非水分虧缺條件下設施茄子蒸散量變化特征及其影響因子分析

王賀壘 范鳳翠 耿計申 齊浩 劉勝堯 張哲 杜鳳煥 賈宋楠 趙楠 韓憲忠

摘要：為探明設施茄子在非水分虧缺條件下蒸散量及構成要素的變化特征，圍繞關鍵因子進行調控。以膜下滴灌茄子為研究對象，在苗期、開花坐果期和成熟采摘期土壤水分分別低于田間持水量的70%、80%和70%時，設置3種灌水定額進行灌溉，分析各生育階段蒸散速率和土壤蒸發速率的變化，并對氣象因子（日均溫度、濕度、太陽累積輻射）、作物因子（葉面積指數）和土壤水分因子與蒸散量進行相關分析，確定各階段的關鍵影響因子。茄子階段蒸散速率與蒸騰速率變化規律基本一致，均呈單峰型變化曲線，開花坐果期最高，成熟采摘期次之。土壤蒸發速率呈“開口向上”的“U”形變化曲線，開花坐果期最低。蒸散量構成要素所占比重的變化規律為：苗期土壤蒸發量在蒸散量中所占比重最高，達到22.33%～31.40%。開花坐果期最低，為3.31%～3.89%。影響蒸散量因素中，葉面積指數隨生育階段推進影響程度逐漸降低，土壤質量含水率在苗期影響不顯著，在開花坐果期和成熟采摘期均達到極顯著水平。因此，開花坐果期可以忽略膜下土壤蒸發對蒸散量變化的影響，而在其他2個生育階段需要充分考慮。葉面積指數對蒸散量的影響主要體現在前中期，而土壤質量含水率主要體現在中后期。

關鍵詞：茄子;蒸散量;構成要素;影響因子

中圖分類號： S641.101;S161.4;S275.6文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0150-05

收稿日期：2018-06-16

基金項目：國家公益性行業（農業）科研專項（編號：201303133-1-3）;河北省科技計劃（編號：16227005D）;現代農業科技創新工程（編號：494-0402-YBN-H5A4）。

作者簡介：王賀壘（1993—），男，河北邢臺人，碩士，主要從事農業節水模型信息化研究。E-mail：wanghelei20117462@163.com。

通信作者：韓憲忠，教授，碩士生導師，主要研究方向為農業模型與計算機網絡研究。E-mail：13832252366@163.com。

近年來，研究作物蒸散量和水分分配規律，分析蒸散量關鍵影響因子成為農業節水的熱點[1]。蒸散是土壤、環境和植株三者共同作用的結果[2-3]，受作物受生長發育的影響，不同生育階段作物蒸騰和土壤蒸發水分分配比例不同，從而引起因子數目和種類的不同。因此，明確茄子在不同生育階段蒸散量的變化及水分分配規律，分析因子對蒸散量的影響程度，對指導農業科學管理有極大的促進作用。

蒸散量包括土壤蒸發量和作物蒸騰量2個部分，它們之間的水分分配規律需要進行深入研究。趙麗雯等在研究綠洲玉米蒸散量分配規律時發現，不同生育階段蒸騰蒸發比主要受葉面積指數的影響[4]。孫景生等發現，溝灌夏玉米土壤蒸散速率在灌溉后2～3 d較大，受大氣蒸發力影響明顯[5]。劉浩等通過研究日光溫室蘿卜棵間土壤蒸發規律發現，土壤蒸發隨生育期的推進有減小的趨勢[6]。在設施栽培中，棚室具有相對獨立的微環境，它通過棚膜和土墻與外界隔離開來。正是由于這一特點，設施內的環境具有可調的優勢，通過對相關因子的調控，實現設施農業資源高效利用的目標。郭春明等研究春玉米蒸散量的影響因子時發現，葉面積指數、氣溫與蒸散量呈顯著正相關關系[7]。龔雪文等研究發現，日光溫室番茄蒸散量的主控因子為太陽凈輻射，對不同空間尺度蒸散量均有影響[8]。張大龍等通過研究大棚甜瓜蒸騰影響因素發現，空氣濕度與蒸騰量呈顯著負相關關系，通過對日均溫度的間接作用來影響蒸騰[9]。王賀壘等在研究設施茄子蒸散模型時得出，葉面積指數可作為作物因素子模型[10]。盡管華北地區屬于半濕潤地區，但缺水程度遠遠高于其他所屬同種氣候的地域。在設施栽培中，對于覆膜種植往往會忽略土壤蒸發，而膜下土壤蒸發卻時刻存在，直接忽略會產生一定偏差。因此，有必要分階段研究作物蒸騰和土壤蒸發的水分分配規律，明確影響蒸散量的關鍵因子，提高農田灌溉科學性。

因此，本研究以滴灌條件下茄子為研究對象，通過水量平衡法計算作物蒸散量，結合微型蒸滲儀計算土壤蒸發量，進而明確不同生育階段水分分配比例;通過相關系數法分析各生育階段影響蒸散量的關鍵因子，并針對關鍵因子進行調控，旨在為設施農業的科學管理奠定堅實的理論基礎。

1?材料與方法

1.1?研究區概況

試驗于2017年3—8月在河北省農林科學院大河綜合試驗基地內進行，年均氣溫為13.3 ℃，年日照時數為1 776.9 h，四季分明。供試土壤質地為壤質褐土，土壤容重為1.38 g/cm3，田間持水量為22.1%（質量含水率），地下水埋深大于5 m。茄子品種選擇河北主栽品種茄雜6號，南北向種植。棚室南北長30 m，東西寬15 m，起壟覆膜種植。畦長6.3 m，寬2.4 m，采用株距30 cm、行距60 cm進行種植。

1.2?試驗設計

試驗通過滴灌方式進行灌溉，苗期、開花坐果期、成熟采摘期計劃將濕潤層（40 cm）土壤水分分別控制在田間持水量的70%、80%、70%以上。當低于水分下限時，按照灌水定額150 mm（W1）、22.5 mm（W2）和300 mm（W3）進行灌溉。蒸散量的影響因素主要分為作物因素、氣象因素和土壤因素3種。其中，作物因素為葉面積指數（LAI）;氣象因素主要包括溫度、濕度、日累積太陽輻射等;土壤因素為土壤質量含水率。

1.3?田間測試

采用土鉆法于株間和行間中部位置采集0～100 cm土壤，測定土壤水分含量，每10 cm為一土層。每隔3～5 d測定1次，灌水前后各加測1次。土壤質量含水率測定是在105 ℃烘箱內，將土樣烘干至恒質量，用以計算土壤質量含水率和蒸散量。

利用微型蒸滲儀來測定土壤蒸發量。在膜下2株茄子間布置鍍鋅蒸發皿，該蒸發皿直徑為9 cm，桶體高度為30 cm，底部用隔水膠帶密封。每隔5 d更換1次土體，從上而下按壓桶體取原狀土。測定時間為08：00，用精度為0.1 g天平稱量桶體質量，灌水后及時更換土體并稱質量。

氣象數據由設置在棚室中央的小型氣候觀測儀測定，每隔10 min采集1次，觀測氣溫、相對濕度、太陽輻射等氣象要素，采集的數據用于與蒸散量進行相關分析。

茄子單株葉面積采用直接測量法測定，選擇300張形狀、大小不同的茄子葉片，采用北京益康農科技發展有限公司生產的葉面積儀測定其實際葉面積，建立實際葉面積與長、寬的回歸方程[LA=0.585 6×（長×寬）+8.071 4，R2=0.991]。用鋼卷尺測量茄子葉片長、寬，代入建立的回歸方程計算其葉面積。

1.4?參考作物蒸散量計算

參考作物蒸散量（ET0）反映氣候特征對蒸散量的綜合效應，它是某種特定條件下的假想蒸散速率。假設作物的高度為0.12 m，固定的葉面阻力為70 s/m，反射率為0.23，則其蒸散量類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全遮蓋地面且不缺水的綠色草地蒸散量[11]。Penman-Monteith（P-M）方程具體計算公式為

ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ900T+273u2（es-ea）Δ+γ（1+0.34u2）。（1）

式中：Rn為作物表面凈輻射，MJ/（m2·d）;G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）;T為氣溫，℃;u2為2 m高處風速，m/s;es為設施內飽和水汽壓，kPa;ea為設施內實際水汽壓，kPa;Δ為飽和水汽壓隨溫度變化的曲線斜率，kPa/℃;γ為干濕表常數，kPa/℃。

設施內與露地氣象條件差異性較大，棚室內風速幾乎為0，須要對P-M方程進行修正。采用陳新明等的方法[12]，通過空氣動力學阻力公式，將u2=0代入空氣動力阻力公式計算空氣動力學阻抗[13-14]：

Ra=4.72lnz-dz02。（2）

式中：z為測量風速的高度;z0為地面粗糙度;d為零平面位移長度。z0=0.13hc，d=0.64hc，hc為作物冠層高度，即0.12 m。通過推導Ra得出設施條件下的修正P-M方程，具體公式為

ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ1 713T+273（es-ea）Δ+1.64γ。（3）

1.5?數據處理與統計分析

采用Excel軟件對數據進行統計分析和作圖，利用SPSS 22.0軟件進行蒸散量相關因子分析。

（1）采用水量平衡法測定茄子蒸散量。試驗在棚室內進行，不存在地表徑流。地下水埋深超過5 m，地下水補給為零。在棚室內有效隔離自然降水，雨水補給為零。本研究采用滴灌進行灌溉，灌水量不足以產生深層滲漏。因此，蒸散量計算公式可簡化為

ET0（mm）=I-ΔW。

式中：I為灌水量;ΔW為土體儲水量的變化。

（2）采用2次質量差來計算土壤蒸發量。蒸散量由土壤蒸發和作物蒸騰2部分組成，作物蒸騰于可由蒸散量減去土壤蒸發量（E）來表示。作物蒸騰量和土壤蒸發量具體計算公式如下：

土壤蒸發量=2次稱量桶體質量差πr2;

作物蒸騰量=ET-E。（4）

式中：ET為實際蒸散量。

2?結果與分析

2.1?參考作物蒸散量在全生育階段的變化

參考作物蒸散量（ET0）可反映氣象因素對茄子蒸散量的綜合影響。由圖1可以看出，苗期（移栽后41 d內）ET0的總體呈遞增趨勢，說明該階段棚室內氣象因素促進ET0的提高。開花坐果期（移栽后42～63 d）ET0總體變化幅度不大，而成熟采摘期（移栽后64～100 d）ET0有大幅度變化，這與逐日天氣狀況有很大關系。通過計算分析，階段平均ET0苗期為279 mm/d，開花坐果期為4.28 mm/d，成熟采摘期為4.31 mm/d。隨著生育階段推進，ET0總體呈升高態勢，但增速有較大變化。苗期—開花坐果期ET0增速較快，而在開花坐果期—成熟采摘期增速放緩。ET0是影響作物實際蒸散量變化的重要因素，要更好地解釋不同生育階段蒸散量變化的導因，須要明確各生育階段ET0的數值。

2.2?不同灌水定額葉面積指數變化規律

葉面積指數是反映作物實際生長發育狀況的重要指標，其對茄子蒸騰量和土壤蒸發量有顯著影響。本研究于2017年3月27日移栽，4月6日開始生長。由圖2可知，3種灌水定額葉面積指數在全生育階段變化曲線均整體呈“S”形，苗期4月18日至5月7日增速最快，5月7日是LAI曲線增速的拐點，LAI最高值出現在開花坐果期。LAI變化與植株生理有關，苗期茄子經歷移栽緩苗階段，LAI增長速度緩慢。之后，LAI增速明顯提高，促進植株形態的快速建成。進入開花坐果期后，茄子由營養生長轉為營養生長和生殖生長并進時期，LAI增速逐漸放緩。進入成熟采摘期后，茄子主要進行生殖生長，LAI基本保持穩定。圖中LAI曲線出現波谷，是由田間生產管理引起的，土壤蒸發和作物蒸騰強度與LAI有很大關聯，LAI影響水分分配規律。

2.3?各生育階段作物蒸散速率的變化規律

作物蒸散主要受土壤、氣象和植株三者共同影響。本研究在適宜土壤水分條件下進行試驗，因此作物蒸散可由氣象和作物生長發育來表征。由圖3可知，隨著生育階段的推進，蒸散速率呈單峰型變化曲線，開花坐果期達到峰值，成熟采摘期次之。蒸散速率在3個生育階段有較大差異性，說明茄子耗水主要集中在中后2個時期。由階段參考作物蒸散量變化規律得出，開花坐果期ET0低于成熟采摘期ET0，說明開花坐果期茄子長勢旺盛，蒸散能力較強，而在進入到成熟采摘期后，隨著果實的不斷采摘和植株機能的降低，作物蒸散能力呈下降趨勢。苗期氣象綜合蒸散能力較弱，階段ET0僅為2.79 mm/d，主要是由于該階段作物長勢偏弱，生長緩慢，因此蒸散量最低。

2.4?各生育階段土壤蒸發速率的變化規律

蒸散是由土壤蒸發和作物蒸騰2個部分組成。明確土壤蒸發量的變化過程，對理解不同生育階段水分分配規律有重要作用。由圖4可知，W1、W2、W3處理土壤蒸散速率隨移栽后天數的增加總體變化趨勢相似，移栽后35～65 d位于曲線波谷，該階段土壤蒸散速率較低，正處于茄子的開花坐果期。W1、W2、W3處理階段平均土壤蒸發速率苗期分別為024、023、0.27 mm/d，開花坐果期分別為0.16、0.13、0.15 mm/d，成熟采摘期為0.27、0.34、0.33 mm/d（圖5）。土壤蒸發量占蒸散量的比重，苗期集中在22.33%～31.40%，開花坐果期為3.31%～3.89%，成熟采摘期為8.85%～1019%。由全生育階段參考作物蒸散量變化曲線可以得出，ET0隨著生育階段的推進總體呈遞增趨勢，而開花坐果期階段土壤蒸發速率均低于苗期和成熟采摘期。這與作物冠層有很大關系，地面覆蓋度是影響土壤蒸發最主要的因子[15]。開花坐果期LAI達到峰值，冠層對土壤遮陰效果顯著，降低了土壤溫度，從而引起土壤蒸散強度的下降。而苗期茄子植株弱小，土壤裸露度較高，促進土壤表層蒸發。成熟采摘期LAI低于開花坐果期，提高了該階段土壤蒸發速率。

2.5?各生育階段蒸散水分分配比例

作物蒸騰量可由蒸散量與土壤蒸發量之差來表示。由圖5可以看出，茄子蒸騰強度與蒸散強度變化曲線一致，呈先增大后降低的趨勢，在開花坐果期蒸騰強度最高。階段土壤蒸散速率與作物蒸騰強度的比值苗期集中在28.75%～4576%范圍內，開花坐果期為3.42%～4.05%，成熟采摘期為9.71%～11.34%。由此可知，各生育階段蒸散水分主要流向作物蒸騰，但各生育階段之間流向比例有較大變化。其中，開花坐果期蒸散水分的95%以上流向作物蒸騰，土壤蒸發占蒸散量的比重低于5%。而在其他2個生育階段蒸散水分流向土壤蒸發的比重均高于開花坐果期。蒸發蒸騰比在分析不同生育階段蒸散量影響因子的類型和數目時極為關鍵，它兼顧作物蒸騰和土壤蒸發。當蒸發蒸騰比較高時， 影響蒸

散量的因子既包括對土壤蒸發的作用，又包含對作物蒸騰的作用。而蒸發蒸騰比低時，可以忽略土壤蒸發對蒸散量的影響，影響因子主要體現在對作物蒸騰的影響上。

2.6?各生育階段蒸散量與影響因子的相關分析

蒸散量的變化受氣象因子、作物因子和土壤因子的共同影響，選擇日累積太陽輻射（Ia）、葉面積指數（LAI）、空氣溫度（T）、相對濕度（RH）和土壤質量含水率（Ms）作為主要影響因子與蒸散量進行相關分析。由表1可以看出，隨著生育階段的推進蒸散量主要影響因子的類型和數目發生較大變化，其中RH在3個生育階段與蒸散量呈負相關關系，表示RH越大蒸散量越低。苗期除了Ms外，其他因子均與蒸散量呈顯著相關關系，LAI、Ia和T 3個因子達到極顯著水平，具體表現為Tmean>LAI>Ia>RH。開花坐果期Ms與蒸散量的相關性達到極顯著水平，Tmean和LAI達到顯著水平，具體表現為Ms>Tmean>LAI。成熟采摘期Ia和Ms與蒸散量的相關性達到極顯著水平，其他因子影響程度不顯著，具體表現為Ia>Ms。由此可知，LAI隨著生育階段的推進與蒸散量相關程度逐漸下降，其影響主要體現在苗期及開花坐果期，Ms與蒸散量的相關性主要體現在開花坐果期和成熟采摘期。

3?討論與結論

3.1?各生育階段茄子蒸散強度的變化規律

蒸散強度反映作物實際生長狀況的指標，作物生長越旺盛，蒸散量越大[16]。蒸散是作物完成生長發育和有機物積累的重要途徑。由試驗結果分析，茄子蒸散速率苗期較弱，而在開花坐果期達到最高，成熟采摘期下降。說明早春茬的茄子前期需水量偏低，在中后期需水量較高，這主要是植株和氣象綜合作用的反映。在前期棚室氣象因素對蒸散量影響偏低，且作物長勢較弱，從而表現出較低的耗水量。而在中后期氣象綜合蒸散能力較強，作物葉面積指數較高，表現出較高的耗水量。而成熟采摘期蒸散速率低于開花坐果期，主要是因為隨著生殖生長和作物的衰老，葉片功能和葉面積指數逐漸降低，蒸散能力呈下降趨勢。因此，在前期要降低灌水頻率和灌水定額，減少無效水分的消耗，提高農田水資源的利用率。在中后期要給作物提供適量的水分，避免出現水分脅迫，對作物生長和產量形成產量影響。

3.2?茄子蒸散量的水分分配去向及比例分析

蒸散主要由作物蒸騰和土壤蒸發2個部分構成[5]，明確不同生育階段蒸散水分流向和分配比例[3]，在提高農田科學管理中有關鍵作用。作物蒸騰和土壤蒸發受環境因素、植株因素和土壤因素共同影響，引起作物耗水強度的變化。由試驗結果可知，蒸散量水分分配比例表現出苗期土壤蒸發比重最大，所占比重在22.33%～31.40%之間;開花坐果期比重最低，低于3.90%;成熟采摘期比重低于10.20%。由此說明，蒸散水分分配在各生育階段有較大差異。苗期水分分配主要受氣象綜合蒸散能力和葉面積指數LAI的影響，因為該階段作物LAI偏低，長勢偏弱，茄子蒸騰強度較低。同時，LAI未對土壤形成良好蔭蔽，土壤裸露在表面，促進土壤蒸發。因此，苗期土壤蒸發量在蒸散量中所占比重最高。開花坐果期水分分配主要受作物冠層的影響，LAI在開花坐果期達到最高值，茄子已經完成封壟，在土壤表層形成很好的蔭蔽環境，降低土壤蒸散速率;同時，該階段LAI較高，作物長勢較強，蒸騰速率最強，蒸散水分主要來源于作物蒸騰。在成熟采摘期水分分配受氣象綜合蒸散能力和LAI的共同影響，該階段LAI呈下降趨勢，而參考作物蒸散量最高。作物實際蒸散量成熟采摘期低于開花坐果期，說明氣象綜合蒸散能力促進土壤蒸發，而LAI降低造成作物蒸騰減弱，蒸散水分分配到土壤蒸發比例升高。

3.3?茄子各生育階段蒸散量影響因子的變化

在不同生育階段蒸散量受相關因子影響程度不同[16-17]。由本試驗結果分析可知，土壤質量含水率與蒸散量相關性在苗期不顯著，而在開花坐果期和成熟采摘期均達到極顯著水平;LAI隨著生育階段的推進，相關性由極顯著變為不顯著。日均溫度、土壤質量含水率和日累積太陽輻射分別在苗期、開花坐果期和成熟采摘期為第1相關因子，這主要由于苗期Tmean既可通過增加有效積溫來促進植株生長發育，提高作物蒸騰量又通過提高地溫來促進土壤蒸發，因此Tmean在苗期表現為第1相關因子。開花坐果期蒸散強度最大，對水分需求程度高，水分來源為土壤，因此Ms在開花坐果期表現為第1相關因子。成熟采摘期為產量形成關鍵期，生育后期Ia對產量影響顯著[18]，產量與蒸散密切相關[19]，因此Ia表現為第1相關因子。因此，明確各生育階段第1相關因子，有助于對關鍵影響因子進行科學調控，進而達到按需灌溉、節本增效的目標。

綜上所述，茄子蒸散強度在各生育階段間變化規律呈單峰型變化曲線，開花坐果期蒸散強度最高。作物蒸騰速率與蒸散強度變化趨勢一致，土壤蒸發速率與二者變化趨勢相反。土壤蒸發在開花坐果期可以被忽略，而在苗期和成熟采摘期需要充分考慮，才能正確分析因子對蒸散量的作用。茄子蒸散量受不同因子的影響程度不同，土壤質量含水率在苗期與蒸散量相關性不顯著，可在苗期適當降低土壤含水率，從而實現節水目標。在開花坐果期和成熟采摘期要保持適宜的土壤水分，避免水分脅迫或過量供水而引起“奢侈”耗水，從而提高水分利用效率。LAI隨生育階段的推進與蒸散量的相關性逐漸降低，而日累積太陽輻射在后期與蒸散量的相關性達到極顯著水平，可在茄子生長發育后期創造良好株型，提高通風透光性，進而提高作物生長發育水平。

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