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        基于灰色關聯(lián)度模型的溫室茶樹騰發(fā)量影響因素研究

        2019-11-28 07:16:08孫紅嚴馬德新
        節(jié)水灌溉 2019年11期
        關鍵詞:環(huán)境模型

        孫紅嚴,馬德新,2,3

        (1.青島農(nóng)業(yè)大學動漫與傳媒學院,山東 青島 266109;2.山東省計算中心(國家超級計算濟南中心),濟南 250014; 3.山東大學計算機科學與技術學院,山東 青島 266237)

        茶樹[Camellia sinensis(L.)O.Ktze]是一種古老的雙子葉植物,作為我國重要的傳統(tǒng)種植作物之一,茶是現(xiàn)代社會的多功能產(chǎn)品,具有較大的經(jīng)濟效益。茶樹主要生長在暖溫帶、亞熱帶地區(qū),最適合其生長的溫度為20~25 ℃,具有耐陰、喜光、耐濕的生長特點,可分為4個時期:幼苗期、幼年期、成年期和衰老期,其經(jīng)濟年齡期較長,約為45 a[1,2]。環(huán)境因子的控制對茶樹的生長以及茶葉的產(chǎn)量具有重要意義,但是在我國北方地區(qū)冬天溫度較低,降水量少,因此可以通過溫室種植。茶樹在生長期間需水量較多,需要精量精確灌溉,有效促進茶樹生長。

        作物需水量是制定灌溉用水額度的重要依據(jù),而作物騰發(fā)量是確定其需水量的關鍵參數(shù),它的精確度直接影響著作物需水量的準確度。對于作物參照騰發(fā)量,許多專家學者都提出了計算方法、模型與理論,其中聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)專家組提出的Penman-Monteith方程是目前唯一推薦的計算方法[3,4]。由于露天大田環(huán)境具有較大的差異性,王健[5]等人,以P-M方程為基礎公式,通過空氣動力學原理對風速以及地表凈輻射規(guī)律進行了修正,導出了適合溫室參考作物騰發(fā)量的P-M修正式。潘永安[6]等人研究試驗了在某些環(huán)境因子缺失下,P-M溫室修正式的應用。但各環(huán)境因子之間作用關系聯(lián)系非常復雜,因此在計算溫室茶樹騰發(fā)量之后通過引入灰色關聯(lián)度模型來探索各環(huán)境因子對溫室茶樹騰發(fā)量的影響程度。

        灰色關聯(lián)度模型分析法是灰色系統(tǒng)理論中的一種分析法,該方法由于其在對分析相互關系方面具有極好的作用,因此被廣泛應用。通過使用灰色關聯(lián)分析法可以有效得出參考作物騰發(fā)量與各環(huán)境因子之間的相互關系,通過人為的調(diào)控各環(huán)境因子,來促進茶樹更好的生長,達到增加產(chǎn)量和提高質(zhì)量的目的。能為我國北方溫室茶園精量灌溉提供理論依據(jù),減少農(nóng)業(yè)用水資源的浪費。

        1 材料及方法

        1.1 溫室茶園試驗區(qū)情況

        試驗地點位于青島市城陽區(qū)東旺疃村北溫室茶園(編號:9711),距青島農(nóng)業(yè)大學約為5.7 km,地理坐標為E120°46′,N36°33′,海拔高度為54.90 m;主要位于暖溫帶季風氣候;多年平均溫度為13.12 ℃;降水量年平均為650 mm;年平均相對濕度約為72%。此茶園長寬和頂高分別為:38、12、2.5 m,整個溫室約有1 900 株茶樹,茶樹品種為“黃山小種”。溫室內(nèi)植株高度在0.24~0.46 m范圍之內(nèi),計算時取值為0.35 m。灌溉采用滴灌帶方式,每個滴孔之間的距離約為0.2 m。

        1.2 環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集

        采用壓力表測量灌水量,溫室內(nèi)裝有山東省計算中心智能控制技術創(chuàng)新團隊研制的2臺小型農(nóng)業(yè)智慧監(jiān)測站,它主要利用傳感器監(jiān)測溫度T(℃)、相對濕度RH(%)、光照強度L和土壤含水量W(%)以及土壤熱通量G(W/m2)。每1 h監(jiān)測站上傳一次數(shù)據(jù),在茶樹的春梢生長期內(nèi)(2018年3月1日-2018年4月15日)進行數(shù)據(jù)的采集,數(shù)據(jù)可以通過手機應用端以及PC端網(wǎng)站進行導出Excel數(shù)據(jù)。

        1.3 溫室茶樹騰發(fā)量計算方法

        王林林[7]等人在青島農(nóng)大智慧茶園溫室內(nèi)以Penman-Monteith方程作為基礎,通過借鑒P-M溫室修正式結(jié)合溫室茶園實際情況進行了試驗,并提出相對準確的溫室茶樹騰發(fā)量計算模型ET0(T)。本文將利用此模型進行溫室茶樹騰發(fā)量計算,計算公式如下:

        ET0(T)=

        (1)

        式中:ET0(T)為溫室茶樹騰發(fā)量,mm/d;Δ為飽和水汽壓曲線斜率,kPa/℃;Rn為地表凈輻射通量,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,MJ/(m2·d);γ為干濕表常數(shù)0.064 6 kPa/℃;ea和ed分別為飽和水汽壓和實際水汽壓,kPa;T為2 m高度處的平均溫度,℃;ht為茶樹冠層高度,m;Z為該地的海拔高度,m。

        2 灰色關聯(lián)度模型介紹及其計算方法[8-11]

        對于兩個系統(tǒng)之間的因素,它們之間的變化不會隨著時間的改變而改變的相關性大小的量度,被稱為關聯(lián)度。在這個系統(tǒng)發(fā)展變化時,如果兩個或多個因素之間的變化具有一定的一致性,即變化的程度如果越高,則證明它們之間的關聯(lián)度越高,否則,就越低?;疑P聯(lián)度模型分析一般是包括以下5個環(huán)節(jié):

        (1)原始的數(shù)據(jù)的預先處理,確定對比因素與參照數(shù)例。首先設評價因素有a個,評價指標有b個參考數(shù)列:y0={y0(k|k=1,2,…,b)},比較數(shù)列為:yi={y0(k)|k=1,2,…,b}。

        (2)確定各個因素所對應的權(quán)重。在這里可以利用層次分析法來確定相關因子所占的權(quán)重r=[r1,r2,…,rn],其中rk(k=1,2,…,b)為第k個因素所占的權(quán)重。

        (3)計算灰色相關系數(shù)。

        計算灰色關聯(lián)系數(shù)公式為:

        ζ(k)=

        (2)

        (4)評價分析。根據(jù)灰色關聯(lián)度的大小對各個環(huán)境因子進行排序,確定其相關程度。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 溫室茶樹騰發(fā)量典型天氣日變化量結(jié)果與分析

        選取試驗期間內(nèi)選取相近的日期,不同典型的天氣。分別是雨天(2018年4月3日)、陰天(2018年4月4日)以及晴天(2018年4月6日)作為典型數(shù)據(jù)進行計算,并對實驗結(jié)果進行分析。實驗數(shù)據(jù)選取階段從10∶00至下午17∶00結(jié)束,以溫室茶樹騰發(fā)量模型ET0(T)為基本計算公式,使用Matlab進行計算。3月典型天氣溫室茶樹各時間段騰發(fā)量如圖1所示。從圖1明顯可以得出溫室茶樹騰發(fā)量無論是在晴天、陰天還是雨天,它總體趨勢都是先上升并在13∶00左右會達到峰值之后會繼續(xù)下降。說明光照強度對溫室茶樹騰發(fā)量影響較大,且晴天時茶樹騰發(fā)量明顯高于陰天和雨天,并且在陰天和雨天時變化量基本相同,但由于雨天時天氣悶熱溫度較高所以有時雨天茶樹騰發(fā)量會高于陰天的。

        圖1 2018年3月典型天氣溫室茶樹各時間段騰發(fā)量

        3.2 溫室茶樹騰發(fā)量每日變化結(jié)果分析

        選取試驗期間內(nèi)選取相近的日期,從2018年3月2日-2018年3月20日,利用Matlab通過編寫程序計算2018年3月2日-2018年3月20日茶樹騰發(fā)量數(shù)據(jù),其具體變化量如圖2所示。從圖2可以看出隨著天氣慢慢地回升,溫室茶樹的騰發(fā)量也在逐漸地增加,但在陰雨天氣時或者當日溫度降低時茶樹騰發(fā)量會有明顯的降低。例如在3月3日和3月4日天氣狀況分別是小雨和中雨天氣,當日光照強度不強進而影響茶樹騰發(fā)量大小,隨著天氣溫度的上升茶樹騰發(fā)量也隨著增大。因此,可知在陰天、雨天或者溫度較低等不同天氣時會對溫室茶樹的騰發(fā)量產(chǎn)生不同程度的影響。

        圖2 2018年3月2日-2018年3月20日茶樹騰發(fā)量數(shù)據(jù)

        3.3 利用灰色關聯(lián)度模型計算結(jié)果與分析

        晴天(2018年4月6日)和陰天(2018年4月4日)以及雨天(2018年4月3日)這三天溫室內(nèi)氣象因子數(shù)據(jù)以及茶樹蒸騰蒸發(fā)量數(shù)據(jù)如表1~表3所示,參考作物騰發(fā)量與各氣象因子的關聯(lián)度及排序如表4~表6所示。根據(jù)灰色關聯(lián)度模型的計算公式,將數(shù)據(jù)代入用Matlab軟件編寫的計算程序內(nèi)可以算出各因素關聯(lián)度的大小,如果灰色關聯(lián)度的數(shù)值越大,就說明某個環(huán)境因子對目標因素的影響越大[12]。通過表4~表6可以得出:無論是在陰天、雨天還是晴天的狀態(tài)下影響度大小都是按著土壤含水量>溫度>相對濕度>光照強度順序排列的。就此溫室茶園來說,在晴天與陰天和雨天天氣情況下,利用溫室茶樹蒸騰蒸發(fā)模型計算的作物騰發(fā)量與各溫室環(huán)境因子之間關系整體上趨勢相同,其中土壤含水量對溫室茶樹騰發(fā)量的影響最大,因此在灌溉施水時要注意控制水量,結(jié)合其他環(huán)境因子通過調(diào)控其大小可以促進和降低溫室茶樹的騰發(fā)量,從而提高茶樹生長條件以及茶葉產(chǎn)量。

        表1 晴天(2018年4月6日)各氣象因子數(shù)據(jù)

        表2 陰天(2018年4月4日)各氣象因子數(shù)據(jù)

        表3 雨天(2018年4月3日)各氣象因子數(shù)據(jù)

        表4 參考作物騰發(fā)量晴天(2018年4月6日)與

        表5 參考作物騰發(fā)量陰天(2018年4月4日)與

        表6 參考作物騰發(fā)量與雨天(2018年4月3日)與

        4 結(jié) 語

        參考作物蒸騰量的大小除了受自身生理條件和環(huán)境因子影響外,種植戶的栽培技術、灌溉施肥、自身品種也會對其產(chǎn)生不同程度的影響[13-15]。使用灰色關聯(lián)度分析法,簡單方便且結(jié)果與作物實際表現(xiàn)一致[16]。在這里主要運用灰色關聯(lián)度模型分析結(jié)果表明,影響北方溫室茶樹騰發(fā)量的主要因素為環(huán)境因子且對茶樹騰發(fā)量的影響程度不同。在實際操作計算中,還存在一些“理想處理因素”,對一些測量值采用代入公式計算時還具有一定的認為主觀性,因此我們應該更多地運用現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)技術對溫室茶園環(huán)境因子進行監(jiān)控,以求數(shù)據(jù)更加準確。在溫室茶園中使用智慧農(nóng)業(yè)設施進行工作,根據(jù)茶樹的生長需求設定一定的數(shù)據(jù)臨界值,當達到這一臨界值時就采用灌溉、施肥、通風、遮陰、通過等一系列操作去調(diào)節(jié)環(huán)境因子,以求能降低環(huán)境因子對茶樹生長所造成的不利影響,在灌溉時能夠根據(jù)茶樹需水量和蒸騰蒸發(fā)量進行精確澆水,提高茶葉的產(chǎn)量以及質(zhì)量,同時也節(jié)約一定的水資源,減少肥料的浪費,進一步促進茶葉經(jīng)濟發(fā)展的穩(wěn)步向前。

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