全 文 ：中国生态农业学报 2009年 5月 第 17卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2009, 17(3): 484−488
* 国家自然科学基金项目(50509025)资助
** 刘海军(1975～), 男, 博士, 副教授, 主要从事农田水循环和水资源高效利用机理和技术方面的研究。E-mail: shanxilhj@yahoo.com.cn
收稿日期: 2008-05-09 接受日期: 2008-09-01
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00484
网室内作物蒸散量的变化和影响要素研究*
刘海军 1,2 黄冠华 2 Shabtai Cohen3 Josef Tanny3
(1. 北京师范大学水科学研究院 水沙科学教育部重点实验室 北京 100875; 2. 中国农业大学水利与土木工程学院
北京 100083; 3. Institute of Soil, Water and Environmental Sciences, Agricultural Research Organization, The Volcani
Center, P. O. Box 6, Bet Dagan 50250, Israel)
摘 要 在香蕉种植网室内, 研究了网室内外作物蒸散量和参考作物蒸散量的关系, 以及网室内小气候变化
对参考作物蒸散量的影响。研究结果显示, 网室内参考作物蒸散量(ET0)和 A 级蒸发皿水面蒸发量分别比大田
减少 39%和 42%, 网室内香蕉树蒸腾量较网室外下降 53%。网室内净辐射降低和风速减小是网室内香蕉树蒸
腾量和参考作物蒸散量降低的主要原因, 而网室内温度和饱和水汽压差变化对蒸散量的影响较小。建立了网
室内参考作物蒸散量和网室内外水面蒸发量的关系, 计算出该地区的 A级蒸发皿系数为 0.84。
关键词 网室 露地 参考作物蒸散量 蒸发皿蒸发量 蒸腾 香蕉
中图分类号: S668.1; S161.4 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)03-0484-05
Change in crop evapotranspiration and associated influencing factors under
screenhouse conditions
LIU Hai-Jun1,2, HUANG Guan-Hua2, Shabtai COHEN 3, Josef TANNY 3
(1. College of Water Science, Key Laboratory for Water and Sediment Sciences of Ministry of Education, Beijing Normal University,
7Beijing 100875, China; 2. College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083,
China; 3. Institute of Soil, Water and Environmental Sciences, Agricultural Research Organization, The Volcani Center, P.O. Box 6,
Bet Dagan 50250, Israel)
Abstract A field experiment was conducted in a banana-cultivation screenhouse to study the change and relationship between crop
evapotranspiration and reference crop evapotranspiration (ET0). The effects of microclimatic factors inside the screenhouse on ET0
were also analyzed. Results show that ET0 and Class-A pan-evaporation inside the screenhouse respectively decrease by 39% and
42% in comparison with those in the open field. Also, banana transpiration in the screenhouse decreases by 53% in comparison with
those in the open field. Reductions in banana transpiration, ET0 and pan-evaporation inside the screenhouse are mainly due to the
decreases in net radiation and wind speed. Air temperature and vapor pressure, on the other hand, exert a minimal reduction effect on
ET0. A regression relation exists between screenhouse and open-field ET0 and pan-evaporation. The statistical Class-A pan-coefficient
for the study area is 0.84.
Key words Screenhouse, Open-field, Reference crop evapotranspiration, Pan-evaporation, Transpiration, Banana
(Received May 9, 2008; accepted Sept. 1, 2008)
网室(Screenhouse)主要用于保护地栽培 , 特别
是用于附加值较高的农作物, 如花卉和水果等。近
年来网室使用面积逐渐增加, 尤其是在以色列和一
些地中海国家 [1−3], 在北京通州和大兴地区也有较
大面积的苹果和葡萄网室种植(个人调查, 2007)。网
室初始被用来防止飞虫, 减少作物受虫害程度, 提
高农产品的品质和产量, 并减少农药和杀虫剂的施
用量, 保护农田环境[4−7]。近年来的研究进一步发现,
网线通过对光的吸收和反射改变了网室内的光谱 ,
增加了散射光的比例, 使光在作物冠层内的分布更
加均匀 [8,9]; 网室内太阳辐射强度降低 [8,10,11], 风速
减小 [12,13], 温度升高和相对湿度增加 [13,14]。作物生
第 3期 刘海军等: 网室内作物蒸散量的变化和影响要素研究 485
理活动和耗水量与周围小气候环境紧密相关, 一些
研究发现网室内作物生理指标发生变化且蒸散量降
低 , 如 Cohen 等 [9]研究发现网室可增加叶片胞间
CO2浓度和水汽传导度, Moller 等[2,15]研究发现网室
内甜椒的蒸散量与大田种植相比降低 38%~60%,
Alvarez 等 [16]发现不同颜色网遮盖水面可减少水
面蒸发量 50%~80%。
国内就温室内小气候分布变化和温室内作物生
长模拟进行了一些研究 [17,18], 但就网室内作物生长
和耗水的研究较少。本文主要研究网室内潜在蒸散
量和作物蒸腾量的变化, 分析引起网室内作物蒸腾
变化的主要因素, 为制定网室内作物的灌溉计划提
供参数。
1 材料和方法
1.1 试验布置及参数测定
试验地位于以色列北部 Galilee 湖的南岸
(32o42N, 35o34E, 海拔−212 m)。该地区夏季一般无
雨, 光照充足且日间变化很小。试验于 2005年 5~10
月进行, 期间无降水。试验网室为平顶, 网孔大小为
3.5 mm×2.5 mm, 网线直径为 0.3 mm, 网的光透射
率为 8%~25%, 这与使用年限和灰尘的累计等因素
有关。网室为四边形, 长、宽、高分别为 352 m、228
m和 6 m, 长边为南北方向。香蕉树于 2004年 8月
种植, 株行距分别为 2.8 m和 4.2 m。试验期间香蕉
树平均高 4.2 m, 叶面积指数为 2.4。
网室内小气候系统布置在网室的中心位置, 测
量要素主要有冠层上面 (5.5 m)的净辐射 (Q*7.1,
REBS, Seattle, WA, USA)和总辐射(CM11, Kipp and
Zonen, Delft, The Netherlands); 距离地面 2 m的空气
温度和湿度(HMP35C, Campbell Sci., Logan UT), 以
及风速(Model 014A, Met One Inc.); 综合反映气象
要素的水面蒸发量, 用 A 级蒸发皿测量。室外气象
要素在距离网室 100 m 的气象场内进行, 测量要素
主要包括温湿度、风速, 总辐射和 A 级蒸发皿水面
蒸发量等。网室和气象站内所有传感器分别连接到
数据采集器CR23X和CR10X上(Campbell Sci., Logan,
UT, USA), 采集频率为 5 s, 记录 15 min的平均值。
于 2005年 9月 22日分别在网室内和大田(网室
南边的香蕉种植园)安装热消散茎液流测量系统, 测
量香蕉树的蒸腾量。分别在网室内和大田随机选取
6丛长势一致的香蕉树, 每丛 3株, 共 18株, 每株香
蕉树安装 1 套传感器。网室内和大田中所有的传感
器分别连接到 1 个 CR23X 采集器(Campbell Sci.,
Logan, UT, USA), 采集器和热消散系统的电力用两
块太阳能板供应。香蕉树蒸腾量用 Lu等[19]和刘海军
等[20]的方法计算。
网室内和大田的香蕉树采用滴灌灌溉。每行香
蕉树布置两条滴灌带 , 行间土壤用香蕉树枯叶覆
盖。试验期间无降水, 因此行间土壤干燥。每天灌
水两次, 灌溉水量为 7~8 mm。
1.2 计算方法和公式
1.2.1 参考作物蒸散量 ET0
Allen 等 [21]研究发现, 在计算参考作物蒸散量
(ET0)时, 如果以日为单位, 则可以用 FAO56[22]推荐
的公式, 但如果以小时为单位, 则要考虑冠层阻力
在白天和夜间的变化, 并提出计算小时 ET0的公式:
( ) ( )
( )
2
1
0
2
0.408
273(mm h )
1
n
n s a
d
CR G u e e
TET
C u
γ
γ
−
Δ − + −+⋅ = Δ + +
(1)
式中 , Rn 和 G 分别为净辐射和土壤热通量
(MJ·m−2·h−1); γ为干湿计常数(kPa·℃−1); ∆为饱
和水汽压和温度的斜率(kPa·℃−1); T 为空气温度
(℃); es和 ea分别为空气温度为 T 时的饱和水汽压
和实际水汽压(kPa); u2为 2 m的风速(m·s−1); Cn和
Cd 为与空气阻力和冠层阻力有关的系数, Cn 为 37
s·m−1, Cd为 0.24 s·m−1(白天)和 0.96 s·m−1(夜间)。
1.2.2 蒸腾速率
本试验中香蕉树的蒸腾速率即为用热消散
法 (或者 Granier)测定的茎液流速率 , 其计算公式
为[19,20]:
1.231
00.000 119
T T
U
T
Δ −Δ⎛ ⎞= ⎜ ⎟Δ⎝ ⎠ (2)
式中 , U 为茎液流速率 (m· s−1), 或茎液流密度
(m3·m−2·s−1); 0ΔT 和 ΔT 分别为测量的最大温度
差和茎液流速率为 U 时的温度差, 最大温度差为茎
液流速率为零时的温度差, 一般在天亮前得到。
如果茎液流区的面积为 A(m2), 则茎液流量
M(m3·s−1)计算式为:
M U A= × (3)
Lu等[19]研究发现, 香蕉树根茎横截面根据水分
运输功能的差异, 分成完全不同的两个区域。根部
吸收的水分主要通过横截面中心的区域向茎叶输送,
该区域的大小以截面中心为原点, 以 0.6R(R 为横截
面的半径)为半径做圆。在 0.6R~R的圆环内, 基本上
没有水分运输。刘海军等[20]的试验也得到了相同的
结论。因此本试验中, 认为中心 0.6R 为半径的区域
为茎液流区, 则茎液流区面积为 2π(0.6 )A R= 。
1.2.3 蒸发皿系数
蒸发皿系数(Kp)表示参考作物蒸散量(ET0)和蒸
发皿水面蒸发量(Epan)的比值。蒸发皿系数主要与蒸
发皿类型有关, 同时也受到蒸发皿布置位置和周围
486 中国生态农业学报 2009 第 17卷
环境的影响, 计算公式为[22]:
0 pan/Kp ET E= (4)
2 结果与分析
2.1 网室内外参考作物蒸散量(ET0)的变化
参考作物蒸散量(ET0)用 Allen 等[21]提出的修正
公式进行计算, 白天和晚上采用不同的冠层阻力。
图 1 描述了网室内外参考作物蒸散量在试验季节的
变化过程, 可以看出, 网室外的 ET0 明显大于网室
内。网室内外 ET0的关系见图 2。可以看出网室内外
的 ET0线性相关(图中用实线显示), 回归直线的截距
为−1.284 mm·d−1。如果将截距设置为 0, 这时网室
内外的 ET0依旧是线性相关(图中用虚线显示), 网室
内的 ET0 为网室外的 61%。可以看出, 在选用同样
作物系数的条件下, 网室内的作物需水量将比网室
外减少约 39%。
图 1 试验期间网室内外参考作物蒸散量的变化
Fig. 1 Changes of reference crop evapotranspiration (ET0)
inside and outside the screenhouse over the experimental period
图 2 试验期间网室内外 ET0 的回归关系
Fig. 2 Relationship of reference crop evapotranspirations
(ET0) between inside and outside the screenhouse
over the experimental period
2.2 网室内外 A级蒸发皿水面蒸发量的关系
蒸发皿水面蒸发量能够综合反映空气中的温湿
度和风速以及辐射状况 [1], 也经常用来估算作物的
耗水量[22,23]。本文分析了网室内外 A 级蒸发皿水面
蒸发量的关系(图 3), 发现网室内蒸发皿水面蒸发量
和网室外蒸发皿水面蒸发量线性相关。两组值对比
显示 , 网室内蒸发皿水面蒸发量为网室外的 58%,
减少 42%, 减少比例和网室内外的 ET0 相似(39%)
(图 2)。
图 3 试验期间网室内外 A 级蒸发皿蒸发量的关系
Fig. 3 Relationship of Class-A pan evaporations between
inside and outside the screenhouse over the experimental period
图 4 网室内参考作物蒸散量和网室外蒸发皿
蒸发量的关系
Fig. 4 Relationship between reference crop evapotranspiration
(ET0) inside the screenhouse and Class-A pan
evaporation outside the screenhouse
图 5 A 级蒸发皿蒸发量和参考作物蒸散量的关系
(网室外气象站数据)
Fig. 5 Relationship between Class-A pan evaporation and
reference crop evapotranspiration (ET0) using data from the
meteorological station outside the screenhosue
第 3期 刘海军等: 网室内作物蒸散量的变化和影响要素研究 487
ET0是一种标准的、可用来计算作物需水量的参
数。本文分析了网室内 ET0和网室外 A 级蒸发皿蒸
发量的关系(图 4), 可以看出两者线性相关, ET0为蒸
发皿蒸发量的 0.52 倍。网室外的 ET0和蒸发皿水面
蒸发量的关系见图 5, 并用这些数据计算了当地的
A 级蒸发皿系数(采用公式 4)[22,23]。结果表明, 7~10
月, 蒸发皿系数在 0.73~0.97 之间变化, 统计平均值
为 0.839。Allen 等[22]指出, 在中等湿度(40%
0.6~0.85之间。可以看出, 本文计算的蒸发皿系数在
提出的范围内。
2.3 网室内外香蕉树蒸腾量的变化
选取 2005年 9月 23~24日两天的数据进行网室
内和大田香蕉树蒸腾速率的比较。由图 6可以看出,
大田香蕉树的蒸腾速率明显大于网室内香蕉树的蒸
腾速率。2005 年 9 月 23 日和 24 日, 大田香蕉树日
平均蒸腾量分别为 15.2 kg·株−1和 13.3 kg·株−1,
而网室内香蕉树日平均蒸腾量分别为 7.2 kg·株−1
和 6.1 kg·株−1。与大田相比, 网室内香蕉蒸腾量仅
为大田香蕉树蒸腾量的 47%, 降低 53%, 香蕉树蒸
腾量的降低值与网室内参考作物蒸散量 ET0和 A 级
蒸发皿水面蒸发量降低值 39%和 42%基本一致。
Moller 等[2,15]研究发现, 与大田相比, 网室内的甜椒
蒸散量降低约 38%~60%, 该值与本文研究结果比较
接近。Israeli 等[24]研究发现, 在用黑网遮盖条件下,
轻度覆盖 (网光透射率为 80%)可使香蕉产量降低
0~8%; 而重度覆盖(网光透射率为 30%)可使香蕉产
量降低 32%~55%。但白色网覆盖对香蕉产量的研究
极少。Cohen 等[9]研究发现铝箔网覆盖(网光透射率
分别为 70%和 40%)对葡萄产量没有影响, 但降低了
叶片温度, 增加了叶片水势、冠层导度和 CO2 吸收
速率。综合分析可以得到, 适度覆盖对作物产量影
响较小, 但会明显降低作物蒸散量, 提高水分利用
效率。
图 6 2005 年 9 月 23~24 日网室内外香蕉树
蒸腾速率日变化
Fig. 6 Diurnal changes of transpiration rate of banana
plant inside and outside the screenhouse in September
23 and 24, 2005
2.4 网室内 ET0影响因素分析
选用气象站 2005 年 9 月 23 和 24 日(对应于香
蕉树蒸腾量的测量时间)气象数据的平均值作为计
算 ET0的基础, 同时选取对应网室内的气象数据。在
计算 ET0 时, 以气象站的数据为基础, 每次用网室
内的 1 个数据替换对应气象站的数据, 计算结果见
图 7。图中“网室内”和“网室外”分别表示用大
田和网室内气象数据计算的 ET0, “空气温度”、“饱
和水汽压差”、“净辐射”和“风速”分别表示用网
室内的温度、饱和水汽压差、净辐射和风速分别替
代气象站相应参数后计算的 ET0。从图中可以看出,
网室内的 ET0最小, 而大田的 ET0最大。替换温度和
饱和水汽压差后, 计算的网室内外 ET0 日变化过程
接近, 说明网室内空气温度和饱和水汽压差的变化
对 ET0影响较小。而替换净辐射和风速后, 网室内外
ET0 日变化过程差别较大, 说明网室内净辐射和风
速对 ET0的影响较大。从图中可以看出在 12:00以前,
网室内 ET0 的变化主要是由净辐射引起的, 表现为
替换净辐射后的 ET0和网室内的 ET0接近, 而 12:00
以后, 网室内 ET0 的变化主要由风速引起, 表现为
风速替换后计算的 ET0和网室内的 ET0比较接近。
计算网室内空气温度、饱和水汽压差、净辐射和风
速单独变化条件下的日 ET0, 发现对网室内 ET0的影
响分别为 0、4.3%、18.3%和 21.7%, 可以看出, 风
速和辐射的降低是网室内 ET0 变化的主要因素。网
室内外 ET0 的对比可以看出, 网室内小气候的变化
会使 ET0降低 44.2%, 该值和网室内香蕉树蒸腾量降
低值 53%比较接近。影响因素的分析显示, 网室内
香蕉树蒸散量的降低主要是由于净辐射量的降低和
风速的减小, 而网室内的温度和饱和水汽压差变化
对蒸散量的影响较小。
图 7 网室内气象因子变化对参考作物蒸散量的影响
Fig. 7 Effects of meteorological factors inside the screenhouse
on reference crop evapotranspiration
488 中国生态农业学报 2009 第 17卷
3 结论
与大田相比, 网室内潜在作物蒸散量、A 级蒸
发皿水面蒸发量和香蕉树蒸腾量分别降低 39%、
42%和 53%。网室内温度、饱和水汽压差、净辐射
和风速可分别使参考作物蒸散量降低 0、4.3%、
18.3%和 21.7%。网室内净辐射降低和风速减小是网
室内香蕉树蒸腾量和参考作物蒸散量降低的主要原
因, 而网室内温度和饱和水汽压差变化对蒸散量的
影响较小。建立了网室内参考作物蒸散量和网室内
外水面蒸发量的关系, 并计算得到试验区域 A 级蒸
发皿的蒸发皿系数为 0.84, 这些关系和公式可用来
制定网室内香蕉树的灌溉计划。
致谢 感谢 Elmowitz D., Grava A., Kudzo Dorgbetor
W. H.和 Lemcoff J. H.在试验中给予的帮助。
参考文献
[1] Teitel M. The effect of screened openings on greenhouse mi-
croclimate[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2007,
143: 159−175
[2] Moller M., Assouline S. Effects of shading screen on micro-
climate and crop water requirements[J]. Irrigation Science,
2007, 25(2): 171−181
[3] Paparu P., Dubois T., Gold C. S., et al. Screenhouse and field
persistence of nonpathogenic endophytic fusarium oxysporum
in musa tissue culture plants [J]. Microbial Ecology, 2008, 55:
561−568
[4] Bailey B. J., Montero J. I., Perez Parra J., et al. Airflow re-
sistance of greenhouse ventilators with and without insect
screens[J]. Biosystems Engineering, 2003, 86 (2): 217−229
[5] Katsoulas N., Bartzanas T., Boulard T., et al. Effect of vent
openings and insect screens on greenhouse ventilation[J].
Biosystems Engineering, 2006, 93 (4): 427−436
[6] Odua B. O., Asiedu R., Hughes A., et al. Identification of re-
sistance to Yam mosaic virus (YMV), genus Potyvirus in
white Guinea yam (Dioscorea rotundata Poir.)[J]. Field Crop
Research, 2004, 89: 97−105
[7] Soni P., Salokhe V. M., Tantau H. J. Effect of screen mesh
size on vertical temperature distribution in naturally venti-
lated tropical greenhouse[J]. Biosystems Engineering, 2005,
92(4): 469−482
[8] Cohen S., Fuchs M. Measuring and predicting radiometric
properties of reflective shade nets and thermal screens[J].
Journal of Agricultural Engineering Research, 1999, 73:
245−255
[9] Cohen S., Raveh E., Li Y., et al. Physiological responses of
leaves, tree growth and fruit yield of grapefruit trees under
reflective shade screens[J]. Scientia Horticulturae, 2005, 107:
25−35
[10] Desmarais G., Ratti C., Raghavan G. S. V. Heat transfer
modelling of screenhouses[J]. Solar Energy, 1999, 65(5):
271−284
[11] Harmanto, Tantau H. J., Salokhe V. M. Microclimate and air
exchange rates in greenhouses covered with different nets in
the humid tropics[J]. Biosystems Engineering, 2006, 94 (2):
239−253
[12] Tanny J., Cohen S., Teitel M. Screenhouse microclimate and
ventilation: an experimental study[J]. Biosystems Engineering,
2003, 84(3): 331−341
[13] Tanny J., Cohen S. The effect of a small shade net on the
properties of wind and selected boundary layer parameters
above and within a citrus orchard[J]. Biosystems Engineering,
2003, 84 (1): 57−67
[14] Fatnassi H., Boulard T., Lagier J. Simple indirect estimation
of ventilation and crop transpiration rates in a greenhouse[J].
Biosystems Engineering, 2004, 88 (4): 467−478
[15] Moller M., Tanny J., Li Y., et al. Measuring and predicting
evapotranspiration in an insect-proof screenhouse[J]. Agri-
cultural and Forest Meteorology, 2004, 127: 35−51
[16] Alvarez V. M., Baille A., Molina Martinez J. M., et al. Effi-
ciency of shading materials in reducing evaporation from wa-
ter surface[J]. Agricultural Water Management, 2006, 84:
229−239
[17] 孙忠富 , 陈人杰 . 温室作物模型与环境控制管理研究 [J].
中国生态农业学报, 2003,11(4): 1−3
[18] 李军, 杨秋珍, 薛循革, 等. 不同西瓜栽培方式对温室大棚
小气候要素及产量的影响 [J]. 中国生态农业学报 , 2003,
11(3): 61−62
[19] Lu P., Woo K. C., Liu Z. T. Estimation of whole-plant tran-
spiration of bananas using sap flow measurements[J]. Journal
of Experimental Botany, 2002, 53(375): 1771−1779
[20] 刘海军, Cohen S., Tanny J., 等. 应用热扩散法测定香蕉树蒸
腾速率[J]. 应用生态学报, 2007, 18(1): 35−40
[21] Allen R. G., Pruitt W. O., Wright J. L., et al. A recommenda-
tion on standardized surface resistance for hourly calculation
of reference ET0 by the FAO56 Penman-Monteith method[J].
Agricultural Water Management, 2006, 81: 1−22
[22] Allen R. G., Pereira L. S., Raes D., et al. Crop Evapotranspi-
ration: Guidelines for Computing Crop Water Require-
ments[M]. Rome: FAO Irrigation and Drainage Paper 56,
1998: 15−86
[23] 郭元裕 . 农田水利学(第3版)[M]. 北京: 水利电力出版社 ,
1997: 29−53
[24] Israeli Y., Plaut Z., Schwartz A. Effect of shade on banana
morphology, growth and production[J]. Scientia Horticulturae,
1995, 62: 45−56