李艷梅，廖上強，楊俊剛，張 琳，孫焱鑫，鄒國元

(1. 北京市農林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所，北京 100097；2. 農業(yè)部都市農業(yè)(北方)重點實驗室，北京 100097; 3.北京市緩控釋肥料工程技術研究中心，北京 100097)

水資源缺乏是21世紀最突出的問題，且正伴隨著經濟增長和干旱變得日益嚴峻[1]。為應對缺水問題，北京“調結構轉方式、發(fā)展高效節(jié)水農業(yè)”的農業(yè)結構調整序幕正在拉開，計劃逐步退出高耗水糧經作物，并將菜地面積由3.9 萬hm2增至4.67 萬hm2。在蔬菜產業(yè)內部，準確估算主要蔬菜類型的需水規(guī)律，合理規(guī)劃水資源在不同蔬菜品種間的配置及在同一品種不同生育階段的分配顯得尤為重要。

作物系數法是我國農作物需水研究領域近年較多采用的一種方法[2-3]，根據參考需水量確定作物系數是該需水規(guī)律研究方法的關鍵問題。傳統(tǒng)的農作物需水研究主要針對糧經作物的小麥、玉米和棉花[4-7]，近年雖有瓜菜、果菜和葉菜的文獻報道，但蔬菜研究總體較少，芹菜研究尚未見報道，這與近年京郊葉類蔬菜快速發(fā)展、芹菜成為重點葉菜發(fā)展品種的農業(yè)發(fā)展需求不相匹配；多數文獻采用等間隔時間尺度進行研究，需水量在不同生育期間的分配尚不明晰；傳統(tǒng)的計算作物參考需水量的P-M模型不適于溫室小氣候環(huán)境，而P-M修正模型的應用僅有零星報道，基于溫室P-M修正模型計算的參考需水強度日變化規(guī)律鮮見報道。

基于以上各項尚待解決的問題，本研究采用水量平衡法和P-M修正模型研究芹菜的需水強度、需水量和作物系數，旨在為芹菜合理灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2014-2015年在北京市平谷區(qū)龐勝霖基地日光溫室進行。基地(40°02′N，116°55′E，海拔127 m)，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，冬夏長，春秋短。平谷氣象局近10 a(2005-2015年)氣象資料表明，年平均氣溫11.5 ℃，大于0 ℃的積溫4 470 ℃，大于10 ℃的積溫4 121～4 945 ℃，年均無霜期為191 d，全年日照時數2 729 h。年均降水量644 mm，年均蒸發(fā)量1 762 mm，蒸發(fā)量遠遠大于降水量是本區(qū)氣候條件的主要特點。地下水埋深25 m。

試驗地土壤類型為褐土，質地為壤土。耕層土壤容重1.34 g/cm3，田間持水量26.3%(質量含水率)，凋萎系數7%(質量含水率)。耕層土壤pH值7.43、有機質含量1.77%、全氮含量0.21%，硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量分別為55、30和70 mg/kg。

1.2 試驗設計與數據采集

供試作物為芹菜，品種為文圖拉。2014年11月12日定植，2015年3月27日收獲，全生育期135 d。芹菜種植方式為平畦種植，小區(qū)面積為2 m×6.5 m。每畦8行，每行上株距為30 cm。芹菜定植前施三元復合肥(15-15-15)為基肥，N、P2O5和K2O用量均為128 kg/hm2。定植后第66 d追施尿素(N用量為153 kg/hm2)一次，方式為隨水追施。

試驗采用自壓式滴灌系統(tǒng)，每行芹菜鋪設一條滴灌管，滴頭間距與株距相同，以水表計灌水量。試驗區(qū)內選取1個滴灌管正下方的位置及2個滴灌管中間的位置，安裝3組土壤水分傳感器探頭，每組均對應0～20、20～40、40～60和60～90 cm等4個土層。試驗開始前開啟ET0自動氣象站，設置2 h的數據采集步長。將土壤水分傳感器鏈接到CR1000測量控制采集器上，用于實時測定不同土層的體積含水率，根據作物根系埋深確定好不同生育期的計劃灌水層，使計劃層貯水量始終保持在田持的60%～90%，滿足測定ETc所需的適宜土壤水分條件。借助水量平衡法，根據灌水量與土壤耗水動態(tài)計算作物需水量。同時將溫濕度、太陽輻射、氣壓、熱通量等氣象參數傳感器鏈接到CR1000測量控制采集器上，用于實時測定以上氣象參數。借助遠程GPRS傳輸模塊和SIM卡實時獲取土壤水分和氣象數據。作物收獲后，關閉數據采集功能。

1.3 計算公式

1.3.1 基于水量平衡法計算的作物需水量

(1)土壤貯水變化量。

ΔW=Qi2-Qi1=(θv2-θv1)×Hi

(1)

式中：ΔW為土壤貯水變化量，mm；Qi1和Qi2分別為測定時段起始和結束時第i層的水層厚度，mm；θv2和θv1分別為測定時段起始和結束時第i層的土壤體積含水率，%；Hi為第i層土壤厚度，mm。

(2)灌溉量。

Id=Iv×1 000/S

(2)

式中：Id為深度灌溉量，mm；Iv為體積灌溉量，m3；S為灌溉區(qū)橫截面積，m2。

(3)需水量。

ETc=Id+P+ΔW-R-Sd

(3)

式中：ETc為需水量，mm；Id為時段內灌溉量；P為時間內降雨量，溫室內可忽略不計；ΔW為貯水變化量；R為徑流量，平原地區(qū)可忽略不計；Sd為上下邊界徑流通量，土壤含水量控制在適宜范圍內時可假設為零。在上述各變量假設情況下，公式(3)可轉化為：

ETc=Id+ΔW

(4)

1.3.2 基于P-M修正模型計算的作物參考需水量

基于溫室特定環(huán)境(與露地相比，總輻射大幅降低，溫度和濕度有所提升，風速接近于零)，本文采用陳新明等[8]的研究思路，利用溫室內實測氣象數據，以PM方程為基礎，引入空氣動力學阻力公式，對PM方程中與風速有關的動力學項進行修正，推導出溫室環(huán)境下的參考需水量修正公式：

ETog=[0.408×Δ×(Rn-G)+

γ×1 694×(ea-ed)/(T+273)]/(Δ+1.64γ)

(5)

式中：ETog為溫室環(huán)境下的參考需水量，mm；Rn為作物表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，以天為單位計算時，土壤熱通量可忽略；γ為干濕表常數，kPa/℃；ea和ed分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa；T為日平均溫度，℃；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率，kPa/℃。

1.3.3 需水強度

WRI=WR/T

(6)

式中：WRI為需水強度，mm/d；WR為需水量(ETc或ETog)，mm；T為時間尺度，d。

1.3.4 作物系數

Kc=ETc/ETog

(7)

式中：作物系數Kc以作物需水量和同時段參考作物需水量的比值表示。

1.4 數據處理與計算

采用Excel 2007軟件進行數據整理及作圖。采用SPSS17.0軟件進行趨勢擬合分析。

2 結果與分析

2.1 基于氣象參數法計算的參考需水強度與參考累積需水量

參考需水強度(圖1)在全生育期總體表現出“增加-降低-增加”的變化趨勢，在4個生育階段的變化又有所不同，苗期呈兩邊高中間低的趨勢，葉叢初期和葉叢中期均呈先增加后降低的趨勢，葉叢后期呈波動增加趨勢。參考累積需水量隨作物生長發(fā)育推進逐步增加，線性函數能較好擬合其變化趨勢，擬合關系式為y=30.775x-3.634(F=840，R2=0.985)，其中y為參考累積需水量，x為生育天數。

圖1 芹菜參考需水強度與累積需水量的變化規(guī)律Fig.1 The variation laws in reference water requirement rate and cumulative water requirement of greenhouse celery

2.2 基于農田水量平衡法計算的需水強度與累積需水量

圖2顯示：基于農田水量平衡法計算的芹菜需水強度與基于氣象參數法計算的芹菜參考需水強度有所不同，其原因在于作物需水強度不僅與氣候因素有關，還與土壤性質、作物類型及生長狀況等有關。對比發(fā)現，芹菜需水強度總體低于參考需水強度，在全生育期表現出“增加-降低-增加-降低”的波動變化趨勢。芹菜累積需水量隨生長發(fā)育推進呈近似線性函數趨勢增加，擬合關系式為y=15.216x-12.402(F=2 159，R2=0.994)，其中y為實際累積需水量，x為生育天數。

圖2 芹菜需水強度與累積需水量變化規(guī)律Fig.2 The variation laws in water requirement rate and water requirement of greenhouse celery

2.3 基于氣象參數法計算的參考需水強度的日變化規(guī)律

4個生育期的參考需水強度日變化曲線均呈“單峰型”(圖3)。早上隨著空氣溫度上升和相對濕度減小，需水強度隨之增加，至午間左右需水強度達到一天中的頂峰；午后高溫低濕的持續(xù)，使需水強度減??；以后由于氣溫快速下降和空氣濕度上升，需水強度繼續(xù)呈降低趨勢。4個生育期單峰曲線出現時間均約在8∶00-22∶00之間。峰值出現的時間有所不同，苗期在午間12∶00，葉叢初期、中期和后期在午間14∶00。苗期、葉叢初期、中期和后期的需水強度峰值分別為10、12、10、12 mm/d。

2.4 作物系數研究

數據分析結果表明，芹菜作物系數隨定植時長及大于10 ℃有效積溫增加均呈移動平均函數變化趨勢(圖4和圖5)。定植開始及收獲時的作物系數低于其他時期，在全生育期存在4個波動區(qū)，對應的定植時期分別為0～54、54～90、90～117和117～135 d，對應的大于10 ℃有效積溫范圍分別為0～677、667～1 076、1 076～1 336和1 336～1 572 ℃。從4個生育期的均值比較來看，葉叢中期和葉叢后期明顯高于葉叢初期和苗期。

圖3 芹菜參考需水強度日變化趨勢Fig.3 Daily changes of reference water requirement rate of greenhouse celery

圖4 芹菜作物系數隨時間的變化規(guī)律Fig.4 The variations of celery crop coefficient with time

2.5 需水強度、需水量和作物系數在不同生育期的比較

以4個生育期為時間尺度的計算結果表明(表1)，芹菜苗期、葉叢初期、葉叢中期和葉叢后期的需水強度分別為1.128、1.917、1.405和2.212 mm/d，需水量分別為30.46、51.77、63.23和79.63 mm，需水強度與需水量最高值均在葉叢后期，最低值均在苗期，葉叢中期需水強度比葉叢初期低出27%，需水量反而高出22%，這是由于葉叢中期的時長比葉叢初期多出18 d。苗期、葉叢初期、葉叢中期和葉叢后期的作物系數分別為0.418、0.385、0.571和0.565。葉叢初期作物系數最低及葉叢中期作物系數最高的試驗結果均與空氣溫度和相對濕度值對參考需水強度的影響有關。進入葉叢后期，相對濕度較低引起飽和汽壓與實際汽壓間的差值較大，引起參考需水強度偏高，因而作物系數有較大的回落。從全生育期均值來看，需水強度、需水量和作物系數分別為1.666 mm/d、225.1 mm和0.484。

圖5 芹菜作物系數隨大于10 ℃積溫的變化規(guī)律Fig.5 The variations of celery crop coefficient with effective accumulative temperature

表1 芹菜各生育期的需水量、需水強度和作物系數Tab.1 water requirement, water requirement rate and crop coefficient of celery at different growth stages

3 討 論

前人有關露地作物需水量的研究表明，作物階段需水量表現為苗期和生育后期小、生育中期大的特征，這主要與作物苗期葉小、生育中期生長旺盛及生育后期葉片衰老脫落引起的蒸騰耗水強度不同有關[2,9-12]。劉浩等[13]和葛建坤等[14]描述了溫室番茄需水量變化規(guī)律，總體看，生育后期大于其他生育時期，但需水量在不同生育期間的分配尚不明晰。本研究根據當地溫室秋冬茬芹菜生長發(fā)育狀況將其劃分出4個生育期，比較發(fā)現，芹菜需水量表現為逐漸增大、生育后期達到頂峰的特征(表1)，出現這一現象的原因可能與當地農民在溫室芹菜衰老前適時采收有關。本研究采用農田水量平衡方程計算的芹菜需水強度在4個時期表現出“增加-降低-增加”的變化趨勢，且葉叢后期的需水強度較苗期有較大提升(圖2)。這與龔元石等[15]應用時域反射儀研究冬小麥及劉浩等[13]應用P-M修正模型研究溫室番茄的試驗結果一致；與齊述華等[16]應用時域反射儀研究花椰菜、莧菜和菠菜，肖娟等[11]應用非稱重式測滲儀研究西瓜和蜜瓜，及張友賢等[18]應用時域反射儀研究番茄的試驗結果近似。芹菜苗期葉片較小，需水強度不大；葉叢初期葉片面積增大，葉面蒸發(fā)量隨之增大，葉片生理活動強烈，作物需水強度有較大提升；葉叢后期葉面積指數達到峰值，相應的需水強度達到最高。值得注意的是，進入葉叢中期后適逢連續(xù)一月左右的陰天氣候，造成氣溫快速下降，致使該時期的需水強度反而低于葉叢初期。張振華等[9-10]在露地棉花和左余寶等[2]在露地夏玉米上的研究也發(fā)現作物需水強度呈“增加-降低-增加”的變化趨勢，但以上兩項研究作物生育末期的需水強度均明顯低于苗期，這可能與露田氣候變化及露地作物采收晚等有關。本研究基于農田水量平衡法計算的溫室芹菜累積需水量呈近似直線函數變化(圖2)，與葉瀾濤等[17]溫室菠菜累積需水量呈Logistic曲線增加、中期增長趨勢明顯的試驗結果有所不同，其原因可能與蔬菜類型有關，也可能與試驗時的氣候、土壤、水肥及栽培等條件有關。

前人對露地作物參考需水量的研究尚未形成一致結論，既有逐漸降低、先增加后降低，也有反復的先增加后降低變化趨勢，這主要受制于動態(tài)變化的氣候參數。此外，已有文獻尚未明確指出溫室作物參考需水量在不同生育階段的分配。本研究溫室芹菜參考需水量總體呈增加趨勢，與實測需水量近似，但葉叢中期較初期有所降低(表1)，原因在于該時期持續(xù)陰天致使溫室內溫度明顯降低及相對濕度明顯增加?；跉庀蠓ㄓ嬎愕膮⒖夹杷畯姸让黠@大于水基于水量平衡法計算的需水強度(表1，圖1和圖2)，且二者在4個生育階段內的變化趨勢亦有所不同，再次說明測算作物系數對預測作物實際需水量的必要性。本文同時借助基于2 h采集頻率的氣象數據分析了不同生育期內參考需水強度的日變化規(guī)律(圖3)，發(fā)現4個生育期的參考需水強度均表現為：早晨8點開始逐漸升高，午間12點至下午2點達到峰值，以后逐漸降低，至晚間10點左右回落至初始值，對比各氣象參數的同步變化數據發(fā)現，參考需水強度的日變化規(guī)律與輻射強度和溫度的日變化規(guī)律一致，與相對濕度和飽和水汽壓的日變化規(guī)律相反。葛建坤等[14]針對溫室番茄和張大龍等[19]針對溫室甜瓜的研究也發(fā)現，作物參考需水強度與空氣溫度和光輻射均呈正相關，與本研究的結論基本一致。4個生育期的參考需水強度又存在差異，表現為：苗期需水強度峰值約在中午12點出現，葉叢期(初期、中期和后期)需水強度峰值約在下午2點出現，葉叢初期和葉叢后期的參考需水強度峰值比苗期均高出了2 mm/d(圖3)。研究發(fā)現，累積參考需水量亦可采用線性函數較好的擬合。本研究基于農田法和氣象法的比值計算的溫室芹菜作物系數總體呈“中間高、兩頭低”的趨勢(圖4和圖5)，與齊述華等(2002年)和張振華(2004年)等報道的作物系數大體呈拋物線變化趨勢大體一致，但在全生育期所表現出的移動平均函數關系則與嚴菊芳等[20]報道的二次多項式函數關系有所不同。

4 結 論

(1)基于適宜灌水條件下農田水量平衡法計算的溫室芹菜需水強度呈“增加-降低-增加”的變化趨勢，且葉叢后期的需水強度較苗期有較大提升；基于生育期的需水量表現為逐漸增大、生育后期達到頂峰的特征；累積需水量變化趨勢可用直線函數擬合。

(2)基于氣象法計算的溫室芹菜參考需水強度呈“增加-降低-增加”的變化趨勢，基于生育期的需水量表現為“增加-降低-增加”的波動增加趨勢；參考累積需水量變化趨勢可用直線函數擬合。

(3)基于農田法與氣象法比值計算的作物系數在全生育期呈移動平均函數趨勢變化，葉叢中期和葉叢后期的作物系數大于其他兩個時期。從全生育期來看，溫室芹菜需水強度、累積需水量和作物系數分別為1.666 mm/d、225.1 mm和0.484。

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