劉天麒+孟繁佳+陳昕+盧韜

摘要：溫室中，土壤水分空間差異是評(píng)價(jià)灌溉質(zhì)量的重要指標(biāo)。研究了中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室內(nèi)一壟土壤中作物根區(qū)水分的變化規(guī)律。根據(jù)連續(xù)4 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了溫室內(nèi)移動(dòng)傳感器所測(cè)土壤中作物根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化情況，并根據(jù)最高含水量和最低含水量歸納出采用含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)計(jì)算逐點(diǎn)根區(qū)水分的方法。結(jié)果表明，該方法所得的作物根區(qū)逐點(diǎn)含水量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)含水量較為吻合。在此基礎(chǔ)上采用分段插值法，推算出了溫室中任意位置根區(qū)含水量的數(shù)學(xué)表達(dá)式。該研究為溫室作物的精量灌溉決策提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：溫室；含水量；土壤；插值法；數(shù)學(xué)模型

中圖分類(lèi)號(hào)： S151.9+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0459-03

在溫室環(huán)境中，不同的灌溉供水方式可以改變作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育和分布，采用合理的灌溉對(duì)策控制根區(qū)水分狀況，有利于作物產(chǎn)量的形成和水分的高效利用[1-6]。因此，對(duì)作物根區(qū)土壤水分空間差異的研究，對(duì)今后為科學(xué)灌溉決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐有著重要意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)作物根區(qū)土壤水分空間差異的研究較少[7-14]，且大多是對(duì)垂直土壤空間水分分布的分析，而對(duì)一壟土壤所在的水平空間含水量研究甚少。然而水平分布的農(nóng)作物如果水分灌溉不均勻，則會(huì)導(dǎo)致水資源利用效率低、作物生長(zhǎng)狀態(tài)不均等問(wèn)題。

本研究結(jié)合溫室的小環(huán)境特點(diǎn)，參照建筑上暖通空調(diào)領(lǐng)域的研究方法[15-16]，對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)河北涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室一壟土壤中傳感器實(shí)測(cè)的75個(gè)逐點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到該壟土壤的根區(qū)含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)；使用計(jì)算得到的逐點(diǎn)變化系數(shù)簡(jiǎn)化溫室中農(nóng)作物根區(qū)逐點(diǎn)含水量的模擬方法，為溫室內(nèi)多壟土壤的精量灌溉方式的改善提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

本研究采用移動(dòng)式土壤水分傳感器測(cè)量涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室內(nèi)農(nóng)作物根區(qū)含水量數(shù)據(jù)。該日光溫室內(nèi)的土壤由多壟組成，選取其中一壟土壤進(jìn)行測(cè)量，從2014年11月19—25日連續(xù)7 d進(jìn)行測(cè)量，每天測(cè)量4次，每隔6 h 測(cè)量1次，做數(shù)據(jù)分析時(shí)，將前4 d的根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)作為已知數(shù)據(jù)，后3 d的根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)用于結(jié)果驗(yàn)證。

傳感器工作原理如圖1[17-20]。該土壤水分傳感器能在植物根區(qū)連續(xù)移動(dòng)測(cè)量，在3.9 m管道自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，每隔5 cm 便對(duì)作物根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，總共采集75個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直到到達(dá)限位傳感器檢測(cè)范圍之后，傳感器測(cè)量系統(tǒng)停止工作。

1.2 研究方法

數(shù)據(jù)處理中，傳感器在一壟土壤移動(dòng)過(guò)程中依次采集了75個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將其分成25組，每組3個(gè)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)記為1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。分別計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的平均值和逐點(diǎn)變化系數(shù)，然后將其在同1 d內(nèi)的不同時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，若相差不大，則取平均值代表，之后再對(duì)不同日期之間的逐點(diǎn)變化系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，若不同日期間差異不大，則也可以用同一系數(shù)來(lái)表達(dá)，具體計(jì)算方法步驟如下：

（1）各時(shí)刻數(shù)據(jù)分別處理。

（4）傳感器每天測(cè)量4個(gè)時(shí)刻，即可得到每天4個(gè)時(shí)刻根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)。

（5）對(duì)比不同日期的逐點(diǎn)變化系數(shù)，若結(jié)果一致，則取平均值作為溫室作物根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)。

通過(guò)以上計(jì)算，在已知某時(shí)刻的最高、最低含水量的條件下，即可計(jì)算該壟土壤中任一位置的根區(qū)含水量。對(duì)得到的根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)采用分段插值法展開(kāi)，便可以計(jì)算該壟土壤在任意位置點(diǎn)的根區(qū)含水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)水分變化規(guī)律

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，采用傳感器標(biāo)定方法[17，19]將移動(dòng)傳感器所測(cè)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別與烘干法測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明所測(cè)的根區(qū)水分?jǐn)?shù)據(jù)與烘干法測(cè)量數(shù)據(jù)的r2達(dá)到了0.98以上，因此測(cè)試數(shù)據(jù)可信。

在0：00、06：00、12：00、18：00這4個(gè)時(shí)刻分別測(cè)量該壟土壤75個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的含水量，將其分成25個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)包含3個(gè)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算在4個(gè)時(shí)刻25個(gè)測(cè)量點(diǎn)的含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)，取4個(gè)時(shí)刻計(jì)算結(jié)果的平均值作為當(dāng)天含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)。每天重復(fù)執(zhí)行此步驟，對(duì)每天根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示，計(jì)算得到的該壟土壤在4 d內(nèi)的根區(qū)水分逐點(diǎn)變化系數(shù)趨勢(shì)相同，r2=0.997 9。因此可以將4 d的根區(qū)水分逐點(diǎn)變化系數(shù)取平均，由統(tǒng)一的變化系數(shù)來(lái)表示溫室作物根區(qū)水分的逐點(diǎn)變化。

通過(guò)以上分析，得到該壟土壤4 d內(nèi)溫室作物根區(qū)25個(gè)測(cè)量點(diǎn)的含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)的平均值（表1）。由表1可知，溫室內(nèi)作物根區(qū)含水量最低值出現(xiàn)在測(cè)試點(diǎn)3和測(cè)試點(diǎn)6所在區(qū)域內(nèi)，以此決斷日后在灌溉方式的改進(jìn)上可對(duì)該區(qū)域適當(dāng)增加灌溉量；作物根區(qū)含水量在測(cè)試點(diǎn)13～25之間，其值相對(duì)較高，該編號(hào)所占區(qū)域約為傳感器測(cè)量區(qū)域的1/2，日后可以據(jù)此對(duì)其后半?yún)^(qū)域適當(dāng)減少灌溉。其余測(cè)試點(diǎn)所處位置的根區(qū)含水量在此范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.2 模擬方法的驗(yàn)證

本研究對(duì)涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室2014年11月23—25日的作物根區(qū)含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試。取3 d數(shù)據(jù)的平均含水量作為實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)際測(cè)量值和根據(jù)逐點(diǎn)變化系數(shù)得到的模擬值的交叉檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室作物根區(qū)的模擬含水量與實(shí)測(cè)值的r2為0.995，均方根誤差為0.035 cm3/cm3。可見(jiàn)運(yùn)用逐點(diǎn)含水量系數(shù)法對(duì)該壟土壤傳感器所測(cè)作物根區(qū)進(jìn)行75個(gè)點(diǎn)的逐點(diǎn)含水量模擬，其結(jié)果較好地反映了測(cè)試區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)含水量的變化。

2.2 任意位置根區(qū)含水量的計(jì)算方法

根據(jù)以上作物根區(qū)含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)研究結(jié)果，采用插值法即可計(jì)算該壟地以及該溫室內(nèi)多壟地任意位置的根區(qū)含水量。插值法由于簡(jiǎn)單、實(shí)用和補(bǔ)償效果好，被廣泛應(yīng)用到工程中[21]。本研究結(jié)合數(shù)據(jù)特征，采用分段線性插值法對(duì)移動(dòng)傳感器所經(jīng)過(guò)的任意位置含水量進(jìn)行模擬。

本研究以0.15 m為1個(gè)步長(zhǎng)對(duì)需要測(cè)量的含水量范圍進(jìn)行分段，1個(gè)編號(hào)代表1個(gè)步長(zhǎng)的距離，順序計(jì)量。在模擬計(jì)算時(shí)，將需要計(jì)算根區(qū)含水量的位置到起點(diǎn)的距離（S）與表2中的距離相比較（可采用對(duì)分搜索法），直到落到某一編號(hào)所對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)（Sn+1≥S≥Sn）時(shí)停止。進(jìn)而再用線性插值法計(jì)算出其含水量，具體計(jì)算公式為：

S-SnW-Wn=Sn+1-SnWn+1-WnW=S-SnSn+1-Sn（Wn+1-Wn）+Wn。（5）

式中：W為待計(jì)算某位置根區(qū)的含水量；Wn+1為比W大的第一個(gè)根區(qū)測(cè)量點(diǎn)含水量；Wn為比W小的第一個(gè)根區(qū)測(cè)量點(diǎn)含水量；S為待計(jì)算的某位置到起始點(diǎn)的距離；Sn+1為比S大的第一個(gè)長(zhǎng)度在表2中對(duì)應(yīng)的距離；Sn為比S小的第一個(gè)長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的距離。

根據(jù)公式（5）、表2以及該時(shí)刻的最高、最低含水量，即可模擬計(jì)算任意時(shí)刻溫室作物任意根區(qū)所在位置的含水量，便可用此結(jié)果對(duì)溫室作物根區(qū)水分環(huán)境進(jìn)行模擬。

3 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)計(jì)算，確定了涿州農(nóng)場(chǎng)日光溫室農(nóng)作物在一壟土壤內(nèi)的根區(qū)含水量逐點(diǎn)變化系數(shù)，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，該系數(shù)真實(shí)反映了移動(dòng)傳感器測(cè)量時(shí)所經(jīng)過(guò)的一壟土壤中作物根區(qū)水分的整體變化規(guī)律。據(jù)此可計(jì)算該壟地及該溫室內(nèi)任一壟地任意位置的根區(qū)含水量，簡(jiǎn)化了75個(gè)數(shù)據(jù)含水量的計(jì)算。同時(shí)通過(guò)分段插值法展開(kāi)，給出了溫室內(nèi)任意位置的作物根區(qū)含水量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以用來(lái)計(jì)算這段時(shí)間溫室內(nèi)任意位置的根區(qū)含水量，進(jìn)而科學(xué)地確定日后農(nóng)作物在水平空間的灌溉方式，對(duì)農(nóng)作物健康成長(zhǎng)與高效生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制，只進(jìn)行了連續(xù)4 d的測(cè)試和3 d的結(jié)果驗(yàn)證，測(cè)試地點(diǎn)也僅局限于1個(gè)溫室，因此還有待更多時(shí)間和地點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)，溫室內(nèi)作物根區(qū)含水量也會(huì)受到植物種類(lèi)、溫室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境等多方面因素的影響，該系數(shù)只能整體反映溫室內(nèi)一定范圍農(nóng)作物根區(qū)的水分狀況，若遇到環(huán)境突變時(shí)，溫室內(nèi)作物根區(qū)含水量的模擬效果則存在一定的偏差，需要在今后的研究中結(jié)合其他條件逐漸改進(jìn)。

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