生菜變化對營養液供氮質量濃度的響應逐步顯現。

為定量表征N對生菜的影響程度，參照作物鹽分脅迫修正系數的構建方法[25]，將不同供氮質量濃度處理的生菜與其max的比值定義為葉面積指數氮素響應因子（）：

不同取樣時期（移栽后10、15、19 d和24 d）生菜葉面積指數的氮素響應因子（NL）與CN之間關系如圖5所示。水培生菜NL與CN呈二次函數關系（R2=0.82）。

圖5 移栽后各取樣時期生菜葉面積指數氮素響應因子(NL)與營養液供氮質量濃度(CN)關系

在營養液最優的供氮質量濃度條件下，生菜達到理論最大值（max）。隨著生菜的生長，max的變化過程可以通過式（4）表示。利用第1茬試驗期間的氣象數據，根據式（5）計算GDD、結合實測的初始0及不同取樣時刻的max（表2），利用反求方法可估算式（4）中的參數值，分別為：=0.022、=0.050。根據式（4）、式（5）和式（6），可構建考慮營養液供氮質量濃度（N）的水培生菜葉面積指數（）響應模型：

結合第2茬試驗期間溫室內的氣象數據，利用式（7）可對不同供氮質量濃度處理下生菜的進行模擬，的模擬值與實測值如圖6所示。

圖6 第2茬移栽后各取樣時期生菜LAI模擬值與實測值

各取樣時期不同供氮質量濃度處理生菜的模擬值與實測值多集中分布在1∶1線附近，模擬值與實測值之間的2為0.92，相應的、、值分別為14.62%、0.42和17.69%。說明式（7）的模擬精度較高，可以用于準確描述水培生菜的對N的響應規律。

2.3 水培生菜營養液消耗模型

根據式（3）、式（4）和式（7），利用第1茬試驗期間的生菜營養液消耗量和氣象資料對式（3）中的參數和進行優化，得到=0.39、=0.49，建立考慮營養液供氮質量濃度和氣象信息共同影響的水培生菜營養液消耗模型。

利用第2茬試驗的生菜營養液消耗資料對所構建的營養液消耗模型進行驗證，生菜營養液消耗量的模擬值與實測值見圖2（b），模型模擬精度的分析結果如表3所示。

表2 各取樣時期生菜葉面積指數（LAI）與營養液供氮質量濃度（CN）關系擬合結果、葉面積指數理論最大值（LAImax）及對應的營養液最優供氮質量濃度（CNLM）

表3 第2茬試驗生菜營養液消耗量的模擬精度分析

第2茬試驗期間不同處理生菜的累積營養液消耗量的模擬值與實測值之間的<11.54%；介于2.06～3.31 mm之間，除T2處理外，其他4個處理的均小于15%，生菜累積營養液消耗量的模擬值與實測值吻合較好。以上結果表明，本文建立的水培生菜營養液消耗模型可以較準確地模擬生菜營養液消耗量對營養液供氮質量濃度的響應，這為估算水培作物的營養液消耗提供了新的計算方法。

3 討論

封閉式水培條件下，作物生長過程得到了充足的水分供應，作物蒸騰耗水是營養液消耗的主要途徑，也是導致營養液組分和特性變化的主要因素。此外，營養液的供氮質量濃度直接影響蔬菜的產量、品質以及營養液的水肥利用效率[7,26]。研究表明，隨著N的增加，生菜的累積營養液消耗量和均表現出先增大后減小的趨勢。當N較低（<98 mg/L）時，生菜的生長及營養液消耗過程受到影響；當N≥98 mg/L時，生菜的生長及營養液消耗過程也會受到抑制。N與生菜的之間呈明顯的二次函數關系（圖4），這與孫彭壽等[27]研究結論基本一致。蘇苑君等[1]發現水培生菜的產量隨著營養液氮質量濃度升高呈先增加后減少的變化趨勢，喬源等[18]報道了水培芹菜的鮮質量隨著營養液供氮質量濃度的增加呈先增大后減小的二次拋物線趨勢。此外，本文通過擬合獲得各取樣時期生菜葉面積指數與營養液供氮質量濃度之間的二次函數關系，分別求解不同時刻生菜葉面積指數理論最大值max及其對應的最佳供氮質量濃度，結果表明，除DAT5外，其他4個取樣時期生菜max對應的營養液最佳供氮質量濃度介于123.81～125.15 mg/L，這與賀志文等[28]得到的生菜（品種為洛迦諾）產量最大時對應的營養液最佳供氮質量濃度為135.66 mg/L的結果較為接近。本研究開展的2茬試驗中，除氮、硫外，各處理營養液養分供應質量濃度在同一水平，各處理營養液硫質量濃度均不低于營養液硫質量濃度推薦值（32 mg/L），故各處理生菜不存在除氮元素之外的其他元素脅迫。T1、T2、T3、T4、T5處理在第1茬和第2茬營養液的電導率平均值分別為1.13、0.95、0.80、1.30、3.17 mS/cm和1.34、0.98、0.93、1.50、3.38 mS/cm，除T5處理營養液電導率較高外，其余處理生菜的營養液電導率值均處在合理范圍內，這也解釋了T5處理生菜營養液消耗受到抑制的原因是由于氮肥投入加大導致營養液電導率升高，在離子脅迫作用下生菜對營養液吸收過程受到了抑制。

本研究通過引入葉面積指數氮素響應因子以定量表征N對生菜的影響（式（7）），構建了綜合考慮氣象因素和營養液供氮質量濃度的水培作物營養液消耗模型；模型模擬的累積營養液消耗量與實測值吻合較好，說明本研究構建的水培作物營養液消耗模型可以較準確地模擬不同供氮質量濃度處理的生菜累積營養液消耗量。本研究僅考慮營養液供氮質量濃度和氣象因素對水培作物營養液消耗量的影響，對于營養液中磷、鉀等養分質量濃度、以及養分耦合調控下水培作物的營養液消耗模型構建及其營養液消耗規律等仍有待于進一步探索。

4 結論

1）水培生菜的累積營養液消耗量和葉面積指數均隨營養液供氮質量濃度的增加，呈先增后減的趨勢。

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Simulation Water Consumption of Hydroponic-cultured Lettuce:The Effects of Nitrogen Concentration

WANG Lichun1, GUO Wenzhong1, LI Youli1, NING Songrui2*, LI Yinkun1, WEI Xiaoming1

(1.Beijing Research Centre of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100093, China; 2.State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

【】The objective of this paper is to investigate the influence of nitrogen concentration in nutrient solution on physiological traits of lettuce grown in hydroponic culture.【】The experiment was conducted in a greenhouse, with the Flandria cultivar used as the model plant. We compared five nitrogen concentrations: 12.25, 24.5, 49, 98 and 196 mg/L, each having two replicates. In the experiment, we measured the leaf area index (), accumulated water consumption and the change in meteorologic factors in the greenhouse, from which we derived the relationship between water consumption of the crop and nitrogen concentrations in the solution.【】The accumulated water consumption andboth increased first followed by a decline as the nitrogen concentration increased. The relationships betweenand the nitrogen concentration can be fitted to a quadratic function, and comparison with measured data showed fitting of the model was accurate. The model describing the change in water consumption with nitrogen concentrations also agreed well with experimental data.【】Accumulative water consumption andof the hydroponic-cultured lettuce both increased with nitrogen concentration in the nutrient solution, and the models describing their relationships agreed well with experimental data.

hydroponic culture; water consumption; leaf area index; nitrogen concentration; lettuce

S274.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021230

王利春, 郭文忠, 李友麗, 等. 供氮質量濃度對水培生菜營養液消耗影響模擬研究[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(11): 37-43.

WANG Lichun, GUO Wenzhong, LI Youli, et al. Simulation Water Consumption of Hydroponic-cultured Lettuce: The Effects of Nitrogen Concentration[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 37-43.

1672 - 3317（2021）11 - 0037 - 07

2021-06-02

寧夏自治區重點（重大）研發專項（2019BBF02010）；“十三五”國家重點研發計劃項目（2020YFD1000300）；北京市農林科學院青年基金項目（QNJJ201920）

王利春（1982-），男。副研究員，博士，主要從事設施作物水肥高效利用技術研究。E-mail: wanglc@nercita.org.cn

寧松瑞（1985-），男。副教授，博士，主要從事作物水肥高效利用與調控研究。E-mail: ningsongrui@163.com

責任編輯：韓 洋