小型植株蒸騰蒸發量測定裝置與影響因素的研究

周詩豪

摘 要：以STC89C52單片機作為控制芯片，制作一個小型植株蒸騰蒸發量測定裝置。該裝置通過S型拉力感應器把整個植株的重量轉化為電信號，由數據采集系統存儲并轉化為蒸滲量，精度高，操作簡單。利用該裝置測出植物在不同環境下的蒸騰蒸發量，即做對照試驗。根據對照試驗的數據結果，分析植物蒸騰蒸發量的影響因素。

關鍵詞：小型植株；蒸騰蒸發量；對照試驗；影響因素

一、引言

水是植物光合作用的重要成分，也是所有生物的生命之源。植物的需水量（即蒸騰蒸發量）等于植株蒸騰和棵間蒸發之和。在城市中，隨處可見的小型植株是城市水資源循環的重要組成部分，包括路旁的矮樹、盆栽及公園里的盆景等。掌握各類小型植株的需水規律對于研究城市水循環過程、灌溉量的實施、水資源的合理運用等具有重要意義。為準確，實時地測定小型植株的蒸騰蒸發量，并分析蒸騰蒸發量的影響因素。現以小型盆栽植物作為研究對象，設計一種上、下位機集成的吊秤式小型植株蒸滲儀裝置。此蒸滲儀主要包括拉力感應器、下位機、上位機、連接件、支架和盆栽容器6個部分。此外，還包括385微型水泵、風扇、植物補光燈等提供影響因子的硬件（通過藍牙模塊實現安卓手機端與單片機間的通信控制）。實驗預計結果，在無人監管的工作環境下，蒸滲儀下位機能夠自動的采集，顯示和儲存數據，并通過串口將數據上傳給上位機，上位機完成數據的顯示，存儲和分析。借助此裝置，我們可以測定在特定的環境下，植株在一段時間內的蒸騰蒸發量。其值同參考公式得出的結果基本一致。

二、技術路線

該裝置的系統流程圖如下：

三、軟件設計

本系統軟件設計將采用模塊編程方法，每一個功能程序模塊都能完成某一明確的任務，實現具體的某個功能。

1.下位機。包括初始化模塊、采集模塊、顯示模塊、數據存儲模塊、實時時鐘和串口通信模塊。

2.上位機。利用vc++語言設計研發，軟件界面包括登陸界面、主界面、串口設置、通道設置和數據查看添加等部分。相當于一個簡易的串口調試器，可以顯示當前的質量，獲取0、6、12、18點從稱重傳感器測得的數據，并將數據添加到數據。

3.安卓手機端軟件。該軟件是由JAVA語言編寫的藍牙串口通信軟件。手機端藍牙與單片機端藍牙連接，人即能通過手機發出指令控制單片機的IO口輸出，達到控制水泵、風扇、植物補光燈的遠程控制效果，節約了人力資源。

四、硬件設計

吊秤式蒸滲儀的硬件組成部分包括：

S型拉力傳感器、STC89C52單片機、AD轉換器HX711LCD顯示模塊、385微型水泵、風扇、植物補光燈、藍牙模塊、盆栽植物。硬件實物圖：

五、理論值測量方法

植株蒸騰蒸發量取決于植株生長發育和對水分需求的內部因子和外部因子，內部因子包括植物種類、品種、發育期、生長狀況等，外部因子包括天氣條件、土壤條件等。

文采用的是空氣動力學與能量平衡聯立法測量植株蒸騰蒸發量的理論值。該聯立法是利用空氣動力學方法得到顯熱交換，利用觀測資料或計算公式求出凈輻射，然后求出熱量平衡方程式的余項--潛熱交換，最后得出蒸騰蒸發量.常用的兩種計算方法為Penman公式和Penman--Monteith修正公式。Penman--Monteith修正公式計算的參考蒸騰量：式中ET0：參考作物蒸發蒸騰量，mm/d； ：溫度～飽和水汽壓關系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1； Rn：凈輻射，MJ/m2.d G：土壤熱通量，MJ/m2.d；γ：濕度表常數，kpa·℃-1；u2：2m高處風速，m/s；Ea：飽和水汽壓，kpa； Ed：實際水汽壓，kpa； ： 溫度～飽和水汽壓關系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1 γ：濕度表常數，kpa·℃-1

兩種方法計算的參考蒸騰蒸發量大部分集中在對角線上，兩者相關系數為0.989，呈現正相關性。由實驗數據得出結論，用聯立法所得的理論值與測量裝置所測得的實際值大致相同。

六、蒸騰蒸發量的影響因素

1.溫度對小型植物蒸騰蒸發量的影響。不同溫度對植物酯酶活力的影響較為顯著，一般來說，植物酯酶活性隨環境溫度的變化而呈偏正態分布。因植物酯酶活性與植物蒸騰蒸發量呈線性關系，則植物蒸騰蒸發量隨環境溫度變化呈偏正態分布。

2.風速對小型植物蒸騰蒸發量的影響。實驗方法：在盆栽植物供水充足的情況下，打開風扇。收集并記錄6：00、12：00、18：00、24：00時刻整個裝置（包括植物和設備）的重量，與無風時得到的數據相比較。得出結論，適當的風速可以加速植物的蒸騰蒸發過程。

3.不同水分供給對小型植物蒸騰蒸發量的影響。實驗方法：以盆栽植物為實驗對象，用微型385水泵供水。在W4充分供水，W3適宜供水，W2輕度缺水，W1重度缺水四種情況下，記錄8：00～18：00期間植株的蒸騰蒸發量。如下圖。分析可知，當處于W1和W2情況下，植物蒸發蒸騰狀況趨于一致。處于W3和W4情況下，植物蒸發蒸騰狀況也趨于一致?？傮w來說，供水時植株的蒸騰作用要強于缺水時。

七、結語

該測定裝置能在無人監管的情況下，實現實時、方便、精確測量并存儲植物蒸騰蒸發量，硬件平臺搭建簡潔合理。實驗現象表明，小型植物的日蒸騰蒸發量與溫度、風速、光照、土壤水分等因子呈顯著的線性關系，各因子之間存在復雜的相互作用。其中，土壤水分狀況是小型植物蒸騰蒸發量的主要決策因子。同時，測量結果很好地反應了植物蒸騰蒸發作用的規律及趨勢，有利于我們對植物水循環的研究。

參考文獻：

[1] 吳運卿，羅金耀，王富慶. 智能化稱重式蒸滲儀系統的研究與實現[J].實驗室研究與探索，2006，25（4）：432-425.

[2] 樊引琴.作物蒸發蒸騰量的測定與作物需水量計算方法的研究[D].西北農林科技大學，碩士學位論文.2001.

[3] 孫衛國，申雙和. 農田蒸散量的計算方法的比較研究[J].南京氣象學院申報，2000，23（1）：101-105.

[4] 聶振平，湯波. 作物蒸發蒸騰量測定和估算方法綜述[J] 新疆石河子天興水利勘察設計院，2007，13（2）.

[5] 李珊，馬麗麗，賀超興。溫室栽培基質耗水量與環境因子相關性的研究.中國農學通報。2011，27（8）：144-149.

[6] 謝賢群. 測定農田蒸發的實驗研究[J].地理研究，1990，9（4）：94-102.