滴灌条件下芹菜叶片膨压变化特征及其影响因素研究

2023-01-14许全悦郑利剑孙西欢李晓坚马娟娟郭向红郭勇

灌溉排水学报 2022年12期

许全悦，郑利剑，孙西欢*，李晓坚，马娟娟，郭向红，郭勇

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省水利发展中心，太原 030024）

0 引言

【研究意义】芹菜富含蛋白质、维生素、膳食纤维等多种营养物质，具有极高的食用价值和药用价值[1]。然而芹菜耗水量较高且各生育期用水需求不同，水分制约着其生长及产量的提升[2]，因此明确芹菜的水分状况是促进其高效灌溉管理的首要条件。但目前能在线连续且精准衡量芹菜水分状况的指标较少，因而探寻准确反馈芹菜水分状况的新指标具有重要意义。【研究进展】传统表征芹菜水分状况的生理指标主要有气孔导度（Gs）、叶水势（Ψ）等[3-4]，但由于测定技术限制，这些指标在测定过程中存在破坏植株且不能连续监测等问题[5]。叶片膨压是叶片细胞内原生质体对细胞壁形成的压力，其变化较Gs、Ψ等更能敏感反映植物的水分状况[6-7]。植物水分状况良好时叶片膨压值较高，经历水分亏缺后叶片膨压值降低[8]。叶片膨压探针（LPCP）技术能够实现在线连续无损监测植物的叶片膨压变化，其输出结果为膨压变化参数Pp，Pp与叶片膨压成反比关系，Pp值大时叶片膨压低[9]。叶片膨压的变化特征与气孔及水势的变化有关[10]。Zait 等[11]对香蕉树的监测显示气孔孔径的振荡会引起Pp曲线的振荡。Bramley 等[5]对冬小麦的叶片膨压及叶水势的同步监测结果显示，水势减小时Pp值增大。同时研究显示气象因子的变化会引起植物体水分状态的改变，进而导致叶片膨压的变化[12]。Rüger 等[13]对多种林木的膨压监测结果表明，高温晴日时叶片Pp增幅显著，温度降低时Pp变化幅度降低。Bader 等[14]发现VPD与归一化的班克木叶片Pp值间存在线性变化关系。且相关学者发现Pp与气象因子间存在变化不同步现象，但对于产生这种现象的原因目前存在争议[5,15]。此外，不同类型植物的叶片膨压变化特征存在一定差异[16-17]。综上，叶片膨压有作为芹菜水分状况监测新指标的潜力，但其变化过程与气孔、水势等典型植物水分生理指标有关，且受到气象因子的影响。【切入点】已有研究中将叶片膨压作为芹菜水分状况监测指标的研究较少，对不同灌水条件下芹菜各生育期叶片膨压的变化特征尚不明确，且未分析设施芹菜叶片膨压的影响因素。【拟解决的关键问题】本研究利用LPCP 技术对滴灌芹菜叶片膨压进行连续监测，探究不同灌水条件下各生育期芹菜叶片膨压的日变化特征及其差异性，分析叶片膨压与植物水分生理指标间的协同变化，明确叶片膨压对气象因子的响应程度，为滴灌设施芹菜的水分状况诊断及精准灌溉提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年11月—2022年1月在山西省太原市小店区刘家堡西红柿产业园（112°49ˊE，37°65ˊN，海拔766 m）的温室大棚中开展。试验地位于太原市区东南部，属暖温带大陆性气候，降雨集中在夏季，多年平均降水量达495 mm。全年无霜期202 d，年平均气温为9.6 ℃，年平均日照时间为2 675.8 h。试验区0～60 cm 土壤质地主要为砂壤土，土壤平均体积质量为1.45 g/cm3，田间体积持水率为39%。试验期间大棚需进行盖帘保温，每日揭帘时间为08:00，盖帘时间为18:00。

1.2 试验设计

本试验的供试作物为“法国皇后”西芹，小区长9.0 m，宽5.0 m，栽种行株距为20 cm。根据试验地大棚滴灌布设策略，本试验采用地面滴灌方式进行灌水，1 行1 带方式布置滴灌带，间距与株距一致。滴灌带为内镶式贴片设计，工作压力为1.0～2.0 MPa，额定流量为1.38 L/h，滴头间距30 cm。试验过程中的施肥及病虫害防治遵循当地常规处理。2021年11月1日芹菜苗移栽时灌以定植水500 m3/hm2，11月18日灌以缓苗水360 m3/hm2，之后进行不同灌水处理。

本试验将芹菜全生育期划分为外叶生长期（2021年11月19日—12月10日）、立心期（2021年12月11—31日）以及心叶生长期（2022年1月1—19日）。根据课题组前期对滴灌芹菜灌溉制度的研究成果[4]，试验设置充分灌溉（FI）和非充分灌溉（NI）2 个处理。FI 处理：灌水上下限为70%θf～90%θf（θf为田间持水率）。NI 处理：外叶生长期和立心期的灌水量为FI 的60%，心叶生长期的灌水量为FI 的80%。每隔7 d 测定1 次土壤含水率判断是否需要灌溉。不同灌水条件下芹菜各生育期具体灌水量见表1。

表1 不同灌水条件下芹菜各生育期灌水安排Table 1 Irrigation arrangement of celery at each growing period under different irrigation conditions

灌水量计算式为：

式中：θf为田间持水率（cm3/cm3）；θv为灌水前的土壤含水率（cm3/cm3）；S为各个处理的灌水面积；Zr为计划湿润层深度（cm），依据芹菜根系分布情况，计划湿润层深度取20 cm；0.6 为湿润比。

1.3 测定指标与方法

于2021年11月15日—2022年1月20日，测定芹菜叶片膨压变化参数（Pp，kPa）、叶水势（Ψ，MPa）以及气孔导度（Gs，mmol/（m2·s））、蒸腾速率（Tr，mmol/（m2·s）），同时监测大棚内的土壤含水率以及气象因子。

1.3.1 叶片膨压变化参数

本试验采用叶片膨压探针（LPCP）技术进行膨压变化参数（Pp）的测定，Pp与叶片膨压变化成反比，Pp值大表示叶片膨压小。探针具体形态及原理见文献[18]。参照Bader 等[14]及郑利剑等[17]的膨压探针安装方法，本试验各处理分别选取3 株大小高度且叶龄一致的芹菜，将膨压探针安装于植株东面中部偏上大小一致且非遮荫的展开叶上，安装时间为清晨或者傍晚。每5 min 记录1 次数据。探针安装前需将叶片表面擦拭干净，探针安装好后由自制支撑装置保持叶片的位置不变，避免因扰动影响探针的测量结果。张威贤[4]关于芹菜叶水势的研究显示，外叶生长期以外叶水势测定为主，立心期、心叶生长期以心叶水势测定为主，故在外叶生长期固定监测外叶，立新期更换为心叶。

1.3.2 叶水势

采用WP4C 露点水势仪在各生育期典型晴日进行叶水势测量，测量时间为06:00—18:00，时间间隔为2 h。测量时选取与探针夹持叶的大小及安装位置一致的3 片展开叶。

1.3.3 气孔导度和蒸腾速率

采用LI-6400XT 便携式光合测定仪在芹菜各生育期选择典型晴日进行气孔导度及蒸腾速率的测量，测量时间为08:00—18:00，每2 h 测量1 次。测量叶片选择与探针夹持叶的大小及安装位置一致的3 片展开叶。

1.3.4 土壤含水率

本试验含水率测管位于2 条滴灌带中间，距滴灌带10 cm。利用TDR 每隔7 d 对10、20、30、40 cm 土层深度的土壤水分状况进行测定，并在灌前灌后加测，全生育期土壤含水率变化如图1所示。

图1 不同灌水条件下芹菜全生育期土壤含水率Fig.1 Soil moisture content of celery during the whole growth period under different irrigation conditions

1.3.5 气象因子

利用大棚内的全自动气象站进行气象因子监测，监测指标包括大气温度（TA，℃）、相对湿度（RH）、风速（WS，m/s）等。每1 min 采集1 次数据。饱和水汽压亏缺[19]（VPD，kPa）计算式为：

1.3.6 数据处理

本文参考Lee 等[20]的方法将采集的叶片膨压变化参数（Pp）数据进行标准化处理，得到了新的膨压变化参数Pp*（Pp*=日实测Pp-日最小Pp，Pp*与叶片膨压成反比，Pp*高时膨压低），进一步分析叶片膨压的单日变化特征。

采用时间错位对比法探究芹菜叶片Pp*与不同环境因子间的时滞时间，将TA逐次向前（提前）或向后（滞后）10 min 错位移动，并进行相关性分析，得到相关系数最大的时间差为TA与Pp*的时滞时间。

利用Microsoft Excel 进行数据初步分析及作图，采用Origin 进行曲线拟合，并通过SPSS 进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水条件下芹菜叶片Pp*的日变化特征

选取各生育期典型晴日数据对芹菜叶片膨压日变化进行分析，图2为芹菜外叶生长期（2021年12月1日）、立心期（2021年12月14日）、心叶生长期（2022年1月15日）的Pp*日变化图。为方便单日膨压变化比较，引入新的膨压变化参数Pp*，Pp*与叶片膨压的变化趋势相反，Pp*高则叶片膨压低，反之亦然。由图2可知，各生育期滴灌芹菜Pp*的整体日变化趋势一致，均呈昼高夜低的“几”字型曲线。根据Pp*在不同时段的日变化特征，将其按以下4 个阶段进行区分：①谷值波动阶段（前期00:00—8:00，后期17:00—24:00）分为前期和后期2个时间段，Pp*总体维持谷值状态波动，存在小幅度的上升和下降变化，此阶段叶片膨压处于最大值。②快速上升阶段（08:00—11:00）Pp*值开始启动而后迅速增大，表明芹菜由于叶片水分消耗使得叶片膨压逐渐降低。③峰值波动阶段（11:00—14:00）Pp*达到其峰值且保持峰值水平持续波动，此阶段叶片膨压达到最小值。④快速下降阶段（14:00—17:00）Pp*值逐渐下降，表明芹菜水分状态的恢复使得叶片膨压逐渐升高。

图2 典型晴日不同灌溉条件下芹菜各生育期Pp*日变化Fig.2 Diurnal variation of celery Pp*in each growing period under different irrigation conditions on typical sunny days

由图2还可知，芹菜Pp*的日变化在不同灌水条件下存在显著差异。整体表现为各生育期NI 处理的Pp*启动时间均提前于FI 处理，且NI 处理达到的Pp*峰值较FI 处理高11～22 kPa，但其在峰值的波动时间总是较FI 处理短。以外叶生长期的芹菜Pp*日变化为例，NI 处理的Pp*启动时间为08:15，较FI处理提前约40 min。NI 处理到达Pp*峰值为55 kPa，较FI 处理高约22 kPa。而后NI 处理在Pp*峰值水平波动130 min，较FI 处理短55 min。17:00 后FI 处理的Pp*值能回落到前期（00:00—8:00）的谷值水平，但NI 处理的Pp*值仍处于较高值，表明该时期NI 处理下的叶片膨压未上升到原来的最大值，芹菜出现膨压损失。

2.2 不同灌水条件下芹菜叶片Pp*与植物典型水分生理指标的协同变化

以立心期典型晴日（2021年12月28日）的Pp*与气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、叶水势（Ψ）的日变化为例进行分析。由图3可知，不同灌水条件下Gs、Tr与芹菜Pp*的日变化趋势一致，均呈先增加后减小的单峰型曲线，而叶水势（Ψ）与Pp*的日变化趋势相反，呈先减小再增加的倒“V”型日变化曲线。具体表现为：06:00—12:00 内，气孔打开Gs增大，叶片Tr上升而Ψ下降，此时Pp*处于上升阶段。12:00 左右Gs与Tr达到最大值，Ψ达到最小值，此时Pp*处于峰值波动阶段。12:00—18:00，气孔开始闭合，Gs和Tr逐渐减小，而Ψ逐渐增加，Pp*处于下降阶段。与FI 处理相比，NI 处理的Gs、Tr的日最大值降低了11.1%、8.9%，Ψ的日最小值降低了8.1%，但Pp*的峰值增大了85.3%。这表明灌水减少后，Gs、Tr、Ψ以及叶片膨压值均存在一定程度的下降，但叶片膨压的下降幅度更大。此外，对全生育期对应时段的Gs、Tr、Ψ与叶片Pp*值进行相关分析，结果如图4所示。图中R表示相关系数；**表示在0.01 级别，相关性显著；*表示在0.05 级别，相关性显著。由图4可知，不同灌水处理下，芹菜Gs、Tr与Pp*正相关，Ψ与Pp*负相关。

图3 不同灌水条件下立心期典型晴日芹菜Pp*与Gs、Tr、Ψ的日变化Fig.3 Diurnal variation of celery Pp*and Gs,Tr,Ψ on sunny days at the heart-standing period under different irrigation conditions

图4 不同灌水条件下全生育期芹菜Pp*与Gs、Tr、Ψ的相关关系Fig.4 Correlation between celery Pp*and Gs,Tr,Ψ in whole growth period under different irrigation conditions

2.3 灌溉对滴灌芹菜叶片Pp 变化特征的影响

心叶生长期是芹菜生长的关键时期，该时期芹菜耗水量大，水分需求高[4]。故本文以滴灌芹菜心叶生长期的Pp变化曲线（图5，图中黑色箭头表示灌水）为例，探究其在不同灌水条件下灌前灌后的膨压变化差异。由图5（a）可知，不同灌水条件下的Pp变化趋势相似，均呈连续的单峰型曲线。总体而言，灌水前Pp的夜间谷值及日间峰值随土壤水分的消耗逐渐升高；灌水后植株得到水分补充，Pp的峰值谷值显著下降。但不同灌水条件下的Pp变化仍存在一定差异。NI 处理的Pp曲线整体上较FI 处理高，NI 处理的平均Pp峰值为102 kPa，较FI 处理高20 kPa；且NI 处理的平均Pp谷值为54 kPa，较FI 处理高6 kPa。同时NI 处理灌前灌后的Pp曲线变化幅度较FI 处理更大。1月8—14日的灌水间隔期内，NI 处理的Pp峰值升高32 kPa，谷值升高10 kPa；但FI 处理的Pp峰值和谷值仅分别升高13、1 kPa。这是因为NI 处理一直处于水分亏缺状态，芹菜叶片出现膨压损失但得不到充分恢复，故该处理的Pp值一直较FI 处理高。同时NI 处理下芹菜水分状态不稳定，导致其对土壤水分的变化更敏感，因而灌前灌后的升高和下降幅度更大。

图5 心叶生长期不同灌水条件下芹菜Pp 及气象因子变化Fig.5 Variation in celery Pp and meteorological factors under different irrigation conditions during the heart-leaf growth period

2.4 不同灌水条件下芹菜叶片Pp*对气象因子的响应

由图5可知，芹菜的叶片膨压变化也会受气象因子的影响。大气温度（TA）、饱和水汽压差（VPD）升高而相对湿度（RH）和风速（WS）降低时，叶片膨压降低；反之TA、VPD降低而RH、WS升高时，叶片膨压升高。且TA、VPD的峰值相对较高时，叶片膨压损失值增大。

在此基础上，从芹菜各个生育期分别选择3 d 典型晴日一共9 d 的膨压及气象数据进行相关性分析。图6为Pp*与各气象因子的相关性热图，图中圆形面积越大和颜色越深表示相关性越强，红色表示正相关，蓝色表示负相关。从图6可知，NI 处理、FI处理下Pp*与相对湿度（RH）、风速（WS）、大气温度（TA）、饱和水汽压差（VPD）均存在极显著相关性。其中，Pp*与TA、VPD极显著正相关，与RH、WS极显著负相关。相关性程度大小为：TA>WS>VPD>RH，故Pp*与TA的相关性最强。

图6 不同灌水条件下全生育期芹菜Pp*与气象因子的相关性热图Fig.6 Correlation between celery Pp*and meteorological factors at whole growing period under different irrigation conditions

分别将不同灌水条件下的Pp*值与RH、WS、TA、VPD进行逐步多元回归分析，得到以下回归方程：

NI 处理：

Pp*=55.464+1.698TA-65.121RH-17.157VPD-39.375WS，R2=0.690；

FI 处理：

Pp*=23.363+1.356TA-39.402RH-10.147VPD，R2=0.691。

经F检验，2 个回归方程均达到极显著水平（P<0.01）。由回归方程可知TA、RH、VPD对不同灌水条件下的Pp*变化均会产生影响，但WS只对非充分灌溉条件下的Pp*变化产生影响。这可能是因为非充分灌水条件下，芹菜的水分状况不稳定，导致其叶片膨压更易受风速的影响。

为探究不同气象因子间的相互作用对芹菜Pp*的影响，分别对NI、FI 处理进行通径分析。由表2可知，不同灌水条件下，对芹菜Pp*直接影响程度最高的气象因子是TA，间接影响最大的气象因子是VPD，且VPD主要通过其他气象因子间接影响Pp*变化。

表2 不同灌水条件下芹菜Pp*与气象因子的通径分析Table 2 Path analysis of celery Pp*and meteorological factors under different irrigation conditions

综上可知，本试验条件下大气温度（TA）是影响芹菜叶片Pp*变化的最主要气象因子。叶片膨压与气象因子间存在变化不协同现象，类似这种现象称为时滞效应[18]。故以TA为例，进一步分析各生育期典型晴日芹菜Pp*与TA间的时滞现象。由图7可知，不同灌水条件下各生育期芹菜Pp*与TA形成的时滞圈均呈顺时针变化，且TA的变化明显滞后于Pp*。为了量化时滞水平，利用横纵坐标计算出时滞圈的面积，并根据其在绘图区域的面积占比进行归一化处理。由归一化结果（图7）可知，NI 处理各生育期的时滞圈面积均明显大于FI 处理。且外叶生长期时2 处理的时滞圈面积差最大，达到了9.5%。这表明非充分灌溉条件下，芹菜Pp*与TA的时滞圈面积会增大。

图7 不同灌水条件下各生育期典型晴日芹菜Pp*与TA 的时滞效应Fig.7 Inverse hysteresis of celery Pp*and TA on typical days at different growing period and different irrigation conditions

进一步采用时间错位对比法计算芹菜Pp*与TA的时滞时间（表3），结果显示3 个生育期的TA变化均滞后于Pp*。且NI 处理的时滞时间均较FI 处理长，表明非充分灌溉条件下芹菜Pp*与TA的时滞时间增加。其中心叶生长期2 个处理的时滞时间差最大，达到了30 min。

表3 不同灌水条件下各生育期典型晴日芹菜Pp*与TA 的时滞时间Table 3 Hysteresis time between celery Pp*and TA on typical days at each growing period under different irrigation conditions

3 讨论

3.1 滴灌芹菜叶片膨压的变化特征

本试验条件下，各生育期滴灌芹菜典型晴日的叶片Pp*变化曲线均呈“几”字单峰型，表明芹菜叶片膨压呈现“昼低夜高”的日变化趋势，这与前人在冬小麦[10]、番茄[19]、玉米[21]等作物上的研究结果一致。进一步由日变化及相关性分析可知，芹菜的叶片膨压变化与气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）及叶水势（Ψ）紧密相关。这是由于气孔开度增加后蒸腾作用增强，叶水势减小，进而导致Pp*值上升而叶片膨压减小；反之气孔关闭后蒸腾作用减弱，叶水势增大，使Pp*值下降而叶片膨压增大。部分研究者针对班克木和橄榄树等乔木上的研究也发现了类似结果[14,22]。此外，持续的水分亏缺会引起Pp曲线的反转现象，即白天出现谷值，夜晚出现峰值[23]。Martínez-gimeno 等[24]对2 种基因型柿树的研究显示，中午茎水势低于-1.4 MPa 时Pp曲线出现反转现象。部分研究者认为将植物水势与Pp曲线的反转状态关联，并划分出一定阈值范围，对于合理规划灌溉水量具有积极意义[25]。但本次试验过程中并未出现该反转现象，这可能与土壤水分未降到使芹菜出现严重水分亏缺的下限值有关[26]，因而有关设施芹菜的叶水势阈值划分目前尚不明确。

同时，本研究得出不同灌水条件下的芹菜叶片膨压变化特征存在一定差异。单日Pp*变化显示，非充分灌溉条件下Pp*的启动时间较充分灌溉时提前，且Pp*的峰值升高。这是因为充分灌溉条件下芹菜可利用水分充足，植物体水分状况良好[27]，而非充分灌溉条件下土壤平均含水率较充分灌溉低12%（图2），导致芹菜可利用水分减少，处于水分亏缺状态。此时植物将通过促进根系吸水的方式缓解亏缺状态，造成根-叶系统间形成张力梯度的时间提前[28]，最终导致Pp*的启动时间提前。并在水分持续供应不足的情况下，使得芹菜叶片膨压损失增加，Pp*的峰值增大。且长期结果显示非充分灌溉时芹菜Pp值灌前灌后的上升及下降幅度增大，这表明芹菜自身水分状况不稳定时易受土壤水分变化的影响导致膨压剧烈变化。Westhoff 等[9]对葡萄树的研究结果也显示持续灌溉使叶片Pp值保持稳定状态，停止灌溉后Pp峰值逐渐上升。而Bader 等[14]发现干旱条件下班克木叶片Pp的谷值维持稳定状态不上升，其认为银杏树的夜间水分调节促进了叶片水分状态的恢复。Camoglu 等[29]对辣椒的膨压监测试验则表明灌溉不是使Pp峰值下降的唯一原因，Pp的下降还与气象因子的变化有关。

综上可知，叶片膨压的变化与植物内部水分变化存在相互关联，其变化特征能够反映土壤水分的改变，但将其应用于芹菜水分状况的诊断仍需进一步定量分析。

3.2 滴灌芹菜叶片膨压对气象因子的响应

气象因子是引起叶片膨压变化的关键因素之一[12]。本试验不同灌水条件下，TA和VPD升高而RH和WS下降时，Pp*/Pp值升高，叶片膨压降低；反之TA和VPD下降而RH和WS升高时，Pp*/Pp值下降，叶片膨压增大。Zimmermann 等[12]发现TA=36 ℃时，RH瞬时增加15%使香蕉树的Pp值降低10 kPa。Aissaoui 等[30]对橄榄树的膨压研究表明VPD与Pp间具有明显的协同变化，Ehrenberger 等[31]对橡树的研究也表明，VPD增大时Pp峰值上升。同时本试验非充分灌溉条件下WS对芹菜叶片膨压的影响更显著。作物经历水分亏缺时，气孔出现开闭振荡，蒸腾作用减弱[32]。但适宜微风能促进温室内的气流运动，使气孔外围的蒸汽扩散层变薄或消失，减小气孔外部阻力，从而促进了叶片的蒸腾作用[33-34]。因此，非充分灌溉条件下的风速变化加剧了设施芹菜的蒸腾失水现象，使得叶片膨压损失进一步增大，表明该状态下芹菜叶片膨压对风速变化更敏感。Fernández 等[35]也发现WS越大Pp曲线的振荡幅度越大，其认为风对植物叶片膨压的影响随着风速的增大而增大。此外，李豆豆等[36]发现小时尺度下毛白杨叶片膨压与气象因子的相关性显著，但日尺度下的相关性不显著。这表明需进一步研究不同尺度下芹菜叶片膨压对气象因子的响应。

同时，本试验得出TA是芹菜叶片膨压变化的主要影响因子，且TA与叶片膨压间存在显著的时滞效应。不同灌水条件下芹菜各生育期的TA变化均滞后于Pp*，但非充分灌溉时Pp*与TA的时滞时间及时滞圈面积增加，表明灌水减少使芹菜叶片膨压与TA的时滞效应增强。但也有研究者认为水分亏缺时叶片膨压与TA的时滞圈面积减小[5]。不同的结果与植物的水分调节能力差异有关[37]。芹菜的水分调节能力相对较弱，缺水状态下不能及时补充叶片损失水分，使得木质部栓塞程度增加[38]，进而导致叶片膨压迅速减小且增强了其与TA的时滞效应。以上研究进一步说明气象因子对植物叶片膨压的影响具有复杂性，且存在灌水条件不同导致的显著差异，未来需进一步从机理深入分析时滞效应与植物水分状况的关联，并基于此建立气象因子与膨压间的稳定关系进行植物水分状况诊断。