基于称重式蒸渗仪的温室秋茬礼品西瓜 蒸散特征及影响因子

杨 宜，李银坤，陶虹蓉，郭文忠，李海平，李灵芝

(1.北京农业智能装备技术研究中心，北京100097；2.山西农业大学 园艺学院，山西 太谷 030801； 3.农业部都市农业(华北)重点实验室，北京100097)

0 引 言

近年来，礼品西瓜作为广受生产者和消费者喜爱的高档果品种类，在设施中的栽培面积不断扩大，但由于灌水和施肥的不合理施用，导致礼品西瓜出现裂瓜、畸形和延迟上市等问题，严重制约了礼品西瓜产业的发展[1]。

作物蒸散量又称需水量，是农业方面最重要的水分消耗途径，明确作物蒸散规律是建立合理灌溉制度的前提，对于发展节水农业具有十分重要的意义[2]。称重式蒸渗仪(Lysimeter)可以直接获取作物的蒸散量，且测量精度高、数据的连续性好，被广泛用来研究农田水分蒸散特征与作物耗水规律[3,4]。许高平(2014年)利用称重式蒸渗仪研究了华北地区夏玉米的耗水特征，明确了夏玉米的日耗水速率及其与气象因素的相关性[5]。张征宇等(2014年)基于蒸渗仪获取的实测蒸散量数据，并分析了冬小麦日蒸散量在全生育季节内的变化特征[6]。但上述研究均是基于称重式蒸渗仪技术对大田粮食作物的耗水规律探讨，利用称重式蒸渗仪研究温室作物精细蒸散特征的研究则极为少见，且由于温室内环境的相对密闭性，具有温湿度高、作物耗水强度大等特点，温室作物逐时蒸散量与主要环境因子的动态变化及其相互关系尚不明确。因此，本研究以温室礼品西瓜为研究对象，以直径20 cm的蒸发皿水面蒸发量为灌水依据，基于称重式蒸渗仪获取的蒸散量实测值研究了礼品西瓜精细耗水规律及其影响因素，为建立温室礼品西瓜科学的节水灌溉制度提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验在北京市农林科学院玻璃温室内进行。供试西瓜为小型西瓜，品种为“京秀”。 2017年8月12日选取约3叶1心的西瓜秧苗，移栽4株在称重式蒸渗仪上。保护行采用畦栽，每畦栽种两行，株距为0.45 m，行距0.4 m。温室内布置2个直径为20 cm的蒸发皿，以每日17∶30测定的水面蒸发量累积值乘以系数0.8作为灌水依据，灌水周期为7～10 d。分别选取2017年9月22日(阴天)和9月23日(晴天)两个典型天气分析西瓜的逐时蒸散规律，两典型日温度及生长指标相近。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 蒸散量

称重式蒸渗仪每h记录一次土柱重量(分辨率0.01 mm)，蒸散量的计算原理为：

T×A=(Wt-1-Wt)/ρ+I

(1)

式中：T为时间段内蒸散量，mm；A为蒸渗仪箱体的表面积，0.6 m2；Wt-1、Wt为t-1时刻和t时刻蒸渗仪箱体内土、水的质量，g；ρ为水的密度，1 g/cm3；I为时段内的灌水量，mm。

1.2.2 环境数据

利用小型气象站对温室内平均温度、相对湿度和太阳辐射等环境因子进行监测，采集间隔为1 d及1 h；在温室中央位置放置2个20 cm蒸发皿，取每日17∶30记录的两个蒸发皿蒸发量平均值为温室水面蒸发量。

2 结果与分析

2.1 温室内日均温湿度变化

秋茬礼品西瓜全生育期内的平均温度为22.28 ℃，其中在定植1～38 d(苗期和伸蔓期)内的温度变化相对稳定，日均温度稳定在25.61～31.86 ℃，但随着生育期的进一步延长，日均温度呈明显的下降趋势。温室内相对湿度在西瓜定植后38 d内(苗期与伸蔓期)呈小幅下降趋势，日均相对湿度变化范围为53.71%～88.10%；在定植33 d后相对湿度又呈逐渐上升趋势，变化幅度在70.3%～93.3%。

图1 温室礼品西瓜全生育期日均温度及相对湿度变化

2.2 温室秋茬西瓜逐时蒸散特征分析

晴天时秋茬礼品西瓜在晴天时的逐时蒸散量呈双峰曲线变化(图2)，峰值分别出现在11∶00和13∶00，峰值分别达0.14 mm/h和0.20 mm/h，而在00∶00-7∶00以及19∶00-24∶00时段内的蒸散量较低，变动幅度小，变化范围分别只有0.03～0.06 mm/h与0.03～0.07 mm/h。晴天的太阳辐射日变化与蒸散量变化特征相似，但呈单峰曲线，峰值出现在12∶00，峰值之后太阳辐射值下降明显，18∶00时已低至3.56 W/m2。阴天时礼品西瓜逐时蒸散量与太阳辐射均呈单峰曲线变化(图2)，峰值均出现在12∶00。峰值之后均呈缓慢下降趋势，至18∶00时下降至稳定状态。统计分析表明，晴天与阴天的西瓜日蒸散量均与对应的太阳辐射呈极显著的正相关关系[图3(a)和图3(b)]，R2在0.7以上(P<0.01)，说明太阳辐射是影响逐时蒸散量变化的关键因子。

图2 礼品西瓜不同天气日蒸散规律

图3 礼品西瓜逐时蒸散量与太阳辐射的关系

2.3 温室秋茬西瓜全生育期日蒸散动态分析

图4为秋茬西瓜全生育期内日蒸散量和累积蒸散量的动态变化。秋茬西瓜日蒸散量的变化幅度为0.41～2.35 mm，并随着生育期的推进，呈先升高后降低的变化趋势，其中日蒸散量在定植39 d(开花坐果期)时出现最高值(2.35 mm)，之后日蒸散量呈波动下降趋势。在定植80 d后，日蒸散量在0.93 mm左右波动。秋茬西瓜全生育期的累积蒸散量呈“S”型变化趋势，其中在西瓜定植1～31 d(苗期及伸蔓期)内的变化相对平缓，而在定植32～80 d(开花坐果期及果实膨大期)内的增加幅度较大，从定植81 d时(成熟期)累积蒸散量的增加又趋于平缓。温室秋茬西瓜在全生育期的累积蒸散量有114.79 mm，平均日蒸散量为1.11 mm。

图4 温室西瓜全生育期逐日及累积蒸散量变化

2.4 温室秋茬西瓜不同生育期蒸散特征分析

温室秋茬礼品西瓜在果实膨大期的蒸散量最高，然后依次为伸蔓期、开花坐果期、成熟期与苗期。其中开花坐果期的蒸散强度最大，可达1.34 mm/d，该期间的蒸散量可占全生育期蒸散量的37.68%。而果实膨大期与伸蔓期的蒸散量则占到全生育期蒸散量的65%以上。说明果实膨大期与伸蔓期是秋茬西瓜需水的关键阶段。西瓜在苗期的蒸散量及占全生育期蒸散量的比例均为最低，平均蒸散强度也只有1.04 mm/d。

表1 西瓜各生育阶段蒸散规律

2.5 温室西瓜日蒸散量与环境因子的相关性分析

如表2所示，温室内主要环境因子均与西瓜蒸散量具有显著的相关关系。其中相对湿度与蒸散量呈极显著负相关关系(P<0.01)，而光合有效辐射、太阳辐射、最高温度、最低温度以及平均温度等均与蒸散量呈极显著正相关关系(P<0.01)。在众多环境因子中，光合有效辐射、太阳辐射、饱和差、最高温度和相对湿度与西瓜日蒸散量的相关系数均在0.5以上，说明西瓜蒸散量受到上述环境因子的影响相对较大。

基于SPSS软件的西瓜蒸散量与各环境因子的线性逐步回归分析表明：光合有效辐射、太阳辐射和相对湿度是影响蒸散量最重要的环境因子。虽然饱和差与西瓜日蒸散量的相关系数也高达0.742(表2)，但在逐步回归中作为非主要变量被剔除，说明其并非影响蒸散量的决定因素。在上述分析的基础上，利用最小二乘法建立了基于温室主要环境因子(光合有效辐射、太阳辐射和相对湿度)估算秋茬西瓜蒸散量的经验模型[公式(2)]：

表2 各气象因子与西瓜蒸散量的相关系数

注：**表示在 0.01 水平上显著相关。

ET=0.819+0.016PAR-0.019Rs-0.005Rh

(2)

式中：ET为参考作物蒸散量，mm/d；PAR为光合有效辐射，W/m2；Rs为太阳辐射，W/m2；Rh为相对湿度，%。模型的检验结果如表3所示，其中经验模型的R2达0.706，精度较高。

表3 西瓜日蒸散量估算模型检验结果

3 结果与讨论

植株的蒸腾作用受到其自身生长状况与外界环境因子共同影响，定量的分析植株全生育期的蒸散规律，可为指导科学灌溉提供依据[7]。在本试验中，温室西瓜在苗期和伸蔓期以营养生长为主，且温室内温度较高，在此阶段地表蒸发以土壤蒸发为主；到开花结果期出现了日蒸散量峰值，为2.55 mm/d，此时植株由营养生长转向旺盛的生殖生长，西瓜叶面积的快速增长是该时期蒸散量增加的主要原因，郑健等[8]研究也认为，叶面积指数与日蒸散量相关性较高，是表征植株蒸腾速率的重要生理指标，进一步说明了西瓜在开花坐果期出现的需水高峰可能与西瓜的叶面积等生理指标有关；进入果实膨大期后，温室内温度持续降低，此时平均温度仅有18.29 ℃，比开花坐果期平均温度(25.53 ℃)低了7.24 ℃，这一时期西瓜的平均蒸散强度对比开花坐果期有所降低，仅为1.08 mm/d，许金香等[9]研究也表明，秋冬茬果菜的日蒸散量呈现先升高后逐渐降低的变化趋势，需水量在果实膨大期略低于开花结果期，温室内较低的平均温度无法满足西瓜正常生长，可能是引起日蒸散量逐渐降低的原因。

温室内环境因子如辐射、温度、相对湿度等外因决定了作物需水的潜势，与作物自身的蒸散特性共同影响着作物的蒸散量[10]。本试验中，太阳辐射及光合有效辐射均与西瓜日蒸散量具有较好的相关性，相关系数高达0.777和0.813，但平均温度与蒸散量的相关系数为仅为0.434，说明温度因素在本试验中与蒸散量的相关性不佳，这与刘浩[11]等和牛勇等[12]研究结论一致，由于生育后期全天温差较大，以日为尺度较难体现后期温度大幅度变化情况，可能会在计算时造成一定程度的误差。在不同典型天气条件下(晴天与阴天)，礼品西瓜逐时蒸散量在晴天呈双峰曲线变化，在阴天时呈单峰曲线变化，西瓜日蒸散量与太阳辐射的变化趋势一致，峰值出现时间也与基本相同，二者间呈极显著相关(R2均大于0.7)，进一步说明了太阳辐射是影响西瓜日蒸散量的关键因子。温室内相对湿度的大小也是影响温室西瓜需水量的重要因素，宝哲等[13]认为相对湿度是影响小型西瓜蒸散量的决定因子，本试验通过逐步回归分析得出，相对湿度与太阳辐射、光合有效辐射共同作为西瓜日蒸散量变化的主控因子，对西瓜日蒸散量的变化起到关键性作用，与宝哲等[13]研究一致。因此，本试验基于光合有效辐射、太阳辐射和相对湿度建立了西瓜日蒸散量经验模型(R2达0.706)，可用于秋茬礼品西瓜日蒸散量的估算。