滴灌水分调控对设施芹菜生长与水分利用的影响

2022-09-24马娟娟郑利剑孙西欢郭向红许全悦

节水灌溉 2022年9期

郭勇，马娟娟，郑利剑，孙西欢，郭向红，许全悦

（太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引言

我国是世界上最大的设施农业生产国，但干旱半干旱区设施农业用水存在水资源供需矛盾突出的问题，如何实现设施作物高效节水管理就显得尤为重要[1]。芹菜（Celery）为伞形科植物，含有丰富的营养及药用成分，是我国北方冬春季设施栽培的重要蔬菜。目前芹菜栽培采用畦灌等灌溉方式，水分利用效率较低，造成水资源浪费，是影响产量和农民经济收益的主要因素之一[2-4]。滴灌与上述灌溉方式相比，节水效果显著，能提高水分利用效率14%～35%[5,6]。因此，在滴灌条件下，制定合理的灌溉策略是实现设施芹菜节水高产的重要途径。

研究发现在作物生长发育的某些生育期减少灌水量，会对作物的生理生长产生影响，进而影响作物的产量和水分利用[7]，水分调控对设施蔬菜生长发育的影响，目前主要集中于辣椒、番茄、甜菜等蔬菜，得出了在适宜生育期进行合理的水分亏缺会达到节水高产的效果[8-10]。围绕滴灌芹菜的研究主要集中在全生育期灌水试验[11-13]，这些研究中设施芹菜各生育期的灌水定额均相同，但各生育期作物对水分的需求存在差异，因此芹菜各生育期的灌水量有待研究。水是植物进行光合作用的原料之一，水分调控会影响作物的光合特性[14]，进而影响作物的产量。在花生花针期进行水分调控表明，该生育期适度水分亏缺有利于叶片光合作用[15]；对滴灌温室黄瓜研究发现，在生长任一阶段发生水分亏缺均会降低黄瓜植株的光合速率及气孔导度，进而可能影响黄瓜干物质的运转与积累[16]；对番茄在各生育期光合作用研究发现，中度亏水条件下净光合速率在采摘前期与充分灌水处理无显著差异[17]；有研究在芹菜心叶生长期测定光合指标，发现在试验设计的灌水方案下，净光合速率随着灌水量的增加而增大[11]。对番茄等蔬菜研究发现，生育期适当的水分亏缺能够提高产量和灌溉水利用效率[18-20]。综上所述，不同生育期水分亏缺对作物生长、光合作用和产量的影响主要集中于番茄等作物，对滴灌设施芹菜生长生理、产量和水分利用的影响鲜有报道。因此，本研究通过滴灌设施芹菜水分调控试验研究，定量分析水分调控对地上部分生长生理指标、产量及灌溉水利用效率的影响，并采用CRITIC 赋权法耦合TOPSIS模型进行综合评价，探寻综合效果最优的灌水方案，为芹菜节水高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021-2022年在山西省太原市小店区刘家堡西红柿产业园（112°48′N，37°65′E）进行，试验温室为自然通风温室，东西走向（60 m×11 m）。试验地区属于暖温带大陆性季风气候，年平均降雨量520 mm,年平均气温11 ℃，日照平均2 672 h，全年无霜期160 d。试验地地势平坦，土壤为沙壤土，基本理化参数见表1。

表1 试验地土壤基本特性Tab.1 Basic characteristics of soil in test site

1.2 试验方法与设计

芹菜于2021年11月1日定植，2022年1月19日收获，供试品种为“法国皇后”。芹菜采用畦栽，行株距为0.2 m×0.2 m，种植密度为25 株/m2，灌溉方式为滴灌，每根滴灌带控制一行芹菜。定植小区长9 m，宽5 m，面积为45 m2；定植前在各小区施加氮磷钾复合肥（888 kg/hm2）作基肥均匀施入耕作层，在全生育期各处理喷药、除草等管理均保持一致。芹菜生育期划分为苗期（2021-11-01—2021-11-19）、外叶生长期（2021-11-20—2021-12-10）、立心期（2021-12-11—2021-12-31）和心叶生长期（2021-01-01—2022-01-19）。

本试验设置灌水量为变量，建立三因素三水平正交试验，共9 个处理，具体试验方案见表2。芹菜苗期各处理灌水量相同，在外叶生长期、立心期、心叶生长期各设置3 个灌水水平，分别为I、0.8I、0.6I。

表2 芹菜各生育期灌水量试验方案Tab.2 Experimental scheme of irrigation amount of celery in each growth period

式中：I为充分灌水量，m3；灌水上限为90%的田间持水量，灌水下限为70%±5%的田间持水量；θFc为田间持水量，cm3/cm3；θv为灌水前土壤含水率，cm3/cm3；Zr为计划湿润层深度，取0.2 m；S为灌水面积，m2；0.8为湿润比。

试验期间当充分灌水处理土壤含水率达到下限，计算充分灌水处理的灌水量I，并对所有小区按照试验方案进行灌水。

1.3 测定项目与方法

本试验测试的生长指标为芹菜株高、叶柄粗、地上部生物量；生理指标为叶片光合特性；产量和灌溉水利用效率。

(1)土壤含水率。采用管式TDR 测定，测定深度为0～40 cm，每10 cm为1层。

(2)芹菜株高、叶柄粗、地上部分鲜重。从外叶生长期开始，每隔7 d 测定1 次，株高从植株基部起，利用卷尺测定；叶柄粗在植株基部2 cm 处，利用电子游标卡尺分别沿2 个垂直方向测定；地上部鲜重在收获时选取代表性植株，采用精度0.01 g电子秤称量。

Logistic 生长曲线被广泛应用于作物的生长过程，可以用来模拟作物生长随时间的变化。Logistic方程为：

式中：y为芹菜的生长指标；t为定植后的天数，d；A为生长指标理论最大值；b为截距系数；k为增长率系数，可在k的基础上进行最大生长速率MGR计算[19,21]，公式如下。

(3)芹菜叶片光合特性。在芹菜心叶生长期测定叶片光合特性，使用Li-6400便携式光合仪，测定时间为9∶00-11∶00，测定指标为净光合速率Pn、气孔导度Gs、胞间CO2浓度Ci和蒸腾速率Tr。

(4)产量及灌溉水利用效率。用精度为0.05 kg 的电子天平测量各处理的产量，灌溉水利用效率IWUE计算公式：

式中：Y为芹菜产量；I为芹菜全生育期灌水量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013 处理数据，Origin 2017 作图，用SPSS Statistics 17.0统计软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水分调控对芹菜株高、叶柄粗的影响

图1为芹菜全生育期株高，叶柄粗动态变化。不同水分处理下芹菜株高和叶柄粗在各生育阶段呈现不同态势，具体为：外叶生长期灌水充足处理（T1、T2、T3）株高均显著大于水分亏缺处理（T4、T5、T6、T7、T8、T9）,说明外叶生长期水分亏缺抑制了芹菜株高的生长；而芹菜外叶生长期T2 处理叶柄最粗，其余处理叶柄粗差异不显著。进入立心期，除T2 处理外，其余水分处理的株高均显著低于T1 处理；该时期叶柄生长速度加快，各处理差异增大，其中T2处理叶柄生长最快，可见外叶生长期灌水充足，立心期适度亏水对芹菜株高、叶柄粗影响不大；心叶生长期各处理株高排序为T1＞T2＞T6＞T3＞T7＞T8＞T9＞T4＞T5，T1 处理株高最高，为66.03 cm，T2 处理次之，较T1减少2.1%，且显著大于其他处理；心叶生长期T2处理叶柄最粗，为20.71 mm，T1 处理次之，T2 处理较T1 增加4.1%，T1，T2 和T6 处理之间没有显著性差异，且T2 处理叶柄粗显著高于其余6 个处理。由T1，T2 对比可知，T1 和T2 处理3个生育期的株高和叶柄粗均差异不显著，说明在外叶生长期灌水充足，立心期和心叶生长期连续适度亏水对芹菜的生长没有产生显著影响。

图1 芹菜各生育期株高、叶柄粗动态变化Fig.1 Dynamic changes of plant height and petiole diameter of celery in different growth stages

表3为芹菜株高和叶柄粗Logistic 生长曲线拟合参数。所有处理株高和叶柄粗拟合精度R2总体上均接近于1，说明Logistic 生长曲线与实测数据拟合得较好。模拟得出，T1 处理株高MGR最大，为0.86 cm/d，T2 处理次之，为0.79 cm/d，T5处理为0.61 cm/d，T1较T5处理大29.1%。T1和T2处理叶柄粗理论最大值分别为22.65 mm 和24.53 mm，最大生长速率分别为0.33 mm/d 和0.36 mm/d，T2 处理芹菜株高和叶柄生长与灌水充足处理差异不显著。说明在灌溉水源不足、灌溉条件受限制的地区，可在立心期和心叶生长期进行适度的亏水，能够保证芹菜植株和叶柄的正常生长。

表3 芹菜株高、叶柄粗Logistic生长曲线拟合参数Tab.3 Fitting parameters of celery plant height and petiole coarse Logistic growth curve

2.2 水分调控对心叶生长期芹菜叶片光合特性的影响

心叶生长期是芹菜产量快速积累的时期，光合作用为作物产量的形成提供了物质基础。表4为芹菜心叶生长期净光合速率Pn、气孔导度GS、胞间CO2浓度Ci和蒸腾速率Tr极差分析表，极差值R越大表明对结果影响程度越大。各项光合指标在芹菜心叶生长期灌水量的极差R均最大，表明心叶生长期灌水对芹菜光合作用影响最大。图2为不同水分处理芹菜心叶生长期叶片光合特性，心叶生长期灌水量为I和0.8I（T1、T2、T4、T6 和T8）的处理Pn、GS和Tr均高于灌水量为0.6I（T3、T5、T7）的处理，Pn与Tr差异达显著水平，GS差异不显著；Ci呈相反规律，水分亏缺程度越大，Ci越高，且差异显著，说明心叶生长期芹菜叶片光合作用随水分亏缺程度的增加而降低。T1 处理GS最高，为0.425 mmol/（m2·s）；T2 处理Pn[21.9 μmol/（m2·s）]和Tr（3.63 mmol/mol）均为最高，分别较充分灌水处理T1 增加16.4%和5.0%；T3 处理Ci[445.67 μmol/mol）]为最高，与其他处理之间差异显著，较T1 处理增加24.1%，Pn[14.1 μmol/（m2·s）]，GS[0.29 mmol/（m2·s）]和Tr（2.49 mmol/mol）均为最低，分别比T1 处理减少23.0%，31.75%和27.7%。

图2 不同水分处理芹菜心叶生长期叶片光合特性Fig.2 Photosynthetic characteristics of celery interior leaves during growth period under differert water treatments

表4 心叶生长期叶片光合特性极差分析表Tab.4 Analysis table of leaf photosynthetic characteristics range during growing period of interior leaves

2.3 水分调控对产量和水分利用的影响

表5为不同灌水处理芹菜的产量和灌溉水利用效率，各处理产量依次为T1＞T6＞T2＞T5＞T3＞T4＞T8＞T7＞T9，T1 处理产量最高，为103.50 t/hm2，T2、T3、T5 和T6 处理次之，但与T1处理差异不显著，说明外叶生长期适度的水分亏缺对芹菜产量影响不显著；T9处理产量最低，为71.85 t/hm2，与其余处理均存在显著性差异，较产量最高处理T1 减少30.58%，T7、T8处理产量也比较低，外叶生长期水分亏缺程度加剧，将会显著降低芹菜产量，立心期和心叶生长期水分亏缺影响较小。表6为芹菜产量极差分析表，外叶生长期灌水量对芹菜产量的影响程度最大，立心期灌水量对芹菜产量的影响最小。

由表5可知，T5 处理灌溉水利用效率最高，为63.76 kg/m3，T2 处理为61.27 kg/m3，分别较充分灌水处理T1 增加了9.9%和6.3%，可见适当的水分亏缺能够提高灌溉水利用效率，具有一定的正效应；T7、T8 和T9 三个处理灌溉水利用效率比较低，其中T9处理灌溉水利用效率最低，为49.76 kg/m3，较T1 处理灌溉水利用效率减少了18.23%，且二者差异显著。由表6极差R可知，芹菜灌溉水利用效率对外叶生长期灌水量最敏感，立心期灌水量对芹菜灌溉水利用效率影响最小。

表5 不同灌水处理芹菜产量和灌溉水利用效率Tab.5 Yield of celery and utilization efficiency of irrigation water under different irrigation treatments

表6 不同灌水处理芹菜产量和水分利用极差分析表Tab.6 Analysis table of yield and water use range of celery under different irrigation treatments

2.4 基于CRITIC-TOPSIS综合评价

多指标综合评价的关键在于各评价指标的权重，采用CRITIC 赋权法为设施芹菜各指标赋权，不仅考虑了指标间的差异性，且增加指标间关联性分析，所得出的权重与主观赋权法、熵权法相比更加客观可靠。TOPSIS 评价法能充分利用原始数据的信息，并充分反映各方案之间的差距，客观真实的反映实际情况，具有真实、直观、可靠的优点。因此，综合两种模型，采用CRITIC-TOPSIS 评价法对滴灌芹菜进行综合分析，得到最优灌水组合。

建模与求解步骤如下：

（1）设参与多目标决策的处理集为A=[A1,A2,…,An]，指标集为B=[B1,B2,…,Bm]，处理A对指标B的值为Xij，则形成决策矩阵X=（Xij） n×m（1≤i≤n,1≤j≤m）。

（2）将决策矩阵进行标准化处理，得到标准化矩阵M=（Mij） n×m。

对于正向指标：

对于逆向指标：

（3）指标变异性：以标准差形式表现。标准差越大表示数值差异越大，越能反映更多的信息，应该分配更多的权重。

（4）指标冲突性：用相关系数表示，rij表示指标间相关系数。

（5）信息量：Cj越大，该指标在评价体系中的作用越大，应该分配更多权重。

（6）客观权重：

进而得到权重向量：

选择株高（X1）、叶柄粗（X2）、净光合速率（X3）、气孔导度（X4）、胞间CO2（X5）、蒸腾速率（X6）、产量（X7）和灌溉水利用效率（X8）8 个指标作为评价因子，胞间CO2作为逆向指标，其余指标均为正向指标，得到标准化矩阵M和各指标权重，由表7可得，灌溉水利用效率所占权重最高，为21.57%，株高次之，净光合速率权重最低，为9.46%。

表7 各指标权重 %Tab.7 Weight of each index

（7）将标准化矩阵M与各指标的权重相乘，得到加权的标准化决策矩阵Z=（Zij）n×m。

（8）确定正理想解Z+和负理想解Z-，并确定各评价对象指标值与理想解之间的欧式距离：

（9）计算各方案与最优方案的相对贴近度Ni。

Ni的取值越接近1，表明评价对象的评价结果越优。表8为CRITIC-TOPSIS 评价得分及排名，不同灌水处理贴近度Ni从优到劣依次为T2＞T1＞T6＞T4＞T5＞T3＞T8＞T7＞T9。T2 处理Ni为87.4%，即T2 处理综合分析为最优处理，T1 处理次之，Ni为68.9%；外叶生长期、立心期和心叶生长期的灌水量分别为140～160、215～245、390～420 m³/hm2。

表8 CRITIC-TOPSIS评价得分及排名Tab.8 CRITIC-TOPSIS evaluation score and ranking

3 讨论

作物的生长发育与水分密切相关，合理的灌溉策略可以促进作物生长。前人研究发现，滴灌畦栽方式下，芹菜株高和叶柄粗随灌水量的增加而增大，全生育期灌水量为1 200 m³/hm2时最大，株高基本维持在60 cm 左右，与本研究相比芹菜株高较矮，原因可能是种植品种、施肥量存在差异造成[22]。本研究表明，外叶生长期随着水分亏缺程度加剧，芹菜株高与叶柄粗的增长量呈下降趋势；整个生育期株高和叶柄粗居于前三的处理分别为T1、T2和T6处理，说明外叶生长期水分亏缺对芹菜生长的影响最大，可能因为外叶生长期主要进行营养的生长，水分亏缺使株高和叶柄粗的生长受到抑制；本研究采用Logistic 生长模型对芹菜株高和叶柄粗的生长模拟结果显示，T1 和T2 这两个处理MGR均比较大，且差异不显著，可见外叶生长期灌水充足、立心期和心叶生长期适度亏水的灌水组合不会对芹菜生长产生显著影响。

光合作用是作物将光能转化为化学能的过程，水分亏缺会对作物的光合作用产生影响，进而影响作物的生长发育和产量[23]。心叶生长期是芹菜产量形成的关键时期，研究芹菜心叶生长期的叶片光合特性有重要意义[24]。叶片光合作用的降低因素分为气孔因素和非气孔因素，气孔因素是由于气孔关闭，CO2进入叶片受阻导致光合速率下降，非气孔因素是叶肉细胞活性降低导致光合作用减弱[18,25]。本试验研究表明，心叶生长期芹菜叶片光合特性受心叶生长期灌水量影响最大，前两个生育期灌水量的影响较小；对比心叶生长期灌水量为I和0.8I的处理，叶片光合特性指标差异不大，说明在芹菜心叶生长期适度亏水，能够保证芹菜叶片光合作用正常进行；0.6I处理的叶片光合作用与其他处理差异显著，心叶生长期水分亏缺条件下因气孔的部分关闭引起Gs的降低是光合作用下降的主要原因，属于气孔因素，主要表现为Pn、Tr下降和Ci的上升。

适度的水分亏缺能够在减少水资源浪费的同时提高作物产量[26,27]。本研究结果显示，外叶生长期和心叶生长期同时亏水会显著降低芹菜产量；外叶生长期水分亏缺程度大的处理产量均比较低，与T1 处理差异显著；灌溉水利用效率结果表明，T5 处理灌溉水利用效率最高，说明适度亏水对提高灌溉水利用效率具有一定的正效应。谭国栋[24]等研究结果为芹菜全生育期灌溉定额为2 700 m³/hm2能够高产，产量为97.5 t/hm2，灌溉水利用效率为36.11 kg/m3；滴灌条件下，杨军[9]等得到灌溉定额为2 450 m³/hm2产量最高，为83.43 t/hm2，灌溉水利用效率为34.05 kg/m3，与本试验得到的灌水量与产量存在差异，原因可能是芹菜品种、土壤养分、田间管理措施的不同导致的。

不同灌水处理下芹菜生长生理指标的变化存在差异，仅依靠单一指标确定的灌溉策略存在不足。采用综合分析方法，确定各评价指标的权重，依据各指标权重大小对评价对象进行评估，所得评价结果更加客观可靠[28,29]。张纪圆[30]采用CRITIC 方法对核桃产量和品质进行综合评价，得到了核桃树最优的调亏灌溉模式。菅毅[31]基于TOPSIS 方法对番茄品质、产量和灌溉水利用效率进行综合效益评价，确定了适合喀斯特断陷盆地区的番茄地下灌溉技术。本文将CRITIC 和TOPSIS模型综合考虑，求解各指标权重与各处理综合得分，最终得出灌水量所占权重最大，T2 处理综合评价得分最高，说明外叶生长期充分灌水，立心期和心叶生长期适度的水分亏缺为试验最优方案。