不同水势对温室水果黄瓜产量和水分利用效率的影响

汤 昀，林 琭，闫万丽，籍增顺

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

设施蔬菜生产在我国发展很快，现如今我国已成为世界上设施栽培面积最大的国家[1]。由于受到传统管理经验的影响，设施内盲目过量灌水的现象十分普遍[2]。水分过量投入不仅会浪费水资源、降低水分利用效率，而且还会增大设施内湿度，导致病虫害发生[3]，使作物品质下降，进而引起生态环境恶化和产品安全等一系列问题；而水分投入过少则会使作物受到干旱胁迫，造成作物减产，从而降低产量，影响生产的经济效益。因此，通过对不同水分条件下作物生长规律的研究，可以确定适宜的灌溉量，以实现设施作物的精准灌溉，改善设施内作物的高湿环境，减轻作物的病害，以达到在节约水资源同时提高作物的产量和品质[4]。

水果黄瓜属于浅根性植物，对深层土壤的水分吸收能力差，其显著特点是需水量大、对水分敏感、不耐旱[5]。另外，水果黄瓜是近年来发展起来的设施蔬菜栽培主要作物之一，且具有广阔的市场前景。因此，选择水果黄瓜作为研究材料既适合水分研究，又可以更好地指导生产。

国内外大量研究水分胁迫对作物影响的报道都是以相对含水率为指标[6-8]。而相对含水率的大小与土壤类型有关，使得相关研究结果在应用时有一定的局限性。水势则与土壤类型无关，含有相同水势的不同类型土壤对作物的水分有效性相同，因此，以水势为指标指导实践更具有普遍适用性。

本试验以水势为指标，通过定量研究不同水势条件对温室水果黄瓜产量及其形成的基础（净光合速率和叶面积指数）、外观指标（株高、茎粗和叶片数）和水分利用效率的影响，以期为温室水果黄瓜生产中实现精准灌溉提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2014年3—6月在山西省农业科学院东阳试验示范基地（山西省晋中市榆次区东阳镇）的日光温室内进行。温室东西走向，长60m，跨度8.5m，脊高4m，后墙高2.8m。温室前屋面为不锈钢钢架结构，覆盖无滴聚氯乙烯薄膜。低温期（4月底前的18：00至翌日8：00）覆盖保温被保温，高温期（5月初至试验结束的 12：00—14：30）通过外覆盖聚乙烯遮阳网（遮光率为60%）降温。日光温室常规育苗，待植株第3片真叶完全展开时定植。试验采用基质盆栽，每盆种植1株，摆放密度为3.6株/m2。盆钵尺寸：盆口直径30 cm，盆底直径20 cm，盆高23 cm。基质配比为草炭∶珍珠岩∶腐熟牛粪＝3∶1∶1（体积比），速效氮为0.5%，速效磷为1.0%，速效钾为0.6%，有机质含量为33.9%，pH值为7.46。

1.2 试验材料

供试材料为水果黄瓜，品种为中农29号。

1.3 试验设计

试验于2014年3—6月进行，3月14日定植，4月15日开花（第1～9叶位的花芽抹掉，第10叶位以上每隔一个叶位留一朵花），花后7 d（3月28日）开始进行水分处理，6月17日试验结束。共设9个水分处理，即水势分别为：T1.-5 kPa＜SWP≤0 kPa；T2.-10 kPa＜SWP≤-5 kPa；T3.-15 kPa＜SWP≤-10 kPa；T4.-20 kPa＜SWP≤-15 kPa；T5.-25 kPa＜SWP≤-20 kPa；T6.-30 kPa＜SWP≤-25 kPa；T7.-35 kPa＜SWP≤-30 kPa；T8.-40 kPa＜SWP≤-35 kPa；T9.-45 kPa≤SWP≤-40 kPa，每处理 38株，随机区组设计，3次重复。

通过基质水分特征曲线（图1），将基质水势转化成基质质量相对含水率（%），采用称重法监控水势。水分处理期间，使各处理的基质水势维持在其设定的范围之内，当水势降到处理下限时，补水至该处理的上限。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 基质水分特征曲线的测定 由于水果黄瓜的根系主要集中在土壤或基质下0～20 cm范围内，本研究采用负压式土壤张力计（TEN30）在盆栽基质下10 cm处测定不同质量相对含水率下的水势，得到基质水分特征曲线（图1），用下面公式描述。

式中，SWP为基质水势（-kPa）；SMC 为基质的质量相对含水率（%）。

1.4.2 叶片净光合速率的测定 水分处理21 d后开始进行叶片净光合速率的测定。使用美国LI-COR公司生产的LI-6400XT便携式光合作用测定系统，将叶室内的光合有效辐射和参比室的CO2浓度均设定为测定时的外界环境水平（PARi＝1 000μmol/（m2·s），Cr＝420μmol/mol），测定相同光强和CO2浓度、不同水势（不同处理）下叶片的净光合速率（Pn，μmol/（m2·s）），数据稳定后记录。选择完全晴朗天气的8：30—11：30进行测定，每处理测定3个重复，测定叶片为每个处理中随机选取的3张最新完全展开的健康功能叶（倒5叶）。

1.4.3 叶面积指数的计算 各处理随机选取3株黄瓜，测量其各叶位的主叶脉长度并记录，然后用已知单位质量的A4纸拓出叶片形状，用剪刀剪下，测量其质量并记录。由叶形纸称质量数据和叶长数据，可得出单叶叶面积（LA）与叶长平方（LL2）的关系（图2）。

本研究所选试材中农29号的单叶叶面积（LA）可通过公式LA＝0.828 2LL2计算得到。则叶面积指数（LAI）＝LA×d/10 000，其中，d为种植密度；10 000为从cm2到m2的单位换算系数。

1.4.4 外观指标的测定 水分处理开始后，在每个处理中随机选取3株长势均衡的植株作为观测株，每7 d左右用钢尺和游标卡尺测定株高和茎秆直径（距株顶5 cm、茎秆中部和距植株基部5 cm共3处测值的平均值），用直尺测量叶长（叶主脉长度），用计数法记录黄瓜叶片数。

1.4.5 产量的测定 黄瓜单株产量在观测株摘瓜当日用电子天平（感量0.01 g）记录，以实际测得的各处理产量数据总和计为总产量。

1.4.6 水分利用效率的计算 水分利用效率（kg/m3）＝产量（kg/hm2）/灌溉量（m3/hm2）；其中，灌溉量＝每盆应浇水量×盆数，每盆应浇水量由基质水分特征曲线算得。

1.5 数据统计分析

数据采用Excel2003绘图，用SPSS 18.0进行方差分析及差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同水势条件对温室水果黄瓜叶片净光合速率的影响

净光合速率（Pn）随基质水势（SWP）的变化如图3所示。当-10 kPa＜SWP≤0kPa（T1和T2处理）时，Pn保持最大值（17.04μmol/（m2·s））；当-15 kPa＜SWP≤-10 kPa（T3处理）时，Pn显著降低到最大值的80.9%（13.80μmol/（m2·s））；当-35 kPa＜SWP≤-30 kPa（T7处理）时，Pn降到5.60μmol/（m2·s）（下降到最大值的32.9%），之后无显著变化。

2.2 不同水势条件对温室水果黄瓜叶面积指数的影响

从图4可以看出，在黄瓜的整个生育期内，T1～T5处理均随着生育期的延长，叶面积指数在不断增加，而T6～T9处理在后期的增加幅度不明显。在整个生育期内，T1处理的叶面积指数始终为最大值，最终达到3.55；其次为T2处理，最终达到3.30，但T1与T2处理之间无显著性差异。这表现为在其各自所保持的水势范围内，水势范围越高，即灌水量越大，最终的叶面积指数也越大，但从T6处理（-25 kPa＜SWP≤-30 kPa）开始，植株明显受到了干旱胁迫，植株的生长受到了抑制，叶面积指数增长缓慢甚至停止。

2.3 不同水势条件对温室水果黄瓜外观指标的影响

2.3.1 对株高和茎粗的影响 从图5可以看出，各处理下黄瓜的株高均随着生育期的延长而增加，T1～T5处理的增加趋势基本相似，T1处理有徒长的趋势，T7～T9处理在开花后期植株的生长受到了明显的抑制，增高的幅度不大。在整个生育期内，T1处理的株高最高（265.43 cm），其次为T2处理（253.07 cm），最小的为 T9处理（109.70 cm）。说明水势越高，即灌水量越大，土壤就越湿润，株高也就越大。

由图6可知，各处理下黄瓜在株高增加的同时茎粗也在增加，二者总体增加趋势相似。但T2处理的茎粗与T1处理间无显著性差异，且略高于T1处理，这说明水势过高可以使株高增加，但却使茎粗这一指标相对减少，而适当降低水势使株高相对降低，但会在茎粗方面得到补偿。

2.3.2 对单株叶片数的影响 由图7可知，各处理下黄瓜单株叶片数均随着生育期的延长而增加，且与株高的增加趋势相似。T1处理单株叶片数最多，最多达到50片；T9处理最小，仅为25片。说明水势范围越高，即灌水量越大，单株叶片数也越多。

2.4 不同水势条件对温室水果黄瓜产量的影响

2.4.1 对单株产量的影响 从图8可以看出，在黄瓜整个生育期内浇水量的多少决定了单株产量的大小，总体趋势为浇水量越多，单株产量越大。但是T1和T2处理例外，T2处理的黄瓜单株产量最高，达到了702.47 g，其次是T1处理，产量为676.89 g，但二者之间并无显著性差异。由图5可知，T1处理的株高最高，说明T1处理下（最大的浇水量）并没有使光合产物积累在果实里，而是使黄瓜植株发生了徒长。

2.4.2 对各处理总产量及水分利用效率的影响

由表1可知，在不同水势条件下，各处理的总产量与单株产量的变化趋势保持一致，也是T2处理最高，达到44 630.13 kg/hm2，T1处理的总产量比T2处理少3 473.58 kg/hm2，而T1处理的灌水量是T2处理的1.54倍，由此得知，灌水量并非越多越好。结合外观指标的分析可知，T1处理在较大的灌水量下已经使植株产生徒长现象，这不仅增加了生产成本而且对水资源也是极大的浪费。T2处理之后的其他处理总产量越来越少，T9处理的总产量仅为3 463.18 kg/hm2，不到T2处理的8%，可见T9处理使植株受到了重度水分胁迫。水分利用效率的变化呈现出从T1处理到T2处理增大，之后逐渐减小，到T6处理达到极小值（31.67 kg/m3），然后又逐渐增大的规律。由此可以看出，T1处理的产量低于T2处理，但是灌水量却远大于T2处理，因此，T1处理的水分利用效率比T2处理低39.98%；T2处理之后的T3～T6处理产量减少的量要比灌溉量减少的多，所以，水分利用效率呈逐渐下降的趋势；然而从T7处理开始，灌溉量减少的量要比产量减少的多，因此，水分利用效率逐渐增大。

表1 不同水势对水果黄瓜水分利用效率的影响

3 讨论

光合作用是植物干物质生产和产量形成的重要生理过程。水分是植物光合作用的原料，直接影响绿色器官的光合作用。植物光合作用对水分胁迫十分敏感，当作物存在水分胁迫时，叶片光合速率下降[9-10]。柏成寿等[11]通过对番茄幼苗的研究认为，当水势在-4～-16 kPa范围变化时，番茄叶片的净光合速率变化不明显，但当土壤水势小于-16 kPa时，净光合速率显著下降，因此，确定-16 kPa为番茄幼苗的下限水势。Perry等研究报道，中午棉花叶片水势由-1.9MPa下降到-14MPa，至轻度水分亏缺时，棉叶的总光合和净光合基本保持不变。叶片水势进一步下降时，棉叶的总光合和净光合呈直线下降，水势每下降-0.1MPa时，光合速率下降1.2μmol（/m·2s）[12]。本研究结果表明，净光合速率在-45 kPa＜SWP≤-10 kPa的范围内随着水势的降低而减小，而在-10 kPa＜SWP≤0 kPa的范围内无显著变化，因此，-10 kPa是黄瓜产生水分胁迫的水势临界值，这与前人研究结果一致[12-14]。

叶片是植物进行光合作用、制造有机物的主要器官。植物叶面积指数的大小影响光合速率的高低，进而决定了产量的高低[15]。张雪梅等[14]在对“绿岭”核桃的研究中指出，在一定范围内，叶面积指数随着灌水量的减小而减小。张伟等[16]通过对不同灌水量下棉花冠层结构变化的研究中得出，水分越充足，棉花生长越快，叶面积指数也随之越大。李春霞[17]研究表明，水分胁迫会导致苹果树的新生叶数量显著减少，从而使其叶面积指数也随之减少。本研究表明，从 T6处理（-30 kPa＜SWP≤-25 kPa）开始，植株明显受到干旱胁迫，植株生长受到抑制，叶面积指数增长缓慢甚至不增长。

作物的节水灌溉应该主要考虑其产量及水分利用效率的问题，目前此方面的研究已有诸多报道。有学者分别在研究中指出植物的总产量随着需水量的增大呈现出先上升后下降的抛物线关系[18-20]。这与本试验结果一致，本试验的单株产量和总体产量均是在水势（-45 kPa＜SWP≤-5kPa）的范围内，产量一直为增大的趋势，T2处理达到最大值；水势范围增大到-5 kPa＜SWP≤0 kPa即T1处理时，产量反而降低，总体呈抛物线的关系。在水分利用效率方面，有学者对小麦和玉米的研究表明，总耗水量增加，水分利用效率随之下降[21-22]。此结果与本试验中T2～T6处理的结果一致。李怀平等[23]对温室黄瓜的研究表明，适当的减少灌水量，可以提高黄瓜的水分利用效率。而本试验中T1处理与T2处理的结果与其一致。本试验结果表明，T7～T9处理的水分利用效率逐渐增大，这可能是由于当灌水量降到T7处理的范围时，水分胁迫已经增大到一定程度，使得植株对水分产生了一种应激反应，故而使得水分利用效率反而增大。

有关学者通过不同水势条件下对独本菊的外观指标研究得出，在一定的水势范围内，独本菊的外观指标包括株高、茎粗和单株叶片数等均随着水势的降低增长速率减慢[24]，本研究也得出相同结论。巨龙等[21]对小麦进行研究表明，随着灌水量的增大，作物的外观指标如株高、茎粗等会增加，但当灌水量过大时，其产量反而会降低。本研究结果也表明，黄瓜的外观指标（株高、茎粗、叶片数）均随着土壤水势的增大而增大，但是产量却是T1＜T2处理，即土壤水势超过-5 kPa时，黄瓜的产量降低，其水分利用效率也随之降低。

综上所述，通过本试验各参数的研究结果表明，T2（-10 kPa＜SWP≤-5 kPa）是最佳的水势处理范围，既符合节约灌溉的理念，又使经济效益达到最大化。但是本试验只研究了开花后的黄瓜水势范围，开花前最佳水势范围还有待进一步研究。

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