基于稱重式蒸滲儀的溫室秋茬禮品西瓜 蒸散特征及影響因子

楊 宜，李銀坤，陶虹蓉，郭文忠，李海平，李靈芝

(1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京100097；2.山西農業大學 園藝學院，山西 太谷 030801； 3.農業部都市農業(華北)重點實驗室，北京100097)

0 引 言

近年來，禮品西瓜作為廣受生產者和消費者喜愛的高檔果品種類，在設施中的栽培面積不斷擴大，但由于灌水和施肥的不合理施用，導致禮品西瓜出現裂瓜、畸形和延遲上市等問題，嚴重制約了禮品西瓜產業的發展[1]。

作物蒸散量又稱需水量，是農業方面最重要的水分消耗途徑，明確作物蒸散規律是建立合理灌溉制度的前提，對于發展節水農業具有十分重要的意義[2]。稱重式蒸滲儀(Lysimeter)可以直接獲取作物的蒸散量，且測量精度高、數據的連續性好，被廣泛用來研究農田水分蒸散特征與作物耗水規律[3,4]。許高平(2014年)利用稱重式蒸滲儀研究了華北地區夏玉米的耗水特征，明確了夏玉米的日耗水速率及其與氣象因素的相關性[5]。張征宇等(2014年)基于蒸滲儀獲取的實測蒸散量數據，并分析了冬小麥日蒸散量在全生育季節內的變化特征[6]。但上述研究均是基于稱重式蒸滲儀技術對大田糧食作物的耗水規律探討，利用稱重式蒸滲儀研究溫室作物精細蒸散特征的研究則極為少見，且由于溫室內環境的相對密閉性，具有溫濕度高、作物耗水強度大等特點，溫室作物逐時蒸散量與主要環境因子的動態變化及其相互關系尚不明確。因此，本研究以溫室禮品西瓜為研究對象，以直徑20 cm的蒸發皿水面蒸發量為灌水依據，基于稱重式蒸滲儀獲取的蒸散量實測值研究了禮品西瓜精細耗水規律及其影響因素，為建立溫室禮品西瓜科學的節水灌溉制度提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在北京市農林科學院玻璃溫室內進行。供試西瓜為小型西瓜，品種為“京秀”。 2017年8月12日選取約3葉1心的西瓜秧苗，移栽4株在稱重式蒸滲儀上。保護行采用畦栽，每畦栽種兩行，株距為0.45 m，行距0.4 m。溫室內布置2個直徑為20 cm的蒸發皿，以每日17∶30測定的水面蒸發量累積值乘以系數0.8作為灌水依據，灌水周期為7～10 d。分別選取2017年9月22日(陰天)和9月23日(晴天)兩個典型天氣分析西瓜的逐時蒸散規律，兩典型日溫度及生長指標相近。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 蒸散量

稱重式蒸滲儀每h記錄一次土柱重量(分辨率0.01 mm)，蒸散量的計算原理為：

T×A=(Wt-1-Wt)/ρ+I

(1)

式中：T為時間段內蒸散量，mm；A為蒸滲儀箱體的表面積，0.6 m2；Wt-1、Wt為t-1時刻和t時刻蒸滲儀箱體內土、水的質量，g；ρ為水的密度，1 g/cm3；I為時段內的灌水量，mm。

1.2.2 環境數據

利用小型氣象站對溫室內平均溫度、相對濕度和太陽輻射等環境因子進行監測，采集間隔為1 d及1 h；在溫室中央位置放置2個20 cm蒸發皿，取每日17∶30記錄的兩個蒸發皿蒸發量平均值為溫室水面蒸發量。

2 結果與分析

2.1 溫室內日均溫濕度變化

秋茬禮品西瓜全生育期內的平均溫度為22.28 ℃，其中在定植1～38 d(苗期和伸蔓期)內的溫度變化相對穩定，日均溫度穩定在25.61～31.86 ℃，但隨著生育期的進一步延長，日均溫度呈明顯的下降趨勢。溫室內相對濕度在西瓜定植后38 d內(苗期與伸蔓期)呈小幅下降趨勢，日均相對濕度變化范圍為53.71%～88.10%；在定植33 d后相對濕度又呈逐漸上升趨勢，變化幅度在70.3%～93.3%。

圖1 溫室禮品西瓜全生育期日均溫度及相對濕度變化

2.2 溫室秋茬西瓜逐時蒸散特征分析

晴天時秋茬禮品西瓜在晴天時的逐時蒸散量呈雙峰曲線變化(圖2)，峰值分別出現在11∶00和13∶00，峰值分別達0.14 mm/h和0.20 mm/h，而在00∶00-7∶00以及19∶00-24∶00時段內的蒸散量較低，變動幅度小，變化范圍分別只有0.03～0.06 mm/h與0.03～0.07 mm/h。晴天的太陽輻射日變化與蒸散量變化特征相似，但呈單峰曲線，峰值出現在12∶00，峰值之后太陽輻射值下降明顯，18∶00時已低至3.56 W/m2。陰天時禮品西瓜逐時蒸散量與太陽輻射均呈單峰曲線變化(圖2)，峰值均出現在12∶00。峰值之后均呈緩慢下降趨勢，至18∶00時下降至穩定狀態。統計分析表明，晴天與陰天的西瓜日蒸散量均與對應的太陽輻射呈極顯著的正相關關系[圖3(a)和圖3(b)]，R2在0.7以上(P<0.01)，說明太陽輻射是影響逐時蒸散量變化的關鍵因子。

圖2 禮品西瓜不同天氣日蒸散規律

圖3 禮品西瓜逐時蒸散量與太陽輻射的關系

2.3 溫室秋茬西瓜全生育期日蒸散動態分析

圖4為秋茬西瓜全生育期內日蒸散量和累積蒸散量的動態變化。秋茬西瓜日蒸散量的變化幅度為0.41～2.35 mm，并隨著生育期的推進，呈先升高后降低的變化趨勢，其中日蒸散量在定植39 d(開花坐果期)時出現最高值(2.35 mm)，之后日蒸散量呈波動下降趨勢。在定植80 d后，日蒸散量在0.93 mm左右波動。秋茬西瓜全生育期的累積蒸散量呈“S”型變化趨勢，其中在西瓜定植1～31 d(苗期及伸蔓期)內的變化相對平緩，而在定植32～80 d(開花坐果期及果實膨大期)內的增加幅度較大，從定植81 d時(成熟期)累積蒸散量的增加又趨于平緩。溫室秋茬西瓜在全生育期的累積蒸散量有114.79 mm，平均日蒸散量為1.11 mm。

圖4 溫室西瓜全生育期逐日及累積蒸散量變化

2.4 溫室秋茬西瓜不同生育期蒸散特征分析

溫室秋茬禮品西瓜在果實膨大期的蒸散量最高，然后依次為伸蔓期、開花坐果期、成熟期與苗期。其中開花坐果期的蒸散強度最大，可達1.34 mm/d，該期間的蒸散量可占全生育期蒸散量的37.68%。而果實膨大期與伸蔓期的蒸散量則占到全生育期蒸散量的65%以上。說明果實膨大期與伸蔓期是秋茬西瓜需水的關鍵階段。西瓜在苗期的蒸散量及占全生育期蒸散量的比例均為最低，平均蒸散強度也只有1.04 mm/d。

表1 西瓜各生育階段蒸散規律

2.5 溫室西瓜日蒸散量與環境因子的相關性分析

如表2所示，溫室內主要環境因子均與西瓜蒸散量具有顯著的相關關系。其中相對濕度與蒸散量呈極顯著負相關關系(P<0.01)，而光合有效輻射、太陽輻射、最高溫度、最低溫度以及平均溫度等均與蒸散量呈極顯著正相關關系(P<0.01)。在眾多環境因子中，光合有效輻射、太陽輻射、飽和差、最高溫度和相對濕度與西瓜日蒸散量的相關系數均在0.5以上，說明西瓜蒸散量受到上述環境因子的影響相對較大。

基于SPSS軟件的西瓜蒸散量與各環境因子的線性逐步回歸分析表明：光合有效輻射、太陽輻射和相對濕度是影響蒸散量最重要的環境因子。雖然飽和差與西瓜日蒸散量的相關系數也高達0.742(表2)，但在逐步回歸中作為非主要變量被剔除，說明其并非影響蒸散量的決定因素。在上述分析的基礎上，利用最小二乘法建立了基于溫室主要環境因子(光合有效輻射、太陽輻射和相對濕度)估算秋茬西瓜蒸散量的經驗模型[公式(2)]：

表2 各氣象因子與西瓜蒸散量的相關系數

注：**表示在 0.01 水平上顯著相關。

ET=0.819+0.016PAR-0.019Rs-0.005Rh

(2)

式中：ET為參考作物蒸散量，mm/d；PAR為光合有效輻射，W/m2；Rs為太陽輻射，W/m2；Rh為相對濕度，%。模型的檢驗結果如表3所示，其中經驗模型的R2達0.706，精度較高。

表3 西瓜日蒸散量估算模型檢驗結果

3 結果與討論

植株的蒸騰作用受到其自身生長狀況與外界環境因子共同影響，定量的分析植株全生育期的蒸散規律，可為指導科學灌溉提供依據[7]。在本試驗中，溫室西瓜在苗期和伸蔓期以營養生長為主，且溫室內溫度較高，在此階段地表蒸發以土壤蒸發為主；到開花結果期出現了日蒸散量峰值，為2.55 mm/d，此時植株由營養生長轉向旺盛的生殖生長，西瓜葉面積的快速增長是該時期蒸散量增加的主要原因，鄭健等[8]研究也認為，葉面積指數與日蒸散量相關性較高，是表征植株蒸騰速率的重要生理指標，進一步說明了西瓜在開花坐果期出現的需水高峰可能與西瓜的葉面積等生理指標有關；進入果實膨大期后，溫室內溫度持續降低，此時平均溫度僅有18.29 ℃，比開花坐果期平均溫度(25.53 ℃)低了7.24 ℃，這一時期西瓜的平均蒸散強度對比開花坐果期有所降低，僅為1.08 mm/d，許金香等[9]研究也表明，秋冬茬果菜的日蒸散量呈現先升高后逐漸降低的變化趨勢，需水量在果實膨大期略低于開花結果期，溫室內較低的平均溫度無法滿足西瓜正常生長，可能是引起日蒸散量逐漸降低的原因。

溫室內環境因子如輻射、溫度、相對濕度等外因決定了作物需水的潛勢，與作物自身的蒸散特性共同影響著作物的蒸散量[10]。本試驗中，太陽輻射及光合有效輻射均與西瓜日蒸散量具有較好的相關性，相關系數高達0.777和0.813，但平均溫度與蒸散量的相關系數為僅為0.434，說明溫度因素在本試驗中與蒸散量的相關性不佳，這與劉浩[11]等和牛勇等[12]研究結論一致，由于生育后期全天溫差較大，以日為尺度較難體現后期溫度大幅度變化情況，可能會在計算時造成一定程度的誤差。在不同典型天氣條件下(晴天與陰天)，禮品西瓜逐時蒸散量在晴天呈雙峰曲線變化，在陰天時呈單峰曲線變化，西瓜日蒸散量與太陽輻射的變化趨勢一致，峰值出現時間也與基本相同，二者間呈極顯著相關(R2均大于0.7)，進一步說明了太陽輻射是影響西瓜日蒸散量的關鍵因子。溫室內相對濕度的大小也是影響溫室西瓜需水量的重要因素，寶哲等[13]認為相對濕度是影響小型西瓜蒸散量的決定因子，本試驗通過逐步回歸分析得出，相對濕度與太陽輻射、光合有效輻射共同作為西瓜日蒸散量變化的主控因子，對西瓜日蒸散量的變化起到關鍵性作用，與寶哲等[13]研究一致。因此，本試驗基于光合有效輻射、太陽輻射和相對濕度建立了西瓜日蒸散量經驗模型(R2達0.706)，可用于秋茬禮品西瓜日蒸散量的估算。