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第36卷 第10期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 10 2020年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2020 189 基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型 徐立鸿 肖康俊 蔚瑞华 同济大学电子与信息工程学院 上海 201804 摘 要 为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题 该 研究首先通过修改Penman Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分 并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长 给出了阻抗参数的修正计算 得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型 考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠 层及以下部整株植株的耗水影响 进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾 辐射综合灌溉模型 结果表明 蒸腾 辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0 95 平 均相对误差小于20 这说明蒸腾 辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量 对深入 研究温室灌溉实施具有参考价值 关键词 温室 灌溉 番茄 基质栽培 Penman Monteith模型 蒸腾作用 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 10 023 中图分类号 S271 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 10 0189 08 徐立鸿 肖康俊 蔚瑞华 基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型 J 农业工程学报 2020 36 10 189 196 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 10 023 http www tcsae org Xu Lihong Xiao Kangjun Wei Ruihua Irrigation models for the tomatoes cultivated in organic substrate based on greenhouse environment and crop growth J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 10 189 196 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 10 023 http www tcsae org 0 引 言 番茄是世界上最重要以及种植面积最广泛的园艺作 物 1 同时也是中国农业生产过程中大面积种植且产量较 高的蔬果之一 2 无论大田种植还是温室栽培 在整个生 长周期中适宜的水分供给对番茄的生长发育起着至关重 要的作用 3 不合理的供水情况会对番茄生产效益产生不 利影响 例如 供水过少会造成作物根系水分胁迫 而供 水过多会造成根系供氧不足且会使得果实开裂或掉落 4 在无土基质栽培中 由于基质蒸发较小且持水能力较弱 其水分控制对于防止作物水分胁迫非常重要 这就使得 准确估算基质栽培作物的灌溉需水情况十分必要 5 在水文生态学中 作物需水量可与作物蒸散量 Evapotranspiration 互换使用 因而在无法准确测量该 水文参数的情况下 估算作物蒸散量则是短期预测实际 作物需水量的关键环节 6 联合国粮食及农业组织 FAO 早于1998年以能量 平衡和湍流传导原理来修正Penman模型 提出了适用于 大田作物需水量估算的Penman Monteith蒸散模型 并且 给出了以经验作物系数将参考作物蒸散量转换为实际蒸 散量来反映作物实际水分需求的方式 7 对于自然通风或 不频繁通风的日光温室 由于室内空气流通较为缓慢且 风速几乎为0 则会造成以作物几何特征 零平面位移高 收稿日期 2020 04 13 修订日期 2020 05 10 基金项目 上海市科技兴农重点攻关项目 沪农科创字 2018 第3 2号 上海市科委创新行动计划项目 17391900900 作者简介 徐立鸿 教授 博士生导师 主要从事温室环境建模与控制 预 测控制和智能控制研究 Email xulihong 度和粗糙度长度 和风速相关的对数函数直接计算的空 气动力阻抗趋于无限大 因此 在张培新等 8 9 修正空气 动力阻抗中风速项的基础上 刘浩等 10 建立了一个需要 日光温室气象数据和作物生长指标的温室土培番茄蒸散 量估算模型 更重要的是 在引入草基准面简化 Penman Monteith模型原始表示过程中将叶片表层阻抗作 为固定值 区别于这种经验处理无法反映冠层叶片在不 同生长阶段受到太阳辐射影响而变化的情况 上述蒸散 修正模型引入了Boulard 等 11 提出的基于太阳辐射计算 单叶气孔阻力 以此来模拟叶片生长变化下受辐射影响 的表层阻抗 尽管许多研究依据实际温室环境进行了阻抗参数的 合理修正 使得Penman Monteith蒸散模型适用于温室土 培作物冠层蒸腾量的估算 但这些修正模型在参数计算 过程中并未将土壤蒸发部分从蒸散 包含了土壤蒸发和 作物冠层蒸腾2个部分 中去除 然而 在西班牙东南 部某塑料温室开放基质栽培的模拟番茄蒸腾量的研究 中 由于土壤被沙覆盖层所覆盖 PrHo模型 PrHo是一 种可用作温室蔬菜作物灌溉计划决策支持系统的软件 其中计算作物蒸散量的模型被称作PrHo模型 所模拟的 蒸散量被认为是土壤栽培蔬菜作物的蒸腾量 12 13 这就 意味着覆盖土壤处理相当于移除土壤蒸发的影响 在无 土栽培辣椒的有效灌溉研究中 Shin等 14 指出基质表面 的蒸发很小甚至可以忽略不计 此外 在一些无土基质 栽培作物的蒸腾量估算和灌溉管理的研究中 15 17 蒸 腾 一词用于反映作物的需水量 而非包含了土壤蒸发 的 蒸散 因而 在不考虑土壤蒸发量的情况下 利用 农业生物环境与能源工程 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 190 Penman Monteith参考蒸散模型及其修正模型来计算温室 有机基质栽培作物的冠层蒸腾量具有一定的挑战性 3 在无土基质栽培的灌溉管理实践中 传统的灌溉方 式是基于室外太阳辐射总量与作物蒸腾的线性比例关系 来估算供水量 18 类似的灌溉模型则是基于年内天数和 当日辐射总量的线性表式 19 而这些计算中忽略了白天 时段光强变化引起水气压差变化对蒸腾速率的影响 尤 其是在强光条件下估算作物实际需水量时会产生较大误 差 20 因此 分别针对玫瑰和辣椒2种作物 Suay等 21 22 考虑了水汽压差对作物蒸腾的影响 建立了温室无土基 质栽培作物蒸腾量估算的线性模型 然而 这种线性拟 合辐射项与水气压差项的模型准确性是作物特异性的 23 在很大程度取决于温室小气候环境 且在机理特性 上未考虑阻抗参数对蒸腾表面水汽交换的影响 灌溉作为温室基质栽培作物水分供给的唯一来源 由于植物吸收和灌溉送水过程造成的额外损失 灌溉需 求量始终大于作物需水量 值得注意的是 由于蒸腾模 型中的净辐射经过冠层叶面积指数截留 削弱了室外太 阳辐射对冠层以下部分植株水分损失的影响 这就意味 着在作物生长初期叶面积指数较小时 冠层截留净辐射 远小于温室透光后的太阳辐射 而在依据太阳辐射阈值 触发灌溉事件的温室中 在叶面积指数小而太阳辐射强 的情况下 仅使用蒸腾模型来估算整株植株需水量会严 重低估灌溉需水量 为解决这一问题 本文在忽略土壤 蒸发来修正Penman Monteith 模型得到番茄基质栽培蒸 腾模型的基础上 将其与太阳辐射线性供水模型结合使 用多元线性回归来建立蒸腾 辐射综合灌溉模型 为温室 番茄基质栽培的灌溉需水量预测和实施规划奠定基础 1 温室番茄基质栽培场景介绍 本文的研究对象是位于上海崇明国家设施农业工程 技术中心示范基地Venlo温室 31 57 N 121 70 E 的稻 壳炭有机基质栽培的荷兰小番茄 品种为Gorioso 番 茄的种植密度约为每平方米2 5株 在A8温室中共有18 个间隔1 5 m的种植列 每个种植列有23个间隔0 3 m 的种植单位 每个种植单位有 4 个基质种植盒 0 15 m 0 15 m 0 1 m 分为2组 每组有2个紧密挨 着的种植盒 每个种植盒配有1个滴箭 每2个种植盒 中间另有1个滴箭 即每2株植株配有3个滴箭实施灌 溉供水 采用辐射阈值触发定量灌溉 即室外太阳辐射 每累积100 J cm2时使每个滴箭出水70 mL 废液回收量 由人工记录 营养液的正常供给间隔为7 10 d 而在定 植前期番茄根系吸收水分和养分能力较弱 在3 5 d浇 施速效氮肥促进番茄植株营养生长 番茄植株于每年9月20日定植 整个生长全周期约 为300 d 移栽定植后平均每天植株增高5 cm 在定植约 35 40 d后 番茄植株冠层高达2 m且叶面积指数达到 最大值 经叶片修剪会维持在3 3 3 5 m2 m2范围内 从 定植到番茄成熟约为80 d 约每天可着色一个果实 平 均8 10 d采摘一串果实 然后去掉果实下的2 3片叶 片并卷起相应的茎干 每株植株大致保持18个茎节 每 3个茎节有一串果实 即每株番茄保持6串果实 每串果 实数控制在8个 单个成熟果实质量约为45 g 整个结 果期每株番茄的总采摘量约为28 32串 温室内气象站随着番茄植株生长而受控向上移动 与植株冠层保持0 3 m的间距 可获取室内空气温度 湿 度和CO2浓度等数据 室外气象站可获取室外太阳辐射 日累积量 降雨量和风速等数据 用于研究方法验证分 析的试验数据来源于4 a番茄生长全周期的采集记录 具 体时间段为2014 09 20 至2015 07 16 2015 09 20 至 2016 07 15 闰年 2016 09 20至2017 07 16和2017 09 20 至2018 07 16 2 温室番茄基质栽培灌溉模型的建立 2 1 Penman Monteith蒸散模型及其局限性 估算作物的灌溉需水量取决于作物蒸散量的计算 依据能量平衡和湍流传导 FAO给出了估算大田作物参 考蒸散量的应用指导标准 Penman Monteith 蒸散模 型 如式 1 所示 0 ET 1 n a p s a a s a R G c e e r r r 1 式中 ET0表示作物蒸散的潜热通量 mm d 2 45为单 位转换系数 MJ kg G为土壤热通量 MJ m2 d Rn为 净辐射 是净短波辐射Rns和净长波辐射Rnl的差值 MJ m2 d es为平均饱和水汽压 ea为实际水汽压 kPa 为水汽压差与温度曲线的斜率 ra为空气动力阻抗 s m rs为表层阻抗 s m a为恒压下的平均空气密度 kg m3 cp为恒压比热 MJ kg 0 054为干湿表常数 kPa 当日光温室中的空气流通较慢且风速近似为0时 空气动力阻抗ra的数值会趋于无限大 导致引入草基准 面简化参数得到的固定表层阻抗 70 s m 和反照率为 0 23的Penman Monteith模型一般式中水气压差近似为 0 因此 为了使其能够应用于不常通风的温室中 研究 学者通过修正空气阻抗参数的风速项 得到了适用于温 室土培作物的参考蒸散模型 如式 2 所示 并且 在 估算实际作物蒸散量时 作物系数Kc以FAO给定不同生 长阶段的推荐值 Kc在苗期为0 75 在开花期为1 05 在结实期为0 8 来转换参考蒸散量 0 1713 0 408 273ET 1 64 s an e eR G T 2 式中T为温室空气日平均温度 对于无土有机基质栽培作物 考虑到温室基质栽培 与土壤种植之间作物生长和蒸腾影响因素的明显差异 应考虑从上述蒸散模型中去除土壤蒸发 2 2 生长参数及阻抗修正 FAO指出 Penman Monteith模型一般式是监测作物 蒸散过程的物理和生理因素的简单表示 主要取决于作 物种植环境中的气候条件 其引入作物系数以区分草基 准面和实际作物之间的蒸散量 并不涉及作物实时生长 第10期 徐立鸿等 基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型 191 而是从蒸散量的历史测量值与估计值的比值经验得出 因此 本文将固定作物高度的草基准面替换为实际作物 冠层蒸腾面 以叶面积指数实际变化来修正阻抗参数经 验表示 在无需引入作物系数的情况下直接计算作物蒸 腾量 2 2 1 基于番茄生长模型模拟叶面积指数 叶面积指数 Leaf Area Index LAI 与实际作物表 层阻抗rs和到达作物冠层的截留净辐射Rnd相关 对于 FAO引入固定作物高度h的草基准面 Penman Monteith 模型一般式以经验公式 LAI 24h 来获取叶面积指数 忽略了不同生长阶段作物冠层叶片合理的生长变化 考 虑引入番茄生长模型 Tomato Growth Model TOMGRO 来模拟番茄冠层叶面积指数的实际变化 以便更为直观 地反映叶面积指数变化对冠层蒸腾的影响 在实际温室中 当叶面积指数达到允许最大值时会 进行叶片修剪使得成熟到采收期间叶面积指数保持不 变 这种温室作物栽培特有的种植管理方式使得 TOMGRO模型中叶面积指数LAI 的增长模式通常以 sigmoid函数形式表示 24 如式 3 所示 maxLAI LAILAI grgr L lag init L lag L N L N 3 式中LAIinit为初始叶面积指数 m2 m2 LAImax为最大叶 面积指数 m2 m2 两者均为实际温室中人工记录 Llag 35 000为叶片生长率滞后系数 Lgr 4 1为叶片生长率 N 为主茎干上的茎节数 节 在该参数的计算表示中 TOMGRO模型假设单个作物生长最适温度 用增减因子 来模拟作物生长对室内气温的响应 其计算如下 d d m NN N f Tt 4 0 1 min min NUM Nf T V T V T 5 式中Nm 0 5 为最大茎节出现率 fN T 为温度抑制函数 V0 T 2 5 0 025T V1 T 2 5 0 05T 分别为作物生长率 增长和衰减因子 NUM 1 为最大茎节生长率 2 2 2 结合太阳辐射和叶面积指数修正表层阻抗 表层阻抗rs描述的是水蒸气从作物叶片内部饱和区 域或蒸散面以下扩散到蒸散面本身的阻力 在简化得到 Penman Monteith 模型一般式时 其经验表示结果 rs 70 s m 为草基准面的单叶气孔阻抗 rl 100 s m 与 有效叶面积指数 LAIactive 0 5LAI 的比值 然而 实际温室有机基质栽培的番茄冠层蒸腾表面与 大面积覆盖地表的草基准面在蒸腾作用上存在较大差异 这就意味着将表层阻抗当作固定值并不足以反映基质栽 培的番茄冠层叶片生长变化对蒸腾作用的影响 因此 考 虑将番茄冠层模拟叶面积指数和与太阳辐射密切相关的 气孔阻力相结合 以获得合理的表层阻抗计算方法 对于温室番茄 到达冠层的太阳辐射是影响叶片气 孔阻抗的最关键因素 Boulard等 11 给出了与草基准面的 经验公式不同的单叶气孔阻抗rl计算方式 1200 1 exp 0 05 50 l s r R 6 式中Rs为室外太阳辐射 MJ m2 d 0 65为崇明温室透 光率 在不考虑修剪叶片影响土壤覆盖度的情况下 草 基准面的经验公式中有效叶面积指数由作物生长期的实 际模拟叶面积指数表示 与受室外太阳辐射影响的单叶 气孔阻抗rl相结合 可得到忽略了土壤蒸发影响的基质 栽培番茄的新的表层阻抗rsn计算表示如下 LAIlsn rr 7 2 2 3 固定空气动力阻抗 空气动力阻抗ra描述的是从零平面位移高度以上的 距离向作物的有效表面传递动量的阻力 FAO指出 对 于大范围覆盖地表的大田作物 必须考虑零平面位移高 度和粗糙度长度等参数 而无土基质栽培环境下的高丛 番茄则无需考虑这些与土壤蒸发相关的参数 引入草基准面后 以2 m高的风速u2简化计算空气动 力阻抗 从其计算表示 ra 208 u2 不难发现 当不频繁 通风的日光温室中空气流通较为缓慢且风速u2 0时 空气 动力阻抗趋于无限大 这使得Penman Monteith模型中的 rs ra 0且水气压差接近于0 从而造成模型缺失作物蒸腾 生理特性原理中所涵盖的为从蒸腾表面去除水汽过程的 提供动力的水气压差项 模型最终会退化成以太阳辐射为 主要影响因素的线性模型 但是 这种由简化计算表示和 风速之间的极端关系所产生的一系列问题与实际情况相 矛盾 因为实际温室中的番茄作物生长在低风速情况下 仍会与小气候环境之间存在水汽交换和热量传输 并不会 出现数学表示直观反映的某项影响因素丢失的情况 因此 本文在建立温室番茄的基质栽培蒸腾模型过 程中 考虑忽略与土壤蒸发相关的土壤覆盖度 零平面 位移高度和粗糙度长度的经验计算影响 在封闭温室或 空气流速缓慢的温室中将新的空气动力阻抗取为固定值 ran 500 s m 以简化依据湍流传导和热传递原理推导 的复杂计算表示 针对上述处理 通过敏感性分析验证 了空气动力阻抗在可能取值范围内变化对蒸腾量模拟结 果影响较小而作为固定值的合理性 并且在Wang等 25 的相关研究中也明确表示在封闭温室或低气流低风速温 室中 将其看作是一个固定值是合理的 2 3 基质栽培番茄蒸腾模型 经过上述推导和修正过程可以看出 辐射项和对流 项仍被保留以反映作物蒸腾生理特性 并且考虑与作物 冠层蒸腾表面水汽交换直接相关的阻抗参数的修正计 算 根据实际温室有机基质栽培环境来去除土壤蒸发的 影响 并以实际作物冠层蒸腾表面的生长变化来修正相 关参数的经验计算公式 得到最终适用于温室稻壳炭有 机基质栽培场景的番茄蒸腾模型表示如下 VPD 273 1 nd a ansub sn an R C r TTr r r 8 式中Trsub为温室基质栽培番茄蒸腾量 mm d Ca 86 400 1 01R 4 79 105为计算系数 0 62为水蒸气与干空气 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 192 的分子量比 R 0 287为比气体常数 VPD es ea为水汽 压差 kPa Rnd Rn 1 exp k LAI 为番茄冠层截留净辐 射 MJ m2 d 在冠层截留净辐射的计算中 k 0 8为番茄 消光系数 LAI为TOMGRO模型模拟的冠层叶面积指数 ran 500 s m为新的蒸腾模型中固定空气动力阻抗表示 rsn 为新的蒸腾模型中冠层表层阻抗表示 2 4 温室基质栽培番茄蒸腾 辐射综合灌溉模型 由番茄基质栽培蒸腾模型辐射项中截留净辐射Rnd 的计算表示可知 到达作物冠层经过叶面积指数截留的 净辐射远小于温室透光后的太阳辐射 这就削弱了实际 太阳辐射对番茄整株植株蒸腾的影响 在移栽定植约 35 40 d后 番茄植株冠层高达2 m且叶面积指数维 持在3 3 3 5 m2 m2范围内 这就导致温室透光后的太 阳辐射在株间分布不均衡 番茄基质栽培蒸腾模型在很 大程上用于反映作物冠层蒸腾变化 而不能较为准确地 反映整株植株冠层及其以下部分的所有叶片蒸腾耗水 情况 此外 由于温室灌溉方式的不同 在生长初期叶面 积指数较小造成截留净辐射较小时 强烈的太阳辐射使 得温室灌溉用水供给量要远高于蒸腾模型估算的作物需 水量 这主要是因为蒸腾模型中所引入的番茄生长变化 仅针对冠层蒸腾表面而言 较小的叶面积指数使得冠层 覆盖度小 而冠层以下部分的耗水情况未被蒸腾模型考 虑进去 针对上述问题 需要在反映番茄冠层耗水的基 质栽培蒸腾模型的基础上 额外考虑太阳辐射对冠层以 下部分耗水的影响 建立蒸腾 辐射综合灌溉模型来模拟 番茄整株植株的灌溉需水情况 由于新建立的番茄基质栽培蒸腾模型和太阳辐射线 性供水模型的表示形式均已确定 它们在灌溉模型相关 研究中均被以经验比例系数线性转换为灌溉量 因而考 虑以番茄基质栽培蒸腾模型和太阳辐射线性供水模型作 为二元自变量以及模拟灌溉量作为因变量来建立带有偏 置项的多元线性回归 26 27 灌溉模型 其表示如下 demand sub sub rad rad biasI Tr I 9 式中Idemand为蒸腾 辐射综合灌溉模型模拟灌溉需水量 mm d Trsub为新建立的番茄基质栽培蒸腾模型模拟冠层 蒸腾量 mm d Irad Rs 为太阳辐射线性供水模型模拟 作物耗水量 mm d sub和 rad分别表示番茄基质栽培 蒸腾模型和太阳辐射线性供水模型的权重系数 bias为 偏置项回归系数 SPSS软件 28 被用于求解温室基质栽培番茄的蒸腾 辐射综合灌溉模型的各个权重系数 以及验证建立蒸腾 辐射综合灌溉模型是否可以满足使用多元线性回归的 约束条件 即试验数据样本残差需要服从或近似为正态 分布 为了确保使用多元线性回归建立的温室基质栽培 番茄蒸腾 辐射综合灌溉模型具有一定的合理性 并能 较好地估算其他年份的灌溉需水量 这就需要足够的数 据样本进行训练支撑 基于现有试验数据用于训练和验 证的样本量不足 本文在现有数据样本基础上加入适当 的高斯噪声来形成新的样本数据 以达到合理扩充样本 的目的 以灌溉用水量数据为例 所加入的扰动表示为0均 值且方差为0 3的高斯噪声 以此反映实验温室人工记录 排液量来获取实际灌溉消耗所允许的误差值 经过随机 高斯采样对现有数据产生干扰后 用于多元线性回归的 样本数据量从4个全周期数据扩展了一倍 以6个番茄 生长全周期 2014 09 20至2015 07 16和2015 09 20至 2016 07 15的原始数据以及在4个全周期原始数据基础 上加入高斯噪声后的新数据 作为训练样本 可得到蒸 腾 辐射综合灌溉模型的回归系数 并以余下2个全周期 2016 09 20至2017 07 16和2017 09 20至2018 07 16 的原始数据作为测试样本 来验证多元线性回归模型估 算温室稻壳炭基质栽培的番茄灌溉量的准确性 在试验样本数据扩充后 使用SPSS软件对训练输入 番茄基质栽培蒸腾模型模拟冠层蒸腾量和太阳辐射线 性供水模型模拟作物耗水量 和训练输出 实际灌溉量 进行线性回归拟合 可得到蒸腾 辐射综合灌溉模型的回 归系数分别为 sub 0 412 rad 0 706 bias 0 338 则温 室稻壳炭基质栽培番茄的蒸腾 辐射综合灌溉模型的具体 表示如下 0 412 0 706 0 338demand sub radI Tr I 10 此外 SPSS软件线性拟合得到的蒸腾 辐射综合灌溉 模型的拟合精度为R2 0 916 并且它还验证了使用多元 线性回归建立灌溉模型是否满足约束条件 样本残差 近似或服从正态分布 样本标准残差的直方图和正态P P 图验证结果如图1所示 图1 样本标准残差正态分布的验证结果 Fig 1 Verification results of sample standardized residuals 由图1可知 样本标准残差的均值 Mean 6 94E 15 近似为0 且在直方图分布形式上近似为0均值且方差 Std Dev 0 999 约为1的正态分布 而正态P P图也显 示了偏差的期望累积概率和与预测累积概率大致相同 大部分点都位于y x直线上 只有少部分点小距离偏离 直线 这进一步验证了用于求解模型拟合系数的试验数 据在引入高斯噪声扩充样本的情况下 数据量达到了偏 差服从正态分布的约束条件 这表明使用多元线性回归 建立的蒸腾 辐射综合灌溉模型具有一定的合理性 第10期 徐立鸿等 基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型 193 3 结果与分析 3 1 温室土培蒸散模型与基质栽培蒸腾模型的对比 为了验证本文所建立的温室番茄基质栽培蒸腾模型 修正的合理性 以及相比于温室土培作物蒸散模型应用 于无土基质栽培场景估算的准确性 对比分析了这2种 模型模拟番茄蒸腾量的结果 如图2所示 验证分析所 使用的试验数据来源于上海崇明A8温室4 a采集记录的 番茄生长全周期300 d的气象数据 TOMGRO模型模拟 生长参数数据和实际蒸腾量数据 4个番茄生长全周期的 具体时间段为2014 09 20至2015 07 16 2015 09 20至 2016 07 15 闰年 2016 09 20至2017 07 16和2017 09 20 至2018 07 16 从图2中可以看出 土培作物蒸散模型与番茄基质 栽培蒸腾模型模拟蒸腾量的变化趋势非常接近 主要是 因为2个模型都是在Penman Monteith蒸散模型原始表示 的基础上依据栽培环境进行简化和修正的 而且作为影 响番茄蒸腾能量供应的主要因素 室外太阳辐射使得2 种模型的模拟蒸腾量与净辐射之间高度相关 依据温室 土壤栽培环境修正的Penman Monteith 蒸散模型高估了 作物蒸腾量 而且比番茄基质栽培蒸腾模型具有更高的 模拟值 这与其他研究学者 29 31 的试验结果相似 造成 这种现象的原因是由于Penman Monteith 蒸散模型主要 是针对室外大田种植环境下农作物的灌溉指导而建立 的 而露天土壤种植作物受到土壤蒸发和额外降水供应 对蒸散过程的影响 基质栽培和土壤种植之间的生长环 境和水分补给方式的差异导致了作物蒸腾量的估算存在 明显差距 此外 由图2中显示的模拟番茄蒸腾量的对比可以 看出 约25 d内的模型模拟蒸腾量与实际蒸腾量的数值 较为相近 这主要是由于生长初期番茄冠层叶面积指数 较小 在净辐射的计算中对温室透光后的太阳辐射截留 的影响较小 使得作物蒸腾量的模拟值与实际值都很小 这符合叶面积指数与潜在蒸腾速率成正比相关的认知 而在番茄摘果后期 距离摘果结束约50 60 d 由于 每次摘果后修剪该果实下2 3片叶片和干枯茎干 直至 一株番茄6串果实完全采摘 该阶段的叶面积指数会相 应减小 这与生长初期叶面积指数较小的情况类似 会 使得2种模型模拟蒸腾量的结果与实际蒸腾量均较为相 近 模拟误差相对变小 图2 2种模型 ET PM和Tr Sub 在不同年份的模拟蒸腾量与实际蒸腾量的比较 Fig 2 Comparison of actual transpiration and simulated results by two models ET PM and Tr Sub in different years 表1给出了温室土培作物蒸散模型和番茄基质栽培 蒸腾模型模拟蒸腾量分别与实际蒸腾量之间的相关系数 和误差结果 由表1可以看出 与土培作物蒸散模型相 比 番茄基质栽培蒸腾模型模拟番茄蒸腾量具有更小的 误差 其与实际蒸腾量的相关系数大于0 95 平均绝对 误差小于0 1 mm d 平均相对误差小于10 均方根误 差小于0 1 且均比土培作物蒸散模型的模拟误差小2倍 以上 这表明 在估算温室稻壳炭有机基质栽培的番茄 蒸腾量时 依据Penman Monteith蒸散模型修正得到的番 茄基质栽培蒸腾模型具有较高的准确性 并且 相比于 土培作物蒸散模型以经验作物系数来反映草基准面和实 际作物蒸散面之间的生长差异 番茄基质栽培蒸腾模型 通过模拟番茄冠层蒸腾表面的叶片实时生长变化 在保 留了作物蒸腾机理特性的同时 从蒸散中消除土壤蒸发 的影响以此来反映在土培作物蒸散和基质栽培作物蒸腾 之间的差异是合理的 表1 2种模型模拟蒸腾量与实际蒸腾量的相关系数和误差结果 Table 1 Correlation coefficient and error results of simulated transpiration by two models and actual transpiration 模型 Models 生长周期 Growth cycle 平均绝对 误差 MAE mm d 1 平均相对 误差 MRE 相关系数 R2 均方根 误差 RMSE 2014 09 20至2015 07 16 0 24 28 42 0 86 0 31 2015 09 20至2016 07 15 0 23 28 16 0 87 0 27 2016 09 20至2017 07 16 0 21 22 01 0 88 0 25 土培蒸散 模型 ET PM 2017 09 20至2018 07 16 0 32 31 55 0 83 0 34 2014 09 20至2015 07 16 0 09 9 87 0 97 0 09 2015 09 20至2016 07 15 0 08 9 24 0 96 0 09 2016 09 20至2017 07 16 0 09 9 79 0 96 0 09 基质栽培蒸 腾模型 Tr Sub 2017 09 20至2018 07 16 0 08 9 41 0 96 0 08 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 194 3 2 蒸腾 辐射综合灌溉模型模拟灌溉量与实际灌溉量 的对比分析 为了进一步验证使用多元线性回归方法建立的蒸腾 辐 射综合灌溉模型模拟番茄灌溉需水量的准确性 使用保留 的2个全周期内 2016 09 20至2015 07 16和2017 09 20 至2018 07 16 的原始数据对灌溉模型进行了仿真模拟 并 与实际灌溉量数据进行对比分析 如图3所示 图3 蒸腾 辐射综合灌溉模型模拟灌溉量与 实际灌溉量的比较 Fig 3 Comparison of actual irrigation and simulated results by transpiration radiation integrated irrigation model 由于番茄生长初期叶面积指数较小 蒸腾模型中参 与计算的冠层截留净辐射严重削弱了室外太阳辐射的实 际影响 使得估算蒸腾量较小 而从图3中可以看出 番茄生长初期的灌溉量并非与蒸腾量直接相关 这也就 意味着在基质栽培番茄蒸腾模型的基础上附加考虑室外 太阳辐射的影响来建立综合灌溉模型是有必要的 一方 面 基质栽培番茄蒸腾模型考虑了温室小气候环境变化 作物实时生长变化和冠层截留净辐射对作物耗水的综合 影响 另一方面 额外考虑室外太阳辐射的影响 以补 偿其在不同生长阶段冠层叶片截留下受到不同程度的削 弱 两者结合则能更好地反映影响番茄耗水的因素 由图3可知 2017 09 20至2018 07 16的生长全周 期内出现了少数情况 2017 09 24 2017 10 01 2017 10 02和2018 06 25 的模拟灌溉量与实际灌溉量之 间存在较大偏差 而绝大部分模拟灌溉需水量变化趋势上 与实际灌溉量基本一致且数值上的误差较小 此外 图3 中显示在灌溉量数值较大时 模拟值与实际值较为相近 而在灌溉量数值较小时 两者存在一定误差 这主要是因 为灌溉模型在蒸腾项和辐射项的数值较小时 偏差项的存 在对模型估算结果产生了主导影响 为了更精确地分析蒸 腾 辐射灌溉模型估算有机基质栽培番茄的灌溉需水量的 总体准确性 表2给出了蒸腾 辐射综合灌溉模型模拟灌溉 量与实际灌溉量之间的误差结果以及相关系数 由表2可以看出 2个生长全周期的模拟灌溉量与实 际灌溉量之间的平均相对误差均小于20 平均绝对误 差均小于0 29 mm d且均方根误差也都不大于0 3 这些 误差数值也都小于扩充试验数据所使用的高斯噪声的方 差 也就是崇明温室人工记录灌溉相关数据所允许的误 差0 3 mm d 且表中的决定系数均高于0 95 因此 基 于多元线性回归建立蒸腾 辐射综合灌溉模型具有一定的 合理性 且能够较为准确地预测温室稻壳炭有机基质栽 培番茄的灌溉需水量 表2 实际灌溉量与模拟灌溉量的决定系数和误差分析结果 Table 2 Coefficient of determination and error results of simulated irrigation and actual irrigation 生长周期 Growth cycle MAE mm d 1 MRE R2 RMSE 2016 09 20至2017 07 16 0 27 18 56 0 97 0 29 2017 09 20至2018 07 16 0 28 19 62 0 96 0 30 3 3 叶面积指数与空气动力阻抗的敏感性分析 模型参数的敏感性分析是指其他参数保持不变的情 况下 模型中某一参数的变化幅度对结果的影响程度 为了验证有机基质栽培番茄蒸腾模型中将空气动力阻抗ran 作为固定值的合理性 以及考虑冠层蒸发面叶面积指数LAI 反映实际作物生长情况的必要性 针对这2 个参数使用 SimLab软件中FAST方法作了局部敏感性分析 分析参数 ran在对数函数表示中风速u2变化范围0 05 1 0 m s内其值 变化以及参数LAI在LAIinit LAImax范围变化分别对测试期 间有机基质栽培番茄蒸腾模型模拟值的影响 表3 叶面积指数与空气动力阻抗的敏感度 Table 3 Sensitivity of leaf area index and aerodynamic resistance 参数 Parameters 一阶敏感性指数 First order 总敏感性指数 Total order 空气动力阻抗ran 0 03 0 04 叶面积指数LAI 0 96 0 97 一阶敏感性指数反映的是参数对模型输出总方差的 直接贡献率 总敏感性指数反映了参数直接贡献率和通 过与其他参数的交互耦合作用间接对模型输出总方差的 贡献之和 从表3中可以看出 参数ran的一阶敏感性指数和总 敏感性指数均小于0 1 这表明该参数对模拟结果影响较 小 将其作为固定值较为合理 而参数LAI的敏感性指 数远大于0 1 这表明该参数对模拟结果影响非常大 其 主要原因是蒸腾模型中考虑室外太阳辐射到达作物冠层 第10期 徐立鸿等 基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型 195 的截留净辐射与叶面积指数紧密相关 因而根据作物冠 层蒸腾面的实际生长情况模拟叶面积指数是有必要的 4 结 论 为解决温室土培作物蒸散模型不能直接适用于温室 稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题 本研究基于作物蒸散 机理特性去除土壤蒸发的影响 首先建立了温室基质栽 培番茄蒸腾模型 选取了上海崇明A8温室番茄4个生长 全周期采集记录的试验数据进行仿真 由仿真结果可以 看出 温室土培作物蒸散模型过高估计番茄蒸腾量 而 温室基质栽培番茄蒸腾模型模拟番茄蒸腾量具有更小的 误差 其与实际蒸腾量的平均绝对误差小于0 1 mm d 平均相对误差小于10 和均方根误差小于0 1 且均比温 室土培作物蒸散模型的模拟误差小2倍以上 因而更适 合于不考虑土壤蒸发的基质栽培番茄蒸腾量估算 然后 考虑到基质栽培番茄蒸腾模型中净辐射经过 冠层叶片截留后削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部分 整株植株的耗水影响 本研究在基质栽培番茄蒸腾模型 的基础上额外考虑了太阳辐射对整个番茄植株耗水量的 影响 并使用多元线性回归建立了蒸腾 辐射综合灌溉模 型 以番茄2个生长全周期内 2016 09 20至2015 07 16 和2017 09 20至2018 07 16 的试验数据对蒸腾 辐射综 合灌溉模型进行模拟精度测试 由仿真结果可以看出 模拟灌溉量与实际灌溉量之间的平均相对误差小于 20 平均绝对误差小于0 29 mm d且均方根误差不大于 0 3 这些误差数值也都小于崇明温室人工记录灌溉相关 数据所允许的误差 因此 蒸腾 辐射综合灌溉模型在整 个生长期内对番茄灌溉需水量的估算具有较高精度 且 模型参数的获取和仿真估算过程相对简单 综上所述 蒸腾 辐射综合灌溉模型在反映番茄耗水 情况受到温室小气候环境 室外太阳辐射和作物生长变 化的综合影响上具有一定的优势 可以作为有效估算温 室稻壳炭有机基质栽培番茄的灌溉消耗的一种方法 并 能为温室精准灌溉控制提供模型支撑 参 考 文 献 1 Fernqvist F Consumer Experiences of Tomato Quality