日光温室覆膜滴灌条件下茄子需水规律研究

杜秋月，李木子，孙书洪,2，叶澜涛,2

(1.天津农学院，水利工程学院，天津 300384；2.天津市农业水利技术工程中心，天津 300384)

设施栽培是指对栽培技术进行精准化的操作，通过先进的设施技术，使得栽培工作得到更加充分有效的管理和控制。目前主要的设施技术是指利用塑料大棚、日光温室和小拱棚等对瓜果进行春提早或秋延后栽培的技术。其技术要点是对大棚室内温度、湿度、各类气体、光照等的有效调控。据统计，截至2004年，我国设施农业的占地面积发展到了210 万hm2，蔬菜人均占有量达到了70 kg[1-4]。设施栽培条件下，光照、温度、湿度、风速等气象因素与露天环境下的气象因素不同，相较于露天作物，设施栽培作物所处的生长环境特征表现为：光照条件较弱，增温保温效果较好，风速小，空气湿度较大。目前国内外众多研究学者对于设施作物进行了需水量计算研究，并累积了大量实测资料，取得了一定的研究成果。针对设施作物的生长和栽培特点，探求作物全生育期需水量及需水规律，指导农业节水提供依据，进而缓解农业用水短缺，提高农业用水效率具有重要的实际意义[5-9]。同时节水灌溉条件下的设施栽培作物的需水规律研究也是目前农业与生态节水领域的研究重点之一。由于地域及栽培模式等因素差异阻碍了研究结果的通用性，致使许多研究成果无法直接应用到实际生产中[10-13]。本文针对地下水埋深较浅的低平原区开展了覆膜滴灌条件下日光温室茄子的需水量以及需水规律研究,本试验研究中对作物全生育期采取了充分灌溉，可为区域节水灌溉提供技术指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料及设计

试验区位于天津市静海区陈官屯镇胡辛庄村。该地区北纬38°46′，东经116°53′，处于华北大平原的东北部，地势低平，海拔一般为3～4 m。属温带大陆性季风气候，四季分明，春秋季节短，冬夏季节长。降水多集中在夏季，年平均降水量约590 mm 7月份最多，平均205 mm，1月份最少，平均3 mm。年平均蒸发量1 778 mm。多年平均气温11.9 ℃，累年平均无霜期193 d，平均日照2 699 h，日照率61%。地下水位埋深在1.5～2 m内。

试验在二代日光温室中进行，温室地块长110 m，宽8 m。试验区土壤类型为潮土，土壤的基本性状见表1。试验期间温室内种植东方长茄，茄子定植日期为2017年10月22日，品种为，种植方式为育苗栽种，植株两行之间距离为40 cm，膜与膜之间距离为90 cm，植株横向之间距离为60 cm，滴灌带滴头间隔为30 cm，主管直径为4 cm，滴灌带直径为1.5 cm。灌溉水源来自深水井，灌溉方式为膜下滴灌。

表1 土壤的基本性状Tab.1 The basic characteristics of soil

1.2 试验方法

1.2.1 土壤含水率的测定

用土钻取温室大棚中央位置处土壤，每次测定两个点，分别为膜内一个点和膜外一个点。取土深度为0～100 cm，每20 cm一层，共5层，每周取样测定一次。对覆膜滴灌条件下的土壤含水率进行加权平均，求得整个测试深度0～100 cm的土壤平均含水率。

1.2.2 生长性状指标的测定

选定大棚内五株植株挂牌标记，7 d进行一次株高、叶面积及茎粗的测量，现场测量工具分别为皮尺和游标卡尺。用直尺测量各叶片的叶长和最大叶宽，将叶片视作矩形，叶片的计算面积即是叶长与最大叶宽之积。将测量叶片带回实验室，用AM-300手持式激光叶面积仪扫描叶片实际面积，对叶片实际面积与计算面积之间的关系进行研究，并对试验数据进行了对比分析。得到叶片实际面积与计算面积之间的计算公式为：y=0.644 9x+9.241 4，相关系数R2=0.9934，x为茄子叶片实测面积，y为茄子叶片计算面积。

1.2.3 温室环境因子的测定

温室中气温、相对空气湿度采用优利德(UNI-T)数字温湿度计记录储存数据(温度测量精确度±1.0 ℃，湿度测量精确度±2.5%RH)。数据记录仪放置在距离温室地面1.5 m高度处。地温采用便携式电导率测试仪测试。采用CI-340便携式光合测定仪测定植株上部叶片的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)等光合参数。每7 d测量一次，选定叶片位于植株顶端第3片叶片，重复测定3次，取其测定平均值。

1.2.4 需水量的计算

水量平衡法是根据作物根区内水的质量守恒来估算作物需水量。该方法简单易操作，而且还能达到足够的精度，在作物需水规律研究中应用广泛。其表达式为：

ET=M+P+Δw-R±q

(1)

式中：ET为田间蒸散量(即需水量)；M为灌水量，可由水表控制；P为降水量；Δw为根系层内储水量的变化；R为径流量；q为根系层地下水补给量(向下为正，表示地下水上升补给，向上为负，表示下渗)，以上变量的单位均以mm计。

在日光温室条件下，降雨量及径流量均不考虑。对式(1)简化得：

ET=M+Δw±q

(2)

用土壤含水率表达式(2)，可写出下式：

(3)

式中：θt2、θt1分别为t2时段土壤含水率和t1时段土壤含水率；γ为计划湿润层内土壤的干密度，g/cm3；H为土壤计划湿润层，cm。

根系层储水量Δw的变化可通过土壤含水率获得，此处根系层深度取100 cm，对于单元土体从t1到t2时段根系层内水量平衡方程式：

Wt2-Wt1=M-ET±q

(4)

式中：Wt2、Wt1分别为t2时段末土壤水量和t1时段初土壤水量，mm。

1.2.5 根系层下界面水分通量计算

当地下水埋深较浅时，在土壤水势梯度作用下，地下水与土壤水之间会产生水分交换。当根系层土壤储水量大于临界储水量时，根系层下界面水分通量方向向下，当根系层土壤储水量小于临界储水量时，根系层下界面水分通量方向向上，当根系层土壤储水量等于临界储水量时，通量为零。由于试验区在静海，地下水位埋深在1.5～2 m内，需考虑地下水补给量。在国内，雷志栋等人(1993年)以分段函数的形式给出了根系层下界面水分通量q与根系层土壤储水量w的经验关系。

(5)

式中：W为根系层土壤储水量；WC为根区通量变向临界土壤储水量(以下简称临界储水量)；KBU和KBD分别为上补系数和下渗系数。

由于孙书洪的试验条件即土壤条件，地下水条件，气象条件与本试验一致。所以根据孙书洪对于天津市西青区试验地的数据进行分析得出:KBU=0.006,KBD=0.036；WC=280 mm[14]。

2 结果分析

2.1 日光温室环境因子分析

研究茄子生长期内典型日(2017-12-19)平均土壤温度(地表0～5 cm)与日平均气温的变化过程，见图1。白天气温明显高于地温，夜间气温略低于地温。9∶30-10∶00左右气温上升较快，之后超过地温，13∶00-14∶00气温达到峰值之后又迅速回落，在17∶30-18∶00左右气温降低到地温以下，夜间气温和地温保持恒定。其中随着茄子生育成长，温室内日平均土壤温度(地面下5 cm处)与日平均气温有非常好的线性关系，经计算分析得其相关系数达到0.82以上。并且温室内空气湿度受到温室外空气湿度的影响较小。

图1 茄子典型日(2017-12-19)土壤温度(5 cm处)和空气温度的日变化过程线Fig.1 Diurnal variation of soil temperature (5 cm) and air temperature on a typical day of eggplant (2017-12-19)

2.2 茄子叶面积指数随时间变化规律

根据测试结果绘制出茄子叶面积指数随时间变化过程线，见图2。测试时间从定植后15 d开始，即2017年11月8日起始测定叶面积指数，为0.389，随后逐渐增大，到2018年1月20日达到最大值为1.068，紧接着开始减小，到2018年3月27日时减小到0.59，在进入到2018年4月7日过程中又呈现上升趋势。茄子叶面积指数出现多个减小增大的波动，主要原因是茄子有剪枝的管理措施。

图2 设施茄子叶面积指数变化过程线Fig.2 Process line of leaf area index of eggplant in facilities

2.3 茄子生长性状指标随时间变化规律

定植之后的一个月内茄子处于缓慢生长阶段，株高的变化较为平缓，达到开花坐果期以后，茄子进入到快速生长阶段，株高不断增大，趋势较陡。直到结果后期，株高不再增长，高度基本稳定。茄子生育期内叶面积的变化趋势与株高变化趋势类似，随着生长期的延长叶面积值逐渐增加，前期增长速度较快，后期增长速度较慢。茄子茎粗随其发育成长而增加，在苗期茄子的生长主要以营养为主，茎粗增长较快。进入开花坐果期后茎粗的增长明显减慢直至趋于稳定。

2.4 茄子测试期间的灌水时间与灌水量

表2给出了茄子测试期间的灌水时间与灌水量。测试期间共210 d，期间灌水12次，灌水间隔13～25 d，共计灌水量510 mm。

表2 茄子生长期灌水时间与灌水量Tab.2 Irrigation time and irrigation volume of eggplant

2.5 茄子需水规律

图3给出了茄子试验测试期间参考作物叶片蒸腾速率的变化过程。由图3可以看出，日光温室茄子叶片每天的蒸腾速率随着植株发育成长而逐渐增大，苗期变化幅度较小，变化范围为1.2～3.79 mm/d；开花坐果期变化幅度较大，变化范围为2.951～6.78 mm/d；结果后期变化幅度又开始变小，变化范围为2.06～3.44 mm/d。

图3 茄子叶片蒸腾速率随时间的变化过程Fig.3 Changes of transpiration rate of eggplant leaves over time

测试茄子生长期内各土层土壤含水率，做出土壤含水率变化图，该试验研究中采用的是膜下滴灌局部灌溉，设置了膜内土壤含水率与膜外土壤含水率变化对照，见图4。

图4 茄子温室滴灌膜内膜外土壤含水率比较Fig.4 Comparison of soil moisture content outside the intima of drip film in eggplant greenhouse

由图4可以看出茄子生育期膜内土壤含水率与膜外土壤含水率的相关关系表现为各土层膜内土壤含水率均高于膜外。主要原因是膜下滴灌的滴灌带在膜内，从而减少了植株棵间蒸发。同时随着深度的增加，膜内土壤含水率与膜外土壤含水率的差异也在逐渐变小。

根据实测的土壤含水率，茄子需水量采用水量平衡方程计算。得到拟合需水量变化，与实测需水量相比较(见图5)。茄子生育期内拟合需水量与实测需水量之间的相关系数R2=0.824 9，相关性较好。由图5可以看出，在适宜水分条件下，日光温室茄子的需水规律表现为苗期小，最少需水量为0.7 mm/d，进入开花坐果期逐渐增大，到结果盛期最大可达到6.344 mm/d，进入结果后期又开始逐渐减小。

图5 茄子需水量在生育期内变化规律Fig.5 Variation of water requirement of eggplant during growth period

对茄子需水规律及其叶片蒸腾速率与之间的关系进行研究，并对试验数据进行了分析。见图6，其中茄子需水规律及其叶片蒸腾速率之间的相关系数R2=0.838 6。由图6可知，茄子需水规律与叶片蒸腾速率变化规律具有较好的相关性，呈现为苗期小、结果盛期大、后期变小的趋势。

图6 茄子需水规律与叶片蒸腾速率关系图Fig.6 Relationship between water demand and leaf transpiration rate of eggplant

3 结 语

通过在试验区对作物进行试验及数据整理分析后，得出以下结论：

(1)叶片的蒸腾速率随着植株生育成长而增大，苗期的蒸腾速率较小，最小值为1.2 mm/d ，开花坐果期的蒸腾速率较大，进入结果盛期最大蒸腾速率可达到6.78 mm/d，后期的蒸腾速率又开始变小。

(2)茄子需水规律在整个生育阶段与叶片蒸腾速率变化规律具有较好的相似性，呈现为苗期小、开花坐果期大、结果盛期达到最大、后期变小的趋势。其中结果盛期的最大需水量可达到6.344 mm/d，苗期需水量较少，最小值为0.7 mm/d。

(3)茄子生育期内各土层膜内土壤含水率均高于膜外，覆膜有效抑制了棵间土壤蒸发，有一定的抑蒸保墒作用。覆膜在一定程度保持土壤水分，是提高水分利用效率的重要农业生产措施。

在实际操作中，叶片蒸腾速率通过CI-340便携式光合测定仪测定，方便快捷，研究中初步拟定了叶片蒸腾速率与作物需水规律相关关系，且相关性较好，由此通过叶片蒸腾速率来估算作物需水量，为试验研究提供了便捷。但是本研究中考虑的因素较少，还需要继续优化研究。