溫室膜下滴灌條件下黃瓜需水規(guī)律研究

鄭志偉，王仰仁

(天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384)

根系層土壤含水率對黃瓜生長、產(chǎn)量及品質(zhì)的形成具有較大影響，探求黃瓜全生育期的需水規(guī)律和最適宜的灌水方案,確定科學(xué)量化的灌溉指標(biāo)進(jìn)而指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),對于緩解農(nóng)業(yè)用水短缺，減少農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi),提高農(nóng)業(yè)用水效率等問題具有重要意義[1-3]。作物需水量的測定方法按其種類大體可以分為水文學(xué)方法(包括水量平衡法和蒸滲儀法等)、微氣象學(xué)法(包括波文比-能量平衡法、渦度相關(guān)法和空氣動力學(xué)法等)、植物生理學(xué)方法(包括莖流法、氣孔計法等)、紅外遙感法等4種方法[4-10]。由于本試驗沒有使用專門的設(shè)備測試作物系數(shù)，所以，考慮作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系，利用作物系數(shù)、土壤含水率和ET0，模擬出每天的土壤含水率，再與實際測試的土壤含水率進(jìn)行比較，以模擬計算的土壤含水率與實際測試的土壤含水率的誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)來確定作物系數(shù)值[11]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在天津市武清區(qū)北國之春農(nóng)業(yè)示范園溫室試驗區(qū) (E116°54′，N39°36′) 進(jìn)行。該區(qū)秋季晝暖夜涼，溫差大，冬季寒冷，北風(fēng)多，日照少，降水稀少，全年平均氣溫為11.6 ℃，年平均日照總時數(shù)2 705 h，平均無霜期212 d，平均年降水量606.8 mm。溫室為塑料薄膜拱形鋼管日光溫室，溫室大棚寬8 m，長85 m，溫室內(nèi)屋脊最高處3 m。試驗區(qū)土壤為中壤土，土壤密度(0～80 cm均值)為1.55 g/cm3，土壤的基本性狀見表1。試驗期間溫室內(nèi)種植黃瓜，品種為北斗星無刺黃瓜，其定植日期為2014年9月9日，采用寬窄行種植，每壟種植2行黃瓜，寬行行距1.0 m，窄行行距0.5 m，株距0.5 m，壟長5.0 m，共種植55壟作物。灌溉水源為井水，井深80 m，灌溉方式為膜下滴灌，每壟窄行間布設(shè)2條滴灌帶，滴灌帶內(nèi)徑15 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.2 L/h。根據(jù)實際情況6～15 d灌水一次，一次灌水時長大致為240 min。溫室頂部設(shè)通風(fēng)口，并配置WS-II型日光溫室自動控溫設(shè)備，可以實現(xiàn)手動啟閉設(shè)備，開啟范圍為0～50 cm。溫室大棚內(nèi)層覆有厚0.8 mm的聚乙烯抗老化膜，外層覆蓋復(fù)合保溫被，保溫被用電動卷簾機(jī)起放。秋冬季保溫被每天早上9∶30掀起，下午5∶00左右放下蓋嚴(yán)。夜間每半小時自動開啟柴油暖風(fēng)機(jī)，保證溫室內(nèi)溫度不低于8 ℃，以避免影響作物生長。

表1 土壤的基本性狀

1.2 試驗方法

1.2.1土壤含水率的測定

本試驗針對膜下滴灌土壤含水率變化特點，每7 d取樣測定一次，測定方法為烘干稱重法，烘干溫度為105 ℃，烘至恒重為止。每次測定2個點，一個是膜下，位于2條滴灌帶中間，一個是膜外，位于寬行中點，如圖1所示。測試深度為0～100 cm，每20 cm一層，共測試5層。根據(jù)試區(qū)土壤剖面結(jié)構(gòu)和膜下滴灌條件下土壤含水率的剖面分布，將土壤含水率按照條帶寬度做加權(quán)平均，求得整個條帶0～100 cm的土壤平均含水率。以該含水率作為土壤含水率實測值。

圖1 膜下滴灌種植模式(單位：cm)

1.2.2溫室環(huán)境因子的測定

溫室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采用Watch Dog 2450型小型氣象站(溫度精確度±0.2%，濕度精確度±2%)，固定于溫室內(nèi)距地面1.6 m高處，每隔30 min自動記錄一次數(shù)據(jù)。葉片溫度、蒸騰速率和光合有效輻射等數(shù)據(jù)采用CI-340手持式光合作用儀測試。地溫采用土壤三參數(shù)儀(WET-2-K1)測試，測試結(jié)果為0～5 cm深度的平均值。葉片溫度、蒸騰速率、光合有效輻射值定株測試，每7 d一次，選定葉片位于株頂端第3片葉，3次重復(fù)。

1.2.3葉面積指數(shù)的測定

對于葉片，可視為規(guī)則的矩形，每次量取作物葉片的縱向最大長度作為葉片計算長度，橫向最大長度作為葉片計算寬度，則葉片的計算面積就等于長乘寬之積；葉片的實際面積是通過由小到大系列采集葉片樣本，帶回實驗室，用激光葉面積儀掃描葉片實際面積，找出葉片實際面積與計算面積之間的關(guān)系。對應(yīng)的計算公式為y=0.880 1x-26.686，相關(guān)系數(shù)R2=0.978 1，y為黃瓜葉片實測面積，x為黃瓜葉片計算面積。

1.2.4需水量的計算

采用土壤水分修正系數(shù)分析供水不足對作物需水量的影響。其計算公式如下：

ET=KsKcET0

(1)

式中：ET為實際作物需水量，mm/d；ET0為參照作物需水量，mm/d；Kc為作物系數(shù)，與作物種類、品種、生育期和作物的群體葉面積指數(shù)等因素有關(guān)，是作物自身生物學(xué)特性的反映；Ks為土壤水分修正系數(shù)，反映根區(qū)土壤水分不足對作物需水量的影響。

(1)參照作物需水量ET0的計算。常用的計算方法為FAO推薦的Penman-Monteith公式，該公式主要適用于大田作物，對于溫室作物需水量的計算，由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境具有可控性，在溫室大棚內(nèi)，風(fēng)速幾乎為零，與露天環(huán)境比較，差異非常明顯，所以，需要加以修正。以 Penman-Monteith理論為基礎(chǔ)，考慮從風(fēng)速入手，引入Allen等(1994年)空氣動力學(xué)的研究結(jié)果[12]，得出適用于溫室大棚參考作物需水量ET0的計算公式：

(2)

式中：Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；T為地面以上2 m處的平均溫度，℃；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；es-ea為飽和水氣壓虧缺量，kPa；Δ為飽和水汽溫度曲線斜率，kPa/℃ ；γ為濕度計常數(shù)，kPa/℃。

(2)作物系數(shù)Kc的確定。作物系數(shù)Kc是計算作物需水量的重要參數(shù)，它反映了作物生物學(xué)特性對農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量的影響。大量研究表明，作物生長過程中，在一定時間段內(nèi)作物系數(shù)Kc與作物群體葉面積指數(shù)LAI呈線性關(guān)系：

Kc=aLAI+b

(3)

式中：a,b為待定系數(shù)。

(3)土壤水分修正系數(shù)Ks的確定。在供水充足，無水分的脅迫作用時，土壤水分修正系數(shù)Ks=1；在水分供應(yīng)不足，作物受到水分的脅迫作用時，Ks<1。其影響的主要因素為土壤的含水率，采用詹森(Jensen)計算模型(1970年)：

(5)

式中：AW為土壤實際有效水分百分?jǐn)?shù)；θ為土壤根系層實際含水率，cm3/cm3；θcr為水分虧缺開始影響作物蒸發(fā)蒸騰時的土壤水分，稱為臨界土壤含水率，cm3/cm3，參考已有研究成果，本試驗取θcr=0.85θc；θc為田間持水量，cm3/cm3；θwp為永久凋萎點含水量，cm3/cm3。對于本試區(qū)，實際測得θc=0.28 cm3/cm3，θwp=0.2 cm3/cm3。

1.2.5參數(shù)反演方法

本試驗以實際測試的土壤含水率為依據(jù)，以模擬計算的土壤含水率與實際測試的土壤含水率的誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)(最小二乘法)，通過優(yōu)化方法反演確定作物系數(shù)，即式(3)中的a,b值。該問題屬于非線性規(guī)劃問題，其數(shù)學(xué)模型如下，

(1)目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)為模擬計算的土壤含水率與實測土壤含水率誤差的平方和：

(6)

本研究采用0～80 cm土層水量平衡方程模擬計算土壤含水率θj，任一時段[0,j]中，土壤計劃濕潤層內(nèi)的水量平衡方程如下：

Wt=W0+M-ET

(7)

式中：W0、Wt分別為時段始、末計劃濕潤層內(nèi)的土體儲水量，mm；M為時段內(nèi)單位面積上的灌水量，mm；ET為時段內(nèi)的作物需水量，mm；D為根系層下界面水分通量，mm，本研究中采用膜下滴灌，根系層下界面水分通量可忽略不計，即取D=0。

用土壤含水率表示式(7)，可寫出下式：

(8)

式中：θ0、θt分別為時段始、末計劃濕潤層土壤的平均含水量，cm3/cm3；γ為計劃濕潤層內(nèi)土壤的干密度，g/m3；H為計劃濕潤層厚度，cm。

(2)約束條件。根據(jù)已有研究結(jié)果和參數(shù)的物理意義，可確定作物系數(shù)的初始值及其變化范圍，見表2。表2中參數(shù)變化范圍構(gòu)成了問題的約束條件，相應(yīng)的初始值為測試結(jié)果。

表2 黃瓜作物系數(shù)參數(shù)檢驗與調(diào)試結(jié)果

(3) 參數(shù)求解。首先利用序列極小化法中的內(nèi)點法將上述非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為無約束非線性規(guī)劃問題，其障礙函數(shù)為：

minP(X,Rk)=

(9)

式中：X=[x1,x2,…,xj,…,x7]為待求參數(shù)；xjmax和xjmin為待求參數(shù)變化范圍的上限值和下限值；Rk為障礙因子，k為迭代次數(shù)，隨著迭代次數(shù)的增加，Rk逐漸趨近于零，取Rk=Rk-1/2。

收斂準(zhǔn)則為，

(10)

式中：ε1為允許的相對誤差；R0和ε1的取值依據(jù)求解問題而定，本試驗取R0=1.0，ε1=1×10-5。

然后采用模式法求解無約束問題[式(9)]，其迭代計算中各參數(shù)的初始值見表2，初始步長取各參數(shù)初始值的10%。求解過程根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的變化情況對步長進(jìn)行了修正，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)改善時將步長乘以一個加大因子(=1.1)，加大步長；當(dāng)步長搜索失敗時，將步長乘以一個縮小因子(如1/2)，縮小步長。

由此分析確定作物系數(shù)、作物需水量、土壤含水率以及溫室膜下滴灌條件下作物生長期土壤水分變化動態(tài)。

2 結(jié)果分析

2.1 黃瓜葉面積指數(shù)隨時間變化規(guī)律

根據(jù)測試結(jié)果繪制黃瓜葉面積指數(shù)隨時間變化過程線，見圖2。由于測試時間從定植后45 d開始，所以起始的葉面積指數(shù)較大，為1.50，之后逐漸增大，到2014年11月23日達(dá)到最大值1.75，然后維持該最大值，直到2014年12月13日開始減小，到2014年12月24日拉秧時減小到1.35。

圖2 黃瓜葉面積指數(shù)變化過程線 注：定植時間2014-09-09，測試時間2014-10-24-2014-12-24。

2.2 黃瓜測試期間的灌水時間與灌水量

表3給出了黃瓜測試期間的灌水時間與灌水量。測試期間共61 d，期間灌水6次，灌水間隔7～15 d，共計灌水量263 mm。

表3 黃瓜生長期灌水時間與灌水量

2.3 作物系數(shù)隨時間的變化規(guī)律

依據(jù)測試的黃瓜生長期土壤含水率(見圖3)，按照前述參數(shù)反演方法，求得參數(shù)a=0.214 8、b=0.714 7，相應(yīng)的作物系數(shù)隨時間的變化過程如圖4所示。從圖3可以看出，黃瓜生長期土壤含水率的模擬值和實測值較為吻合，兩者相對誤差在10%以內(nèi)。

圖3 黃瓜生長期土壤含水率模擬值與實測值比較

圖4 黃瓜作物系數(shù)隨時間變化過程

從圖4中可以看出，作物系數(shù)Kc隨生育階段的變化而變化，作物系數(shù)Kc值在生長前期是逐漸變大，在作物生長旺盛時期作物系數(shù)Kc達(dá)到最大值，隨后就開始逐漸減小，與作物葉面積指數(shù)的變化規(guī)律一致。在測試范圍內(nèi)，作物系數(shù)變化為0.98～1.11。

2.4 參考作物騰發(fā)量ET0隨時間的變化規(guī)律

圖5給出了黃瓜試驗測試期間參考作物蒸發(fā)蒸騰量的變化過程。由圖5可以看出，溫室黃瓜每天的參考作物蒸發(fā)蒸騰量隨著生育期的延長而緩慢增大，生長期前期變化幅度較小，中期變化幅度較大，后期變化幅度又變小，總體變化為0.2～7.5 mm/d。

圖5 黃瓜ET0隨時間的變化過程

2.5 黃瓜蒸發(fā)蒸騰量隨時間的變化規(guī)律

圖6給出了黃瓜試驗測試期間蒸發(fā)蒸騰量的變化過程。由圖6可以看出，溫室黃瓜蒸發(fā)蒸騰量在生長期的前期隨時間的變化幅度較小，變化為1.5～3.5 mm/d；中期隨時間的變化幅度較大，變化為0.2～7.5 mm/d；后期隨時間的變化幅度又變小，但均值大于中前期。

圖6 黃瓜蒸發(fā)蒸騰量隨時間的變化過程

3 結(jié) 語

(1)按照參數(shù)反演計算方法得出了作物系數(shù)值，其變化規(guī)律與作物葉面積指數(shù)的變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢。

(2)溫室黃瓜需水量在生長期隨時間的變化幅度規(guī)律為：生長期前期變化幅度較小，中期變化幅度較大，后期變化幅度又變小。

(3)在綜合考慮黃瓜生育期的環(huán)境、土壤含水率變化等因素后,根據(jù)試驗資料確定的作物系數(shù),具有較好的代表性和實用性。

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