全 文 ：第 26卷第 8期
2006年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．8
Aug．，2006
日
皿 室茄子茎直径微变化与作物水分状况的关系
孟兆江 ，段爱旺 ，刘祖贵 ，张寄阳 ，卞新民
(1．中国农 业科学院农 田灌溉研究所 ，新乡 453003；2．南京农 业大学农学院 ，南京 210095)
摘要 ：在温室条件下 ，采用盆栽土培和小区试验相结合 的方法 ，以茄子(Solanum melongena，品种新 乡糙 青茄 )为材料进 行 了植株
茎直径微变化(膨胀或收缩)与作物体内水分状况的关系试验研究，旨在为利用茎直径微变化无损快速诊断作物水分状况提供
理论依据。盆栽和小区试验均采用两因素(土壤水分梯度和作物不同生育阶段)随机区组设计，土壤水分控制下限分别取 田间
持水量的 80％FC(Field water capacity)，70％FC，60％Fc和 50％FC；生育阶段分别为苗期、花果期和采收期；共有 4×3=12个处
理组合 ，重复 3次。结果表明：无论是在较高土壤含水量或在较低土壤含水量条件下，在晴好的天气里 ，茄子茎直径都是在白天
收缩，傍晚、夜间复原或膨胀，而且这种微变化动态与植株体内的水分状况密切相关 ，不同土壤含水量条件下植株茎胀缩的幅
度存在明显差异。高水分条件下，植株茎收缩幅度小 ，复原能力强；低水分条件下，植株茎收缩幅度大，恢复能力差。茎直径变
化对环境 因子 水汽压差(VPD)的 响应 比较敏 感 ，二 者呈 正相关 关 系 ，相关 系数 R 为 0．8938。茎直 径 变化量 (ASd)与 叶水 势
( )、叶片相对含水量(LRWC)呈极显 著正相关关 系，相关 系数 R 分 别为 0．867和 0．965。这 些结果 显示 ，茎直 径变 化量 能灵
敏、实时、准确地反映植株体内的水分状况；与其它作物水分诊断方法(叶水势法，叶片相对含水量法，细胞液浓度法等)相比，茎
直径 微变化法可能具有简便 、稳定 、无损 、连续监 测和 自动 记录的优势。
关键 词 ：水分诊断 ；茎直 径微变化 ；茄子
文章编号 ：1000—0933(2006)O8—2516一o7 中图分类号 ：$162 文献标识码 ：A
The relationship between the change of stem diameter and plant water content of
eggplants：an experimental study
MENG Zhao—Jiang ，DUAN Ai—Wang ’ ，LIU Zu—Gui ，ZHANG Ji．Yang ，BIAN Xin—Ming (1． ，ld J— t 肛 ∞rc^
Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Xinxiang 453003，China；2．Agricultural Colege，Nanfing Agricultural University，Nanjing 210095，
China )．Acta Ecologica Sinica，2O06，26(8)：2516—2522．
Abstract：A simple nondestructive method to continuously measure plant water content has long been sought in the study of both
soil-water—plant relations and the impact of environment on plant growth．A number of methods have been proposed to measure
plant water content，and most of these require indirect measurement of other variables，such as leaf water potential and／or leaf
water content，to infer plant water content．These methods are destructive，consuming plant tissue and providing only intermittent
and localized measurements．In practice，a non—destructive，frequent measure of water content of a whole plant is needed．One
way to quantify the water content of a whole plant is to measure the change of stem diameter，which has proven successful for fruit
trees．In this paper we experimentaly investigate the responsive change of stem diameter of the eggplant to plant water content and
soil moisture in a greenhouse．
基金项目：国家“863”节水重大专项资助项目(2002AA2Z4071—03)；商丘农田生态系统国家野外研究站开放基金资助项 目
收稿 日期 ：2005—05—23；修订 日期 ：2006—02 06
作者简介：孟兆江(1958～)，男，河南省桐柏县人，博士生，副研究员，主要从事节水农业基础理论和技术研究．E—mail：zjmeng@mail．china．com
*通讯作者 Coresponding author．E—mail：duanaw@public．xxpt．ha．cn
Foundation item：The project was supported by the Key Special Research Project in Water—saving of the“863”Program of China(2002AA2Z4071—03)；The funds of
Chinese farmland ecosystem research station in open country in Shang Qiu
Received date：2005—05—23；Accepted date：2006—02—06
Biography：MENG Zhao—Jiang，Ph．D．candidate，Asociate Professor，mainly engaged in water—saving agriculture．E—mail：zjmeng@mail．china．com
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8期 孟兆江 等：温室茄子茎直径微变化与作物水分状况的关系 2517
The experiment was conducted at Xinxiang，Henan Province，China(1atitude 35．19。N)in a greenhouse of40 m long and
8．5 m wide．It is a sub—humid area，susceptible to drought．Eggplants(Solanum melongena)were cultivated in pots and a small
plot respectively，both in the greenhouse．The soil property in the pots and the plot are：organic matter 18．85g／kg，total—N 1．1Og／
kg，total—P 2．22g／kg，available—N 15．61mg／kg，available—P 72．0mg／kg，available—K2O 101mg／kg，soil bulk density 1．38kg／
em 3
，
and a field water capacity of 24％ ．Th e experiment was designed using a two—factor randomized—block method by taking soil
moisture content and growing stages as variables．Th e soil moisture content was controlled at 80％ ，70％ ，60％ and 50％ of the
field water capacity，and growing stages that were chosen were seedling，flowering and fruit—forming，and harvesting stages；each
treatment having three replicates．Th e po ts were weighed and watered daily to minimize soil moisture change，and the soil water
content of the smal plot was monitored using Time Domain Refleetrometry and drying·-weight method respectively at five·-day
intervals．The change of stem diameter was measured continuously using a stem diameter sensor(DD—type)linked to a date
logger．Th e measurement started when the stem diameter was large enough to hold the stem diameter sensor．Th e sensor was
attached to the stem of each plant approximately10—15 cm abo ve the soil surface，and the measurements were taken automatically
at an interval of either 10 min or 30 min．Th e data stored in the data logger was downloaded to a microcomputer after three or five
days．The leaf water potential was measured at hourly intervals with a pressure chamber(ZLZ一4)，each measurement was taken on
two leaves．Th e leaf relative water content was measured with the weighing method．Transpiration rate and stomatal conductance
were measured by a Portable Photosynthesis System (CIRAS一1 type)．Al the measurements were made simultaneously at sunny
days from 08：00 to 1 8：00 to minimize the diurnal variations．Air tempe rature ，relative air humidity，net solar radiation and other
atmospheric factors were taken from a standard meteorological station instaled in the greenhouse during the growing season from
2002 to 2004．
Th e results showed that on all sunny days the stem diameters shrank in the daytime and returned to their original size at
nights，regardless of plant water content．Th e degree of shrinking and swelling of the stem diameter was closely related to plant
water content and soil moisture content．Results from the small—plot experiment indicated that the chan ge of stem diameter was
po sitively related to vapo r pressure deficit in the greenhouse with a correlation coeficient of 0．8938．Th e diurnal change of stem
diameter was closely related to the diurnal change of leaf water po tential and relative leaf water content with correlation coeficients
0．867 and 0．965 respectively(P 0．0 1)．These results sugest that the change of stem diameter can be seen as an indicator of
plant water content and hence be used as a simple non—destructive method to continuously measure plant water content．
Key words：plant water content diagnosis；micro—changes of stem diameter；eggplant(Solanum melongena)
据文献资料 ，国外在 20世纪 50年代末就有利用植株茎直径变化监测诊 断作物水分状况的相关试验研
究 ¨；20世纪60年代就其可行性的专题研究逐渐增多 ，并取得显著成效；20世纪 70年代，茎直径变化监
测作物水分研究的重心在于机理方面 ，就水分胁迫导致茎变形的机制展开 了许多研究 ，试 图寻求茎直径
监测与植株其它器官水分状况的关系，积累了较丰富的资料 ；20世纪 80年代除继续深化机理研究外 ，开始注
重于应用技术的探索；20世纪 90年代 ，茎直径变化监测作物水分方法在 自动控制灌溉系统 中已有所运用。
1995年，Sato等在温室条件下进行了试验，他们设计安装了一个 自动控制供水系统 ，其中包括茎变化监测传感
器。结果表明，用这种 自动控制系统灌溉的水果产量和质量几乎与人工控制灌溉 的相同，显示 出良好的应用
前景 ’ 。
植株茎直径变化法与其它作物水分监测方法如湿度计法、压力室法、蒸散法和叶片相对含水量法等相比，
确已显示出其简单易行、对植株不具破坏性、可连续监测和准确获取作物体内水分信息的特点，对于研究不断
变化的环境 因子对作物水分状况和生长的影响确实是必需的。因此 ，其已经成为国际上许多研究的课题和关
注的热点 ¨·” 。但国内报道资料甚少 ¨’ ，试验材料仅限于果树，对温室蔬菜作物尚未涉及。本文在此报道
的是温室条件下盆栽和小区试验茄子茎直径微变化与作物水分状况的关系，为进一步研究确定不同作物根据
茎直径变化监测和诊断水分状况的指标体系和技术操作规程提供依据。
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生 态 学 报 26卷
1 材料与方法
1．1 试验材料与设计
试验于 2002年至 2004年在中国农业科学院农 田灌溉研究所灌溉试验场 1号 日光温室 中进行 。温室长
40m，宽 8．5m，种植区 40m X 7m(280m )。温室东西走 向，坐北朝南 ，与其它温室间隔 15m，互不遮荫。覆盖无
滴聚乙烯薄膜，外层覆盖复合保温被，温室内设有补温装置。以茄子(Solanum melongena)为试验材料，以盆栽
试验为主，小区试验为辅。盆栽试 验采用聚乙烯盆土培法 ，每盆装耕层干土 10kg，容重 1．1kg／crn3，盆底部铺
5cm厚的砂过滤层 ，以调节下层土壤通气状况和水分条件。为防止土壤表面水分过量蒸发和土壤板结 ，盆两
侧各置放直径为 3cm的细管用于供水(细管周围有IJ,~L并以密质纱网包裹 )。
采用二因素(土壤水分梯度和不同生育阶段)随机区组设计 ，于茄子不同生育阶段(苗期 、花果期 、采收期 )
设不同土壤湿度梯度 系列 ，土壤含水量控制下限分别取 田间持 水量 的 80％FC(Field water caDacity)、70％FC、
60％FC和 50％FC；不同生育阶段为苗期 、花果期和采收期 ；共有 4 X 3=12个处理组合 ，重复 3次；采用电子天
平(最大称量 60kg，精度 5g)称重和水量平衡法控制水分 ，每天或隔天用量杯加一次水 。试验共用盆钵 42个。
为了解茄子茎直径在一个干旱周期中的变化动态及其与土壤水分变化的关系 ，另设干旱处理试验 8盆，
其 中4盆植株安装茎直径变化传感器 ，另外 4盆用 于称重测定土壤含水量变化动态。盆表面包扎聚乙烯塑料
薄膜以防止土壤表面蒸发，保证土壤水分消耗主要 由植株蒸腾所致。试验开始时将盆在傍晚最大 限度地灌
水 ，晾干一夜 ，以此时土壤相对持水量(Relative soil water content，缩写为 RWC)作为 100％，用烘干法 获得此时
土壤水分重量 ，随后让其缓慢变干 ，每天早 、晚对盆称重获得 日失水量 ；日土壤相对持水量以早 、晚的平均值为
准。当叶片 日出前水势急剧下降，叶片气孔调节现象明显或接近萎蔫时 ，重新灌水至田间持水量 ，作为一个干
旱周期 。待植株体复原几天后 ，再进行下一个干旱周期 的处理。
温室小区试验土质为砂壤土 ，耕层土壤有 机质 18．85g／kg，全 N 1．10g／kg，全 P 2．22g／kg，速效 N 15．61mg／
kg，速效 P 72．00mg／kg，速效 K 101mg／kg；土壤容重 1．38kg／cm ，田间持水量 24％(占干土重％)。每小 区宽 1m，
长 1．2m，双行种植 ，行距 0．60m，株距 0．40m，每小 区 6株。各重复间留 0．60m间隔 ，便 于观测记载 ，各小区四
周以塑料布隔离 ，以防水分侧渗。每行作物铺设一条滴灌管 ，滴头间距与株距相同。试验处理设计 与盆栽相
同，重复 3次，共 36个小区。采用时域反射仪(TDR)监测和取土烘干法控制土壤水分 ，土壤计划湿润层深度
苗期为60cm，花果期以后为 100cm；每 5d测定 1次土壤水分，低于土壤水分控制下限时灌水，供水方式为滴
灌 ，水表计量。
1．2 试验观测项 目与方法
用德国产茎直径变化量传感器(DD一型，测量精度 2 m)与数据 自动采集器(DL2e Data Logger)联接定点定
株连续监测茎直径变化(△sd)。传感器安装位置 ：苗期和下节位测定在植株茎距地表 10～15cm节位 ，上节位
测定在植株茎距地表 60～65cm节位 ；数据 自动采集器设置为每 10min或 30min记录一次数据 ，每 日或隔 日用
笔记本电脑下载一次数据 ；每一处理测 3～5株 ，了解不 同生育 阶段 、不同时间 、植株茎不同节位的监测效果。
采用 ZLZ一4型植物水分状况测定仪与茎直径变化监测 同步测定叶水势( ，测植株上部东 、西侧各 1片叶，取
平均值 ；采用称重法测定叶片含水率(RWC)；采用称重法(盆栽)、TDR(时域反射仪)和取土烘干法(小区试验)
测定土壤含水量(SWC)；采用英 国 PP System公司生产 的 CIRAS一1便携式光合作用测 定系统测定光合速率
(Pn)、蒸腾速率(71r)和气孔导度( )；环境 CO 浓度由 CO 小钢瓶控制在 360mg／kg，光强由系统 自带的人工
光源 LED提供 ，设置为 1500mmol／(m ·s)；温室小气候 因子(空气温度 、湿度 、作物冠层温度 、太阳辐射 )从安装
在温室内的 自动气象站获取 。
2 结果与分析
2．1 一个干旱周期中茎直径变化动态
图 1所示，在一个干旱周期 中茄子茎直径微变化呈 24h左右锯齿状周期变化 ，白天开始收缩 ，直径变小 ，
傍晚和夜间复原或膨胀 。在干旱周期的早期茎直径能复原或有增长效应 ，随着土壤水分可利用性 的降低 ，茎
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8期 孟兆江 等：温室茄子茎直径微变化与作物水分状况的关系
直径不能完全复原或净增长减小甚至停止，当土壤水分降低至50％FC～60％FC时，茎直径出现负增长。表明
茎直径变化能比较灵敏的反映植株体内的水分状况。
2．2 不同天气条件下茎直径 日变化规律
从观测资料发现，不同天气条件下的茎直径变化存
在着明显的差异(图 2)。在晴天(图 2a)，茎直径在一天
中主要随太阳辐射、空气饱和差等环境因子的变化而变
化，无论是在较高土壤含水量或在较低土壤含水量条件
下，茄子茎直 径都是在 白天收缩 ，傍晚、夜 间复原或膨
墨
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07：00 12：00 16：00 21：00 02：00 07：00
时间 Time
00 07：00 09：00 l2：00 l4：00 l6：00 {9：00
06：00 08：00 10：00 13：00 l5：00 18：00
时间 Time
图 2 不同天气条件下茄子茎直径变化
Fig．2 Stem diameter changes in eggplant day and nisht under diferent weather condition
2．3 茎变化与土壤水分状况的关系
植物在生长过程中水分状况的变化从土壤含水率、
叶水势 、叶片含水量 、蒸腾 速率及茎直径变化等都会得
到反映 。目前农业和水利科技工作者主要以土壤含水
率反映植物的水分状况 ，由于土壤质地的不同(粘质土 、
粘壤质土 、砂质土等)反映植物水分状态的土壤含水率
数值差异很大，为统一标准而采用相对含水量(占田间
持水量的百分数)。成熟的经验是，一般情况下作物土
壤相对含水量为 60％FC时为轻旱，需要灌水；当降到
50％时为重旱，将严重影响作物 正常生长和产量形成 ；
当达到 70％ ～80％FC时为适宜水分范 围，超过 90％FC
累
靛亏
20
0o
80
60
40
2O
O
茄子茎直径日最大收缩量 (mm)
Maximum daily shrinkage in stem diameter ofeggplant
图3 茎直径 日最大收缩量与土壤含水量的关系
Fig．3 Relationship between MDS and RSW C
时水分过多。对茎直径 日最大收缩量(Maximum daily shrinkage，缩写 MDS，当 日清晨 6：00茎直径相对值与 日
最小茎直径相对值之差)与土壤相对含水量(Relative soil water content，缩写 RSWC)进行相关分析 ，得到二者相
互关系方程式(图3)，结果显示二者具有极显著线性相关关系，通过了0．01水平的显著性检验。说明用茎变
化能够反映土壤含水量的变化，进而反映作物 的水分状况。将已有研究确定 的不同水分胁迫程度对应的土壤
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相对含水量阈值代入关系式 ，求解 出对应的茎直径变
化诊断作物水分状况量化指标阈值(表 1)。这些指标
在典型晴天条件下，可作为启动灌溉自动控制系统的
参考指标 。
2．4 环境因子对茎直径变化的影响
同许多其它生理指标一样，作物茎直径变化受气
象因子、土壤水分等 环境因素 的综合影 响，特别是茎
直径 日最大收缩量 MDS在很大程度上取决于环境 因
素的影响。根据能量平衡理论的 Penman蒸腾速率计
算公式 ：在充分供水 条件下 ，辐射 和饱 和水汽压差是
影响蒸腾的两大要素 。但对充分供水 条件下 的茄子
茎直径收缩量 MDS与温室内净辐射进行相关分析 ，
发现二者并无显著相关 。这与大 田 自然 条件下 的情
况不 同。
对温室茄子茎直径收缩量 (MDS)与饱和水汽压
差(VPD)进行相关分析，结果表明二者间呈极显 著相
关关系(图 4)。说明在温室条件下作物茎直径变化对
VPD的变化响应比对辐射变化的响应更敏感 。
2．5 茎直径变化与其它水分生理指标的关系
2．5．1 茎直径变化 (3Sd)与叶水势( )的关系 图
5显示，3Sd(茎变化传感器所测“相对值”，表示茎直
径相对变化量 ，不表示茎直径实 际值 )与叶水势 ( ，)
之间具有 良好的正相关关系，相关系数 R=0．867，显
著水平 P=0．01。因为叶水势能理想地表达作物水分
状况 ，所以这一 良好关系说 明茎直径变化也能反映作
物水分状况。
2．5．2 茎直径变化(3Sd)与叶片相对含水量 (LRWC)
的关系 图 6显示的是 3Sd与叶片相对含水量(LR．
WC)的关 系。实验 表明 ，sd与叶片相对含 水量 (LR．
WC)之间呈 良好 的正相关关系，相关系数 R=0．965，
显著水平 P=0．O1。
2．5．3 茎直径变化(3Sd)与蒸腾速率(71r)的关系
茎直径变化 (3Sd)与 蒸腾速率 (71r)的关 系 比较 复
杂 。在适宜水分条件下(土壤相对含水量 70％ ～80％
FC)，两者关系不大。在轻度干旱条件下(土壤相对含
水量 60％FC)，两 者呈显 著负相关 (图 7a)，相关 系数
R=一0．816，显著水平 P=0．01，即当蒸腾速率 增
大时 ，茎直径收缩 ，当 n 降低时 ，茎直径膨胀。在重
度干旱条件下 (土壤相对含水量 50％FC)，两者呈显
著正相关(图7b)，相关系数 R=0．887，显著水平 P=
0．01，即当 71r增大时 ，茎直径膨胀或复原 ，71r降低时 ，
表 1 从茄子茎直径变化诊断作物水分状况■化指标
Table I Indices for diagnosing crop water status from chan~eS in stem
diameterfor eggplant
量
堇喜
蓑l
三
舌
饱和水汽压差 (kPa)
Vapour pressure dificit
图 4 温 室茄子 茎直径收缩量 MDS与 VPD间关 系
Fig．4 Relationship between Maximum daily shrinkage in stem diameter for
eggplant and VPD in greenhous
喜
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至
堇耋
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舌
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06：00 08：00】0：00】2：00】4：00 】6：00】8：00 20：00
06：00 08：00 10：00 12：00 14：00 16：00 1 8：00 20：00
测定时间 Measurement time
图 5 茎直径 变化(aS,／)与叶水势( )的关系
Fig．5 The relationship be tween changes in stem diameter and leaf water
potential
E
E
一
￡善
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蒌童
2
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图6 茎直径 变化(AtSd)与叶片相对 含水量(LRWC)的关系
Fig．6 The relationship be tween changes in stem diameter and leaf relative
water content
∞ 如 ∞ 如 0
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茎直径收缩。这种复杂的关系有待进一步试验验证。
— — ·—一Sd ——·一 Tr
E
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§
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图7 茄子茎变化(Sd)与蒸腾速率(Tr)的关系
Fig．7 Relationship between stem diameter changes and transpiration rate
搴等
重
鎏蓦
樵
2．5．4 茎直径变化(3Sd)与气孔导度( )的关 系 茎直径变化(3Sd)与气孔导度 ( )的关系和茎直径变化
(3Sd)与蒸腾速率(n)的关系相似。在适宜水分条件下(土壤相对含水量 70％FC～80％FC)，两者关系不大。
在轻度干旱条件下(土壤相对含水量 60％Fc)，两者呈显著负相关 ，相关系数 R=一0．884，显著水平 P=0．O1，
即当气孔导度 增大时，茎直径收缩 ，当 降低时 ，茎直径膨胀 。在重度干旱条件下(土壤相对含水量 50％
FC)，两者呈显著正相关 ，相关系数 R=0．803，显著水平 P=0．O1，即当 增大时 ，茎直径膨胀或复原 ， 降低
时，茎直径收缩。这种复杂的关系也有待进一步试验验证 。
3 讨论
在作物节水高效栽培过程中，作物体内的水分状况是一项重要的控制指标。本试验研究结 果表明，无论
是在较高土壤含水量或在较低土壤含水量条件下 ，在 晴好 的天气里，茄子茎都是在 白天收缩 ，傍晚 、夜间复原
或膨胀 ，而且这种微变化动态与植株体内的水分状况密切相关 。因而可以根据茎直径变化(膨胀或收缩)诊断
植株体内的水分状况。本方法简单 、方便 、快捷 、可靠 、低成本 、对作物无破坏性 ，有望成为精准高效并可实现
连续监测 自动记录的作物水分监测方法。
本试验条件下得出茄子植株茎直径变化诊断作物水分状况量化指标 阈值 ，但 MDS阈值还必须在田间试
验中深入研究确定，而且影响茎直径变化 的因素很多，诸如 土壤 、气候(太阳净辐射 n、水汽压差 VPD)等环
境因子 ，作物种类 、栽培种 、生育阶段 、株势 、株龄 、茎粗和茎节位等作物生态生理 因子。因此 ，MDS不宜单 独
作为诊断指标 ，应同时寻求茎变化 中的其它关键性指标如 日生长量(Dailv growth，DG)、当 日完全复原所需 时
间(Recovering time， 71)等 ，尤其要建立茎直径变化与环境因子关系的定量诊断模型。
试验监测 中发现在同一水分条件下作物不同植株间的茎变化反映有基本相同的规律，但由于植株个体生
长发育和构造的不一致性 ，致使茎变化量监测值会出现离散 ，影响对作物水分状况诊断的精度。对这种株 间
变异性及其标准化处理方法需要进一步试验研究。
关于根据植株茎直径变化诊断作物体 内水分状况的试验研究，国内报道资料甚少，其基础理论研究和可
操作方案的研究尚属起步和探索阶段 ，许多问题有待深入研究 ，如茎直径随水分状况变化的内在调控机制 ，不
同环境条件下茎直径变化与作物水分的关 系及其监测效果 ，茎直径变化法 在不同作物上的应用效果 ，作物不
同生育阶段 、不 同水分条件下的茎直径变化监测方法 ，茎直径变化法监测作物水分的适宜时期或时间 ，茎直径
变化株间变异性及其标准化处理方法，在较长历时内测定时茎生长效应对水分诊断精度的影响及其校证测定
方法 ，茎直径变化法与其它水分诊断方法的相互关系等。若能完成这些研究 ，将可确定不同作 物根据茎直径
变化诊断需水状况的指标体系和技术操作规程 。
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