CN103308094A - 一种温室作物耗水量估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温室作物蒸腾耗水量的估算方法。其特征在于按照下述步骤进行：(1)作物生理系数的计算：计算温室内作物生长有效积温，利用作物生理系数与有效生长积温的经验函数关系计算求得；或测量叶面积，根据生理系数与叶面积的关系式求得。(2)温室内环境蒸发力的计算：根据修正后的彭曼公式计算求得温室参考作物蒸发量；或根据参考作物蒸发量与蒸发皿蒸发量的关系式计算求得。(3)水分胁迫系数计算：实测土壤相对有效含水率，比较相对有效含水率和临界含水率的大小，代入相应的经验公式计算求得。(4)根据实际计算的作物生理系数、参考作物耗水量、土壤水分胁迫系数相乘得到作物蒸腾耗水量。

Description

一种温室作物耗水量估算方法

1技术领域

本发明涉及农业水土工程和设施栽培领域，特别涉及到设施栽培环境中作物耗水量的测算方法。

2背景技术

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，设施农业发展迅速，温室设施产业已成为我国现代农业和新型农业的主要方式。设施内作物生产的用水量占农业总用水量的比例也随之大幅上升，其中占我国设施农业面积95％以上的塑料大中棚及日光温室等设施中灌溉水利用系数较低，节水空间巨大，加强农作物耗水研究是农业可持续发展迫在眉睫的任务。因此，作物耗水耗水问题的研究，一直是农学、气象、水文、土壤以及自然地理等相关学科、领域共同关注的重要课题。

温室设施是一个半封闭体系，湿度高，室内风速较低，且作物灌溉大都通过滴灌系统进行水分供给，与露地作物栽培相比较，水分一土壤一植物一空气有着独特的封闭性特点。在土壤一作物一设施环境的连续体中，水的运动最为活跃，而作物耗水耗水在水分运动过程中又占有极为重要的地位，它既是水量平衡，又是能量平衡的重要组成部分，同时又与植物的生理活动以及生物产量的形成有着密切的关系。

对于水稻、小麦、棉花等大田作物和常见经济作物耗水量的研究，国内外已经积累了大量实测资料及一定的理论分析成果，使之能根据气象、土壤和作物条件，用经验或理论的方法计算作物耗水量。但关于蔬菜及设施园艺作物耗水量的研究较少，且已取得的成果一般只是局限于当地的气候条件以及特定的温室环境，这些成果能否推广应用，还需进一步的试验资料来证明。对于大棚温室蔬菜，仅有定性的研究分析是远远不够的，如何定量地计算棚室作物腾发量才是关键，所以建立能够精确计算棚室蔬菜的模型成为作物水分研究的热点。

全面了解设施栽培的作物耗水规律是实施节水灌溉模式和制定节水灌溉制度的最根本基础，同时节水灌溉条件下设施栽培作物的耗水规律研究也是当前农业与生态节水领域的研究重点之一。针对我国近年来设施农业面积增加较快的状况，本发明旨在开展高效设施农业条件下蔬菜的耗水量研究，为设施栽培作物节水灌溉模式实施与节水灌溉制度制定提供指导，同时为设施农业乃至节水高效农业的发展提供指导与借鉴。

3发明内容

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，最后通过叶面气孔散发入大气，形成土壤-植物-大气连续系统的水分运移过程，与此过程有关的任何因素都会影响作物耗水量。作物耗水量取决于作物生长发育和对水分需求的内部因子和外部因子。其中内部因子是指对耗水规律有影响的生物学特性，与作物种类、品种以及生长阶段有关。气候条件(包括太阳辐射、气温、相对湿度、水面蒸发量、风速等)和土壤条件(包括土壤质地、含水量等)属于外部因子。同时，农业技术措施也会对作物耗水产生影响。考虑到作物耗水量的影响因子，作物耗水量计算式可以表达为：ET＝f(P，A，S)

作物耗水量与土壤、植物、大气三方面的综合关系可用乘积形式表示，即：

ET＝f1(P)*f2(A)*f3(S)①

式中，ET-作物耗水量，mm；P-植物因素；A-大气因素；S-土壤因素。

f1(P)为植物因素函数项，定义为作物耗水特性系数α，是作物自身的生理生态指标，即作物生长无任何受限，蒸腾不受水分亏缺、作物种植密度、虫害、疾病、草害或盐分胁迫影响时的状况，同一品种作物的α值主要受作物生长发育状况的影响。本发明建立作物生理系数与生育进程的关系，将α值看作以有效积温(GOD)为变量的函数：α＝f(GOD)。叶面积指数也是表征作物生长发育状况的重要指标，与耗水量存在显著的线性关系，可建立回归方程α＝f(LAI)。

f2(A)为气象环境因素函数项，可以用参考作物耗水量ET0作为表征气候特征的综合指标，参考作物耗水量ET0可以根据修正后的温室内彭曼公式计算求得，也可建立ET0与蒸发皿蒸发量E0的线性回归方程ET0＝f(E0)，通过实测蒸发皿蒸发量E0来计算ET0。

f3(S)为土壤因素函数项，定义为土壤水分胁迫系数K_s，尤其是节水灌溉条件下，各生育阶段土壤水分状况成为耗水量计算的关键因素之一，作物的蒸发蒸腾量计算中应以Ks进行修正。本发明根据实测K_s，建立以相对有效含水率为参数的经验公式：K_s＝f(A_w)。通过测量土壤水分状况，推求K_s值。

根据以上个步骤求得的作物生理系数α，参考作物蒸发量ET0，土壤水分胁迫系数K_s代入式①计算求得作物耗水量。

4具体实施方式

本发明的具体实施包括如下步骤：

(1)作物生理系数α值的计算：

生育期有效积温GOD表示为：

式中：T₁为第i天日平均温度，Tb为生长发育的生长基点温度℃。它是热量资源的表示方法，是作物对热量指标的要求，也表示了作物某一生育时期或全生育时期所需要的温度总和。

表1蔬菜的生长基点温度

日平均温度计算公式为：

$\mathrm{Ti}=\frac{(T1+T2+T3+......+T24)}{24}$

T1、T2、T3、……、T24为1天内01:00～24:00的温度。

本发明建立的α实测值与GOD的多项式回归方程形式为：α＝ax³+bx²+cx+d②a，b，c，d为经大量试验数据统计分析得到的方程回归系数。

叶面积指数是表征作物生长发育状况的重要指标，与作物耗水量存在显著的线性关系，可建立回归方程：α＝mLAI+n③，式中：LAI为叶面积，m、n为经验系数，其大小与作物类型有关。

在①②中，不同阶段的作物生理系数通过下式求得：

αi＝ETi/E0

αi为第i阶段的作物生理系数，ETi为作物生长无任何受限，蒸腾不受水分亏缺、作物种植密度、虫害、疾病、草害或盐分胁迫影响时的耗水量，E0为同期自由水面蒸发量，根据蒸发皿口径进行修正。

在式③中，叶面积可用叶面积仪直接测定，或者拟合叶面积与叶长、叶宽的关系，根据实际测量的叶长、叶宽参数计算求得：LAI＝kab

a、b为叶长、叶宽，k为经验系数。例如，以本发明对温室厚皮甜瓜的叶面积与叶长、叶宽的关系进行拟合得到经验公式为：叶面积LAI＝0.7839ab，叶宽为叶片上部最大宽度，叶长为叶片基部至叶尖距离。

(2)参考作物蒸腾蒸发量ET0的计算：

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0.12m，固定的叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、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。

以P-M方程为基础，引入空气动力学阻力公式，基于温室风速接近于零的特点，采用陈新明等的研究思路，对与风速有关的空气动力学项进行修正，推导出适于温室大棚的参考作物耗水量公式：

④

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm/d)；Δ为饱和水汽压随温度变化曲线的斜率(kPa/℃)；Rn冠层所得的净辐射(MJ·m-2·d-1)；ea、ed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)，以天为单位计算时，可忽略；γ为湿度计常数，kPa/℃；T为温度，℃。

应用P-M公式进行计算，虽然精度较高，但参数较多，计算较为复杂。可以使用蒸发皿蒸发资料来确定参考作物蒸散，蒸发皿蒸发表征在气温、风速、辐射等气象因子综合作用下，观测区域自由水面最大可能蒸发量。参考作物耗水量与自由水面蒸发量密切相关，都反映了气象因子的综合影响，一般来说，它在生产实际中比较容易获得。而E0与ET0之间有着密切的联系，通常认为呈线性关系，因而可以根据水面蒸发量推求参考作物耗水量。本发明以蒸发皿实测水面蒸发值为自变量，建立了蒸发皿蒸发量与参考作物耗水量的回归方程：

ET0＝kE0+b⑤

式中：ET0由式④求得，k，b经验系数。

本发明根据在陕西关中地区大量的试验资料进行统计，得出参考作物耗水量ET0与20cm小蒸发皿观测的水面蒸发量E0的关系式为：

ET0(P-M修正式)＝0.8412E0(水面蒸发)-0.4517⑥

需要说明的是在式⑤中，蒸发皿的观测结果受其颜色、大小和位置等的影响，经验系数k，b也会因这些因素而不同，需要根据蒸发皿和当地气候的具体情况进行修正，式⑥仅作为例子，不可盲目套用。

(3)土壤水分胁迫系数K_s的计算：

$K_s=\frac{\mathrm{ETc}}{\mathrm{ETm}}=f\left(A_w\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\ln (\mathrm{Aw}+1)}{\ln 101}& A_w\&GreaterEqual;A_0\\ {{\mathrm{aA}}^4}_w+{{\mathrm{bA}}^3}_w+{{\mathrm{cA}}^2}_w+{\mathrm{dA}}_w+e& A_w<A_0\end{array}\right.$ ⑦

式中：ET_c作物实际蒸腾耗水量，ET_m充分供水条件下最大蒸腾量，A_w相对有效含水率，A₀为土壤临界含水率，对一般蔬菜，普通农作物，耐寒作物分别取0.7、0.5、0.3；a、b、c、d、e为由实测资料分析确定的经验系数，随作物生育阶段和土壤条件而变化。

式⑦中，A_w＝(θ_i-θ_p)/(θ_f-θ_p)

θ_i为水量平衡计算土层内(一般取1m)的平均含水率；θp、θf分别为凋萎系数和田间持水率。田间持水率是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持悬着水的最大量。凋萎系数为植物由于缺水开始发生永久性枯萎时的土壤含水量，它主要取决于土壤性质，与植物种类关系不大。

表2不同质地和土壤耕作条件下的田间持水量(％)

表3不同质地土壤的凋萎系数(％)

土壤质地	粗壤土	细壤土	砂壤土	壤土	粘壤土
						凋萎系数(％)	0.96-1.11	2.7-3.6	5.6-6.9	9.0-12.4	13.0-16.6

在使用本发明计算土壤水分胁迫系数的过程中，以上所提供的不同土壤类型的田间持水量和凋萎系数仅供参考，二者的大小主要受土壤质地、有机质含量、土壤结构、松紧状况的影响较大，各地应根据实测土壤水分参数状况进行修正使用。

以上实施方式仅用于说明本发明，并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。

Claims (8)

1.一种温室作物耗水量估算方法，其特征在于，将温室作物耗水量ET看作是关于作物本身因素P、大气因素A、土壤因素S的函数，ET＝f(P，A，S)＝f₁(P)f₂(A)f₃(S)。

2.一种温室作物耗水量估算方法，如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

(1)f₁(P)用作物生理系数α来表征作物本身因素，计算方法为：统计作物生育期有效积温GOD和叶面积LAI，根据建立的α与作物生育进程参数(有效积温GOD)和生理生态参数(叶面积指数LAI)的经验函数方程进行推求。

(2)f₂(A)用参考作物蒸发量ET0来表征气象环境的影响：ET0可根据修正后的适用于温室环境的彭曼公式直接求的，另外也可建立ET0与蒸发皿水面蒸发量E0的线性回归关系函数，根据实测蒸发皿水面蒸发量计算求出。

(3)f₃(S)用土壤水分胁迫系数K_s表征土壤水分因素的影响，计算方法为：建立K_s与土壤A_w相对有效含水率A_w的函数关系，根据实测A_w计算求出土壤水分胁迫系数。

3.如权利要求(1)所述，α＝aGOD³+bGOD²+cGOD+d，其中GOD为有效积温，a，b，c，d为经验系数；α＝mLAI+n，式中LAI为叶面积，m，n为经验系数。

4.如权利要求3所述，其特征在于生育期GOD表示为 

Ti为日均温度，Tb为作物生长基点温度。

5.如权利要求(3)所述，其特征在于参考作物蒸发量ET0的计算公式修正后为：

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm/d)；Δ为饱和水汽压随温度变化曲线的斜率(kPa/℃)；Rn冠层所得的净辐射(MJ·m-2·d-1)；ea、ed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)，以天为单位计算时，可忽略；γ为湿度计常数，kPa/℃；T为温度(℃)。

6.如权利要求(2)所述，其特征在于，ET0与蒸发皿蒸发量E0呈线性关系，ET 0＝kE0+b式中，k、b为经验系数。 

7.如权利要求(3)所述，其特征在于，K_s按下式求得

A_w为相对有效含水率，A₀为土壤临界含水率。

8.如权利要求7所述，其特征在于，

A_w＝(θ_i-θ_p)/(θ_f-θ_p)

式中，θi为水量平衡计算土层内(一般取1m)的平均含水率；θp、θf分别为凋萎系数和田间持水率。