基于蒸騰量溫室番茄水肥灌溉決策研究

高安琪，趙建貴，韋玉翡，白云飛，李志偉

（山西農業大學農業工程學院，山西太谷030801）

番茄自身含有的番茄紅素、維生素A等營養物質對人體有益，且番茄口感良好，市場需求量較大，可以說是不可或缺的蔬菜之一[1]。在番茄種植過程中，水肥對番茄的生長發育、產量以及品質影響重大[2]。傳統的大水大肥灌溉方式，很大程度上造成了水資源和肥料的浪費。為了改善這個現象，將環境因子與番茄生長發育相結合實現數字化管理，從而指導溫室番茄高質高效生產。隨著我國溫室無土栽培模式應用的不斷增加，合理的灌溉模式在很大程度上可以降低對水肥資源的浪費，同時也可以避免基質中鹽分過多等缺陷，為提高番茄產量及品質等提供了重要保證。因此，科學灌溉方式對溫室番茄水肥一體的研究有重大意義[3-5]。

作物的蒸騰過程對于作物水分和養分的吸收和轉運有很重要的促進作用，不但可以使植物體的溫度降低，并且對于植物進行光合作用以及干物質積累也非常重要[6]。蒸騰量是農田生態、農業氣象等領域重要的一部分，同時也是作物耕作方式和灌溉量確定的重要因素。Penman-Monteith方法是目前最常用計算蒸發蒸騰量的方法，因為該方法的基礎是能量平衡法和水汽擴散理論，并且考慮了作物不同的生理特征對于蒸騰可能產生的影響和空氣動力學參數的變化情況，使得該方法的理論依據較為充分，計算精度較高[7-8]。國內學者研究發現，灌溉量與株高和莖直的生長有顯著相關性[9]。番茄的株高和莖直可以很好地反映出環境對于作物生長發育的影響以及作物水肥盈缺情況，并且番茄株高和莖直的檢測不會損害作物，影響作物生長。本研究番茄蒸騰量（ET0）采用Penman-Monteith模型確定，從而可以進一步確定番茄的參考需水量[10]。

本研究根據不同灌溉量對溫室番茄株高和莖直的響應情況，通過番茄株高和莖直生長情況反饋溫室番茄水肥的最佳灌溉模式，并且采用本質非線性與多元二次多項式回歸，建立基于輻照累積、日平均溫度和實際氣壓的株高和莖直模型，以期使水肥利用率達到最大化和極大改善作物生長不良的狀況[11-12]。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為無限生長型歐美佳，其具有高抗TY病毒、強耐寒、低溫弱光仍能正常彭果等優點，是北方秋延、越冬及早春的理想品種。

1.2 試驗地概況

試驗于2019年9月至2020年3月在山西省晉中市太谷縣山西農業大學農業工程學院玻璃溫室（東經112°34′，北緯37°25′）中進行。溫室內具備加熱系統（暖氣管道加熱系統、1個9 kW暖風機和2個3 kW暖風機）、滴灌系統（水肥一體機）、通風系統（通風天窗）。溫室南北長12.8 m、寬9.6 m，東西共3跨，每跨跨度3 m，脊高5.5 m。

1.3 試驗方法

試驗由育苗公司進行育苗，2019年9月26日番茄處于4葉1心時定植，番茄栽培基質為椰糠，基質袋為100 cm×20 cm×10 cm外白內黑的PE材質的番茄專用基質袋。單蔓整枝，側蔓和卷須均及時摘除，同時依據植株生長狀況去除下部老葉。營養液使用韓國艾瑪（AIMA）水溶肥，可以充分滿足番茄作物生長發育所需要的所有大量元素和微量元素。2，4-D水稀釋液對番茄花進行點花提高坐果率，寧南霉素、速利流體鋅和四霉素按一定比例混合定期對番茄預防病毒，且定期對番茄噴葉面肥為番茄補充鋅鎂鈣等微量元素。根據番茄生長發育周期分為幼苗期、開花期、結果期、采收期，其具體判斷標準與時間階段如表1所示。

表1 番茄生長發育期具體時間

溫室內共設有10行栽培架，每行栽培架間的距離為1.5 m，每個栽培架長7 m、寬30 cm。每行栽培架置有7個基質袋，每個基質袋定植4株番茄，株距25 cm，共定植28株番茄苗。不同灌溉量均采用相同配比的營養液進行滴灌，每行設置3路滴箭管道，不同的試驗每行分別設置滴箭管（直徑為5 mm），滴箭之間的距離為25 cm，滴箭插入距離番茄根部20 mm左右的位置，深度為10 mm。為保證番茄幼苗的存活率，在番茄定植后3 d用清水澆灌，使基質完全濕潤，根據作物蒸騰量（ET0）對不同生長發育時期和不同試驗設計進行滴灌。

1.4 作物蒸騰量的確定與分析

參考作物蒸騰量（ET0）的確定對于確定番茄在生長發育過程中每天的需水量具有重要意義，該方法是目前最為常用和可靠的方法。本試驗參考作物蒸騰量的確定是根據彭曼方程，其計算基于微氣象學方法和能力平衡。

式中，ET0為參考作物蒸騰量（mm/d）；T為平均溫度（℃）；U2為2 m高處風速（m/s）；Δ為飽和水汽壓關系曲線斜率（kPa·℃）；ea為飽和水汽壓（kPa）；eb為實際水汽壓（kPa）；Rn為凈輻射（MJ/（m2·d））；G為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；γ為濕度表常數（kPa/℃）。

本試驗研究不同灌溉量條件下，番茄株高和莖直的變化狀況。試驗的自變量為水分，共設置3種單株灌溉量模式，即W1（100%ET0）、W2（80%ET0）、W3（60%ET0），如表2所示。

表2 不同試驗的單株日灌溉量

1.5 測定方法及項目

試驗是根據蒸騰量（ET0）來確定灌溉量，所以，需要測定溫室內每天的最高溫度（Tmax）、最低溫度（Tmin）、平均溫度（T）、風速（U）、光合有效輻射等環境信息。環境信息的采集通過采用山西農業大學微機測控團隊自研發的無線多傳感網絡溫室環境監測系統采集[13]。該系統每6 min采集一次數據，并存儲于遠程服務器中。

番茄株高和莖直的測量從開花期進行測量，每試驗標記12株，每隔3 d測量一次。株高采用精度為0.1 cm的軟尺測量從番茄基部到植株生長點的高度；番茄的莖直采用精度為0.01 mm的游標卡尺進行測量。

1.6 數據處理及統計分析

番茄株高和莖直的模型建立用SAS軟件進行，采用origin 2019b軟件對環境數據和番茄株高、莖直的試驗數據進行統計計算分析以及作圖。

2 結果與分析

2.1 作物蒸騰量（ET0）的動態規律分析

番茄ET0在結果期內2019年11月15日的動態變化如圖1所示。ET0在一天之內有顯著變化。由圖1可知，在9：00—13：00的時間段內，光合有效輻射強度超過120 W/m2可計為實際日照時數，而其他時間段光合有效輻射強度小于120 W/m2，不計為實際日照時數。在一天內14：00溫度達到最大值，此時ET0達到了最大值，為0.652 mm/h。由此可知，在不同天氣環境下ET0具有差異性，分析每天ET0的變化對于灌溉量的確定具有重要意義。

試驗番茄于2019年9月30日到2020年2月19日全生育期內溫室中番茄蒸騰量（ET0）和平均溫度的每日動態變化情況如圖2、3所示。隨著時間的推進和季節的變化作物蒸騰量（ET0）和日平均溫度均整體呈逐漸降低的趨勢，在苗期溫室內ET0平均為2.768 9 mm/d，平均溫度為19.63℃；開花期ET0平均為1.671 9 mm/d，平均溫度為16.94℃；結果期ET0平均為1.271 9 mm/d，平均溫度為15.42℃；采收期ET0平均為1.399 9 mm/d，平均溫度為14.87℃。在苗期，環境溫度和ET0均為整個生育期的最大值，在結果期ET0為整個生育期最低，在采收期平均溫度為整個生育期最低。

2.2 番茄株高與莖直模型建立與分析

2.2.1 株高與莖直模型建立 光合有效輻射是植物生命活動、有機物質合成和產量形成的能量來源。在綠色植物的光合作用過程中，吸收的太陽輻射中的一部分光譜能量使葉綠素分子處于激發態。輻照積累對植物高度和莖直的生長有良好的促進作用。

式中，DTEP為光合有效輻射累積，簡稱輻照累積（W/m2）；PAR為光合有效輻射（W/m2）。

傳統的Logistic模型所解釋的植株生長過程是單純的建立在時間基礎上，從而忽略了地理位置不同和每日環境不同對植株生長所產生的影響[14]。因此，本試驗用輻照累積（DTEP）模擬番茄株高的生長，同時結合溫度、實際氣壓等對作物株高變化的影響建立本質非線性回歸方程。

式中，H為番茄植株高度的預測值（cm）；P為實際氣壓（kPa）；T為一天內的平均溫度（℃）；DTEP為輻照累積（MJ/m2）；α、K、m、β為方程的參數。

植物莖直的變化可以很好地反映番茄體內水分的變化，與環境因素有很好的相關性。通過對試驗中輻照累積、溫度的數據進行分析，發現其符合多元二次多項式回歸方程。

式中，D為番茄莖直的預測值（mm）；C、Ψ、χ、δ、ε、φ為方程的參數。

2.2.2 番茄株高、莖直變化規律分析 隨著生育期不斷的推進，各處理下番茄的株高和莖直呈增加趨勢，但不同處理下的生長率不同，株高和莖直的變化分別如圖4、5所示。

由圖4、5可知，在番茄全生育期中，處理W1、W2、W3株高的平均增長率分別為6.27%、6.34%和5.81%，莖直的平均增長率分別為2.75%、3.18%和2.74%。因此，不同的灌溉水平導致番茄植株高度和莖直產生了差異性，且平均生長率也不同。其中，W2處理的番茄植株高度和莖直均超過W1、W3處理，株高和莖直平均增長率也高于W1、W3處理，W1處理的番茄株高和莖直及其平均增長率次之，W3處理番茄植株高度和莖直均低于W1、W2處理，且番茄株高和莖直平均增長率最低。

2.2.3 株高和莖直模型參數確定 由試驗可知，在80%ET0灌溉量時，番茄作物生長最佳。本研究擬合采用株高長勢最好且增長率較好的處理水平W2全生育期的株高實測數據及溫室的溫度（T）、實際氣壓（P）、輻照累積（DTEP）擬合株高模型，其擬合的本質非線性回歸方程中K值為263.2，m值為892.2，α值為-1 396.7，β值為-20。株高回歸模型中的P值小于0.000 1，決定系數（R2）達到0.997 7，所以，非線性模型顯著并且具有較高的擬合精度。

莖直模型的擬合采用本試驗莖直最粗且增長率較好的處理水平W2全生育期莖直的實測值及溫室的溫度（T）、輻照累積（DTEP）。其擬合的多元二次多項式回歸方程中c值為10.08，Ψ值為0.67，χ值為4.31，δ值為0.71，ε值為0.527，β值為-2.02。莖直的回歸模型P值小于0.000 1，決定系數達（R2）達0.994 0，所以，多元二次多項式回歸模型顯著并且具有較高的擬合度。

3 討論

溫室番茄在無土栽培過程中，ET0動態變化顯著，一日內不同時段ET0不盡相同，且每日ET0也均不同，所以，ET0的計算對于灌溉量的確定具有重要意義[15-17]。在光照達到120 W/m2的時間段越長，環境溫度高時其蒸騰量（ET0）就越大，此時番茄的需水量也在增加；當光照時間不充足，且溫度較低的環境下ET0會較低，此時番茄的需水量較少[18]。根據ET0的動態變化確定灌溉量可極大地提高水肥利用率，盡可能地避免因為水量高于番茄自身需求可能造成的番茄根部腐爛、徒長等問題及低于自身需水量會造成的抑制番茄植株生長的情況。通過動態調節使番茄始終處于最適的需水環境中[19-20]。

基質含水量是影響株高和莖直生長情況的關鍵因素，而基質含水量的直接影響因素就是灌溉模式和灌溉量。有學者研究結果表明，在番茄快速生長期，灌溉量過多或者過少都會影響番茄株高和莖直的增長[21]。在本試驗中，最佳灌溉量為W2，此灌溉量下株高和莖直增長率均達到最大值[22]。灌溉量為W1時，高于最佳灌溉量，導致株高和莖直生長較為緩慢，且造成了部分植株“徒長現象”的發生，植株較為細高[23-26]。而灌溉量W3低于最佳灌溉量，導致灌溉量達不到番茄自身生長所必需的需水量，從而使番茄的株高和莖直增長率均為最低[27-28]。

番茄生長信息除了受到自身品種的影響外，環境因素也是影響其生長的重要因素。呂天遠[29]研究了基于輻熱積的株高模型，以及基于光合有效輻射的莖直模型。本研究株高模型則是通過本質非線性回歸方程擬合，整合了番茄種植當地的實際氣壓（P）、環境溫度（T）、輻照累積（DTEP），決定系數（R2）達到0.997 7，具有較高的擬合精度。莖直模型則是通過多元二次回歸方程擬合，整合了環境溫度（T）、輻照積（DTEP），其決定系數（R2）達到0.994 0。此模型能夠清晰表示番茄株高和莖直的生長情況[30-31]。

4 結論

本試驗表明，在玻璃溫室內基質栽培條件下，隨著時間的推移，季節的變化蒸騰量（ET0）也在發生動態變化，因此，番茄的需水量也在隨著ET0的變化而變化。試驗根據蒸騰量（ET0）確定灌溉量，具有很強的實用性。結果表明，在80%ET0的條件下番茄的生長優勢最明顯，番茄的株高增長率達到6.34%，莖直增長率達到3.18%。根據蒸騰量（ET0）控制灌溉模式可有效避免水肥的浪費，以及過少、過多灌溉造成植株生長不良情況的發生。