鄧升 溫毓繁 彭遙 張杰 譚淋露

摘??? 要：為了實(shí)現(xiàn)避雨栽培旱漬脅迫下番茄蒸騰量的高精度計(jì)算，在考慮氣象、作物、土壤水分等變量因子對(duì)蒸騰量影響的基礎(chǔ)上，建立了番茄蒸騰過程因素模型;為了驗(yàn)證模型在不同灌溉下模擬值的精確度，采用正常灌水（CK）及苗期不同干旱花后不同漬水的12個(gè)水分處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明：模擬番茄日蒸騰量模型的檢測(cè)精度達(dá)到85%以上，能較好地反映番茄日蒸騰量;CK及不同水分狀況的12個(gè)處理數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明，模型的標(biāo)準(zhǔn)誤差介于0.22～0.33 mm之間，相對(duì)誤差介于10.2%～17.9%之間。綜合而言，番茄蒸騰量模型模擬精確度較高，能夠較好地反映番茄日蒸騰量。

關(guān)鍵詞：避雨栽培;番茄;蒸騰量;模型;驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：S161.4;S275?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????? DOI 編碼：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 factor 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 verification 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 reflect tomato daily transpiration well.

Key words： rain shelter; tomato; transpiration; model; validation

蒸騰是作物生理器官與周邊環(huán)境產(chǎn)生效應(yīng)的系列過程，番茄植株從外界環(huán)境吸收的水分，大部分以水蒸氣的方式蒸發(fā)散失，經(jīng)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)回到大氣中[1-2]。作物蒸騰量情況會(huì)直接影響栽培區(qū)土壤水分的監(jiān)測(cè)和作物水分供需平衡分析，番茄植株的養(yǎng)分和水分吸收與蒸騰過程息息相關(guān)，旱漬下番茄蒸騰不僅僅降低植株溫度，更對(duì)作物的光合作用和干物質(zhì)積累具有重要影響[3-5]。

氣孔開度是影響作物蒸騰的重要形態(tài)因子，氣孔行為是調(diào)節(jié)蒸騰速率的重要手段，番茄植株可以調(diào)控氣孔狀態(tài)來表征外界環(huán)境因子對(duì)其蒸騰效應(yīng)的影響[6]。番茄氣孔的水汽壓和開度是影響其蒸騰的關(guān)鍵因素，太陽輻射、光合有效輻射、水汽壓差、溫度、相對(duì)濕度、CO2濃度和土壤水分等外界因子亦會(huì)產(chǎn)生一定的影響，各環(huán)境因子相互間的作用復(fù)雜，難以準(zhǔn)確區(qū)別兩兩作用的準(zhǔn)確過程。

光合有效輻射對(duì)葉片氣孔開度具有顯著作用，氣孔隨著光合有效輻射強(qiáng)度的增加而逐漸張開直到開度極限值，而后隨輻射強(qiáng)度的減弱而逐漸閉合[7-8]。太陽輻射也影響番茄蒸騰的強(qiáng)度大小，隨著輻射強(qiáng)度的增大或減弱，蒸騰也會(huì)增大或減弱，并且光照最強(qiáng)時(shí)刻番茄蒸騰也達(dá)到峰值，但有時(shí)會(huì)因其它因素而滯后半小時(shí)左右，說明太陽輻射對(duì)番茄植株蒸騰作用的影響具有一定主導(dǎo)地位。另外，一定范圍內(nèi)，蒸騰強(qiáng)度與溫度存在正相關(guān)關(guān)系，極高或極低溫度均會(huì)有效抑制作物的蒸騰作用;而環(huán)境相對(duì)濕度與作物蒸騰強(qiáng)度則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，說明環(huán)境溫度和相對(duì)濕度均對(duì)番茄植株蒸騰存在一定的影響。

CO2濃度對(duì)番茄蒸騰強(qiáng)度的影響間接通過葉片氣孔同化過程表征，與葉片在生長過程中的呼吸作用相關(guān)。番茄植株蒸騰效果受土壤水分作用的影響主要表現(xiàn)為：干旱條件下，番茄根系缺乏水分，葉片氣孔孔徑逐漸縮小，降低擴(kuò)散力度，從而保持作物自身水分充足，進(jìn)而降低番茄蒸騰強(qiáng)度;土壤在漬水條件下的水分過于充分，導(dǎo)致通氣性較差，進(jìn)而減弱番茄根系的呼吸作用，造成作物的吸水能力和蒸騰作用均受到一定程度的影響。因此土壤含水量和土壤水分有效性也是影響番茄蒸騰的重要因素，只有合理供水，番茄才能較好的吸收土壤水分，進(jìn)而保證番茄具有良好的蒸騰強(qiáng)度。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)溫室下作物蒸騰模型進(jìn)行了較多的研究，但避雨環(huán)境下干旱鍛煉及漬水脅迫雙重條件下對(duì)環(huán)境因子響應(yīng)機(jī)理的研究并不多[9-11]。本文結(jié)合前人的理論方法建立和分析適合條件下的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)避雨環(huán)境下的小氣候特點(diǎn)，分析不同生育期番茄作物生長特征，確定蒸騰模型參數(shù)，為旱漬脅迫下番茄蒸騰量的計(jì)算提供科學(xué)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年3—8月在南方高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室避雨小區(qū)內(nèi)進(jìn)行（118°50′E，31°57′N），試驗(yàn)地土壤為粘壤土，耕作層土壤養(yǎng)分含量差異較小，其中，全氮、全磷的質(zhì)量比分別為0.48，7.29 g·kg-1，速效氮、有效磷的平均質(zhì)量比分別為2.54，81.67 mg·kg-1。避雨區(qū)內(nèi)設(shè)40個(gè)試驗(yàn)測(cè)筒，測(cè)筒高120 cm，內(nèi)徑30 cm，垂向20 cm設(shè)置取土、排水孔，底部設(shè)20 cm砂石墊層用于連接地下水觀測(cè)管和排水，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)番茄品種為“中蔬四號(hào)”，試驗(yàn)于2018年2月23號(hào)覆膜育苗，每隔3 d補(bǔ)充水分直至植株長有6片真葉展開時(shí)進(jìn)行移栽，4月10日選取生長狀況一致的幼苗移栽定植，移栽前對(duì)測(cè)筒土層翻倒數(shù)次，每個(gè)測(cè)筒種植1棵幼苗。定植后對(duì)各幼苗進(jìn)行1次灌水，灌水量相同，并施農(nóng)家肥作為底肥，6月5日追施尿素（含N46%）200 kg·hm-2，各處理其它田間管理措施（如催熟、除草、去病蟲等）均保持一致。本試驗(yàn)番茄全生育期劃分如圖2所示：

1.3 方案布設(shè)

試驗(yàn)共設(shè)13個(gè)處理，各處理3個(gè)重復(fù)，共39個(gè)有效測(cè)筒試驗(yàn)。所有番茄植株移苗期間均充分灌水以保證成活率，花前設(shè)置正常供水處理（灌水量為灌溉定額F）的CK、T2、T3、T4，輕度干旱處理（灌水量為70%F）的T5、T6、T7，中度干旱處理（灌水量為60%F）的T8、T9、T10，和重度干旱處理（灌水量為50%F）的T11、T12、T13;花后對(duì)花前干旱處理的番茄進(jìn)行漬水處理，設(shè)3個(gè)漬水水位，受漬水位按設(shè)計(jì)水位控制，各生長階段均實(shí)施2次，每次控水1 d，分別為地下水位的-10 cm（T2、T5、T8、T11），-20 cm（T3、T6、T9、T12），-30 cm（T4、T7、T10、T13），CK不進(jìn)行漬水，灌水量為F，如表1所示。其中灌溉定額F為：

F=（80%-100%）θf·H（1）

式中，F(xiàn)為灌水定額（m3·hm-2）;80%θf為灌水下限;H為時(shí)段內(nèi)土壤計(jì)劃濕潤層的深度（m）。

1.4 觀測(cè)項(xiàng)目

全生育期內(nèi)，采用微型蒸滲儀每天上午8：00左右測(cè)定1次土壤蒸發(fā)，避雨區(qū)內(nèi)外均放置直徑為30 cm的蒸發(fā)皿，用于測(cè)定水面蒸發(fā)量，利用便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各測(cè)筒內(nèi)番茄水分耗散指標(biāo)的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布，從7：00開始每2 h測(cè)定1次，到19：00結(jié)束監(jiān)測(cè)，利用自動(dòng)氣象站連續(xù)監(jiān)測(cè)采集大氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象資料。

1.5 蒸騰過程因素模型

作物的生長發(fā)育指標(biāo)及需水強(qiáng)度等多種內(nèi)部及外部因素決定了作物的蒸騰量。內(nèi)部因素是指對(duì)不同作物蒸騰過程有影響的生理特性（P），取決于作物的種類和生長狀況，外部因素則與包括輻射、氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度等在內(nèi)的氣候條件（A）和包括土壤含水量、質(zhì)地和地下水位等在內(nèi)的土壤條件（S）息息相關(guān)[12-13]，上述各不同因素對(duì)蒸騰過程的影響，直接表征為番茄植株的耗水量，存在下列關(guān)系：

ET=f（A，P，S）（2）

式中，ET為作物需水量（mm）;A為大氣因素;P為植物因素;S為土壤因素。

根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果及土壤、大氣物理原理對(duì)蒸騰過程的分析得出，ET 與A、P、S的相關(guān)關(guān)系可用下式表示：

ET=f1（A）·f2（P）·f3（S）（3）

式中，f1（A）為溫室氣象環(huán)境因素子模型;f2（P）為作物因素子模型;f3（S）為土壤因素子模型[8]。

1.5.1 氣象環(huán)境因素子模型 氣象環(huán)境因素是氣候特征的綜合體現(xiàn)指標(biāo)，可用ET0代替，即參考作物蒸發(fā)蒸騰速率，計(jì)算ET0的多種方法中，F(xiàn)AO56Penman-Monteith[14]最為廣泛：

ET0（FAO56）=（4）式中，ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量（mm·d-1）;Δ為飽和水汽壓與溫度二者間關(guān)系曲線的斜率（kPa·℃-1）;Rn為冠層凈輻射（MJ·m-2·d-1）;ea、ed分別為室內(nèi)飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓（kPa）;G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）;γ為濕度計(jì)常數(shù)（kPa·℃-1））;T 為溫度（℃）;u2為距地面2 m高處的日平均風(fēng)速（m·s-1）。

1.5.2 番茄作物因素子模型 作物系數(shù)Kc體現(xiàn)了作物生理生態(tài)指標(biāo)在土壤水分充裕、生長發(fā)育良好等條件下對(duì)需水量的影響。本文研究作物因素子模型，可用Kc代替f2（P），即適宜供水下番茄ET與ET0的比值為作物系數(shù)Kc，公式[15]如下：

f2（P）=Kc=ETc/ET0 （5）

有效積溫是在生長階段對(duì)作物生長起有效作用的高出的溫度值。作物發(fā)育情況在一定程度上可用葉面積指數(shù)（LAI）和生育期有效積溫（Te）來表示：

f2（P）=Kc=f （LAI，Te） ?????????????? （6）

1.5.3 土壤水分因素子模型 生長期內(nèi)，作物在不同供水條件下的蒸騰耗水量存在明顯差異，適宜的土壤水分條件下，作物蒸騰耗水量一般不考慮土壤水分因素，而在非適宜灌溉（即本試驗(yàn)下花前干旱及花后漬水）條件下，當(dāng)土壤水分含量低于體內(nèi)毛管斷裂時(shí)的含水量或者高于作物葉片內(nèi)部氣孔破裂時(shí)的含水量，土壤水分狀況則會(huì)顯著性地制約蒸騰量，作物耗水量也隨之發(fā)生顯著變化。f3（S）是表征土壤含水量的重要函數(shù)，栽培區(qū)土壤狀況對(duì)作物有效含水量也存在較為顯著的影響，將f3（S）用相對(duì)有效含水率（Aw）的函數(shù)表征更為合理[16]，即：，其中，Aw用式（7）表示：

Aw= （7）

式中，θi為土壤質(zhì)量含水率;θp、θf分別為凋萎系數(shù)和田間持水率。

非正常供水下的番茄蒸騰量ETc與正常供水下的番茄最大蒸騰量ETm之間存在如下關(guān)系：

ETc=g（Aw）·ETm ?????????????? （8）

式中， g（Aw）為土壤水分脅迫系數(shù)函數(shù)，與土壤水分密切相關(guān)，根據(jù)番茄植株需水規(guī)律，以作物生長期內(nèi)土壤相對(duì)含水率80%作為對(duì)照組（ETm），g（Aw） 為1，其余各水分處理g（Aw）均小于1，通過監(jiān)測(cè)不同土壤水分情況下的各組番茄蒸騰量，計(jì)算非正常供水下的g（Aw） 。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型模擬結(jié)果

2.1.1 氣象環(huán)境因素子模型 作物參照高度設(shè)為0.15 m，作物葉片表面阻力為72 s·m-1，反射率為0.22，此條件等同平整寬闊、表面鋪膜、水分充足的作物蒸發(fā)蒸騰量。

避雨環(huán)境微氣象條件與露天條件下的差異較大，基于避雨環(huán)境下的風(fēng)速特點(diǎn)，以P-M方程為計(jì)算基礎(chǔ)，對(duì)與風(fēng)速相關(guān)的各類參數(shù)進(jìn)行修正[17]，計(jì)算出空氣動(dòng)力學(xué)阻抗（Ra）：

Ra==4.72ln（）2 （9）

式中，Ra為空氣動(dòng)力學(xué)阻抗;Z為風(fēng)速測(cè)量高度;Z0為地面粗糙度;d為零平面位移長度。其中，參數(shù)Z0和d估算方法為：Z0=0.13 hc，d=0.64 hc。hc為植株冠層高度，設(shè)定為0.12 m，即可確定Ra和d，進(jìn)而推導(dǎo)出適用于小氣候環(huán)境的ET0修正公式[8，14]：

ET0=（10）

式中，各參數(shù)的意義與式（4）相同。

2.1.2 番茄作物因素子模型 葉面積指數(shù)（LAI）是一項(xiàng)表征植物群體生長狀況的重要指標(biāo)之一，對(duì)作物系數(shù)Kc的響應(yīng)較為敏感，根據(jù)實(shí)測(cè)，番茄作物系數(shù)Kc與其葉面積指數(shù)（LAI）存在著極顯著的線性關(guān)系（圖3），回歸關(guān)系方程為：

Kc=f（LAI）=0.392LAI+0.052（R2=0.969，P<0.01）

（11）

式中，LAI為番茄單株葉面積指數(shù)。

將Kc用有效積溫的函數(shù)表示（圖4），Kc與有效積溫進(jìn)行曲線擬合，得出二者的指數(shù)函數(shù)關(guān)系為：

Kc=f（Te）=0.14e0.008Te（K2=0.928，P<0.01）（12）

式中，Te為n番茄生長期有效積溫（℃· d）?？捎孟铝泄接?jì)算：

Te=（Ti-Tb）????????????? （13）

式中，Te為n天內(nèi)的總有效積溫;Ti為第i天的日平均溫度;Tb為基礎(chǔ)溫度，在番茄出苗階段取值為12 ℃[18]。

由此可知，葉面積指數(shù)（LAI）和有效積溫（Te）等影響因子均可較為準(zhǔn)確地模擬避雨下番茄的植株系數(shù)變化規(guī)律，葉面積指數(shù)（LAI）作為一種群體性特征參數(shù)，其可以反映包括氣溫在內(nèi)的綜合氣象因子對(duì)作物生長的影響，而氣溫只能代表一項(xiàng)氣象參數(shù)，因此以LAI為變量更具意義，本文選取LAI為自變量，并模擬番茄作物系數(shù)，f2（P） 表達(dá)式即為式（11）。

2.1.3 土壤水分因素子模型 將不同水分下的番茄土壤水分脅迫系數(shù)函數(shù)與其對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)含水率進(jìn)行非線性擬合，得到f3（S）函數(shù)：

f3（S）=g（Aw）=????????? 1?????????????????? （CK）1.043+0.239ln Aw（R2=0.921）（其他）

（14）

利用各式建立番茄蒸騰模型：ET=f1（A）×f2（P）×f3（S）。該蒸騰模型為分段函數(shù)，全生育期內(nèi)進(jìn)行正常灌水時(shí)，g（Aw） 為1，蒸騰模型為：

ET=（0.14e0.008Te）

（15）

當(dāng)非正常灌溉，土壤水分處于干旱或者漬害時(shí)，蒸騰模型為：

ET=（0.14e0.008Te）

??（1.043+0.239lnAw） （16）

2.2 驗(yàn)證效果分析

根據(jù)各因素子模型綜合得出了番茄生育期內(nèi)的蒸騰模型，該模型是分段函數(shù)，不同土壤水分狀況具有不同函數(shù)形式，為了驗(yàn)證模型在各個(gè)灌溉下模擬的精確度，對(duì)各個(gè)水分狀況的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，根據(jù)每日實(shí)測(cè)氣象資料，計(jì)算番茄不同處理的日蒸騰量，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。本文展示CK、T7、T9和T11的水分處理的驗(yàn)證分析圖（其他處理未在圖中顯示），如圖5所示，利用模型模擬得出的各種灌溉方式下番茄日蒸騰量的模擬值與實(shí)測(cè)值相差不大，且日變化趨勢(shì)基本一致，CK、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為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，相對(duì)誤差分別為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%，模擬精度較理想。利用基于FAO56P-M模型對(duì)不同水分下的蒸騰量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，受避雨環(huán)境的溫度、相對(duì)濕度等特殊性小氣候因素的影響，誤差會(huì)大于此研究模型，得出的番茄植株蒸發(fā)蒸騰量與實(shí)際值具有較大偏差，而利用修正后的P-M模型則較好地適用于避雨下番茄作物蒸騰量的計(jì)算。

3 結(jié)論與討論

本研究構(gòu)建的模擬番茄日蒸騰量模型的檢測(cè)精度可以達(dá)到85%以上，能夠較好地反映番茄日蒸騰量。該模型對(duì)于對(duì)照組（CK）的模擬精度最高，其相對(duì)誤差為10.2%，對(duì)T2、T3、T4、T5、T6、T7和T12模擬的相對(duì)誤差均小于15%;而對(duì)于T8、T9、T10、T11和T13的模擬精度略低，其相對(duì)誤差分別為16.5%，16.6%，15.2%，17.9%，16.6%，均大于15%。綜合說明本研究所建的計(jì)算番茄蒸騰量模型模擬精確度較高，但是此模型在花前中度及以上干旱和花后中度及以上漬水下的模擬相對(duì)誤差較大，分析其可能原因如下：其一，由于模型自身的不完善和參數(shù)測(cè)量的誤差;其二，實(shí)際資料有限導(dǎo)致模型中Z0、d均為估算的，這樣可能導(dǎo)致一定誤差;其三，也可能與土壤結(jié)構(gòu)、土壤溫度及土壤質(zhì)地等其他未考慮因素相關(guān)。

本研究建立的蒸騰模型中的避雨環(huán)境因素子模型的構(gòu)建是基于風(fēng)速為零的假設(shè)，因此風(fēng)速對(duì)此模型的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度也會(huì)構(gòu)成一定的影響，基于對(duì)其與風(fēng)速有關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)需進(jìn)一步進(jìn)行修正。大棚內(nèi)的小氣候環(huán)境亦較為復(fù)雜，亟需通過更多的作物試驗(yàn)進(jìn)一步確定這些小氣候因素造成誤差的影響因子。

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