基于蒸腾量温室番茄水肥灌溉决策研究

高安琪，赵建贵，韦玉翡，白云飞，李志伟

（山西农业大学农业工程学院，山西太谷030801）

番茄自身含有的番茄红素、维生素A等营养物质对人体有益，且番茄口感良好，市场需求量较大，可以说是不可或缺的蔬菜之一[1]。在番茄种植过程中，水肥对番茄的生长发育、产量以及品质影响重大[2]。传统的大水大肥灌溉方式，很大程度上造成了水资源和肥料的浪费。为了改善这个现象，将环境因子与番茄生长发育相结合实现数字化管理，从而指导温室番茄高质高效生产。随着我国温室无土栽培模式应用的不断增加，合理的灌溉模式在很大程度上可以降低对水肥资源的浪费，同时也可以避免基质中盐分过多等缺陷，为提高番茄产量及品质等提供了重要保证。因此，科学灌溉方式对温室番茄水肥一体的研究有重大意义[3-5]。

作物的蒸腾过程对于作物水分和养分的吸收和转运有很重要的促进作用，不但可以使植物体的温度降低，并且对于植物进行光合作用以及干物质积累也非常重要[6]。蒸腾量是农田生态、农业气象等领域重要的一部分，同时也是作物耕作方式和灌溉量确定的重要因素。Penman-Monteith方法是目前最常用计算蒸发蒸腾量的方法，因为该方法的基础是能量平衡法和水汽扩散理论，并且考虑了作物不同的生理特征对于蒸腾可能产生的影响和空气动力学参数的变化情况，使得该方法的理论依据较为充分，计算精度较高[7-8]。国内学者研究发现，灌溉量与株高和茎直的生长有显著相关性[9]。番茄的株高和茎直可以很好地反映出环境对于作物生长发育的影响以及作物水肥盈缺情况，并且番茄株高和茎直的检测不会损害作物，影响作物生长。本研究番茄蒸腾量（ET0）采用Penman-Monteith模型确定，从而可以进一步确定番茄的参考需水量[10]。

本研究根据不同灌溉量对温室番茄株高和茎直的响应情况，通过番茄株高和茎直生长情况反馈温室番茄水肥的最佳灌溉模式，并且采用本质非线性与多元二次多项式回归，建立基于辐照累积、日平均温度和实际气压的株高和茎直模型，以期使水肥利用率达到最大化和极大改善作物生长不良的状况[11-12]。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为无限生长型欧美佳，其具有高抗TY病毒、强耐寒、低温弱光仍能正常彭果等优点，是北方秋延、越冬及早春的理想品种。

1.2 试验地概况

试验于2019年9月至2020年3月在山西省晋中市太谷县山西农业大学农业工程学院玻璃温室（东经112°34′，北纬37°25′）中进行。温室内具备加热系统（暖气管道加热系统、1个9 kW暖风机和2个3 kW暖风机）、滴灌系统（水肥一体机）、通风系统（通风天窗）。温室南北长12.8 m、宽9.6 m，东西共3跨，每跨跨度3 m，脊高5.5 m。

1.3 试验方法

试验由育苗公司进行育苗，2019年9月26日番茄处于4叶1心时定植，番茄栽培基质为椰糠，基质袋为100 cm×20 cm×10 cm外白内黑的PE材质的番茄专用基质袋。单蔓整枝，侧蔓和卷须均及时摘除，同时依据植株生长状况去除下部老叶。营养液使用韩国艾玛（AIMA）水溶肥，可以充分满足番茄作物生长发育所需要的所有大量元素和微量元素。2，4-D水稀释液对番茄花进行点花提高坐果率，宁南霉素、速利流体锌和四霉素按一定比例混合定期对番茄预防病毒，且定期对番茄喷叶面肥为番茄补充锌镁钙等微量元素。根据番茄生长发育周期分为幼苗期、开花期、结果期、采收期，其具体判断标准与时间阶段如表1所示。

表1 番茄生长发育期具体时间

温室内共设有10行栽培架，每行栽培架间的距离为1.5 m，每个栽培架长7 m、宽30 cm。每行栽培架置有7个基质袋，每个基质袋定植4株番茄，株距25 cm，共定植28株番茄苗。不同灌溉量均采用相同配比的营养液进行滴灌，每行设置3路滴箭管道，不同的试验每行分别设置滴箭管（直径为5 mm），滴箭之间的距离为25 cm，滴箭插入距离番茄根部20 mm左右的位置，深度为10 mm。为保证番茄幼苗的存活率，在番茄定植后3 d用清水浇灌，使基质完全湿润，根据作物蒸腾量（ET0）对不同生长发育时期和不同试验设计进行滴灌。

1.4 作物蒸腾量的确定与分析

参考作物蒸腾量（ET0）的确定对于确定番茄在生长发育过程中每天的需水量具有重要意义，该方法是目前最为常用和可靠的方法。本试验参考作物蒸腾量的确定是根据彭曼方程，其计算基于微气象学方法和能力平衡。

式中，ET0为参考作物蒸腾量（mm/d）；T为平均温度（℃）；U2为2 m高处风速（m/s）；Δ为饱和水汽压关系曲线斜率（kPa·℃）；ea为饱和水汽压（kPa）；eb为实际水汽压（kPa）；Rn为净辐射（MJ/（m2·d））；G为土壤热通量（MJ/（m2·d））；γ为湿度表常数（kPa/℃）。

本试验研究不同灌溉量条件下，番茄株高和茎直的变化状况。试验的自变量为水分，共设置3种单株灌溉量模式，即W1（100%ET0）、W2（80%ET0）、W3（60%ET0），如表2所示。

表2 不同试验的单株日灌溉量

1.5 测定方法及项目

试验是根据蒸腾量（ET0）来确定灌溉量，所以，需要测定温室内每天的最高温度（Tmax）、最低温度（Tmin）、平均温度（T）、风速（U）、光合有效辐射等环境信息。环境信息的采集通过采用山西农业大学微机测控团队自研发的无线多传感网络温室环境监测系统采集[13]。该系统每6 min采集一次数据，并存储于远程服务器中。

番茄株高和茎直的测量从开花期进行测量，每试验标记12株，每隔3 d测量一次。株高采用精度为0.1 cm的软尺测量从番茄基部到植株生长点的高度；番茄的茎直采用精度为0.01 mm的游标卡尺进行测量。

1.6 数据处理及统计分析

番茄株高和茎直的模型建立用SAS软件进行，采用origin 2019b软件对环境数据和番茄株高、茎直的试验数据进行统计计算分析以及作图。

2 结果与分析

2.1 作物蒸腾量（ET0）的动态规律分析

番茄ET0在结果期内2019年11月15日的动态变化如图1所示。ET0在一天之内有显著变化。由图1可知，在9：00—13：00的时间段内，光合有效辐射强度超过120 W/m2可计为实际日照时数，而其他时间段光合有效辐射强度小于120 W/m2，不计为实际日照时数。在一天内14：00温度达到最大值，此时ET0达到了最大值，为0.652 mm/h。由此可知，在不同天气环境下ET0具有差异性，分析每天ET0的变化对于灌溉量的确定具有重要意义。

试验番茄于2019年9月30日到2020年2月19日全生育期内温室中番茄蒸腾量（ET0）和平均温度的每日动态变化情况如图2、3所示。随着时间的推进和季节的变化作物蒸腾量（ET0）和日平均温度均整体呈逐渐降低的趋势，在苗期温室内ET0平均为2.768 9 mm/d，平均温度为19.63℃；开花期ET0平均为1.671 9 mm/d，平均温度为16.94℃；结果期ET0平均为1.271 9 mm/d，平均温度为15.42℃；采收期ET0平均为1.399 9 mm/d，平均温度为14.87℃。在苗期，环境温度和ET0均为整个生育期的最大值，在结果期ET0为整个生育期最低，在采收期平均温度为整个生育期最低。

2.2 番茄株高与茎直模型建立与分析

2.2.1 株高与茎直模型建立 光合有效辐射是植物生命活动、有机物质合成和产量形成的能量来源。在绿色植物的光合作用过程中，吸收的太阳辐射中的一部分光谱能量使叶绿素分子处于激发态。辐照积累对植物高度和茎直的生长有良好的促进作用。

式中，DTEP为光合有效辐射累积，简称辐照累积（W/m2）；PAR为光合有效辐射（W/m2）。

传统的Logistic模型所解释的植株生长过程是单纯的建立在时间基础上，从而忽略了地理位置不同和每日环境不同对植株生长所产生的影响[14]。因此，本试验用辐照累积（DTEP）模拟番茄株高的生长，同时结合温度、实际气压等对作物株高变化的影响建立本质非线性回归方程。

式中，H为番茄植株高度的预测值（cm）；P为实际气压（kPa）；T为一天内的平均温度（℃）；DTEP为辐照累积（MJ/m2）；α、K、m、β为方程的参数。

植物茎直的变化可以很好地反映番茄体内水分的变化，与环境因素有很好的相关性。通过对试验中辐照累积、温度的数据进行分析，发现其符合多元二次多项式回归方程。

式中，D为番茄茎直的预测值（mm）；C、Ψ、χ、δ、ε、φ为方程的参数。

2.2.2 番茄株高、茎直变化规律分析 随着生育期不断的推进，各处理下番茄的株高和茎直呈增加趋势，但不同处理下的生长率不同，株高和茎直的变化分别如图4、5所示。

由图4、5可知，在番茄全生育期中，处理W1、W2、W3株高的平均增长率分别为6.27%、6.34%和5.81%，茎直的平均增长率分别为2.75%、3.18%和2.74%。因此，不同的灌溉水平导致番茄植株高度和茎直产生了差异性，且平均生长率也不同。其中，W2处理的番茄植株高度和茎直均超过W1、W3处理，株高和茎直平均增长率也高于W1、W3处理，W1处理的番茄株高和茎直及其平均增长率次之，W3处理番茄植株高度和茎直均低于W1、W2处理，且番茄株高和茎直平均增长率最低。

2.2.3 株高和茎直模型参数确定 由试验可知，在80%ET0灌溉量时，番茄作物生长最佳。本研究拟合采用株高长势最好且增长率较好的处理水平W2全生育期的株高实测数据及温室的温度（T）、实际气压（P）、辐照累积（DTEP）拟合株高模型，其拟合的本质非线性回归方程中K值为263.2，m值为892.2，α值为-1 396.7，β值为-20。株高回归模型中的P值小于0.000 1，决定系数（R2）达到0.997 7，所以，非线性模型显著并且具有较高的拟合精度。

茎直模型的拟合采用本试验茎直最粗且增长率较好的处理水平W2全生育期茎直的实测值及温室的温度（T）、辐照累积（DTEP）。其拟合的多元二次多项式回归方程中c值为10.08，Ψ值为0.67，χ值为4.31，δ值为0.71，ε值为0.527，β值为-2.02。茎直的回归模型P值小于0.000 1，决定系数达（R2）达0.994 0，所以，多元二次多项式回归模型显著并且具有较高的拟合度。

3 讨论

温室番茄在无土栽培过程中，ET0动态变化显著，一日内不同时段ET0不尽相同，且每日ET0也均不同，所以，ET0的计算对于灌溉量的确定具有重要意义[15-17]。在光照达到120 W/m2的时间段越长，环境温度高时其蒸腾量（ET0）就越大，此时番茄的需水量也在增加；当光照时间不充足，且温度较低的环境下ET0会较低，此时番茄的需水量较少[18]。根据ET0的动态变化确定灌溉量可极大地提高水肥利用率，尽可能地避免因为水量高于番茄自身需求可能造成的番茄根部腐烂、徒长等问题及低于自身需水量会造成的抑制番茄植株生长的情况。通过动态调节使番茄始终处于最适的需水环境中[19-20]。

基质含水量是影响株高和茎直生长情况的关键因素，而基质含水量的直接影响因素就是灌溉模式和灌溉量。有学者研究结果表明，在番茄快速生长期，灌溉量过多或者过少都会影响番茄株高和茎直的增长[21]。在本试验中，最佳灌溉量为W2，此灌溉量下株高和茎直增长率均达到最大值[22]。灌溉量为W1时，高于最佳灌溉量，导致株高和茎直生长较为缓慢，且造成了部分植株“徒长现象”的发生，植株较为细高[23-26]。而灌溉量W3低于最佳灌溉量，导致灌溉量达不到番茄自身生长所必需的需水量，从而使番茄的株高和茎直增长率均为最低[27-28]。

番茄生长信息除了受到自身品种的影响外，环境因素也是影响其生长的重要因素。吕天远[29]研究了基于辐热积的株高模型，以及基于光合有效辐射的茎直模型。本研究株高模型则是通过本质非线性回归方程拟合，整合了番茄种植当地的实际气压（P）、环境温度（T）、辐照累积（DTEP），决定系数（R2）达到0.997 7，具有较高的拟合精度。茎直模型则是通过多元二次回归方程拟合，整合了环境温度（T）、辐照积（DTEP），其决定系数（R2）达到0.994 0。此模型能够清晰表示番茄株高和茎直的生长情况[30-31]。

4 结论

本试验表明，在玻璃温室内基质栽培条件下，随着时间的推移，季节的变化蒸腾量（ET0）也在发生动态变化，因此，番茄的需水量也在随着ET0的变化而变化。试验根据蒸腾量（ET0）确定灌溉量，具有很强的实用性。结果表明，在80%ET0的条件下番茄的生长优势最明显，番茄的株高增长率达到6.34%，茎直增长率达到3.18%。根据蒸腾量（ET0）控制灌溉模式可有效避免水肥的浪费，以及过少、过多灌溉造成植株生长不良情况的发生。