Penman-Monteith模型模擬Venlo型溫室黃瓜植株蒸騰

閆浩芳，趙寶山，張 川，黃 松，付翰文，魚建軍，Samuel Joe Acquah

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Penman-Monteith模型模擬Venlo型溫室黃瓜植株蒸騰

閆浩芳1，趙寶山1，張 川2，黃 松1，付翰文1，魚建軍1，Samuel Joe Acquah1

（1. 江蘇大學流體機械工程技術研究中心，鎮江 212013；2. 江蘇大學農業工程研究院，鎮江 212013）

準確模擬溫室作物蒸騰對于制定科學合理的灌溉制度及溫室環境調控具有重要意義，該研究基于2017年秋冬季和2018年春夏季Venlo型溫室黃瓜生育期內微氣象數據、黃瓜生長發育指標和植株蒸騰，對Penman-Monteith（PM）模型中關鍵參數—冠層阻力和空氣動力學阻力進行研究。通過分析黃瓜葉片孔阻力與溫室內氣象因子的響應關系，構建了由黃瓜有效葉面積指數及葉片孔阻力模擬冠層阻力的子模型；采用基于風速的Perrier對數法和基于溫室對流類型的熱傳輸系數法計算溫室內低風速環境下的空氣動力學阻力，并評價不同方法的適用性。結果表明：葉片孔阻力與太陽輻射呈指數關系（2= 0.89），可通過觀測溫室內太陽輻射計算黃瓜葉片孔阻力；應用熱傳輸系數法確定空氣動力學阻力時，溫室內對流類型絕大多數時間為混合對流；2種方法計算的溫室內空氣動力學阻力變化幅度均較小，Perrier對數法計算的春夏季和秋冬季空氣動力學阻力平均值分別為388和383 s/m，熱傳輸系數法計算的空氣動力學阻力平均值分別為141和158 s/m；基于2種空氣動力學阻力計算方法，PM模型模擬的植株蒸騰與實測值均具有較好的一致性，但采用Perrier對數法計算空氣動力學阻力時，PM模型低估了植株蒸騰，春夏季和秋冬季擬合線斜率分別為0.87和0.91；而采用熱傳輸系數法計算空氣動力學阻力時，PM模型可更準確的模擬該地區溫室黃瓜植株蒸騰，春夏季和秋冬季擬合線斜率分別為1.00和0.94，2分別為0.91和0.95，均方根誤差分別為46.15和12.45 W/m2。該研究結果為實現PM模型在Venlo型溫室環境的準確應用提供了參考。

蒸騰；熱傳輸系數; 空氣動力學；氣孔阻力；冠層阻力；對流類型

0 引 言

準確模擬溫室作物蒸騰（transpiration，T），對于制定科學合理的灌溉制度、實現溫室環境調控及提高溫室作物產量和品質具有重要意義[1-3]。目前，Penman- Monteith（PM）模型是溫室作物蒸騰估算研究中應用最廣泛和有效的機理模型[4-5]，而準確應用PM模型的關鍵在于確定模型中2個主要參數—冠層阻力（r）和空氣動力學阻力（r）[6-7]。r與r難以直接測量，國內外學者通常通過作物葉片氣孔阻力（r）和有效葉面積指數的比值計算r[5,8-9]，r可通過構建其與氣象因子的相關關系來確定，如Qiu等[10-11]建立了觀測溫室內太陽輻射模擬溫室辣椒和番茄葉片氣孔阻力的關系。r控制冠層表面至參考高度處的水汽和熱量傳輸，Perrier[12]基于紊流傳輸理論和假設對數的風速剖面，提出基于作物冠層特征和風速的對數函數來計算r（Perrier對數法），該方法在大田條件下被普遍應用，但劉浩等[13-15]認為在溫室內風速較低的環境下，采用Perrier對數法高估了r。Bailey等[16]指出溫室內水汽通過渦流方式擴散，認為r可通過熱傳輸系數（h）來計算（熱傳輸系數法），通過區分溫室內對流類型（自由對流、強迫對流、混合對流）選取不同公式計算h。溫室內對流類型的確定對r的估算精度具有重要影響[10,16]，且對流類型的劃分取決于溫室通風狀況及當地氣候條件。Qiu等[10]研究表明，中國西北地區溫室內對流類型主要為混合對流；Morille等[17]研究表明，法國西北部溫室內白天為自由對流，夜間為混合對流。目前，針對Venlo型溫室內對流類型的劃分及基于該方法確定r的研究還未見報道，參數r和r的不確定性使得PM模型在中國南方地區Venlo型溫室內的準確應用受到了限制。

因此，本研究選取溫室內種植廣泛的黃瓜為研究對象，通過觀測溫室內微氣象數據、作物生長指標及植株蒸騰等數據，對PM模型中關鍵參數（r和r）進行確定；通過分析黃瓜葉片氣孔阻力r與微氣象因子的響應關系，構建基于r及作物有效葉面積指數的r子模型；分別采用Perrier對數法與熱傳輸系數法計算r，比較并評價2種方法計算的r對PM模型輸出精度的影響，基于Lysimeter稱質量法實測的溫室黃瓜植株蒸騰檢驗模型的估算精度，旨在為Venlo型溫室內黃瓜精確灌溉和環境調控提供依據。

1 材料與方法

1.1 模型描述

1.1.1 計算溫室作物蒸騰的PM模型

Penman-Monteith模型基于能量平衡和水汽擴散理論，綜合考慮了冠層表面水汽蒸發過程中的物理和作物生理特性，被廣泛應用于模擬溫室作物蒸騰[18-19]。其表達式為

式中R為冠層上方的凈輻射，W/m2，為作物冠層消光系數，LAI為葉面積指數。

冠層阻力r由葉片氣孔阻力r與作物有效葉面積指數（LAIe）的比值計算[16]：

式中LAIe計算方法為[20]

1.1.2 計算空氣動力學阻力的Perrier對數法

空氣動力學阻力r受風速和氣流流態等影響，采用Perrier[12]提出的公式計算r為

1.1.3 計算空氣動力學阻力的熱傳輸系數法

由于溫室內水汽以渦流擴散方式為主，可通過熱傳輸系數h確定溫室內r[16]

表1 溫室內對流類型的判別及熱傳輸系數hs的計算方法

注：G為高爾夫數，R為雷諾數，k為空氣的導熱系數，W·m–1·K–1；d為葉片特征長度，m；為葉片長度，m；為葉片寬度，m. T為冠層溫度，℃；T為空氣溫度，℃；為空氣的熱膨脹系數，–1；為空氣的運動黏度，m2·s–1；為風速，m·s–1；為重力加速度，m·s–2。

Note:Gis the Grashoff number;Ris the Reynolds number,kis the thermal conductivity of air, W·m–1·K–1;dis the characteristic dimension of the leaf, m;is the length of the leaves, m;is the width of the leaves , m;Tis the canopy temperature , ℃; Tis the air temperature, m;is the thermal expansion coefficient of air,–1;is the kinematic viscosity of air, m2·s–1;is the wind speed, m·s–1;is the the gravity acceleration, m·s–2.

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗概況

試驗地位于江蘇省鎮江市（32°11′N、119°125′E，海拔23 m），屬亞熱帶季風氣候區，多年平均降雨量為1 088 mm，常年平均氣溫15.4 ℃，年日照時數2 051.7 h，無霜期239 d。試驗于江蘇大學現代農業裝備與技術實驗室Venlo型溫室內進行，溫室覆蓋材料為厚4 mm的浮法玻璃，屋脊南北走向，占地面積640 m2（32 m × 20 m）。溫室天溝高3.8 m，檐高4.4 m，跨度 6.4 m，共5跨，每跨有2個小屋頂。秋冬季黃瓜于2017年8月21日育苗，9月2日移栽；春夏季黃瓜于2018年3月2日育苗，3月23日移栽，兩季黃瓜品種均為油亮3-2。為預防黃瓜生長期發生病蟲害，移栽前土壤中施50 %多菌靈可濕性粉劑殺菌，移栽后定期噴藥。黃瓜移栽前在土壤中施有機肥作為底肥，并分別在開花坐果期和結果期補施含腐殖酸水溶性肥料（腐殖酸≥3.0%，N+P2O5+K2O≥35%）。試驗地土壤質地為沙壤土，土壤中按約15 kg/hm2的比例均勻混合生物炭，混合后土壤容重為1.27 g/cm3，田間持水量為0.41 cm3/cm3。

1.2.2 黃瓜植株蒸騰及生長指標的測量

采用Lysimeter稱質量法測量黃瓜植株蒸騰，用2臺自動連續稱質量電子天平（MS32000L，Mettler Toledo，荷蘭）對桶栽黃瓜植株蒸騰進行觀測，試驗桶內徑0.31 m，高0.50 m，試驗過程中用塑料薄膜覆蓋桶內土壤表面以阻止土面蒸發，桶內黃瓜植株間距和行距與溫室內作物一致。天平放置于溫室內黃瓜種植區域的中間位置，以減小邊界條件的影響，天平每10 min自動讀數，由數據采集器（CR1000，Campbell，美國）記錄。本研究中蒸騰量在PM模型中以能量的單位（W/m2）表示，蒸騰量實測值由式（7）轉換為

1.2.3 氣象數據及黃瓜葉片氣孔阻力的測定

溫室內安裝自動氣象觀測系統采集黃瓜生育期內氣象數據。溫室內1.5 m高處氣溫和相對濕度由溫濕度傳感器（S-THB-M002，Hobo，美國）測定，2 m高處風速由超聲波風速儀（WindSonic，Gill，英國）測量。2.5 m處太陽凈輻射由凈輻射儀（NR Lite2，Kipp & Zonen，荷蘭）觀測，2.5 m處太陽輻射由輻射傳感器（S-LIB-M003，Hobo，美國）觀測，所有氣象數據每10 s取樣并取10 min的平均值，由數據采集器（CR1000，Campbell，美國）記錄。黃瓜葉片氣孔阻力由光合儀（GFS-3000，WALZ，德國）測量，選擇晴朗天氣每隔1 h測量黃瓜葉片氣孔阻力，測量時段為08:00－18:00。黃瓜冠層溫度由紅外測溫儀（SI-111，Apogee，美國）測量。

1.3 統計分析指標的計算

采用平均絕對誤差（mean absolute error，MAE）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）和Nash-Sutcliffe效率系數（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE）評價模型的計算精度。計算公式如下[22]：

2 結果與分析

2.1 黃瓜植株蒸騰與氣象因子的演變規律

水分供給充足的情況下，作物蒸騰主要受氣象因子的影響[23-24]。選擇兩季（春夏季（2018年5月8日－11日））和秋冬季（2017年11月8日－10日））黃瓜生長中期典型晴朗天氣對溫室內主要氣象因子及黃瓜植株蒸騰的變化規律進行分析，圖1數據為每日相同時刻相對應數據的平均結果。由圖可知，T與R、T、T的變化趨勢基本相同，與RH變化趨勢相反。R在正午時段達到最大值，分別約為500 W/m2（春夏季）和180 W/m2（秋冬季）。RH的最大值、最小值和平均值依次約為85%、35%、60%（春夏季）和87%、45%、70%（秋冬季），秋冬季溫室內RH整體高于春夏季。T在夜間很小，春夏季和秋冬季均值分別為14和6 W/m2，且基本保持恒定；白天T隨R的增大而增大，在13:00左右達到最大值340 W/m2（春夏季）和140 W/m2（秋冬季），春夏季和秋冬季T日（24 h）平均值分別為98和36 W/m2，春夏季黃瓜T明顯高于秋冬季。由于作物蒸騰作用使T降低，白天T較強時T明顯低于T，這種趨勢在T相對較強的春夏季更為明顯，T與T的最大差值在春夏季為4.4℃，秋冬季為2.0℃；夜間春夏季T與T極為接近，但在秋冬季T高于T。在沒有強制通風情況下，溫室內風速極低，且基本保持恒定，春夏季和秋冬季溫室內平均風速均為0.06 m/s。

2.2 黃瓜葉片氣孔阻力的確定

葉片氣孔阻力r是確定PM模型中冠層阻力r的關鍵參數，r的大小由作物葉片氣孔開閉程度決定，在充分供水條件下，氣孔的開閉主要受氣象因子的影響[17]，因此可通過分析r與溫室內氣象因子的響應關系來確定r[6,17]。本研究對r與溫室內氣象因子相關關系分析結果顯示，太陽輻射R為影響r的主要氣象因子，兩者呈指數函數關系，r隨R的變化規律如圖2所示，其關系式如下：

該研究結果與Jolliet等[8]、Qiu等[10]對溫室番茄和甜椒的研究結果有相似的回歸關系，即通過構建單一氣象因子R與r的關系來確定溫室作物r，但不同作物種類及溫室氣候環境使得不同研究中R與r的回歸系數存在差異。從圖2可看出，在R較低時，r較高，其原因為黃瓜葉片氣孔在R較低時基本處于關閉狀態，隨著R的增大，葉片氣孔打開并進行光合作用，氣孔阻力迅速下降[4,21]。隨著R繼續增大，r降低速度變緩，當R大于100 W/m2時，氣孔阻力基本穩定在100 s/m，該結果與羅衛紅等[2]在附近地區對Venlo型溫室冬季黃瓜r的研究結果相符，但低于Yang等[25]對美國中東部地區溫室黃瓜的研究結果，不同的地區氣候條件和溫室內種植管理方式可能是造成結果存在差異的主要原因。

注：R為太陽輻射，T為黃瓜蒸騰量，RH為相對濕度，T為氣溫，T為冠層溫度，為風速。

Note:Ris solar radiation,Tis cucumber transpiration, RH is relative humidity,Tis air temperature,Tis canopy temperature, andis wind speed.

圖1 不同種植季節黃瓜植株蒸騰及溫室內氣象因子的變化

Fig.1 Variations of transpiration and meteorological factors of cucumber at different planting seasons in greenhouse

圖2 黃瓜葉片氣孔阻力rs與太陽輻射Rs的關系

2.3 模型參數rc與ra的確定

通過觀測作物冠層溫度、空氣溫度、溫室內風速及黃瓜生長特征等資料，基于表1對溫室內對流類型進行判別，并采用熱傳輸系數法計算r。結果顯示，在溫室沒有強制通風的條件下，春夏季和秋冬季溫室內主要對流類型為混合對流，發生混合對流的時段占總計算時段的比例分別為80%（春夏季）和94%（秋冬季）。不同種植季節，自由對流和強迫對流發生的時段存在差異，春夏季5%的時間為自由對流，主要發生在白天，15%的時間為強迫對流，全部發生在夜間；秋冬季2%的時間為自由對流，全部在白天，4%的時間為強迫對流，白天和夜間均有發生。溫室內大多數時間的對流類型為混合對流，與Qiu等[10]在西北地區日光溫室內研究得出的結果相似，但本研究中自由對流主要發生在白天，Qiu等[10]的研究表明自由對流主要發生在夜間和清晨，強迫對流沒有發生，溫室類型的不同和地區氣候的差異可能是造成結果不同的原因。

圖3為根據黃瓜葉片氣孔阻力r和有效葉面積指數確定的冠層阻力參數r，以及采用Perrier對數法和熱傳輸系數法計算的空氣動力學阻力（P和H）在晴天的變化規律，圖3a與圖3b為不同種植季節黃瓜生長中期（春夏季：2018年5月9日，秋冬季：2017年11月8日）的計算結果。從圖中可看出，r在夜間較大且恒定，春夏季和秋冬季r值分別為533和574 s/m；白天日出前后變幅較大，其值隨日出迅速下降，春夏季07:00－17:00變化穩定，該時段r均值為96 s/m，18:00之后r值迅速升高；秋冬季09:00－15:00變化幅度較小，該時段r均值為112 s/m，16:00之后r迅速升高。2種方法計算的r（P和H）變化較r穩定，其值在白天均高于r，且P法的計算值在兩季中整體高于H法的計算結果，春夏季和秋冬季P的平均值分別為388和383 s/m；而H值較P變化幅度小，計算的平均值分別為141和158 s/m。以往學者對不同地區溫室作物r的研究取得了不同的結果，Villarreal-Guerrero等[21]在美國西南部研究表明，溫室甜椒和番茄的r分別為59和70 s/m，Morille等[17]在法國西北部研究結果顯示溫室內新幾內亞鳳仙花的r平均為220 s/m。

注：rP a和rH a分別為采用Perrier對數法和熱傳輸系數法計算的空氣動力學阻力。

2.4 基于不同ra及rc評價PM模型的模擬精度

將基于氣孔阻力r估算的r及2種r計算方法（Perrier對數法和熱傳輸系數法）分別應用于PM模型，對不同種植季節溫室黃瓜植株蒸騰T進行模擬。基于2種r方法模擬的T與實測值的比較結果如圖4所示，圖中數據為黃瓜生育中期選取晴天每日相對應數據的平均值（春夏季：2018年5月8日－15日，秋冬季：2017年11月7日－10日）。由圖4可知，采用PM-P法和PM-H法計算的T與實測值變化趨勢基本相同，且較為接近。PM-P法和PM-H法在上午時段均高估了T；但在下午時段PM-H法的模擬結果與實測值極為接近，PM-P法卻明顯低估了T實測值。在T較小的夜間，PM-P和PM-H法的模擬結果均略低于實測T。此外，在12:00左右，PM-P和PM-H的模擬結果出現突然下降的趨勢，引起該下降的原因為該時段PM模型中主要輸入變量太陽凈輻射在觀測過程中受到溫室橫梁的遮擋而產生突然下降。

圖5為不同種植季節PM-P法和PM-H法模擬T與實測值的線性擬合結果（春夏季：2018年5月8日—15日，秋冬季：2017年11月7日—10日）。當T較小時，PM-P法和PM-H法的模擬結果與實測T的擬合點均分布在1∶1線附近，表明當T較小時，Perrier對數法和熱傳輸系數法計算r對于PM模型輸出精度影響不大，2種方法均適用于PM模型對T的模擬，隨著實測T逐漸增大，擬合點的分散程度逐漸增大。PM-P法在兩季中的模擬值與實測T的擬合線都在1∶1線的下方，表明采用Perrier對數法計算r都使得PM模型低估T，其低估程度在秋冬季略高于春夏季。在不同種植季節，采用PM-H法的模擬結果與實測值的擬合線與1∶1線極為接近。

注：PM-rP a和PM-rH a分別表示PM模型中參數ra采用Perrier對數法和熱傳輸系數法確定。

為進一步評價PM模型對南方地區溫室黃瓜T的模擬精度，將基于2種r計算方法的PM模型模擬的T與實測值進行統計分析（表2）。結果表明，Perrier對數法計算r應用于PM模型時低估了T，春夏季和秋冬季模擬值與實測值擬合線斜率分別為0.91和0.78， RMSE分別為52.48和17.89 W/m2；而熱傳輸系數法計算r應用于PM模型時可準確模擬溫室黃瓜T，春夏季和秋冬季模擬值與實測值的擬合線斜率分別為1.00和0.94，RMSE分別為46.15和12.45 W/m2， NSE均大于0.8。春夏季實測T的均值為94.00 W/m2，PM-P和PM-H法模擬均值分別為78.58和90.07 W/m2；秋冬季實測T均值為31.79 W/m2，2種方法模擬均值分別為23.30 和30.20 W/m2，PM-H法模擬的T均值在不同種植季節均與實測T的均值極為接近。綜合各項統計指標可知，模擬溫室黃瓜T時，PM-H法較PM-P法具有更高的精度，基于PM-H法可準確模擬溫室黃瓜T。

圖5 基于不同ra計算方法PM模型模擬蒸騰值與實測值的比較

表2 基于不同ra計算方法PM模型模擬溫室黃瓜Tr與實測值的統計分析

注：Testimated和Tmeasured分別表示T的模擬值和實測值；2為決定系數；MAE、RMSE和NSE分別為絕對誤差、均方根誤差和Nash-Sutcliffe 效率系數；`Testimated和`Tmeasured分別表示T實測值和模擬值的平均值；為樣點個數。

Note:TestimatedandTmeasuredare estimated and measured transpiration values, respectively;2is coefficient of determination; MAE is mean absolute error; RMSE is root mean square error; NSE is Nash-Sutcliffe efficiency;`Testimatedand`Tmeasuredare the mean transpiration of estimated and measured, respectively;is total number of observations.

3 討 論

溫室作物生產中，灌溉管理和環境調控通常需要準確模擬短時間尺度作物的蒸騰[26-27]。本研究基于0.5 h時間尺度下溫室黃瓜T，確定了PM模型中關鍵參數r和r的計算方法，實現了PM模型在Venlo型溫室內的準確應用。參數r可通過葉面積指數將植株葉片氣孔阻力擴展到冠層尺度推算而來[28]，而氣孔阻力的大小在作物水分供給充足的條件下主要受氣象因子的影響，因此氣孔阻力可表示為不同氣象因子的函數關系。本研究發現黃瓜葉片氣孔阻力與太陽輻射呈顯著的指數函數關系（圖2，式（11）），通過實測太陽輻射可模擬黃瓜葉片氣孔阻力，與以往對溫室其他作物，如西葫蘆[5]、辣椒[10]和番茄[8,11]等的研究結果一致。

Perrier對數法在大田條件下被普遍應用于計算r，但在溫室低風速環境下，本研究得出采用該方法計算r使得PM模型低估了T，與以往學者[13-15]指出的Perrier對數法不適合溫室低風速環境的觀點相符，但也有研究報道Perrier對數法可應用于計算溫室內r，如Gong等[11]認為采用該方法計算r應用于PM模型可用來模擬中國華北地區日光溫室番茄的蒸發蒸騰量。本研究中，基于Perrier對數法計算的溫室內r均高于熱傳輸系數法的計算結果，熱傳輸系數法計算的r應用于PM模型可準確模擬南方地區溫室黃瓜T。采用熱傳輸系數法時，需要確定溫室內對流類型，Rouphael等[5]在地中海地區研究表明，當假定溫室內對流類型為強迫對流或混合對流時，基于該方法計算的r應用于PM模型可準確模擬溫室西葫蘆蒸騰，而Montero等[4]通過分別假設試算3種對流條件下溫室內r并應用于PM模型，發現溫室對流類型為自由對流時，模型結果表現最好。本研究結果表明，中國南方地區Venlo型溫室內對流類型主要為混合對流，采用混合對流條件下熱傳輸系數計算r，PM模型可準確模擬溫室黃瓜T，與Qiu等[10]在中國西北地區日光溫室內取得相似的研究結果。此外，Stanghellini[29]和Villarreal-Guerrero等[21]指出由于溫室內風速較穩定，使得r變化幅度較小，對r取固定值對PM模型模擬精度的影響并不顯著。綜上，在不同地區溫室或不同作物條件下，溫室內的對流類型，以及溫室低風速環境下 PM模型中參數r的研究結果仍存在較大差異。

基于本研究確定的模型參數r和熱傳輸系數法計算的r，PM模型可準確估算該地區Venlo型溫室內黃瓜T，研究成果為溫室黃瓜的精確灌溉和溫室環境調控提供了重要依據。作物生長中期是整個生育期需水最旺盛的階段，也是果實生長和收獲的關鍵時期[30]。本研究針對PM模型估算溫室黃瓜生長中期T及模型關鍵參數的確定進行了研究，該生長階段作物冠層完全覆蓋地面，而對于作物冠層覆蓋稀疏的其他生育階段，PM模型的適用性及模型參數的確定方法仍存在爭議[31]。因此，該研究結果對于預測溫室黃瓜其他生長階段T的適用性有待進一步驗證。

4 結 論

本研究通過觀測Venlo型溫室黃瓜不同種植季節微氣象數據、黃瓜生長生育指標、葉片氣孔阻力及植株蒸騰等數據，對PM模型中關鍵參數的確定方法進行了研究。通過分析溫室黃瓜葉片氣孔阻力r與溫室內氣象因子的相關關系，確定了太陽輻射為影響黃瓜氣孔阻力的主要氣象因子，且與氣孔阻力呈指數函數關系（2= 0.89）；通過r及有效葉面積指數對冠層阻力參數r進行模擬并分析其變化規律。采用2種方法（Perrier對數法和熱傳輸系數法）對空氣動力學阻力參數r進行了計算，檢驗了不同r計算方法對PM模型估算溫室黃瓜植株蒸騰T的精確性的影響，并采用Lysimeter稱重法實測T驗證PM模型的估算精度。具體結論如下：

1）溫室黃瓜T與太陽輻射、氣溫及冠層溫度呈相似的變化規律，均在中午達到最大值，與空氣相對濕度變化趨勢相反。由于作物蒸騰降低冠層溫度，白天冠層溫度明顯低于氣溫，氣溫和冠層溫度的最大差值為4.4 ℃（春夏季）和2.0 ℃（秋冬季）。

2）通過葉片氣孔阻力r和有效葉面積指數確定的r在夜間保持恒定，春夏季和秋冬季均值分別為533和574 s/m，在T較強的白天，均值分別為96（春夏季）和112 s/m（秋冬季）。Perrier對數法計算的春夏季和秋冬季r平均值分別為388和383 s/m，熱傳輸系數法計算的r變化幅度較小，平均值分別為141和158 s/m。

3）在沒有強制通風設置時，溫室內的對流類型主要為混合對流，春夏季和秋冬季混合對流發生時間占研究時段的80 %和94 %。基于熱傳輸系數法計算空氣動力學阻力參數r，PM模型可以更準確模擬南方地區溫室黃瓜T，實測值與模擬值擬合線斜率分別為1.00（春夏季）和0.94（秋冬季），基于Perrier對數法計算r時，PM模型低估了溫室黃瓜T，實測值與模擬值擬合線斜率分別為0.91（春夏季）和0.78（秋冬季）。

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Estimating cucumber plants transpiration by Penman-Monteith model in Venlo-type greenhouse

Yan Haofang1, Zhao Baoshan1, Zhang Chuan2, Huang Song1, Fu Hanwen1, Yu Jianjun1, Samuel Joe Acquah1

(1.,,212013,;2.,,212013,)

Accurate determination of crop transpiration in greenhouses is very important in making exact irrigation scheduling and climate control. The most common method for calculating crop transpiration is the Penman-Monteith (PM) model. In this study, we analyzed the estimating methods of cucumber transpiration by PM method in greenhouse of South China. We measured meteorological data, transpiration and plant growth indicators of cucumber during 2 planting seasons (autumn-winter season in 2017 and spring-summer in 2018) in a Venlo-type greenhouse in south China. The PM model was used to predict the transpiration based on the data averaged over 30-min intervals using different approaches in the calculation of aerodynamic resistance (Perrier logarithm approach and heat transfer coefficient approach). The results showed that transpiration of the cucumber plants was mainly affected by meteorological factors when there was sufficient water supply. The fluctuations of transpiration were consistent with solar radiation, air temperature and canopy temperature, and reached the maximum at noon, while relative humidity of air had the opposite trends. Canopy temperature of the cucumber plants were lower than the air temperature during daytime. The maximum differences between air temperature and canopy temperature were 4.4 ℃ (spring-summer season) and 2.0 ℃ (autumn-winter season) due to the evaporative cooling during high transpiration rates at noon time. By analyzing the response relationships between the stomatal resistance and the meteorological factors, a sub-model was constructed by using the effective leaf area index and stomatal resistanceto simulate the canopy resistance of the PM model. A significant exponential relationship between stomatal resistance and solar radiation was observed in the study (2= 0.89). The simulated canopy resistance determined by stomatal resistance and leaf area index remained constant during the night, with 533 and 574 s/m for spring-summer and autumn-winter season, respectively, and 96 and 112 s/m during the daytime when transpiration was high. The transpiration simulated by PM model were compared with the values measured by lysimeters. Results showed that the convection types of the greenhouse were conducted through mixed convection in about 80% and 94% of the study periods, respectively, for the spring-summer and autumn-winter seasons, while free and forced convection occurred at the rest periods at different times in the 2 planting seasons. In spring-summer season, free convection occurred in 5% of the study period during the day, forced convection occurred in 15% of the study period at night; In autumn-winter season, 2% of the study period was free convection, which all occurred during the day, 4% of the study period was forced convection, which occurred day and night. The variation ranges of aerodynamic resistance calculated by the Perrier logarithm approach and the heat transfer coefficient approach were small, and the average values was 388 and 383 s/m for the spring-summer and the autumn-winter season by the Perrier logarithm approach and 141 and 158 s/m for the spring-summer and the autumn-winter season by the heat transfer coefficient approach,respectively. The study showed that based on the PM model to simulate the cucumber transpiration had a good consistency with the measured values. However, the PM model underestimated transpirationwhen the Perrier logarithm approach was applied, the determination coefficients were 0.87 and 0.91 for spring-summer and autumn-winter seasons, respectively, and the PM model can accurately simulate the greenhouse cucumber transpiration using the heat transfer coefficient approach, the determination coefficients were 0.91 and 0.95, respectively, for spring-summer and autumn-winter seasons.

transpiration; heat transfer coefficients; aerodynamics; stomatal resistance; canopy resistance; convection type

2018-08-04

2019-03-10

國家自然科學基金（51609103、51509107）；江蘇省自然科學基金（BK20150509）；中國農業科學院農田灌溉研究所/農業部作物需水與調控重點實驗室開放基金（FIRI2019-03-0203）

閆浩芳，副研究員，主要從事農業節水灌溉與水分高效利用方面的研究。E-mail：yanhaofang@yahoo.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.018

S161.4

A

1002-6819(2019)-08-0149-09

閆浩芳，趙寶山，張 川，黃 松，付翰文，魚建軍，Samuel Joe Acquah. Penman-Monteith模型模擬Venlo型溫室黃瓜植株蒸騰[J]. 農業工程學報，2019，35(8)：149－157. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.018 http://www.tcsae.org

Yan Haofang, Zhao Baoshan, Zhang Chuan, Huang Song, Fu Hanwen, Yu Jianjun, Samuel Joe Acquah. Estimating cucumber plants transpiration by Penman-Monteith model in Venlo-type greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 149－157. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.018 http://www.tcsae.org