青菜栽培盘质量与基质含水量的相关关系研究

李梅玲，张凯，尹彦霞，黄丹枫

（上海交通大学农业与生物学院，200240）

青菜属十字花科芸薹属芸薹种白菜亚种[Brassica campestris ssp.Chinensis （L.）]，原产于中国，又称小白菜、不结球白菜等，其质地鲜嫩、营养丰富，在蔬菜消费中占有重要地位[1]。青菜种植耗水量大，而水资源短缺是一个全球性的问题[2]，因此实现水分低消耗、蔬菜高产出是人们渴望的最终目标[3]。

影响蔬菜产量和品质的因素众多，土壤（基质）水分状况是影响植物气体交换、植物蒸腾速率和水分利用率的重要环境指标[4～6]。合理的基质含水量不仅可节约水资源，还可以提高作物的品质和产量；栽培气候也通过影响基质含水量变化间接影响作物生长状况。Doria等[7]研究发现，栽培地气候波动导致蒸腾蒸发量的变化影响作物对灌溉的需求，从而影响作物生长发育。霍海霞等[8]指出，环境的变化会导致水分对蔬菜生长发育的影响，往往与施肥、温度、空气湿度、光照等栽培条件有关，Nazeer等[9]在小麦对高温和渗透压下的反应一文中提到，温度过高导致土壤水分蒸发增多，加剧干旱，从而影响作物生长发育，因此，研究灌溉对蔬菜生长发育的影响不能脱离一定的环境条件。

我国设施蔬菜生产中水分管理缺乏科学的量化指标，依靠丰水高产型的经验灌溉，水分管理比较粗放[10]。精准灌溉作为精准农业的一个重要组成部分，不仅保护生态环境，而且最大限度地优化灌溉水用量，以获得最高产量和最大经济效益[11]。近年来智能精准灌溉技术研究颇多，很多技术应运而生，如智能化精准化灌溉设备[12]、无线传感器网络（WSN）技术[13]、物联网与 ZigBee 技术[14]等，以上技术仅依据监测基质（土壤）湿度通过计算机指导灌溉，很少将基质湿度与穴盘质量综合监测综合起来指导灌溉，其不足在于土壤（基质）湿度探头不稳定、穴盘孔穴深度不够、穴盘各穴孔间差异大等，影响灌溉效果，因此，利用盘质量辅助或代替基质湿度传感器监测基质含水量，有可能更加精确、方便地实现精准灌溉。本试验分别从基质水分、气候两方面探究盘质量对小青菜生长的直接、间接影响，旨在建立盘质量与基质含水量的相关关系，指导灌溉指标的确定，为精准灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区管理

试验于2012年11月5～26日在上海浦东新区大团镇多利农庄1号温室内进行。温室水分、温度、光照及生产管理均与1号棚内一致。试验期间温室内大气湿度波动幅度较大，白天最低湿度50%以上，晚上接近100%。阴雨天大气湿度波动较小，但湿度持续过高，且光照较弱。大气温度与基质温度之间呈现规律的周期性变化。整个生长期白天温度在13～23℃，夜晚温度在8～18℃。大气温度早晚温差在0.2～12.4℃，基质温度早晚温差在5～14℃。管理采用有机基质栽培，在小青菜生长期间不施用化肥和营养液，只适当补充水分。

1.2 供试材料

试验材料为小青菜，供试品种为青阳，采用200孔穴盘进行机器播种。育苗基质为园欣牌育苗基质，其养分配比为泥炭∶珍珠岩∶园艺蛭石=1∶1∶1（体积比），有机质含量50%，pH值5.6～6.5，腐殖质含量35%，N、P、K含量3%。有机肥占15%（质量比），其养分配比为有机质含量5%，N、P、K含量6%，有益菌含量5亿/g。

1.3 试验设计

试验设播种穴盘和未播种穴盘2个处理，4个区组 （按照温室位置从南到北依次分为N1、N2、N3、N4）。在播种穴盘和未播种穴盘内分别固定插入一个土壤水分传感器。将温度传感器插入播种穴盘监测基质温度，将农用通设定为30 min导出一次环境参数监测环境变化。农用通是北京旗硕科技公司研发的远程环境监测系统，可自动采集温度、湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数。数据通过无线方式接入互联网，用户能借助电脑或手机了解现场的环境参数。

1.4 指标测定与方法

盘质量每天7：30和16：30测定，基质湿度、大气湿度、基质温度、大气温度、光照强度采用农用通自动监测，每隔30min获得一次数据。基质含水量分别由基质相对水分含量和基质湿度表征，其测定方法不同，基质相对水分含量采用烘干法测定[15]，为质量比；基质相对湿度由农用通监测，为体积比。

1.5 数据分析

试验数据均采用SAS 9.1.3 Portable、WPS表格软件分析。

2 结果与分析

2.1 盘质量的日变化

图1-A可看出，整体上盘质量降低的趋势是晴天大于阴雨天，由图1-B可更直观地看出，12：00～14：00时段晴天与阴雨天盘质量减少量差异最大，这是由于此时段晴天光照和温度最强烈，蒸腾、蒸发作用强烈，故盘质量减少量最大。图1-B中14：00～16：00时段晴天、阴雨天盘质量减少量相同，其原因可能是晴天此时段室外光照降低，由于温室位置下午光照无法辐射至试验区，导致蒸腾蒸发量减少，而阴天虽然光照较弱，但密闭环境下温室内温度积聚导致温室内温度未明显降低，故出现两者盘质量减少量无差异情况。本试验结果表明，晴天、阴雨天白天盘质量减少量总和分别为0.148、0.082 kg，晴天蒸腾蒸发量是阴天的1.8倍。

图1 晴天、阴雨天盘质量日变化规律及盘质量减少量对比

2.2 基质相对湿度日变化

从图2中可看出，阴雨天基质相对湿度是一条趋于平行于坐标横轴的直线，基质相对湿度降低极缓慢，而晴天基质相对湿度降低极显著。结合图1可以看出，晴天、阴雨天基质含水量变化差异很大，因此在工厂化生产中其灌溉方式应分别对待，以适应作物生长需求。徐磊等[1]认为，晴天基质中含水量要高于阴天，有利于植物生长和干物质积累，阴天弱光下基质含水量较高会导致植株徒长形成弱苗，影响蔬菜产量、品质，因此，合理控制基质含水量对增产增收意义重大。

2.3 盘质量与基质水分含量相关关系

图3-A中播种处理穴盘质量与基质水分含量间线性相关系数为0.821 9，图3-B中未播种处理穴盘质量与基质水分含量线性相关系数为0.985 5，远大于0.70[16]，结果显示，两处理盘质量与基质水分含量间存在极显著线性相关，说明盘质量能够反映基质相对水分含量的变化，从而指导灌溉。对比图3-A与图3-B相关系数发现，播种穴盘质量与基质水分含量线性相关系数远低于未播种穴盘，说明除操作繁琐外，采用烘干法测得基质水分含量时基质中植物残留物对测定结果的影响不容忽视。

2.4 盘质量与基质相对湿度相关关系

图4-A中播种处理穴盘质量与基质相对湿度之间线性相关系数为0.977 3，图4-B中盘质量与基质相对湿度线性相关系数达到0.977 7，远大于0.70[16，两处理穴盘质量与基质相对湿度之间均具有极显著线性相关关系，说明用盘质量能够反映基质相对湿度的变化，进而指导灌溉。图4-A、图4-B相关系数一致，说明基质中残留的植物成分对测定结果的影响可以忽略。

图3 盘质量与基质水分含量间的相关关系

2.5 蒸发、蒸腾量与穴盘质量的相互关系

由图5-A可看出，播种穴盘质量的减少量大于未播种穴盘，这是由于播种穴盘中植物蒸腾作用所造成的；但两者无差异显著性（p=0.189 5）。图5-B结果显示，晴天、阴天盘质量减少量差异极显著（p=0.001），晴天盘质量减少量为阴雨天的2～8倍，晴天植物蒸腾和基质蒸发量远大于阴雨天，故在生产中，天气变化时灌溉措施也应分别调整，以适应植物生长需求。图5-C和图5-D分别为随机一个阴雨天及晴天盘质量减少量对比，分析结果显示，无论阴天（p=0.342 2）还是晴天（p=0.547 1）4 个区组盘质量减少量无显著性差异，这说明在温室条件下，不同区组穴盘质量减少量无显著性差异，但相同区组内，晴天、阴天盘质量减少量差异极显著。

3 结论与讨论

3.1 盘质量与基质含水量相关性分析

图3分析结果显示，盘质量与其基质水分含量之间有极显著的线性相关关系，可以用盘质量反映基质含水量的变化。基质水分含量由烘干法测定，该方法相对较精确，但烘干法测定基质含水量不仅操作繁琐、耗时长，不能实时指导灌溉，而且在采样过程中基质中会因残留一部分植物根系而影响测定结果。图3分析显示，播种盘质量及未播种盘质量与基质水分含量相关系数差异较大，说明在操作过程中残留根系导致测定结果存在较大的试验误差，故综合以上因素烘干法测基质相对含水量并不是指导精准灌溉最佳方法。

图4分析结果显示，无论是播种穴盘还是未播种穴盘质量与其基质相对湿度间均有极强的线性相关关系，可用盘质量反应基质湿度的变化。基质相对湿度由农用通测定，可实时监测基质相对湿度的变化，而且基质相对湿度与基质水分含量具有线性关系，准确性可靠。以下分别为播种处理（Y1）及未播种处理（Y2）基质相对湿度与基质水分含量之间的关系，

图4 盘质量与基质相对湿度间的相关关系

工厂化灌溉生产蔬菜是一个资本密集型的产业[17]，相对于基质水分含量的测定，采用农用通测定基质相对湿度具有快捷方便并可远程操作的优点，更加适于工厂化生产的灌溉管理。然而，农用通湿度传感器定点测定基质相对湿度代表性不强且价格昂贵，大面积工厂化栽培中单纯依靠农用通指示基质含水量需要多个传感器进行监测，成本太高。以上分析表明盘质量可作为指导灌溉的指标之一，结合盘质量变化和基质湿度变化作为灌溉的理论依据不仅能够准确、稳定实现灌溉管理，同时还能减少湿度传感器的应用使之更广泛地应用在不同生长期、作物、季节等栽培管理中。

3.2 盘质量标定方法的优化

图5-C和图5-D分析了播种和未播种处理间盘质量减少量的差异显著性，结果显示，无论是晴天还是阴天区组间盘质量减少量均无显著性差异，可不分位置统一灌溉量管理。有3种情况会导致这种结果，第一种情况是从南到北温室中光照强度无显著性差异，穴盘及基质的蒸腾蒸发量（ET）差异不明显，可造成以上结果[18]；第二种情况是4个区组光照差异显著，即苗床从南到北光照强度逐渐降低，ET逐渐降低，植物生长量逐渐降低，故盘质量减少无显著差异；第三种情况是忽略光照强度变化对ET和生长量的影响。人工灌溉如果南北不均也会影响试验结果，人工灌溉不均匀导致基质含水量差异巨大，影响植物生长，而工厂化生产采用机械灌溉相对人工灌溉更加均匀、统一，章鸥等[19]在研究不同基质含水量对花椰菜工厂化育苗的影响中采用自走式移动喷灌机进行灌溉，从而控制灌溉量和盘质量。在工厂化栽培中采用称重法测盘质量或盆质量作为灌溉指标的研究也越来越广泛[20，21]。本试验在王淑琴等[20]的基础上发现盘质量不仅与基质水分含量具有极显著的线性关系，还与基质相对湿度具有极显著的线性关系。盘质量作为灌溉指标操作复杂，以基质相对湿度变化反映盘质量变化可以实时准确的指导灌溉，可作为指导灌溉的辅助措施。另外，大面积工厂化栽培中基质相对湿度监测成本过高，因此要实现工厂化栽培的节约化、精准化还需要更进一步的研究，如利用机器视觉监测植物叶片颜色、叶片开展度、叶片温度等指导灌溉，要实现这一目标还需要大量的研究工作。

图5 穴盘质量日减少量对比

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