溫室膜下滴灌條件下黃瓜需水規律研究

鄭志偉，王仰仁

(天津農學院水利工程學院，天津 300384)

根系層土壤含水率對黃瓜生長、產量及品質的形成具有較大影響，探求黃瓜全生育期的需水規律和最適宜的灌水方案,確定科學量化的灌溉指標進而指導農業生產,對于緩解農業用水短缺，減少農業用水浪費,提高農業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方法(包括水量平衡法和蒸滲儀法等)、微氣象學法(包括波文比-能量平衡法、渦度相關法和空氣動力學法等)、植物生理學方法(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備測試作物系數，所以，考慮作物系數與葉面積指數的關系，利用作物系數、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函數來確定作物系數值[11]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在天津市武清區北國之春農業示范園溫室試驗區 (E116°54′，N39°36′) 進行。該區秋季晝暖夜涼，溫差大，冬季寒冷，北風多，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，溫室內屋脊最高處3 m。試驗區土壤為中壤土，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2條滴灌帶，滴灌帶內徑15 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.2 L/h。根據實際情況6～15 d灌水一次，一次灌水時長大致為240 min。溫室頂部設通風口，并配置WS-II型日光溫室自動控溫設備，可以實現手動啟閉設備，開啟范圍為0～50 cm。溫室大棚內層覆有厚0.8 mm的聚乙烯抗老化膜，外層覆蓋復合保溫被，保溫被用電動卷簾機起放。秋冬季保溫被每天早上9∶30掀起，下午5∶00左右放下蓋嚴。夜間每半小時自動開啟柴油暖風機，保證溫室內溫度不低于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。根據試區土壤剖面結構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溫室環境因子的測定

溫室內溫濕度數據采用Watch Dog 2450型小型氣象站(溫度精確度±0.2%，濕度精確度±2%)，固定于溫室內距地面1.6 m高處，每隔30 min自動記錄一次數據。葉片溫度、蒸騰速率和光合有效輻射等數據采用CI-340手持式光合作用儀測試。地溫采用土壤三參數儀(WET-2-K1)測試，測試結果為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。

1.2.3葉面積指數的測定

對于葉片，可視為規則的矩形，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系。對應的計算公式為y=0.880 1x-26.686，相關系數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，與作物種類、品種、生育期和作物的群體葉面積指數等因素有關，是作物自身生物學特性的反映；Ks為土壤水分修正系數，反映根區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，由于溫室大棚內的環境具有可控性，在溫室大棚內，風速幾乎為零，與露天環境比較，差異非常明顯，所以，需要加以修正。以 Penman-Monteith理論為基礎，考慮從風速入手，引入Allen等(1994年)空氣動力學的研究結果[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，kPa/℃。

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

Kc=aLAI+b

(3)

式中：a,b為待定系數。

(3)土壤水分修正系數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Ks=1；在水分供應不足，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數；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，實際測得θc=0.28 cm3/cm3，θwp=0.2 cm3/cm3。

1.2.5參數反演方法

本試驗以實際測試的土壤含水率為依據，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函數(最小二乘法)，通過優化方法反演確定作物系數，即式(3)中的a,b值。該問題屬于非線性規劃問題，其數學模型如下，

(1)目標函數。目標函數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、末計劃濕潤層內的土體儲水量，mm；M為時段內單位面積上的灌水量，mm；ET為時段內的作物需水量，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。根據已有研究結果和參數的物理意義，可確定作物系數的初始值及其變化范圍，見表2。表2中參數變化范圍構成了問題的約束條件，相應的初始值為測試結果。

表2 黃瓜作物系數參數檢驗與調試結果

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

minP(X,Rk)=

(9)

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

收斂準則為，

(10)

式中：ε1為允許的相對誤差；R0和ε1的取值依據求解問題而定，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的初始值見表2，初始步長取各參數初始值的10%。求解過程根據目標函數的變化情況對步長進行了修正，當目標函數改善時將步長乘以一個加大因子(=1.1)，加大步長；當步長搜索失敗時，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、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。

2 結果分析

2.1 黃瓜葉面積指數隨時間變化規律

根據測試結果繪制黃瓜葉面積指數隨時間變化過程線，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較大，為1.50，之后逐漸增大，到2014年11月23日達到最大值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 作物系數隨時間的變化規律

依據測試的黃瓜生長期土壤含水率(見圖3)，按照前述參數反演方法，求得參數a=0.214 8、b=0.714 7，相應的作物系數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。

圖3 黃瓜生長期土壤含水率模擬值與實測值比較

圖4 黃瓜作物系數隨時間變化過程

從圖4中可以看出，作物系數Kc隨生育階段的變化而變化，作物系數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Kc達到最大值，隨后就開始逐漸減小，與作物葉面積指數的變化規律一致。在測試范圍內，作物系數變化為0.98～1.11。

2.4 參考作物騰發量ET0隨時間的變化規律

圖5給出了黃瓜試驗測試期間參考作物蒸發蒸騰量的變化過程。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 黃瓜蒸發蒸騰量隨時間的變化規律

圖6給出了黃瓜試驗測試期間蒸發蒸騰量的變化過程。由圖6可以看出，溫室黃瓜蒸發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 黃瓜蒸發蒸騰量隨時間的變化過程

3 結 語

(1)按照參數反演計算方法得出了作物系數值，其變化規律與作物葉面積指數的變化規律一致，表現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境、土壤含水率變化等因素后,根據試驗資料確定的作物系數,具有較好的代表性和實用性。

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