氣象因子對(duì)負(fù)水頭供液下番茄日耗液量的敏感性分析

張 芳 張建豐 薛緒掌 王利春 陳曉麗 李友麗

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院， 西安 710048)

氣象因子對(duì)負(fù)水頭供液下番茄日耗液量的敏感性分析

張 芳1張建豐2薛緒掌1王利春1陳曉麗1李友麗1

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院， 西安 710048)

以番茄為試驗(yàn)材料，測(cè)定其在溫室內(nèi)基質(zhì)栽培負(fù)水頭供液條件下的日耗液量、空氣相對(duì)濕度、氣溫和太陽輻射強(qiáng)度等氣象因子數(shù)據(jù)，采用通徑分析方法，建立多元回歸模型，計(jì)算各氣象因子對(duì)番茄日耗液量的直接通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)、決定系數(shù)和對(duì)回歸方程估測(cè)可靠程度R2的總貢獻(xiàn)值。結(jié)果表明：作物系數(shù)和日平均太陽輻射強(qiáng)度的直接通徑系數(shù)達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，2個(gè)因子的決定系數(shù)和對(duì)R2總貢獻(xiàn)值最大，是影響番茄日耗液量的重要因子；氣象因子減少對(duì)番茄日耗液量影響的通徑分析發(fā)現(xiàn)，敏感性最強(qiáng)的氣象因子是日平均太陽輻射強(qiáng)度，其次分別是作物系數(shù)和日最高太陽輻射強(qiáng)度。

番茄; 日耗液量; 負(fù)水頭灌溉技術(shù)； 氣象因子； 通徑分析； 敏感性

引言

近20 a來，為了適應(yīng)人民生活水平提高和廣大城市居民對(duì)高品質(zhì)和高產(chǎn)量蔬菜的需求，大力實(shí)施了溫室營(yíng)養(yǎng)液型基質(zhì)栽培，即在溫室內(nèi)當(dāng)基質(zhì)中僅含有一定比例草炭 (無其它有機(jī)肥) 時(shí)，由營(yíng)養(yǎng)液全程補(bǔ)充供給蔬菜生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素和水分的基質(zhì)栽培[1-3]。在此栽培方式下，由于蔬菜根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中氮、磷、鉀的吸收量大于鈣、鎂、硫的吸收量，會(huì)在基質(zhì)中出現(xiàn)鈣、鎂離子富集的鹽分累積現(xiàn)象；還由于根系分泌物和脫落死亡的根表皮細(xì)胞會(huì)存留在基質(zhì)中而改變基質(zhì)的性質(zhì)，所以對(duì)蔬菜供給營(yíng)養(yǎng)液的同時(shí)還需要對(duì)基質(zhì)進(jìn)行淋洗，進(jìn)而促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量并改善蔬菜品質(zhì)[4]。

負(fù)水頭灌溉技術(shù)是較新穎的節(jié)水灌溉技術(shù)之一[5]。解迎革[6]將負(fù)水頭灌溉技術(shù)表述為將供水壓力控制為負(fù)壓進(jìn)行灌溉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤含水量精確和持續(xù)控制的技術(shù)，可抑制土表無效蒸發(fā)和地下滲漏，達(dá)到節(jié)約水資源的目的。此技術(shù)根據(jù)設(shè)定的負(fù)水頭使土壤含水量基本穩(wěn)定地維持在目標(biāo)含水量，可保證及時(shí)、精確和持續(xù)向作物根系供給水分。目前研究人員主要研究負(fù)水頭灌溉技術(shù)在土壤栽培條件下的番茄耗水量[6-10]，或是有機(jī)基質(zhì)栽培條件下的番茄耗液量[11]，但無淋洗環(huán)節(jié)，所以國(guó)內(nèi)外有關(guān)營(yíng)養(yǎng)液型基質(zhì)栽培基于負(fù)水頭灌溉技術(shù)的營(yíng)養(yǎng)液淋洗條件下番茄日耗液量的研究較少[12-13]，尤其是淋洗條件下氣象因子對(duì)溫室番茄日耗液量的影響和影響因子敏感性的分析報(bào)道較少。為了建立溫室基質(zhì)栽培負(fù)水頭供液下番茄供液量的決策管理體系，開展相關(guān)試驗(yàn)，研究氣象因子間的關(guān)系和對(duì)番茄耗液量的影響，具有重要的研究意義。

影響植物耗液量的各個(gè)氣象因子不是孤立的，它們共同作用于植物耗液，且相互影響，即各因子之間具有相關(guān)性，且各因子又均與植物耗液量相關(guān)，所以各因子與植物耗液量之間的相關(guān)系數(shù)既包含各因子對(duì)植物耗液量的直接貢獻(xiàn)，也包含各因子通過其余因子對(duì)植物耗液量的間接貢獻(xiàn)[14]。通徑分析在多元回歸的基礎(chǔ)上將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)(某一自變量對(duì)因變量的直接作用) 和間接通徑系數(shù)(該自變量通過其它自變量對(duì)因變量的間接作用)[15]。因此利用通徑分析研究植物耗液量與氣象因子之間的數(shù)量關(guān)系具有更大的優(yōu)越性。本文采用通徑分析方法探討空氣相對(duì)濕度、氣溫、太陽輻射強(qiáng)度等溫室氣象因子和作物系數(shù)對(duì)負(fù)水頭供液下番茄日耗液量的影響程度及復(fù)雜關(guān)系，尋求并確定各影響因子對(duì)番茄日耗液量的直接和間接作用、決定系數(shù)、對(duì)回歸方程可靠程度R2的總貢獻(xiàn)值及各氣象因子對(duì)番茄日耗液量的相對(duì)敏感性，以期為負(fù)水頭供液下溫室番茄營(yíng)養(yǎng)液供給管理方法提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年4—8月份在北京市小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行。4月26日定植， 5月5日開始進(jìn)行處理，留4穗果后去生長(zhǎng)點(diǎn)，8月10日結(jié)束試驗(yàn)。溫室透光率為75%左右。

供試品種為番茄，品名為仙客8號(hào)。基質(zhì)配方為草炭、蛭石和珍珠巖，其體積比為5∶3∶1，基質(zhì)容重0.3 g/cm3，總孔隙度80.5%，pH值6.95，電導(dǎo)率(EC)0.98 mS/cm，基質(zhì)持水量0.62 cm3/cm3。

負(fù)水頭決策供液裝置是根據(jù)負(fù)水頭供水控水盆栽裝置[16]改進(jìn)的。該裝置主要由負(fù)水頭供液裝置、淋洗裝置、控制器和盆栽容器組成，其中負(fù)水頭供液裝置由供水盤、儲(chǔ)液桶、控壓管、導(dǎo)氣管、液位管、壓力傳感器等組成，如圖1所示；淋洗裝置由淋洗液桶、潛水泵、電磁閥和滴灌管組成。供水盤為多孔陶瓷材質(zhì)，直徑19 cm、厚1.5 cm，內(nèi)部為空腔，當(dāng)空腔內(nèi)儲(chǔ)滿水時(shí)，供水盤透水不透氣。儲(chǔ)液桶高100 cm、內(nèi)徑15.5 cm。壓力傳感器測(cè)量范圍為-20～0 kPa，對(duì)應(yīng)的電壓輸出范圍為1～5 V。

圖1 負(fù)水頭供液裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of nutrient solution supplying device with negative pressure1.供水盤 2.出水口 3.控壓管 4.導(dǎo)氣管 5.壓力傳感器 6.儲(chǔ)液桶 7.連接管

1.2 負(fù)水頭供液原理

圖1為負(fù)水頭供液裝置。當(dāng)作物根系從基質(zhì)中吸收水分后，根系附近的供水盤周圍基質(zhì)水勢(shì)減小，且小于供水盤內(nèi)水勢(shì)，則供水盤內(nèi)的液量通過基質(zhì)勢(shì)作用緩慢滲入基質(zhì)，用于補(bǔ)給作物消耗的液量，然后儲(chǔ)液桶內(nèi)液量在大氣作用下進(jìn)入供水盤，此時(shí)儲(chǔ)液桶內(nèi)部壓強(qiáng)減小。如此不斷循環(huán)，儲(chǔ)液桶內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液在負(fù)壓條件下連續(xù)滲入基質(zhì)中，并被作物根系吸收。當(dāng)基質(zhì)水勢(shì)等于供水盤內(nèi)水勢(shì)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，供水盤內(nèi)水分不再運(yùn)動(dòng)，則基質(zhì)含水量維持穩(wěn)定[11,17]。

循環(huán)過程中，由于控壓管底端與導(dǎo)氣管相連，即與大氣相通，則控壓管底部的壓強(qiáng)為Pa。當(dāng)控壓管內(nèi)水位高度為h1時(shí)，控壓管液面處和連接管與儲(chǔ)液桶連接處的壓強(qiáng)均為

P1=Pa-ρgh1

(1)

式中ρ——營(yíng)養(yǎng)液密度g——重力加速度Pa——大氣壓強(qiáng)

供水盤中心處和連接管與儲(chǔ)液桶連接處的高度差為h2，則供水盤中心處的壓強(qiáng)為

P2=P1+ρgh2

(2)

由式(1)和式(2)可得

Δh=h2-h1

(3)

式中 Δh——控制儲(chǔ)液桶內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)入基質(zhì)液量的負(fù)水頭

通過調(diào)節(jié)不同負(fù)水頭，則可控制不同的基質(zhì)含水量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)負(fù)水頭儲(chǔ)液桶內(nèi)水位每下降1 cm時(shí)，即單株番茄分別消耗儲(chǔ)液桶內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液0.14 mm，需淋洗1次，淋洗量計(jì)算式為

(4)

式中WL——基于負(fù)水頭裝置決策供液下單盆單株番茄相鄰2次淋洗時(shí)段內(nèi)的平均淋洗量，mm/d

WD——負(fù)水頭儲(chǔ)液桶內(nèi)水位每下降1 cm時(shí)減少的液量，cm3

α——淋洗系數(shù)，取0.3

θfc——基質(zhì)持水量，cm3/cm3

θv——基質(zhì)含水量，本試驗(yàn)負(fù)水頭盆栽裝置采用的負(fù)壓為0.5 kPa，其對(duì)應(yīng)的基質(zhì)含水量為0.59 cm3/cm3

V——減去供水盤體積后單盆單株番茄的基質(zhì)體積，cm3

A——單株栽培面積，cm2

t——定植后9～107 d內(nèi)相鄰2次淋洗歷經(jīng)的時(shí)間，d

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)重復(fù)，番茄株距50 cm，每株番茄的盆底均安裝1個(gè)供水盤，每個(gè)重復(fù)由1個(gè)負(fù)水頭供液裝置和淋洗裝置進(jìn)行供液和淋洗。每個(gè)淋洗液桶內(nèi)放置1個(gè)潛水泵，潛水泵出水口與滴灌管的連接處安裝電磁閥，滴灌管鋪于盆栽容器上，滴頭分別對(duì)準(zhǔn)番茄莖基部，如圖2所示。種植番茄的盆栽容器內(nèi)長(zhǎng)、寬、高分別為29、24、19 cm，盆底中心設(shè)排液孔，孔徑2 cm，排液孔下放置排液收集容器，如圖3所示。定植后各處理基質(zhì)表面覆膜，防止基質(zhì)蒸發(fā)。

圖2 負(fù)水頭供液裝置和淋洗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of supplying device and leaching device with negative pressure1.負(fù)水頭供液裝置 2.控制器 3.連接管 4.番茄植株 5.基質(zhì) 6.盆栽容器 7.滴灌管 8.電磁閥 9.淋洗液桶

圖3 盆栽容器及排液收集容器剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of potted container and collection of drainage1.番茄植株 2.手動(dòng)閥門 3.連接管 4.排液孔 5.供水盤 6.收集容器 7.地面

儲(chǔ)液桶內(nèi)水位(H)與壓強(qiáng)(P)的關(guān)系為P=0.020 5H+1.141 7，R2=0.990 1?？刂破鞲鶕?jù)壓強(qiáng)變化幅度判斷是否開啟電磁閥和潛水泵，若大于等于儲(chǔ)液桶內(nèi)液位變化1 cm對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)變化幅度，則開啟電磁閥和潛水泵進(jìn)行淋洗，完成后關(guān)閉電磁閥和潛水泵。

營(yíng)養(yǎng)液采用日本山崎番茄配方配制，于番茄定植-開花前，開花-第1穗果坐果前和第1穗花坐果-采收結(jié)束3個(gè)生育期分別供給EC為1.5、2.0、2.5 mS/cm的營(yíng)養(yǎng)液[18]。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

單株番茄每天平均耗液強(qiáng)度分別按以下情況計(jì)算：

(1)1 d內(nèi)儲(chǔ)液桶內(nèi)下降液量未達(dá)到淋洗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，單株番茄每天的平均耗液量為單株番茄相鄰2次淋洗時(shí)段內(nèi)的平均耗液量，計(jì)算式為

(5)

式中ETN——基于負(fù)水頭決策下單株番茄每天平均耗液量，mm/d

WD——負(fù)水頭儲(chǔ)液桶內(nèi)水位下降1 cm時(shí)減少的液量，cm3

n——每個(gè)重復(fù)的盆栽數(shù)量

D——單株番茄排液量，cm3

(2)1 d內(nèi)儲(chǔ)液桶內(nèi)下降液量達(dá)到多次淋洗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，單株番茄每天平均耗液量為每天相鄰2次淋洗時(shí)段內(nèi)的耗液量之和，計(jì)算式為

(6)

式中m——每天淋洗次數(shù)

本試驗(yàn)是在覆膜條件下進(jìn)行，則認(rèn)為基質(zhì)蒸發(fā)量較小，可忽略不計(jì)。

儲(chǔ)液桶內(nèi)壓強(qiáng)變化由壓力傳感器監(jiān)測(cè)。

單株番茄排液量為每次淋洗后單株番茄的基質(zhì)栽培槽中多余營(yíng)養(yǎng)液由排液孔流入收集槽的液量。

利用懸掛于溫室內(nèi)番茄植株上方1 m處的綠云格微型氣象站，每間隔0.5 h監(jiān)測(cè)和采集1次溫室內(nèi)環(huán)境氣象數(shù)據(jù)，然后計(jì)算日平均相對(duì)濕度(%)、日平均氣溫(℃)、日平均太陽輻射強(qiáng)度(MJ/(m2·d))、日平均飽和水汽壓差(kPa)、日最高相對(duì)濕度(%)、日最高氣溫(℃)、日最高太陽輻射強(qiáng)度(MJ/(m2·d))和日最低相對(duì)濕度(%)，共8個(gè)氣象因子，另外再選取作物系數(shù)共同作為負(fù)水頭供液條件下番茄日耗液量(mm/d)的影響因子。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[19-22]的方法，對(duì)氣象因子和日耗液量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，將氣象因子、按順序減少某一氣象因子的剩余因子和按重要性逐步減少某一氣象因子的剩余因子分別與番茄日耗液量進(jìn)行通徑分析，求出各因子對(duì)番茄日耗液量的直接通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)、剩余通徑系數(shù)、決定系數(shù)和對(duì)回歸方程可靠程度R2的總貢獻(xiàn)值。

數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄日耗液量與各氣象因子的通徑分析

選取日平均相對(duì)濕度(x1)、日平均氣溫(x2)、日平均太陽輻射強(qiáng)度(x3)、日平均飽和水汽壓差(x4)、日最高相對(duì)濕度(x5)、日最高氣溫(x6)、日最高太陽輻射強(qiáng)度(x7)、日最低相對(duì)濕度(x8)和作物系數(shù)(x9)作為自變量，番茄日耗液量(y)作為因變量。由表1看出，x8對(duì)y的總作用為-0.260，其相關(guān)程度達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其余因子對(duì)y的總作用的絕對(duì)值均在0.400～0.878之間，且與y的相關(guān)程度均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。這表明所選取的氣象因子與日耗液量具有一定程度的線性相關(guān)關(guān)系。其中，x3、x5、x9與y的直接通徑系數(shù)達(dá)極顯著相關(guān)(P<0.01)，x8與y的直接通徑系數(shù)呈顯著相關(guān)(P<0.05)，其余因子雖與y的直接通徑系數(shù)未達(dá)顯著水平，但均通過其它因子對(duì)y產(chǎn)生極顯著影響(P<0.01)。

經(jīng)分析計(jì)算得出番茄日耗液量與各氣象因子之間的線性回歸方程為

y=5.475+0.071x1+0.005x2+0.131x3+0.599x4-

0.073x5-0.026x6+0.029x7-0.049x8+3.768x9

(7)

由方差分析知，F(xiàn)=167.399(P<0.01)，方差分析極顯著，則方差分析有意義，并且R2=0.958(P<0.01)(n=89)，說明通徑分析有意義。

通過計(jì)算得到剩余通徑系數(shù)為0.205，說明還有對(duì)番茄日耗液量影響較重要的因素未被考慮，在選取影響因子時(shí)還需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

表2中，將各氣象因子對(duì)番茄日耗液量的決定系數(shù)和對(duì)回歸方程可靠程度R2的總貢獻(xiàn)按照絕對(duì)值排序后，得到?jīng)Q定系數(shù)中最大的前5個(gè)分別是dy9、dy29、dy39、dy79和dy3，其中x9、x3和x7對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值是排序最大的3項(xiàng)。由表1可知，x9和x3的直接通徑系數(shù)是極顯著的(P<0.01)，其中x3的直接通徑系數(shù)小于x9的，可大致認(rèn)為絕對(duì)值大于dy3的決定系數(shù)為顯著，小于dy3的決定系數(shù)為不顯著。

由上述9個(gè)因子對(duì)番茄日耗液量的通徑分析結(jié)果得到x9的直接通徑系數(shù)、決定系數(shù)和對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值分別為0.451、0.361和0.204，均為3個(gè)評(píng)判因子中各因子之首，說明作物系數(shù)x9是影響番茄日耗液量y的重要指標(biāo)；x2和x9共同對(duì)y的決定系數(shù)為0.182，為決定系數(shù)的第2位，且兩者的相關(guān)系數(shù)為0.671，數(shù)值相對(duì)較高，表明日平均溫度x2可促進(jìn)作物系數(shù)x9的提高，從而增加番茄日耗液量y；x3和x9共同對(duì)y的決定系數(shù)為0.176，為決定系數(shù)的第3位，且兩者對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值排前2位，另外，x3的直接通徑系數(shù)為0.376，決定系數(shù)為0.142，數(shù)值較大，說明提高日平均太陽輻射強(qiáng)度x3的同時(shí)也可促進(jìn)作物系數(shù)x9的提高，進(jìn)而增加番茄日耗液量y；x7和x9共同對(duì)y的決定系數(shù)為0.147，為決定系數(shù)的第4位，并且兩者對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值分別排第3位和第1位，說明提高日最高太陽輻射強(qiáng)度x7可利于提高作物系數(shù)x9，從而增加番茄日耗液量；x1和x8共同對(duì)y的決定系數(shù)為0.139，其中x8的決定系數(shù)為0.091，并且兩者對(duì)R2的總貢獻(xiàn)的絕對(duì)值分別排第4位和第7位，另外，x1和x8對(duì)y的總作用分別為-0.400和-0.260，說明降低日平均相對(duì)濕度x1和日最低相對(duì)濕度x8可利于增加番茄日耗液量y；剩余項(xiàng)ε對(duì)番茄日耗液量的決定系數(shù)為0.042，排第13位，但其直接通徑系數(shù)為0.205，表明存在較大的試驗(yàn)誤差(儀器誤差)，或是在本試驗(yàn)中其它影響番茄日耗液量較大的因子未被考慮。

表1 溫室氣象因子對(duì)負(fù)水頭供液條件下番茄日耗液量的直接作用和間接作用影響分析Tab.1 Impact analysis of meteorological factors on direct and indirect actions of tomato daily consumption of nutrient solution using negative pressure in greenhouse

注：*表示P<0.05水平顯著；** 表示P<0.01水平顯著；ε表示剩余因子。

表2 各因子對(duì)番茄日耗液量的決定系數(shù)和對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值排序Tab.2 Determination coefficient of factors to daily consumption of tomato and total contribution rate to R2

2.2 氣象因子敏感性分析

2.2.1 8個(gè)氣象因子對(duì)番茄日耗液量的通徑分析

表3和表4為9個(gè)氣象因子減少為8個(gè)后各因子對(duì)番茄日耗液量的直接作用和間接作用影響及各因子對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值的變化。由表3看出，將日平均相對(duì)濕度x1、日最高相對(duì)濕度x5和日最低相對(duì)濕度x8去掉任一因子，均會(huì)引起其余2個(gè)因子的直接和間接作用發(fā)生較大變化(去掉x1引起x5變化除外)；同樣，分別去掉日平均太陽輻射強(qiáng)度x3和日最高太陽輻射強(qiáng)度x7，會(huì)引起x7和x3的變化；去掉日平均飽和水汽壓差x4，引起日平均相對(duì)濕度x1、日平均氣溫x2和日最低相對(duì)濕度x8的變化；去掉作物系數(shù)x9，引起日平均氣溫x2、日最高氣溫x6和日最高太陽輻射強(qiáng)度x7的變化。說明日平均相對(duì)濕度、日平均太陽輻射強(qiáng)度、日平均飽和水汽壓差、日最高相對(duì)濕度、日最高太陽輻射強(qiáng)度、日最低相對(duì)濕度和作物系數(shù)的敏感性和重要性對(duì)番茄日耗液量的影響較大。同理，表4中，分別去掉作物系數(shù)x9和日平均太陽輻射強(qiáng)度x3時(shí)R2由0.958分別降為0.888和0.950，使剩余項(xiàng)ε對(duì)番茄日耗液量的決定系數(shù)dyε由0.042分別增加到0.112和0.050，說明所去掉的因子是引起番茄日耗液量變化較大的影響因子。去掉x2和x6時(shí)，二者的變化較小。由上述所知，作物系數(shù)和日平均太陽輻射強(qiáng)度對(duì)番茄日耗液量影響較大。

2.2.2 逐步減少氣象因子對(duì)番茄日耗液量的通徑分析

由表3和表4可看到，x2的直接通徑系數(shù)和對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值較小，在去掉x2后其余8個(gè)因子的通徑分析結(jié)果(表5、表6)顯示，x4、x5和x8對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值均較小，其中x4和x5的直接通徑系數(shù)最小，并且x4對(duì)番茄日耗液量的間接作用比x5大，所以去掉x5；以此類推，依次去掉影響最不敏感的因子x5、x8、x1、x6、x4和x7再進(jìn)行通徑分析；最后剩下日平均太陽輻射強(qiáng)度x3和作物系數(shù)x9，對(duì)比通徑分析結(jié)果看出雖然x9的間接作用(0.325)比x3的間接作用(0.246)大，但是x9的直接作用(0.475)和對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值(0.380)比x3的直接作用(0.628)和對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值(0.548)小，所以去掉x9。結(jié)果顯示，日平均太陽輻射強(qiáng)度x3對(duì)番茄日耗液量的影響最大。綜上所述，9個(gè)因子對(duì)番茄日耗液量影響的敏感性由大到小排序?yàn)閤3、x9、x7、x4、x6、x1、x8、x5、x2。

表3 氣象因子減少對(duì)番茄日耗液量通徑分析的直接和間接作用影響分析Tab.3 Impact analysis of reduction of meteorological factors on direct and indirect actions of tomato daily consumption with path analysis

注：ryi(i=1,2,…,9)表示各因子(i)與番茄日耗液量(y)之間的相關(guān)性，下同。

表4 氣象因子減少對(duì)番茄日耗液量通徑分析中的R2的總貢獻(xiàn)值影響分析Tab.4 Impact analysis of reduction of meteorological factors on total contribution rate to R2 of tomato daily consumption with path analysis

表5 逐步減少最不敏感氣象因子對(duì)番茄日耗液量通徑分析的直接和間接作用影響分析Tab.5 Impact analysis of gradual reduction of the least sensitive meteorological factors on direct and indirect actions of tomato daily consumption with path analysis

表6 逐步減少最不敏感氣象因子對(duì)番茄日耗液量通徑分析中的R2的總貢獻(xiàn)值影響分析Tab.6 Impact analysis of gradual reduction of the least sensitive meteorological factors on total contribution rate to R2of tomato daily consumption with path analysis

隨著逐步減少最不敏感的影響因子，可看到剩余項(xiàng)ε的決定系數(shù)dyε逐漸增大，說明番茄日耗液量是多種影響因素綜合作用的結(jié)果，并且各因子間存在相互聯(lián)系和影響的關(guān)系。

3 討論

3.1 負(fù)水頭供液下水勢(shì)與氣象因子的關(guān)系

在負(fù)水頭供液條件下，研究人員在北京地區(qū)溫室內(nèi)進(jìn)行基質(zhì)栽培番茄(春夏茬和夏秋茬)試驗(yàn)，李霞[23]和周繼華等[12]先后將負(fù)水頭分別設(shè)為1、3、5、7 kPa，發(fā)現(xiàn)不同負(fù)水頭處理下的番茄日蒸騰量分別與氣象因子的回歸方程、日平均光照強(qiáng)度和溫度(1 kPa下夏秋茬番茄除外)呈極顯著正相關(guān)，其中1 kPa下夏秋茬番茄和5 kPa下春夏茬番茄的日蒸騰量均與空氣相對(duì)濕度呈極顯著的負(fù)相關(guān)，其它夏秋茬番茄日蒸騰量與空氣相對(duì)濕度的相關(guān)性不顯著。本研究的種植區(qū)域和時(shí)間與春夏茬番茄試驗(yàn)相同，且結(jié)論一致；而與夏秋茬番茄的結(jié)論不盡相同，可能是受到種植時(shí)間的影響，但與影響番茄日蒸騰量的主要因素是日平均光照強(qiáng)度的結(jié)論相同，說明日平均光照強(qiáng)度在北京地區(qū)對(duì)番茄日蒸騰量的作用不受種植時(shí)間影響。

非負(fù)水頭供液條件下，當(dāng)氣象因子和土壤含水量處于適宜植物生長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí)，不同植物的蒸騰速率與氣象因子的關(guān)系與上述結(jié)論基本一致[24-26]。但當(dāng)植物處于水分脅迫和過飽和情況下，其蒸騰量與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)逐漸下降[26]。根據(jù)李霞[23]和周繼華等[12]的結(jié)果和本研究中的數(shù)據(jù)來看，在負(fù)水頭為0.5～7 kPa范圍內(nèi)，番茄日蒸騰量與氣象因子的回歸方程相關(guān)性隨負(fù)水頭的升高而增大。

3.2 氣象因子間和敏感性因子間的相互影響

本研究對(duì)影響負(fù)水頭供液條件下番茄日耗液量的9個(gè)氣象因子進(jìn)行了通徑分析，并得出影響因子的敏感性排序，由大到小依次為日平均太陽輻射強(qiáng)度、作物系數(shù)、日最高太陽輻射強(qiáng)度、日平均飽和水汽壓差、日最高氣溫、日平均相對(duì)濕度、日最低相對(duì)濕度、日最高相對(duì)濕度、日平均氣溫。由此看出，氣象指標(biāo)對(duì)負(fù)水頭供液條件下番茄日耗液量影響敏感性強(qiáng)度的排序依次是太陽輻射強(qiáng)度、飽和水汽壓差、相對(duì)濕度和氣溫。

本研究中由于基質(zhì)表面覆膜防止水分蒸發(fā)，排液量進(jìn)行收集和測(cè)量，則番茄的日耗液量可近似看作是番茄植株的蒸騰量。蒸騰作用是復(fù)雜的植物生理過程，在此過程中植物根據(jù)變化著的氣象和栽培介質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)體內(nèi)水分平衡并適應(yīng)，所以蒸騰與環(huán)境因子關(guān)系密切。MEINZER[27]研究認(rèn)為植物氣孔導(dǎo)度和土壤植物系統(tǒng)總水力導(dǎo)度協(xié)同調(diào)控蒸騰作用，并通過對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)共同維持光合能力最大化和水分傳輸安全性間的平衡。從物理學(xué)和植物生理學(xué)角度看，光輻射效應(yīng)是蒸騰作用的能量來源，隨著光輻射強(qiáng)度升高，溫度升高，水分?jǐn)U散加劇，空氣相對(duì)濕度降低，空氣飽和水汽壓差和葉內(nèi)外水汽壓差增大[28]，此時(shí)植株木質(zhì)部長(zhǎng)距離水分傳輸?shù)耐〞承訹29]、水孔蛋白和酶的活性受到影響[30]，植物激素ABA含量增加，葉片氣孔導(dǎo)度增大，則葉片水分傳導(dǎo)度升高，當(dāng)各氣象因子和植物激素ABA含量達(dá)到一定限值時(shí)，葉片氣孔導(dǎo)度減小，則葉片水分傳導(dǎo)度降低，所以氣孔導(dǎo)度與土壤植物系統(tǒng)總水力導(dǎo)度維持平衡時(shí)，通過對(duì)太陽光輻射、水汽壓差、相對(duì)濕度和溫度的響應(yīng)，才會(huì)促進(jìn)植物蒸騰[31]。

從9個(gè)氣象因子對(duì)負(fù)水頭供液條件下番茄日耗液量影響敏感性的統(tǒng)計(jì)分析角度看，各氣象因子間通過互作效應(yīng)對(duì)番茄日耗液量有不同程度的決定作用，影響較大的因子是作物系數(shù)和日平均太陽輻射強(qiáng)度，其中敏感性最強(qiáng)的因子是日平均太陽輻射強(qiáng)度，其次分別是作物系數(shù)和日最高太陽輻射強(qiáng)度。由表5和表6可知，日平均太陽輻射強(qiáng)度的直接作用和對(duì)R2的總貢獻(xiàn)值均是9個(gè)因子中最大值，其次是作物系數(shù)和日最高太陽輻射強(qiáng)度，說明日平均太陽輻射強(qiáng)度對(duì)番茄日耗液量的影響敏感性和重要性最強(qiáng)，由表1看出，它不僅通過自身對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生正影響，還通過對(duì)作物系數(shù)、日最高太陽輻射強(qiáng)度、日平均飽和水汽壓差和日最高相對(duì)濕度的增強(qiáng)作用對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生間接正影響；作物系數(shù)反映了各種環(huán)境因素和作物對(duì)需水量的影響，包括空氣動(dòng)力學(xué)阻力、表面阻力、作物品種、作物長(zhǎng)勢(shì)和栽培技術(shù)等[32]，它不僅通過自身對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生正影響，還通過對(duì)日平均太陽輻射強(qiáng)度、日最高太陽輻射強(qiáng)度和日平均飽和水汽壓差的增強(qiáng)作用對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生間接正影響；日最高太陽輻射強(qiáng)度通過對(duì)日平均太陽輻射強(qiáng)度、作物系數(shù)、日平均飽和水汽壓差和日最高相對(duì)濕度的增強(qiáng)作用對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生間接正影響。雖然上述3個(gè)影響敏感性較強(qiáng)的因子均未通過氣溫對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生間接影響，但是日平均氣溫與番茄日耗液量的相關(guān)性呈極顯著水平(P<0.01)，因?yàn)槿掌骄鶜鉁赝ㄟ^日最高相對(duì)濕度和日最低相對(duì)濕度對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生較大的增強(qiáng)作用與其通過日平均相對(duì)濕度和日最高氣溫對(duì)番茄日耗液量產(chǎn)生的限制作用基本相互抵消，則日平均氣溫通過作物系數(shù)、日平均太陽輻射強(qiáng)度、日最高太陽輻射強(qiáng)度和日平均飽和水汽壓差對(duì)番茄日耗液量的增強(qiáng)作用是影響其與番茄日耗液量相關(guān)程度的主導(dǎo)因素。

由上述可知，在生產(chǎn)實(shí)踐中，利用負(fù)水頭供液裝置進(jìn)行決策供液時(shí)，需要優(yōu)先控制溫室內(nèi)日平均太陽輻射強(qiáng)度的變化，使其處于適宜范圍內(nèi)，進(jìn)而有效控制溫室內(nèi)飽和水汽壓差、空氣相對(duì)濕度和氣溫。研究表明[18]，溫室番茄適宜生長(zhǎng)的太陽輻射強(qiáng)度為44～51 W/m2，空氣相對(duì)濕度為50%～60%，適宜氣溫為25～28℃(最高不超過35℃，最低不低于10℃)，CO2摩爾比濃度為600～1 000 μmol/mol。另外，采用通徑分析方法時(shí)需要盡可能多地考慮到所有影響因子，并且進(jìn)行長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)觀測(cè)，使樣本盡量多且完善，才會(huì)取得更精確的分析結(jié)果。本研究還需要考慮溫室CO2濃度和風(fēng)速等氣象影響因素、土壤水力因素和植物生理因素做進(jìn)一步試驗(yàn)。

4 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)所選因子中，作物系數(shù)和日平均太陽輻射強(qiáng)度的直接通徑系數(shù)達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，2個(gè)因子的決定系數(shù)和對(duì)R2總貢獻(xiàn)值最大，是影響番茄日耗液量的重要因子。

(2)根據(jù)氣象因子減少對(duì)番茄日耗液量影響的通徑分析發(fā)現(xiàn)，敏感性最強(qiáng)的氣象因子是日平均太陽輻射強(qiáng)度，其次分別是作物系數(shù)和日最高太陽輻射強(qiáng)度。

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Sensibility Analysis of Meteorological Factors on Daily Consumption of Nutrient Solution for Tomato Using Negative Pressure

ZHANG Fang1ZHANG Jianfeng2XUE Xuzhang1WANG Lichun1CHEN Xiaoli1LI Youli1

(1.BeijingResearchCenterofIntelligentEquipmentforAgriculture,Beijing100097,China2.InstituteofWaterResourcesandHydro-electricEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China)

Negative pressure irrigation technique, which is one of the new irrigation technology for saving water, was applied to substrate culture in greenhouse. There were fewer researches on the relationship between the daily consumption of tomato and meteorological factors added to the leaching link in substrate culture. The daily consumption of plant was affected by the interaction with meteorological factors and by the sensitivity of the meteorological factors. It was beneficial to develop the system of supplying nutrient solution and the management methods with substrate culture using negative pressure in greenhouse based on mastering above relationships. Tomato was used as a material with substrate culture testing for the condition of negative pressure to supply nutrient solution. The daily consumption of nutrient solution and meteorological factors, e.g., air relative humidity, air temperature and solar radiation intensity, were measured. Based on these factors, a multivariate regression model was established and the direct path coefficient, indirect path coefficient, determination coefficient and total contributions for estimating the reliability degree of the regression model were calculated by path analysis method. The results showed that the direct path coefficients of crop coefficient and daily average solar radiation intensity reached a very significant level (P<0.01). The determination coefficient of these two factors and the contributions toR2among the factors were the maximum, thus the two factors were the important meteorological factors on daily consumption of nutrient solution for tomato.From the effect of meteorological factors reduction on daily consumption value by path analysis, it was indicated that the daily average solar radiation intensity was the strongest sensitive factors, followed by the crop coefficient and daily maximum solar radiation intensity.

tomato; daily consumption of nutrient solution; negative pressure irrigation technique; meteorological factors; path analysis; sensitivity

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.026

2016-12-10

2017-01-25

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(6142008)

張芳(1984—)，女，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究，E-mail： zf200612915@126.com

薛緒掌(1967—)，男，研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研究，E-mail： xuexz@nercita.org.cn

S641.2

A

1000-1298(2017)08-0229-10