夏秋两季露地生菜耗水规律及作物系数

李尤亮，周筱妍，曹 言，张 雷，王 杰

（1云南省水利水电科学研究院，昆明 650228；2高原立体气候条件作物需水云南省野外科学观测研究站，昆明 650228）

0 引言

生菜俗称叶用莴苣，属于菊科莴苣属，原产欧洲地中海沿岸[1]。生菜不仅富含维生素、蛋白质、钙等营养物质，还含有葛芭素、甘露醇等，在促进人体血液循环、降低胆固醇、镇痛催眠、利尿等方面具有一定的作用[2-3]，同时，其栽培生育周期短、病虫害相对较少、经济价值高等优势，在农户中已成为受欢迎的种植作物之一[4]。目前，云南滇中地区的嵩明县、麒麟区、陆良县等地已成为速生叶菜主产区，意大利生菜、油麦菜等绿叶蔬菜成为主要种植作物[5]。国内许多学者对作物耗水规律开展了大量研究，主要集中在水稻[6]、玉米[7-8]、小麦[9]等粮食作物，关于蔬菜方面的研究以设施农业条件下黄瓜[10]、番茄[11]、苦瓜[12]等作物为主。当前，国内学者关于生菜需水规律方面开展了一些研究，如裴芸等[13-14]以弘农和绿领生菜品种为材料，研究了塑料大棚栽培条件下不同土壤水分对生菜产量、品质、生理特性的影响，在综合考虑产量、品质、生理特性等因素下，确定了60%的灌水量下限和80%的灌水量上限处理是最适合生菜生长的灌水处理。周继华等[15]在开展痕量灌溉对温室生菜生长和产量及水分利用效率的影响研究时，对不同研究区各处理下生菜的耗水量及耗水强度进行了计算，其耗水总量在54.4～144.4 mm之间，耗水强度在0.66～1.75 mm/d。徐厚成等[16]探索了滴灌条件下春茬露地生菜的适宜灌水量，得出生菜各生育期作物系数，为滴灌条件下生菜的高效生产提供了一定的科学依据。徐俊增等[17]开展了不同移栽时间和栽培方式的滴灌生菜需水规律研究，结果表明，1月和5月移栽的大棚生菜需水量分别为121.4 mm和95.2 mm，而4月和6月移栽的露天生菜需水量分别为113.5 mm和105.9 mm。不同季节、区域和土壤作物耗水规律会存在较大差异，而关于云南滇中区域的生菜耗水试验还未见文献报道，因此本研究以意大利结球生菜为研究对象，以云南滇中地区农民田间农事管理为依据开展了夏季和秋季露地生菜田间耗水试验，采用水量平衡、Penman-Monteith公式探讨生菜耗水规律、作物系数及耗水量的影响因素，为云南省滇中地区露地生菜灌溉制度的制订提供一定的科学依据，为该区域生菜的周年供应和灌溉保障提供一定的科技支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验在云南省灌溉试验中心站进行，试验区位于昆明市呈贡区，地理位置为：25°19′N、112°53′E，海拔1945 m，属低纬高原季风气候，试验区光照充足，年平均日照时数2200 h，多年平均气温14.7℃，最冷月均温度7.7℃，最高月均温20.6℃，全年无霜期285天，全年平均降雨量789.6 mm，降雨主要集中在5—9月，占全年降水量的80%～90%。试验区冬无严寒，夏无酷暑，气候温和。试验地土质为砂壤土，田间持水量41.41%（体积含水率），pH 8.2。

1.2 试验设计

试验地地块面积为140 m2，试验品种为意大利结球生菜，种植方式为起垄种植，垄宽1.5 m，垄高0.15 cm，长9.5 m，株距为30 cm×30 cm，试验设置3个重复，分别安装3套智能土壤墒情自动观测设备，参照徐俊增、徐厚成等[16-17]露地生菜需水规律试验，本试验计划湿润层取40 cm。灌溉方式为微喷灌，喷头喷灌半径为2.5 m，设计喷头流量为50 L/h，计划湿润层取40 cm。生菜定植时施复合肥(N-P2O5-K2O：16-16-16)，施肥量684 kg/hm2，在莲座期和结球期各追施水溶肥(N-P2O5-K2O：30-10-10)1次，施肥量均为37.5 kg/hm2。夏季和秋季生菜生育期划分、灌水及降雨情况统计见表1所示。

表1 夏和秋季生菜生育期划分、灌水及降雨情况统计表

1.3 测定项目及研究方法

1.3.1 测定项目 田间小气候及土壤墒情观测。试验地安装有1套自动气象站一套，自动记录气温、相对湿度、风速、降雨等数据，采集时间间隔为每小时1次。试验小区安装有土壤墒情自动观测设备，可以采集10、20、30、40、50、60 cm处土壤体积含水率和土壤温度，数据采集时间间隔设定为每小时1次。

1.3.2 研究方法

（1）水量平衡方程。农田土壤水分平衡方程常被用于计算作物蒸散量，本研究采用此公式进行生菜耗水量的计算，其公式如(1)所示。

式中：ET为作物耗水量，mm；I为灌水量，mm；P为降雨量，mm；ΔW为土壤贮水量的变化，mm；在计算逐日耗水量时以早晨8:00为界，有降雨或灌溉时，以土壤含水率下降维持稳定时为灌后土壤含水率，G为地下水补给量，mm；R为径流量，mm；S为渗漏量，mm。该式中研究区地块平坦，地下水位较深，地下水的补给量可以忽略不计，G=0，R=0。

（2）Penman-Monteith公式。FAO-56推荐的Penman-Monteith公式经过国内外多年的理论研究与实践已成为计算ET0所采用的公认方法，见式(2)。

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rn为到达作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；在逐日估算时，G=0；T为日平均气温，℃，按日最高气温和日最低气温的算术平均值计算；u2为2 m高处的平均风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；es-ea为饱和水汽压差，kPa；△饱和水汽压曲线的倾率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。

（3）作物系数。采用FAO-56推荐的单作物系数法计算作物各阶段的需水量，对各阶段需水量累加求和进而得到作物全生育期需水量，计算公式见(3)。

式中，ETc为实际作物耗水量(mm)；ET0为参考作物蒸散量(mm)；Kc为作物系数。

1.4 数据分析方法

采用Excel进行数据统计处理及作图，SPSS19.0软件进行通径分析并计算通径系数。

2 结果与分析

2.1 露天生菜参考作物腾发量

2.1.1 生育期田间小气候特征 夏季生菜全生育期平均气温为21.2℃，团棵期和莲座期的平均气温比较接近，团棵期平均气温最高为22.4℃，结球期平均气温最低为20.1℃（见表2）。夏季生菜生育期内最高气温出现在莲座期，其值为31.0℃，最低气温出现在结球期，其值为15.0℃。该季生菜生育期内相对平均湿度为78.0%，在成熟期相对平均湿度最大，其值为84.8%，从团棵期至成熟期内的平均相对湿度随着雨季的到来呈增加趋势。夏季生菜生育期内平均风速为2.9 m/s，平均风速在团棵期达到最大，至成熟期减小至2.2 m/s。该季生菜日照时数达185.8 h，在团棵期最多，至成熟期逐渐减小。

表2 夏季和秋季生菜生育期内气象因子统计表

秋季生菜全生育期平均气温为13.9℃，团棵期和莲座期的平均气温比较接近，莲座期平均气温最高为16.7℃，成熟期平均气温最低为5.4℃。秋季生菜生育期内最高气温与最低气温均出现在结球期，其值分别为23.7、-2.0℃。该季生菜生育期内相对平均湿度为71.7%，在团棵期相对平均湿度最大，其值为79.9%，在莲座期相对平均湿度最小，其值为65.0%。秋季生菜生育期内平均风速为3.2 m/s，平均风速在团棵期最小，至成熟期增大至3.5 m/s。该季生菜日照时数达330.8 h，在结球期最多，成熟期最小。

在全生育期内夏季生菜比秋季平均气温高出7.24℃，夏季生菜各生育期的平均气温均比秋季生菜高，其中在成熟期平均气温较秋季高15.2℃。夏季生菜各生育期的最高、最低气温均比秋季生菜高。夏季生菜全生育期平均相对湿度比秋季生菜高6.29%，夏季生菜在莲座期、结球、成熟期的平均相对湿度均高于秋季，在团棵期低于秋季。夏季生菜全生育期的平均风速比秋季低0.24 m/s，夏季生菜从团棵期至成熟期平均风速呈减小趋势，而秋季生菜则相反。夏季生菜全生育期内日照时数比秋季少145 h。

2.1.2 参考作物腾发量 通过统计可知，夏季生菜全生育期内ET0为161.3 mm，日均值为3.6 mm/d，其中团棵期、莲座期、结球期、成熟期的ET0分别为49.2、39.1、51.7、21.3 mm。夏季生菜生育期内逐日参考作物蒸散量呈减小趋势，在生菜定植后的3天，参考作物蒸散量均超过了6mm/d，最大值6.3mm/d，在结球期出现最小值2.0mm/d（图1）。秋季生菜全生育期ET0为131.6 mm，日均值为2.4 mm/d，其中团棵期、莲座期、结球期、成熟期的ET0分别为20.4、35.5、65.9、9.9 mm。秋季生菜生育期内逐日参考作物蒸散量呈“双峰”型减小趋势，在莲座初期出现最大值为3.4 mm/d，在成熟期出现最小值为0.8 mm/d（图2）。夏季生菜全生育期日均参考作物蒸散量比秋季高1.2 mm/d，在团棵期、莲座期、成熟期的3个生育期参考作物蒸散量均高于秋季，在结球期低于秋季。

图1 夏季生菜生育期内逐日参考作物蒸散量变化趋势

图2 秋季生菜生育期内逐日参考作物蒸散量变化趋势

2.2 生菜耗水量及耗水规律

2.2.1 生菜逐日耗水量分析 根据10～60 cm每层土壤含水率监测数据，采用水量平衡公式分别计算夏、秋季生菜逐日耗水量，其变化趋势如图3、4所示。夏季生菜定植10天内，叶面积较小，耗水量变化趋势较平缓，耗水量较小，介于0.4～1.0 mm/d。在定植10天至37天期间，随着生菜的生长，叶面积逐渐增大，其耗水量呈上升趋势，耗水量最小值为0.4 mm/d，而最大值达3.4 mm/d。定植38天后耗水强度波动幅度明显大于前期，耗水量有所减小。秋季生菜耗逐日水量变化趋势呈双峰型，在生菜定植10天内，耗水量呈上升趋势，并出现一个小矮峰，期间耗水量变化幅度较小，耗水量最小值仅为0.2 mm/d，耗水量最大值为0.6 mm/d。在定植10天至35天期间，耗水量变化趋势趋于平缓，耗水量在0.3～1.5 mm/d之间变化，定植36天后，耗水量又有所上升，并达到整个生育期的最大值，其值为2.3 mm/d。生菜全生育期耗水量，随着作物的生长，干物质的积累，耗水量逐渐呈上升趋势，至结球后期耗水量达到最大值，进入成熟采摘期后有所下降。

图3 夏季生菜生育期内逐日耗水量变化趋势

图4 秋季生菜生育期内逐日耗水量变化趋势

2.2.2 生菜耗水规律 夏季和秋季生菜耗水规律及作物系数计算结果，如表3所示。夏季生菜全生育期耗水量为76.5 mm，全生育期平均耗水强度为1.7 mm/d，生菜耗水强度呈增加趋势，团棵期、莲座期、结球期、成熟采摘期的日耗水强度分别为0.7、1.2、2.3、2.5 mm/d，各生育阶段耗水模数分别为10.6%、16.1%、50.3%、23.0%。秋季生菜全生育期耗水量44.6 mm，全生育期平均耗水强度为0.8 mm/d，各生育期日耗水强度分别为0.4、0.7、0.9、1.2 mm/d，生菜耗水强度呈增加趋势，各生育期的耗水模数分别为8.1%、19.7%、54.1%、18.1%。夏季生菜全生育期耗水量及各生育阶段平均耗水强度均高于秋季，夏季和秋季生菜自团棵期至成熟期平均耗水强度均呈增加趋势，2个季节生菜在结球期历时最长，耗水量最大，均占全生育期耗水量的50%以上。

表3 夏季和秋季生菜各生育阶段耗水量、耗水强度及耗水模数

2.2.3 生菜作物系数 根据式(3)计算夏、秋季生菜各生育期作物系数Kc，夏季生菜自团棵期至成熟期的作物系数分别为0.17、0.31、0.74、0.75（见表4）。而秋季生菜各生育期作物系数分别为0.18、0.25、0.37、0.81。生菜作物系数随着作物的生长，作物系数增加，到成熟采摘期达到最大值0.78。在团棵期，植株较小，耗水量较小，作物系数最小，其值为0.18，在此阶段夏季和秋季生菜作物系数比较接近，在莲座期夏季生菜与秋季生菜作物系数较接近，夏季较秋季高0.06，而在成熟期夏季生菜作物系数比秋季低0.06。在结球期夏季生菜的作物系数较秋季作物系数大，比秋季高0.37。

表4 夏季和秋季生菜不同生育期作物系数

2.3 生菜耗水量影响因素分析

根据相关研究，平均温度、相对湿度、风速、日照时数、降雨、土壤温度、土壤含水率等因素是影响作物需水量的主要因素。因此，本研究选取上述7个因素对夏季和秋季生菜耗水量的影响进行通径分析，得到通径系数、间接通径系数之和（表5）。由通径分析结果可知，0～40 cm平均土壤温度对夏季生菜耗水量的直接通径系数最大，直接通径系数为-0.530，其次是降雨量，直接通径系数为0.375。通过间接通径系数可知，气温、平均风速、日照时数通过0～40 cm平均土壤温度对夏季生菜耗水量的抑制作用均最大，间接作用系数分别为-0.354、-0.229、-0.262；气温、平均风速、日照时数通过相对湿度对夏季生菜耗水量的贡献最大，间接作用系数分别为0.203、0.132、0.192；相对湿度通过0～40 cm平均土壤温度对夏季生菜耗水量的贡献最大，间接作用系数为0.225。

表5 生菜耗水量影响因素通径分析统计表

由各影响因子对秋季生菜耗水量的通径分析可知，0～40 cm平均土壤含水率对秋季生菜耗水量的通径系数最大，通径系数为-0.528，其次是日照时数，直接通径系数为0.306。通过间接通径系数可知，气温通过0～40 cm平均土壤含水率对秋季生菜耗水量的抑制作用最大，间接作用系数为-0.431；相对湿度通过日照时数对秋季生菜耗水量的抑制最大，间接作用系数为-0.260；降雨量通过其他因素对秋季生菜耗水量的间接作用均较小；风速通过0～40 cm平均土壤含水率对秋季生菜耗水量的贡献最大，间接作用系数为0.156；0～40 cm平均土壤温度对秋季生菜耗水量的抑制作用最大，间接作用系数为-0.489。

夏季和秋季生菜耗水量的主要影响因素不同，其中夏季生菜耗水量的主要影响因素是0～40 cm平均土壤温度和降雨量，而秋季生菜耗水量的主要影响因素是0～40 cm平均土壤含水率、日照时数。

3 讨论与结论

3.1 讨论

国内学者对生菜需水量的研究中，4月和6月移栽的露天生菜需水量分别为95.2、121.4 mm[17]，与此相比本研究生菜耗水量值偏小。在痕量灌溉对生菜水分利用效率的影响研究中，不同灌溉方式下生菜的耗水量在54.4～144.4 mm之间，耗水强度在0.66～1.75 mm/d[15]，相比之下夏季生菜耗水量在此范围，秋季接近，而耗水强度均在此范围。由于作物耗水量的大小不仅受辐射、相对湿度、气温、风速等气象因素的影响，还与作物类型、品种、生育阶段等作物因素有关，还与土壤水肥状况、土壤理化性质、灌水方式、种植密度等田间管理及作物生长环境的不同而存在差异[18]，这些因素导致了本研究生菜耗水量与其他相关研究存在异同。夏季和秋季生菜耗水量之间存在较大差异，一方面原因是夏季生菜生育期内气温、地温均较高，降雨频次多，降雨量大，加之少数几次灌溉，大部分补充水分均能够进入土壤，土壤水分能够充分满足作物生长，生菜生长较快，耗水量相应较大。秋季生菜气温、地温均较低，生菜生长缓慢，采用微喷灌溉频次较多，耗水强度较低。国内相关研究表明，采用微喷灌溉方式可以改变作物冠层温度、湿度等田间小气候，从而减少作物叶面蒸腾和地面蒸发，进而减小作物总耗水量，迫使作物吸收深层水分，达到提高水分利用效率的效果[19-21]。因此，秋季生菜耗水量低于夏季生菜，在结球期特别明显。生菜进入结球期，叶面积逐渐增大，微喷灌补充的水分部份用于改变田间小气候，部份被作物叶片截留而蒸发，进入土壤的水分相对较少，土壤含水率变化幅度较小，在结球期生菜耗水量较夏季偏少，导致生菜作物系数明显偏低。

从影响因素看，夏季生菜影响耗水量的主要因素是降雨量和0～40 cm平均土壤温度，而秋季生菜的主要影响因素是日照时数和0～40 cm平均土壤含水率。夏季生菜生育期内降雨量较多，日照时数较少，而降雨量增多使土壤水分能够充分满足作物的生长，而秋季生菜降雨较少，采用微喷灌方式进行补充灌溉，随着生菜叶面积的增加，补充水分进入到土壤的数量逐渐减少，土壤中有限水分抑制了作物的蒸腾蒸发。因此，作物不受土壤水分胁迫时，土壤水分对蒸散的影响可以忽略与张雪松等[22]的结论一致，在土壤水分对作物产生胁迫时，土壤水分是抑制作物耗水量的重要因素。夏季生菜0～40 cm平均土壤温度是抑制耗水量的重要因素，而秋季土壤温度通过土壤含水率的间接作用影响耗水量最大，因为夏季随着时间的推移，气温、地温等逐渐降低，从而对耗水量产生负作用，在秋季0～40 cm平均土壤温度逐渐降低，土壤温度对生菜耗水量的影响减弱。国内外相关研究表明，植物对根区温度的敏感性比地上部温度高，根区温度对植物水分代谢、光合作用、蒸腾速率、产量等方面具有重要的影响[23-24]，张雪松等[22]认为土壤温度是影响作物蒸散量的重要因素。李润儒[25]在开展根区温度对水培生菜生长及光合特性的影响研究中表明，随着根区温度从15℃～35℃，生菜产量、光合速率均呈先增加后减小的趋势，在25℃均达到最大值。可见，无论根区温度的高低均会对作物产生影响，不同作物应存在一个适宜的根区温度，以利于作物最佳生长。夏季生菜降雨量多，日照时数较少，秋季生菜则相反。相关研究表明，太阳辐射是农田蒸散量的主要影响因子[26]，而日照时数与太阳辐射息息相关，在秋季生育期内日照时数也是影响生菜耗水量的主要影响因素。作物地上部分与地下部分是一个有机的系统，相互促进，相互影响。目前针对作物蒸散量方面的研究以地上部叶面积、蒸腾速率、光合速率等作物生理方面的研究为主，关于地下部份根系的生长、分布、影响因素等方面的研究还较少，在今后的研究中，还需开展深入探索。本研究仅开展了单季生菜耗水量及作物系数研究，观测时间较短，为获得准确的作物系数还需长时间观测及修订。

3.2 结论

（1）夏季和秋季生菜全生育期耗水量分别为76.5、44.5 mm，生菜耗水强度呈增加趋势，夏季生菜团棵期、莲座期、结球期、成熟期的日耗水强度分别为0.7、1.2、2.3、2.5 mm/d。秋季生菜各生育期日耗水强度分别为0.4、0.7、0.9、1.2 mm/d。夏季生菜全生育期耗水量及各生育阶段耗水强度均高于秋季生菜，生菜在结球期历时最长，耗水量最大，占全生育期耗水量的50%以上。

（2）夏季生菜在团棵期、莲座期、结球期、成熟采摘期的作物系数分别为0.17、0.31、0.74、0.75，而秋季生菜各生育期作物系数分别为0.18、0.25、0.37、0.81。

（3）夏季和秋季生菜耗水量的影响因素各异，夏季生菜耗水量的主要影响因素是0～40 cm平均土壤温度和降雨量，而0～40 cm平均土壤含水率、日照时数是影响秋季生菜耗水量的主要因素。