基于辐射累积量的灌溉策略对不同土壤质地温室黄瓜产量和品质的影响

袁 泉 ，卢 威 ，王 君 ，陈 茹 ，李衍素 ，于贤昌 ，贺超兴 ，孙敏涛 ，闫 妍

（1. 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2. 四川农业大学园艺学院，成都 625014）

0 引 言

设施栽培蔬菜已成为中国蔬菜稳定供应不可或缺的组成部分。制定合理的灌溉策略是提高蔬菜产量和品质的重要手段。目前关于设施蔬菜栽培灌溉策略的研究主要包括：1）通过构建数学模型估算作物蒸腾蒸发量来明确需水规律，如改良的FAO-56 彭曼公式[1]、双作物系数模型[2]等；2）通过传感器监测土壤水分状况来控制灌水起始点和灌水量，如张力计[3]、土壤水分传感器[4]等；3）根据植株生长情况决策灌水起始点，如表型[5]、茎流[6]、叶温[7]等；4）其他用作灌溉依据的方法，如蒸发皿法[8]、称重法[9]等。以上方法各有优点，但附加的田间取样工作、复杂的土壤微环境、传感器长期缺乏维护引起的准确性和稳定性降低等各种原因，导致其在实际生产过程中并没有获得广泛的应用。目前绝大部分生产者仍是根据田间经验进行粗放式管理，极易造成一次性灌水过量，导致土壤水分渗漏及养分淋溶，同时迫使植株遭受水分充足、亏缺、复水恢复一系列波动的土壤水分状况，若浇水不及时还会造成短时干旱胁迫。

设施土壤中水分来源主要是灌溉水和地下水，水分去向主要包括土壤中水分下渗、土壤本身水分含量变化、土壤蒸发和植物蒸腾[8]。通过控制灌水量可有效避免灌水过量，减少水分下渗。而土壤蒸发和植物蒸腾受设施内小气候环境的影响[1]。在众多环境因子中，光照是影响植物蒸腾和土壤蒸发的重要环境因子，也是能够极易准确、稳定监测的环境因子。为简化灌水控制策略，很多研究重点关注太阳辐射累积量与植物需水规律、土壤/基质蒸发量的关系[10]，已证实太阳辐射累积量与温室作物耗水量之间呈显著正相关[11-13]。基于辐射累积量的灌溉策略控制逻辑简单，多用于持水能力较差的设施基质栽培，但对于不同类型基质，推荐的太阳辐射累积量设定值也存在较大差异[13-14]，并不能直接用于土壤栽培。中国蔬菜设施仍以土壤栽培为主，若能明确适合土壤栽培的太阳辐射累积量设定值，将可以大幅降低设施规模化生产中的灌溉控制成本和劳动力投入。

蔬菜栽培设施主要分布在黄淮海及环渤海、西北及长江中下游等地区，各地区土壤质地差异明显，其中，以壤土、黏壤土和砂壤土较为适宜。黄瓜是中国设施栽培面积最大的蔬菜之一，对土壤水分较为敏感[15-17]。基于此，本文确定在壤土、黏壤土和砂壤土3 种典型土壤质地下，研究基于太阳辐射累积量的灌溉策略对日光温室黄瓜植株生长、产量、灌溉水分利用效率和品质的影响，以期为不同质地土壤下设施黄瓜高产或优质栽培提供简单实用的灌溉策略。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验在北京市昌平区南口镇中国农科院南口中试基地的日光温室（116°6′E，40°13′N）中进行。温室长100 m，跨度8 m，前屋面为防水无滴膜覆盖，后墙为砖墙。供试材料为黄瓜‘中农26’（中蔬种业科技（北京）有限公司）。

1.2 试验设计

试验设置3 种质地的土壤，分别为壤土（R）、黏壤土（N）和砂壤土（S），物理性质详见表1。灌溉控制逻辑是当太阳辐射累积量累计至设定值时开始灌溉，同时控制系统中太阳辐射累积量数值清零，重新开始累计，一直循环执行。为获得设施黄瓜高产，推荐控制结果期土壤含水率维持在田间持水量的70%～90%[18-19]。在此基础上，开展了不同质地土壤下以田间持水量的70%作为灌水下限、田间持水量的90%作为灌水上限对温室黄瓜产量和品质影响的预试验，统计不同质地土壤下相邻两次灌水之间植株冠层处太阳辐射累积值，发现变化范围为15～25 MJ/m2。故本试验在同一质地土壤下设计了15、20 和25 MJ/m2共3 个辐射累积量梯度。因此，设置R15、R20、R25、N15、N20、N25、S15、S20、S25共9 个处理。各处理单次灌水量详见表2，具体计算如下：

表1 试验土壤的物理性质Table 1 Soil physical characteristics

表2 各处理单次灌水量Table 2 Each irrigation amount of all treatmentsmm

式中I为以25 MJ/m2作为灌水起始点时单次灌水量，mm；QFC为田间持水量，%；BD为土壤容重，g/cm3；s为计划湿润面积，取值为0.071 m2；h为计划湿润深度，取值为0.24 m。为保持同一质地土壤下累积相同太阳辐射量时各处理的总灌水量一致，以15、20 MJ/m2作为灌水起始点时对应单次灌水量分别为0.6I、0.8I。

试验于2021 年8 月2 日催芽，3 日播种。采用盆栽，规格为30 cm×30 cm（直径×高度），8 月20 日将黄瓜幼苗定植，单行栽培，每行种植17 株。行间距为1.3 m，株间距为0.3 m，栽培密度为2.57 株/m2。试验为随机区组设计，每处理3 个重复，每个小区面积6.6 m2（宽1.3 m×长5.1 m）。根据黄瓜的生育特点，将生长期划分为苗期（8 月21 日—9 月30 日）、初花期（10 月1 日—10 月10 日）和结瓜期（10 月11 日—12 月23 日）。采用压力补偿式滴灌管进行灌溉，每行布置一根，相邻滴头间距为30 cm，流量为1.6 L/h。为保证幼苗成活，定植后同一质地土壤灌溉同量的定植水和缓苗水。开始不同灌溉策略处理的时间为10 月11 日，拉秧时间为12 月24 日。整个生育期N、P2O5和K2O 分别施用337.5、246.0 和472.5 kg/hm2。各处理的其他栽培管理措施均保持一致。

1.3 测定方法

1.3.1 环境数据监测和灌水量测定

在试验区的中心区域，距植株冠层位置高20 cm 处安装太阳辐射传感器（ZZ-LRS-TSR-485 光电式，北京棠华科技有限公司）和温湿度计（RC-4HA/C，精度：温度为0.1 °C，湿度为3% RH，江苏精创电气股份有限公司），传感器位置随着植株生长不断调整。每个处理安装了1 台数字水表（SM-10，精度0.000 01 m3，南京水门电子有限公司）在线记录灌水量。所有数据均每5 min记录1 次。

1.3.2 植株生长指标测定

各处理随机选择至少3 株，在晴天08:30—11:30，采用CIRAS-3 便携式光合仪（PP System，美国）对从上往下数第6 片功能叶的光合速率进行测定，测定条件为：光强800 μmoL/(m2·s)，CO2浓度400 μmoL/moL。随机选择至少6 株，从上往下数第7 至第9 片叶，对其叶面积进行测定求和，对第7 至第9 节的节间距进行测定取平均，测定日期为2021 年10 月14 日和11 月22 日。采用氯化三苯基四氮唑法测定根系活力[20]，取样日期为12 月1 日。在拉秧前测定株高和节间数，测定日期为12 月23 日。

1.3.3 产量和灌溉水分利用效率

开始不同灌水策略处理后，每行标记7 株植株对其产量进行统计。灌溉水分利用效率计算为

式中IWUE为灌溉水分利用效率，kg/m3；Y为单位面积产量，kg/m2；Itotal为总灌水量，mm。

1.3.4 品质测定

于2021 年10 月27 日选取同日开花节位作标记，11 月5 日摘瓜用于品质测定。可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定；维生素C 含量采用2,6-2 氯酚靛酚比色法测定；硝酸盐含量采用水杨酸-浓硫酸比色法测定[20]。

1.3.5 数据分析

采用SPSS 19 统计分析软件（version 19.0，IBM，USA）进行方差分析，多重比较采用Tukey 检验。

2 结果与分析

2.1 温室内主要气象因子变化

饱和水汽压差（vapor pressure deficit，VPD）是综合反映空气温湿度的指标。从图1 可以看出，植株冠层太阳辐射日累积量变化范围为0.18～11.87 MJ/(m2·d)，白天VPD 平均值变化范围为0.11～3.75 kPa，VPD 与太阳辐射日累积量的变化趋势基本一致。

图1 温室内太阳辐射日累积量和白天饱和水汽压差平均值Fig.1 Daily solar radiation and average vapor pressure deficit(VPD) during daytime in the greenhouse

不同地域光照条件存在明显差异，而进入温室的太阳辐射量会影响内部温、热环境，从而影响作物生长发育和产量积累。由图2 可知，试验期间温室内气温变化范围为7.5～44.4 °C，气温平均值变化范围为11.5～25.6 °C。秋冬季节设施蔬菜常会遭受低温弱光的逆境胁迫，温室内气温若低于12 ℃则会导致黄瓜生理代谢活动严重失调[21]。夜间低于12 °C 的天数统计有35 d，除了11 月6 日至9 日连续4 d 外，其他低温天气主要出现在拉秧前30 d。

图2 温室内最高、最低和平均空气温度日变化Fig.2 Diurnal variation of maximum, minimum and average air temperatures in the greenhouse

2.2 光合速率、叶面积和节间距

基于辐射累积量的灌溉策略对不同土壤质地温室黄瓜植株光合速率、叶面积和节间距的影响如表3 所示。分析光合速率2 次的测定结果，土壤质地对叶片光合速率没有产生显著影响（P＞0.05）。而在结瓜初期（10 月14 日）不同灌溉策略对光合速率产生了显著影响，以25 MJ/m2作为灌水起始点时叶片光合速率最大，以20 MJ/m2作为灌水起始点次之，以15 MJ/m2作为灌水起始点时最小。在结瓜盛期（11 月22 日）不同灌溉策略未对光合速率产生显著影响（P＞0.05）。在整个结瓜期土壤质地和灌溉策略交互对光合速率产生了显著影响（P＜0.05）。

表3 不同灌溉策略下温室秋冬茬黄瓜光合速率、叶面积和节间距Table 3 Photosynthetic rate, leaf area and internodal distance of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

土壤质地和基于辐射累积量的灌溉策略二者均对黄瓜植株的叶面积和节间距产生了显著影响 。对于壤土、黏壤土和砂壤土，R25、N25和S25处理下叶面积和节间距分别在同一质地处理中数值较大，而以R15、N15和S15处理下叶面积和节间距最小，表明不论哪种土壤质地，以25 MJ/m2作为灌水起始点有利于黄瓜植株生长。

比较R25、N25和S25，发现R25处理下叶面积比N25、S25分别高16.1%～35.6%、21.1%～24.6%；R25处理下节间距比N25、S25分别高5.4%～16.3%、-4.8%～18.1%（10 月14 日数据R25和S25处理间无显著差异，P＞0.05），表明以25 MJ/m2作为灌水起始点时壤土较黏壤土和砂壤土更有利于黄瓜植株叶片伸展。

2.3 株高和节间数

基于辐射累积量的灌溉策略对不同土壤质地温室黄瓜植株株高的影响如图3a 所示。对于壤土、黏壤土和砂壤土，R25、N25和S25处理下植株株高在同一土壤质地处理中数值最大。对于壤土，R25处理下株高较R15和R20分别高32.2%和22.2%；对于黏壤土，N25处理下株高较N15和N20分别高24.7%和20.1%；对于砂壤土，S25处理下株高较S15和S20分别高23.4%和30.9%。在相同的灌溉策略下，在以15 MJ/m 作为灌水起始点时，3 种土壤质地下植株株高无显著差异（P＞0.05）。在以20 MJ/m2作为灌水起始点时，壤土和黏壤土下植株株高略高于砂壤土；在以25 MJ/m2作为灌水起始点时，壤土下植株株高显著高于砂壤土（P＜0.05）。

图3 不同灌溉策略下日光温室秋冬茬黄瓜株高及节间数Fig.3 Plant height and number of internode of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

基于辐射累积量的灌溉策略对不同土壤质地温室黄瓜植株节间数的影响如图3b 所示。对于壤土、黏壤土和砂壤土，R25、N25和S25处理下植株节间数在同一土壤质地处理中数值最大。对于壤土，R25处理下节间数较R15和R20分别高17.4%和9.9%；对于黏壤土，N25处理下节间数较N15和N20分别高11.2%和11.4%；对于砂壤土，S25处理下节间数较S15和S20分别高7.7%和14.8%。在相同的灌溉策略下，以20、25 MJ/m2作为灌水起始点时，壤土和黏壤土下植株节间数略高于砂壤土。

2.4 根系活力

基于辐射累积量的灌溉策略对不同土壤质地温室黄瓜植株根系活力的影响如图4 所示。对于壤土，R25处理下根系活力较R15和R20分别高35.9%和46.3%；对于黏壤土，N25和N20处理下根系活力分别比N15高28.1%和35.0%；对于砂壤土，S25处理下根系活力比S15和S20分别低14.2%和26.8%。在相同的灌溉策略下，以15 MJ/m2作为灌水起始点时，砂壤土下植株根系活力显著高于黏壤土和壤土（P＞0.05）；以20 MJ/m2作为灌水起始点时，砂壤土下植株根系活力最大，黏壤土次之，壤土最低；而以25 MJ/m2作为灌水起始点时，3 种土壤质地下植株根系活力无显著差异（P＞0.05）。以上结果表明土壤质地和灌溉策略交互会影响黄瓜植株的根系活力，其中，砂壤土更有利于提高根系活力。

图4 不同灌溉策略下日光温室秋冬茬黄瓜根系活力Fig.4 Root activity of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

2.5 坐瓜数、产量和灌溉水分利用效率

在本试验设计中，相同设施光环境下，同一质地土壤累积相同的太阳辐射量时各处理总灌水量基本保持一致。对于壤土、黏壤土和砂壤土，各处理间坐瓜数、总产量以及灌溉水分利用效率均无显著差异（P＞0.05，表4）。

表4 不同灌溉策略下温室秋冬茬黄瓜坐瓜数、产量和灌溉水分利用效率Table 4 Number of cucumber, yield and irrigation water use efficiency of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

2.6 品 质

基于辐射累积量的灌溉策略对不同土壤质地温室黄瓜品质的影响如表5 所示。对于可溶性蛋白，在壤土、黏壤土和砂壤土下，各水分处理间无显著差异（P＞0.05）。对于可溶性糖，壤土下R15处理最高；而黏壤土和砂壤土下，以15、 20 MJ/m2作为灌水起始点时可溶性糖含量较高，且二者无显著差异（P＞0.05）。对于维生素C，在壤土、黏壤土和砂壤土下，均以20、25 MJ/m2作为灌水起始点时维生素C 含量较高，且二者无显著差异（P＞0.05）。对于硝酸盐，在壤土和黏壤土下，均以20、25 MJ/m2作为灌水起始点时硝酸盐含量较低，且二者无显著差异（P＞0.05）；在砂壤土下，S15和S20处理下硝酸盐含量较低。

表5 不同灌溉策略下温室秋冬茬黄瓜品质Table 5 Fruit quality of autumn-winter cucumber under the different irrigation strategies in the greenhouse

3 讨 论

3.1 土壤质地和灌溉策略交互对黄瓜产量的影响

黄瓜是喜水且受灌水量影响较大的蔬菜，增加灌水量能够显著提高黄瓜产量[15]。本试验中同一质地土壤下基本一致的灌水总量可能是导致各水分处理间黄瓜产量无显著差异的主要原因。在结瓜期开始水分处理，基于辐射累积量的灌溉策略产生了“高频少量”和“低频多量”的灌溉效果。以15、20 和25 MJ/m2作为灌水起始点引起的总灌水次数分别为21、26 和35。但产量并未受灌溉频率的影响，与前人研究关于黄瓜产量不受灌水频率影响的结果一致[22-23]。但也有报道称相同灌水量下增加灌水频率会造成减产[24-25]或增产[26]等不同的结果，推测研究结果产生差异的原因是由灌水量、温光条件和茬口不同共同引起的。无论壤土、黏壤土，还是砂壤土，在低频多量的灌溉策略（以25 MJ/m2作为灌水起始点）下黄瓜植株光合速率、叶面积、株高和节间数高于其他灌水处理（表3、图3），有利于黄瓜结瓜期植株生长。

3.2 土壤质地和灌溉策略交互对灌水量和水分利用效率的影响

由于以25 MJ/m2作为灌水起始点时黄瓜植株长势较优，统计试验期间植株冠层太阳辐射量发现，达到25 MJ/m2累积值对应需2～5 d，不同质地土壤单次灌溉量为2.77～3.56 mm。杨冬艳等[25]推荐宁夏日光温室秋冬茬黄瓜结瓜期灌水间隔为7 d，灌水量为10.5 mm。王艳等[26]推荐天津滨海日光温室春茬黄瓜灌水定额12 mm，灌水间隔为3 d，IWUE为25.7 kg/m3。毋海梅等[27]推荐以20 cm 标准蒸发皿的累积水面蒸发量作为灌水依据，获得玻璃温室秋冬茬黄瓜生长中期蒸发蒸腾量为2.47～3.85 mm/d，平均灌水间隔为4～5 d，IWUE为32.5 kg/m3。比较折算后的日平均灌水量，发现本试验的数值大小在其他研究结果的范围之内。但本试验栽培密度是实际生产中的近1/2，导致产量和IWUE明显低于其他研究。同时，试验期间由于11 月6 日开始连续4 d 出现了夜间低于12 ℃的环境温度，白天最高温度15.6～20.5 ℃范围内，连续的低温弱光天气导致各处理黄瓜产量有所减少。11 月20 日至拉秧（12 月24 日）期间，随着日平均气温整体降低，收获间隔时间也由之前的2～3 d 延长至4～5 d，进一步导致IWUE降低。

3.3 土壤质地和灌溉策略交互对黄瓜品质的影响

在相同的土壤质地下，虽然整体灌水量保持一致，但高频少量的灌溉策略容易造成土壤湿润面积小，受太阳辐射直接照射影响会增加表面无效蒸发，植株实际获取到的水分可能会有所减少，尽管试验处理未对产量产生影响，但植株生长确实受到了影响，以25 MJ/m2辐射累积量作为灌水起始点处理下长势最优（表3）。因此，推测以15、20 MJ/m2作为灌水起始点的处理下植株实际获取的水量可能有所减少。而灌水量减少会降低水分从木质部向果实的运输，提高果实可溶性糖含量[28]。故在以15、20 MJ/m2作为灌水起始点的处理下果实可溶性糖含量略高于以25 MJ/m2作为灌水起始点的处理。土壤质地并没有对维生素C、可溶性糖、可溶性蛋白含量产生显著影响，而基于辐射累积量的灌溉策略则对各指标影响显著，以20 MJ/m2作为灌水起始点的处理下果实可溶性糖和维生素C 含量最高，硝酸盐含量最低，品质最优（表5），表明相同灌水量下通过优化灌溉频率可以改善果实品质。

4 结 论

为简化设施灌溉策略，本研究探讨了基于太阳辐射累积量作为灌水起始点的灌溉策略对黄瓜植株生长、产量和品质的影响，明确了典型土壤质地（壤土、黏壤土和砂壤土）下温室秋冬茬黄瓜栽培的灌溉参数，得出以下结论：

1）在栽培密度为2.57 株/m2下，对于壤土、黏壤土和砂壤土下温室秋冬茬黄瓜栽培，以25 MJ/m2的太阳辐射累积量作为灌水起始点，分别对应单次3.22、3.56 和2.77 mm 的灌水量，有利于植株获得更大的光合速率、叶面积、株高和节间数，可以作为日光温室秋冬茬黄瓜结瓜期的灌溉参数。但同一质地土壤相同总灌溉量下基于辐射累积量的灌溉策略并未对产量产生显著影响。

2）对于壤土、黏壤土和砂壤土下温室秋冬茬黄瓜优质栽培，建议设置以20 MJ/m2的太阳辐射累积量作为灌水起始点，分别对应单次2.59、2.85 和2.22 mm 的灌水量作为灌水参数。

在后续研究中，还需对不同地区的设施、蔬菜种类、栽培茬口以及实际栽培密度下的应用效果进行验证，通过适当调整灌溉参数不断优化设施灌溉控制策略。