北方寒區(qū)日光溫室冬季基質(zhì)袋培番茄蒸騰量模擬

2019-09-16 02:19:28羅新蘭佟國(guó)紅張函奇李英歌尹佳琪楊麗桃

干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究 2019年4期

羅新蘭，王淼，4，佟國(guó)紅，張函奇，李英歌，尹佳琪,楊麗桃

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866; 2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110866;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；4.錦州市氣象局，遼寧錦州 121000)

冬季日光溫室是個(gè)相對(duì)封閉的生產(chǎn)環(huán)境，室外溫度很低，室內(nèi)很少通風(fēng)，作物蒸騰是作物冠層與室內(nèi)空氣之間進(jìn)行水汽、能量交換的主要途徑，會(huì)直接影響室內(nèi)溫濕度和能量平衡，作物蒸騰消耗熱能降低室內(nèi)空氣溫度，釋放水汽增加室內(nèi)濕度，室內(nèi)濕度的改變又會(huì)影響作物蒸騰及病蟲害的發(fā)生。人工測(cè)量作物蒸騰費(fèi)時(shí)費(fèi)力，利用彭曼公式計(jì)算作物需水量是聯(lián)合國(guó)世界糧農(nóng)組織推薦的一種計(jì)算方法[1]，Monteith在1963年對(duì)Penman方程進(jìn)行改進(jìn)，提出Penman-Monteith(P-M)方程，其以能量平衡為依據(jù)，加之水汽擴(kuò)散為基礎(chǔ)，適用于任何作物蒸騰量的直接計(jì)算[2-3]。Moritlle等[4]驗(yàn)證了溫室條件下采用P-M方程計(jì)算作物蒸騰量的可行性。

Boulard等[5]及Demrati等[6]提出基于P-M方程，綜合了室內(nèi)能量平衡和室外氣象數(shù)據(jù)建立了溫室作物蒸騰模型，結(jié)果顯示當(dāng)溫室處于通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，蒸騰模型模擬結(jié)果良好。羅衛(wèi)紅等[7]，汪小旵等[8]應(yīng)用P-M方程分別模擬南方冬季和夏季現(xiàn)代化溫室黃瓜蒸騰情況，結(jié)合室內(nèi)凈輻射及飽和水汽壓差(VPD)分析蒸騰速率的日變化,在冬季，作物蒸騰速率日變化主要取決于太陽(yáng)輻射的日變化，而與VPD的日變化關(guān)系不大；在夏季，作物蒸騰速率對(duì)太陽(yáng)輻射和VPD的變化敏感性相同。番茄是溫室內(nèi)的主要作物，專家學(xué)者為探尋溫室條件下番茄的蒸騰規(guī)律及影響因素，在塑料大棚[5]、玻璃溫室[9]、防蟲遮陽(yáng)網(wǎng)溫室[10]、日光溫室[11-16]環(huán)境下，開展了深入研究。由于影響蒸騰的因素較多且很多參數(shù)很難精確測(cè)定，目前還缺乏通用的、精準(zhǔn)的、用于溫室不同條件下的番茄蒸騰模型。

溫室中基質(zhì)袋培可避免土壤的連作障礙和土傳性病蟲害的蔓延，具有管理方便、原料資源豐富、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)。北方寒區(qū)日光溫室冬季生產(chǎn)基本無通風(fēng)，室內(nèi)弱光、高濕、低溫及低風(fēng)速，為確定該環(huán)境下單株番茄蒸騰量模擬模型，本研究以P-M方程為基礎(chǔ)，采用室內(nèi)單株尺度下氣象環(huán)境特征對(duì)應(yīng)的邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力、氣孔平均阻力反演模型并引入土壤熱通量參數(shù)，得到一個(gè)基于溫室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)(溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等)和植株生長(zhǎng)指標(biāo)(莖粗、單株葉面積指數(shù)等)計(jì)算地面覆蓋塑料薄膜的北方寒區(qū)日光溫室冬季基質(zhì)袋培單株番茄蒸騰量的方程。根據(jù)伍德林等[17]研究顯示作物吸收水分的近99.8%用于植株蒸騰作用，因此可用插針式莖流計(jì)測(cè)定植株莖流量作為實(shí)測(cè)值對(duì)單株植株蒸騰模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。單株番茄蒸騰量的模擬可為北方寒區(qū)冬季番茄滴灌的灌溉量確定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2017-12-11—2018-01-03在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)北山科研基地日光溫室(123°5′E，41°8′N)內(nèi)進(jìn)行。溫室方位南偏西7°，東西長(zhǎng)度60 m，跨度7.5 m，脊高3.5 m,北墻高2.3 m，墻體厚45 cm，北墻外側(cè)設(shè)有冷棚，試驗(yàn)期間揭簾時(shí)間8∶30，蓋簾時(shí)間14∶30。

供試番茄品種為適于北方日光溫室長(zhǎng)季節(jié)栽培的圣羅蘭。植株采用南北成行基質(zhì)袋培，每行鋪有一條滴灌管，各滴頭與各植株相對(duì)應(yīng)，滴頭出水口插于栽培袋中間位置(晴天時(shí)于9∶00、12∶00、14∶00分別灌溉100 ml·株-1·次-1)，基質(zhì)水分控制在田間持水量80%以上，地面覆蓋塑料薄膜(無裸露土壤)，行距1 m，株距20 cm，共定植920株，定植密度為3.38株·m-2。選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的3株番茄作為測(cè)試樣本。溫室頂部通風(fēng)口可人工開啟，晴天中午室內(nèi)溫度超過30℃時(shí)通風(fēng)口打開10 cm進(jìn)行通風(fēng)，平均通風(fēng)時(shí)間為15 min。其余時(shí)間處于密閉狀態(tài)，試驗(yàn)期間植株處于成熟采摘期，莖粗1.41～1.48 cm、株高188.3～193.6 cm。

1.2 觀測(cè)方案及布置

室內(nèi)中部安裝HOBO自動(dòng)氣象站以獲取試驗(yàn)所需基本氣象數(shù)據(jù)(輻射、溫度、相對(duì)濕度、土壤含水量等)；番茄群體中間安裝北京雨根公司的環(huán)境及莖流監(jiān)測(cè)儀，測(cè)定項(xiàng)目包括：植株上方的太陽(yáng)凈輻射、植株的莖流值、空氣溫濕度、葉溫(用與葉片相同顏色的綠色別針將熱電偶與葉片固定)；采用熱球風(fēng)速儀測(cè)量植株上方微風(fēng)速。試驗(yàn)期間24 h連續(xù)測(cè)試，取樣間隔為10 min，蒸騰速率估算中用到的相關(guān)氣象要素觀測(cè)項(xiàng)目及儀器位置見表1。

表1 日光溫室內(nèi)氣象要素觀測(cè)項(xiàng)目及儀器位置

本試驗(yàn)采用插針式莖流計(jì)測(cè)量番茄蒸騰速率作為實(shí)測(cè)值。用公式(1)對(duì)每株實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)ΔT做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，修正不合理的ΔT值

(1)

式中，ΔT′為兩探針之間溫差修正值;ΔT為實(shí)測(cè)兩探針之間溫差;ΔT5為與ΔT相對(duì)應(yīng)滑動(dòng)長(zhǎng)度為5的ΔT原序列的滑動(dòng)平均值，SE為相應(yīng)滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差。

將修正后的數(shù)據(jù)采用以下計(jì)算式得出莖流速率。

根據(jù)Granier提出的基本計(jì)算方法[18]，其計(jì)算植株莖流速率的公式如下：

Fd=118.99×10-6K1.231

(2)

式中，F(xiàn)d為莖稈液流速率(m·s-1)；K為系數(shù)。

(3)

將上述液流速率轉(zhuǎn)換為質(zhì)量形式，即[19]：

Fs=3600×FdρAs

(4)

式中，F(xiàn)s為質(zhì)量形式莖稈液流速率(g·h-1)；Fd為莖稈液流速率(m·s-1)；ρ為水密度(g·m-3)；As為莖稈橫截面積(m2)。

將Fs帶入下式可計(jì)算出單株植株實(shí)測(cè)蒸騰速率值[20-21]：

(5)

式中，Tf為單株植株蒸騰速率(mm·h-1)；La為植株監(jiān)測(cè)探針上方的葉面積(m2)；LAI為單株葉面積指數(shù)(某株植株葉面積/某株植株占地面積)。

1.3 分析方法

1.3.1 單株葉面積指數(shù)(LAI) 葉面積采用主干上主葉長(zhǎng)寬系數(shù)法計(jì)算，測(cè)量主葉的葉長(zhǎng)(包括葉柄長(zhǎng)度)和最大葉寬,計(jì)算公式如下[22]：

(6)

式中，LA為葉面積(cm2)；a為葉片長(zhǎng)度(cm)；b為葉片寬度(cm)。LAI=LA/單株植株占地面積。

1.3.2 消光系數(shù)(K) 根據(jù)比爾-朗伯特(Beer-Lambert)定律得到：

(7)

式中，LAI為單株葉面積指數(shù)；I，I0分別為單株尺度的地面和植株上方的總輻射(W·m-2)。計(jì)算每日9∶00—14∶00內(nèi)每10 min的消光系數(shù)，根據(jù)馮新靈等[23]研究建議剔除不合理的消光系數(shù)數(shù)據(jù)(即K>1的數(shù)據(jù))，再以日為單位將合理數(shù)據(jù)均值后作為每日的消光系數(shù)。

1.3.3 采用Penman-Monteith方程模擬日光溫室基質(zhì)袋培單株植株蒸騰量在考慮土壤熱通量、并結(jié)合密閉環(huán)境下的邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力計(jì)算式及氣孔平均阻力反演式，Penman-Monteith方程計(jì)算溫室內(nèi)單株植株蒸騰量的基本式可轉(zhuǎn)換為[24-26]:

(8)

R'n=Rn(1-e-K·LAI)

(9)

式中，Rn為單株植株上方凈輻射(W·m-2)；K為消光系數(shù)；LAI為單株葉面積指數(shù)。

根據(jù)Goudriaan和Van[27]：

(10)

式中，ta為室內(nèi)空氣溫度(℃)；Δ為飽和水汽壓隨溫度變化曲線斜率(kPa·℃-1)。

(11)

聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(簡(jiǎn)稱FAO)推薦土壤熱通量G白天采用0.5Rn，夜間采用0.1Rn[3]，本文根據(jù)北方寒區(qū)日光溫室揭、蓋簾時(shí)間對(duì)應(yīng)的溫室內(nèi)日照時(shí)數(shù)對(duì)G進(jìn)行修正，白天采用0.35Rn，夜間采用0.13Rn，后文對(duì)此取值進(jìn)行敏感性檢驗(yàn)。

1.3.4 邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra) 葉片與周圍環(huán)境熱交換形式與ra大小密切相關(guān)[28]，風(fēng)是作物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的動(dòng)力來源，其大小決定熱交換速率，Stanghellini[29]研究表明在任何溫室中均會(huì)發(fā)生以混合對(duì)流形式存在的對(duì)流熱交換，即自由對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流的混合，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速低于0.2 m·s-1時(shí)，強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)ra影響很小，可忽略。

根據(jù)Campbell[30]研究結(jié)果，北方寒區(qū)冬季日光溫室密閉條件下由葉溫與周圍空氣溫度差值引起的自由對(duì)流對(duì)ra起決定作用，計(jì)算公式如下：

(12)

(13)

式中，ra1為單一葉片邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s·m-1)；d為葉片特征長(zhǎng)度(m)(本試驗(yàn)取值0.15 m)；Tl為葉片溫度(℃)；Ta為周圍空氣溫度(℃)；ra為單株植株邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s·m-1)；LAI為單株葉面積指數(shù)。

1.3.5 單株植株對(duì)水汽的阻力(氣孔平均阻力，rc) 作物通過葉片氣孔與周圍環(huán)境進(jìn)行顯熱交換和水分傳輸，交換和傳輸過程中受氣孔阻力控制，由于影響溫室內(nèi)氣孔平均阻力的主要因素包括室內(nèi)總輻射、溫度、飽和水汽壓差等氣象因子，因此可以通過反演的方式計(jì)算出植株樣本a的rc值。rc計(jì)算表達(dá)式如下所示：

(14)

式中，λE為植株a的實(shí)測(cè)蒸騰潛熱值(W·m-2)；ra為植株a的邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s·m-1)；其余物理量為植株a單株尺度對(duì)應(yīng)的數(shù)值且意義同前。

2 結(jié)果與分析

將公式(14)計(jì)算的rc值、植株b、c相對(duì)應(yīng)的ra值及生理指標(biāo)(LAI)值代入公式(8)，計(jì)算b、c株蒸騰速率模擬值，并與其相應(yīng)的實(shí)測(cè)值比較分析，檢驗(yàn)P-M方程模擬效果。由1.3.1計(jì)算的試驗(yàn)期間LAIa=1.18，LAIb=1.05，LAIc=1.08。

2.1 日光溫室內(nèi)單株植株邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力與氣孔平均阻力的變化規(guī)律

選取試驗(yàn)期間有典型天氣的2017年12月13—25日(其中13日與17日為霧霾天、14日與24日為陰天，其余時(shí)間為晴天)連續(xù)13 d的測(cè)試值計(jì)算植株a的邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)值、氣孔平均阻力(rc)值，ra與rc在不同天氣變化情況如圖1所示。

圖1 冬季日光溫室內(nèi)單株番茄邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(a)與氣孔平均阻力(b)變化規(guī)律(2017年12月13—25日)Fig.1 Variation of aerodynamic resistance and leaf stomatal resistance of single tomato plant in CSG during winter (Dec.13-25, 2017)

由圖1(b)可見，rc晴天、陰天白天的波峰在7∶00，變化范圍分別為820～1 506、749～1 151 s·m-1，波谷在11∶00—13∶00，變化范圍分別為69～205、132～208 s·m-1。這是因?yàn)閞c主要取決于室內(nèi)總輻射的變化，總輻射越高，rc越小，冬季8∶30-14∶30為揭簾時(shí)間室內(nèi)總輻射為正值，其余時(shí)間室內(nèi)總輻射為0，日出后室內(nèi)總輻射迅速上升，rc隨即下降，11∶00-13∶00單株植株分得的總輻射在一天中最大值約為100 W·m-2，rc達(dá)到最低值，約為158 s·m-1。

2.2 日光溫室內(nèi)單株植株蒸騰速率模擬值與實(shí)測(cè)值比較

將室內(nèi)單株尺度的氣象要素及相關(guān)公式帶入公式(8)計(jì)算植株b、c的模擬值并與其相對(duì)應(yīng)的莖流計(jì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行逐時(shí)蒸騰速率對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 冬季日光溫室內(nèi)單株番茄逐時(shí)蒸騰速率模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(2017年12月13—25日)Fig.2 Comparison between simulated and measured hourly transpiration rate of single tomato plant in CSG during winter (Dec.13-25, 2017)

由圖2可知，逐時(shí)蒸騰速率模擬值的最大值在晴天約為0.06 mm·h-1，陰天約為0.02 mm·h-1，晴天、陰天均與實(shí)測(cè)值相當(dāng)，而霧霾天實(shí)測(cè)值超過模擬值約為0.015 mm·h-1，誤差較大。這是因?yàn)樵谇缣臁㈥幪焓覂?nèi)各氣象數(shù)據(jù)均是較規(guī)律的變化，而霧霾天隨大氣透明度的變化，室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)發(fā)生不規(guī)律變化。由于北方冬季夜間或早晚室外溫度低時(shí)溫室覆保溫被以保證室內(nèi)溫度滿足植株生理活動(dòng)的最低要求，早、晚覆保溫被期間室內(nèi)總輻射為0，蒸騰速率很小甚至為0，因此，為進(jìn)一步說明模型擬合精度，計(jì)算整個(gè)試驗(yàn)期間所有晴天與陰天(除去所有霧霾天)植株b、c的模擬值與實(shí)測(cè)值24 h的累計(jì)蒸騰量，結(jié)果如圖3所示

圖3 冬季日光溫室內(nèi)單株番茄晴天與陰天24 h累計(jì)蒸騰量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison between simulated and measured accumulated transpiration values of single tomato plant in CSG during winter

由圖3可以看出植株b、c的24 h累計(jì)蒸騰量模擬值與實(shí)測(cè)值一致性較好，植株b的R2=0.9228、截距為0.0046 mm·d-1；植株c的R2=0.9594、截距為0.0115 mm·d-1。單株日累計(jì)蒸騰量晴天變化范圍為0.22～0.36 mm·d-1，陰天為0.08～0.15 mm·d-1，用1∶1檢驗(yàn)法對(duì)植株b、c累計(jì)蒸騰量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析結(jié)果表明：24 h日累計(jì)蒸騰量均勻分布于y=x直線兩側(cè)，為進(jìn)一步說明誤差大小，分別計(jì)算兩株植株整個(gè)試驗(yàn)階段24 h累計(jì)蒸騰量模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差(MRE)和平均絕對(duì)誤差(MAE)，計(jì)算表達(dá)式為：

(15)

(16)

式中，n為測(cè)試蒸騰量天數(shù)；yi為第i天蒸騰量模擬值；xi為第i天蒸騰量實(shí)測(cè)值。結(jié)果如表2所示。

由表2可知整個(gè)試驗(yàn)階段植株b、c 24 h累計(jì)蒸騰量的MRE和MAE分別為9.46%、10.98%和0.02 mm·d-1、0.02 mm·d-1。晴天、陰天約占總試驗(yàn)天數(shù)的9/10，說明使用P-M方程模擬北方寒區(qū)冬季日光溫室基質(zhì)袋培單株番茄蒸騰量(即需水量)是可行的。

表2 冬季日光溫室內(nèi)番茄植株累計(jì)蒸騰量誤差分析

2.3 日光溫室內(nèi)單株植株上方凈輻射、空氣飽和水汽壓差、蒸騰速率的日變化規(guī)律

凈輻射的大小直接關(guān)系到蒸騰作用的強(qiáng)度，溫室內(nèi)飽和水汽壓差(以下簡(jiǎn)稱VPD)直接影響植物氣孔閉合程度，從而控制作物蒸騰過程和水分利用效率，兩者作為溫室作物蒸騰的主要影響因子，共同決定溫室番茄植株的蒸騰速率。選取試驗(yàn)期間每天9∶00-15∶00植株b上方凈輻射、距地面2 m處的參考高度VPD及其蒸騰速率的關(guān)系如圖4所示。

注：植株蒸騰速率(mm·h-1)轉(zhuǎn)換為蒸騰作用帶走的熱量(W·m-2)。 Note: Plant transpiration rate (mm·h-1) was converted to heat carried by transpiration (W·m-2).圖4 冬季日光溫室內(nèi)單株番茄上方凈輻射、空氣飽和水汽壓差(VPD)與蒸騰速率的日變化規(guī)律Fig.4 Variation of net radiation, vapor pressure difference(VPD), and transpiration rate of single tomato plant in CSG during winter

由圖4可看出，冬季日光溫室單株番茄蒸騰速率與其上方凈輻射保持很好的一致性，日最大值均出現(xiàn)在12∶00左右且?guī)缀醣３滞剑鳹PD日最大值出現(xiàn)時(shí)間滯后于前兩者1 h左右。例如12月23日，凈輻射突然下降時(shí)，蒸騰速率隨即下降，而VPD在1 h后明顯降低。由圖1b可看出9∶00—15∶00氣孔阻力維持在較低值，由此可得出在冬季，日光溫室單株番茄蒸騰速率的大小主要取決于其上方凈輻射的日變化規(guī)律和大小，而室內(nèi)VPD的變化和大小對(duì)其起次要作用，這與羅衛(wèi)紅等[7]關(guān)于南方冬季現(xiàn)代化溫室內(nèi)凈輻射、VPD與黃瓜蒸騰速率的日變化規(guī)律的研究趨勢(shì)相同。

2.4 日光溫室內(nèi)單株植株上方凈輻射與蒸騰速率的關(guān)系

凈輻射是溫室作物蒸騰的源動(dòng)力，根據(jù)2.3中分析可知冬季日光溫室單株番茄蒸騰速率變化規(guī)律與其上方凈輻射變化規(guī)律一致，為探明室內(nèi)植株上方凈輻射對(duì)蒸騰速率的影響，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出植株b上方凈輻射與蒸騰速率關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知兩者呈線性關(guān)系，約有43.5%的植株上方凈輻射通過植株蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱，而根據(jù)羅衛(wèi)紅等[7]對(duì)南方現(xiàn)代化溫室黃瓜冬季蒸騰的研究結(jié)果，平均有46%作物冠層上方凈輻射通過作物蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱，本文試驗(yàn)結(jié)果比其低，這是因?yàn)闇y(cè)試期間晴天中午平均室內(nèi)總輻射為165.6 W·m-2,室內(nèi)平均溫度為21.6℃(南方現(xiàn)代化溫室黃瓜冬季蒸騰試驗(yàn)期間相應(yīng)值為187 W·m-2，26.2℃)，室內(nèi)總輻射與溫度均較低使室內(nèi)VPD維持較低水平，冬季室內(nèi)無通風(fēng)，風(fēng)速極低甚至為0，導(dǎo)致蒸騰作用較弱，且番茄葉片蒸騰強(qiáng)度低于黃瓜葉片，進(jìn)而使植株上方凈輻射通過蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱的比例明顯降低。

注：植株蒸騰速率(mm·h-1)轉(zhuǎn)換為蒸騰作用帶走的熱量(W·m-2)。 Note: Plant transpiration rate (mm·h-1) was converted to heat carried by transpiration (W·m-2).圖5 冬季日光溫室內(nèi)單株番茄上方凈輻射與蒸騰速率的關(guān)系Fig.5 Relationship between the net radiation above plant and the measured transpiration rate ofsingle tomato plant in CSG during winter

2.5 日光溫室內(nèi)土壤熱通量的敏感性檢驗(yàn)

溫室地面在白天、夜間與溫室內(nèi)部進(jìn)行能量交換，為了檢驗(yàn)土壤熱通量的變化對(duì)蒸騰速率的影響，以12月20日9∶00—22∶00、12月21日0∶00—7∶00(本研究土壤熱通量白天采用0.35Rn，夜間采用0.13Rn)的植株b逐時(shí)蒸騰速率模擬值為例，分別計(jì)算白天采用0.25～0.5Rn、步長(zhǎng)為0.05Rn，夜間采用0.1～0.15Rn、步長(zhǎng)為0.01Rn進(jìn)行敏感性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6分析可知，盡管18∶00植株b的模擬值對(duì)G變化敏感性較強(qiáng)，但由于此時(shí)蒸騰速率較低，因此變化值的大小對(duì)日累計(jì)蒸騰量的影響效果不大，白天G/Rn每增加0.05時(shí)，對(duì)單株植株蒸騰速率影響最大時(shí)間段為10∶00—11∶00，蒸騰速率平均減少了5.46%，影響最小時(shí)間段為14∶00—15∶00，蒸騰速率平均減少了1.55%；夜間G/Rn每增加0.01時(shí)，僅在18∶00時(shí)蒸騰速率增加了4.75%，其余時(shí)間均增加2.25%。土壤熱通量變化對(duì)逐時(shí)蒸騰速率影響僅在白天一段時(shí)間略超過5%，其余時(shí)間均低于5%，由此可見在本試驗(yàn)條件下土壤熱通量對(duì)逐時(shí)蒸騰速率的影響不明顯。

圖6 冬季日光溫室內(nèi)土壤熱通量敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of soil heat flux in CSG during winter

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)北方日光溫室冬季密閉環(huán)境中晴天、陰天單株番茄邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力ra的平均變化范圍分別為147～438、211～365 s·m-1；氣孔阻力rc平均變化范圍分別為69～1 506、132～1 151 s·m-1。

(2)北方日光溫室冬季密閉環(huán)境中基于P-M方程模擬單株番茄逐時(shí)蒸騰速率是可行的：檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腷、c植株日累計(jì)模擬值與莖流計(jì)實(shí)測(cè)值間的R2>0.9，標(biāo)準(zhǔn)差SE≈0.01 mm·d-1，b、c株模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差分別為9.46%、10.98%；晴天、陰天中午的平均值分別為0.06、0.02 mm·h-1，日蒸騰總量平均值分別為0.29、0.12 mm·d-1。

(3)在北方冬季低溫高濕的環(huán)境下，作物蒸騰速率主要取決于植株上方凈輻射的變化，植株上方凈輻射與蒸騰速率的最大值均出現(xiàn)在12∶00左右，距離地面2 m處參考高度VPD最大值出現(xiàn)時(shí)間約13∶00。植株上方凈輻射量的43.5%可通過蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱。

(4)P-M方程估算單株植株逐時(shí)蒸騰速率時(shí)考慮了土壤熱通量一項(xiàng)，研究發(fā)現(xiàn)晴天白天G/Rn每增加0.05對(duì)蒸騰速率影響最大時(shí)間段為10∶00—11∶00，蒸騰速率減少5.46%，影響最小時(shí)間段為14∶00—15∶00，蒸騰速率減少1.55%；夜間G/Rn每增加0.01，蒸騰速率增加2.25%～4.75%。本試驗(yàn)條件下，土壤熱通量對(duì)蒸騰速率影響不明顯。

3.2 討論

溫室作物蒸騰作用受諸如植株自身?xiàng)l件、人為因素(環(huán)境控制)、室內(nèi)氣象要素等條件的共同影響，本研究基于冬季溫室很少通風(fēng)，室內(nèi)風(fēng)速很低甚至為0的特定環(huán)境下，采用了根據(jù)葉溫與周圍空氣溫度差值計(jì)算單株植株邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力與氣孔平均阻力反演模型，并運(yùn)用了日光溫室冬季番茄蒸騰量估算模型。

基于模型模擬蒸騰速率的準(zhǔn)確程度與邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力、氣孔平均阻力的取值有直接關(guān)系[2]，而二者數(shù)值的精確獲得很難。風(fēng)速及溫度的變化會(huì)產(chǎn)生不同的氣流模式類型，若采用“大葉子”假設(shè)則與實(shí)際作物生產(chǎn)情況存在差異[31]；氣孔平均阻力的取值不僅與太陽(yáng)輻射、VPD、空氣溫度、作物水分等有關(guān)[7]，且還受植株結(jié)構(gòu)、植株上方氣流及土壤條件等影響[14]。本研究采用了與室內(nèi)氣象要素相符合的單株植株邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力及反演的氣孔平均阻力模型，經(jīng)檢驗(yàn)單株蒸騰速率模擬結(jié)果較好。

太陽(yáng)輻射是作物蒸騰的驅(qū)動(dòng)力，R.de.Graaf等[32]研究表明對(duì)于有夜間加溫的玻璃溫室冬季番茄幼苗，5%的外部太陽(yáng)總輻射通過作物蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱，對(duì)于生長(zhǎng)茂盛的番茄，轉(zhuǎn)化率為37%；汪小旵等[8]、羅衛(wèi)紅等[7]通過對(duì)南方現(xiàn)代化溫室黃瓜夏季及冬季蒸騰研究表明，到達(dá)作物冠層上方的凈輻射轉(zhuǎn)化為潛熱的比率分別為66%和46%；Meir Teitel[10]研究防蟲遮陽(yáng)網(wǎng)溫室內(nèi)番茄蒸騰發(fā)現(xiàn)9∶00—14∶00大約70%～80%的凈輻射通過作物蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱；本研究中，單株植株上方凈輻射量的43.5%通過植株蒸騰作用轉(zhuǎn)化為潛熱，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率介于上述研究結(jié)果之間，這也是基質(zhì)袋培條件下北方寒區(qū)冬季日光溫室特定氣象條件所產(chǎn)生的結(jié)果。

本試驗(yàn)中番茄為基質(zhì)袋培，地面覆蓋塑料薄膜，無裸露土壤。土壤熱通量變化對(duì)逐時(shí)蒸騰速率影響僅在白天一段時(shí)間略超過5%，其余時(shí)間均低于5%，由此可見在本試驗(yàn)條件下土壤熱通量對(duì)逐時(shí)蒸騰速率的影響不明顯，此結(jié)論可為相似栽培方式提供參考。

由于番茄植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)可同時(shí)進(jìn)行，番茄植株定植后15 d左右第一穗果開花隨即結(jié)果，此后可通過測(cè)量各時(shí)期植株葉面積指數(shù)和溫室內(nèi)氣象要素計(jì)算植株蒸騰量，以此為北方寒區(qū)日光溫室冬季基質(zhì)袋培番茄全生育期滴灌灌溉量提供參考。

與大型玻璃、塑料溫室相比，日光溫室內(nèi)光照、溫度、濕度具有空間分布不均勻的特征。本研究選取溫室內(nèi)中間部位的植株進(jìn)行測(cè)量，可能會(huì)高估整體蒸騰量。日光溫室冬季生產(chǎn)時(shí)光照、溫度、濕度的管理是非常重要的，其中濕度的管理要由灌溉量決定，灌溉量少會(huì)干旱，灌溉量多會(huì)使室內(nèi)濕度上升進(jìn)而增加植物病蟲害發(fā)生頻率，因此基于P-M方程估算單株番茄蒸騰量可對(duì)番茄的水分管理提供參考。

干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究2019年4期