基于灰色關聯度模型的溫室茶樹騰發量影響因素研究

孫紅嚴，馬德新,2,3

(1.青島農業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種植作物之一，茶是現代社會的多功能產品，具有較大的經濟效益。茶樹主要生長在暖溫帶、亞熱帶地區，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，其經濟年齡期較長，約為45 a[1,2]。環境因子的控制對茶樹的生長以及茶葉的產量具有重要意義，但是在我國北方地區冬天溫度較低，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，而作物騰發量是確定其需水量的關鍵參數，它的精確度直接影響著作物需水量的準確度。對于作物參照騰發量，許多專家學者都提出了計算方法、模型與理論，其中聯合國糧食及農業組織(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律進行了修正，導出了適合溫室參考作物騰發量的P-M修正式。潘永安[6]等人研究試驗了在某些環境因子缺失下，P-M溫室修正式的應用。但各環境因子之間作用關系聯系非常復雜，因此在計算溫室茶樹騰發量之后通過引入灰色關聯度模型來探索各環境因子對溫室茶樹騰發量的影響程度。

灰色關聯度模型分析法是灰色系統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。通過使用灰色關聯分析法可以有效得出參考作物騰發量與各環境因子之間的相互關系，通過人為的調控各環境因子，來促進茶樹更好的生長，達到增加產量和提高質量的目的。能為我國北方溫室茶園精量灌溉提供理論依據，減少農業用水資源的浪費。

1 材料及方法

1.1 溫室茶園試驗區情況

試驗地點位于青島市城陽區東旺疃村北溫室茶園(編號：9711)，距青島農業大學約為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”。溫室內植株高度在0.24～0.46 m范圍之內，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 環境因子數據采集

采用壓力表測量灌水量，溫室內裝有山東省計算中心智能控制技術創新團隊研制的2臺小型農業智慧監測站，它主要利用傳感器監測溫度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監測站上傳一次數據，在茶樹的春梢生長期內(2018年3月1日-2018年4月15日)進行數據的采集，數據可以通過手機應用端以及PC端網站進行導出Excel數據。

1.3 溫室茶樹騰發量計算方法

王林林[7]等人在青島農大智慧茶園溫室內以Penman-Monteith方程作為基礎，通過借鑒P-M溫室修正式結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量計算模型ET0(T)。本文將利用此模型進行溫室茶樹騰發量計算，計算公式如下：

ET0(T)=

(1)

式中：ET0(T)為溫室茶樹騰發量，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 灰色關聯度模型介紹及其計算方法[8-11]

對于兩個系統之間的因素，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，被稱為關聯度。在這個系統發展變化時，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度越高，否則，就越低。灰色關聯度模型分析一般是包括以下5個環節：

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

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

(3)計算灰色相關系數。

計算灰色關聯系數公式為：

ζ(k)=

(2)

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

3 結果與分析

3.1 溫室茶樹騰發量典型天氣日變化量結果與分析

選取試驗期間內選取相近的日期，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)作為典型數據進行計算，并對實驗結果進行分析。實驗數據選取階段從10∶00至下午17∶00結束，以溫室茶樹騰發量模型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量如圖1所示。從圖1明顯可以得出溫室茶樹騰發量無論是在晴天、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下降。說明光照強度對溫室茶樹騰發量影響較大，且晴天時茶樹騰發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量

3.2 溫室茶樹騰發量每日變化結果分析

選取試驗期間內選取相近的日期，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日茶樹騰發量數據，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量大小，隨著天氣溫度的上升茶樹騰發量也隨著增大。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量產生不同程度的影響。

圖2 2018年3月2日-2018年3月20日茶樹騰發量數據

3.3 利用灰色關聯度模型計算結果與分析

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)這三天溫室內氣象因子數據以及茶樹蒸騰蒸發量數據如表1～表3所示，參考作物騰發量與各氣象因子的關聯度及排序如表4～表6所示。根據灰色關聯度模型的計算公式，將數據代入用Matlab軟件編寫的計算程序內可以算出各因素關聯度的大小，如果灰色關聯度的數值越大，就說明某個環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模型計算的作物騰發量與各溫室環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量的影響最大，因此在灌溉施水時要注意控制水量，結合其他環境因子通過調控其大小可以促進和降低溫室茶樹的騰發量，從而提高茶樹生長條件以及茶葉產量。

表1 晴天(2018年4月6日)各氣象因子數據

表2 陰天(2018年4月4日)各氣象因子數據

表3 雨天(2018年4月3日)各氣象因子數據

表4 參考作物騰發量晴天(2018年4月6日)與

表5 參考作物騰發量陰天(2018年4月4日)與

表6 參考作物騰發量與雨天(2018年4月3日)與

4 結 語

參考作物蒸騰量的大小除了受自身生理條件和環境因子影響外，種植戶的栽培技術、灌溉施肥、自身品種也會對其產生不同程度的影響[13-15]。使用灰色關聯度分析法，簡單方便且結果與作物實際表現一致[16]。在這里主要運用灰色關聯度模型分析結果表明，影響北方溫室茶樹騰發量的主要因素為環境因子且對茶樹騰發量的影響程度不同。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代智慧農業技術對溫室茶園環境因子進行監控，以求數據更加準確。在溫室茶園中使用智慧農業設施進行工作，根據茶樹的生長需求設定一定的數據臨界值，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節環境因子,以求能降低環境因子對茶樹生長所造成的不利影響，在灌溉時能夠根據茶樹需水量和蒸騰蒸發量進行精確澆水，提高茶葉的產量以及質量，同時也節約一定的水資源，減少肥料的浪費，進一步促進茶葉經濟發展的穩步向前。