温室番茄茎流速率与环境参数间相关性研究

白云飞,赵建贵,韦玉翡,高安琪,崔 亮,孙志立,王昕波,李志伟

(山西农业大学 农业工程学院,山西 太谷 030801)

0 引言

大棚内环境参数的智能调控和精准灌溉是温室大棚技术的关键,可以充分发挥设施农业的高效性[1-2]。温室番茄在结果期内若出现水分亏缺、水分过多或水分供给起伏过大等情况,则会对番茄的品质和产量产生巨大影响,因此在番茄结果期对供应水分的管理精确度有较高的要求[3-4]。对植物蒸腾量的研究是把控植物水肥供需规律和节水灌溉的基础,植物的蒸腾耗水量可以通过茎流速率的计算得到[5-6]。植物茎流是植物在蒸腾作用下茎秆内产生的上升液流,茎流作为一种水分生理指标[7],对植物生理研究与精量灌溉具有举足轻重的意义。

现有测量植物茎流的方法有热脉冲速率法、热平衡法、激光热脉冲法以及热扩散法等[7-8]。本研究考虑到番茄茎秆直径小,出于对茎秆的保护,故采用热平衡法对其茎流速率进行测量[9-10]。植物蒸腾是一个繁杂的过程[11-13],有关学者已经研究了植物内部生理过程和外部环境因子对茎流速率的影响[14-20],发现茎流速率随着环境因子的变化呈现一定的规律[21-23]。但迄今对温室大棚内环境因子与茎流速率相关性的研究较少。本试验以温室内结果期番茄为研究对象,探讨了茎流速率的变化规律以及环境因子对其的影响情况,分析了环境因子与茎流速率间的相关性,并拟合出温室番茄结果期茎流速率的回归模型,可以为番茄节水灌溉和温室内环境因子的智能调控提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验于2020年9月6日～10月3日在山西农业大学农业工程学院玻璃温室(北纬37°25′,东经112°34′,海拔801 m)中进行。本实验温室长12.8 m,宽9.6 m,共设置10行无土栽培架(长7 m,宽30 cm),栽培架间距1.5 m。每行栽培架放置8条栽培袋(长87.5 cm,宽20 cm,高12 cm),栽培袋内基质为椰糠,每条栽培袋内定植3株番茄,番茄株距为29 cm。温室内配备有暖气管道和暖风机等补温设施；降温设施为湿帘、冷风机、内循环机和天窗等；其水、肥供应统一由水肥一体化滴灌系统精准实施。

温室内种植的番茄品种为无限生长型的“天妃九号”,其具有高抗灰霉叶霉病、耐运输、产量高和不逡不裂等特点。于8月1日将4叶1心期番茄幼苗种植于栽培袋内；于番茄幼苗定植37 d后,随机选取长势一致、叶片健康的4株结果期番茄植株作为试验对象。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 温室环境参数的获取 环境因子的测量采用自行研发的基于高速ARM3处理器和无线LoRa数传的无线多传感网络温室环境监测系统[24],该监测系统由数据管理层、数据链路层、网管层、数据采集与命令接收模块和感知模块组成,如图1所示。该系统由网关控制所有采集节点定时进行数据同步采集,服务器端物联网管理平台实现了温室远程数据传输、存储和处理等功能。系统信息感知模块对4个环境因子(光合有效辐射、温度、相对湿度和CO2浓度)的数据采集间隔时间为15 min。系统感知模块选用的传感器型号及其测量范围和精确度见表1。

图1 温室环境监测系统的网络拓扑结构

表1 环境监测系统的传感器情况

1.2.2 番茄茎流速率的测定 本试验利用Dynamax公司的SGEX包裹式茎流计测定番茄的茎流速率,通过热平衡法(SHB, stem heat balanc)对选取的结果期番茄茎秆进行全天数据采集,采集间隔时间与监测系统一致，同为15 min。将测量装置安装在选取的5～10 cm长的直立光滑茎秆上,错开茎秆节点。在安装时首先用游标卡尺测量茎秆直径,将加热片紧密包裹茎秆测量区域,然后使用魔术带固定,最后包裹防水布料、保温泡沫和防辐射发泡铝膜，对测量装置进行防水、保温和防辐射处理。每隔10 d拆除测量装置,进行保养维护后重新安装。

SHB由 Sakuratani提出并由Baker和Van Bavel等进行了优化,此方法的原理是在茎秆上局部供应恒定热量,在理想条件下热量会被茎秆中的液流带走[25-26],见图2。

图2 热平衡法的原理图

根据热传导与热平衡原理,可以用下式计算番茄的茎流速率:

Pin=QV+Qr+Qf

上式中：Pin是恒定热源的功率;QV是茎秆纵向热交换的能量;Qr是横向损失的热量;Qf是随植株液流传递的能量。

根据能量平衡方程,可以推导出所求茎流的方程式:

上式中:Kst为茎秆热传导率[W/(m·K)];A为茎秆的横截面积(m2); (dTu-dTd)/dx为纵向传导温度梯度(℃/m);Ksh为探头热导常数;UCH为辐射热电堆的电压(mV);Cp为水的比热容[J/(g·℃)]; dT为两测点间液流温度变化。

1.3 数据处理

通过Excel 2016 对茎流速率和环境因子进行计算和整理,利用SPSS 26和SAS V8软件对试验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同天气状况下茎流速率的变化规律

在番茄结果期间,整合28 d内采集到的数据,为直观地表示环境因子与茎流速率之间的关系,选取有代表性的天气(晴天和阴天),对环境因子和茎流速率的日变化规律进行分析。温室内供试番茄植株在9月10～14日的茎流速率昼夜变化规律如图3,其中10～12日为晴天,13～14日为阴天。晴天和阴天下的茎流速率总体上都呈单峰状,但变化规律明显不同。以9月11日为例,在晴天的6:15左右番茄茎秆内的液流开始启动,茎流速率开始骤升，直到9:00左右升到第一个峰值；随后茎流速率波动上升，到11:00左右时升到全天的最大峰值(69.78 g/h)；茎流速率在高峰阶段呈现多峰变化,在16:30后缓慢下降，到22:30左右时番茄茎秆液流停止。以9月14日为例,阴天时茎流的启动时间较晴天滞后约3 h,曲线升高后也呈波动状,但波动幅度与次数都明显少于晴天,峰值(39.37 g/h)出现在12:30左右,液流在21:45左右停止。茎流速率的上升幅度较下降幅度大,茎流速度开始上升的时间较停止的时间明显。茎流速率在晴天的启动时间较阴天早,且峰值更明显。在晴天和阴天时，番茄茎秆内液流全天活跃时间分别为16和12 h,茎流日累积量分别是368.06和127.86 g/d。

图3 温室番茄茎秆的昼夜茎流速率变化

2.2 光合有效辐射与茎流速率的日变化规律

在晴天与阴天光合有效辐射与茎流速率的日变化曲线如图4所示,光合有效辐射都呈单峰状且与番茄茎流速率的变化趋势基本相似。光合有效辐射的大小会影响植物表皮气孔的开合[27],直接影响温室内温度与相对湿度的变化,间接影响室内CO2浓度。有研究表明茎秆液流与茎秆蒸腾驱动因子之间存在时滞效应[28],植物蒸腾作用的强度直接影响茎流速率的大小,与光合有效辐射和茎流速率的变化规律吻合。在晴天时,光合有效辐射的启动时间较茎流速率早0.5 h左右,停止时间早约5.0 h。在阴天时,茎流速率的启动时间较光合有效辐射滞后1.8 h左右,停止时间滞后约3.5 h。茎流速率随着光合有效辐射的增强(或减弱)而骤升(或骤降),在上升至峰值后液流速率小幅波动，出现“午休”现象。

图4 光合有效辐射与茎流速率的日变化规律

2.3 室内温度与茎流速率的日变化规律

室内温度与茎流速率的变化趋势基本一致,如图5所示。温室内温度分别在6:00和8:00后开始升高,此时植物根系对水分的吸收和水分子的扩散速度变大,促使番茄茎秆内的液流加快,所以茎流速率增加。两天的温度峰值分别出现在11:00左右(31.7 ℃)和12:40左右(16.5 ℃)；温度过高时蒸腾速率会降低,从而导致茎流速率在高峰阶段呈现多峰变化；当温度降低到较低水平后,茎流速率也降低到极低水平。

2.4 室内相对湿度与茎流速率的日变化规律

从图6可以看出，温室内相对湿度的变化趋势与番茄茎流速率相反,即番茄的茎流速率随着室内相对湿度的减小而逐渐变大。在晴天，温室内相对湿度随着太阳辐射和室内温度的升高在6:15左右开始变低,在11:00时达到全天相对湿度的最小值(40%)。在阴天，室内相对湿度波动较小,开始降低的时间较晴天晚约3 h,并在12:45时降到全天的最低值(87%)。无论是在晴天还是在阴天,相对湿度开始降低的时间与茎流速度的启动时间基本一致,到达相对湿度谷值的时间与到达茎流速率峰值的时间相同。在光合有效辐射下降为0后,植物表面的气孔闭合,茎流速率保持在极低水平,相对湿度缓缓升高。阴天的相对湿度全天基本上在85%以上,高于晴天的相对湿度。

2.5 室内CO2浓度与茎流速率的日变化规律

CO2是光合作用的底物,光合有效辐射和温度的升高会使CO2浓度变低；高浓度的CO2会促使气孔关闭，从而会影响蒸腾作用和茎流速率。由图7可以看出：CO2浓度不像茎流速率那样具有明显的启动和停止时间；CO2浓度的变化趋势与茎流速率相反,且晴天的CO2浓度基本上小于阴天的CO2浓度。

图6 相对湿度与茎流速率的日变化规律

图7 室内CO2浓度与茎流速率的日变化规律

2.6 环境因子与茎流速率间的相关性

选取光合有效辐射、室内温度、室内相对湿度、室内二氧化碳浓度作为影响温室番茄茎流速率的4个环境因子,通过对环境因子数据进行处理和计算,得到了环境因子与番茄茎流速率之间的皮尔逊相关系数，见表2。

由表2可知,4个环境因子与茎流速率间的相关性都达到了显著水平(P<0.05),其中光合有效辐射、室内相对湿度、室内温度与茎流速率间的相关性都达到了极显著水平(P<0.01)。光合有效辐射和室内温度与茎流速率呈显著正相关,而室内相对湿度和室内CO2浓度与茎流速率呈显著负相关。表明选取的4个环境因子与温室番茄茎流速率间存在一定程度的线性相关关系,茎流速率与光合有效辐射间的相关系数大于与温度间的相关系数,说明光合有效辐射与茎流速率的正相关更显著;另外,室内相对湿度与茎流速率的负相关较室内CO2浓度更显著。

表2 环境因子与番茄茎流速率之间的皮尔逊相关系数

2.7 模型建立

番茄茎秆内液流是植物内水分运输的物理过程,但茎流速率的变化不是独立的，而是与环境因子之间存在紧密的联系。根据上述相关性分析结果，各环境因子与茎流速率的相关程度排序为:光合有效辐射>相对湿度>温度>CO2浓度。为了进一步分析各个环境因子对番茄茎流速率的综合影响,根据番茄结果期28 d的试验数据,建立了多元二次多项式回归方程，其回归项的检验结果见表3,其中一次项、二次项、交叉项和多项式模型的P值均小于0.0001,说明所建立的回归模型达到了显著水平。表4为回归参数的估计和检验结果,决定系数为0.7434,说明该回归模型对茎流速率变化的解释程度为74.34%。

表3 回归项的检验结果及其决定系数

表4 回归参数的估计和检验结果

3 结论与讨论

应用热平衡法对番茄的茎流速率数据进行采集。番茄的茎流速率具有明显的时间变化规律,无论是在晴天还是在阴天,茎流速率的曲线总体呈单峰状,在高峰阶段呈多峰波动,且在晴天的波动幅度与次数均大于阴天。晴天的茎流速率启动时间明显,且晴天早于阴天。茎流的停止时间不明显,且晴天滞后于阴天。番茄茎秆内液流在晴天的活跃时间长度和茎流日累积量均大于阴天。

皮尔逊相关分析结果表明，4个环境因子与番茄茎流速率间的相关性都达到了显著或极显著水平,其中光合有效辐射和室内温度与茎流速率呈显著正相关,而室内相对湿度和室内CO2浓度与茎流速率呈显著负相关。各环境因子与茎流速率间的相关程度表现为:光合有效辐射>相对湿度>温度>CO2浓度。

建立了番茄茎流速率与各个环境因子间的多元二次多项式回归方程,该模型的P值<0.0001,说明回归模型显著;决定系数为0.7434,说明回归模型对茎流速率变化的解释程度为74.34%。

番茄植株在结果期以生长果实为主,需要水、肥供应充足且波动小,所以研究番茄结果期茎流速率的变化规律,把控番茄水、肥供需规律以及茎流速率与环境因子之间的关系,对温室内智能水、肥供应和环境调控的实现具有重要意义,以保证番茄早熟丰产。