華北地區(qū)設(shè)施茄子蒸散量估算模型及作物系數(shù)確定*

王賀壘, 李家曦, 范鳳翠, 韓憲忠, 劉勝堯, 李志宏, 賈建明, 王克儉, 張 哲, 賈宋楠

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華北地區(qū)設(shè)施茄子蒸散量估算模型及作物系數(shù)確定*

王賀壘1, 李家曦2, 范鳳翠3, 韓憲忠1**, 劉勝堯3, 李志宏3, 賈建明3, 王克儉1, 張 哲3, 賈宋楠3

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 保定 071001; 2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 南京 210095; 3. 河北農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所 石家莊 050051)

構(gòu)建華北地區(qū)設(shè)施茄子蒸散量估算模型, 可為制定其優(yōu)化灌溉制度提供理論依據(jù)。本研究設(shè)灌水定額15 mm(W1)、22.5 mm(W2)、30 mm(W3)和37.5 mm(充分灌溉, CK)4個(gè)處理, 在設(shè)施茄子苗期、開(kāi)花座果期和成熟采摘期土壤含水率分別達(dá)田間持水量的70%、80%和70%時(shí)進(jìn)行灌溉, 以保證土壤供水充足?；谛拚蟮腜enman-Monteith方程, 通過(guò)分析CK處理的作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系, 建立了基于氣象數(shù)據(jù)與葉面積指數(shù)的蒸散量估算模型, 利用W1、W2和W3實(shí)測(cè)蒸散量對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明: 修正后的Penman-Monteith方程可用于設(shè)施參考作物蒸散量的估算, W1、W2和W3蒸散量的實(shí)測(cè)值與新建模型的模擬值平均相對(duì)誤差分別為17.81%、18.31%和17.97%。作物系數(shù)與葉面積指數(shù)呈顯著線性關(guān)系, 可通過(guò)葉面積指數(shù)確定作物系數(shù)。分析W1、W2、W3和CK處理的產(chǎn)量和水分利用效率(WUE)得出, W2與CK產(chǎn)量差異性不顯著, 而WUE差異性顯著, 較CK提高31.59%, 表明W2兼顧產(chǎn)量和WUE。W2處理下茄子的作物系數(shù), 苗期為0.21~0.46, 開(kāi)花座果期為0.62~0.94, 成熟采摘期為0.70~0.92。本研究認(rèn)為, 新建模型在估算設(shè)施茄子實(shí)際蒸散量上具有較好適用性, 計(jì)算出的作物系數(shù)在節(jié)水灌溉條件下具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

設(shè)施茄子; Penman-Monteith方程; 蒸散量; 估算模型; 作物系數(shù); 灌水定額

近年來(lái), 華北地區(qū)設(shè)施蔬菜種植面積逐年擴(kuò)大, 灌水量大、水資源利用效率低成為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的突出問(wèn)題[1]。蒸散是作物與外界進(jìn)行水分交換的重要途徑[2], 對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成有重要影響[3], 是確定合理灌溉制度的依據(jù)[4-5]。蒸散是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程, 是土壤-植株-大氣三者共同作用的結(jié)果。僅定性給出作物蒸散強(qiáng)度和耗水特性是不夠的, 需要綜合分析影響因素對(duì)蒸散量的作用, 達(dá)到動(dòng)態(tài)模擬實(shí)際蒸散狀況的目標(biāo)。因此, 建立精確計(jì)算設(shè)施作物蒸散模型, 對(duì)優(yōu)化灌溉制度、提高水分利用效率具有重要意義。

目前, 國(guó)內(nèi)外廣泛采用的蒸散模型有Penman- Monteith(以下簡(jiǎn)稱(chēng)P-M方程)、Penman-Van Bavel、Hargreaves-Samani、Priestley-Taylor等, 它們被用來(lái)估算實(shí)際蒸散量[6]。P-M方程綜合考慮環(huán)境因素對(duì)蒸散量的影響, 具有科學(xué)的理論基礎(chǔ)和計(jì)算精度[7], 在大田作物和設(shè)施栽培中被廣泛應(yīng)用。王娟等[8]利用氣象數(shù)據(jù)和P-M方程構(gòu)建夏玉米()蒸散模型, 并得出各生長(zhǎng)階段的作物系數(shù), 估算蒸散量精度較高。吳立峰等[9]研究P-M方程在西北應(yīng)用中表明, P-M模型在缺失濕度、風(fēng)速或日照時(shí)數(shù)其中1項(xiàng)時(shí), 仍能對(duì)蒸散量進(jìn)行有效模擬。設(shè)施與常規(guī)露地氣象條件不同, 具有相對(duì)封閉的微環(huán)境, 太陽(yáng)總輻射和風(fēng)速與自然條件下差距較大[10]。單純將P-M方程應(yīng)用到設(shè)施栽培環(huán)境下時(shí), 造成P-M方程中的空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)為零。而水分仍在作物與大氣間進(jìn)行交換, 這種觀點(diǎn)違背水汽擴(kuò)散理論, 不能被廣泛應(yīng)用。因此, 需要針對(duì)設(shè)施環(huán)境的特殊性來(lái)修正P-M方程, 提高模型的應(yīng)用前景。陳新明等[10]對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)進(jìn)行修正, 計(jì)算出適合設(shè)施環(huán)境下的P-M方程, 模擬精度很好。劉浩等[11]利用修正后的P-M模型計(jì)算出設(shè)施番茄()的作物系數(shù)和模擬實(shí)際需水量。張大龍等[12]基于修正的P-M方程得出設(shè)施甜瓜()蒸散估算模型, 動(dòng)態(tài)掌握作物耗水規(guī)律。目前, 針對(duì)華北地區(qū)設(shè)施作物蒸散模型研究偏少, 還未形成全面系統(tǒng)的作物系數(shù)和灌溉制度, 對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)有所限制。因此, 在P-M方程的基礎(chǔ)上, 建立華北地區(qū)設(shè)施作物蒸散量估算模型, 圍繞水分高效利用這一中心, 形成優(yōu)化灌溉制度, 可為設(shè)施農(nóng)業(yè)集約發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

為此, 本文以滴灌條件下設(shè)施茄子()為研究對(duì)象, 基于充分灌溉研究作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系, 結(jié)合修正后P-M方程建立茄子蒸散估算模型。通過(guò)對(duì)比不同灌水定額的產(chǎn)量和水分利用效率(WUE)確定適宜灌水定額, 進(jìn)而得出節(jié)水條件下作物系數(shù), 有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)田精準(zhǔn)灌溉。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在河北省農(nóng)林科學(xué)院鹿泉大河試驗(yàn)站(38°14′N(xiāo)、114°39′E)進(jìn)行。試驗(yàn)地區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū), 年均氣溫 13.3 ℃, 年日照時(shí)數(shù)1 776.9 h, 年均無(wú)霜期 205 d, 海拔92 m, 四季分明。設(shè)施塑料大棚為拱形結(jié)構(gòu), 棚室長(zhǎng) 30 m, 寬15 m, 南北走向, 覆蓋無(wú)滴聚乙烯薄膜。供試土壤質(zhì)地為壤質(zhì)洪沖積石灰性褐土, 0~100 cm土壤容重1.38 g×cm-3, 田間持水量為22.1%(質(zhì)量含水率), 棚室地下水埋深大于5 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

茄子于2017年3月27日定植, 品種選擇河北主栽品種‘茄雜6號(hào)’, 南北向種植。畦長(zhǎng)6.3 m, 寬為2.4 m, 采用株距30 cm、行距60 cm起壟覆膜種植。每行鋪設(shè)1條滴灌帶, 滴頭間距與株距相同。試驗(yàn)采取適宜供水方式, 苗期、開(kāi)花座果期和成熟采摘期土壤水分下限依次為田間持水量的70%、80%和70%。設(shè)置灌水定額15 mm(W1)、22.5 mm(W2)、30 mm(W3)和37.5 mm(常規(guī)充分灌溉, CK)4個(gè)處理, 當(dāng)各處理計(jì)劃濕潤(rùn)層(40 cm)低于水分下限時(shí)開(kāi)始灌水, 灌水量按照對(duì)應(yīng)的灌水定額確定。每個(gè)小區(qū)面積15.12 m2, 處理之間由擋板隔離, 避免水分滲透。每個(gè)處理4次重復(fù), 隨機(jī)排列。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤水分: 采用土鉆法于株間和行間中部位置采集0~100 cm土壤樣品, 每10 cm為一土層。待茄子完成緩苗階段后, 每隔3~5 d測(cè)定1次, 灌水前后各加測(cè)1次[13]。土壤質(zhì)量含水率采用烘干法測(cè)定, 并用于計(jì)算蒸散量。

氣象數(shù)據(jù): 氣象資料由設(shè)置在棚室中央的自動(dòng)氣象站獲取, 每隔10 min采集一次, 觀測(cè)氣溫、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等氣象要素指標(biāo)。

茄子葉面積: 單葉葉面積(LA)采用直接測(cè)量法測(cè)定[14], 待茄子完成緩苗階段后, 每隔6 d測(cè)量一次茄子葉片長(zhǎng)、寬, 代入到實(shí)際擬合的葉面積[葉長(zhǎng)()×葉寬()]回歸方程來(lái)計(jì)算茄子葉面積?；貧w方程擬合方法: 選擇300片形狀、大小不同的茄子葉片, 采用益康農(nóng)公司生產(chǎn)的葉面積儀測(cè)定LA, 用鋼卷尺測(cè)定該葉片的和; 建立單葉面積與葉長(zhǎng)乘葉寬的線性回歸方程: LA=0.585 6×(×)+8.071 4, 其中決定系數(shù)2=0.991,<0.01。葉面積指數(shù)通過(guò)計(jì)算單位土地上所有植株葉片總面積, 再與土地面積做比得出。

LAI=LA×種植密度(株×m-2)/10 000 (1)

茄子產(chǎn)量: 在進(jìn)入收獲期后, 統(tǒng)一采摘, 每個(gè)小區(qū)分別稱(chēng)量, 各個(gè)處理產(chǎn)量4次重復(fù)。

1.4 參考作物蒸散量計(jì)算

參考作物蒸散量(ET0)反映氣候特征對(duì)蒸散量的綜合效應(yīng), 它是某種特定條件下的假想蒸散速率。假設(shè)作物的高度為0.12 m, 固定的葉面阻力為70 s×m-1, 反射率為0.23, 類(lèi)似于表面開(kāi)闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛、完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地蒸散量[15-16]。P-M方程具體計(jì)算公式為:

式中:n為作物表面凈輻射, MJ·m-2·d-1;為土壤熱通量, MJ×m-2×d-1;為氣溫, ℃;2為2 m高處風(fēng)速, m×s-1;s為設(shè)施內(nèi)飽和水汽壓, kPa;a為設(shè)施內(nèi)實(shí)際水汽壓,(kPa);為飽和水汽壓隨溫度變化的曲線斜率, kPa×℃-1;為干濕表常數(shù), kPa×℃-1。

設(shè)施與露地氣象條件差異較大, 棚室內(nèi)風(fēng)速幾乎為0, 需要對(duì)P-M方程進(jìn)行修正。采用陳新明等[10]的方法, 通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)阻力公式, 將2=0代入式中計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)阻抗[17-18]:

式中:為測(cè)量風(fēng)速的高度,0為地面粗糙度,為零平面位移長(zhǎng)度。據(jù)文獻(xiàn)研究得出[19],0=0.13c,=0.64c,c為作物冠層即0.12 m。通過(guò)推導(dǎo)a得出設(shè)施條件下的修正P-M方程, 具體公式為:

式中各變量的意義與式(2)相同。

1.5 作物系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于正常生長(zhǎng)的作物來(lái)說(shuō), 蒸散量主要受土壤、氣象和植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況的影響[20]。由于試驗(yàn)地所處的條件與FAO推薦值有所不同, 需要進(jìn)行本地化修正[21]。在適宜供水條件下作物系數(shù)(c)可由實(shí)測(cè)蒸散量與參考蒸散量的比值來(lái)確定。具體計(jì)算公式為:

式中: ETc是作物實(shí)際蒸散量(mm×d-1), 其數(shù)值可通過(guò)水量平衡法確定; ET0是修正后P-M方程計(jì)算的參考作物蒸散量(mm×d-1)。

試驗(yàn)地勢(shì)平坦, 沒(méi)有地表徑流; 地下水埋深5 m以下, 作物無(wú)法吸收利用, 故地下水補(bǔ)給可忽略。棚膜阻止降雨進(jìn)入棚室, 無(wú)雨水補(bǔ)給, 滴灌灌水方式和灌水量不足于產(chǎn)生深層滲漏。因此, 實(shí)際蒸散量計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為:

ET-(6)

式中:為階段內(nèi)灌水量(mm),為土體儲(chǔ)水量變化(mm)。計(jì)算公式為: 10×土層厚度×容重×兩次測(cè)定土體質(zhì)量含水率差值(1)。

1.6 蒸散量估算模型構(gòu)建及檢驗(yàn)方法

通過(guò)自動(dòng)氣象站獲取的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù), 計(jì)算出修正后P-M方程的參考蒸散量ET0; 分析水量平衡法計(jì)算的ETc與ET0的關(guān)系, 得到茄子充分灌溉條件下作物系數(shù); 明確茄子作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系, 通過(guò)與修正后P-M方程結(jié)合, 得出蒸散量估算模型。在不發(fā)生水分虧缺條件下, 利用3種灌水定額處理來(lái)驗(yàn)證新建蒸散模型的可靠性, 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)誤差(RMSE)和平均相對(duì)誤差(ARE)來(lái)定量分析。

式中:為檢驗(yàn)樣本數(shù)量, OBS為第個(gè)蒸散量實(shí)測(cè)值, SIM為第個(gè)蒸散量模型模擬值。

1.7 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖, 利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 茄子生育期設(shè)施內(nèi)氣象因子的變化

由圖1可知, 茄子生育期設(shè)施內(nèi)日均溫度呈遞增趨勢(shì), 最低溫度為7.3 ℃, 出現(xiàn)在苗期; 最高溫度為38.9 ℃, 出現(xiàn)在成熟采摘期; 苗期平均溫度為19.8 ℃, 開(kāi)花座果期為29.1 ℃, 成熟采摘期為32.6 ℃。日均累積太陽(yáng)輻射(a)和日均相對(duì)濕度(RH)受天氣影響顯著,a與RH呈負(fù)相關(guān)。a最高、最低分別為40.8 mol×m-2×d-1和8.5 mol×m-2×d-1, 分別出現(xiàn)在成熟采摘期和苗期; 苗期平均累積a為21.4 mol×m-2×d-1, 開(kāi)花座果期為29.8 mol×m-2×d-1, 成熟采摘期為29.4 mol×m-2×d-1。RH最高、最低均出現(xiàn)在苗期, 分別為87.3%和29.8%; 苗期平均相對(duì)濕度為57.1%, 開(kāi)花座果期為51.9%, 成熟采摘期為54.8%。

圖1 茄子生育期內(nèi)設(shè)施日均氣溫、日累積太陽(yáng)輻射和日均相對(duì)濕度的變化

a: 日累積太陽(yáng)輻射; RH: 日均相對(duì)濕度。a: daily cumulative solar radiation; RH: daily relative humidity.

2.2 充分灌溉條件下設(shè)施茄子的作物系數(shù)

由圖2可以看出, 充分灌溉條件下茄子生長(zhǎng)初期, 生長(zhǎng)緩慢, 蒸散量低, 作物系數(shù)最小。隨著生育階段的推進(jìn), 茄子植株逐漸生長(zhǎng)壯大, 葉面積快速建成, 開(kāi)花座果期處于生殖生長(zhǎng)與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)并進(jìn)階段, 茄子需水強(qiáng)度加大。作物系數(shù)在移栽后60 d達(dá)到峰值, 最大為1.25。此后, 隨著茄子的不斷采摘和植株機(jī)能的衰老, 作物系數(shù)呈下降趨勢(shì)。

2.3 茄子作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系

茄子在充分灌水情況下, 作物系數(shù)主要受植株生長(zhǎng)發(fā)育的影響。葉面積指數(shù)能夠綜合反映作物生長(zhǎng)狀況, 因此分析作物系數(shù)與葉面積指數(shù)關(guān)系可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬作物蒸散量。由圖3可以看出, 作物系數(shù)與葉面積指數(shù)存在很好的線性關(guān)系, 隨著葉面積指數(shù)的增大而增大。茄子作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的擬合關(guān)系式為:c=0.21LAI+0.199 1, 決定系數(shù)2=0.86,<0.01。表明葉面積指數(shù)可有效表征作物系數(shù), 從而確定作物的實(shí)際蒸散量。

圖2 充分灌溉條件下設(shè)施茄子生育期內(nèi)作物系數(shù)的變化

圖3 設(shè)施茄子作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系

2.4 茄子蒸散量估算模型的驗(yàn)證

在適宜灌溉條件下, 茄子蒸散量主要受大氣因子和作物自身生長(zhǎng)發(fā)育狀況的影響, 大氣綜合蒸散力可由修正后P-M公式計(jì)算得出, 作物生長(zhǎng)發(fā)育可由作物系數(shù)來(lái)表示, 從而得出茄子蒸散量估算模型:

為驗(yàn)證茄子蒸散量估算模型在不發(fā)生水分虧缺狀態(tài)下的適用性, 利用W1、W2和W3灌水定額處理進(jìn)行驗(yàn)證, 通過(guò)比較模型的模擬值與水量平衡法的實(shí)測(cè)值來(lái)定量評(píng)價(jià)。由圖4可以看出, 3種灌水定額處理蒸散量的模擬值與實(shí)測(cè)值一致性較好, W1、W2和W3處理下的模擬值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差分別為17.81%、18.31%和17.97%。由此可以說(shuō)明, 本研究所建的蒸散模型適用于華北地區(qū)適宜土壤水分條件下(苗期、開(kāi)花座果期和成熟采摘期土壤水分下限分別為田間持水量的70%、80%和70%)茄子蒸散量的估算中。

2.5 設(shè)施茄子適宜灌水定額的確定

由充分灌溉條件下得出設(shè)施茄子作物系數(shù)和蒸散量估算模型, 并結(jié)合3種灌水定額驗(yàn)證模型的可靠性, 新建蒸散模型在不發(fā)生水分脅迫狀態(tài)下, 可對(duì)實(shí)際蒸散量進(jìn)行有效模擬。為探究兼顧茄子產(chǎn)量和水分利用效率的灌水定額, 對(duì)各灌水處理的茄子產(chǎn)量和水分利用效率進(jìn)行分析比較。

2.5.1 不同灌水定額處理下的茄子產(chǎn)量和水分利用效率

由圖5A可以看出, 不同灌水定額作物產(chǎn)量呈現(xiàn)“拋物線”變化曲線, 產(chǎn)量最高的處理為W3。W3與W2差異性不顯著, 與W1和對(duì)照CK差異性顯著, 說(shuō)明W3處理已經(jīng)達(dá)到茄子的最高產(chǎn)量, 高于W3灌水定額對(duì)產(chǎn)量形成負(fù)效應(yīng)。W2與W1差異性顯著, 與CK 差異性不顯著, 而W1與CK差異性不顯著。由此可說(shuō)明, W2和W3是追求產(chǎn)量最大化的灌水定額。

確定設(shè)施栽培條件下適宜灌水定額, 不僅需要考慮作物產(chǎn)量, 還要考慮水分利用效率(WUE)。WUE反映水的投入產(chǎn)出效率, 是節(jié)水灌溉的重要指標(biāo)。由圖5B可以看出, 3個(gè)灌水定額處理WUE均與對(duì)照CK差異顯著。隨著灌水定額的升高, WUE呈“先增加后降低”的趨勢(shì), W2水分利用效率最高。W2的WUE較CK提高31.59%, 較W3提高7.82%。說(shuō)明W2已達(dá)到水分最大化利用, 高于該灌水定額顯著降低水分利用效率。W1與W2水分利用效率差異不顯著, 但產(chǎn)量存在差異性, 說(shuō)明W1以減少耗水來(lái)獲得較高的WUE。因此, 綜合考慮產(chǎn)量和WUE, 茄子適宜的灌水定額為W2。

2.5.2 適宜灌水定額下的作物系數(shù)

通過(guò)分析不同灌水定額的產(chǎn)量和水分利用效率, 得出適宜灌水定額為W2, 可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與水分利用效率最大化。因此, 分析W2作物系數(shù)對(duì)指導(dǎo)設(shè)施節(jié)水灌溉具有重要意義。由充分灌溉條件下得出并以W1、W2和W3驗(yàn)證作物系數(shù)與葉面積指數(shù)關(guān)系, 表明:c=0.21LAI+0.199 1可用于不發(fā)生水分虧缺條件下茄子作物系數(shù)的確定。由圖6可以看出, 隨著移栽天數(shù)的增加, 作物系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢(shì), 最大為0.94。之后隨著生育階段的推進(jìn), 作物系數(shù)呈下降趨勢(shì)。W2處理作物系數(shù)苗期為0.21~0.46, 開(kāi)花座果期為0.62~0.94, 成熟采摘期為0.70~0.92。W2處理作物系數(shù)與CK總體變化趨勢(shì)相同, 但作物系數(shù)在成熟采摘期較CK下降緩慢。表明適宜灌水可延遲植株衰老, 提高植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況, 從而促進(jìn)產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的提高。

圖4 不同灌水條件下設(shè)施茄子蒸散量實(shí)測(cè)值(左)及其與模擬值的比較(右)

W1: 灌水定額15 mm; W2: 灌水定額22.5 mm; W3: 灌水定額30 mm。W1: irrigation quota 15 mm; W2: irrigation quota 22.5 mm; W3: irrigation quota 30 mm.

圖5 不同灌水定額處理茄子產(chǎn)量(A)、水分生產(chǎn)效率(B)的比較

W1: 灌水定額15 mm; W2: 灌水定額22.5 mm; W3: 灌水定額30 mm; CK: 灌水定額37.5 mm。不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。W1: irrigation quota 15 mm; W2: irrigation quota 22.5 mm; W3: irrigation quota 30 mm; CK: irrigation quota 37.5 mm. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (<0.05).

圖6 適宜灌水條件下設(shè)施茄子生育期內(nèi)作物系數(shù)的變化

3 討論

3.1 P-M方程應(yīng)用分析

P-M方程對(duì)確定實(shí)際蒸散量(ET)具有高精確性, 被廣泛應(yīng)用到大田與設(shè)施作物當(dāng)中[21-23]。ET值通常采用實(shí)測(cè)法進(jìn)行確定, 對(duì)人力成本依賴(lài)程度高, 無(wú)法動(dòng)態(tài)掌握作物實(shí)時(shí)蒸散狀況。為此, 國(guó)內(nèi)外通常采用作物系數(shù)(c)與參考蒸散量(ET0)來(lái)模擬ET。栽培設(shè)施由于環(huán)境的封閉性, 在計(jì)算ET0時(shí)造成空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)為零, 影響結(jié)果的精確性, 故P-M方程在栽培設(shè)施應(yīng)用中需要進(jìn)行調(diào)整[10]。本文針對(duì)栽培設(shè)施環(huán)境的特殊性, 引入空氣動(dòng)力阻力計(jì)算方法來(lái)修正P-M方程, 形成針對(duì)設(shè)施特定環(huán)境的計(jì)算公式, 模擬效果較好, 適于設(shè)施茄子蒸散量的估算。國(guó)際糧農(nóng)組織(FAO)針對(duì)氣候、土壤、作物的特殊性, 提出適合當(dāng)?shù)氐淖魑锵禂?shù), 與P-M方程結(jié)合來(lái)計(jì)算蒸散量[24-25]。由于給出的茄子作物系數(shù)是針對(duì)干旱區(qū), 而華北屬于半濕潤(rùn)地區(qū), 氣候、土壤及生產(chǎn)管理有較大差異, 不符合其地域應(yīng)用條件, 需要結(jié)合設(shè)施條件下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)作物系數(shù)進(jìn)行校正, 提高其實(shí)踐應(yīng)用性。本研究結(jié)合茄子的實(shí)測(cè)值計(jì)算出作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系, 可掌握每個(gè)生育階段的作物系數(shù)值, 具有廣闊的應(yīng)用空間。

3.2 蒸散估算模型分析

土壤-植株-大氣系統(tǒng)是蒸散的主要途徑, 確定ET值對(duì)指導(dǎo)農(nóng)田灌溉具有重要意義。本文通過(guò)分析葉面積指數(shù)與作物系數(shù)的關(guān)系, 得出在適宜灌水條件下的蒸散估算模型。并通過(guò)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證實(shí)測(cè)值與模擬值吻合度較好, 回歸系數(shù)高, 可用于模擬設(shè)施栽培環(huán)境下的實(shí)際蒸散量。本文所建立的模型可根據(jù)作物實(shí)際生長(zhǎng)狀況來(lái)計(jì)算ET值, 具有較高的實(shí)踐應(yīng)用性。由于葉面積指數(shù)通過(guò)單位土地上作物總?cè)~面積來(lái)確定, 需要定期對(duì)植株進(jìn)行測(cè)量, 這對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)模擬ET有一定的約束。目前, 有學(xué)者提出輻熱積法來(lái)模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育[26-27], 其充分考慮光、溫共同對(duì)作物葉面積的影響。這在生長(zhǎng)發(fā)育前中期可有效模擬, 但在后期人工對(duì)作物整枝打葉、優(yōu)化株型, 植株生長(zhǎng)受到人為因素的干預(yù), 模擬效果受到限制。近年來(lái), 利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)測(cè)定葉面積指數(shù)越來(lái)越多[28-29], 通過(guò)數(shù)字圖像快速、連續(xù)地測(cè)定植株葉面積的變化, 可綜合反映溫、光和人為管理對(duì)植株的影響, 這給葉面積指數(shù)連續(xù)獲取提供了可能, 可與本研究的蒸散模型進(jìn)行結(jié)合, 具有很好的實(shí)踐應(yīng)用性。

3.3 作物系數(shù)變化規(guī)律

本文基于充分灌溉條件下, 得出作物系數(shù)與葉面積指數(shù)呈顯著線性相關(guān), 通過(guò)不缺水處理來(lái)驗(yàn)證蒸散模型的可靠性。同時(shí)結(jié)合作物產(chǎn)量和WUE得出適宜灌水定額為22.5 mm(以下簡(jiǎn)稱(chēng)W2)。通過(guò)比較W2與CK作物系數(shù)的變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)W2處理在生育后期作物系數(shù)下降趨勢(shì)較CK緩慢。這種現(xiàn)象主要由于CK前期灌水量高引發(fā)作物徒長(zhǎng), 田間通風(fēng)透光性變差。這與強(qiáng)小嫚等[30]大灌水定額造成棉花提早封行, 影響作物后期的生殖生長(zhǎng)觀點(diǎn)一致。生育后期高灌水定額造成土壤通氣不佳, 植株根系呼吸受阻, 加快作物衰老速度, 表現(xiàn)在葉面積指數(shù)上。裴蕓等[31]研究灌水上限對(duì)生菜(var.)生長(zhǎng)影響時(shí), 發(fā)現(xiàn)生育后期高灌水上限會(huì)影響作物地上部的生長(zhǎng)佐證了本文觀點(diǎn)。而W2處理作物形態(tài)結(jié)構(gòu)科學(xué)合理, 能夠保持較高的生長(zhǎng)狀況, 延長(zhǎng)后期的作物產(chǎn)量積累過(guò)程, 從而表現(xiàn)出產(chǎn)量較CK高、作物系數(shù)下降趨勢(shì)緩慢。本研究所建模型基于適宜灌水條件下, 在干旱脅迫下需要考慮土壤水分變化, 引入土壤水模型并與本文所構(gòu)建的蒸散模型進(jìn)行結(jié)合, 針對(duì)缺水狀況有相應(yīng)的理論指導(dǎo), 以提高模型的普遍適用性。本研究所得模型需在不同地域條件進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證, 讓模型更能指導(dǎo)田間生產(chǎn)。

4 結(jié)論

對(duì)華北地區(qū)設(shè)施茄子蒸散估算模型研究發(fā)現(xiàn), 修正后P-M方程可用于估算設(shè)施特定環(huán)境下的作物實(shí)際蒸散量。在適宜灌水條件下, 所建的蒸散模型平均相對(duì)誤差分別為17.81%、18.31%和17.97%, 模擬效果較好。作物系數(shù)與葉面積指數(shù)呈顯著線性關(guān)系, 計(jì)算作物系數(shù)可通過(guò)葉面積指數(shù)來(lái)確定。灌水定額30 mm處理(W3)茄子產(chǎn)量最高, 為55.22 t×hm-2。灌水定額22.5 mm處理(W2)WUE最高, 為14.42 kg×m-3。W3與W2產(chǎn)量差異性不顯著, 而WUE兩者差異性顯著。W2較CK產(chǎn)量提高1.43%, WUE提高31.59%, 說(shuō)明W2兼顧產(chǎn)量和WUE。通過(guò)分析W2處理作物系數(shù)變化規(guī)律, 得出該灌水定額處理下設(shè)施茄子各生育階段的作物系數(shù): 苗期為0.21~0.46, 開(kāi)花座果期0.62~0.94, 成熟采摘期0.70~0.92。表明新建模型適用于估算設(shè)施茄子實(shí)際蒸散量, 計(jì)算出的作物系數(shù)對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)灌溉具有重要意義, 為農(nóng)業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù), 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化農(nóng)業(yè)做出推動(dòng)作用。

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Evapotranspiration model and crop coefficient of greenhouse eggplant in North China*

WANG Helei1, LI Jiaxi2, FAN Fengcui3, HAN Xianzhong1**, LIU Shengyao3, LI Zhihong3, JIA Jianming3, WANG Kejian1, ZHANG Zhe3, JIA Songnan3

(1. Institute of Information Science and Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China; 2. College of Horticulture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 3. Institute of Agriculture Information and Economic of Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Shijiazhuang 050051, China

The theoretical basis of a model for estimation of evapotranspiration of greenhouse eggplants in North China was constructed for the development of optimized irrigation systems. Because irrigation of vegetables in North China has been much higher than crop evapotranspiration, severe deep soil water leakage has occurred, resulting in soil salinization and compaction. This has had a significant impact on the yield and quality of vegetables, resulting in larges waste of water resources. An evapotranspiration model was needed to not only guide irrigation to improve water use efficiency of vegetables, also lay the foundation for the application of agricultural information technology. It can be used to alleviate over-exploitation of groundwater and reduce frequent occurrences of diseases and pests in vegetables due to large amount irrigation. Therefore, it was necessary to establish a model that can accurately simulate vegetable evapotranspiration under greenhouse conditions. In this experiment, the effect of irrigation quota on yield and water use efficiency of eggplant in greenhouse was investigated by setting watering quotas of 15 mm (W1), 22.5 mm (W2), 30 mm (W3) and 37.5 mm (full irrigation quota, CK). The fields were irrigated to ensure sufficient water supply at seeding, flowering and maturity stages, at which the soil moisture contents were kept respectively at 70%, 80% and 70% of field capacity. Based on the modified Penman-Monteith equation and by analysis of relationship between crop coefficient and leaf area index of CK treatment, a model for the evapotranspiration based on meteorological data and leaf area index was established. The model was validated by measured evapotranspiration data under W1, W2 and W3. The results showed that average relative errors between the measured evapotranspiration for W1, W2 and W3 and the simulated values by the model were respectively 17.81%, 18.31% and 17.97%. This showed that the modified Penman-Monteith equation accurately estimated reference crop evapotranspiration under greenhouse conditions. Crop coefficient (c) had a significant linear regression with leaf area index (LAI),c= 0.21 LAI+0.199 1 (< 0.05), indicating that it was possible to determine crop coefficient from leaf area index. The simulated results showed on significant difference in yield (> 0.05), and significant difference in WUE (< 0.05) between W2 and CK. WUE of W2 was 31.59% higher than that of CK, indicating that W2 addressed both yield and WUE. Crop coefficients of eggplants at seedling stage and flowering to fruiting period and ripening stage under W2 treatment were respectively 0.21-0.46, 0.62-0.94 and 0.70-0.92. The study suggested that the new model was applicable in estimating actual evapotranspiration of facility eggplants. It calculated crop coefficient that was of practical value in water-saving irrigation. The research was significant for guiding agricultural precision irrigation.

Facility eggplant; Penman-Monteith equation; Evapotranspiration; Estimation model; Crop coefficient; Irrigation quota

, E-mail: 13832252366@163.com

Feb. 28, 2018;

Jul. 10, 2018

S641.1; S161.4; S275.6

A

1671-3990(2018)12-1819-09

10.13930/j.cnki.cjea.180192

* 國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201303133-1-3)、河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(16227005D)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程(494-0402-YBN-H5A4)資助

韓憲忠, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)模型與信息化研究。E-mail: 13832252366@163.com

王賀壘, 主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水模型信息化研究。E-mail: wanghelei20117462@163.com

2018-02-28

2018-07-10

* This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201303133-1-3),Hebei Science and Technology Plan Project (16227005D) and the Modern Agricultural Science and Technology Innovation Project of China (494-0402-YBN-H5A4).

王賀壘, 李家曦, 范鳳翠, 韓憲忠, 劉勝堯, 李志宏, 賈建明, 王克儉, 張哲, 賈宋楠. 華北地區(qū)設(shè)施茄子蒸散量估算模型及作物系數(shù)確定[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(12): 1819-1827

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