全 文 ：温室甜瓜营养生长期日蒸腾量估算模型*
张大龙1 摇 李建明1,2**摇 吴普特1,2 摇 李玮黎3 摇 赵志华1 摇 徐摇 菲1 摇 李摇 俊1
( 1 西北农林科技大学园艺学院, 陕西杨凌 712100; 2 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 3 西北农林科技
大学生命科学学院, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 建立了基于温室环境参数、甜瓜生长发育参数和土壤水分参数的温室甜瓜日蒸腾量
估算模型,以研究温室条件下甜瓜蒸腾量的估算方法. 根据温室内特定环境对 Penman鄄
Monteith方程中空气动力项进行修正,推导出了适于计算温室条件下参考作物蒸腾量的温室
环境因子子模型;以甜瓜叶面积指数为自变量构建了作物因子子模型,模型形式为线性函数;
以土壤相对有效含水量为自变量构建了土壤水分因子子模型,模型形式为对数函数.采用分
期播种法,根据周年不同播期实测数据对模型参数进行估计和分析.采用土壤相对含水量分
别为 80% 、70% 、60%的实测蒸腾数据,对模型在充分灌溉和节水灌溉条件下的预测精度进行
了检验,模拟值的平均相对误差分别为 11. 5% 、16. 2% 、16. 9% .所建蒸腾模型是对 Penman鄄
Monteith公式在温室环境和节水灌溉条件下的有益探索,具有重要推广应用价值.
关键词摇 温室摇 甜瓜摇 蒸腾摇 Penman鄄Monteith方程摇 估算模型
文章编号摇 1001-9332(2013)07-1938-07摇 中图分类号摇 S161. 4,S275摇 文献标识码摇 A
Estimation model for daily transpiration of greenhouse muskmelon in its vegetative growth
period. ZHANG Da鄄long1, LI Jian鄄ming1,2, WU Pu鄄te1,2, LI Wei鄄li3, ZHAO Zhi鄄hua1, XU Fei1,
LI Jun1 ( 1College of Horticulture, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China;
2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Re鄄
sources, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3College of Life Sciences, Northwest A&F University,
Yangling 712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(7): 1938-1944.
Abstract: For developing an estimation method of muskmelon transpiration in greenhouse, an esti鄄
mation model for the daily transpiration of greenhouse muskmelon in its vegetative growth period was
established, based on the greenhouse environmental parameters, muskmelon growth and develop鄄
ment parameters, and soil moisture parameters. According to the specific environment in green鄄
house, the item of aerodynamics in Penman鄄Monteith equation was modified, and the greenhouse
environmental sub鄄model suitable for calculating the reference crop evapotranspiration in greenhouse
was deduced. The crop factor sub鄄model was established with the leaf area index as independent
variable, and the form of the model was linear function. The soil moisture sub鄄model was estab鄄
lished with the soil relative effective moisture content as independent variable, and the form of the
model was logarithmic function. With interval sowing, the model parameters were estimated and an鄄
alyzed, according to the measurement data of different sowing dates in a year. The prediction accu鄄
racy of the model for sufficient irrigation and water鄄saving irrigation was verified, according to meas鄄
urement data when the relative soil moisture content was 80% , 70% , and 60% , and the mean rel鄄
ative error was 11. 5% , 16. 2% , and 16. 9% respectively. The model was a beneficial exploration
for the application of Penman鄄Monteith equation under greenhouse environment and water鄄saving ir鄄
rigation, having good application foreground and popularization value.
Key words: greenhouse; muskmelon; transpiration; Penman鄄Monteith equation; estimation
model.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAD29B01,2011BAD12B03)和国家高技术研究发展计划项目(2011AA100504)资助.
**通讯作者. E鄄mail: lijianming66@ 163. com
2012鄄10鄄23 收稿,2013鄄04鄄25 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 7 月摇 第 24 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2013,24(7): 1938-1944
摇 摇 在温室作物生产中,作物蒸腾不仅是水分管理
的主要依据,同时也是温室内环境调控的主要参
数[1] .仅定性分析温室蔬菜耗水量是远远不够的,
如何定量计算温室作物蒸腾量才是关键,所以建立
能够精确计算温室蔬菜蒸腾量的模型成为作物水分
研究的热点[2] .目前国内外有关温室作物蒸腾量的
估算,尚未形成一套标准的蒸发蒸腾量计算方法,绝
大多数情况下是以相应作物在大田条件下的蒸腾量
估算结果作为参考,其灌溉制度的设计也没有实用
的理论方法可供利用[3],这给温室作物合理灌溉带
来了一系列问题.
目前计算温室作物蒸腾量最常见且较为合理的
方法,是以 Penman鄄Monteith(P鄄M)方程为理论基础
的计算模型,它以能量平衡和水气扩散理论为基础,
既考虑了作物的生理特征,又考虑了空气动力学参
数的变化,有较适宜的理论依据和较高的计算精
度[4] . Boulard 和 Wang[5]利用室内能量平衡和 P鄄M
方程推导出基于棚室外气象数据的温室作物蒸腾量
模型,当温室关闭时,室内外的气候条件相关性明显
降低,用室外气象数据作为边界条件代替室内气象
参数估计蒸腾量时会降低精度. Jones 和 Tardieu[6]
建议在温室条件下,蒸腾预测方程中可以消除空气
动力学项,但这种观点显然违背了水气扩散理论,因
而不能被广泛采用. 近年来,陈新明等[7-9]和刘浩
等[10]从温室内总辐射和风速影响因子入手, 对空
气动力学项进行修正,推导出适合温室条件下参考
作物蒸腾量的计算公式,模拟精度良好.
应用 P鄄M 公式计算作物耗水量是基于充分灌
溉条件下作物长势良好的理想状态.近些年,节水灌
溉技术在设施农业上得到广泛应用,能增加作物产
量,提高水分利用效率,改善果实品质,这已在多种
设施作物上得到证实[11-13] .基于适度水分亏缺基础
上的灌溉制度对现代农业的发展和精确农业的应用
具有重要意义.目前,关于非充分供水条件下温室作
物蒸腾量计算模型的研究少见报道.为此,本研究以
充分灌溉为基础,引入土壤水分因子子模型对土壤
水分参数进行修正,推导出适用于节水灌溉条件下
的温室甜瓜营养生长期日蒸腾量估算模型,为设施
农业高效节水灌溉提供理论支持.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料
选用厚皮甜瓜品种‘一品天下 208爷为试验材
料,由杨凌千普农业公司提供.
1郾 2摇 试验区概况
试验在西北农林科技大学新天地试验基地温室
内进行.试验地年均温 12. 9 益,无霜期 220 d,日照
时数 2196 h,年降水量 660 mm,年蒸发量 993 mm.
试验用温室长 45 m,宽 7. 8 m,高 3. 5 m,南北走向,
覆盖无滴聚乙烯薄膜.土质为塿土,肥力中等.
1郾 3摇 试验方法
甜瓜蒸腾模型的建立与验证均为盆栽试验,采
用分期播种法分别于 2011 年 8 月 13 日(秋茬)、
2012 年 3 月 25 日(春茬)、2012 年 5 月 20 日(夏
茬)定植. 按照单株日蒸腾量的 100%进行补充灌
溉,使每日土壤相对含水量分别保持在 50% ~
55% 、55% ~60% 、60% ~ 65% 、65% ~ 70% 、70% ~
75% 、75% ~ 80%和 80% ~ 85% ,结合烘干法校正
盆内土壤水分含量,使各处理土壤含水量分别保持
在设定的范围,进行不同环境与水分条件下蒸腾模
型建立试验,对模型参数进行估算. 每个处理 20 个
重复,共计 140 个试验样本.
不同水分条件下蒸腾模型验证试验于 2012 年
7—8 月进行,设定 80% (充分灌溉)、70% (亏缺灌
溉)和 60% (亏缺灌溉)3 个水分梯度,栽培管理方
式与模型建立试验相同.
栽培盆高 48 cm,直径 35 cm. 栽培基质体积配
比为菜园土 颐 腐熟牛粪 = 2 颐 1,每盆装基质 16 kg.
基质容重为 1. 26 g·cm-3,田间持水率为 27. 1%
(质量百分数).每盆底部放置托盘装下渗的土壤重
力水,盆内用地膜覆盖防止土面蒸发.
1郾 4摇 测定项目与方法
1郾 4郾 1 单株日蒸腾量摇 采用称量法获取甜瓜单株日
蒸腾量. 用上海友声衡器有限公司生产的 BS 系列
精密电子计量秤(精度 0. 1 g)于每天 8:00 定时称
盆质量,由于盆内土壤表面覆膜,故可以不考虑土壤
蒸发,盆质量的减少量即为当日单株蒸腾耗水量
(ET).将每天耗水量 M( g)转化为 ET(mm):ET =
M / S.式中:S为栽培盆的底面积(961. 6 cm2).
1郾 4郾 2 叶面积指数摇 每 3 d 测量一次所有植株叶片
的叶长,根据实际拟合的叶面积鄄叶长回归公式计算
叶面积指数.公式拟合方法:选取大小不同、形状各
异的甜瓜叶片共计 150 片,采用浙江托普仪器公司
生产的叶面积仪测定单叶叶面积,用直尺量取单叶
叶长和叶宽,通过回归分析发现,甜瓜单叶面积 LA
(cm2)与叶长 L(cm)存在显著的幂函数关系:LA =
0. 728L2. 024(R2 =0. 989,P<0. 01).
利用方程计算得到测量日的单株总叶面积,再
93917 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张大龙等: 温室甜瓜营养生长期日蒸腾量估算模型摇 摇 摇 摇 摇
根据倪纪恒等[14-15]提出的辐热积法计算每天的单
株总叶面积及叶面积指数.
1郾 4郾 3 土壤相对含水量摇 试验每隔 5 d 在灌水前取
土样,采用烘干法测定土壤相对含水量.
1郾 4郾 4 温室内环境因子摇 采用浙江托普仪器公司生
产的温室环境记录仪(TNHY鄄4)观测温室内空气温
度、光辐射、相对湿度等气象因子,每 0. 5 h 记录
1 次.
1郾 5摇 模型检验方法
对比分析单株日蒸腾量的模拟值与实测值,采
用回归估计标准误差(RMSE)和相对误差(RE)2 个
指标对模拟值和实测值的拟合程度进行分析:
RMSE =
移
n
i = 1
(OBSi - SIMi) 2
n
RE = RMSE
1
n移
n
i = 1
OBSi
伊 100%
式中:n为样本数;OBSi为第 i 天观测值;SIMi为第 i
天模型估计值.
2摇 模型描述
作物生长在土壤与大气两种介质中,根系从土
壤中吸水,流经根、茎、叶,最后通过叶片气孔蒸腾到
大气中,形成了土壤鄄植物鄄大气连续体系,与此过程
有关的任何因素都会影响作物耗水量. 作物蒸腾量
取决于内部因子和外部因子,内部因子是指对蒸腾
规律有影响的生物学特性(P),这些生物学特性与
作物种类和品种有关,同时也与作物的发育期和生
长状况有关.天气条件(A)(包括太阳辐射、气温、日
照、风速和湿度等)和土壤条件(S)(包括土壤含水
量、质地、结构和地下水位等)属于外部因子. 研究
作物耗水过程,必须分别考虑上述各个因子对这一
过程的影响,作物蒸腾量和影响因子的关系可表示
为:
ET= f(A,P,S) (1)
式中:ET为作物需水量(mm);A 为大气因素;P 为
植物因素;S为土壤因素.
根据国内外大量试验结果及土壤、大气物理原
理对蒸腾过程的分析,ET 与 A、P、S 的综合关系可
用下式表示[16]:
ET= f1(A)·f2(P)·f3(S) (2)
式中:f1(A)为温室气象环境因子子模型;f2(P)为作
物因子子模型;f3(S)为土壤水分因子子模型.
2郾 1摇 温室气象环境因子子模型
对于气象环境因子 f1(A),可用参考作物蒸发
蒸腾量 ET0代替,是表征气候特征的综合指标.参考
作物蒸发蒸腾量为一种假想参考作物冠层的蒸腾蒸
发速率,假想作物的高度为 0. 12 m,固定的叶面阻
力为 70 s·m-1,反射率为 0. 23,类似于表面开阔、高
度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草
地蒸发蒸腾量. FAO56 Penman鄄Monteith 公式应用最
为广泛,被推荐为计算 ET0的首选方法[17]:
ET0 =
0郾 408驻(Rn - G) + 酌
900
T + 273u2(ea - ed)
驻 + 酌(1 + 0郾 34u2)
(3)
式中:ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm·d-1);驻 为
饱和水汽压随温度变化的曲线的斜率(kPa·益 -1);
Rn为冠层净辐射(MJ·m-2·d-1);ea、ed分别为室内
饱和水汽压和实际水汽压(kPa);G 为土壤热通量
(MJ·m-2·d-1);酌 为湿度计常数( kPa·益 -1 );T
为温度(益);u2为距地面 2 m 高处的日平均风速
(m·s-1).
温室是相对封闭的环境,微气象条件与露地差
异较大.基于温室内风速接近于 0 的特点,采用陈新
明等[7-9]的方法,以 P鄄M方程为基础,对与风速有关
的空气动力学项进行修正:假设温室内风速完全为
0,将 u2 = 0 带入 Thom 和 Oliver 计算空气动力学阻
抗(Ra)的公式[18]:
Ra =
4郾 72{ln[( z - d) / z0]} 2
1 + 0郾 54u2
= 4郾 72{ln[( z - d) / z0]} 2 (4)
式中:Ra为空气动力学阻抗;z为风速测量高度;z0为
地面粗糙度;d为零平面位移长度.参数 z0和 d 的估
算方法为:z0 = 0. 13hc,d = 0. 64hc . hc 为作物冠层高
度,假定为 0. 12 m,即可确定 Ra和 d,进而可推导出
适用于温室小气候环境的 ET0修正公式:
ET0 =
0郾 408驻(Rn - G) + 酌
1713(ea - ed)
T + 273
驻 + 1郾 64酌
(5)
式中各物理量的意义与式(3)相同.
2郾 2摇 作物因子子模型
对于正常生长的作物,当土壤水分充足时,作物
生理因素对作物需水量的影响常采用综合作物系数
(Kc)表示.本文用作物系数 Kc代替作物因子子模型
f2(P),作物系数是指适宜供水条件下作物实际蒸发
0491 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
蒸腾量与参考作物蒸发蒸腾量的比值:
f2(P) = Kc =ETc / ET0
式中:Kc为作物系数;ETc为土壤水分充足时作物实
际蒸发蒸腾量(mm);ET0为参考作物蒸发蒸腾量
(mm),可由式(5)计算求得.
作物系数 Kc是作物本身生理学特性的反映,作
物发育期和生长状况的变化在一定程度上可用作物
叶面积指数(LAI)和生育期有效积温(TU)来表示:
f2(P)= Kc = f(LAI,TU)
叶面积指数是表征作物生长发育状况的重要指
标,其大小与作物蒸腾耗水量存在密切关系,根据实
测作物系数,其与 LAI存在极显著线性关系(图 1),
回归关系表达式为:
Kc = f(LAI)= 0. 391LAI+0. 093
(R2 =0. 952,P<0. 01) (6)
式中:LAI为甜瓜单株总叶面积(cm2).
作物生育进程与有效积温存在密切关系,可以
将作物系数看作有效积温的函数(图 1),以有效积
温为自变量,进行非线性拟合,得到指数函数方程:
Kc = f(TU)= 0. 184e0. 007TU
摇 (R2 =0. 963,P<0郾 01) (7)
式中:TU为甜瓜生长期有效积温(益·d). 可用下
列公式计算:
图 1摇 甜瓜作物系数与叶面积指数、有效积温的关系
Fig. 1摇 Relationships between crop coefficients and leaf area in鄄
dex, effective accumulated temperature for muskmelon.
摇 摇 TU =移
n
i = 1
(Ti - Tb)
式中:Ti为第 i天日平均温度(益);Tb为生长基点温
度(益),甜瓜出苗期为 18 益,出苗后取 13 益 [19] .
以甜瓜 LAI 和 TU 为自变量,可较好地模拟温
室甜瓜营养生长期作物系数的变化规律. 但叶面积
指数作为作物群体特征参数综合反映了包括温度在
内的气象因子对作物生长发育的影响,以叶面积指
数为变量比以单一气象因子气温为变量具有更深刻
的机理意义,因此本研究选取 LAI 作为模拟作物系
数 Kc的自变量,作物因子子模型表达式为:
f(P)= Kc = f(LAI)= 0. 391LAI+0. 093 (8)
2郾 3摇 土壤水分因子子模型
在土壤水分充足时,作物蒸腾耗水量的计算一
般不考虑此项.在非适宜灌溉条件下,当土壤含水量
低于土壤毛管断裂含水率时,土壤水分状况成为制
约作物蒸腾量的关键因素,蒸腾耗水量随之减少.
土壤水分因子子模型 f3(S)是土壤含水量的函
数,因为不同土壤的有效含水量差别较大,作物蒸腾
量的变化主要在土壤有效含水量(即实际含水量与
凋萎系数之差)的范围,所以将土壤水分因子子模
型表示成相对有效含水率(Aw)的函数更为合适,即
有:g(S)抑g(Aw)
Aw = (兹i - 兹p) / (兹f - 兹p) (9)
式中:兹i为土壤质量含水率;兹p、兹f分别为凋萎系数和
田间持水率.
非充分供水条件下,甜瓜蒸腾量 ETc与充分供
水条件下最大蒸腾量 ETm之间存在如下关系:
ETc =g(Aw)·ETm (10)
g(Aw)是一个只与土壤水分状况有关的函数,
称为土壤水分胁迫系数.根据甜瓜需水规律,以控制
营养生长期土壤相对含水率 80% ~ 85%为充分供
水对照(ETm),水分胁迫系数 g(Aw)为 1,其余各水
分胁迫处理 g(Aw)均小于 1. 根据实测各土壤水分
梯度下甜瓜蒸腾量,计算非充分供水条件下的水分
胁迫系数(表 1).
依据甜瓜蒸腾的土壤水分胁迫系数与相应的土
表 1摇 非充分供水条件下甜瓜蒸腾的土壤水分胁迫系数
Table 1摇 Water stress coefficient for transpiration of musk鄄
melon under insufficient water supply
水分处理
Water
treatment
50% ~
55%
55% ~
60%
60% ~
65%
65% ~
70%
70% ~
75%
75% ~
80%
80% ~
85%
g(Aw) 0. 465 0. 679 0. 777 0. 886 0. 912 0. 923 1
14917 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张大龙等: 温室甜瓜营养生长期日蒸腾量估算模型摇 摇 摇 摇 摇
壤相对有效含水率,进行非线性参数拟合,得到土壤
水分因子子模型函数:
f3(S)抑g(Aw)=
1
1. 076+0. 248lnA{ w
兹逸80%
兹<80% R2 =0. 947
(11)
把式(5)、(8)、(11)带入式(2)可建立由温室
气象环境因子子模型 f1 ( A)、作物因子子模型
f2(P)、土壤水分因子子模型 f3(S)构成的温室甜瓜
营养生长期蒸腾模型:ET = f1(A)·f2(P)· f3(S).
模型为分段函数,当土壤水分充足时(兹逸80% ),土
壤胁迫系数项f3(S)为 1,模型表达式为:
ET=(0. 184e0. 007TU)·[0郾 408驻(Rn-G)+
酌
1713(ea-ed)
T+273 ] / (驻+1郾 64酌) (12)
当土壤水分不充足时(兹<80% ),模型表达式为:
ET=(0. 184e0. 007TU)·[0郾 408驻(Rn-G)+
酌
1713(ea-ed)
T+273 ] / (驻+1郾 64酌)·
(1. 076+0. 248lnAw) (13)
3摇 模型检验
由于模型为分段函数,在土壤水分充足和亏缺
条件下具有不同的函数形式,为了检验模型在不同
土壤水分条件下的可靠性和模拟精度,验证试验设
置了 3 个水分处理:土壤水分充分(W1 = 80% )、轻
度亏缺(W2 = 70% )和重度亏缺(W3 = 60% ). 根据
2012 年 7 月 24 日—8 月 13 日温室内逐日实测气象
资料,用式(11)计算在土壤水分充足时(80% )的甜
瓜日蒸腾量,用式(12)计算土壤水分亏缺时(70%
和 60% )的甜瓜日蒸腾量,并与同时段内的实测值
进行对比.如图 2 所示,3 个水分条件下温室甜瓜日
蒸腾量的模拟值与实测值之间的变化趋势基本一
致,相对误差分别为 11. 5% 、16. 2%和 16. 9% ,模拟
精度较理想. 采用相同思路,利用基于 FAO56 P鄄M
公式的模型对 3 个水分条件下温室甜瓜日蒸腾量进
图 2摇 不同水分条件下甜瓜逐日单株蒸腾量模拟值与实测值比较
Fig. 2摇 Comparison between simulated and measured values of transpiration for muskmelon under different soil moistures.
2491 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 2摇 温室甜瓜单株日蒸腾量模型误差分析
Table 2摇 Error analysis of transpiration model for individu鄄
al muskmelon in greenhouse
水分处理
Water
treatment
RMSE (mm)
ET
(P鄄M)
ET
(FAO56 P鄄M)
RE (% )
ET
(P鄄M)
ET
(FAO56 P鄄M)
W1 0. 24 0. 30 11. 5 18. 2
W2 0. 32 0. 38 16. 2 23. 2
W3 0. 29 0. 36 16. 9 22. 7
ET(P鄄M):以 P鄄M修正公式为参考作物计算方法模拟的甜瓜日蒸腾量 Simula鄄
ted values calculated by reference crop transpiration based on modified P鄄M equa鄄
tion; ET(FAO56 P鄄M):以 FAO56 P鄄M公式为参考作物计算方法模拟的甜瓜
日蒸腾量 Simulated values calculated by reference crop transpiration based on
FAO56 P鄄M equation. RMSE:标准误差 Standard error; RE:相对误差 Relative
error.
行预测,误差均大于本研究所建模型.
由表 2 可以看出,在不同水分梯度下,本研究构
建的温室甜瓜日蒸腾量模型的预测精度均可以达到
80%以上,可以较真实地反映温室甜瓜的日蒸腾量.
模型在土壤水分充足时的模拟精度较高,标准误差
为 0. 24 mm,相对误差为 11. 5% ,小于 15% ;而在土
壤水分亏缺条件下模拟精度略低,轻度亏缺(W1 =
70% )条件下,标准误差为 0. 32 mm,相对误差为
16. 2% ;重度亏缺(W3 = 60% )条件下,标准误差为
0. 29 mm,相对误差为 16. 9% ,相对误差均大于
15% .预测误差来源除模型自身因素外,可能还与其
他未考虑的因素有关,如土壤温度、土壤质地结构
等.此外,模型的验证试验在 7—8 月进行,室内温度
较高,为降温排湿温室通风设备均处于打开状态,棚
室多与外界通风,而本文所建立的蒸腾模型中,温室
环境因子子模型的构建是基于温室内风速为零的假
设,对模型预测精度造成一定的影响.温室内微气候
环境极为复杂,还有待进一步通过作物试验确定这
些误差的影响因子.
4摇 讨论与结论
本研究对温室作物蒸腾模拟进行了有益的尝
试,建立了基于常规气象数据、土壤水分参数和甜瓜
生长发育指标的温室甜瓜蒸腾量估算模型. 模型具
有较深的机理意义,将温室传统经验灌溉技术数量
化,依据温室环境、作物长势、土壤墒情计算作物蒸
腾蒸发量,实时定量补充灌溉,突破了目前设施农业
中仅依据土壤墒情进行经验灌溉的方法.对 P鄄M 公
式在温室环境和节水灌溉条件下的应用做出了有益
的探索,为实现温室甜瓜灌溉智能化管理、提高水分
利用效率奠定了理论基础.
在温室内,土壤鄄植物鄄大气系统(SPAC)有独特
的封闭或半封闭特点,水分运输机制与自然环境下
有很大不同,作物形成了独特的蒸腾规律.国外对温
室环境下参考作物的研究多限于气候温和的海洋性
气候和地中海气候地区[20-22],其结果不一定适用于
我国季风气候区.在温室无通风条件下如果直接引
用 P鄄M公式,则空气动力学项变为零,而此时蒸发
与热量运输仍然存在,与实际情况相矛盾,引用计算
空气动力阻力的方法[18]对 P鄄M 公式进行修正后则
可以反映温室边界条件,模拟精度较高,可用于温室
参考作物蒸腾量的计算.
温室环境的特殊性还表现在其具有可控性,在
冬季的加温和保温措施会使太阳辐射较低情况下室
内温度维持在较高水平,使温室内温度和光辐射不
同步,这一特点使温室内环境驱动的作物系数模拟
更加复杂.在大田自然环境下,温光具有较好的同步
性,传统的积温法虽没有考虑太阳辐射的影响,但仍
能较好地模拟作物生长及形态发育过程,但在温室
环境中直接引用积温法模拟作物系数会出现较大误
差.以叶面积指数为自变量模拟温室作物系数虽具
有较高精度,但叶面积指数的测量需要精度较高的
仪器及图像分析系统,其应用性受到限制.环境因子
驱动的作物系数模型只需常规气象资料,在生产实
际中容易获得,因此迫切需要建立温室环境因子驱
动的作物系数模型. 近年来,许多学者[23-26]运用辐
热积法模拟温室作物形态发育过程,由于辐热积同
时考虑了温度和光合有效辐射对作物生长的影响,
模型预测精度高、实用性强,克服了有效积温法在温
室应用中存在的缺陷. 作物系数作为耦合作物蒸腾
与气象环境的动态指标,与生长发育过程密切相关,
因此在今后的研究中,可考虑将辐热积作为自变量
引入到作物系数模拟上,从而得到更精确的作物系
数,提高蒸腾模型模拟精度.
本研究建立的模型在土壤水分充分的条件下,模
拟精度较高,但在水分亏缺条件下误差偏大,相对误
差均大于 15% .因此,土壤水分子模型的构建还有待
于进一步修正以提高节水灌溉条件下作物蒸腾耗水
量计算精度.本研究建立的土壤水分子模型为经验回
归模型,实际上,土壤水分胁迫系数与土壤含水量的
关系极其复杂.干旱是一个逐步发展的动态过程,受
持续时间、速度、土壤水分运动等一系列因素影响,而
静态的土壤含水量所包含的信息较少,因此,土壤含
水量作为干旱胁迫指标存在一定的局限性.在今后的
研究中,这些因素的影响均可在土壤水分因子子模型
中予以考虑,建立一个更精确的数学模型.
34917 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张大龙等: 温室甜瓜营养生长期日蒸腾量估算模型摇 摇 摇 摇 摇
参考文献
[1]摇 Dai J鄄F (戴剑锋), Jin L (金摇 亮), Luo W鄄H (罗卫
红), et al. Simulation of greenhouse tomato canopy
transpiration in Yangtze River Delta. Transactions of the
Chinese Society of Agricultural Engineering (农业工程
学报), 2006, 22(3): 99-103 (in Chinese)
[2]摇 Sun N鄄N (孙宁宁), Dong B (董摇 斌), Luo J鄄Y (罗
金耀). Advance of research on calculation modeling for
crop water requirement in plastic greenhouse. Water
Saving Irrigation (节水灌溉), 2006(2): 16-19 ( in
Chinese)
[3]摇 Liu H (刘摇 浩). Water Requirement and Optimal Irri鄄
gation Index for Effective Water Use and High鄄quality of
Tomato in Greenhouse. PhD Thesis. Xinxiang: Farm鄄
land Irrigation Research Institute, Chinese Academy of
Agricultural Sciences, 2010 (in Chinese)
[4]摇 Peng S鄄Z (彭世彰), Xu J鄄Z (徐俊增). Theory and
Models of Agricultural Efficient Water鄄saving Irrigation.
Beijing: Science Press, 2009 (in Chinese)
[5]摇 Boulard T, Wang S. Greenhouse crop transpiration sim鄄
ulation from external climate conditions. Agricultural
and Forest Meteorology, 2000, 100: 25-34
[6]摇 Jones HG, Tardieu F. Modelling water relations of horti鄄
cultural crops: A review. Scientia Horticulturae, 1999,
74: 21-46
[7]摇 Wang J (王摇 健), Cai H鄄J (蔡焕杰), Li H鄄X (李红
星), et al. Study and evaluation of the calculation
methods of reference crop evapotranspiration in solar鄄
heated greenhouse. Journal of Irrigation and Drainage
(灌溉排水学报), 2006, 25(6): 11-14 (in Chinese)
[8]摇 Chen X鄄M (陈新明), Cai H鄄J (蔡焕杰), Li H鄄X (李
红星), et al. Calculation of crop evapotranspiration in
greenhouse. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2007, 18(2): 317-321 (in Chinese)
[9]摇 Chen X鄄M (陈新明), Cai H鄄J (蔡焕杰), Li H鄄X (李
红星), et al. Calculation and verification of crop evapo鄄
transpiration in greenhouse. Advances in Water Science
(水科学进展), 2007, 18(6): 812-815 (in Chinese)
[10]摇 Liu H (刘摇 浩), Duan A鄄W (段爱旺), Sun J鄄S (孙
景生), et al. Estimating model of transpiration for
greenhouse tomato based on Penman鄄Monteith equation.
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engi鄄
neering (农业工程学报), 2011, 27(9): 208-213 (in
Chinese)
[11]摇 Liu H (刘摇 浩), Sun J鄄S (孙景生), Duan A鄄W (段
爱旺), et al. Effect of water stress on tomato growth
and physiological characteristics under drip irrigation in
greenhouse. Journal of Irrigation and Drainage (灌溉
排水学报), 2010, 29(3): 53-57 (in Chinese)
[12]摇 Wang F (王摇 峰), Du T鄄S (杜太生), Qiu R鄄J (邱让
建), et al. Effects of deficit irrigation on yield and wa鄄
ter use efficiency of tomato in solar greenhouse. Trans鄄
actions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
(农业工程学报), 2010, 26(9): 46-52 (in Chinese)
[13]摇 Wang C鄄C (王聪聪), Sun L (孙摇 磊), Guo F鄄T (郭
凤台), et al. Response of tomato yield, quality, and
water use efficiency to soil water status under drip irriga鄄
tion in greenhouse. Journal of Irrigation and Drainage
(灌溉排水学报), 2011, 30(2): 86-89 (in Chinese)
[14]摇 Ni J鄄H (倪纪恒), Luo W鄄H (罗卫红), Li Y鄄X (李
永秀), et al. Simulation of leaf area and dry matter
production in greenhouse tomato. Scientia Agricultura
Sinica (中国农业科学), 2005, 38(8): 1629 -1635
(in Chinese)
[15]摇 Ni J鄄H (倪纪恒), Chen X鄄H (陈学好), Chen C鄄H
(陈春宏), et al. Simulation of cucumber fruit growth
in greenhouse based on production of thermal effective鄄
ness and photosynthesis active radiation. Transactions of
the Chinese Society of Agricultural Engineering (农业工
程学报), 2009, 25(5): 192-196 (in Chinese)
[16]摇 Chen F (陈 摇 凤). Study on Measuring Crop Evapo鄄
transpiration and Crop Coefficients Changes. Master
Thesis. Yangling: Northwest A&F University, 2004 (in
Chinese)
[17]摇 Fern觃ndez MD, Bonachela S, Orgaz F, et al. Erratum
to: Measurement and estimation of plastic greenhouse
reference evapotranspiration in a Mediterranean climate.
Irrigation Science, 2011, 29: 91-92
[18]摇 Li Y鄄L (李玉霖), Cui J鄄H (崔建垣), Zhang T鄄H (张
铜会). Measurement of evapotranspiration and crop co鄄
efficient of irrigated spring wheat in Naiman sandy crop鄄
land. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学
报), 2003, 14(6): 930-934 (in Chinese)
[19]摇 Li J鄄M (李建明), Zou Z鄄R (邹志荣), Liu Y鄄C (刘
迎春), et al. Temperature and water driven growth
shape simulation and model of muskmelon seedlings.
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engi鄄
neering (农业工程学报), 2006, 22(11): 203 -208
(in Chinese)
[20]摇 Fern觃ndez MD, Bonachela S, Orgaz F, et al. Measure鄄
ment and estimation of plastic greenhouse reference
evapotranspiration in a Mediterranean climate. Irrigation
Science, 2010, 28: 497-509
[21]摇 Morille B, Migeon C, Bournet PE. Is the Penman鄄Monteith
model adapted to predict crop transpiration under green鄄
house conditions? Application to a New Guinea Impatiens
crop. Scientia Horticulturae, 2013, 152: 80-91
[22]摇 Baptista FJ, Bailey BJ, Meneses JF. Measuring and
modelling transpiration versus evapotranspiration of a to鄄
mato crop grown on soil in a Mediterranean greenhouse.
Acta Horticulturae, 2005, 691: 313
[23]摇 Xu R, Dai J, Luo W, et al. A photothermal model of
leaf area index for greenhouse crops. Agricultural and
Forest Meteorology, 2010, 150: 541-552
[24]摇 Shin JH, Ahn TI, Son JE. Modeling of transpiration of
paprika (Capsicum annuum L. ) plants based on radia鄄
tion and leaf area index in soilless culture. Horticulture,
Environment, and Biotechnology, 2011, 52: 265-269
[25]摇 Zhang H鄄J (张红菊), Dai J鄄F (戴剑锋), Luo W鄄H
(罗卫红), et al. Model for simulating development and
growth of pot planted poinsettia (Euphorbia pulcherri鄄
ma) grown in greenhouse. Transactions of the Chinese
Society of Agricultural Engineering (农业工程学报),
2009, 25(11): 241-247 (in Chinese)
[26]摇 Dong Y鄄Y (董永义), Li G (李摇 刚), An D鄄S (安东
升), et al. Simulation model for predicting the effects of
substrate water potential on leaf area of cut lily. Trans鄄
actions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
(农业工程学报), 2012, 28(3): 191-197 ( in Chi鄄
nese)
作者简介摇 张大龙,男,1988 年生,博士研究生.主要从事设
施园艺作物生理生态研究. E鄄mail: zdl0531@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
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