基于輻射累積量的灌溉策略對不同土壤質地溫室黃瓜產量和品質的影響

袁 泉 ，盧 威 ，王 君 ，陳 茹 ，李衍素 ，于賢昌 ，賀超興 ，孫敏濤 ，閆 妍

（1. 中國農業科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2. 四川農業大學園藝學院，成都 625014）

0 引 言

設施栽培蔬菜已成為中國蔬菜穩定供應不可或缺的組成部分。制定合理的灌溉策略是提高蔬菜產量和品質的重要手段。目前關于設施蔬菜栽培灌溉策略的研究主要包括：1）通過構建數學模型估算作物蒸騰蒸發量來明確需水規律，如改良的FAO-56 彭曼公式[1]、雙作物系數模型[2]等；2）通過傳感器監測土壤水分狀況來控制灌水起始點和灌水量，如張力計[3]、土壤水分傳感器[4]等；3）根據植株生長情況決策灌水起始點，如表型[5]、莖流[6]、葉溫[7]等；4）其他用作灌溉依據的方法，如蒸發皿法[8]、稱重法[9]等。以上方法各有優點，但附加的田間取樣工作、復雜的土壤微環境、傳感器長期缺乏維護引起的準確性和穩定性降低等各種原因，導致其在實際生產過程中并沒有獲得廣泛的應用。目前絕大部分生產者仍是根據田間經驗進行粗放式管理，極易造成一次性灌水過量，導致土壤水分滲漏及養分淋溶，同時迫使植株遭受水分充足、虧缺、復水恢復一系列波動的土壤水分狀況，若澆水不及時還會造成短時干旱脅迫。

設施土壤中水分來源主要是灌溉水和地下水，水分去向主要包括土壤中水分下滲、土壤本身水分含量變化、土壤蒸發和植物蒸騰[8]。通過控制灌水量可有效避免灌水過量，減少水分下滲。而土壤蒸發和植物蒸騰受設施內小氣候環境的影響[1]。在眾多環境因子中，光照是影響植物蒸騰和土壤蒸發的重要環境因子，也是能夠極易準確、穩定監測的環境因子。為簡化灌水控制策略，很多研究重點關注太陽輻射累積量與植物需水規律、土壤/基質蒸發量的關系[10]，已證實太陽輻射累積量與溫室作物耗水量之間呈顯著正相關[11-13]。基于輻射累積量的灌溉策略控制邏輯簡單，多用于持水能力較差的設施基質栽培，但對于不同類型基質，推薦的太陽輻射累積量設定值也存在較大差異[13-14]，并不能直接用于土壤栽培。中國蔬菜設施仍以土壤栽培為主，若能明確適合土壤栽培的太陽輻射累積量設定值，將可以大幅降低設施規模化生產中的灌溉控制成本和勞動力投入。

蔬菜栽培設施主要分布在黃淮海及環渤海、西北及長江中下游等地區，各地區土壤質地差異明顯，其中，以壤土、黏壤土和砂壤土較為適宜。黃瓜是中國設施栽培面積最大的蔬菜之一，對土壤水分較為敏感[15-17]。基于此，本文確定在壤土、黏壤土和砂壤土3 種典型土壤質地下，研究基于太陽輻射累積量的灌溉策略對日光溫室黃瓜植株生長、產量、灌溉水分利用效率和品質的影響，以期為不同質地土壤下設施黃瓜高產或優質栽培提供簡單實用的灌溉策略。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗在北京市昌平區南口鎮中國農科院南口中試基地的日光溫室（116°6′E，40°13′N）中進行。溫室長100 m，跨度8 m，前屋面為防水無滴膜覆蓋，后墻為磚墻。供試材料為黃瓜‘中農26’（中蔬種業科技（北京）有限公司）。

1.2 試驗設計

試驗設置3 種質地的土壤，分別為壤土（R）、黏壤土（N）和砂壤土（S），物理性質詳見表1。灌溉控制邏輯是當太陽輻射累積量累計至設定值時開始灌溉，同時控制系統中太陽輻射累積量數值清零，重新開始累計，一直循環執行。為獲得設施黃瓜高產，推薦控制結果期土壤含水率維持在田間持水量的70%～90%[18-19]。在此基礎上，開展了不同質地土壤下以田間持水量的70%作為灌水下限、田間持水量的90%作為灌水上限對溫室黃瓜產量和品質影響的預試驗，統計不同質地土壤下相鄰兩次灌水之間植株冠層處太陽輻射累積值，發現變化范圍為15～25 MJ/m2。故本試驗在同一質地土壤下設計了15、20 和25 MJ/m2共3 個輻射累積量梯度。因此，設置R15、R20、R25、N15、N20、N25、S15、S20、S25共9 個處理。各處理單次灌水量詳見表2，具體計算如下：

表1 試驗土壤的物理性質Table 1 Soil physical characteristics

表2 各處理單次灌水量Table 2 Each irrigation amount of all treatmentsmm

式中I為以25 MJ/m2作為灌水起始點時單次灌水量，mm；QFC為田間持水量，%；BD為土壤容重，g/cm3；s為計劃濕潤面積，取值為0.071 m2；h為計劃濕潤深度，取值為0.24 m。為保持同一質地土壤下累積相同太陽輻射量時各處理的總灌水量一致，以15、20 MJ/m2作為灌水起始點時對應單次灌水量分別為0.6I、0.8I。

試驗于2021 年8 月2 日催芽，3 日播種。采用盆栽，規格為30 cm×30 cm（直徑×高度），8 月20 日將黃瓜幼苗定植，單行栽培，每行種植17 株。行間距為1.3 m，株間距為0.3 m，栽培密度為2.57 株/m2。試驗為隨機區組設計，每處理3 個重復，每個小區面積6.6 m2（寬1.3 m×長5.1 m）。根據黃瓜的生育特點，將生長期劃分為苗期（8 月21 日—9 月30 日）、初花期（10 月1 日—10 月10 日）和結瓜期（10 月11 日—12 月23 日）。采用壓力補償式滴灌管進行灌溉，每行布置一根，相鄰滴頭間距為30 cm，流量為1.6 L/h。為保證幼苗成活，定植后同一質地土壤灌溉同量的定植水和緩苗水。開始不同灌溉策略處理的時間為10 月11 日，拉秧時間為12 月24 日。整個生育期N、P2O5和K2O 分別施用337.5、246.0 和472.5 kg/hm2。各處理的其他栽培管理措施均保持一致。

1.3 測定方法

1.3.1 環境數據監測和灌水量測定

在試驗區的中心區域，距植株冠層位置高20 cm 處安裝太陽輻射傳感器（ZZ-LRS-TSR-485 光電式，北京棠華科技有限公司）和溫濕度計（RC-4HA/C，精度：溫度為0.1 °C，濕度為3% RH，江蘇精創電氣股份有限公司），傳感器位置隨著植株生長不斷調整。每個處理安裝了1 臺數字水表（SM-10，精度0.000 01 m3，南京水門電子有限公司）在線記錄灌水量。所有數據均每5 min記錄1 次。

1.3.2 植株生長指標測定

各處理隨機選擇至少3 株，在晴天08:30—11:30，采用CIRAS-3 便攜式光合儀（PP System，美國）對從上往下數第6 片功能葉的光合速率進行測定，測定條件為：光強800 μmoL/(m2·s)，CO2濃度400 μmoL/moL。隨機選擇至少6 株，從上往下數第7 至第9 片葉，對其葉面積進行測定求和，對第7 至第9 節的節間距進行測定取平均，測定日期為2021 年10 月14 日和11 月22 日。采用氯化三苯基四氮唑法測定根系活力[20]，取樣日期為12 月1 日。在拉秧前測定株高和節間數，測定日期為12 月23 日。

1.3.3 產量和灌溉水分利用效率

開始不同灌水策略處理后，每行標記7 株植株對其產量進行統計。灌溉水分利用效率計算為

式中IWUE為灌溉水分利用效率，kg/m3；Y為單位面積產量，kg/m2；Itotal為總灌水量，mm。

1.3.4 品質測定

于2021 年10 月27 日選取同日開花節位作標記，11 月5 日摘瓜用于品質測定。可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定；維生素C 含量采用2,6-2 氯酚靛酚比色法測定；硝酸鹽含量采用水楊酸-濃硫酸比色法測定[20]。

1.3.5 數據分析

采用SPSS 19 統計分析軟件（version 19.0，IBM，USA）進行方差分析，多重比較采用Tukey 檢驗。

2 結果與分析

2.1 溫室內主要氣象因子變化

飽和水汽壓差（vapor pressure deficit，VPD）是綜合反映空氣溫濕度的指標。從圖1 可以看出，植株冠層太陽輻射日累積量變化范圍為0.18～11.87 MJ/(m2·d)，白天VPD 平均值變化范圍為0.11～3.75 kPa，VPD 與太陽輻射日累積量的變化趨勢基本一致。

圖1 溫室內太陽輻射日累積量和白天飽和水汽壓差平均值Fig.1 Daily solar radiation and average vapor pressure deficit(VPD) during daytime in the greenhouse

不同地域光照條件存在明顯差異，而進入溫室的太陽輻射量會影響內部溫、熱環境，從而影響作物生長發育和產量積累。由圖2 可知，試驗期間溫室內氣溫變化范圍為7.5～44.4 °C，氣溫平均值變化范圍為11.5～25.6 °C。秋冬季節設施蔬菜常會遭受低溫弱光的逆境脅迫，溫室內氣溫若低于12 ℃則會導致黃瓜生理代謝活動嚴重失調[21]。夜間低于12 °C 的天數統計有35 d，除了11 月6 日至9 日連續4 d 外，其他低溫天氣主要出現在拉秧前30 d。

圖2 溫室內最高、最低和平均空氣溫度日變化Fig.2 Diurnal variation of maximum, minimum and average air temperatures in the greenhouse

2.2 光合速率、葉面積和節間距

基于輻射累積量的灌溉策略對不同土壤質地溫室黃瓜植株光合速率、葉面積和節間距的影響如表3 所示。分析光合速率2 次的測定結果，土壤質地對葉片光合速率沒有產生顯著影響（P＞0.05）。而在結瓜初期（10 月14 日）不同灌溉策略對光合速率產生了顯著影響，以25 MJ/m2作為灌水起始點時葉片光合速率最大，以20 MJ/m2作為灌水起始點次之，以15 MJ/m2作為灌水起始點時最小。在結瓜盛期（11 月22 日）不同灌溉策略未對光合速率產生顯著影響（P＞0.05）。在整個結瓜期土壤質地和灌溉策略交互對光合速率產生了顯著影響（P＜0.05）。

表3 不同灌溉策略下溫室秋冬茬黃瓜光合速率、葉面積和節間距Table 3 Photosynthetic rate, leaf area and internodal distance of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

土壤質地和基于輻射累積量的灌溉策略二者均對黃瓜植株的葉面積和節間距產生了顯著影響 。對于壤土、黏壤土和砂壤土，R25、N25和S25處理下葉面積和節間距分別在同一質地處理中數值較大，而以R15、N15和S15處理下葉面積和節間距最小，表明不論哪種土壤質地，以25 MJ/m2作為灌水起始點有利于黃瓜植株生長。

比較R25、N25和S25，發現R25處理下葉面積比N25、S25分別高16.1%～35.6%、21.1%～24.6%；R25處理下節間距比N25、S25分別高5.4%～16.3%、-4.8%～18.1%（10 月14 日數據R25和S25處理間無顯著差異，P＞0.05），表明以25 MJ/m2作為灌水起始點時壤土較黏壤土和砂壤土更有利于黃瓜植株葉片伸展。

2.3 株高和節間數

基于輻射累積量的灌溉策略對不同土壤質地溫室黃瓜植株株高的影響如圖3a 所示。對于壤土、黏壤土和砂壤土，R25、N25和S25處理下植株株高在同一土壤質地處理中數值最大。對于壤土，R25處理下株高較R15和R20分別高32.2%和22.2%；對于黏壤土，N25處理下株高較N15和N20分別高24.7%和20.1%；對于砂壤土，S25處理下株高較S15和S20分別高23.4%和30.9%。在相同的灌溉策略下，在以15 MJ/m 作為灌水起始點時，3 種土壤質地下植株株高無顯著差異（P＞0.05）。在以20 MJ/m2作為灌水起始點時，壤土和黏壤土下植株株高略高于砂壤土；在以25 MJ/m2作為灌水起始點時，壤土下植株株高顯著高于砂壤土（P＜0.05）。

圖3 不同灌溉策略下日光溫室秋冬茬黃瓜株高及節間數Fig.3 Plant height and number of internode of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

基于輻射累積量的灌溉策略對不同土壤質地溫室黃瓜植株節間數的影響如圖3b 所示。對于壤土、黏壤土和砂壤土，R25、N25和S25處理下植株節間數在同一土壤質地處理中數值最大。對于壤土，R25處理下節間數較R15和R20分別高17.4%和9.9%；對于黏壤土，N25處理下節間數較N15和N20分別高11.2%和11.4%；對于砂壤土，S25處理下節間數較S15和S20分別高7.7%和14.8%。在相同的灌溉策略下，以20、25 MJ/m2作為灌水起始點時，壤土和黏壤土下植株節間數略高于砂壤土。

2.4 根系活力

基于輻射累積量的灌溉策略對不同土壤質地溫室黃瓜植株根系活力的影響如圖4 所示。對于壤土，R25處理下根系活力較R15和R20分別高35.9%和46.3%；對于黏壤土，N25和N20處理下根系活力分別比N15高28.1%和35.0%；對于砂壤土，S25處理下根系活力比S15和S20分別低14.2%和26.8%。在相同的灌溉策略下，以15 MJ/m2作為灌水起始點時，砂壤土下植株根系活力顯著高于黏壤土和壤土（P＞0.05）；以20 MJ/m2作為灌水起始點時，砂壤土下植株根系活力最大，黏壤土次之，壤土最低；而以25 MJ/m2作為灌水起始點時，3 種土壤質地下植株根系活力無顯著差異（P＞0.05）。以上結果表明土壤質地和灌溉策略交互會影響黃瓜植株的根系活力，其中，砂壤土更有利于提高根系活力。

圖4 不同灌溉策略下日光溫室秋冬茬黃瓜根系活力Fig.4 Root activity of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

2.5 坐瓜數、產量和灌溉水分利用效率

在本試驗設計中，相同設施光環境下，同一質地土壤累積相同的太陽輻射量時各處理總灌水量基本保持一致。對于壤土、黏壤土和砂壤土，各處理間坐瓜數、總產量以及灌溉水分利用效率均無顯著差異（P＞0.05，表4）。

表4 不同灌溉策略下溫室秋冬茬黃瓜坐瓜數、產量和灌溉水分利用效率Table 4 Number of cucumber, yield and irrigation water use efficiency of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

2.6 品 質

基于輻射累積量的灌溉策略對不同土壤質地溫室黃瓜品質的影響如表5 所示。對于可溶性蛋白，在壤土、黏壤土和砂壤土下，各水分處理間無顯著差異（P＞0.05）。對于可溶性糖，壤土下R15處理最高；而黏壤土和砂壤土下，以15、 20 MJ/m2作為灌水起始點時可溶性糖含量較高，且二者無顯著差異（P＞0.05）。對于維生素C，在壤土、黏壤土和砂壤土下，均以20、25 MJ/m2作為灌水起始點時維生素C 含量較高，且二者無顯著差異（P＞0.05）。對于硝酸鹽，在壤土和黏壤土下，均以20、25 MJ/m2作為灌水起始點時硝酸鹽含量較低，且二者無顯著差異（P＞0.05）；在砂壤土下，S15和S20處理下硝酸鹽含量較低。

表5 不同灌溉策略下溫室秋冬茬黃瓜品質Table 5 Fruit quality of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

3 討 論

3.1 土壤質地和灌溉策略交互對黃瓜產量的影響

黃瓜是喜水且受灌水量影響較大的蔬菜，增加灌水量能夠顯著提高黃瓜產量[15]。本試驗中同一質地土壤下基本一致的灌水總量可能是導致各水分處理間黃瓜產量無顯著差異的主要原因。在結瓜期開始水分處理，基于輻射累積量的灌溉策略產生了“高頻少量”和“低頻多量”的灌溉效果。以15、20 和25 MJ/m2作為灌水起始點引起的總灌水次數分別為21、26 和35。但產量并未受灌溉頻率的影響，與前人研究關于黃瓜產量不受灌水頻率影響的結果一致[22-23]。但也有報道稱相同灌水量下增加灌水頻率會造成減產[24-25]或增產[26]等不同的結果，推測研究結果產生差異的原因是由灌水量、溫光條件和茬口不同共同引起的。無論壤土、黏壤土，還是砂壤土，在低頻多量的灌溉策略（以25 MJ/m2作為灌水起始點）下黃瓜植株光合速率、葉面積、株高和節間數高于其他灌水處理（表3、圖3），有利于黃瓜結瓜期植株生長。

3.2 土壤質地和灌溉策略交互對灌水量和水分利用效率的影響

由于以25 MJ/m2作為灌水起始點時黃瓜植株長勢較優，統計試驗期間植株冠層太陽輻射量發現，達到25 MJ/m2累積值對應需2～5 d，不同質地土壤單次灌溉量為2.77～3.56 mm。楊冬艷等[25]推薦寧夏日光溫室秋冬茬黃瓜結瓜期灌水間隔為7 d，灌水量為10.5 mm。王艷等[26]推薦天津濱海日光溫室春茬黃瓜灌水定額12 mm，灌水間隔為3 d，IWUE為25.7 kg/m3。毋海梅等[27]推薦以20 cm 標準蒸發皿的累積水面蒸發量作為灌水依據，獲得玻璃溫室秋冬茬黃瓜生長中期蒸發蒸騰量為2.47～3.85 mm/d，平均灌水間隔為4～5 d，IWUE為32.5 kg/m3。比較折算后的日平均灌水量，發現本試驗的數值大小在其他研究結果的范圍之內。但本試驗栽培密度是實際生產中的近1/2，導致產量和IWUE明顯低于其他研究。同時，試驗期間由于11 月6 日開始連續4 d 出現了夜間低于12 ℃的環境溫度，白天最高溫度15.6～20.5 ℃范圍內，連續的低溫弱光天氣導致各處理黃瓜產量有所減少。11 月20 日至拉秧（12 月24 日）期間，隨著日平均氣溫整體降低，收獲間隔時間也由之前的2～3 d 延長至4～5 d，進一步導致IWUE降低。

3.3 土壤質地和灌溉策略交互對黃瓜品質的影響

在相同的土壤質地下，雖然整體灌水量保持一致，但高頻少量的灌溉策略容易造成土壤濕潤面積小，受太陽輻射直接照射影響會增加表面無效蒸發，植株實際獲取到的水分可能會有所減少，盡管試驗處理未對產量產生影響，但植株生長確實受到了影響，以25 MJ/m2輻射累積量作為灌水起始點處理下長勢最優（表3）。因此，推測以15、20 MJ/m2作為灌水起始點的處理下植株實際獲取的水量可能有所減少。而灌水量減少會降低水分從木質部向果實的運輸，提高果實可溶性糖含量[28]。故在以15、20 MJ/m2作為灌水起始點的處理下果實可溶性糖含量略高于以25 MJ/m2作為灌水起始點的處理。土壤質地并沒有對維生素C、可溶性糖、可溶性蛋白含量產生顯著影響，而基于輻射累積量的灌溉策略則對各指標影響顯著，以20 MJ/m2作為灌水起始點的處理下果實可溶性糖和維生素C 含量最高，硝酸鹽含量最低，品質最優（表5），表明相同灌水量下通過優化灌溉頻率可以改善果實品質。

4 結 論

為簡化設施灌溉策略，本研究探討了基于太陽輻射累積量作為灌水起始點的灌溉策略對黃瓜植株生長、產量和品質的影響，明確了典型土壤質地（壤土、黏壤土和砂壤土）下溫室秋冬茬黃瓜栽培的灌溉參數，得出以下結論：

1）在栽培密度為2.57 株/m2下，對于壤土、黏壤土和砂壤土下溫室秋冬茬黃瓜栽培，以25 MJ/m2的太陽輻射累積量作為灌水起始點，分別對應單次3.22、3.56 和2.77 mm 的灌水量，有利于植株獲得更大的光合速率、葉面積、株高和節間數，可以作為日光溫室秋冬茬黃瓜結瓜期的灌溉參數。但同一質地土壤相同總灌溉量下基于輻射累積量的灌溉策略并未對產量產生顯著影響。

2）對于壤土、黏壤土和砂壤土下溫室秋冬茬黃瓜優質栽培，建議設置以20 MJ/m2的太陽輻射累積量作為灌水起始點，分別對應單次2.59、2.85 和2.22 mm 的灌水量作為灌水參數。

在后續研究中，還需對不同地區的設施、蔬菜種類、栽培茬口以及實際栽培密度下的應用效果進行驗證，通過適當調整灌溉參數不斷優化設施灌溉控制策略。