云南高原氣候環(huán)境下冬季娃娃菜的耗水規(guī)律研究

倪匡迪，張劉東，陳 晨，吳歐俁

（1.云南農(nóng)業(yè)大學水利學院 昆明 650051；2.云南水利水電職業(yè)技術學院 昆明 650000）

近年來，云南蔬菜種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，云南蔬菜已經(jīng)進入北京、上海、廣州、深圳等全國150 多個大中城市及港澳臺地區(qū)，形成冬早蔬菜供北方、夏秋蔬菜供南方的基本格局[1]。云南省具有特殊的低緯度高原氣候特征，水資源干濕季分布特征明顯，冬季（12—2 月）降雨量很少，約占全年降雨量的4.9%[2]。根據(jù)國家氣象信息中心-中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)昆明站1980－2017 年的公開數(shù)據(jù)，研究地區(qū)冬季（12—2 月）多年平均氣溫9.6 ℃，冬季多年平均日最高氣溫16.5 ℃，在補充灌溉條件下仍能夠進行露地經(jīng)濟作物種植，冬早蔬菜生產(chǎn)具有區(qū)位優(yōu)勢，研究地區(qū)冬季露地種植經(jīng)濟作物耗水規(guī)律對地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉至關重要。目前，國內(nèi)外關于作物耗水規(guī)律的研究主要集中在玉米[3]、水稻[4]、小麥[5-6]、馬鈴薯[7]等主糧作物上，在葉類蔬菜方面的研究則主要集中在菠菜[8-9]、白菜[10]等方面。娃娃菜作為云南省主要蔬菜產(chǎn)品之一，目前關于娃娃菜耗水規(guī)律試驗的相關文獻在云南乃至全國都較為少見，特別是關于冬季種植條件下耗水規(guī)律的研究尚未見報道。為此，筆者以娃娃菜作為試驗材料，基于云南獨特的自然氣候條件，進行盆栽娃娃菜的耗水規(guī)律研究。通過設置不同灌溉處理組研究水分虧缺對娃娃菜耗水量以及生長的影響，結合昆明氣象站氣象數(shù)據(jù)分析充分灌溉條件下娃娃菜的耗水規(guī)律與參考作物需水規(guī)律，以期探討特定氣候和生產(chǎn)條件下的娃娃菜的耗水特征，提高農(nóng)田生產(chǎn)效率。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2021 年11 月至2022 年2 月在云南農(nóng)業(yè)大學省級農(nóng)業(yè)節(jié)水工程中心開展。試驗區(qū)采用地面嵌入式盆栽系統(tǒng)，安裝移動式遮雨棚以隔絕降水，試驗區(qū)海拔1943 m，屬于北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風氣候。娃娃菜于2021 年11 月27 日移栽，生育期72 d。試驗土壤采用滇中地區(qū)常見的紅壤，環(huán)刀法測定盆內(nèi)土壤田間持水量為36.40%（質(zhì)量含水率），容重為1.1 g·cm-3。試驗中使用的氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心-中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)昆明站的公開數(shù)據(jù)，氣象因子統(tǒng)計如表1 所示，表中生育期以T0 組生長情況進行劃分。

表1 娃娃菜生育期內(nèi)氣象因子統(tǒng)計

1.2 試驗設計

試驗以金秋福娃為試材，采用4 葉1 心商品苗，在移栽后10 d 進行水分處理。試驗盆上徑、下徑、高分別為30.0、27.0、32.4 cm，空盆平均質(zhì)量0.845 kg，每盆移栽量為1 株。為確保娃娃菜幼苗成活及試驗處理的一致性，試驗處理前保持盆內(nèi)土壤含水率在90%左右的田間持水量，并設置4 個備用盆，用于補充娃娃菜移栽過程中可能發(fā)生死亡的盆栽。試驗以娃娃菜水分虧缺程度為試驗因素，設置4 個處理，每個處理選取3 盆采用相同灌水方式的娃娃菜進行測量。其中，處理1（T0）全生育期進行充分灌溉、處理2（T1）采用相對含水率80%～90%進行灌溉、處理3（T2）采用相對含水率70%～80%進行灌溉、處理4（T3）采用相對含水率60%～70%進行灌溉。每日測量盆內(nèi)土壤含水率，當相對含水率達到設定下限時開始灌水，每個處理的灌水下限均為設定含水率的最低值，一次性灌水至設定上限，每個處理的灌水上限均為設定含水率的最高值，并運用稱質(zhì)量法測定耗水量。每2 d 運用鋼卷尺（精度0.1 cm）測定娃娃菜的株高和株幅作為生長生理指標，待娃娃菜成熟采摘后，使用電子天平測量產(chǎn)量指標及根系鮮質(zhì)量指標。試驗選取氣溫、相對濕度、風速、日照時數(shù)、水汽壓5 個影響作物需水量的主要氣象因子與充分灌溉處理下的耗水量（ET）進行相關性分析，得到2 個變量間的Pearson 相關系數(shù)，并使用SPSS 軟件運用通徑分析[11]研究各個氣象因子對充分灌溉處理下冬季種植娃娃菜耗水量的影響并得到直接通徑系數(shù)與間接通徑系數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 耗水量（ET）盆栽試驗采用稱質(zhì)量法結合水量平衡方程計算耗水量（ET），公式如下：

式中：ET為階段作物耗水量（mm）；G1為時段開始時的盆栽總質(zhì)量（kg）；GM為時段內(nèi)向盆內(nèi)的灌水量（kg）；GP為時段內(nèi)落入盆栽中的降雨量（kg）；G2為時段結束時的盆栽總質(zhì)量（kg）；GC時段內(nèi)盆栽向外排出的水量（kg）；S為盆栽內(nèi)的水平截面積（m2）。由于盆栽試驗設置了遮雨棚，盆栽底部密封，不發(fā)生滲漏現(xiàn)象，因此，GP=0，GC=0。

1.3.2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）參考作物需水

量是指參考作物在供水充足條件下的作物需水量，主要受氣象因素影響，可以普遍應用于不同地區(qū)[12]。試驗所用氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心-中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)昆明站的公開數(shù)據(jù)，使用FAO-56 推薦的Penman-Monteith 公式[12]計算，該公式的可靠性經(jīng)過國內(nèi)外多年研究與實踐檢驗，已經(jīng)成為計算ET0所采用的公認方法，見式（2）。

式中：ET0為參考作物需水量（mm·d-1）；Rn為到達作物表面的凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；在逐日估算時，G=0；T為日平均氣溫（℃），按日最高氣溫和日最低氣溫的算術平均值計算；u2為2 m 高處的平均風速（m·s-1）；es-ea為飽和水氣壓差（kPa）；Δ為飽和水汽壓曲線的傾率（kPa·℃-1）；γ為濕度計常數(shù)（kPa·℃-1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0 和Excel 2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理、作圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同水分處理下單株娃娃菜的耗水情況

由表2 可知，不同處理下娃娃菜移栽后全生育周期的總灌水次數(shù)、總灌水量、總耗水量均表現(xiàn)為T0＞T1＞T2＞T3，各處理之間總耗水量差異顯著，其中T0 處理總耗水量最高，為154.52 mm，T1 處理次之，為135.33 mm，較T0 低12.42%。

表2 不同處理下娃娃菜全生育期的灌水和耗水情況

將娃娃菜全生育周期劃分為6 個生長階段進行耗水強度研究，每個生長階段12 d，圖1 為各生長階段不同水分處理下娃娃菜單株階段耗水強度的差異比較。不同處理下各生長階段對應的生育期和生長狀態(tài)見表3。全生育期內(nèi)，T0、T1、T2 單株耗水強度均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，T3 處理全生育周期耗水量波動幅度較小。在1～12 d，T0 處理耗水強度為1.44 mm·d-1，顯著高于其他處理，T1、T2、T3 之間差異并不顯著；在13～60 d，T0 和T1 處理的耗水強度均顯著高于T2 和T3 處理；在37～48 d，T0 處理耗水強度達到最高值，為3.31 mm·d-1；在13～60 d，T0 和T1 之間的耗水強度沒有顯著差異，從第49 天開始至生育期結束，T2 的耗水強度顯著高于T3；從第61 天開始至生育期結束，T0 處理耗水強度再次顯著高于T1，T1 和T2 處理則表現(xiàn)為差異不顯著。由表3 所示，T0、T1 組的娃娃菜生育進程基本吻合，而T2、T3 組在蓮座期之后無法正常進入結球期，表明水分虧缺會影響娃娃菜的生育進程。

表3 不同處理下各生長階段對應的生育期或生長狀態(tài)

圖1 不同水分處理下娃娃菜生長期間耗水強度

2.2 不同水分處理對娃娃菜生長指標的影響

通過對各處理成熟后的生長生產(chǎn)指標進行差異顯著性分析，從表4 可以看出，株高、株幅、單株產(chǎn)量以及平均根系鮮質(zhì)量4 個指標，T0 與T1 均無顯著差異，各組的差異性表現(xiàn)為T0、T1＞T2＞T3；T0、T1 處理下娃娃菜的單株產(chǎn)量最高，分別為237.20、210.13 g，T2 處理次之，為92.63 g；T3 組的單株產(chǎn)量最低，為30.93 g，T2、T3 處理產(chǎn)量相比T0處理下降了60.95%～86.96%。

表4 不同處理下娃娃菜生長生產(chǎn)指標

由圖2 可知，單個處理娃娃菜的株高（圖2-A）和株幅（圖2-B）生長趨勢基本一致，T0、T1 處理在幼苗期（2021 年11 月27 日至2021 年12 月15 日，即移栽后19 d 內(nèi)）生長較慢，在蓮座期與結球期（2021 年12 月16 日至2022 年1 月30 日，即移栽后20～65 d）生長明顯加快，在成熟期（2021 年1 月31 日至2022 年2 月6 日，即移栽后66～72 d）生長再次放緩。T2 與T3 在移栽后40 d（2021 年11 月27 日至2022 年1 月6 日）內(nèi)均表現(xiàn)出生長發(fā)育遲緩，在移栽40 d（2022 年1 月7 日至2022 年2 月6 日）后，T2 組生長速度有所提高，但是依然滯后于T0、T1處理，T3 處理全生育期的生長受到抑制，生長緩慢。

2.3 充分灌溉條件下實際耗水量與參考作物需水量的對比

由表5 可知，娃娃菜耗水強度在結球期達到最大值，為2.74 mm·d-1，參考作物需水強度在成熟期達到最大值，為2.47 mm·d-1；在結球期的耗水模數(shù)最大，為47.65%，其次是蓮座期，為22.57%。在幼苗期和蓮座期，娃娃菜的實際耗水量小于參考作物需水量；在結球期，娃娃菜的實際耗水量大于參考作物需水量；在成熟期，娃娃菜的實際耗水量小于參考作物需水量；全生育周期娃娃菜耗水量比參考作物需水量高0.82 mm。

2.4 冬季娃娃菜耗水量影響因素分析

2.4.1 相關性分析 由表6 可知，充分灌溉處理下娃娃菜耗水量（ET）與氣溫、風速呈極顯著正相關，與日照時數(shù)呈顯著正相關，與相對濕度和水汽壓呈極顯著負相關。其中相對濕度與耗水量相關性較高，相關系數(shù)為-0.774，其次為風速與水汽壓等。表明相對濕度是影響冬季娃娃菜耗水量的重要氣象因子。

表6 充分灌溉處理下冬季種植娃娃菜耗水量（ET）與氣象因子的相關性分析

2.4.2 通徑分析 由表7 可知，相對濕度對冬季娃娃菜耗水量的直接通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)之和均為最大，分別為-0.586，0.317，相對濕度對冬季娃娃菜耗水量的直接抑制作用較大，此外，相對濕度還主要通過水汽壓間接影響冬季娃娃菜耗水量。

表7 充分灌溉處理下冬季種植娃娃菜耗水量影響因素通徑分析

3 討論與結論

在筆者試驗中，與充分灌溉相比，在田間持水量80%～90%調(diào)虧灌溉娃娃菜平均單株產(chǎn)量沒有顯著差異的情況下，總耗水量可以減少12.42%，而田間持水量80%以下的2 個調(diào)虧灌溉處理組單株產(chǎn)量均顯著下降。由此可見，對冬季娃娃菜適當進行調(diào)虧灌溉不會顯著降低娃娃菜產(chǎn)量，同時可以一定程度上減少其耗水量，但是如果灌水虧缺量過多，則會導致作物顯著減產(chǎn)。在其他葉類蔬菜中也有類似特征，在冬季溫室供熱滴灌條件下，高土壤水分下限處理下白菜產(chǎn)量更高，但其耗水量較高，控制設施栽培白菜土壤相對含水率下限的70%處理較控制田間持水量下限的60%、80%2 個處理的水分生產(chǎn)率更高[13]；在苗期和蓮座期控制灌水量為常規(guī)灌水量65%可以提高青花菜的水分利用率和產(chǎn)量[14]。在筆者的試驗中，T2、T3 處理娃娃菜生長發(fā)育遲緩，尤其是結球進程受到了影響，無法正常結球。從國內(nèi)外研究來看，同屬十字花科蕓薹屬的甘藍（卷心菜）也有類似表現(xiàn)，Nyatuame 等[15]在2013年非洲加納的田間試驗中發(fā)現(xiàn)，在缺水處理下，甘藍的結球會出現(xiàn)生長發(fā)育不良以及彎曲畸形的情況；2009 年，梁玉芹等[16]在河北的日光溫室甘藍種植試驗中也發(fā)現(xiàn)灌水量過少會影響甘藍內(nèi)徑的生長發(fā)育。

國內(nèi)學者關于小型葉類蔬菜的研究顯示，生菜全生育周期的需水量在95.20～121.40 mm[17]。冬季大白菜全生育周期的耗水量在121.75～131.08 mm 之間，各生育周期的耗水強度在0.92～2.11 mm·d-1[13]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在充分灌溉下，娃娃菜全生育周期的耗水量為154.52 mm，各生育期的耗水強度在1.70～2.74 mm·d-1，與國內(nèi)學者在其他蔬菜上的研究相比較大，造成差異的原因除了蔬菜種類不同外，還包括作物耗水量受輻射、相對濕度、溫度等氣象因素影響導致作物耗水量和耗水強度的不同，除此之外還包括種植環(huán)境、土壤理化性質(zhì)、灌水方式等因素造成的影響[18]。徐俊增等[17]認為，夏季濕度的增加，降低了夏季增溫對需水量的影響，從而導致冬季生菜的需水量高于夏季，說明相對濕度是影響作物需水量的重要因素，從筆者的相關性分析和通徑分析的結果來看，相對濕度較其他氣象土壤因素對冬季娃娃菜耗水量的影響更大。

筆者采用盆栽的方式開展試驗，相較于田間使用烘干法、TDR（土壤墑情測量儀）等水分測量方法，盆栽環(huán)境可以應用稱質(zhì)量法更加及時地測量和更加精準地控制土壤含水率。另外，田間試驗在發(fā)生強降雨時易產(chǎn)生地表徑流進而影響試驗結果，筆者采用盆栽試驗則可以很好地避免這些因素對試驗結果的影響。但是，盆栽試驗的環(huán)境相對于田間試驗也更加的理想化，加之目前國內(nèi)外比較缺乏針對娃娃菜耗水規(guī)律的相關研究。因此，筆者擬深入研究，以更加充分了解和認識娃娃菜的耗水規(guī)律，進一步貼近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際。

綜上所述，土壤含水率控制在田間持水量的80%～90%進行調(diào)虧灌溉相比充分灌溉不會顯著導致娃娃菜減產(chǎn)，同時可以減少12.42%的作物耗水量，節(jié)水潛力較大。當土壤含水率控制在田間持水量的70%～80%甚至更低時則會導致作物顯著減產(chǎn)，在充分灌溉條件下，相對濕度是影響冬季娃娃菜耗水量的主要因素。筆者的研究結果可為云南地區(qū)娃娃菜種植灌水提供參考。