基于灰色關(guān)聯(lián)度模型的溫室茶樹騰發(fā)量影響因素研究

孫紅嚴(yán)，馬德新,2,3

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動漫與傳媒學(xué)院，山東 青島 266109；2.山東省計(jì)算中心(國家超級計(jì)算濟(jì)南中心)，濟(jì)南 250014； 3.山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(tǒng)種植作物之一，茶是現(xiàn)代社會的多功能產(chǎn)品，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。茶樹主要生長在暖溫帶、亞熱帶地區(qū)，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(diǎn)，可分為4個(gè)時(shí)期：幼苗期、幼年期、成年期和衰老期，其經(jīng)濟(jì)年齡期較長，約為45 a[1,2]。環(huán)境因子的控制對茶樹的生長以及茶葉的產(chǎn)量具有重要意義，但是在我國北方地區(qū)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(jìn)茶樹生長。

作物需水量是制定灌溉用水額度的重要依據(jù)，而作物騰發(fā)量是確定其需水量的關(guān)鍵參數(shù)，它的精確度直接影響著作物需水量的準(zhǔn)確度。對于作物參照騰發(fā)量，許多專家學(xué)者都提出了計(jì)算方法、模型與理論，其中聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)專家組提出的Penman-Monteith方程是目前唯一推薦的計(jì)算方法[3,4]。由于露天大田環(huán)境具有較大的差異性，王健[5]等人，以P-M方程為基礎(chǔ)公式，通過空氣動力學(xué)原理對風(fēng)速以及地表凈輻射規(guī)律進(jìn)行了修正，導(dǎo)出了適合溫室參考作物騰發(fā)量的P-M修正式。潘永安[6]等人研究試驗(yàn)了在某些環(huán)境因子缺失下，P-M溫室修正式的應(yīng)用。但各環(huán)境因子之間作用關(guān)系聯(lián)系非常復(fù)雜，因此在計(jì)算溫室茶樹騰發(fā)量之后通過引入灰色關(guān)聯(lián)度模型來探索各環(huán)境因子對溫室茶樹騰發(fā)量的影響程度。

灰色關(guān)聯(lián)度模型分析法是灰色系統(tǒng)理論中的一種分析法，該方法由于其在對分析相互關(guān)系方面具有極好的作用，因此被廣泛應(yīng)用。通過使用灰色關(guān)聯(lián)分析法可以有效得出參考作物騰發(fā)量與各環(huán)境因子之間的相互關(guān)系，通過人為的調(diào)控各環(huán)境因子，來促進(jìn)茶樹更好的生長，達(dá)到增加產(chǎn)量和提高質(zhì)量的目的。能為我國北方溫室茶園精量灌溉提供理論依據(jù)，減少農(nóng)業(yè)用水資源的浪費(fèi)。

1 材料及方法

1.1 溫室茶園試驗(yàn)區(qū)情況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于青島市城陽區(qū)東旺疃村北溫室茶園(編號：9711)，距青島農(nóng)業(yè)大學(xué)約為5.7 km,地理坐標(biāo)為E120°46′，N36°33′，海拔高度為54.90 m；主要位于暖溫帶季風(fēng)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(gè)溫室約有1 900 株茶樹，茶樹品種為“黃山小種”。溫室內(nèi)植株高度在0.24～0.46 m范圍之內(nèi)，計(jì)算時(shí)取值為0.35 m。灌溉采用滴灌帶方式，每個(gè)滴孔之間的距離約為0.2 m。

1.2 環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集

采用壓力表測量灌水量，溫室內(nèi)裝有山東省計(jì)算中心智能控制技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制的2臺小型農(nóng)業(yè)智慧監(jiān)測站，它主要利用傳感器監(jiān)測溫度T(℃)、相對濕度RH(%)、光照強(qiáng)度L和土壤含水量W(%)以及土壤熱通量G(W/m2)。每1 h監(jiān)測站上傳一次數(shù)據(jù)，在茶樹的春梢生長期內(nèi)(2018年3月1日-2018年4月15日)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)可以通過手機(jī)應(yīng)用端以及PC端網(wǎng)站進(jìn)行導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)。

1.3 溫室茶樹騰發(fā)量計(jì)算方法

王林林[7]等人在青島農(nóng)大智慧茶園溫室內(nèi)以Penman-Monteith方程作為基礎(chǔ)，通過借鑒P-M溫室修正式結(jié)合溫室茶園實(shí)際情況進(jìn)行了試驗(yàn)，并提出相對準(zhǔn)確的溫室茶樹騰發(fā)量計(jì)算模型ET0(T)。本文將利用此模型進(jìn)行溫室茶樹騰發(fā)量計(jì)算，計(jì)算公式如下：

ET0(T)=

(1)

式中：ET0(T)為溫室茶樹騰發(fā)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(shù)0.064 6 kPa/℃；ea和ed分別為飽和水汽壓和實(shí)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(guān)聯(lián)度模型介紹及其計(jì)算方法[8-11]

對于兩個(gè)系統(tǒng)之間的因素，它們之間的變化不會隨著時(shí)間的改變而改變的相關(guān)性大小的量度，被稱為關(guān)聯(lián)度。在這個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化時(shí)，如果兩個(gè)或多個(gè)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(guān)聯(lián)度越高，否則，就越低。灰色關(guān)聯(lián)度模型分析一般是包括以下5個(gè)環(huán)節(jié)：

(1)原始的數(shù)據(jù)的預(yù)先處理，確定對比因素與參照數(shù)例。首先設(shè)評價(jià)因素有a個(gè)，評價(jià)指標(biāo)有b個(gè)參考數(shù)列：y0={y0(k|k=1,2,…,b)}，比較數(shù)列為：yi={y0(k)|k=1,2,…,b}。

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

(3)計(jì)算灰色相關(guān)系數(shù)。

計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式為：

ζ(k)=

(2)

(4)評價(jià)分析。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度的大小對各個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行排序，確定其相關(guān)程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫室茶樹騰發(fā)量典型天氣日變化量結(jié)果與分析

選取試驗(yàn)期間內(nèi)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(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取階段從10∶00至下午17∶00結(jié)束，以溫室茶樹騰發(fā)量模型ET0(T)為基本計(jì)算公式，使用Matlab進(jìn)行計(jì)算。3月典型天氣溫室茶樹各時(shí)間段騰發(fā)量如圖1所示。從圖1明顯可以得出溫室茶樹騰發(fā)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(dá)到峰值之后會繼續(xù)下降。說明光照強(qiáng)度對溫室茶樹騰發(fā)量影響較大，且晴天時(shí)茶樹騰發(fā)量明顯高于陰天和雨天，并且在陰天和雨天時(shí)變化量基本相同，但由于雨天時(shí)天氣悶熱溫度較高所以有時(shí)雨天茶樹騰發(fā)量會高于陰天的。

圖1 2018年3月典型天氣溫室茶樹各時(shí)間段騰發(fā)量

3.2 溫室茶樹騰發(fā)量每日變化結(jié)果分析

選取試驗(yàn)期間內(nèi)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(jì)算2018年3月2日-2018年3月20日茶樹騰發(fā)量數(shù)據(jù)，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(fā)量也在逐漸地增加，但在陰雨天氣時(shí)或者當(dāng)日溫度降低時(shí)茶樹騰發(fā)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(dāng)日光照強(qiáng)度不強(qiáng)進(jìn)而影響茶樹騰發(fā)量大小，隨著天氣溫度的上升茶樹騰發(fā)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(shí)會對溫室茶樹的騰發(fā)量產(chǎn)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(fā)量數(shù)據(jù)

3.3 利用灰色關(guān)聯(lián)度模型計(jì)算結(jié)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(nèi)氣象因子數(shù)據(jù)以及茶樹蒸騰蒸發(fā)量數(shù)據(jù)如表1～表3所示，參考作物騰發(fā)量與各氣象因子的關(guān)聯(lián)度及排序如表4～表6所示。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度模型的計(jì)算公式，將數(shù)據(jù)代入用Matlab軟件編寫的計(jì)算程序內(nèi)可以算出各因素關(guān)聯(lián)度的大小，如果灰色關(guān)聯(lián)度的數(shù)值越大，就說明某個(gè)環(huán)境因子對目標(biāo)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(tài)下影響度大小都是按著土壤含水量>溫度>相對濕度>光照強(qiáng)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(fā)模型計(jì)算的作物騰發(fā)量與各溫室環(huán)境因子之間關(guān)系整體上趨勢相同，其中土壤含水量對溫室茶樹騰發(fā)量的影響最大，因此在灌溉施水時(shí)要注意控制水量，結(jié)合其他環(huán)境因子通過調(diào)控其大小可以促進(jìn)和降低溫室茶樹的騰發(fā)量，從而提高茶樹生長條件以及茶葉產(chǎn)量。

表1 晴天(2018年4月6日)各氣象因子數(shù)據(jù)

表2 陰天(2018年4月4日)各氣象因子數(shù)據(jù)

表3 雨天(2018年4月3日)各氣象因子數(shù)據(jù)

表4 參考作物騰發(fā)量晴天(2018年4月6日)與

表5 參考作物騰發(fā)量陰天(2018年4月4日)與

表6 參考作物騰發(fā)量與雨天(2018年4月3日)與

4 結(jié) 語

參考作物蒸騰量的大小除了受自身生理?xiàng)l件和環(huán)境因子影響外，種植戶的栽培技術(shù)、灌溉施肥、自身品種也會對其產(chǎn)生不同程度的影響[13-15]。使用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，簡單方便且結(jié)果與作物實(shí)際表現(xiàn)一致[16]。在這里主要運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度模型分析結(jié)果表明，影響北方溫室茶樹騰發(fā)量的主要因素為環(huán)境因子且對茶樹騰發(fā)量的影響程度不同。在實(shí)際操作計(jì)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(jì)算時(shí)還具有一定的認(rèn)為主觀性，因此我們應(yīng)該更多地運(yùn)用現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)對溫室茶園環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)控，以求數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在溫室茶園中使用智慧農(nóng)業(yè)設(shè)施進(jìn)行工作，根據(jù)茶樹的生長需求設(shè)定一定的數(shù)據(jù)臨界值，當(dāng)達(dá)到這一臨界值時(shí)就采用灌溉、施肥、通風(fēng)、遮陰、通過等一系列操作去調(diào)節(jié)環(huán)境因子,以求能降低環(huán)境因子對茶樹生長所造成的不利影響，在灌溉時(shí)能夠根據(jù)茶樹需水量和蒸騰蒸發(fā)量進(jìn)行精確澆水，提高茶葉的產(chǎn)量以及質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)約一定的水資源，減少肥料的浪費(fèi)，進(jìn)一步促進(jìn)茶葉經(jīng)濟(jì)發(fā)展的穩(wěn)步向前。