供氮质量浓度对水培生菜营养液消耗影响模拟研究

王利春，郭文忠，李友丽，宁松瑞，李银坤，魏晓明

供氮质量浓度对水培生菜营养液消耗影响模拟研究

王利春1，郭文忠1，李友丽1，宁松瑞2*，李银坤1，魏晓明1

（1.北京市农林科学院 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100093；2.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048）

【】探明供氮质量浓度对封闭式水培生菜营养液消耗量的影响规律，构建考虑供氮质量浓度及气象信息的水培生菜营养液消耗量模型。以“富兰德里”奶油生菜为供试作物，设置5个营养液供氮质量浓度（12.25、24.5、49、98、196 mg/L）处理，开展了2茬水培试验，测定了温室内气象信息、生菜的叶面积指数（）和营养液累积消耗量。水培生菜的营养液累积消耗量和均随着供氮质量浓度的增加呈先增大后减小的趋势，生菜与营养液供氮质量浓度呈二次曲线关系，建立了考虑营养液供氮质量浓度影响的生菜变化模型。模型验证结果表明，营养液不同供氮质量浓度处理的生菜模拟值与实测值吻合较好。在此基础上，进一步构建了考虑营养液供氮质量浓度及气象信息的水培生菜营养液消耗量模型。利用构建的营养液消耗量模型对不同供氮质量浓度处理的水培生菜营养液消耗量进行模拟，模拟值与实测值吻合较好。

水培；营养液消耗量；叶面积指数；营养液供氮质量浓度；生菜

0 引言

【研究意义】水培（营养液栽培）通过将植物根系直接浸没在营养液中，使作物摆脱了对土壤的依赖，减少了土传性病虫害的发生，节省了劳动力且经济效益较高，目前已发展为蔬菜工厂化设施栽培的主要模式[1]。在水培模式下，营养液提供了作物生长发育所需的水分和养分，还为作物根系生长提供了空间。营养液管理是水培技术的核心之一，也是影响作物产量及品质的重要因素[2-3]。在商业化水培作物生产中，依据作物的水肥需求规律进行营养液的科学管理，对促进作物生长、提高水肥利用效率及经济效益具有重要意义[4-5]。

【研究进展】水培条件下，营养液在较为封闭的介质/环境中循环流动，营养液的消耗主要经根系吸收进入植物体内，并通过叶片气孔的蒸腾作用散失到空气中，因此常将蒸腾量近似为作物营养液消耗量[6-8]。准确表征作物营养液消耗规律，可为营养液管理方案的制定提供支持，也可为营养液养分变化规律的定量表征提供理论基础。水培条件下，作物的营养液消耗量可通过传感器等进行监测，但传感器的精度、昂贵的成本与场地条件等限制因素使得这种方法在生产实际中的推广难度较大[9]。近年来，构建及应用数学模型量化作物营养液消耗特征已成为设施作物栽培领域研究的热点[10-11]。一些研究认为设施栽培条件下的作物生长过程主要受温室内的气象因素（气温、相对湿度、太阳辐射等）影响，因此大多采用基于气象资料的Penman公式等计算水培作物的营养液消耗特征[11-12]。张大龙等[13]通过回归方法建立以空气温度、相对湿度、光辐射为变量的作物营养液消耗量预测模型。Adeyemi等[14]建立了以辐射和饱和水汽压差为输入变量的数据驱动生菜营养液消耗量模拟模型。闫浩芳等[15]基于热传输系数算法对Penman公式进行修正，构建了Venlo型温室的黄瓜营养液消耗模型。范金杰等[16]研究了大气CO2摩尔分数升高对水培小麦营养液消耗的影响。另一些研究发现水培条件下，作物的生长及耗水过程不仅受温室小气候的影响，还受到营养液供氮质量浓度影响[17-18]。因此，利用数学模型表征水培作物营养液消耗过程，在考虑气象因素的同时也需考虑营养液供氮质量浓度的影响。如果忽略供氮质量浓度对作物营养液消耗的影响，则会给氮亏缺或氮过量条件下的作物营养液消耗模拟带来较大误差。

【切入点】氮素对作物的生长和产量有重要作用，当营养液供氮质量浓度较低时，作物生长会受到抑制，作物的蒸腾作用也会受到供氮水平的影响[19]。因此综合考虑供氮质量浓度和温室环境因素影响的水培作物营养液消耗模型有利于丰富、完善设施作物营养液消耗理论。【拟解决的关键问题】本研究以水培生菜为研究对象，研究供氮质量浓度对生菜营养液消耗特征的影响，构建水培生菜的营养液消耗量模型，量化营养液供氮质量浓度对生菜营养液消耗规律的影响，为制定合理的营养液管理策略、实现水培蔬菜优质高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 生菜水培试验

试验于2019年3—5月在北京市农林科学院北京农业智能装备技术研究中心叶菜营养液栽培专用玻璃温室（116.29°E，39.94°N，海拔56 m）进行。温室安装有通风降温系统，在高温时开启，对温室内的环境进行调节。水培系统由封闭式栽培槽、定植板、营养液储液桶组成；其中，封闭式栽培槽尺寸为195 cm×60 cm×8 cm，约盛放营养液40 L；栽培槽的进液口和回液口通过管道与营养液储液桶相连接，回液口距槽底4.5 cm；储液桶体积为60 L，放置在栽培槽下方；循环水泵放置在营养液储液桶中，与栽培槽进液口的管道相连接，用于将营养液泵入栽培槽中，营养液从栽培槽的出液口溢出后，通过管道回流到营养液储液桶中，形成闭路循环；定植板放置在栽培槽上方，上面均匀布满52个直径3 cm的圆孔，每个圆孔定植1棵生菜，株间距和行间距均为15 cm。

以“富兰德里”奶油生菜为供试材料，采用育苗移栽的方式，共开展了2茬栽培试验。第1茬栽培试验于3月25日将苗龄30 d的生菜移栽至水培系统中，于4月17日完成采收。第2茬于4月22日将苗龄30 d的生菜移栽至水培系统中，于5月20日完成采收。营养液的氮质量浓度共设置5个处理：12.25、24.5、49、98、196 mg/L，分别记为T1、T2、T3、T4（作为对照，养分质量浓度与霍格兰营养液配方质量浓度一致）、T5，每个处理设3个重复。各处理除氮、硫外（低氮处理用硫酸钾作为钾肥来源），其他元素质量浓度参照霍格兰营养液配方设置在同一水平，见表1。各处理的营养液微量元素采用通用配方（mg/L）：EDTA-2NaFe: 20，MnSO4.1H2O: 1.61，ZnSO4: 0.22，CuSO4: 0.08，H3BO3: 2.86，(NH4)6Mo7O24.4H2O: 0.02。蔬菜生长过程中，每隔5 d用5%的硫酸或氢氧化钠溶液将营养液pH值调至6.0±0.2。配制营养液的水源为RO反渗透水。

表1 各处理营养液中大量元素配方

1.2 测定项目及方法

生菜定植后，各采样周期（每隔4 d）从各处理随机选取3株生菜，用叶面积仪（LI-COR Inc.，Lincoln, Nebraska, USA）测定各处理的叶面积，用于计算叶面积指数（）。每个处理选取1个营养液桶，安装液位传感器（CTD-10, Decagon DevicesInc., Pullman, WA, USA）记录营养液桶中的液位动态，同时根据标定的营养液储液桶中水位与营养液体积之间关系计算生菜的营养液消耗量。

1.3 水培生菜的营养液消耗量模型

考虑温室内环境对生菜营养液消耗的影响，利用温室内气象站（Campbell Scientific, Inc., USA）采集气象信息（气温、相对湿度等）通过修正的Penman公式将营养液消耗量[11,20-21]可表征为：

式中：0为温室内的参考作物蒸散量（mm/d）；Δ为饱和水汽压−温度曲线的斜率（kPa/℃）；n为冠层上方净辐射（MJ/(m2·d)）；为土壤热通量（MJ/(m2·d)）；为干湿表常数（kPa/℃）；mean为日均气温（℃）；s为饱和水汽压（kPa）；a为实际水汽压（kPa）。

式中：为营养液消耗量（mm/d）；a为生菜的潜在营养液消耗量（mm/d）；c为作物系数，与作物种类、生育期、种植方式和水肥管理等因素有关，采用FAO推荐的c值会带来较大误差[11]。采用综合反映作物实际生长状况的叶面积指数（）来修正c[22]：

式中：、分别为待拟合的常数。

学者们通过数学模型准确刻画了作物的变化过程[23]。由于本试验中的生菜生长期较短（24～29 d）且几乎一直处于快速生长状态，因此，选用线性模型描述生菜生长过程[4]：

式中：、为待优化参数；0为移栽定植时生菜的叶面积指数；为植物移栽定植后的生长度日（植物生长期的累计热量，℃），可通过定植后的日最高温度和最低温度（max和min，℃）和基点温度（b，生菜b为4.0 ℃）进行计算[24]：

1.4 数据处理

试验数据处理由Excel 2016软件完成。选用相对误差（）、决定系数（2）、均方根差（）和标准均方根差（）来评估数学模型的精度[12]。

2 结果与分析

2.1 水培生菜的营养液消耗特征

第1茬试验（年积日DOY 86～107）和第2茬（DOY 121～140）试验期间，温室的日最低温度与日最高温度、相对湿度、太阳辐射（图1）的平均值分别为10.70 ℃、34.23 ℃、31.46%、78.43 W/(m2∙s)和16.96 ℃、31.14 ℃、58.49%、67.84 W/(m2∙s)。第2茬试验期间温室内的日最高温度和辐射的平均值略低于第1茬试验的原因可能是：第2茬试验在气温较高的5月开展，且在高温时段启用了温室的遮阴网及降温系统。

图1 试验期间温室内的气象资料

采用修正的Penman公式计算温室内逐日的参考作物蒸散量（0）见图1（b）。第1茬试验期间的0为1.83～3.36 mm/d，平均值为2.74 mm/d；第2茬试验期间的0为1.32～3.74 mm/d，平均值为2.61 mm/d。第2茬试验期间的0小于第1茬试验期间的0可能与5月温室内频繁开启遮阴网及降温系统等有关。

水培条件下，不同供氮质量浓度处理的生菜累积营养液消耗量如图2（a）所示。随着生菜的快速生长，不同供氮质量浓度处理之间的生菜累积营养液消耗量的差异逐渐增大（<0.05）。生菜的累积营养液消耗量随营养液供氮质量浓度（N）的增加总体呈先增大后降低的趋势。以第1茬试验生菜移栽定植后20 d（20 DAT）为例，T1、T2、T3、T4、T5处理的生菜累积营养液消耗量分别为24.69、37.31、46.01、50.79和36.36 mm；说明水培的N若低于T4处理（<98 mg/L）时，可通过增加供氮质量浓度来显著提高生菜的营养液消耗量（<0.05），氮质量浓度过高（N>98 mg/L）则会抑制生菜的营养液消耗过程。

图2 不同供氮质量浓度处理下的生菜累积营养液消耗量

2.2 供氮质量浓度对生菜叶面积指数的影响

试验期间营养液供氮质量浓度处理下生菜的生长过程如图3所示。T1处理生菜的增长较为缓慢，可能是生菜生长过程中受到明显的氮胁迫。T2—T5处理生菜均随着移栽天数的增加而增大。

图3 不同供氮质量浓度处理下的生菜叶面积指数（LAI）

与生菜的累积营养液消耗量特征类似，生菜的随着N的增加表现出先增大后减小的趋势。以第1茬试验生菜移栽后15 d（15 DAT）为例：T1、T2、T3、T4、T5处理的生菜平均值分别为1.46、3.70、4.54、5.41和4.64；与对照（T4）相比，T1、T2、T3处理和T5处理的生菜平均值分别下降了73.04%、31.65%、16.03%和17.64%。说明水培N显著影响生菜增长（<0.05）；根据式（2）和式（3）可知，不同供氮质量浓度处理下生菜的c也将随之产生显著性差异（<0.05）。显然，若不考虑营养液供氮质量浓度的影响，通过式（1）—式（4）直接计算将给不同供氮质量浓度处理下水培生菜的营养液消耗量模拟带来较大的误差。不同处理的生菜与营养液供氮质量浓度之间呈二次函数关系（图4），相应的拟合公式及决定系数（2）见表2。由表2可知，移栽后5、10、15、19 d和24 d时生菜的实测值与公式拟合值之间的2分别为0.40、0.81、0.86、0.85和0.81，总体拟合效果较好。利用移栽后5、10、15、19、24 d时与N之间拟合公式，可求得生菜叶面积指数的理论最大值（max）分别为0.93、3.42、5.97、7.61和10.29，其依次对应不同时刻的营养液最优供氮质量浓度（LM）为87.27、124.15、123.90、123.87 mg/L和123.81 mg/L。移栽后5 d时的拟合效果不理想，可能是由于水培初期（如生菜移植后5 d），营养液供氮质量浓度处理对生菜变化的影响并未显现，随着试验时间延长，生菜变化对营养液供氮质量浓度的响应逐步显现。

为定量表征N对生菜的影响程度，参照作物盐分胁迫修正系数的构建方法[25]，将不同供氮质量浓度处理的生菜与其max的比值定义为叶面积指数氮素响应因子（）：

不同取样时期（移栽后10、15、19 d和24 d）生菜叶面积指数的氮素响应因子（NL）与CN之间关系如图5所示。水培生菜NL与CN呈二次函数关系（R2=0.82）。

图5 移栽后各取样时期生菜叶面积指数氮素响应因子(NL)与营养液供氮质量浓度(CN)关系

在营养液最优的供氮质量浓度条件下，生菜达到理论最大值（max）。随着生菜的生长，max的变化过程可以通过式（4）表示。利用第1茬试验期间的气象数据，根据式（5）计算GDD、结合实测的初始0及不同取样时刻的max（表2），利用反求方法可估算式（4）中的参数值，分别为：=0.022、=0.050。根据式（4）、式（5）和式（6），可构建考虑营养液供氮质量浓度（N）的水培生菜叶面积指数（）响应模型：

结合第2茬试验期间温室内的气象数据，利用式（7）可对不同供氮质量浓度处理下生菜的进行模拟，的模拟值与实测值如图6所示。

图6 第2茬移栽后各取样时期生菜LAI模拟值与实测值

各取样时期不同供氮质量浓度处理生菜的模拟值与实测值多集中分布在1∶1线附近，模拟值与实测值之间的2为0.92，相应的、、值分别为14.62%、0.42和17.69%。说明式（7）的模拟精度较高，可以用于准确描述水培生菜的对N的响应规律。

2.3 水培生菜营养液消耗模型

根据式（3）、式（4）和式（7），利用第1茬试验期间的生菜营养液消耗量和气象资料对式（3）中的参数和进行优化，得到=0.39、=0.49，建立考虑营养液供氮质量浓度和气象信息共同影响的水培生菜营养液消耗模型。

利用第2茬试验的生菜营养液消耗资料对所构建的营养液消耗模型进行验证，生菜营养液消耗量的模拟值与实测值见图2（b），模型模拟精度的分析结果如表3所示。

表2 各取样时期生菜叶面积指数（LAI）与营养液供氮质量浓度（CN）关系拟合结果、叶面积指数理论最大值（LAImax）及对应的营养液最优供氮质量浓度（CNLM）

表3 第2茬试验生菜营养液消耗量的模拟精度分析

第2茬试验期间不同处理生菜的累积营养液消耗量的模拟值与实测值之间的<11.54%；介于2.06～3.31 mm之间，除T2处理外，其他4个处理的均小于15%，生菜累积营养液消耗量的模拟值与实测值吻合较好。以上结果表明，本文建立的水培生菜营养液消耗模型可以较准确地模拟生菜营养液消耗量对营养液供氮质量浓度的响应，这为估算水培作物的营养液消耗提供了新的计算方法。

3 讨论

封闭式水培条件下，作物生长过程得到了充足的水分供应，作物蒸腾耗水是营养液消耗的主要途径，也是导致营养液组分和特性变化的主要因素。此外，营养液的供氮质量浓度直接影响蔬菜的产量、品质以及营养液的水肥利用效率[7,26]。研究表明，随着N的增加，生菜的累积营养液消耗量和均表现出先增大后减小的趋势。当N较低（<98 mg/L）时，生菜的生长及营养液消耗过程受到影响；当N≥98 mg/L时，生菜的生长及营养液消耗过程也会受到抑制。N与生菜的之间呈明显的二次函数关系（图4），这与孙彭寿等[27]研究结论基本一致。苏苑君等[1]发现水培生菜的产量随着营养液氮质量浓度升高呈先增加后减少的变化趋势，乔源等[18]报道了水培芹菜的鲜质量随着营养液供氮质量浓度的增加呈先增大后减小的二次抛物线趋势。此外，本文通过拟合获得各取样时期生菜叶面积指数与营养液供氮质量浓度之间的二次函数关系，分别求解不同时刻生菜叶面积指数理论最大值max及其对应的最佳供氮质量浓度，结果表明，除DAT5外，其他4个取样时期生菜max对应的营养液最佳供氮质量浓度介于123.81～125.15 mg/L，这与贺志文等[28]得到的生菜（品种为洛迦诺）产量最大时对应的营养液最佳供氮质量浓度为135.66 mg/L的结果较为接近。本研究开展的2茬试验中，除氮、硫外，各处理营养液养分供应质量浓度在同一水平，各处理营养液硫质量浓度均不低于营养液硫质量浓度推荐值（32 mg/L），故各处理生菜不存在除氮元素之外的其他元素胁迫。T1、T2、T3、T4、T5处理在第1茬和第2茬营养液的电导率平均值分别为1.13、0.95、0.80、1.30、3.17 mS/cm和1.34、0.98、0.93、1.50、3.38 mS/cm，除T5处理营养液电导率较高外，其余处理生菜的营养液电导率值均处在合理范围内，这也解释了T5处理生菜营养液消耗受到抑制的原因是由于氮肥投入加大导致营养液电导率升高，在离子胁迫作用下生菜对营养液吸收过程受到了抑制。

本研究通过引入叶面积指数氮素响应因子以定量表征N对生菜的影响（式（7）），构建了综合考虑气象因素和营养液供氮质量浓度的水培作物营养液消耗模型；模型模拟的累积营养液消耗量与实测值吻合较好，说明本研究构建的水培作物营养液消耗模型可以较准确地模拟不同供氮质量浓度处理的生菜累积营养液消耗量。本研究仅考虑营养液供氮质量浓度和气象因素对水培作物营养液消耗量的影响，对于营养液中磷、钾等养分质量浓度、以及养分耦合调控下水培作物的营养液消耗模型构建及其营养液消耗规律等仍有待于进一步探索。

4 结论

1）水培生菜的累积营养液消耗量和叶面积指数均随营养液供氮质量浓度的增加，呈先增后减的趋势。

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Simulation Water Consumption of Hydroponic-cultured Lettuce:The Effects of Nitrogen Concentration

WANG Lichun1, GUO Wenzhong1, LI Youli1, NING Songrui2*, LI Yinkun1, WEI Xiaoming1

(1.Beijing Research Centre of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100093, China; 2.State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

【】The objective of this paper is to investigate the influence of nitrogen concentration in nutrient solution on physiological traits of lettuce grown in hydroponic culture.【】The experiment was conducted in a greenhouse, with the Flandria cultivar used as the model plant. We compared five nitrogen concentrations: 12.25, 24.5, 49, 98 and 196 mg/L, each having two replicates. In the experiment, we measured the leaf area index (), accumulated water consumption and the change in meteorologic factors in the greenhouse, from which we derived the relationship between water consumption of the crop and nitrogen concentrations in the solution.【】The accumulated water consumption andboth increased first followed by a decline as the nitrogen concentration increased. The relationships betweenand the nitrogen concentration can be fitted to a quadratic function, and comparison with measured data showed fitting of the model was accurate. The model describing the change in water consumption with nitrogen concentrations also agreed well with experimental data.【】Accumulative water consumption andof the hydroponic-cultured lettuce both increased with nitrogen concentration in the nutrient solution, and the models describing their relationships agreed well with experimental data.

hydroponic culture; water consumption; leaf area index; nitrogen concentration; lettuce

S274.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021230

王利春, 郭文忠, 李友丽, 等. 供氮质量浓度对水培生菜营养液消耗影响模拟研究[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(11): 37-43.

WANG Lichun, GUO Wenzhong, LI Youli, et al. Simulation Water Consumption of Hydroponic-cultured Lettuce: The Effects of Nitrogen Concentration[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 37-43.

1672 - 3317（2021）11 - 0037 - 07

2021-06-02

宁夏自治区重点（重大）研发专项（2019BBF02010）；“十三五”国家重点研发计划项目（2020YFD1000300）；北京市农林科学院青年基金项目（QNJJ201920）

王利春（1982-），男。副研究员，博士，主要从事设施作物水肥高效利用技术研究。E-mail: wanglc@nercita.org.cn

宁松瑞（1985-），男。副教授，博士，主要从事作物水肥高效利用与调控研究。E-mail: ningsongrui@163.com

责任编辑：韩 洋