不同灌溉處理下雞毛菜冠層溫度差異性及分布特性研究

田立立,郭斗斗,黃丹楓,常麗英

(上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院,上海200240)

不結球白菜是我國南方地區(qū)廣泛栽培的綠葉菜品種之一[1],雞毛菜作為其幼苗階段的食用產(chǎn)品,深受我國消費者的喜愛。提升雞毛菜生產(chǎn)過程中的水分管理水平,對于提高雞毛菜的產(chǎn)量與品質(zhì)有著重要意義[2]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術以及裝備技術的發(fā)展,雞毛菜栽培過程中的水分供給方式已由傳統(tǒng)粗放的漫灌等灌溉方式逐漸向現(xiàn)代精準的微灌等灌溉方式轉變,同時通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術已可以實現(xiàn)根據(jù)雞毛菜生長過程中所需水分定時定量供給。因此,研究雞毛菜的生理指標,判斷其體內(nèi)水分狀況,從而確定水分供給量已成為了現(xiàn)階段十分必要且重要的研究目標。而冠層溫度作為其中一個理想指標,研究其在雞毛菜生長過程中的變化規(guī)律以及分布特征亦變得十分必要。

冠層溫度指作物地上部分莖、葉表面溫度的平均值,可以直接反映作物生理狀態(tài),也是衡量作物體內(nèi)水分狀況的重要指標之一[3]。研究表明,作物冠層溫度的變化是各種能量流動的集中表現(xiàn)[4]。后續(xù)研究中更進一步闡述了能量流動和植物冠層溫度之間的關系,生物與環(huán)境間能量交換運行的機理,其中的內(nèi)容包含了傳導、輻射、蒸騰、對流等交換方式,該能量流動理論為后來研究植物冠層溫度奠定了基礎[5]。

植物的冠層溫度作為診斷作物水分虧缺情況的指標之一[6],可以快速、無損地了解作物自身生理狀況,在國內(nèi)外已經(jīng)被廣泛研究,作物冠層溫度與水分相關性研究對于探討水分對作物生理生化作用以及生長發(fā)育的影響,指導作物精準灌溉,提高水資源利用效率都有著重大意義[7],用冠層溫度變化作為作物自身生理狀態(tài)指標來反映作物體內(nèi)水分狀況的研究是作物缺水研究的一個重要方向。隨著冠層溫度監(jiān)測技術以及監(jiān)測設備水平的逐漸提高,在國外已經(jīng)形成了較為成熟的依靠監(jiān)測作物冠層溫度指導作物水分管理的灌溉技術。

已有研究表明,作物在不同生長發(fā)育階段對水分的需求、水分利用率以及對水分缺失的響應有很大差異[8]。為了明確雞毛菜冠層溫度在不同水分灌溉下的差異性以及冠層溫度隨葉位分布的空間分布特點,本研究對雞毛菜在不同水分處理下的冠層溫度進行分析,獲得冠層溫度在不同水分處理的差異性規(guī)律以及隨不同葉位分布的空間分布特性,以期為雞毛菜工廠化生產(chǎn)的精準灌溉管理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試雞毛菜品種為:‘華王’和‘抗熱605’。‘華王’原產(chǎn)日本,植株整齊度高,株型優(yōu)良,抗病性、耐熱性、耐濕性強,栽培適應性廣,生長期25—30 d。‘抗熱605’品種株型直立,淺綠色,纖維少,較耐熱,植株緊湊,抗病能力強、耐寒性好。試驗品種由上海孫橋農(nóng)業(yè)科技股份有限公司提供。

1.2 試驗設計

試驗于2015年5月11—29日在上海孫橋農(nóng)業(yè)現(xiàn)代開發(fā)區(qū)內(nèi)乾菲諾生物實驗中心文洛型玻璃溫室內(nèi)進行,玻璃溫室內(nèi)部環(huán)境由priva溫室環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境設定自動調(diào)控。采用育苗移栽方式進行栽培種植,首先將種子直播于128孔育苗穴盤中,每盤填裝商品有機基質(zhì),出苗后2片子葉展平時移栽到試驗花盆(上口徑×高度×容量:13 cm×13 cm×1 L)中,每盆種植1株,使用草炭、蛭石和珍珠巖混合基質(zhì),按9∶3∶1比例混合均勻。然后將花盆移至乾菲諾生物實驗中心高通量植物表型平臺上進行冠層溫度檢測。試驗周期為20 d,從試驗品種長出第1片真葉開始至第5片真葉展開結束。試驗設置3種不同基質(zhì)含水量處理:缺水灌溉(基質(zhì)含水量為基質(zhì)最大含水量的30%,S表示)、正常灌溉(基質(zhì)含水量為基質(zhì)最大含水量的60%,N表示)和飽和灌溉(基質(zhì)含水量為基質(zhì)最大含水量的90%,F表示),5個重復。

1.3 測定目標與測量方法

1.3.1 測定目標

測量‘華王’和‘抗熱605’品種在生長期內(nèi)的各葉片溫度;記錄溫室環(huán)境數(shù)據(jù),包括溫度、濕度、光照強度等。

1.3.2 測量方法

葉片溫度使用TA8204手持紅外測溫儀對葉片上表面進行測量:每天14:00測量葉片溫度,取葉片3—5個點的均值。特征天氣(晴朗天氣)使用FLIA ONE RPO手持紅外熱成像儀測量葉溫及基質(zhì)溫度:6:00—18:00,每2 h測量1次。使用WatchDog3900WS無線綜合氣象站記錄溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。

手持紅外儀測量時,根據(jù)葉片大小在距離葉片2—5 cm距離處測量。手持紅外熱像儀拍照時,紅外感應區(qū)正對葉片測量區(qū),鏡頭距離植株約40 cm,植株位于圖像中間區(qū)域,通過調(diào)節(jié)焦距使輪廓清晰,禁止在熱像儀校正時拍照。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件處理試驗數(shù)據(jù)并進行差異顯著性分析,采用Excel 2016軟件進行相關性分析并進行數(shù)據(jù)整理,試驗結果為5次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 雞毛菜冠層溫度對不同灌溉的差異性比較

在不同灌溉條件下,雞毛菜植株內(nèi)的水分狀況會發(fā)生變化,進而改變植物體吸收水分、葉片蒸騰等一系列生理活動,使植物體與環(huán)境的能量交換產(chǎn)生差異,從而造成不同處理間冠層溫度的差異。

由表1—表3可見,不同灌溉處理下,HF(飽和灌溉)、HN(正常灌溉)和HS(缺水灌溉),在2片真葉時期‘華王’的葉片溫度平均值分別為25.43℃、25.85℃、26.15℃;3片真葉時期分別為26.4℃、27.8℃、29.05℃;4片真葉時期分別為27.27℃、28.54℃、30.13℃。對3組數(shù)據(jù)進行比較發(fā)現(xiàn),‘華王’品種在不同葉齡期,冠層溫度均表現(xiàn)為:缺水灌溉處理>正常灌溉處理>飽和灌溉處理;t檢驗顯示,HF與HN,HN與HS葉片間溫度差異顯著。綜上,雞毛菜冠層溫度在不同水分處理條件下表現(xiàn)為:HF

表1 不同灌溉處理下‘華王’品種2葉期冠層溫度比較Table 1 The comparison of canopy temperature of‘Huawang’under three different irrigation treatments at two leaf growth period ℃

表2 不同灌溉處理下‘華王’品種3葉期冠層溫度比較Table 2 The comparison of canopy temperature of‘Huawang’under three different irrigation treatments at three leaf growth period ℃

表3 不同灌溉處理下‘華王’品種4葉期冠層溫度比較Table 3 The comparison of canopy temperature of‘Huawang’under different irrigation treatments at four leaf growth period ℃

2.2 雞毛菜生長過程中冠層溫度的動態(tài)變化特性及與大氣溫度的關系

由表4可見,L2葉片溫度與空氣溫度在相同時段達到高點與低點。空氣溫度最高點與最低點差值為11.8℃,L2葉片溫度最高點與最低點差值為7.01℃。由此分析,L2葉片溫度與空氣溫度在相同時間段達到高點與低點,說明葉片冠層溫度變化與空氣溫度變化具有一定相關性,且冠層溫度波動小于空氣溫度。利用t檢驗分析L2葉片溫度與空氣溫度間數(shù)據(jù)差異性,同時利用CORREL函數(shù)對L2溫度與空氣溫度進行相關性分析,得出雞毛菜生長期內(nèi)冠層溫度變化與空氣溫度變化顯著相關,且冠層溫度變化強度小于空氣溫度。

表4 正常灌溉條件下‘華王’品種在連續(xù)生長時間的L2葉片溫度與空氣溫度值(5月)Table 4 Leaf temperature of L2 and air temperature at different growth periods under normal irrigation of‘Huawang’ ℃

2.3 雞毛菜冠層溫度的日變化規(guī)律研究

冠層溫度日變化作為植物對自身生理以及周圍環(huán)境日變化反應的一個體現(xiàn),其變化特點反映了植物一天中的生理活動特點,因此一天中某個特定時間點的冠層溫度可直接被作為判斷作物生理狀態(tài)的優(yōu)良指標。選取正常水分灌溉條件下‘華王’品種L2葉片在5月13日和25日6:00—18:00葉片溫度數(shù)據(jù)來分析其冠層溫度的日變化規(guī)律。

由表5可知,5月13日和25日,L2葉片溫度6:00—18:00的變化規(guī)律為:從6:00開始隨時間推移逐漸升高,在12:00—14:00達到日最高,隨后逐漸降低。

表5 正常水分灌溉條件下‘華王’品種L2葉片溫度Table 5 Temperature of L2 leaves of‘Huawang’on 13th and 25th day under normal irrigation condition ℃

2.4 雞毛菜冠層溫度在不同葉位的空間分布特點研究

由于在空間上各葉位葉片生理活動以及受到的環(huán)境因子影響程度不同,造成各葉位葉片與周邊環(huán)境能量流動強度形成一定差別,綜合其他相關因素的影響,雞毛菜冠層溫度形成了隨不同葉位分布的分布特點,這進一步細化了對于雞毛菜冠層溫度的研究。選取‘華王’和‘抗熱605’兩個雞毛菜品種5片真葉時期在3種灌溉處理下,從下到上由子葉開始依次到最頂端真葉的溫度數(shù)據(jù)進行對比分析,形成雞毛菜冠層溫度在不同灌溉條件下的空間分布特點。

由表6和7可見,葉片平均溫度LOL、LOR>L1>L2>L3>L4>L5,由方差分析得,除LOL與LOR葉片間溫度表現(xiàn)為差異不顯著外,其余葉片間溫度均表現(xiàn)差異顯著。由以上分析結合雞毛菜葉位空間可得,雞毛菜冠層溫度空間分布特征為:位于雞毛菜最底部的子葉(LOL、LOR)溫度最高,L1、L2、L3、L4、L5隨著位置向上溫度逐漸降低,最頂部L5溫度最低。

表6 不同灌溉處理下‘華王’品種在5葉期葉片由下至上冠層溫度分布Table 6 The distribution of canopy temperature of‘Huawang’from the bottom to the top under different irrigation treatment at five leaf growth period ℃

表7 不同灌溉處理下‘抗熱605’品種在5葉期葉片由下至上冠層溫度分布Table 7 The distribution of canopy temperature of‘Kangre 605’from the bottom to the top under different irrigation treatment at five leaf growth period ℃

3 結論與討論

通過深入研究雞毛菜在不同灌水條件下冠層溫度的差異性以及在生長過程中冠層溫度的變化規(guī)律和分布特征,得出以下結論:(1)雞毛菜各生長時期植株冠層溫度在不同水分處理下,均呈現(xiàn)隨著基質(zhì)含水量的升高而降低趨勢,即飽和灌溉處理<正常灌溉處理<缺水灌溉處理。(2)雞毛菜生長期內(nèi)冠層溫度變化與大氣溫度變化顯著相關,且冠層溫度變化強度小于空氣溫度。(3)雞毛菜冠層溫度日變化規(guī)律呈現(xiàn)先上升再降低的趨勢,6:00開始逐漸上升,12:00—14:00達到峰值,之后逐漸降低。(4)雞毛菜冠層溫度在植株空間分布特征呈現(xiàn)底部子葉溫度最高,由最底部向上L1、L2、L3、L4、L5溫度依次降低,頂部L5溫度最低的趨勢。

綜合冠層溫度在其他作物上的研究,與本研究結果進行對比可得:(1)雞毛菜冠層溫度隨著灌溉水量處理增加而下降,這與劉學著等[9]在冬小麥冠層溫度的研究結果相一致,前人研究表明,冠層溫度變化是能量流動的一種體現(xiàn)形式,植物體與環(huán)境間以蒸騰、傳導以及輻射等方式進行能量交換,改變植物的冠層溫度[10]。在一定范圍內(nèi)增加灌水量將提升雞毛菜體內(nèi)自由水比重,增加植物生理活動強度,蒸騰作用強度加大,隨蒸騰作用釋放更多能量,降低其冠層溫度。本研究結果與此理論相互印證。同時雞毛菜的冠層溫度隨灌水量變化而明顯變化,說明將其作為診斷雞毛菜水分狀況監(jiān)測指標從而確定灌水量具有可行性。(2)于明含[11]研究了固沙植物冠層溫度與氣象因子的關系,發(fā)現(xiàn)在所有氣象因子中,空氣溫度是對植物冠層溫度影響最重大的氣象因子之一。同時針對小麥冠層溫度研究時也發(fā)現(xiàn)冠層溫度與空氣溫度呈同步變化規(guī)律[12]。雞毛菜冠層溫度反映了其體內(nèi)水分狀況,因此可根據(jù)整個生育期內(nèi)與空氣溫度顯著相關的冠層溫度值制定雞毛菜生育期內(nèi)精準灌溉制度。(3)已有研究結果表明,植物一天中冠層溫度達到最高時也是植物一天中水分脅迫強度最大的時期[13],對于利用冠層溫度指導灌溉有著重大意義,該時期可以作為作物利用冠層溫度指導精準灌溉的有效采集點。在大部分冠層溫度研究中都采用在14:00測定作物冠層溫度的做法。此外同樣可根據(jù)日冠層溫度的變化規(guī)律制定雞毛菜日灌溉制度。(4)前人研究表明,植物體冠層溫度由于冠層組織的生長時間、有機物組成、生理反應等不同,冠層溫度具有一定空間分布特征[14],該分布特征更加準確剖析了雞毛菜冠層溫度的構成,為有效檢測雞毛菜冠層溫度提供依據(jù)。本研究為利用紅外熱成像技術快速檢測大面積雞毛菜冠層溫度提供了誤差校準標準,且研究與吳曉磊[15]研究利用紅外熱成像技術獲取棉花冠層溫度時得出的結論印證。

本研究僅對雞毛菜冠層溫度的差異性及分布特性進行了研究,要實現(xiàn)雞毛菜的精準灌溉,還需進一步對冠層溫度和植株含水量以及生物量和品質(zhì)指標等進行相關性研究,探究水分-冠層溫度-產(chǎn)量與品質(zhì)間的相互關系。后續(xù)研究將綜合以上因素開展并形成有效的通過檢測冠層溫度實現(xiàn)對雞毛菜精準灌溉的執(zhí)行與反饋模型。