设施作物蒸腾蒸发模型的研究现状及存在问题_李迷.pdf

年 月 第 卷 第 期 李迷 设施作物蒸腾蒸发模型的研究 现状及存在问题 李迷 闫浩芳 张川 张建云 王国庆 江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心 江苏镇江 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家 重点实验室 江苏南京 江苏大学农业工程学院 江苏镇江 收稿日期 修回日期 网络出版时间 网络出版地址 基金项目 十四五 国家重点研发计划项目 国家自然科学基金资助项目 水文水资源与水利工程国家重点实验室一带一路专项基金资助项目 第一作者简介 李迷 女 贵州铜仁人 硕士研究生 主要从事农业节水灌溉与水分高效利用研究 通信作者简介 闫浩芳 女 内蒙古呼和浩特人 副研究员 博士 主要从事农业节水灌溉与水分高效利 用研究 摘要 确定设施作物蒸腾蒸发量 对于准确制定设施作物灌溉制度 提高设施农业用水效 率及设施蔬菜的产量和品质具有重要的意义 对确定设施作物 的直接和间接模型进行优缺 点及适用性分析 比较了不同类型参考界面蒸腾蒸发 模型的优势与局限性 对比了直接估 算温室作物 机理模型的准确性 并对不同机理模型中关键参数 冠层阻力参数 的确定方法 及主要影响因素进行综述与分析 已有研究主要针对特定气候区域 温室通风类型 作物种类及 种植季节 对冠层阻力参数进行修正 并验证模型的准确性 对温室作物 模型的普适性研究 不够充分 确定的模型参数往往不适用于其他类型温室或作物种植季节 推荐今后重点研究方 向 研究温室作物 变化过程对气候因子分布特征及变化规律的响应机理 研究不同 机理 模型对气候类型 作物种类及种植季节的适应性 构建更具普适性的温室作物 模型 关键词 蒸腾蒸发模型 温室种类 通风 气象数据 作物种类 中图分类号 文献标志码 文章编号 李迷 闫浩芳 张川 等 设施作物蒸腾蒸发模型的研究现状及存在问题 排灌机械工程学报 a a a a a 排灌机械工程学报第 卷 设施农业作为高新技术产业在农业经济中的 地位和作用日益突出 不论从产量还是种植规模 上 中国都居世界首位 发展设施农业 提高设施 蔬菜的产量和品质是发展现代化农业 提高农民收 入的重要途径和手段 从国家农业发展分布状况和 投入产出效果的现状分析 在设施农业上大力推广 节水灌溉技术 将更有利于节水农业的稳步发展 根据构造方法 使用材料及内部设施条件的不 同 常见温室类型主要有 荷兰 型温室 塑料 大棚及拱形温室等 不同的温室结构及形状对温室 内部气象状况有很大的影响 特别是对温室内温 度 湿度及透光率的影响 温室作为半封闭系统 其 气象环境与大田自然环境差异较大 而温室内的加 热 降温及通风设施的使用 使得温室内气象因子 的变化规律与空间分布产生了变化 作物蒸腾蒸发 是灌溉水消耗的主要组成 部分 准确地确定温室作物 不仅对调节温室湿 热环境具有重要意义 而且对于改善温室种植用水 管理 确定和提高温室作物产量及果实品质具有决 定性作用 蔬菜作物生长过程中对水分管理要求较 高 水分的供给量 供给时期以及生长过程中出现 水分亏缺或过剩都会对蔬菜的产量及品质产生影 响 而进行科学合理的灌溉取决于对作物 的准 确确定 实测温室作物 的若干方法 或者成本昂贵 蒸渗仪 或者操作复杂 茎流计 均不适用于温室 生产的实际应用 因此 准确的模拟手段显得尤为重 要 构建适合不同通风状况温室 不同作物类型及 种植季节的微气象模型 对于确定温室作物灌溉制 度 设置温室通风及实现温室环境控制均具有重要 意义 目前对作物 模型的研究工作多数集中于大 田环境 或者对某种基于大田环境构建的模型 在 特定温室状况下进行修正以估算作物生育期内 的变化规律 然而 由于温室通风状况的不同 温室 内不同冠层高度微气象因子数值的大小及空间分 布的变化规律存在差异 使得已有模型在不同类型 温室中的应用存在较大的不确定性 温室蒸腾蒸发模型综述 通过微气象数据间接确定温室作物 是一种 常用的方法 间接确定温室作物 的模型包括物 理模型和经验模型 物理模型主要基于能量平衡和 其他不同理论的结合 经验模型主要基于辐射 温 度和相对湿度与 的相关关系 且只适用于特定 的地区和时间 最常见的用于确定不同温室作物 的间接模型有 及 模型等 以上模型需实测气 象数据 即可获得作物的参考蒸腾蒸发量 然 后应用推荐的作物系数值 实现对特定作物 的估算 模型的精度取决于 与 的准确性 表 为计算不同参考界面蒸腾或蒸发的模型表 达式 适用气候条件及优缺点比较 以往大量研究比 较了不同模型估算温室 的精度及适用性 例如 等 比较了不同模型 和 计算通风温室 的结果显示 考虑风速影响的 和 模型的计算结果与实测值较其他方法 接近 考虑温度和水汽压差的模型较只考虑辐射的 模型精度高 模型与其他模型相比精度最差 而 等 通过考虑微气象数据对辐射 第 期李迷 等 设施作物蒸腾蒸发模型的研究现状及存在问题 项的影响 对 模型进行修正 使其预测温室 的误差仅为 等 指出 模型的精度取决于温室内辐射透过率 即温室类型 或者温室材质 例如温室有无涂层对于模型的适用 性有很大的影响 等 研究表明 模型高估温室 由此可见 以上模型中参 数的确定均基于特定的气候条件 直接应用于估算 其他地区温室 将产生较大误差 表 计算不同参考界面蒸腾或蒸发的模型表达式 适用气候条件及优缺点 模型名称模型表达式适用气候及下垫面模型优势局限性时间尺度 湿润 草地简单通常低估 月 a 无限制简单时间步长局限月 湿润 自由水面 能量平衡结合 空气动力学 风函数获取较难小时 日 湿润 草地简单平流条件下低估 日 干旱 半干旱 植被简单参数的地区差异性较强日 月 无限制 植被简单估算精度较低日 干旱 半干旱 自由水面简单估算精度较低日 null null 无限制 植被 包含 的 物理方程式 获取较难小时 日 湿润 自由水面应用相对简单平流条件下低估 日 null null 湿润 草地应用相对简单半干旱高估 日 无限制 湖面仅需输入温度项不适用于冬季温室小时 日 干旱 半干旱 草地简单高估或低估 周 干旱 植被简单估算 精度较低小时 日 湿润 湿地简单估算 精度较低小时 日 无限制 参考作物准确计算日 所需气象数据较多日 注 为月蒸发经验系数 为月蒸发因子 为空气温度 为热指数 a为与 相关的变量系数 为饱和水汽压和温度曲线斜率 为净辐射 为土壤热通量 为单位系数 为实际水汽压 为饱和水汽压 为风函数 为干湿表常数 为水的汽化 潜热 为太阳辐射 为修正系数 为日照百分率 为白天时长 为饱和水汽密度项 为 高处风速 为空气密度 为常压下空气比定压热容 为空气动力学阻力参数 为冠层阻力参数 中 为相对湿度与风速的函数 为海拔 高度 为纬度 为露点温度 为最大与最小温度差 根据作物蒸腾机理确定温室作物 的直接模 型有基于大田条件构建的 模 型 不同于 模型 考虑作物生长状况 构建的 模型 基于冠层表面温度与大气 温度差及能量平衡方程构建的 模型等 模型是 于 年通过对 模型 的修正 引进冠层与空气之间水汽传输的阻力参数 模型提高了估算作物 的精度 引进作物生长指标 叶面积指数 对 模型进行了修正 构建了预测温室作物 的 模型 模型是基于作物冠层 表面温度与空气温度之差 以及冠层表面温度下饱 和水汽压与空气实际水汽压之差 确定冠层显热与 潜热通量的一种机理模型 等 应用 模型对不同辐射强 度下无土栽培黄瓜气孔蒸腾进行模拟 指出研究中 模型参数只能应用于地中海气候条件 通过将能量平衡方程与 方程相结合 修正模型 中关键参数 研究结果表明 当辐射 温度和湿度变 化时 改进后的模型能够预测温室通风条件下作物 克服了以往 模型只考虑蒸腾系数的缺点 等 引进一个边界层阻力参数 对 模 型进行修正 构建了基于微气象和物理参数 适用 于设有防虫网孔的玻璃温室能量平衡模型 对温室 甜椒 进行了估算 并与茎流计实测结果进行了 比较 模型的敏感性分析结果显示模型对可利用辐 排灌机械工程学报第 卷 射项最为敏感 其次是温度和水汽压 等 比较了 和 模型预测自然通风 温室内西红柿 结果显示 基于大田条件构建的 模型高估西红柿 实测值 而 模 型由于考虑了 的影响 可以准确估算温室西红 柿 等 用能量平衡方程确定了自 然通风下温室西红柿 并将结果与茎流计观测 结果进行了比较 其研究没有考虑土壤热通量的影 响 也没有提出模型中难以实测的冠层表面温度的 确定方法 使得模型的推广应用受到了限制 模型是基于控制温室环境条件构建 的 在自然通风或风速为 的温室条件下的适用性 还未有研究报道 不同类型温室作物 模型的精 确度比较及所需气象数据见表 已有的研究针对特 定气候区域 温室通风类型 作物种类及种植季节 考虑不同气象因子和生长因子 修正模型参数 能 够提高模型的准确性 但不同条件下适用的模型并 不相同 使得模型的推广应用受到了限制 表 不同类型温室作物蒸腾蒸发模型的精确度比较 温室种类 模型精确度所需数据作物种类参考文献 自然通风温室 香蕉 等 西红柿 等 西红柿 等 西红柿 塑料大棚 无涂层 牧草 等 塑料大棚 有涂层 牧草 等 自动控制温室 经验公式 枫树 等 观赏植物 等 玻璃温室 修正 甜椒 等 注 为相关系数 为相对误差 为均方根误差 为水汽压差 为气候阻力参数 为热扩散的空气阻力参数 为日平均气孔阻 力参数 其中 能量平衡方程 和 为基于能量平衡的物理模型 其余均为经验模型 温室作物蒸腾蒸发机理模型参数 不同 机理模型 及 等模型 的精度取决于 对模型中主要参数 空气动力学阻力参数与冠 层阻力参数的取值或模拟 表 为作物 机理 模型中冠层阻力参数 的不同确定方法 目前 国 际上对大田种植条件下作物 机理模型中 的 确定已进行了大量的研究 而对于温室栽培条件下 的相关研究甚少 且不同研究地区所得结果存在差 异 所得阻力参数模型或特征值的应用也存在地区 或温室通风状况的限制 等 指出 随作物 种类及气候状况的不同而存在差异 很多研究基于 独立的气象因子构建了 的经验模型 但由于不同 气象因子之间的相互关联性 使得模型的应用受到 了限制 等 基于 模 型 分别模拟了黄瓜植株蒸腾与土面蒸发的阻力参 数 实现了对 型温室黄瓜 的准确估算 但 模型中参数的确定方法和结果对其他类型温室或 作物种类的适用性还有待进一步验证 等 通 过分析温室中对流类型确定 模型中空气动力学 第 期李迷 等 设施作物蒸腾蒸发模型的研究现状及存在问题 阻力参数 通过分析太阳辐射与黄瓜叶片气孔导度 的相关关系确定 建立了适用于模拟 型温 室黄瓜 的冠层阻力参数子模型 并确定了模型 中空气动力学阻力参数的特征值 陈新明等 改进 方程 引进作物冠层高度 修正与风速有关的空 气动力学项 使得大棚番茄 的计算值与实测值 较为吻合 但研究结果仅适用于没有通风设备的温 室大棚 对于有强制通风设备的智能控制 型 温室 采用该研究中改进的 模型将会产生较 大的误差 等 认为 模型中辐射项和空 气动力项之间相互关联 由于温室中风速几乎为 因此在温室作物 的预测中可以忽略空气动力学 项 在通风量很小的情形下 该温室模型具有一定 适用性 但在温室有通风设计的条件下 上述假设 就受到质疑 罗卫红等 通过对温室内小气候 作 物蒸腾速率及气孔阻力进行试验观测 分析温室黄 瓜蒸腾速率的变化规律及其与温室小气候之间的 定量关系 确定了温室黄瓜 的特征值 并指出其 研究所确定的阻力参数特征值仅适用于所研究地 区及温室通风状况 表 作物蒸腾蒸发模型中冠层阻力参数的确定方法及优缺点比较 模型名称所需数据及参数模型优势局限性适用时间步长 等直接计算气孔阻力难以由气孔阻力获得 小时 日 a 相对简单经验方法 模型系数需率定小时 日 计算 的机械方法 无需率定参数适用地区局限小时 计算相对简单仅适用于华北平原小时 以 计算 进而计算日 使用复杂 取决于 的准确性日 在大豆和玉米上成功应用使用复杂 需要较多变量计算 小时 注 为 推荐作物系数值 为光量子通量密度 综上所述 已有文献大多是对大田条件下阻力 参数模型进行修正后应用于温室 并未研究温室不 同通风设置对模型精度的影响 由于温室与大田微 气象条件差异较大 温室内冠层不同高度气象因子 的变化规律与大田存在很大差异 随着温室通风状 况的改变 温室内不同冠层高度微气象数据的差 异 温湿度和辐射等主要模型输入因子的同步性及 相关关系也将产生变化 从而对模型输出结果产生 较大的影响 影响作物蒸腾模型估算精度的因素 已有研究指出 作物 模型的输出精度受气 候状况影响显著 等 分别应用 和改进的 模型对气孔阻力参数进行估算 并对 模型进行参数化 发现应用相同试验点数据进行检 验时模型精度较高 而应用不同气候地区数据检验 模型时 模型参数需要重新率定 等 基于不 同空气动力学阻力参数估算模型 研究了中国西北 地区对流作用对 模型估算日光温 室辣椒气孔蒸腾的影响 指出气孔阻力可以通过观 测太阳辐射计算 然而 当温室作物处于冬季保温或 加温所造成的高温度 低辐射环境 即温度 辐射不 同步时 仅用太阳辐射模拟气孔阻力将导致结果准 确性较差 等 将 模 型与其他方法进行比较 结果表明在空气饱和水汽 压和温度都较高时 采用 模型能 够精确预报温室天竺葵的 且随着空气饱和水 汽压和气温增大 采用气孔计测得的作物气孔阻力 值并没有下降 得出冠层阻力只是有效辐射的函 数 与空气饱和水汽压及气温无关 以上研究均表 明 温室作物 模型的适用性与气候状况 或种 植季节 有很大的相关性 在同一研究区域 微气象 数据的采集位置对 模型输出结果亦有显著影 响 等 发现用 模型预测新几内亚岛 凤仙花的 与实测值有较大偏差 提出了有效提 高模型预测效率的新方法 采用冠层内部而非 冠层顶部温湿度作为 方程的输入气象因子 等 通过观测温室黄瓜冠层不同高度叶片 温度和空气温度 分析了冠层不同高度空气温度变 化规律及差异 得出冠层不同高度处气温在 随高度增加而增大 而夜间呈相反趋势 表明 冠层不同高度处气温存在较大差异 尤其是在蒸发 力较大的时段 等 通过分析温室黄瓜作物冠 层不同高度主要微气象数据的变化特征与分布规 律 分别应用不同观测位置气象因子作为 模型的输入数据对 进行模拟 结果 显示 采用作物冠层内部气象数据可使 排灌机械工程学报第 卷 模型的输出精度提高 因此 气象数据观测位置的合 理选择对模型输出精度有较大的影响 作物种类及种植季节也是影响 模型输出精 度及适用性的重要因素 已有文献指出 模型可以较好预测温室西红柿 和红枫树 的 但均需对难以实测的阻力参数进行修正 等 通过对日光温室内对流类型分类确定了 模型中空气动力学阻力 通过分析气孔阻力与总辐 射的关系确定了 实现了模型对日光温室中番茄 及辣椒 的估算 等 在比较基于气象条件 构建的 模型对不同作物种类的适应研究中指出 模型中回归系数随作物种类存在较大的差异 该 结论表明 在以往仅考虑气象因子的 模型中增加 反映作物种类的因子可能是提高 模型普适性的 方法之一 存在的问题和展望 综上 目前国内外针对特定气候区域 温室通 风类型 作物种类及种植季节 修正了蒸腾蒸发模 型中空气动力学阻力和冠层阻力参数 并基于实测 值验证了模型的准确性 然而确定的模型参数 或方法往往不适用于其他气候或温室类型及其他 作物类型或种植季节 对作物蒸腾蒸发模型在温室 的适用性及普适性研究仍不充分 因此 系统分析温室内微气象环境的变化特征 研 究温室作物蒸腾蒸发过程对气候因子分布特征及 变化规律的响应机理 是目前提高温室作物 模 型普适性的重要基础工作之一 即使同一气候环境下 不同作物适用的蒸腾 蒸发模型也不尽相同 系统分析不同 机理模型 对作物种类及种植季节的适应性 构建普适性更强 的温室作物 模型 是满足目前设施农业精量种 植 智能发展的重点研究内容 气象因子和作物生长因子两者之间相互作 用 是决定能否准确估算作物 的重要因素 而设 施农业具有相对封闭的温室环境以及灌溉频繁等 特点 使作物生长过程更为复杂 深入探索气象因子 与作物生长因子之间的协作机理 并精确量化不同 种植季节温室内气象要素对作物生长过程的影响 是推进温室作物 模型普适性的重要研究课题 参考文献 尹岩 郗凤明 邴龙飞 等 我国设施农业碳排放核算 及碳减排路径 应用生态学报 康绍忠 蔡焕杰 冯绍元 现代农业与生态节水的技 术创新与未来研究重点 农业工程学报 闫浩芳 赵宝山 张川 等 模型模拟 型温室黄瓜植株蒸腾 农业工程学报 a 第 期李迷 等 设施作物蒸腾蒸发模型的研究现状及存在问题 陈新明 蔡焕杰 李红星 等 温室大棚内作物蒸腾蒸 发计算 应用生态学报 罗卫红 汪小旵 戴剑锋 等 南方现代化温室黄瓜 冬季蒸腾测量与模拟研究 植物生态学报 责任编辑 张文涛