滴灌水分調控對設施芹菜生長與水分利用的影響

郭 勇，馬娟娟，鄭利劍，孫西歡，郭向紅，許全悅

（太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024）

0 引 言

我國是世界上最大的設施農業生產國，但干旱半干旱區設施農業用水存在水資源供需矛盾突出的問題，如何實現設施作物高效節水管理就顯得尤為重要[1]。芹菜（Celery）為傘形科植物，含有豐富的營養及藥用成分，是我國北方冬春季設施栽培的重要蔬菜。目前芹菜栽培采用畦灌等灌溉方式，水分利用效率較低，造成水資源浪費，是影響產量和農民經濟收益的主要因素之一[2-4]。滴灌與上述灌溉方式相比，節水效果顯著，能提高水分利用效率14%～35%[5,6]。因此，在滴灌條件下，制定合理的灌溉策略是實現設施芹菜節水高產的重要途徑。

研究發現在作物生長發育的某些生育期減少灌水量，會對作物的生理生長產生影響，進而影響作物的產量和水分利用[7]，水分調控對設施蔬菜生長發育的影響，目前主要集中于辣椒、番茄、甜菜等蔬菜，得出了在適宜生育期進行合理的水分虧缺會達到節水高產的效果[8-10]。圍繞滴灌芹菜的研究主要集中在全生育期灌水試驗[11-13]，這些研究中設施芹菜各生育期的灌水定額均相同，但各生育期作物對水分的需求存在差異，因此芹菜各生育期的灌水量有待研究。水是植物進行光合作用的原料之一，水分調控會影響作物的光合特性[14]，進而影響作物的產量。在花生花針期進行水分調控表明，該生育期適度水分虧缺有利于葉片光合作用[15]；對滴灌溫室黃瓜研究發現，在生長任一階段發生水分虧缺均會降低黃瓜植株的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[16]；對番茄在各生育期光合作用研究發現，中度虧水條件下凈光合速率在采摘前期與充分灌水處理無顯著差異[17]；有研究在芹菜心葉生長期測定光合指標，發現在試驗設計的灌水方案下，凈光合速率隨著灌水量的增加而增大[11]。對番茄等蔬菜研究發現，生育期適當的水分虧缺能夠提高產量和灌溉水利用效率[18-20]。綜上所述，不同生育期水分虧缺對作物生長、光合作用和產量的影響主要集中于番茄等作物，對滴灌設施芹菜生長生理、產量和水分利用的影響鮮有報道。因此，本研究通過滴灌設施芹菜水分調控試驗研究，定量分析水分調控對地上部分生長生理指標、產量及灌溉水利用效率的影響，并采用CRITIC 賦權法耦合TOPSIS模型進行綜合評價，探尋綜合效果最優的灌水方案，為芹菜節水高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021-2022年在山西省太原市小店區劉家堡西紅柿產業園（112°48′N，37°65′E）進行，試驗溫室為自然通風溫室，東西走向（60 m×11 m）。試驗地區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年平均降雨量520 mm,年平均氣溫11 ℃，日照平均2 672 h，全年無霜期160 d。試驗地地勢平坦，土壤為沙壤土，基本理化參數見表1。

表1 試驗地土壤基本特性Tab.1 Basic characteristics of soil in test site

1.2 試驗方法與設計

芹菜于2021年11月1日定植，2022年1月19日收獲，供試品種為“法國皇后”。芹菜采用畦栽，行株距為0.2 m×0.2 m，種植密度為25 株/m2，灌溉方式為滴灌，每根滴灌帶控制一行芹菜。定植小區長9 m，寬5 m，面積為45 m2；定植前在各小區施加氮磷鉀復合肥（888 kg/hm2）作基肥均勻施入耕作層，在全生育期各處理噴藥、除草等管理均保持一致。芹菜生育期劃分為苗期（2021-11-01—2021-11-19）、外葉生長期（2021-11-20—2021-12-10）、立心期（2021-12-11—2021-12-31）和心葉生長期（2021-01-01—2022-01-19）。

本試驗設置灌水量為變量，建立三因素三水平正交試驗，共9 個處理，具體試驗方案見表2。芹菜苗期各處理灌水量相同，在外葉生長期、立心期、心葉生長期各設置3 個灌水水平，分別為I、0.8I、0.6I。

表2 芹菜各生育期灌水量試驗方案Tab.2 Experimental scheme of irrigation amount of celery in each growth period

式中：I為充分灌水量，m3；灌水上限為90%的田間持水量，灌水下限為70%±5%的田間持水量；θFc為田間持水量，cm3/cm3；θv為灌水前土壤含水率，cm3/cm3；Zr為計劃濕潤層深度，取0.2 m；S為灌水面積，m2；0.8為濕潤比。

試驗期間當充分灌水處理土壤含水率達到下限，計算充分灌水處理的灌水量I，并對所有小區按照試驗方案進行灌水。

1.3 測定項目與方法

本試驗測試的生長指標為芹菜株高、葉柄粗、地上部生物量；生理指標為葉片光合特性；產量和灌溉水利用效率。

(1)土壤含水率。采用管式TDR 測定，測定深度為0～40 cm，每10 cm為1層。

(2)芹菜株高、葉柄粗、地上部分鮮重。從外葉生長期開始，每隔7 d 測定1 次，株高從植株基部起，利用卷尺測定；葉柄粗在植株基部2 cm 處，利用電子游標卡尺分別沿2 個垂直方向測定；地上部鮮重在收獲時選取代表性植株，采用精度0.01 g電子秤稱量。

Logistic 生長曲線被廣泛應用于作物的生長過程，可以用來模擬作物生長隨時間的變化。Logistic方程為：

式中：y為芹菜的生長指標；t為定植后的天數，d；A為生長指標理論最大值；b為截距系數；k為增長率系數，可在k的基礎上進行最大生長速率MGR計算[19,21]，公式如下。

(3)芹菜葉片光合特性。在芹菜心葉生長期測定葉片光合特性，使用Li-6400便攜式光合儀，測定時間為9∶00-11∶00，測定指標為凈光合速率Pn、氣孔導度Gs、胞間CO2濃度Ci和蒸騰速率Tr。

(4)產量及灌溉水利用效率。用精度為0.05 kg 的電子天平測量各處理的產量，灌溉水利用效率IWUE計算公式：

式中：Y為芹菜產量；I為芹菜全生育期灌水量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2013 處理數據，Origin 2017 作圖，用SPSS Statistics 17.0統計軟件進行方差分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水分調控對芹菜株高、葉柄粗的影響

圖1為芹菜全生育期株高，葉柄粗動態變化。不同水分處理下芹菜株高和葉柄粗在各生育階段呈現不同態勢，具體為：外葉生長期灌水充足處理（T1、T2、T3）株高均顯著大于水分虧缺處理（T4、T5、T6、T7、T8、T9）,說明外葉生長期水分虧缺抑制了芹菜株高的生長；而芹菜外葉生長期T2 處理葉柄最粗，其余處理葉柄粗差異不顯著。進入立心期，除T2 處理外，其余水分處理的株高均顯著低于T1 處理；該時期葉柄生長速度加快，各處理差異增大，其中T2處理葉柄生長最快，可見外葉生長期灌水充足，立心期適度虧水對芹菜株高、葉柄粗影響不大；心葉生長期各處理株高排序為T1＞T2＞T6＞T3＞T7＞T8＞T9＞T4＞T5，T1 處理株高最高，為66.03 cm，T2 處理次之，較T1減少2.1%，且顯著大于其他處理；心葉生長期T2處理葉柄最粗，為20.71 mm，T1 處理次之，T2 處理較T1 增加4.1%，T1，T2 和T6 處理之間沒有顯著性差異，且T2 處理葉柄粗顯著高于其余6 個處理。由T1，T2 對比可知，T1 和T2 處理3個生育期的株高和葉柄粗均差異不顯著，說明在外葉生長期灌水充足，立心期和心葉生長期連續適度虧水對芹菜的生長沒有產生顯著影響。

圖1 芹菜各生育期株高、葉柄粗動態變化Fig.1 Dynamic changes of plant height and petiole diameter of celery in different growth stages

表3為芹菜株高和葉柄粗Logistic 生長曲線擬合參數。所有處理株高和葉柄粗擬合精度R2總體上均接近于1，說明Logistic 生長曲線與實測數據擬合得較好。模擬得出，T1 處理株高MGR最大，為0.86 cm/d，T2 處理次之，為0.79 cm/d，T5處理為0.61 cm/d，T1較T5處理大29.1%。T1和T2處理葉柄粗理論最大值分別為22.65 mm 和24.53 mm，最大生長速率分別為0.33 mm/d 和0.36 mm/d，T2 處理芹菜株高和葉柄生長與灌水充足處理差異不顯著。說明在灌溉水源不足、灌溉條件受限制的地區，可在立心期和心葉生長期進行適度的虧水，能夠保證芹菜植株和葉柄的正常生長。

表3 芹菜株高、葉柄粗Logistic生長曲線擬合參數Tab.3 Fitting parameters of celery plant height and petiole coarse Logistic growth curve

2.2 水分調控對心葉生長期芹菜葉片光合特性的影響

心葉生長期是芹菜產量快速積累的時期，光合作用為作物產量的形成提供了物質基礎。表4為芹菜心葉生長期凈光合速率Pn、氣孔導度GS、胞間CO2濃度Ci和蒸騰速率Tr極差分析表，極差值R越大表明對結果影響程度越大。各項光合指標在芹菜心葉生長期灌水量的極差R均最大，表明心葉生長期灌水對芹菜光合作用影響最大。圖2為不同水分處理芹菜心葉生長期葉片光合特性，心葉生長期灌水量為I和0.8I（T1、T2、T4、T6 和T8）的處理Pn、GS和Tr均高于灌水量為0.6I（T3、T5、T7）的處理，Pn與Tr差異達顯著水平，GS差異不顯著；Ci呈相反規律，水分虧缺程度越大，Ci越高，且差異顯著，說明心葉生長期芹菜葉片光合作用隨水分虧缺程度的增加而降低。T1 處理GS最高，為0.425 mmol/（m2·s）；T2 處理Pn[21.9 μmol/（m2·s）]和Tr（3.63 mmol/mol）均為最高，分別較充分灌水處理T1 增加16.4%和5.0%；T3 處理Ci[445.67 μmol/mol）]為最高，與其他處理之間差異顯著，較T1 處理增加24.1%，Pn[14.1 μmol/（m2·s）]，GS[0.29 mmol/（m2·s）]和Tr（2.49 mmol/mol）均為最低，分別比T1 處理減少23.0%，31.75%和27.7%。

圖2 不同水分處理芹菜心葉生長期葉片光合特性Fig.2 Photosynthetic characteristics of celery interior leaves during growth period under differert water treatments

表4 心葉生長期葉片光合特性極差分析表Tab.4 Analysis table of leaf photosynthetic characteristics range during growing period of interior leaves

2.3 水分調控對產量和水分利用的影響

表5為不同灌水處理芹菜的產量和灌溉水利用效率，各處理產量依次為T1＞T6＞T2＞T5＞T3＞T4＞T8＞T7＞T9，T1 處理產量最高，為103.50 t/hm2，T2、T3、T5 和T6 處理次之，但與T1處理差異不顯著，說明外葉生長期適度的水分虧缺對芹菜產量影響不顯著；T9處理產量最低，為71.85 t/hm2，與其余處理均存在顯著性差異，較產量最高處理T1 減少30.58%，T7、T8處理產量也比較低，外葉生長期水分虧缺程度加劇，將會顯著降低芹菜產量，立心期和心葉生長期水分虧缺影響較小。表6為芹菜產量極差分析表，外葉生長期灌水量對芹菜產量的影響程度最大，立心期灌水量對芹菜產量的影響最小。

由表5可知，T5 處理灌溉水利用效率最高，為63.76 kg/m3，T2 處理為61.27 kg/m3，分別較充分灌水處理T1 增加了9.9%和6.3%，可見適當的水分虧缺能夠提高灌溉水利用效率，具有一定的正效應；T7、T8 和T9 三個處理灌溉水利用效率比較低，其中T9處理灌溉水利用效率最低，為49.76 kg/m3，較T1 處理灌溉水利用效率減少了18.23%，且二者差異顯著。由表6極差R可知，芹菜灌溉水利用效率對外葉生長期灌水量最敏感，立心期灌水量對芹菜灌溉水利用效率影響最小。

表5 不同灌水處理芹菜產量和灌溉水利用效率Tab.5 Yield of celery and utilization efficiency of irrigation water under different irrigation treatments

表6 不同灌水處理芹菜產量和水分利用極差分析表Tab.6 Analysis table of yield and water use range of celery under different irrigation treatments

2.4 基于CRITIC-TOPSIS綜合評價

多指標綜合評價的關鍵在于各評價指標的權重，采用CRITIC 賦權法為設施芹菜各指標賦權，不僅考慮了指標間的差異性，且增加指標間關聯性分析，所得出的權重與主觀賦權法、熵權法相比更加客觀可靠。TOPSIS 評價法能充分利用原始數據的信息，并充分反映各方案之間的差距，客觀真實的反映實際情況，具有真實、直觀、可靠的優點。因此，綜合兩種模型，采用CRITIC-TOPSIS 評價法對滴灌芹菜進行綜合分析，得到最優灌水組合。

建模與求解步驟如下：

（1）設參與多目標決策的處理集為A=[A1,A2,…,An]，指標集為B=[B1,B2,…,Bm]，處理A對指標B的值為Xij，則形成決策矩陣X=（Xij） n×m（1≤i≤n,1≤j≤m）。

（2）將決策矩陣進行標準化處理，得到標準化矩陣M=（Mij） n×m。

對于正向指標：

對于逆向指標：

（3）指標變異性：以標準差形式表現。標準差越大表示數值差異越大，越能反映更多的信息，應該分配更多的權重。

（4）指標沖突性：用相關系數表示，rij表示指標間相關系數。

（5）信息量：Cj越大，該指標在評價體系中的作用越大，應該分配更多權重。

（6）客觀權重：

進而得到權重向量：

選擇株高（X1）、葉柄粗（X2）、凈光合速率（X3）、氣孔導度（X4）、胞間CO2（X5）、蒸騰速率（X6）、產量（X7）和灌溉水利用效率（X8）8 個指標作為評價因子，胞間CO2作為逆向指標，其余指標均為正向指標，得到標準化矩陣M和各指標權重，由表7可得，灌溉水利用效率所占權重最高，為21.57%，株高次之，凈光合速率權重最低，為9.46%。

表7 各指標權重 %Tab.7 Weight of each index

（7）將標準化矩陣M與各指標的權重相乘，得到加權的標準化決策矩陣Z=（Zij）n×m。

（8）確定正理想解Z+和負理想解Z-，并確定各評價對象指標值與理想解之間的歐式距離：

（9）計算各方案與最優方案的相對貼近度Ni。

Ni的取值越接近1，表明評價對象的評價結果越優。表8為CRITIC-TOPSIS 評價得分及排名，不同灌水處理貼近度Ni從優到劣依次為T2＞T1＞T6＞T4＞T5＞T3＞T8＞T7＞T9。T2 處理Ni為87.4%，即T2 處理綜合分析為最優處理，T1 處理次之，Ni為68.9%；外葉生長期、立心期和心葉生長期的灌水量分別為140～160、215～245、390～420 m3/hm2。

表8 CRITIC-TOPSIS評價得分及排名Tab.8 CRITIC-TOPSIS evaluation score and ranking

3 討 論

作物的生長發育與水分密切相關，合理的灌溉策略可以促進作物生長。前人研究發現，滴灌畦栽方式下，芹菜株高和葉柄粗隨灌水量的增加而增大，全生育期灌水量為1 200 m3/hm2時最大，株高基本維持在60 cm 左右，與本研究相比芹菜株高較矮，原因可能是種植品種、施肥量存在差異造成[22]。本研究表明，外葉生長期隨著水分虧缺程度加劇，芹菜株高與葉柄粗的增長量呈下降趨勢；整個生育期株高和葉柄粗居于前三的處理分別為T1、T2和T6處理，說明外葉生長期水分虧缺對芹菜生長的影響最大，可能因為外葉生長期主要進行營養的生長，水分虧缺使株高和葉柄粗的生長受到抑制；本研究采用Logistic 生長模型對芹菜株高和葉柄粗的生長模擬結果顯示，T1 和T2 這兩個處理MGR均比較大，且差異不顯著，可見外葉生長期灌水充足、立心期和心葉生長期適度虧水的灌水組合不會對芹菜生長產生顯著影響。

光合作用是作物將光能轉化為化學能的過程，水分虧缺會對作物的光合作用產生影響，進而影響作物的生長發育和產量[23]。心葉生長期是芹菜產量形成的關鍵時期，研究芹菜心葉生長期的葉片光合特性有重要意義[24]。葉片光合作用的降低因素分為氣孔因素和非氣孔因素，氣孔因素是由于氣孔關閉，CO2進入葉片受阻導致光合速率下降，非氣孔因素是葉肉細胞活性降低導致光合作用減弱[18,25]。本試驗研究表明，心葉生長期芹菜葉片光合特性受心葉生長期灌水量影響最大，前兩個生育期灌水量的影響較?。粚Ρ刃娜~生長期灌水量為I和0.8I的處理，葉片光合特性指標差異不大，說明在芹菜心葉生長期適度虧水，能夠保證芹菜葉片光合作用正常進行；0.6I處理的葉片光合作用與其他處理差異顯著，心葉生長期水分虧缺條件下因氣孔的部分關閉引起Gs的降低是光合作用下降的主要原因，屬于氣孔因素，主要表現為Pn、Tr下降和Ci的上升。

適度的水分虧缺能夠在減少水資源浪費的同時提高作物產量[26,27]。本研究結果顯示，外葉生長期和心葉生長期同時虧水會顯著降低芹菜產量；外葉生長期水分虧缺程度大的處理產量均比較低，與T1 處理差異顯著；灌溉水利用效率結果表明，T5 處理灌溉水利用效率最高，說明適度虧水對提高灌溉水利用效率具有一定的正效應。譚國棟[24]等研究結果為芹菜全生育期灌溉定額為2 700 m3/hm2能夠高產，產量為97.5 t/hm2，灌溉水利用效率為36.11 kg/m3；滴灌條件下，楊軍[9]等得到灌溉定額為2 450 m3/hm2產量最高，為83.43 t/hm2，灌溉水利用效率為34.05 kg/m3，與本試驗得到的灌水量與產量存在差異，原因可能是芹菜品種、土壤養分、田間管理措施的不同導致的。

不同灌水處理下芹菜生長生理指標的變化存在差異，僅依靠單一指標確定的灌溉策略存在不足。采用綜合分析方法，確定各評價指標的權重，依據各指標權重大小對評價對象進行評估，所得評價結果更加客觀可靠[28,29]。張紀圓[30]采用CRITIC 方法對核桃產量和品質進行綜合評價，得到了核桃樹最優的調虧灌溉模式。菅毅[31]基于TOPSIS 方法對番茄品質、產量和灌溉水利用效率進行綜合效益評價，確定了適合喀斯特斷陷盆地區的番茄地下灌溉技術。本文將CRITIC 和TOPSIS模型綜合考慮，求解各指標權重與各處理綜合得分，最終得出灌水量所占權重最大，T2 處理綜合評價得分最高，說明外葉生長期充分灌水，立心期和心葉生長期適度的水分虧缺為試驗最優方案。

4 結 論

（1）設施芹菜全生育期株高、葉柄粗隨定植天數呈前期緩慢，中后期生長迅速的變化，采用Logistic 生長曲線擬合精度較高；株高對外葉生長期灌水最為敏感，葉柄粗對心葉生長期灌水敏感；在外葉生長期灌水充足，立心期和心葉生長期適度水分虧缺可促進植株生長。

（2）心葉生長期灌水對葉片光合作用影響最大；心葉生長期適度的水分虧缺不會對芹菜葉片光合特性產生影響；隨著水分虧缺程度加劇，Pn、Gs和Tr顯著降低，Ci顯著升高。

（3）外葉生長期灌水充足，立心期和心葉生長期適度虧水能提高產量和灌溉水利用效率；在外葉生長期水分虧缺過重，會導致產量和灌溉水利用效率顯著降低。

（4）運用CRITIC-TOPSIS 綜合分析法，認為T2 處理貼近度最高，為本試驗的最優灌水管理方案。