基于FAO56P-M模型对...茄蒸腾过程的模拟和验证分析.pdf

收稿日期 2021 01 14 基金项目 国家自然科学基金项目 51879072 江西省水利厅科技项目 KT201804 作者简介 邓升 1991 男 江西九江人 工程师 硕士 主要从事节水灌溉技术方面研究 通讯作者简介 温毓繁 1990 男 江西赣州人 工程师 硕士 主要从事水利水电技术方面研究 基于FAO56P M模型null避雨nullnull下番茄蒸腾过程null模拟null验 证nullnull 邓 升 温毓繁 彭 遥 张 杰 谭淋露 江西省水利科学院农村水利研究所 江西南昌 330029 摘 要 为了实现避雨栽培旱渍胁迫下番茄蒸腾量的高精度计算 在考虑气象 作物 土壤水分等变量因子对蒸腾量影响的基 础上 建立了番茄蒸腾过程因素模型 为了验证模型在不同灌溉下模拟值的精确度 采用正常灌水 CK 及苗期不同干旱花后不 同渍水的12个水分处理的数据进行验证分析 结果表明 模拟番茄日蒸腾量模型的检测精度达到85 以上 能较好地反映番 茄日蒸腾量 CK及不同水分状况的12个处理数据的验证结果表明 模型的标准误差介于0 22 0 33 mm之间 相对误差介于 10 2 17 9 之间 综合而言 番茄蒸腾量模型模拟精确度较高 能够较好地反映番茄日蒸腾量 关键词 避雨栽培 番茄 蒸腾量 模型 验证 中图分类号 S161 4 S275 文献标识码 A DOI 编码 10 3969 j issn 1006 6500 2022 03 016 Simulation and Verification Analysis of Tomato Transpiration Process under Rain Shelter Cultivation Based on FAO56P M Model DENG Sheng WEN Yufan PENG Yao ZHANG Jie TAN Linlu Institute of Rural Water Jiangxi Institute of Hydraulic Research Nanchang Jiangxi 330029 China Abstract In order to realize the highly precise calculation of tomato transpiration under rain shelter and drought waterlogging a fac tor model of tomato transpiration process was established based on effects of meteorological crop soil moisture and other variables on transpiration In order to verify the accuracy of simulation values of the model under different irrigation conditions the data of normal irrigation CK and 12 different water treatments of drought at seedling stage and waterlogging at post flowering were used for verifi cation and analysis The results showed that all the detection accuracy of factor model of tomato transpiration process wer more than 85 indicating that the model could reflect the daily transpiration of tomato The validation results of CK and 12 processed data of different water conditions showed that the standard error of the model were between 0 22 mm and 0 33 mm and the relative error ranged from 10 2 to 17 9 In general the factor model of tomato transpiration process had relative high accuracy and it could re flect tomato daily transpiration well Key words rain shelter tomato transpiration model validation 天津农业科学 Tianjin Agricultural Sciences 2022 28 3 85 90 null土壤肥料与节水灌溉 蒸腾是作物生理器官与周边环境产生效应的系 列过程 番茄植株从外界环境吸收的水分 大部分以 水蒸气的方式蒸发散失 经生态循环系统回到大气 中 1 2 作物蒸腾量情况会直接影响栽培区土壤水分 的监测和作物水分供需平衡分析 番茄植株的养分 和水分吸收与蒸腾过程息息相关 旱渍下番茄蒸腾 不仅仅降低植株温度 更对作物的光合作用和干物 质积累具有重要影响 3 5 气孔开度是影响作物蒸腾的重要形态因子 气 孔行为是调节蒸腾速率的重要手段 番茄植株可以 调控气孔状态来表征外界环境因子对其蒸腾效应的 影响 6 番茄气孔的水汽压和开度是影响其蒸腾的 关键因素 太阳辐射 光合有效辐射 水汽压差 温 度 相对湿度 CO 2 浓度和土壤水分等外界因子亦会 产生一定的影响 各环境因子相互间的作用复杂 难 以准确区别两两作用的准确过程 光合有效辐射对叶片气孔开度具有显著作用 气孔随着光合有效辐射强度的增加而逐渐张开直到 开度极限值 而后随辐射强度的减弱而逐渐闭合 7 8 太阳辐射也影响番茄蒸腾的强度大小 随着辐射强 度的增大或减弱 蒸腾也会增大或减弱 并且光照最 强时刻番茄蒸腾也达到峰值 但有时会因其它因素 而滞后半小时左右 说明太阳辐射对番茄植株蒸腾 作用的影响具有一定主导地位 另外 一定范围内 天津农业科学 第 28 卷 处理 灌水量 渍水控制水位 cm 移栽 苗期 开花坐果期 成熟采摘期 CK F F F F T2 F F 10 10 T3 F F 20 20 T4 F F 30 30 T5 F 70 F 10 10 T6 F 70 F 20 20 T7 F 70 F 30 30 T8 F 60 F 10 10 T9 F 60 F 20 20 T10 F 60 F 30 30 T11 F 50 F 10 10 T12 F 50 F 20 20 T13 F 50 F 30 30 蒸腾强度与温度存在正相关关系 极高或极低温度 均会有效抑制作物的蒸腾作用 而环境相对湿度与 作物蒸腾强度则呈现负相关的关系 说明环境温度 和相对湿度均对番茄植株蒸腾存在一定的影响 CO 2 浓度对番茄蒸腾强度的影响间接通过叶片 气孔同化过程表征 与叶片在生长过程中的呼吸作 用相关 番茄植株蒸腾效果受土壤水分作用的影响 主要表现为 干旱条件下 番茄根系缺乏水分 叶片 气孔孔径逐渐缩小 降低扩散力度 从而保持作物自 身水分充足 进而降低番茄蒸腾强度 土壤在渍水条 件下的水分过于充分 导致通气性较差 进而减弱番 茄根系的呼吸作用 造成作物的吸水能力和蒸腾作 用均受到一定程度的影响 因此土壤含水量和土壤 水分有效性也是影响番茄蒸腾的重要因素 只有合 理供水 番茄才能较好的吸收土壤水分 进而保证番 茄具有良好的蒸腾强度 国内外学者对温室下作物蒸腾模型进行了较多 的研究 但避雨环境下干旱锻炼及渍水胁迫双重条 件下对环境因子响应机理的研究并不多 9 11 本文结 合前人的理论方法建立和分析适合条件下的经验公 式 根据避雨环境下的小气候特点 分析不同生育期 番茄作物生长特征 确定蒸腾模型参数 为旱渍胁迫 下番茄蒸腾量的计算提供科学参考 1 材料和方法 1 1 试验区概况 试验于2018年3 8月在南方高效灌排与农业 水土环境重点实验室避雨小区内进行 118 50 E 31 57 N 试验地土壤为粘壤土 耕作层土壤养分含 量差异较小 其中 全氮 全磷的质量比分别为 0 48 7 29 g kg 1 速效氮 有效磷的平均质量比分别 为2 54 81 67 mg kg 1 避雨区内设40个试验测筒 测筒高120 cm 内径30 cm 垂向20 cm设置取土 排水孔 底部设20 cm砂石垫层用于连接地下水观 测管和排水 如图1所示 1 2 试验设计 试验番茄品种为 中蔬四号 试验于2018年2 月23号覆膜育苗 每隔3 d补充水分直至植株长有 6片真叶展开时进行移栽 4月10日选取生长状况 一致的幼苗移栽定植 移栽前对测筒土层翻倒数次 每个测筒种植1棵幼苗 定植后对各幼苗进行1次 灌水 灌水量相同 并施农家肥作为底肥 6月5日 追施尿素 含N46 200 kg hm 2 各处理其它田间管 理措施 如催熟 除草 去病虫等 均保持一致 本试 验番茄全生育期划分如图2所示 1 3 方案布设 试验共设13个处理 各处理3个重复 共39个 有效测筒试验 所有番茄植株移苗期间均充分灌水 以保证成活率 花前设置正常供水处理 灌水量为灌 溉定额 F 的CK T2 T3 T4 轻度干旱处理 灌水量 为 70 F 的 T5 T6 T7 中度干旱处理 灌水量为 60 F 的 T8 T9 T10 和重度干旱处理 灌水量为 50 F 的T11 T12 T13 花后对花前干旱处理的番 茄进行渍水处理 设3个渍水水位 受渍水位按设计 水位控制 各生长阶段均实施2次 每次控水1 d 分 别为地下水位的 10cm T2 T5 T8 T11 20 cm T3 T6 T9 T12 30cm T4 T7 T10 T13 CK不进行渍 水 灌水量为F 如表1所示 其中灌溉定额F为 F 80 100 f H 1 式中 F为灌水定额 m 3 hm 2 80 f 为灌水下限 H为时段内土壤计划湿润层的深度 m 图 1 测筒试验装置示意图 图2 番茄生育期划分图 表1 旱渍胁迫下栽培番茄试验处理 86 第 3 期 1 4 null测项null 全生育期内 采用微型蒸渗仪每天上午8 00左 右测定1次土壤蒸发 避雨区内外均放置直径为30 cm的蒸发皿 用于测定水面蒸发量 利用便携式光 合作用测定系统监测各测筒内番茄水分耗散指标的 时空动态分布 从7 00开始每2 h测定1次 到19 00结束监测 利用自动气象站连续监测采集大气 压 气温 相对湿度 风速等气象资料 1 5 蒸腾过程nullnull模型 作物的生长发育指标及需水强度等多种内部及 外部因素决定了作物的蒸腾量 内部因素是指对不 同作物蒸腾过程有影响的生理特性 P 取决于作 物的种类和生长状况 外部因素则与包括辐射 气 温 风速和相对湿度等在内的气候条件 A 和包括 土壤含水量 质地和地下水位等在内的土壤条件 S 息息相关 12 13 上述各不同因素对蒸腾过程的影响 直接表征为番茄植株的耗水量 存在下列关系 ET f A P S 2 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 根据大量的试验结果及土壤 大气物理原理对 蒸腾过程的分析得出 ET 与 A P S 的相关关系可 用下式表示 ET f 1 A f 2 P f 3 S 3 式中 f 1 A 为温室气象环境因素子模型 f 2 P 为作物 因素子模型 f 3 S 为土壤因素子模型 8 1 5 1 气象环境因素子模型 气象环境因素是气候 特征的综合体现指标 可用ET 0 代替 即参考作物蒸 发蒸腾速率 计算 ET 0 的多种方法中 FAO56Penman Monteith 14 最为广泛 ET 0 FAO56 0 408 R n G 900 T 273 u 2 e a e d 1 0 34u 2 4 式中 ET 0 为参考作物蒸发蒸腾量 mm d 1 为饱 和水汽压与温度二者间关系曲线的斜率 kPa 1 R n 为冠层净辐射 MJ m 2 d 1 e a e d 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 为湿度计常数 kPa 1 T为温度 u 2 为距地面2 m高处的日平均风速 m s 1 1 5 2 番茄作物因素子模型 作物系数Kc体现了 作物生理生态指标在土壤水分充裕 生长发育良好 等条件下对需水量的影响 本文研究作物因素子模 型 可用Kc代替f 2 P 即适宜供水下番茄ET与ET 0 的比值为作物系数Kc 公式 15 如下 f 2 P K c ET c ET 0 5 有效积温是在生长阶段对作物生长起有效作用 的高出的温度值 作物发育情况在一定程度上可用 叶面积指数 LAI 和生育期有效积温 Te 来表示 f 2 P K c f LAI Te 6 1 5 3 土壤水分因素子模型 生长期内 作物在不 同供水条件下的蒸腾耗水量存在明显差异 适宜的 土壤水分条件下 作物蒸腾耗水量一般不考虑土壤 水分因素 而在非适宜灌溉 即本试验下花前干旱及 花后渍水 条件下 当土壤水分含量低于体内毛管断 裂时的含水量或者高于作物叶片内部气孔破裂时的 含水量 土壤水分状况则会显著性地制约蒸腾量 作 物耗水量也随之发生显著变化 f 3 S 是表征土壤含 水量的重要函数 栽培区土壤状况对作物有效含水 量也存在较为显著的影响 将f 3 S 用相对有效含水 率 A w 的函数表征更为合理 16 即 其中 A w 用式 7 表示 A w i p f p 7 式中 i 为土壤质量含水率 p f 分别为凋萎系数和 田间持水率 非正常供水下的番茄蒸腾量ET c 与正常供水下 的番茄最大蒸腾量ET m 之间存在如下关系 ET c g A w ET m 8 式中 g A w 为土壤水分胁迫系数函数 与土壤水分 密切相关 根据番茄植株需水规律 以作物生长期内 土壤相对含水率80 作为对照组 ET m g A w 为1 其余各水分处理g A w 均小于1 通过监测不同土壤 水分情况下的各组番茄蒸腾量 计算非正常供水下 的g A w 2 结果与分析 2 1 模型模拟结果 2 1 1 气象环境因素子模型 作物参照高度设为 0 15 m 作物叶片表面阻力为72 s m 1 反射率为 0 22 此条件等同平整宽阔 表面铺膜 水分充足的 作物蒸发蒸腾量 避雨环境微气象条件与露天条件下的差异较 大 基于避雨环境下的风速特点 以P M方程为计 算基础 对与风速相关的各类参数进行修正 17 计算 出空气动力学阻抗 R a R a 4 72 ln Z d Z 0 null null 2 1 0 54u 2 4 72 ln Z d Z 0 null null 2 9 邓升等 基于FAO56P M模型对避雨栽培下番茄蒸腾过程的模拟null验证分析 87 天津农业科学 第 28 卷 式中 R a 为空气动力学阻抗 Z为风速测量高度 Z 0 为地面粗糙度 d为零平面位移长度 其中 参数Z 0 和d估算方法为 Z 0 0 13 hc d 0 64 hc hc为植株冠 层高度 设定为0 12 m 即可确定Ra和d 进而推导 出适用于小气候环境的ET 0 修正公式 8 14 ET 0 0 408 R n G 1 713 T 273 e a e d 1 64 10 式中 各参数的意义与式 4 相同 2 1 2 番茄作物因素子模型 叶面积指数 LAI 是 一项表征植物群体生长状况的重要指标之一 对作 物系数K c 的响应较为敏感 根据实测 番茄作物系 数K c 与其叶面积指数 LAI 存在着极显著的线性关 系 图3 回归关系方程为 K c f LAI 0 392LAI 0 052 R 2 0 969 P 0 01 11 式中 LAI为番茄单株叶面积指数 将K c 用有效积温的函数表示 图4 K c 与有效 积温进行曲线拟合 得出二者的指数函数关系为 K c f Te 0 14e 0 008Te K 2 0 928 P 0 01 12 式中 T e 为n番茄生长期有效积温 d 可用下 列公式计算 T e n i 1 null T i T b 13 式中 T e 为 n 天内的总有效积温 T i 为第 i 天的日 平均温度 T b 为基础温度 在番茄出苗阶段取值为 12 18 由此可知 叶面积指数 LAI 和有效积温 T e 等 影响因子均可较为准确地模拟避雨下番茄的植株系 数变化规律 叶面积指数 LAI 作为一种群体性特 征参数 其可以反映包括气温在内的综合气象因子 对作物生长的影响 而气温只能代表一项气象参数 因此以LAI为变量更具意义 本文选取LAI为自变 量 并模拟番茄作物系数 f 2 P 表达式即为式 11 2 1 3 土壤水分因素子模型 将不同水分下的番茄 土壤水分胁迫系数函数与其对应的土壤相对含水率 进行非线性拟合 得到f 3 S 函数 f 3 S g A w 1 CK 1 043 0 239ln A w R 2 0 921 其他 null 14 利用各式建立番茄蒸腾模型 ET f 1 A f 2 P f 3 S 该蒸腾模型为分段函数 全生育期内进行正常 灌水时 g A w 为1 蒸腾模型为 ET 0 14e 0 008Te 0 408 R n G 1 713 T 273 e a e d 1 64 15 当非正常灌溉 土壤水分处于干旱或者渍害时 蒸腾模型为 ET 0 14e 0 008Te 0 408 R n G 1 713 T 273 e a e d 1 64 1 043 0 239lnA w 16 2 2 验证null果分析 根据各因素子模型综合得出了番茄生育期内的 蒸腾模型 该模型是分段函数 不同土壤水分状况具 有不同函数形式 为了验证模型在各个灌溉下模拟 的精确度 对各个水分状况的处理数据进行验证分 析 根据每日实测气象资料 计算番茄不同处理的日 蒸腾量 并与实测值进行对比 本文展示CK T7 T9 和T11的水分处理的验证分析图 其他处理未在图 中显示 如图5所示 利用模型模拟得出的各种灌 溉方式下番茄日蒸腾量的模拟值与实测值相差不 大 且日变化趋势基本一致 CK T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 的标准误差分别为 0 21 0 23 0 28 0 26 0 28 0 22 0 24 0 30 0 28 0 23 0 33 0 25 0 32 mm 相对误差分别为10 2 10 6 12 1 11 4 10 8 12 6 12 3 16 5 16 6 15 2 17 9 14 3 16 6 模拟精度较理想 利用 基于FAO56P M模型对不同水分下的蒸腾量进行 模拟预测 受避雨环境的温度 相对湿度等特殊性小 图 3 番茄作物系数 K c 与叶面积指数 LAI 的关系 图 4 番茄作物系数 K c 与有效积温 T e 的关系 88 第3期 气候因素的影响 误差会大于此研究模型 得出的番 茄植株蒸发蒸腾量与实际值具有较大偏差 而利用 修正后的P M模型则较好地适用于避雨下番茄作 物蒸腾量的计算 图 5 不同水分下番茄日蒸腾量模拟值与实际值的比较 3 结论与讨论 本研究构建的模拟番茄日蒸腾量模型的检测 精度可以达到85 以上 能够较好地反映番茄日蒸 腾量 该模型对于对照组 CK 的模拟精度最高 其 相对误差为10 2 对T2 T3 T4 T5 T6 T7和T12 模拟的相对误差均小于15 而对于T8 T9 T10 邓升等 基于FAO56P M模型对避雨栽培下番茄蒸腾过程的模拟null验证分析 89 天津农业科学 第 28 卷 T11 和 T13 的模拟精度略低 其相对误差分别为 16 5 16 6 15 2 17 9 16 6 均大于15 综 合说明本研究所建的计算番茄蒸腾量模型模拟精 确度较高 但是此模型在花前中度及以上干旱和花 后中度及以上渍水下的模拟相对误差较大 分析其 可能原因如下 其一 由于模型自身的不完善和参 数测量的误差 其二 实际资料有限导致模型中Z 0 d 均为估算的 这样可能导致一定误差 其三 也可能 与土壤结构 土壤温度及土壤质地等其他未考虑因 素相关 本研究建立的蒸腾模型中的避雨环境因素子 模型的构建是基于风速为零的假设 因此风速对此 模型的预测精准度也会构成一定的影响 基于对 其与风速有关的空气动力学项需进一步进行修 正 大棚内的小气候环境亦较为复杂 亟需通过更 多的作物试验进一步确定这些小气候因素造成误 差的影响因子 参考文献 1 杨伟伟 不同栽培方式和水分胁迫对苹果树体结构和 功能影响的数字化模拟研究 D 杨凌 西北农林科技大 学 2016 2 蒋桂芹 裴源生 翟家齐 农业干旱形成机制分析 J 灌溉排水学报 2012 31 6 84 88 3 葛建坤 刘艳飞 罗金耀 等 温室内不同湿热环境变 化规律及其对作物腾发量的影响 J 节水灌溉 2020 2 1 7 16 4 杜斌 胡笑涛 王文娥 等 交替沟灌玉米灌浆期茎流 影响因子敏感性分析与模型适用性研究 J 中国农业科 学 2018 51 2 233 245 5 高安琪 赵建贵 韦玉翡 等 基于蒸腾量温室番茄水 肥灌溉决策研究 J 山西农业科学 2020 48 12 1969 1973 6 张大龙 张中典 李建明 环境因子对温室甜瓜蒸腾的 驱动和调控效应研究 J 农业机械学报 2015 46 11 137 144 7 张中典 张大龙 李建明 等 黄瓜气孔导度 水力导度 的环境响应及其调控蒸腾效应 J 农业机械学报 2016 47 6 139 147 8 李建明 温室番茄甜瓜水肥技术研究 M 北京 中国科 学技术出版社 2015 9 李建明 樊翔宇 闫芳芳 等 基于蒸腾模型决策的灌 溉量对甜瓜产量及品质的影响 J 农业工程学报 2017 33 21 156 162 10 张婷华 土壤水分胁迫对温室番茄蒸腾的影响及模拟 研究 D 南京 南京信息工程大学 2014 11 赵宝山 大田及温室条件下作物蒸发蒸腾模型及参数 的研究 D 镇江 江苏大学 2019 12 樊引琴 作物蒸发蒸腾量的测定与作物需水量计算方 法的研究 D 杨凌 西北农林科技大学 2001 13 陈凤 作物蒸发蒸腾的测量及作物系数变化规律的研 究 D 杨凌 西北农林科技大学 2004 14 FERNnullNDEZ M D BONACHELA S ORGAZ F et al Erratum to measurement and estimation of plastic greenhouse reference evapotranspiration in a Mediterranean climate J Irrigation Science 2011 29 1 91 92 15 LOPEZ HOFFMAN L DENOYER J L MONROE I E Mangroveseedlingnetphotosynthesis growth andsurvivorship are interactively affected by salinity and light J Biotropica 2006 38 5 606 616 16 邓升 避雨环境番茄旱渍胁迫条件下水分耗散机制及 模拟 D 南京 河海大学 2015 17 陈新明 蔡焕杰 李红星 等 温室内作物腾发量计算 与验证 J 水科学进展 2007 18 6 812 815 18 陆军胜 耿晨鸣 崔晓路 等 基于叶面积指数的夏玉 米叶片临界氮浓度稀释曲线研究 J 农业机械学报 2020 52 4 319 326 90