東北日光溫室葡萄園水熱通量特征及其對氣象因子的響應

鄭思宇，王鐵良，魏新光，李 波，孫 君，葛 東，付詩寧

(沈陽農業大學水利學院，遼寧 沈陽 110866)

生態系統水熱傳輸過程與植物生理生態過程、環境特征密切相關[1]，研究地表水熱通量特征是探明生態系統與大氣間相互作用的關鍵[2]，也是合理制定并優化灌溉指標的重要參考指標，對合理分配及高效利用水資源至關重要[3]。東北地區是我國重要的農業生產基地，也是中國日光溫室的起源地，日光溫室面積占設施農業面積的50%以上[4]，近年來也在大力發展溫室果樹產業。其中，遼寧省溫室葡萄栽培面積達2.19×104hm2，已經成為當地設施農業主要的生產形式與經濟來源[5]。水分管理是保證葡萄優質高產的關鍵環節，特別對溫室而言，不合理的用水方式會造成水分利用率降低，還會導致溫室內病蟲害發生機率增大[6]，從而影響葡萄品質及產量。

目前，關于研究植物蒸散發及能量分配的研究很多，比如有玉米[7-9]、水稻[10-11]、小麥[11]等，其中，對葡萄園水熱特征研究也非常多。Yunusa等[12]利用波文比系統研究了澳大利亞地區滴灌葡萄園的水熱通量變化規律，發現在2月中旬，可用凈輻射分別被感熱通量(H)、潛熱通量(λET)與土壤熱通量(G)均分，而到了3月末，H占比會下降到38%。Zhang等[13]研究荒漠綠洲葡萄園發現，不同生長階段潛熱通量與凈輻射比率(λET/Rn)、感熱通量與凈輻射比率(H/Rn)、土壤熱通量與凈輻射比率(G/Rn)變化范圍分別為29%～38%、57%～65%、4%～7%。Heilman等[14]研究表明葡萄冠層結構會對能量分配產生影響，H/Rn占冠層能量平衡較大部分。Kool等[15]對以色列干旱地區灌溉葡萄園水熱通量進行研究時發現，H與λET之間相差不大，最大值在130～300 W·m-2之間變化，這期間的H/λET的值取決于上次灌溉以來的時間長短且灌溉會導致H快速下降，當日灌溉時，H最高達到64 W·m-2，第二天達到191 W·m-2，在之后不灌溉最高達到256 W·m-2。以上對葡萄園的研究都集中于大田環境，對溫室研究較少。對溫室中能量平衡及能量分配的研究多集中于蔬菜。Qiu等[16]對溫室辣椒進行研究發現，在不同滴灌條件下，辣椒全生育期白天H/Rn均高于λET/Rn，白天G/Rn則較低，最高僅為7.9%，此外還得出λET/Rn與葉面積指數(LAI)呈線性增加關系。龔雪文[17]在對溫室番茄研究時發現在不同生育期各能量分量占比有所不同，且具有季節性變化。從以上研究可知，因為影響能量分配及植物蒸散發因素較多(土壤含水率，葉面積指數，栽培模式等)，所以導致各地區植物之間水熱通量差異較大。況且，溫室內凈輻射要低于外部環境，空氣流通性較差，風速低且空氣濕度較大，會導致能量分配與蒸散發更為復雜[16]。目前也少見針對東北日光溫室條件下葡萄水熱傳輸的研究。因此，本文對東北日光溫室條件下，葡萄水熱能量分配及其對環境因子的響應作初步探索，以期為該地區溫室葡萄節水灌溉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年5月1日—11月4日在沈陽農業大學試驗基地遼沈Ⅲ型日光節能溫室(N41.82°，E123.57°)內進行，溫室坐北朝南，脊高4 m，跨度8 m，長度60 m，溫室設計采用單面采光拋物面式，拱形鋼桁架結構，溫室內無支柱。前屋面覆蓋材料為PVC防老化塑料無滴膜，采用防雨被作為保溫措施。供試土壤0～60 cm土層容重為1.44 g·cm-3, 田間持水率為0.223 cm3·cm-3。

供試葡萄品種為“玫瑰香”(VitisviniferaL. cv. Muscat Ham-burg)，于2015年3月完成定植，于4月25日施入基肥(雞糞干含有機質62%，粗蛋白質30%，氮磷鉀8%左右)，施用量為3.3×104kg·hm-2。在新梢生長期(DOY131～162)、開花坐果期(DOY163～192)主要以施用氮肥(尿素，含氮量為42%)為主，在果實膨大期(DOY193～221)以及果實著色成熟期(DOY222～264)以施用復合肥為主，落葉期(DOY265～309)基本不施肥。N、P2O2、K2O折合為有效肥量分別為200、140、160 kg·hm-2。為防止土壤無效蒸發，進行覆膜處理。灌溉方式為自動灌溉，使葡萄全生育期土壤含水率控制在田間持水量60%～80%，當葡萄水勢低于下限閾值時開始灌溉，當達到上限閾值時停止灌溉。采用Y型棚架，棵間距為0.5 m，行間距為3 m，藤長為3.5～4.5 m。

1.2 觀測指標與測定方法

1.2.1 生態指標的測定 葉面積采用人工測量法，在整個試驗期間隨機選取10株葡萄標記新梢，測量枝條上所有葉子的長度及最大寬度。此外，隨機摘取大小不一20片的葉子，記錄葉長及最大葉寬，并進行拍攝，用Image J軟件測量葡萄準確面積，建立葉面積與葉長、最大葉寬的回歸關系。利用回歸關系對枝條上葡萄葉面積進行估算，計算出相應葡萄植株的總葉面積，用葉面積投影除以冠層投影面積獲得植株葉面積指數(LAI)。測量頻率為7～10 d。

1.2.2 葡萄液流的測定 采用DynagageFlower32-1K系統(Dynamax Inc., Houston, TX, USA)對葡萄植株液流動態進行監測，為防止與外界熱量發生交換，用錫箔紙對傳感器部位進行包裹。為了防止連續加熱對植株造成傷害，每10～15 d將傳感器卸下并進行維護。在溫室中選擇8株長勢一致植株進行測定，被測樹體直徑為19.6 cm±1.5 cm。用CR1000 型數據采集器進行數據的采集，采集頻率為30 min·次-1。液流計算公式為:

(1)

式中,Fr為莖流瞬時速率(g·h-1)；Pin為輸入的熱量(W)；Qr為徑向散熱(W)；Qv為豎向導熱(W)；Cp為水的比熱；dT為豎向兩個熱電偶電壓和的平均值(℃)。

1.2.3 水熱平衡分量及氣象數據的測定 溫室中的氣溫(Ta，℃)、相對濕度(RH，%)采用位于溫室中部的自動氣象站(Campbell Scientific, Inc., Logan, UT, USA)測定，安裝高度為2 m。水汽壓虧缺(VPD，KPa)由空氣溫度與相對濕度計算可得[18]。葡萄冠層上方的凈輻射(Rs，W·m-2)采用凈輻射計(Model TBB-1,錦州陽光氣象科技有限公司,中國)進行測定。土壤熱通量(G，W·m-2)用2個UKSEFLUXHFP01熱通量板測定，分別埋設距葡萄根部30 cm處，垂直深度為5 cm。使用CR1000型數據采集器進行采集，采集頻率為30 min·次-1。

1.2.4 潛熱通量及感熱通量的計算 植物騰發過程受植被表層上的能量變化控制，忽略由平流作用產生的能量以及光合作用及各種能量轉換，能量方程可表示為[10,17]：

Rn-λET-H-G=0

(2)

式中,λET為潛熱通量(W·m-2)；H為顯熱通量(W·m-2)。

由于試驗為覆膜處理，可忽略土壤蒸發，即：

(3)

式中,λ為水的汽化潛熱(J·kg-1)；A為葡萄蒸騰面積(株·m-2)；Fr為莖流瞬時速率(g·h-1)。

潛熱通量(H)采用能量平衡法計算。

1.3 數據統計與分析

試驗數據采用Microsoft Excel進行整理和計算，使用SPSS 19.0對數據進行統計分析,使用Origin 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 葡萄生態指標及日光溫室萄萄園內環境變化

圖1為試驗期間葡萄生態指標及溫室環境日變化。由于設備故障等原因導致DOY187～190、DOY199～212數據缺失。其中，圖1a為全生育期葡萄葉面積指數及日均液流變化。利用葉面積指數和DOY之間進行擬合，擬合方程系數達0.98。在新梢生長期及開花坐果期LAI增長迅速，在果實膨大期及果實成熟期LAI保持相對較高，最高值達到2.64 m2·m-2。在落葉期葡萄葉脫落不嚴重，落葉期LAI仍相對較高，直到11月中下旬葡萄藤上仍存在許多葉子。葡萄液流日變化具有季節性，新梢生長期、開花坐果期、果實著色成熟期、落葉期日均液流量分別為37.79、61.99、46.38、27.01 g·h-1，由于果實膨大期數據缺失較為嚴重，并不做統計。

圖1b、c為全生育期溫室內主要氣象因子(Rn、Ta、RH、VPD)日均變化。在試驗期間Rn變化范圍為33.34～129.76 W·m-2，平均值為61.65 W·m-2。VPD的變化趨勢與Rn相似，變化范圍為0.38～1.77 kPa，均值為0.71 kPa。從圖中可以看出，在開花坐果期到果實著色成熟期，溫室內Ta較高，日均值最高為33.48℃。相對其他3個氣象因子來說，在整個生育期RH均保持在較高的水平，最大值達到了60.24%。

2.2 日光溫室葡萄園內能量分配

選取各生育階段典型日5～7 d，將同時段的Rn、λET、H、G進行平均，得到溫室葡萄園的平均水熱通量日變化，如圖2所示。從圖中可以看出，能量平衡各分量總體上呈現為單峰變化趨勢，一般白天均為正值，夜間為負值。但不同生育期分量正負轉換時間不同，這主要是由于生育階段環境不同導致的[17]。Rn的峰值出現在12∶00—13∶00左右，峰值有不同程度波動，波動范圍為110.93～618.75 W·m-2，這種變化主要是受太陽高度、天空云量以及下墊面作物生長情況等影響[19]。λET最大值波動范圍是42.24～242.73 W·m-2，H最大值波動范圍是56.57～327.93 W·m-2，λET與H變化規律與凈輻射變化規律一致性較好，隨著凈輻射的增加而增加。在新梢生長期，λET的值較小且遠遠小于H，平均最大值為35.86 W·m-2；在其余生育期λET與H差別并不是很大，且果實著色成熟期期λET峰值大于H峰值，二者峰值分別為265.81、229.72 W·m-2。G是凈輻射另外一個重要的能量支出，其變化相對平緩，在夜晚一般為負值。各生育期平均G分別為7.76、-0.3、6.48、1.94、3.69 W·m-2?？梢钥闯?，各生育階段G大多數都低于λET和H，其滯后現象并不明顯。

圖1 溫室內葡萄液流、生理指標(LAI)及主要環境因子(Ta, Rn, RH, VPD)日均變化Fig.1 Average daily variation in sap flow, physiological index (LAI) of grapevine and mainenvironmental factors (Ta, Rn, RH, and VPD) in greenhouse

注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表新梢生長期、開花坐果期、果實膨大期、著色成熟期、落葉期。下同。Note: Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ represent the growth stage of new shoots, the flowering and fruiting stage, the fruit expansion stage,fruit coloring and fruit maturity stage and the leaf fall stage, respectively. The same below.圖2 溫室葡萄不同生育期水熱通量日變化Fig.2 Daily variation of water and heat fluxes of greenhouse grapevine at different growth periods

表1與圖3分別為溫室內葡萄各生育期白天能量分量的平均值變化及日均能量比率的季節變化。從表1可知，白天Rn與λET的值在新梢生長期及落葉期較小，新梢生長期、落葉期Rn的值分別為120.87、110.65 W·m-2，λET為34.55 W·m-2和42.5 W·m-2。在果實著色成熟期，白天Rn與λET的值較大，分別為177.70、78.49 W·m-2。白天λET/Rn在著色成熟期最大，為44.17%，在新梢生長期最小，為28.58%。然而H/Rn在新梢生長期最大，達到為62.31%，且隨著生育進程有下降趨勢。在新梢生長期及開花坐果期，G/Rn同樣表現為最大，分別為9.10%、12.32%。由圖3仍可以看出在整個生育期比率大小依次為H/Rn>λET/Rn>G/Rn。λET/Rn季節性變化處于11.23%～68.32%之間，H/Rn處于26.34%～86.31%之間。出現以上結果的原因可能是因為在葡萄生育初期，葉子稀疏，地表裸露面積較大，冠層表面接收能量較小，而隨著葡萄生長冠層面積逐漸增大。此時，冠層截獲光能力變強，λET逐漸增加，H與G逐漸減小，但H仍是凈輻射的最大占比通量[2]。

2.3 日光溫室葡萄園潛熱通量與環境因子的關系

圖4為溫室內葡萄各生育期瞬時潛熱通量和氣象因子的相關關系，圖5為各生育期瞬時潛熱通量與氣象因子的相關系數統計。從圖中可以看出，太陽輻射對λET的影響最重要，太陽輻射強度的大小決定著葉片氣孔開閉狀態，氣孔開度越大，則蒸騰作用就越強[20]，兩者呈現線性關系，各生育期R2值均較高，最高達到0.88。隨著Ta的升高λET也升高，而隨著RH增大λET有減小的趨勢。Ta、RH分別與λET之間的相關系數表現為Ta>RH(見圖5)。VPD在一定程度上反映了植株葉片中的水分進入空氣中的難易程度，Ta、RH對λET的影響很大程度上是通過改變水汽壓梯度來實現的，VPD和λET之間的相關系數與Ta和λET之間的相關系數相比相差并不大，變化范圍為0.36～0.65，果實著色成熟期相關系數遠大于Ta與λET的相關系數。日尺度上VPD與λET相關系數要大于Ta與λET相關系數?？偟膩碚f，Rn是影響潛熱變化的最主要氣象因子，其次為VPD、Ta、RH。各生育期Rn始終是λET最主要的控制因子。

表1 溫室內葡萄不同生育期白天能量分量及分配規律

圖3 日光溫室葡萄園能量日均分配的季節變化Fig.3 Seasonal variation of daily average energy distribution of vineyards in solar greenhouse

對全生育期溫室葡萄日均潛熱通量與氣象因子進行線性回歸分析(見表2)，發現λET與氣象因子的關系與各生育期相似，但相關系數有所降低，Rn與λET相關系數為0.79，與RH的相關系數僅為0.28。這表明隨著研究時間尺度的增加，氣象因子對λET的影響在逐漸變弱。這主要是因為在全生育期尺度上，λET不僅受氣象因子的影響，還受植株生長特性的影響。但氣象因子與潛熱通量的相關系數仍表現為：Rn>Ta>VPD>RH。

3 討 論

對土壤-作物水熱傳輸系統的研究是確定作物需水規律及需水量的重要參考部分，探討水熱傳輸規律是提高灌溉決策的核心。本文研究溫室葡萄水熱通量變化時發現，在生育初期，λET/Rn的值較小，隨著葡萄發育λET/Rn逐漸增大，在果實著色成熟期達到最大，落葉期有所降低，這主要是因為LAI增大，導致作物蒸騰變大，這與Qiu等[16]得到的結果是一致的。但在整個生育期，H是凈輻射最主要的能量支出，H/Rn達50%以上；余昭君等[21]在對葡萄園進行研究時也發現H/Rn的值在各個生育階段都大于0.60。干旱荒漠綠洲葡萄園在生育后期潛熱通量基本高于感熱通量[19]，而本研究發現，只有在果實膨大期潛熱通量的平均最大值會高于感熱通量，這點與Oliver等[22]研究結果一致，導致出現不同結果的原因可能是因為灌溉方式不同引起的，灌水量、灌溉時間等都會影響葡萄園的生物氣候情況[14-15]。葡萄屬于稀疏植被，冠層結構也會對能量分配產生一定的影響，這也可導致各地區研究結果的不一致[15]。土壤熱通量在整個生育期都維持在相對穩定的水平，在落葉期土壤熱通量較低，這是因為此時輻射較弱，溫度有所降低，導致此時土壤熱通量較小。潛熱通量代表騰發部分，是溫室葡萄能量主要消耗形式之一，通過回歸分析表明，Rn是影響潛熱通量最主要的氣象因子，其次是VPD，這點與其他學者研究結果一致[2,11,17]。

圖4 葡萄不同生育期潛熱通量(λET)與氣象因子的關系Fig.4 Relationships between λET and meteorological factors in different growth periods of grape

圖5 葡萄不同生育期潛熱通量(λET)與氣象因子的相關系數變化Fig.5 Variation of correlation coefficient between λET andmeteorological factors in different growth periods of grape

表2 溫室葡萄日潛熱通量與氣象因子的線性回歸

4 結 論

1)水熱通量各分量在整個生育期日變化總體上呈現單峰趨勢，Rn的峰值波動范圍為110.93～618.75 W·m-2，λET峰值波動范圍是42.24～242.73 W·m-2，H峰波動范圍是56.57～327.93 W·m-2。在新梢生長期及落葉期，白天凈輻射和潛熱通量較小，隨著生育期的推進潛熱通量逐漸增大，在果實著色成熟期達到最大值78.49 W·m-2。顯熱通量在全生育期均較大。

2)白天潛熱通量占凈輻射的比值在新梢生長期最小，為25.28%，在果實著色成熟期最大，為44.17%。感熱通量占凈輻射比值整個生育期都達50%以上，土壤熱通量占凈輻射比值相對較小，最大僅為12.32%。在整個生育期H/Rn>λET/Rn>G/Rn。λET/Rn季節性變化處于11.23%～68.32%之間，H/Rn處于26.34%～86.31%之間。

3)通過分析氣象因子(Rn、Ta、RH、VPD)對潛熱通量的影響，結果表明：在不同生育階段瞬時尺度上，Rn是影響潛熱變化最主要的氣象因子，R2最高達0.88。RH與潛熱通量之間表現為負相關關系。與瞬時尺度相比，在日尺度上各氣象因子對潛熱通量的影響在逐漸變弱，RH與潛熱通量相關系數僅為0.28。但無論從瞬時尺度還是日尺度來說，Rn仍然是影響潛熱通量最主要的氣象因子。各氣象因子對潛熱通量的影響為：Rn>Ta>VPD>RH。