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设施滴灌条件下甜瓜茎流变化及其对环境因子的响应



全 文 :中国农学通报 2012,28(28):140-147
Chinese Agricultural Science Bulletin
基金项目:北京市重大科技攻关课题“国家现代农业科技城节水技术集成与示范工程”(Z111100056811035);北京市重大科技攻关计划课题
(D0706007040191)。
第一作者简介:宝哲,男,1983年出生,辽宁阜新人,工程师,硕士,研究方向农业节水及再生水利用。通信地址:100048北京市海淀区车公庄西路21
号A座海203,Tel:010-68412802,E-mail:baozhe168@126.com。
收稿日期:2012-05-10,修回日期:2012-07-02。
设施滴灌条件下甜瓜茎流变化及其对环境因子的响应
宝 哲,吴文勇,刘洪禄,郝仲勇,牛 勇
(北京市水利科学研究所/北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心,北京 100048)
摘 要:设施甜瓜栽培已成为中国一个具有较大增长空间的重要产业。采用合理的灌溉方式和决策来提
高甜瓜产量与品质显得尤为重要。为探明设施滴灌条件下甜瓜植株茎流速率变化规律及其影响因素,
有效诊断植株水分指标,为制定灌溉策略提供理论依据,采用基于茎热平衡法的Dymaxax包裹式茎流
计、小型自动气象站和TRIME-IPH土壤剖面水分测量仪等对温室内覆膜滴灌条件下甜瓜植株茎流速率
变化及其周围环境影响因子进行长时间连续定点监测。研究结果表明:温室内甜瓜的茎流速率日变化
曲线基本呈双峰曲线,多云及阴天甜瓜白天液流启动推迟,峰值减小15%~47%;晴天条件下温室内太阳
辐射(Rs)、空气相对温度(Rh)滞后于茎流速率,阴天及多云条件下,辐射与茎流速率基本同步达到峰值,
相对湿度在晴天中午辐射较高区间内的小幅提高会对茎流速率产生一定的拉低效应;温室内太阳辐射
是甜瓜茎流变化的主要驱动因素,并建立了以太阳辐射(Rs)和空气相对湿度(Rh)为主要因子反映甜瓜
茎流速率(F)变化的多元线性回归模型(F=26.204+0.0890Rs-0.2540Rh,R2=0.831,P<0.001),可对甜瓜蒸腾
变化进行预测。
关键词:温室;覆膜滴灌;甜瓜;茎流;环境因子;响应
中图分类号:S274 文献标志码:A 论文编号:2012-1809
Response of Environmental Factors and Characteristics of Variation on Muskmelon Sap Flow
with Mulched Drip Irrigation in the Solar Greenhouse
Bao Zhe, Wu Wenyong, Liu Honglu, Hao Zhongyong, Niu Yong
(Beijing Hydraulic Research Institute/Beijing Engineering Technique Research Center for Exploration and Utilization of
Non-Conventional Water Resources and Water Use Efficiency, Beijing 100048)
Abstract: It’s so important that the yield and quality of muskmelon plants which are more and more cultivated
in the greenhouse would be increased by reasonable irrigation mode and desicition. Based on ascertaining the
variation and effect factors of sap flow rate, the index of muskmelon plant moisture capacity were determined
by highly effective irrigation decision-making. Dynamax Sap Flow Measuring System, Automatic Weather
Station System and TRIME-IPH were used to simultaneously measure and monitor the muskmelon sap flux
density, environmental factors and soil water content. Based on the analysis of the diurnal variations of stem
sap flow and environmental factors, the results showed that: Diurnal sap flux density had the double peak
pattern, the started time of sap flow delayed 1-2 hours on cloudy and rainy days, and the peak value decrease
15%-47%. The muskmelon transpiration velocity was much higher in sunny days than in rainy or cloudy days,
and there was day depression of transpiration markedly in midday, and the sap flow also existed at night. There
was no depression of transpiration in rainy days, and the sap flow velocity was zero under the condition of
highest air relative humidity at night. Solar radiation (Rs) and air relative humidity (Rh) lag behind the sap flux
宝 哲等:设施滴灌条件下甜瓜茎流变化及其对环境因子的响应
0 引言
农业发展进入了从传统农业向现代农业转化的新阶
段,优质、高产、高效已成为现代农业的发展方向。在这一
过程中,设施农业发挥着重要作用[1],设施农业面积从
1981年的 0.72万 hm2发展到 2007年的 300多万 hm2[2],
居世界首位,但产量仅为世界先进水平的 1/3。目前,
设施农业面积仍在逐年增加,而鉴于种植设施蔬菜等
作物对水分的需求量较大,因此建立科学的节水灌溉
制度是设施农业优质高产的重要保障。根据作物实际
蒸腾量,确定其适宜的灌溉时间和灌水量,是制定节水
灌溉制度、提出合理的灌溉决策的关键。目前关于植
物蒸腾量测定方法较多,主要水量平衡法[3-5]、波文比-
能量平衡法[6-7]、大型称重式蒸渗仪法[6,8-10]、植株茎流热
学测定法[11-13]等。其中茎流热学测定法,即在植株茎杆
安装茎流计测定植株茎液流量得出蒸腾速率,以其不
需要标定、不伤害植株,并能在田间对作物进行长期定
点测定的优点,受到了国内外学者的广泛关注[14]。
当前,国内外学者对计算植株茎流的理论基础[15]、
植株茎流变化规律及与环境要素响应[16-19]以及基于茎
流的植株蒸腾预测模型[20]等方面都作了大量的研究,
取得了一定的成果,但大多是采用热扩散 (thermal
dissipation,TD)、热脉冲(heat pulse velocity,HPV)法测
定的林木及果树等。而应用茎热平衡 (stem heat
balance,SHB)法测定草本和胸茎较小的植物的茎流速率
的报道则相对较少,并且主要针对灌木树种[21]、小麦[22]、
玉米[23]和大豆[24]等粮经作物以及黄瓜、番茄等常见设
施作物[25-26],对于应用基于茎热平衡法的包裹式茎流计
研究日光温室内水果类经济作物(西、甜瓜等)的茎液
流特征则更鲜有报道。笔者利用该方法测定了北京地
区日光温室内甜瓜在其果实膨大期的茎流变化特征,
以系统揭示日光温室内种植水果类作物的蒸腾规律及
其与环境因子的相关响应关系,对设施作物进行节水
灌溉科学决策提供重要的数据支撑。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验在北京市水利科学研究所灌溉试验中心站日
光温室内进行,试验地位于经度114.3°,纬度39.3°,海
拔12 m,多年平均降雨量565 mm,多年平均水面蒸发
量1140 mm,多年平均气温11.5°,无霜期185天。试验
所用温室(长50 m、宽8.5 m)东西走向,主体为钢架结
构,顶部和底部分设 1 m通风口,并配置启闭设备,可
根据需要适时开启或关闭通风口,温室正上方 1 m处
设遮阳网。试验地土质为砂壤土,耕层土壤容重为
1.57 g/cm3,0~40 cm 田 间 持 水 率 (field moisture
capacity,FC)为(28%体积含水率),地下水埋深大于
5 m。
1.2 试验设计及田间布置
甜瓜于2009年4月27日移栽,品种为‘京玉3号’,
南北向种植。在温室中整畦种植,畦长7 m,畦上边宽
0.6 m,畦高0.2 m,畦上覆薄膜,每条畦上种植两行,行
距为40 cm,株距50 cm,在畦上两行之间铺设2条滴灌
管,滴灌管间距为18~20 cm,滴头间距为30 cm。整个
生育期内,苗期甜瓜应控制浇水,水分过多会影响地温
升高和缓苗过程,进入伸蔓期后灌一次水,开花后1周
内控制水分,当测定的土壤含水率值降到设定范围内
即对该小区进行灌水,灌水量由水表记录。试验中灌
水量上限统一设为田间持水量的100%,苗期和伸蔓期
灌水下限设置的水分下限为(60%~65% FC),进入开花
坐果期灌一次水进行追肥,结瓜后设置土壤水分下限
为 70%的田间持水量,灌水计划湿润层全生育期采用
统一深度为40 cm,茎流试验于甜瓜开花坐果后(2009
年6月18日—2009年7月20日)进行。移栽前施干鸡
粪 22.5 t/hm2、多元复合肥(N、P2O5、K2O的质量分数分
别为 12%、2%和 44%)850 kg/hm2作为底肥,在甜瓜开
花坐果期随灌溉水追施尿素62.5 kg/hm2、钾肥(含K量
为44%)125 kg/hm2。
1.3 测定项目及方法
按照试验要求选择符合茎流探头直径要求且生长
良好的甜瓜作为试验对象,安装美国Dynamax公司开
发的Flow32包裹式茎流计,每60 min自动采集一组数
据,后经Dynagage软件分析求得植株茎流。试验所用
探头型号、技术指标和被测株样基本特征见表 1。土
壤含水率采用Trime-IPH,每隔 2~3天测定 1次,测定
深度为 120 cm,灌水后加测 1次。日光温室内设有美
density, but in rainy or cloudy day solar radiation (Rs) and sap flux velocity achieve the peak simultaneously.
Solar radiation (Rs) was the most important affecter to the sap flux density in the stage of fruit enlargement, the
regression equation was established (F=26.204 + 0.0890Rs-0.2540Rh, R2=0.831, P<0.001) based on solar
radiation (Rs) and air relative humidity (Rh). The tinny increasing of air relative humidity (Rh) in sunny
midday which the solar radiation (Rs) laid in the high level made sap flux density decrease.
Key words: greenhouse; mulched drip irrigation; muskmelon; sap flux density; environmental factors; response
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国自动气象站,观测温室内太阳辐射、空气温度、相对
湿度等气象因子,采集时间间隔为60 min。
2 结果与分析
2.1 甜瓜茎液流变化规律
在不同的天气条件下甜瓜茎流日变化过程受温室
环境、土壤供水情况等的综合影响,表现出明显的规律
性(图 1)。选取甜瓜生育期内连续 6日(6月 23—28
日)植株茎流速率变化进行分析,其中6月23、24、25天
气晴朗,6月26日为晴间多云、27日为阴天。白天茎杆
内液流速率较高,变化幅度相对较大,为甜瓜的液流活
跃阶段,夜间流速较小相对平稳。晴天甜瓜液流启动
时间一般为早上5:00—7:00,阴天则为8:00左右。6月
23—26日及 28日在中午 11:00—12:00茎流速率出现
峰值,5天峰值分别为 78.2 g/h、70.8 g/h、60.4 g/h、
51.3 g/h、54.9 g/h,之后液流速率开始下降,至 13:00—
15:00之间达到阶段最低后又小幅升高达到次峰值(分
别为 55.2 g/h、57.0 g/h、47.9 g/h、39.8 g/h、43.50 g/h),
随后逐渐下降。6月 27日(阴天)则为上午 10点左右
达到第1个峰值(27.3 g/h),此时为上午辐射最高值,之
后迅速降低,至中午12:00达到最低(17.1 g/h)后继续升
高,下午 15:00时当全天辐射及温度最高时茎流速率
达到峰值(41.2 g/h)。
表1 SGB9-WS探头规格和工作参数及被测样株基本特征
型号
SGB9-WS
直径/mm
最大
12
最小
8
工作电压/V
4
传感器电阻/Ω
122.3
茎粗/mm
9.5±0.7
茎杆面积/cm2
0.71±0.10
株高/cm
200.50±16.42
图1 多日连续甜瓜植株茎液流与气象因子的变化过程
与晴天相比,多云(6月 26日)及阴雨天(6月 27
日)液流启动推迟,峰值减小(图2),这与岳广阳等[21]在
室外测定的灌木树种茎流速率变化趋势一致。6月
26、27日其整日峰值分别为 51.2 g/h、41.2 g/h,比晴天
水平低15%~47%。如图1所示,甜瓜夜间20:00—次日
6:00茎流速率稳定在0~17 g/h,变化相对稳定,极低值
出现在4:00—5:00,此阶段温室湿度为整日最高,之后
茎流速率呈逐渐上升趋势。晴天夜间仍有相对明显的
液流活动,在 3.8~16.7 g/h变化,白天日光温室内甜瓜
蒸腾作用相对强烈,根系吸水一定程度上不能满足蒸
腾失水,造成植物体内水分供需平衡失调,水容下降[27],
到夜间植株蒸腾基本停止后,在根压的作用下根系吸
水方式由被动转成主动,以持续保持吸水能力用于补
充白天蒸腾引起的水分亏缺[28]。而阴天(6月27日)白
天甜瓜的耗水量相对较少,植物体失水并不严重,次日
2:00—5:00空气湿度持续在 80%以上,茎液流速率为
0,基本无液流活动。
2.2 甜瓜茎流变化与环境因子的关系
温室内甜瓜茎流速率呈现出明显的昼夜节律,基
本表现为双峰曲线的变化趋势,其特征波动规律与同
步检测的温室内太阳辐射变化(Rs)吻合度较高,与温
室内空气温度(T)基本呈较一致性变化关系,与空气相
对湿度(Rh)呈对应相逆向变化关系,甜瓜茎流速率受
温室内环境因子影响明显(图3)。
以 6月 24日(晴天)为典型日进行分析(图 4),早
上 7:00以前,太阳辐射弱、气温低、相对湿度较高,则
茎流量上升缓慢;7:00以后,随着太阳辐射的逐渐增
强,温室空气温度逐渐升高而空气相对湿度逐渐下降,
甜瓜叶片内外蒸汽压差增大,植株冠层水分蒸发强度
增加,茎流相应加快,于 12:00左右达到峰值,随着辐
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日期






/(g/h)
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射强度与空气温度的减小,茎流速率又逐渐降低,在
14:00左右达到阶段最低(49.1 g/h)后又小幅升高达到
次峰值(57.0 g/h),此时空气相对湿度达到全天最低阶
段,温室辐射及空气温度迅速下降之后空气相对湿度
逐渐增大,叶片内外蒸汽压减小,茎流速率持续下降,
直至20:00太阳辐射为0时,茎流速率基本降至日出前
的水平(10 g/h)。在6月蒸发需求强烈条件下甜瓜出现
明显的“蒸腾午休”现象,午间高强度太阳辐射伴随气
温升高,叶片温度随之升高,正反馈作用促使气孔关闭
以减少水分散失,后随辐射及温度的降低气孔打开[13]。
阴天温室内辐射较低,未出现蒸腾午休现象。晴天条
件下,茎流速率达到峰值时,温室辐射、空气温度未达
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时间




/(g/h
)
阴雨天
晴天
晴天多云
图2 甜瓜植株不同天气条件下所测茎液流的日变化过程
图3 甜瓜植株不同天气条件下所测茎液流的日变化过程
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时间




/(g/h)
050
100150
200250
300350
400450
500




/(W/m
2 )
茎流速率
太阳辐射
24:00
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液流速率/(g/h) 太阳辐射/[MJ/(m2昫)] 相对湿度/% 空气温度/℃[ 2·d)]
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到最大值,即辐射、温度滞后于茎流速率,阴天及多云
条件下,辐射与茎流速率基本同步达到峰值。
建立甜瓜植株茎流量与环境要素的数量关系,可
以揭示温室内环境因子对甜瓜水分生理变化的影响,
并可利用基于气象参数的统计模型预测甜瓜植株蒸腾
量。对甜瓜每小时茎流量(F)分别与温室内太阳辐射
(Rs)、温度(T)和相对湿度(Rh)进行回归分析,结果表
明,甜瓜茎流速率随温室辐射的增大而增大,而随空气
相对湿度增加而降低,均呈线性关系,在显著水平为
0.01时达到显著水平;甜瓜茎流速率与温室空气温度
呈线性关系,当温度大于25℃茎流速率显著增加。甜
瓜茎流速率对温室内辐射、空气温度和相对湿度响应
的敏感性依次为太阳辐射 (R2=0.7706) >空气温度
(R2=0.6456)>相对湿度(R2=0.5189),温室内辐射为影响
甜瓜茎流速率的主要驱动因素。以辐射和空气湿度为
主要因子建立的多元回归模型的决定系数为0.831,各
系数参数估计值的显著水平小于0.001,达到极显著水
平(表2)。
如图5所示,当温室内辐射大于330 W/m2时,甜瓜
的茎液流量在不同时期表现为增加幅度的不一致性。
选取 6月 20—25日和 7月 11—20日晴天中午 11:00—
13:00典型时段进行分析,当进入 6月下旬之后,晴天
中午温室内太阳辐射显著增加,均达到 350 W/m2以
上,选取的2个阶段温室内辐射值无明显差异,但6月
20—25日甜瓜茎流速率比7月11—20日时高20~40 g/h
(图 6)。而 7月 11—20日晴天中午温室内相对湿度
(30%~64%)高于6月20—25日时(9%~46%)(图7),但2
个阶段的温室内空气温度并无显著差异(图 8),均值
为(38±2)℃。由此表明,2个阶段在温室辐射、空气温
室无明显差异条件下,7月中旬(11—20日)的相对湿
度Rh在晴天中午(11:00—13:00)辐射较高区间内的小
图4 典型日(6月24日)甜瓜植株茎液流与气象因子的变化过程
0
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时间




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)
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湿

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茎流速率
相对湿度
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时间




/(g/h
)
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3035
4045




/℃
茎流速率
空气温度
回归方程
F=7.979+0.1126Rs
F=-57.403+2.6808T
F=57.083-0.5995Rh
F=26.204+0.0890Rs-0.2540Rh
决定系数R2
0.771
0.641
0.519
0.831
方程P值
<0.001
<0.001
<0.001
<0.001
N
519
519
519
519
表2 甜瓜茎流速率与环境因子的回归方程
注:表中F表示每小时茎液流量,g/h;Rs是太阳辐射,W/m2;T是温
度,℃;Rh是空气相对湿度,%。
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宝 哲等:设施滴灌条件下甜瓜茎流变化及其对环境因子的响应
幅提高会对甜瓜的茎流速率产生一定拉低效应,此时
段为甜瓜茎流速率当日峰值阶段。同时0~40 cm计划
湿润层内土壤水分在7月下旬的小幅下降导致其供水
环境的改变也应是其茎流速率产生下降的原因之一
(图9)。
3 结论
笔者基于茎热平衡理论采用包裹式茎流计对甜瓜
植株茎流进行了长时间的连续定点监测,分析了温室
内甜瓜茎流变化规律,探索了甜瓜植株茎流与气象因
子的相关响应关系。
y=0.1126x+7.9794R2=0.7706
0
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60
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100
120
0 200 400 600 800
太阳辐射/(W/m2)




/(g/h
) y=2.6808x-57.403R2=0.6456
0
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40
60
80
100
120
10 20 30 40 50
温度/℃




/(g/h
)
y=-0.5995x+57.083R2=0.5189
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150
相对湿度/%




/(g/h
)
图5 甜瓜植株茎液流速率对单一气象因子的响应
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200 300 400 500 600 700
太阳辐射/(W/m2)


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6月20日~25日(晴天11:00-13:00)7月11日~20日(晴天11:00-13:00)
线性 (7月11日~20日(晴天11:00-13:00))
线性 (6月20日~25日(晴天11:00-13:00))
图6 甜瓜植株茎液流与太阳辐射相关分析 图7 相对湿度与太阳辐射相关分析
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200 300 400 500 600 700
太阳辐射/(W/m2)




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)
6月20日~25日(晴天11:00-13:00)7月11日~20日(晴天11:00-13:00)
线性 (6月20日~25日(晴天11:00-13:00))
线性 (7月11日~20日(晴天11:00-13:00))
20日~ (晴天1 :0 -13:0 )
11日~ (晴天1 :0 -13:0 )
(6 ~25 (晴天11:00-13:0 )
(7 11 ~20 (晴天11:00-13:00)
20日~ (晴天1 :0 -13:0 )
11日~ (晴天1 :0 -13:0 )
(6 20 ~25 (晴天11:00-13:00)
(7 11 ~20 (晴天11:00-13:00)
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(1)温室内甜瓜的茎流速率日变化曲线一般呈双
峰曲线,在不同天气条件下变化规律不同。阴天甜瓜
白天液流启动较晴天推迟1~2 h,峰值减小15%~47%,
晴天由于白天甜瓜蒸腾作用强烈,夜间出现比较明显
的液流活动;而阴天白天耗水量相对较少,植株失水不
严重,夜间空气湿度较大致使部分时段无液流活动。
(2)甜瓜茎流随温室内太阳辐射的变化而呈同步
规律性变化,在晴天午间高强度太阳辐射下甜瓜出现
明显的“蒸腾午休”现象。晴天条件下,温室内太阳辐
射、温度滞后于茎流速率,阴天及多云条件下,辐射与
茎流速率基本同步达到峰值,
(3)甜瓜茎流速率随温室辐射的增大而增大,而随
空气相对湿度增加而降低,均呈显著线性关系。温室
内太阳辐射是甜瓜茎流变化的主要驱动因素,并建立
了以太阳辐射和空气相对湿度为主要因子建立了多元
线性回归模型 (F=26.204 + 0.0890Rs-0.2540Rh,R2=
0.831,P<0.001)。
4 讨论
日光温室栽培作物的茎流速率变化不仅与作物自
身因素(作物种类、品质、生长发育阶段等)有关,还受
室内的小气候条件(辐射、温度、湿度等)、土壤水分状
况、农业技术措施等的综合影响,这些影响因子对作物
茎流速率的影响既错综复杂又相互联系。笔者采用茎
热平衡理论对甜瓜植株茎流进行了长时间的连续定点
观测,结果表明,甜瓜茎流随着太阳辐射的变化而呈现
规律性变化,即随着太阳辐射的增强而增大,随太阳辐
射的减弱而减小,在阴雨天,太阳辐射较弱。回归分析
得出,太阳辐射是影响甜瓜茎流的主导因子;6月下旬
及7月中旬2个时段晴天中午温室太阳辐射和空气温
度无明显差异条件下,相对湿度在中午 11:00—13:00
辐射较高区间内的小幅提高会对甜瓜的茎流速率产生
一定的拉低效应,可见空气湿度也是影响茎流动态变
化的重要因素。刘德林等[29]研究认为在晴好天气下,
太阳辐射是影响玉米茎流的主要因素,而多云或阴天
条件下气温和相对湿度成为影响蒸腾速率的主要因
子,太阳辐射作用相对降低。刘浩等[26]对温室滴灌条
件下番茄植株茎流变化规律试验研究结果表明,在何
种天气下,茎流速率均滞后于太阳辐射,茎流速率受太
阳辐射和空气饱和差共同支配,且太阳辐射是影响茎
流的主导因子。可见在室内外环境下,太阳辐射在小
时尺度上均对植株的茎流变化均起主要作用。
甜瓜植株在午间高强度太阳辐射下出现了明显的
“蒸腾午休”现象,阻止了高蒸发需求条件下甜瓜植株
水分的进一步散失。在晴天条件下,温室内太阳辐射、
温度滞后于茎流速率,阴天及多云条件下,辐射与茎流
速率基本同步达到峰值,而王华 [13]、Oguntunde[30]等在
室外环境下测定紫云兰、木薯的茎流与太阳辐射之间
未出现明显时滞,表明温室小气候内辐射增加存在累
积效应,即辐射未达到最高时,植株叶片温度已达到致
其气孔关闭的临界值。同样刘浩等[26]在河南新乡日光
温室内研究得出温室番茄植株茎流速率滞后于太阳辐
射,由此表明,植物本身的生理性状以及区域温室环境
要素(辐射、温度及土壤供水情况)的差异也会导致其
产生时滞效应的不一致性。
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0
10
20
30
40
50
200 300 400 500 600 700
太阳辐射/(W/m2)




/℃
6月20日~25日(晴天11:00-13:00)7月11日~20日(晴天11:00-13:00)
线性 (7月11日~20日(晴天11:00-13:00))
线性 (6月20日~25日(晴天11:00-13:00))
10
15
20
25
30
35
6-11 6-22 7-3 7-14 7-25 8-5
时间(月-日)





/%
图8 空气温度与太阳辐射相关分析 图9 土壤计划湿润层土壤水分变化
20日~ (晴天1 :0 -13:0 )
11 ~ 0 (晴天11:0 -13:0 )
(6 20 ~25 (晴天11:00-13:00)
(7 11 ~20 (晴天11:00-13:00)
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