不同灌溉处理下鸡毛菜冠层温度差异性及分布特性研究

田立立,郭斗斗,黄丹枫,常丽英

(上海交通大学农业与生物学院,上海200240)

不结球白菜是我国南方地区广泛栽培的绿叶菜品种之一[1],鸡毛菜作为其幼苗阶段的食用产品,深受我国消费者的喜爱。提升鸡毛菜生产过程中的水分管理水平,对于提高鸡毛菜的产量与品质有着重要意义[2]。随着现代农业栽培技术以及装备技术的发展,鸡毛菜栽培过程中的水分供给方式已由传统粗放的漫灌等灌溉方式逐渐向现代精准的微灌等灌溉方式转变,同时通过农业物联网技术已可以实现根据鸡毛菜生长过程中所需水分定时定量供给。因此,研究鸡毛菜的生理指标,判断其体内水分状况,从而确定水分供给量已成为了现阶段十分必要且重要的研究目标。而冠层温度作为其中一个理想指标,研究其在鸡毛菜生长过程中的变化规律以及分布特征亦变得十分必要。

冠层温度指作物地上部分茎、叶表面温度的平均值,可以直接反映作物生理状态,也是衡量作物体内水分状况的重要指标之一[3]。研究表明,作物冠层温度的变化是各种能量流动的集中表现[4]。后续研究中更进一步阐述了能量流动和植物冠层温度之间的关系,生物与环境间能量交换运行的机理,其中的内容包含了传导、辐射、蒸腾、对流等交换方式,该能量流动理论为后来研究植物冠层温度奠定了基础[5]。

植物的冠层温度作为诊断作物水分亏缺情况的指标之一[6],可以快速、无损地了解作物自身生理状况,在国内外已经被广泛研究,作物冠层温度与水分相关性研究对于探讨水分对作物生理生化作用以及生长发育的影响,指导作物精准灌溉,提高水资源利用效率都有着重大意义[7],用冠层温度变化作为作物自身生理状态指标来反映作物体内水分状况的研究是作物缺水研究的一个重要方向。随着冠层温度监测技术以及监测设备水平的逐渐提高,在国外已经形成了较为成熟的依靠监测作物冠层温度指导作物水分管理的灌溉技术。

已有研究表明,作物在不同生长发育阶段对水分的需求、水分利用率以及对水分缺失的响应有很大差异[8]。为了明确鸡毛菜冠层温度在不同水分灌溉下的差异性以及冠层温度随叶位分布的空间分布特点,本研究对鸡毛菜在不同水分处理下的冠层温度进行分析,获得冠层温度在不同水分处理的差异性规律以及随不同叶位分布的空间分布特性,以期为鸡毛菜工厂化生产的精准灌溉管理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试鸡毛菜品种为:‘华王’和‘抗热605’。‘华王’原产日本,植株整齐度高,株型优良,抗病性、耐热性、耐湿性强,栽培适应性广,生长期25—30 d。‘抗热605’品种株型直立,浅绿色,纤维少,较耐热,植株紧凑,抗病能力强、耐寒性好。试验品种由上海孙桥农业科技股份有限公司提供。

1.2 试验设计

试验于2015年5月11—29日在上海孙桥农业现代开发区内乾菲诺生物实验中心文洛型玻璃温室内进行,玻璃温室内部环境由priva温室环境控制系统根据实际生产环境设定自动调控。采用育苗移栽方式进行栽培种植,首先将种子直播于128孔育苗穴盘中,每盘填装商品有机基质,出苗后2片子叶展平时移栽到试验花盆(上口径×高度×容量:13 cm×13 cm×1 L)中,每盆种植1株,使用草炭、蛭石和珍珠岩混合基质,按9∶3∶1比例混合均匀。然后将花盆移至乾菲诺生物实验中心高通量植物表型平台上进行冠层温度检测。试验周期为20 d,从试验品种长出第1片真叶开始至第5片真叶展开结束。试验设置3种不同基质含水量处理:缺水灌溉(基质含水量为基质最大含水量的30%,S表示)、正常灌溉(基质含水量为基质最大含水量的60%,N表示)和饱和灌溉(基质含水量为基质最大含水量的90%,F表示),5个重复。

1.3 测定目标与测量方法

1.3.1 测定目标

测量‘华王’和‘抗热605’品种在生长期内的各叶片温度;记录温室环境数据,包括温度、湿度、光照强度等。

1.3.2 测量方法

叶片温度使用TA8204手持红外测温仪对叶片上表面进行测量:每天14:00测量叶片温度,取叶片3—5个点的均值。特征天气(晴朗天气)使用FLIA ONE RPO手持红外热成像仪测量叶温及基质温度:6:00—18:00,每2 h测量1次。使用WatchDog3900WS无线综合气象站记录温室环境数据。

手持红外仪测量时,根据叶片大小在距离叶片2—5 cm距离处测量。手持红外热像仪拍照时,红外感应区正对叶片测量区,镜头距离植株约40 cm,植株位于图像中间区域,通过调节焦距使轮廓清晰,禁止在热像仪校正时拍照。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0软件处理试验数据并进行差异显著性分析,采用Excel 2016软件进行相关性分析并进行数据整理,试验结果为5次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 鸡毛菜冠层温度对不同灌溉的差异性比较

在不同灌溉条件下,鸡毛菜植株内的水分状况会发生变化,进而改变植物体吸收水分、叶片蒸腾等一系列生理活动,使植物体与环境的能量交换产生差异,从而造成不同处理间冠层温度的差异。

由表1—表3可见,不同灌溉处理下,HF(饱和灌溉)、HN(正常灌溉)和HS(缺水灌溉),在2片真叶时期‘华王’的叶片温度平均值分别为25.43℃、25.85℃、26.15℃;3片真叶时期分别为26.4℃、27.8℃、29.05℃;4片真叶时期分别为27.27℃、28.54℃、30.13℃。对3组数据进行比较发现,‘华王’品种在不同叶龄期,冠层温度均表现为:缺水灌溉处理>正常灌溉处理>饱和灌溉处理;t检验显示,HF与HN,HN与HS叶片间温度差异显著。综上,鸡毛菜冠层温度在不同水分处理条件下表现为:HF

表1 不同灌溉处理下‘华王’品种2叶期冠层温度比较Table 1 The comparison of canopy temperature of‘Huawang’under three different irrigation treatments at two leaf growth period ℃

表2 不同灌溉处理下‘华王’品种3叶期冠层温度比较Table 2 The comparison of canopy temperature of‘Huawang’under three different irrigation treatments at three leaf growth period ℃

表3 不同灌溉处理下‘华王’品种4叶期冠层温度比较Table 3 The comparison of canopy temperature of‘Huawang’under different irrigation treatments at four leaf growth period ℃

2.2 鸡毛菜生长过程中冠层温度的动态变化特性及与大气温度的关系

由表4可见,L2叶片温度与空气温度在相同时段达到高点与低点。空气温度最高点与最低点差值为11.8℃,L2叶片温度最高点与最低点差值为7.01℃。由此分析,L2叶片温度与空气温度在相同时间段达到高点与低点,说明叶片冠层温度变化与空气温度变化具有一定相关性,且冠层温度波动小于空气温度。利用t检验分析L2叶片温度与空气温度间数据差异性,同时利用CORREL函数对L2温度与空气温度进行相关性分析,得出鸡毛菜生长期内冠层温度变化与空气温度变化显著相关,且冠层温度变化强度小于空气温度。

表4 正常灌溉条件下‘华王’品种在连续生长时间的L2叶片温度与空气温度值(5月)Table 4 Leaf temperature of L2 and air temperature at different growth periods under normal irrigation of‘Huawang’ ℃

2.3 鸡毛菜冠层温度的日变化规律研究

冠层温度日变化作为植物对自身生理以及周围环境日变化反应的一个体现,其变化特点反映了植物一天中的生理活动特点,因此一天中某个特定时间点的冠层温度可直接被作为判断作物生理状态的优良指标。选取正常水分灌溉条件下‘华王’品种L2叶片在5月13日和25日6:00—18:00叶片温度数据来分析其冠层温度的日变化规律。

由表5可知,5月13日和25日,L2叶片温度6:00—18:00的变化规律为:从6:00开始随时间推移逐渐升高,在12:00—14:00达到日最高,随后逐渐降低。

表5 正常水分灌溉条件下‘华王’品种L2叶片温度Table 5 Temperature of L2 leaves of‘Huawang’on 13th and 25th day under normal irrigation condition ℃

2.4 鸡毛菜冠层温度在不同叶位的空间分布特点研究

由于在空间上各叶位叶片生理活动以及受到的环境因子影响程度不同,造成各叶位叶片与周边环境能量流动强度形成一定差别,综合其他相关因素的影响,鸡毛菜冠层温度形成了随不同叶位分布的分布特点,这进一步细化了对于鸡毛菜冠层温度的研究。选取‘华王’和‘抗热605’两个鸡毛菜品种5片真叶时期在3种灌溉处理下,从下到上由子叶开始依次到最顶端真叶的温度数据进行对比分析,形成鸡毛菜冠层温度在不同灌溉条件下的空间分布特点。

由表6和7可见,叶片平均温度LOL、LOR>L1>L2>L3>L4>L5,由方差分析得,除LOL与LOR叶片间温度表现为差异不显著外,其余叶片间温度均表现差异显著。由以上分析结合鸡毛菜叶位空间可得,鸡毛菜冠层温度空间分布特征为:位于鸡毛菜最底部的子叶(LOL、LOR)温度最高,L1、L2、L3、L4、L5随着位置向上温度逐渐降低,最顶部L5温度最低。

表6 不同灌溉处理下‘华王’品种在5叶期叶片由下至上冠层温度分布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 不同灌溉处理下‘抗热605’品种在5叶期叶片由下至上冠层温度分布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 结论与讨论

通过深入研究鸡毛菜在不同灌水条件下冠层温度的差异性以及在生长过程中冠层温度的变化规律和分布特征,得出以下结论:(1)鸡毛菜各生长时期植株冠层温度在不同水分处理下,均呈现随着基质含水量的升高而降低趋势,即饱和灌溉处理<正常灌溉处理<缺水灌溉处理。(2)鸡毛菜生长期内冠层温度变化与大气温度变化显著相关,且冠层温度变化强度小于空气温度。(3)鸡毛菜冠层温度日变化规律呈现先上升再降低的趋势,6:00开始逐渐上升,12:00—14:00达到峰值,之后逐渐降低。(4)鸡毛菜冠层温度在植株空间分布特征呈现底部子叶温度最高,由最底部向上L1、L2、L3、L4、L5温度依次降低,顶部L5温度最低的趋势。

综合冠层温度在其他作物上的研究,与本研究结果进行对比可得:(1)鸡毛菜冠层温度随着灌溉水量处理增加而下降,这与刘学著等[9]在冬小麦冠层温度的研究结果相一致,前人研究表明,冠层温度变化是能量流动的一种体现形式,植物体与环境间以蒸腾、传导以及辐射等方式进行能量交换,改变植物的冠层温度[10]。在一定范围内增加灌水量将提升鸡毛菜体内自由水比重,增加植物生理活动强度,蒸腾作用强度加大,随蒸腾作用释放更多能量,降低其冠层温度。本研究结果与此理论相互印证。同时鸡毛菜的冠层温度随灌水量变化而明显变化,说明将其作为诊断鸡毛菜水分状况监测指标从而确定灌水量具有可行性。(2)于明含[11]研究了固沙植物冠层温度与气象因子的关系,发现在所有气象因子中,空气温度是对植物冠层温度影响最重大的气象因子之一。同时针对小麦冠层温度研究时也发现冠层温度与空气温度呈同步变化规律[12]。鸡毛菜冠层温度反映了其体内水分状况,因此可根据整个生育期内与空气温度显著相关的冠层温度值制定鸡毛菜生育期内精准灌溉制度。(3)已有研究结果表明,植物一天中冠层温度达到最高时也是植物一天中水分胁迫强度最大的时期[13],对于利用冠层温度指导灌溉有着重大意义,该时期可以作为作物利用冠层温度指导精准灌溉的有效采集点。在大部分冠层温度研究中都采用在14:00测定作物冠层温度的做法。此外同样可根据日冠层温度的变化规律制定鸡毛菜日灌溉制度。(4)前人研究表明,植物体冠层温度由于冠层组织的生长时间、有机物组成、生理反应等不同,冠层温度具有一定空间分布特征[14],该分布特征更加准确剖析了鸡毛菜冠层温度的构成,为有效检测鸡毛菜冠层温度提供依据。本研究为利用红外热成像技术快速检测大面积鸡毛菜冠层温度提供了误差校准标准,且研究与吴晓磊[15]研究利用红外热成像技术获取棉花冠层温度时得出的结论印证。

本研究仅对鸡毛菜冠层温度的差异性及分布特性进行了研究,要实现鸡毛菜的精准灌溉,还需进一步对冠层温度和植株含水量以及生物量和品质指标等进行相关性研究,探究水分-冠层温度-产量与品质间的相互关系。后续研究将综合以上因素开展并形成有效的通过检测冠层温度实现对鸡毛菜精准灌溉的执行与反馈模型。