CN111460377B - 一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差计算方法 - Google Patents

一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冠层饱和水汽压差计算领域，具体涉及一种温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法。该方法通过测量温室内作物冠层高（2.0m）处的空气温度、湿度、总辐射，计算得到温室内冠层水汽压亏缺（VPD），采用分段分析的方法对VPD进行了数值模拟，得到0：00～12：00和12：30～23：30两个时间段的饱和水汽压亏缺与室内冠层太阳辐射的拟合函数，为温室作物冠层水汽压差的计算提供了新的方法，对日光温室小气候变化特征及小气候模拟的研究具有指导意义。

Description

一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差计算方法
技术领域
本发明属于冠层饱和水汽压差技术领域，具体涉及一种温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法。
背景技术
水汽压(Vapour Pressure)是大气压力中水汽的分压力，空气中的水分含量与水汽压直接相关。在一定温度下空气中水汽达到饱和时的分压力，称为饱和水汽压e0(T)。气温越高，空气储存水分的能力越大，饱和水汽压也越大。实际水汽压ea是实际大气压力中水汽的分压力。当空气没有达到饱和时，实际水汽压ea比饱和水汽压e0(T)小。饱和水汽压与实际水汽压之间的差称为水汽压亏缺量或饱和水汽压差(Vapour Pressure Deficit，即VPD)，是表征空气实际蒸发能力的准确指示器。目前VPD的计算方法是根据定义计算的，需要对温室内冠层最高、最低气温、温度及干湿等数据进行测量计算后才能得到。该方法的其主要问题是需要测量的环境参数相对较多，特别是实际饱和水汽压的计算方法会随着环境参数的可靠性有不同的选择，如实际水汽压的计算可以通过露点温度计算，也可以根据需求通过干湿表资料计算，还可以通过相对湿度进行计算，不同的计算方法对测量时段、参数种类、可靠度都有不同的要求，这使得计算VPD的工作量有所增加，且温室内长期处于高温高湿环境下，需要的参数越多就越容易产生误差。
发明内容
针对目前冠层饱和水汽压差计算方法存在参数多、测量复杂且易产生误差的缺陷和问题，本发明提供一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，包括以下步骤：
步骤一、采用植物生长监测仪采集0：00～12：00和12：30～23：30两个时段中不同时间点的日光温室大棚内的温室环境参数和温室内作物的冠层太阳辐射并实时监测作物的生长状况，并计算两个时段中不同时间点的冠层饱和水汽压差；
步骤二、分别对0：00～12：00以及12：30～23：30两时段的室内冠层太阳辐射与饱和水汽压亏缺的关系进行模拟得到两时段的温室内饱和水汽压亏缺与室内冠层太阳辐射的回归模型：
0：00～12：00时段，VPD＝a TIRi 2+b TIRi+c
12：30～23：30时段，VPD＝a’TIRi 2+b’TIRi+c‘
式中：VPD为室内冠层水汽压亏缺，TIRi为室内冠层太阳辐射，a、b、c、a’、b’、c‘为常数；
步骤三、将步骤一得到的不同时间点的室内冠层太阳辐射分别代入步骤二中对应时段的回归模型中计算得到a、b、c、a’、b’、c‘常数数值，并得到两个时段具体的回归模型；
步骤四、将测得的不同时段的室内冠层太阳辐射数值代入步骤三对应时段的回归模型中即可得到温室内的饱和水汽压亏缺。
上述的一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，温室内温室环境参数和冠层太阳辐射的采集时间为每日的7：00、10：00、12：00、15：00和18：00。
上述的一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，所述温室环境参数包括温室内作物冠层高处的空气温度和湿度。
上述的一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，所述温室作物为日光温室番茄，0：00～12：00和12：30～23：30两个时间段的二元回归模型分别为：
0：00～12：00时段，
VPD＝0.00002TIRi 2-0.00411TIRi-0.0056 R2＝0.9901
12：30～23：30时段，
VPD＝-0.00004TIRi 2+0.02TIRi+0.2012 R2＝0.9583
式中：VPD为室内冠层水汽压亏缺，TIRi为室内冠层太阳辐射。
本发明的有益效果：本发明通过试验证明，在晴天VPD变化与总辐射直接有较强的拟合关系，采用分段分析的方法建立起晴天条件下0：00～12：00以及12：30～23：30两个时段的冠层饱和水汽压差与冠层太阳辐射的二元回归模型，从而可通过冠层太阳辐射实现对VPD的准确计算。该方法只涉及到总辐射一个环境参数，不涉及较多的环境参数，且冠层太阳辐射的测量成本较低，测量方法简单科学，测量结果误差较小，为温室作物冠层水气压差的计算提供了新的方法，对日光温室小气候变化特征及小气候模拟的研究有重要的指导意义。
附图说明
图1为晴天条件下室内冠层水汽压亏缺与太阳辐射对比图。
图2为晴天条件下室内冠层水汽压亏缺与太阳辐射关系图。
图3为0：00～12：00时段室内冠层水汽压亏缺与太阳辐射关系图。
图4为12：30～23：30时段室内冠层水汽压亏缺与太阳辐射关系图。
具体实施方式
水汽压亏缺VPD(Vapor Pressure Deficit)反映了空气中的实际水汽距离饱和的程度，值愈大，说明空气愈干燥；值愈小，空气愈接近于饱和。无论是研究植株的蒸腾还是水面蒸发，水汽压亏缺都是一个很重要的指标。但是目前水汽压亏缺的计算方法涉及较多参数，计算方法复杂的问题，本发明提供一种温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1：本实施例提供一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用植物生长监测仪采集0：00～12：00和12：30～23：30两个时段不同时间点的日光温室大棚内的温室环境参数和冠层太阳辐射并实时监测作物的生长状况，采集时间为每日的7：00、10：00、12：00、15：00和18：00，并计算两个时段不同时间点的冠层饱和水汽压差；
步骤二、分别对0：00～12：00以及12：30～23：30两时段的室内冠层太阳辐射与饱和水汽压亏缺的关系进行模拟得到两时段的温室内饱和水汽压亏缺与室内冠层太阳辐射的回归模型：
0：00～12：00时段，VPD＝a TIRi 2+b TIRi+c
12：30～23：30时段，VPD＝a’TIRi 2+b’TIRi+c‘
式中：VPD为室内冠层水汽压亏缺，TIRi为室内冠层太阳辐射，a、b、c、a’、b’、c‘为常数；
步骤三、将步骤一得到的两个时段不同时间点的室内冠层太阳辐射分别代入步骤二中对应时段的回归模型中计算得到a、b、c、a’、b’、c‘常数数值，并得到两个时段具体的回归模型；
步骤四、将测得的不同时段的室内冠层太阳辐射数值代入步骤三对应时段的回归模型中从而完成温室内的饱和水汽压亏缺的计算。
实施例2：本实施例提供一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，为了便于理解本发明，本实施例以2019年3月～4月在湖北省鄂州节水示范基地的温室内进行。该区地理位置东经114.52°，北纬30.23°，为季风气候区，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，属亚热带气候，无霜期约236天，年平均气温16.3℃；年降雨量831.8mm，年内分布不均，夏、秋降雨少。
试验温室属于高效节能性日光温室，剖面呈扇形，占地面积584㎡，北墙高2.5m(矢高3.2米)。温室采用钢结构支撑，薄膜为EVA 3层复合膜，顶部和侧面可人工开启用于通气，室外备有防寒被。试验期内温室内种植作物为番茄，灌溉方式为膜下滴灌，选取果实采摘期进行分析。
首先，在温室内采用LPS-05型植物生长监测仪自动采集温室环境参数并实时监测作物生长状况，自动采集数据时间步长为1h。采集项目有：温室内作物冠层高(2.0m)处的空气温度、湿度、总辐射；另外在温室内悬挂最高、最低气温计，温度计及干湿表以作对比测量，每天观测时间为7：00、10：00、12：00、15：00、18：00。
饱和水汽压与实际水汽压之间的差称为水汽压亏缺量或饱和水汽压差(VPD)，VPD＝e0(T)-ea，其中e0(T)为饱和水汽压，ea为实际水汽压。
饱和水汽压：
Figure BDA0002413390680000061
e0(T)：气温为T时的饱和水汽压，单位为千帕(kPa)；T：空气温度，单位为摄氏度(℃)。
实际水汽压：ea＝e0(T)
Figure BDA0002413390680000062
ea是实际水汽压(kPa)，RH是相对湿度(％)，e0(T)：气温为T时的饱和水汽压。
经监测发现在阴雨天，室内湿度接近饱和，VPD变化幅度不大，但外界太阳辐射受云层影响较大变化剧烈，两者间的相关性受到干扰。然而，在晴天，VPD与太阳辐射之间存在着很好的关联。如图1所示，12：00以前太阳辐射与VPD一直以几乎平行的坡度直线上升，太阳辐射在12：00左右达到最大值；12：00以后两者又以几乎平行的坡度直线下降，VPD在14：00左右达到最大值，室内冠层水汽压亏缺与太阳辐射关系如图2所示。
采用分段分析的方法对VPD进行了数值模拟，以12：00为分界点，分为0：00～12：00和12：30～23：30两个时间段分别对室内外辐射与饱和水汽压亏缺关系进行模拟，具体如下，两个时段的室内冠层水汽压亏缺与太阳辐射关系分别参见图3和图4。
在0：00～12：00时段，
VPD＝0.00002TIRi 2-0.00411TIRi-0.0056 R2＝0.9901 (1)
在12：30～23：30时段，
VPD＝-0.00004TIRi 2+0.02TIRi+0.2012 R2＝0.9583 (2)
式中：VPD为室内冠层水汽压亏缺，TIRi为室内冠层太阳辐射。
可以看出，0：00～12：00时段回归模型的相关系数为0.9901，12：30～23：30时段回归模型的相关系数为0.9583，两个时段的相关系数都非常高，可见晴天条件下可以根据室内辐射量和经验参数来确定室内冠层水汽压亏缺VPD。
后期针对该温室大棚，只需测出不同时间点的冠层太阳辐射，将测得的冠层太阳辐射值代入相对应时段的回归模型，即可计算得到该时段的室内冠层水汽压差，不需要按照目前现有的方法进行繁琐的计算，简便易行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一、采用植物生长监测仪采集温室0：00～12：00和12：30～23：30两个时段中不同时间点的日光温室大棚内的温室环境参数和温室内作物的冠层太阳辐射并实时监测作物的生长状况，并计算两个时段中不同时间点的冠层饱和水汽压差；
步骤二、分别对0：00～12：00以及12：30～23：30两时段的室内冠层太阳辐射与饱和水汽压亏缺的关系进行模拟得到两时段的温室内饱和水汽压亏缺与室内冠层太阳辐射的回归模型：
0：00～12：00时段，VPD＝a TIRi 2+b TIRi+c
12：30～23：30时段，VPD＝a’TIRi 2+b’TIRi+c‘
式中：VPD为室内冠层水汽压亏缺，TIRi为室内冠层太阳辐射，a、b、c、a’、b’、c‘为常数；
步骤三、将步骤一得到的两个时段的室内冠层太阳辐射分别代入步骤二中对应时段的回归模型中计算得到a、b、c、a’、b’、c‘常数数值，得到不同时段具体的回归方程；
步骤四、将测得的不同时段的室内冠层太阳辐射数值代入步骤三对应时段的回归方程中计算得到温室内的饱和水汽压亏缺。
2.根据权利要求1所述的一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，其特征在于：温室内温室环境参数和冠层太阳辐射的采集时间为每日的7：00、10：00、12：00、15：00和18：00。
3.根据权利要求1或2所述的一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，其特征在于：所述温室环境参数包括温室内作物冠层高处的空气温度和湿度。
4.根据权利要求1所述的一种晴天条件下温室作物冠层饱和水汽压差的计算方法，其特征在于：所述温室作物为日光温室番茄，
0：00～12：00时段，
VPD＝0.00002TIRi 2-0.00411TIRi-0.0056 R2＝0.9901；
12：30～23：30时段，
VPD＝-0.00004TIRi 2+0.02TIRi+0.2012 R2＝0.9583。
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