基于作物表型的温室精准灌溉策略研究进展_冯倩.pdf
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1、节水灌溉Water Saving I基于作物表型的温室精准灌溉策略研究进展冯倩1,2,尹义蕾1,2,王柳1,2,王春辉1,2,裴庆余1,2,丁小明1,2,张凌风1,2,王晓丽3,王会强4(1.农业农村部规划设计研究院,北京100125;2.农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室,北京100125;3.河北润农节水科技股份有限公司,河北 唐山064100;4.河北农业大学,河北 保定071001)摘 要:水分状况直接决定着温室作物的产量与品质,根据作物表型变化来反应其水分胁迫状况是当前研究的热点。作物表型参数综合考虑了由于土壤(或基质)水分减少和蒸腾蒸发需求量而引起水分胁迫的累积效应,据
2、此可以更精确地判断作物水分胁迫水平,进而为实现精准灌溉提供相关依据。该文对国内外基于作物表型(茎直径变化、茎流、冠层温度)的温室精准灌溉策略研究现状进行了分析与总结,相关研究表明,茎直径变化、茎流和冠层温度3个诊断指标可以反映植物的水分状况,但作物表型受环境因子影响较大,一般需排除环境因子对作物表型的影响或与环境因子等外界因素进行综合分析建模,建立综合作物表型-环境因子等因素的作物需水模型,用以指导灌溉;同时提出了国内基于作物表型进行灌溉还存在基础理论不完善、技术研发不先进、设备监测不精确等问题,并对基于作物表型的灌溉策略未来的发展方向进行了展望,未来国内温室灌溉领域需向着加强作物表型与灌溉的
3、基础理论研究、积极探索新技术、研发新装备、提升温室环境控制水平等方向前进。该文可推动该领域相关研究为实现温室作物的精准灌溉提供参考。关键词:温室;精准灌溉;水分胁迫;作物表型;茎直径微变化;茎流;冠层温度;研究进展中图分类号:S274 文献标识码:A DOI:10.12396/jsgg.2023073冯 倩,尹义蕾,王 柳,等.基于作物表型的温室精准灌溉策略研究进展 J.节水灌溉,2023(6):34-40.DOI:10.12396/jsgg.2023073.FENG Q,YIN Y L,WANG L,et al.A review on precision irrigation strateg
4、y for greenhouse crops based on phenotype J.Water Saving Irrigation,2023(6):34-40.DOI:10.12396/jsgg.2023073.A Review on Precision Irrigation Strategy for Greenhouse Crops Based on PhenotypeFENG Qian1,2,YIN Yi-lei1,2,WANG Liu1,2,WANG Chun-hui1,2,PEI Qing-yu1,2,DING Xiao-ming1,2,ZHANG Ling-feng1,2,WAN
5、G Xiao-li3,WANG Hui-qiang4(1.Academy of Agricultural Planning and Engineering,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing 100125,China;2.Key Laboratory of Farm Building in Structure and Intelligent Construction,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing 100125,China;3.Hebei Runnong Wate
6、r-saving Technology Co.,Ltd,Tangshan 064100,Hebei Province,China;4.Hebei Agricultural University,Baoding 071001,Hebei Province,China)Abstract:Water status directly determines the yield and quality of greenhouse crops.It is a hot topic to reflect the water stress status according to the phenotypic ch
7、anges of crops.Crop phenotypic parameters comprehensively consider the cumulative effect of water stress caused by soil(or matrix)water reduction and evapotranspiration demand.Based on this,the level of crop water stress can be judged more accurately,and then provide a relevant basis for precise irr
8、igation.In this paper,the research status of greenhouse precision irrigation strategy 文章编号:1007-4929(2023)06-0034-07收稿日期:2023-03-07基金项目:河北省重大科技成果转化项目(21287001Z);农业农村部规划设计研究院自主研发项目(SH202102);河北省重点研发计划项目(21326904D)。作者简介:冯倩(1998-),女,助理工程师,主要从事设施园艺装备方面的研究。E-mail:。通讯作者:尹义蕾(1983-),男,高级工程师,主要从事设施水肥一体化技术与装备
9、领域的研究。E-mail:。34基于作物表型的温室精准灌溉策略研究进展 冯倩 尹义蕾 王柳 等based on crop phenotype(stem diameter change,stem flow,canopy temperature)at home and abroad were analyzed and summarized.Relevant studies showed that the three diagnostic indicators of stem diameter change,stem flow,and canopy temperature could reflect
10、 the water status of plants,but the crop phenotype was greatly affected by environmental factors.Generally,the influence of environmental factors on crop phenotype or the comprehensive analysis and modeling of external factors such as environmental factors should be excluded,and the crop water requi
11、rement model based on crop phenotype-environmental factors should be established to guide irrigation;At the same time,it is pointed out that there are still some problems in domestic irrigation based on crop phenotype,such as imperfect basic theory,unadvanced technology research and development,and
12、inaccurate equipment monitoring.The future development direction of irrigation strategy based on crop phenotype is prospected.In the future,the domestic greenhouse irrigation field needs to strengthen the basic theoretical research of crop phenotype and irrigation,actively explore new technologies,d
13、evelop new equipment,and improve the level of greenhouse environment control.This paper can provide a reference for promoting relevant research in this field and realizing precision irrigation for greenhouse crops.Key words:greenhouse;precision irrigation;water stress;plant phenotyping;micro-changes
14、 of stem diameter;stemflow;canopy temperature;review0引 言灌溉是设施农业生产过程中的关键环节,作物的水分状态直接影响作物生理过程和潜在生产力1,影响其产量和品质。持续控制作物的水分状况十分重要,严重的水分胁迫或灌溉不及时将会导致作物减产2,灌溉量过多不仅会造成水资源的浪费,在一定程度上也会影响作物品质,更为严重的将导致作物死亡。基于上述原因,合理的灌溉制度就变得尤为重要,随着科技的发展,设施农业精准灌溉成为人们研究的热点3,4。精准灌溉是指依据作物类型、作物生长过程的耗水特点等实际需求,通过人工或自动监测手段、数据计算、网络传输等先进技术,
15、采用最优的灌溉设施和灌溉施肥制度对作物进行严格有效的灌溉,以确保作物在生长过程中的需要,达到作物高产和优质高效的灌溉应用新模式5-7。与凭人工经验进行灌溉的传统模式相比,精准灌溉技术系统考虑了农作物、气候、土壤墒情等多方面因素,可以较好地根据作物需求精准控制作物生长所需水量及时间,具备节水、节能、优产、提质、增效的潜力8,精准灌溉已成为节水灌溉发展的必然方向9。目前荷兰最先进精准灌溉技术水资源的利用率可达到95%以上,遥遥领先于国内技术。实现精准灌溉的依据在于掌握作物的需水特征、需水时期及需水量等参数10,因此如何能够准确反映作物水分状况的指标是实现精准灌溉的重要基础。近年来国内外学者主要从以
16、下几方面进行了精准灌溉研究:基于土壤水分的灌溉制度11,12,该方法主要利用多种传感器和参数建模方法预测土壤湿度,通过比较植物生长各个阶段的含水量并将物联网应用集成到农业中,以减少用水量并提高产量,但缺点在于忽略了环境因素与灌溉之间的关系,另一方面来讲,植物生理变化是对植物自身组织水分状态作出的响应,而并非对土壤含水量的响应13,因此难以真实的反映作物本身的水分状况;利用作物灌溉模型进行仿真试验研究14-16,该方法主要是基于多年的数据模拟分配固定时间内的作物灌溉量,缺点在于计算相对复杂、应用范围有限且不具有及时性17;基于作物表型的灌溉制度,该方法是通过作物茎直径变化、茎流速率、冠层温度等表
17、型参数以及生长环境参数,通过建立作物-环境耦合模型,智能决策作物的需水状况。基于作物表型参数的灌溉策略与其他灌溉制度相比具有简单易行、实时监测并准确获取作物水分信息等突出优势,因此本研究主要开展了基于作物表型的温室精准灌溉策略的研究。表型是作物基因型与环境互作后呈现出来的性状,包括形态学、生育期、产量、品质、抗性等性状18。植物表型性状可以分为三大类:形态结构性状、生理功能性状和组分含量性状。相关研究表明,植物水分状况与茎秆直径微变化、叶温或冠层温度、茎流速率等植物表型参数密切相关19,即植物“胁迫”感应20。一般情况下,植物在水分胁迫下的蒸散发量较低,将会导致叶片萎蔫、叶面积减少、茎粗生长减
18、少和植物生长阻滞等水分胁迫症状的发生,以及叶片水分状况、光合作用、茎流、叶片温度、渗透调节等生理生化过程的改变。本文主要针对基于作物表型参数(茎直径变化、茎流、冠层温度)进行温室精准灌溉的国内外研究现状进行了分析和讨论,指出了基于作物表型参数指导精准灌溉存在的问题,并从加强作物表型与灌溉领域基础理论研究、探索先进技术、加快装备研发进程、提升国内温室环境控制水平和积极开展温室操作人员技术培训工作等方面提出了针对性建议,以期为实现温室种植自动、智能、精准灌溉提供相关依据。1研究现状分析1.1基于茎直径变化的灌溉策略茎直径变化(stem diameter variation,SDV)是衡量作物干旱胁
19、迫的一项重要指标,茎直径随着水在木质部和韧皮部之间运动而变化21。SDV的主要机制是内部水分含量的变化导致了茎组织中的死组织和活组织的可逆收缩和膨胀,从而造成茎直径的收缩和膨胀现象。茎的收缩-膨胀是木质部对水势变化的响应22,23。在水分胁迫下,茎秆收缩将会阻碍茎秆的生长,因此茎直径变化可对植株内部水分状况作出响应,从而使人们了解植株水分状况,指导实现精准灌溉24。长期以来,国内外研究学者一直在根据茎直径的变化及其对作物内部水分状况的响应阈值寻找精准且有效的灌溉策略。国外GALLARDO等学者25在温室条件下利用SDV衍生指数,最大日收缩率(MDS)和茎生长速率(SGR)对番茄植株35基于作物
20、表型的温室精准灌溉策略研究进展 冯倩 尹义蕾 王柳 等的水分状况指标进行评价,试验表明在冬季低蒸发需求条件下,SDV衍生指数对植株水分状况检测的灵敏度较低;在春夏季高蒸发需求条件下,SDV衍生指数对植株水分状况检测的灵敏度较高。同时,试验发现MDS对番茄成熟植株的水分状况检测比较敏感,SGR对番茄幼苗水分状况检测更为敏感,因 此 SDV 衍 生 指 标 可 用 于 反 映 番 茄 植 株 的 水 分 状 况。Abdelfatah等学者26在温室条件下研究了樱桃树干MDS与环境和生理变量之间的关系,发现MDS可作为指导樱桃灌溉的指标,MDS对水分胁迫较为敏感,对灌溉停止引起的基质电位下降有较强烈
21、的反应,建议阈值为0.30 mm。国内孟兆江等学者27在温室条件下通过对茄子进行了茎直径变化与作物水分状况关系的研究,结果表明茎直径变化量与叶水势、叶片相对含水量有很好的相关性,可以反映植株体内的水分状况,同时研究也发现由于茎直径变化受外界环境影响较大,因此MDS不宜单独作为诊断指标,需建立茎直径变化与环境因子耦合的诊断模型;王晓森等学者28通过对春季番茄不同生育期茎直径变化特征与气象因子的相关性进行研究,结果发现茎直径日变化与叶水势日变化相似,但茎直径变化落后于叶水势变化,二者存在相关性,茎直径变化能够很好的反映番茄的水分状况,同时提出了相对最大收缩量(RMDS)指标,可以消除气象因子对结果
22、的影响,局限性在于作物不同生育期茎直径变化范围是不同的,因此也需分时期进行研究。胡笑涛等29研究了温室番茄茎秆直径微变化对分根区交替灌溉以及固定部分根区滴灌两种灌溉方式的响应,通过建立 MDS 与代表当日天气状况的参考作物蒸发蒸腾量(ET0)关系发现,MDS与ET0存在显著线性正相关(R2=0.38,P0.000 1),可用于指导番茄灌溉。众多研究表明,茎直径变化可作为指导温室精准灌溉的一项重要指标,可以反映植株体内的水分状况,但是由于茎直径变化受外界环境影响较大,因此在研究中通常建立茎直径变化、作物生长发育及环境等因素共同考虑的多模型融合的作物需水预测模型。1.2基于茎流速率的灌溉策略掌握作
23、物蒸腾耗水的前提是要了解作物茎流变化30,植物茎流是指植物在蒸腾作用下茎秆内产生的上升液流,在水分胁迫条件下,由于气孔关闭,蒸腾速率降低,进而影响茎流,因此茎流作为一种可衡量作物蒸腾作用的指标,判断作物是否遭受水分胁迫31。目前农业方面测定茎流的方式主要有热脉冲速率法(Heat Pulse Velocity,HPV)32、茎热平衡法(Stem Heat Balance,SHB)33,34、热 扩 散 法(Thermal Dissipation Probe,TDP)35等,用于温室作物测量茎流的方法主要采用茎热平衡法(SHB)。GREY等学者36观察到番茄在水分胁迫处理3天后茎流明显下降,茎流与
24、ET0之间具有较好的相关性,研究表明,植物茎流速率对水分胁迫有一定的响应,可以合理地利用茎流速率来确定植物的水分胁迫水平。YANG等学者37研究发现,在番茄开花期和坐果期,充分灌溉的2/3灌水量处理的茎流速率明显低于充分灌溉,晴天番茄茎流量的日变化呈双峰曲线。QIU等38报道,与番茄充分灌溉相比,充分灌溉量2/3和1/2处理的茎流速率分别降低了22.1%和42.8%,茎液日流量与太阳辐射、气温、水汽压差、参考蒸散量均呈显著正相关。VERMEULEN等学者39对水培番茄作物进行干旱处理发现,作物遭受干旱胁迫会导致液流速率显著降低,从而迫使作物利用其内部储存的水分来支撑蒸腾作用,茎流速率的变化可以
25、在症状发生之前就检测到了干旱胁迫,因此可以在早期预警系统中进行利用。杨再强等学者40研究表明番茄开花期和坐果期,严重的水分亏缺处理使得茎流降低,在正常灌溉和轻度水分亏缺下处理下,晴天番茄茎流日变化呈双峰曲线,中午太阳辐射强,气孔关闭,茎流速率出现低谷,同时研究发现太阳辐射和空气温湿度是影响番茄茎流的主要气象因子。彭致功等41对影响日光温室内茄子茎流变化规律的因子进行了系统研究,以太阳辐射、空气温湿度和土壤温度为主要影响因子,运用回归分析法建立了主要环境因子与茄子植株蒸腾之间的回归关系式,并能很好的拟合实测结果,预测植株蒸腾速率。刘浩等42采用茎热平衡理论对番茄植株茎流进行连续监测,研究发现,在
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