小型植株蒸騰蒸發(fā)量測定裝置與影響因素的研究

周詩豪

摘 要：以STC89C52單片機作為控制芯片，制作一個小型植株蒸騰蒸發(fā)量測定裝置。該裝置通過S型拉力感應器把整個植株的重量轉(zhuǎn)化為電信號，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲并轉(zhuǎn)化為蒸滲量，精度高，操作簡單。利用該裝置測出植物在不同環(huán)境下的蒸騰蒸發(fā)量，即做對照試驗。根據(jù)對照試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析植物蒸騰蒸發(fā)量的影響因素。

關(guān)鍵詞：小型植株；蒸騰蒸發(fā)量；對照試驗；影響因素

一、引言

水是植物光合作用的重要成分，也是所有生物的生命之源。植物的需水量（即蒸騰蒸發(fā)量）等于植株蒸騰和棵間蒸發(fā)之和。在城市中，隨處可見的小型植株是城市水資源循環(huán)的重要組成部分，包括路旁的矮樹、盆栽及公園里的盆景等。掌握各類小型植株的需水規(guī)律對于研究城市水循環(huán)過程、灌溉量的實施、水資源的合理運用等具有重要意義。為準確，實時地測定小型植株的蒸騰蒸發(fā)量，并分析蒸騰蒸發(fā)量的影響因素?，F(xiàn)以小型盆栽植物作為研究對象，設計一種上、下位機集成的吊秤式小型植株蒸滲儀裝置。此蒸滲儀主要包括拉力感應器、下位機、上位機、連接件、支架和盆栽容器6個部分。此外，還包括385微型水泵、風扇、植物補光燈等提供影響因子的硬件（通過藍牙模塊實現(xiàn)安卓手機端與單片機間的通信控制）。實驗預計結(jié)果，在無人監(jiān)管的工作環(huán)境下，蒸滲儀下位機能夠自動的采集，顯示和儲存數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機完成數(shù)據(jù)的顯示，存儲和分析。借助此裝置，我們可以測定在特定的環(huán)境下，植株在一段時間內(nèi)的蒸騰蒸發(fā)量。其值同參考公式得出的結(jié)果基本一致。

二、技術(shù)路線

該裝置的系統(tǒng)流程圖如下：

三、軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計將采用模塊編程方法，每一個功能程序模塊都能完成某一明確的任務，實現(xiàn)具體的某個功能。

1.下位機。包括初始化模塊、采集模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、實時時鐘和串口通信模塊。

2.上位機。利用vc++語言設計研發(fā)，軟件界面包括登陸界面、主界面、串口設置、通道設置和數(shù)據(jù)查看添加等部分。相當于一個簡易的串口調(diào)試器，可以顯示當前的質(zhì)量，獲取0、6、12、18點從稱重傳感器測得的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)。

3.安卓手機端軟件。該軟件是由JAVA語言編寫的藍牙串口通信軟件。手機端藍牙與單片機端藍牙連接，人即能通過手機發(fā)出指令控制單片機的IO口輸出，達到控制水泵、風扇、植物補光燈的遠程控制效果，節(jié)約了人力資源。

四、硬件設計

吊秤式蒸滲儀的硬件組成部分包括：

S型拉力傳感器、STC89C52單片機、AD轉(zhuǎn)換器HX711LCD顯示模塊、385微型水泵、風扇、植物補光燈、藍牙模塊、盆栽植物。硬件實物圖：

五、理論值測量方法

植株蒸騰蒸發(fā)量取決于植株生長發(fā)育和對水分需求的內(nèi)部因子和外部因子，內(nèi)部因子包括植物種類、品種、發(fā)育期、生長狀況等，外部因子包括天氣條件、土壤條件等。

文采用的是空氣動力學與能量平衡聯(lián)立法測量植株蒸騰蒸發(fā)量的理論值。該聯(lián)立法是利用空氣動力學方法得到顯熱交換，利用觀測資料或計算公式求出凈輻射，然后求出熱量平衡方程式的余項--潛熱交換，最后得出蒸騰蒸發(fā)量.常用的兩種計算方法為Penman公式和Penman--Monteith修正公式。Penman--Monteith修正公式計算的參考蒸騰量：式中ET0：參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d； ：溫度～飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1； Rn：凈輻射，MJ/m2.d G：土壤熱通量，MJ/m2.d；γ：濕度表常數(shù)，kpa·℃-1；u2：2m高處風速，m/s；Ea：飽和水汽壓，kpa； Ed：實際水汽壓，kpa； ： 溫度～飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1 γ：濕度表常數(shù)，kpa·℃-1

兩種方法計算的參考蒸騰蒸發(fā)量大部分集中在對角線上，兩者相關(guān)系數(shù)為0.989，呈現(xiàn)正相關(guān)性。由實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，用聯(lián)立法所得的理論值與測量裝置所測得的實際值大致相同。

六、蒸騰蒸發(fā)量的影響因素

1.溫度對小型植物蒸騰蒸發(fā)量的影響。不同溫度對植物酯酶活力的影響較為顯著，一般來說，植物酯酶活性隨環(huán)境溫度的變化而呈偏正態(tài)分布。因植物酯酶活性與植物蒸騰蒸發(fā)量呈線性關(guān)系，則植物蒸騰蒸發(fā)量隨環(huán)境溫度變化呈偏正態(tài)分布。

2.風速對小型植物蒸騰蒸發(fā)量的影響。實驗方法：在盆栽植物供水充足的情況下，打開風扇。收集并記錄6：00、12：00、18：00、24：00時刻整個裝置（包括植物和設備）的重量，與無風時得到的數(shù)據(jù)相比較。得出結(jié)論，適當?shù)娘L速可以加速植物的蒸騰蒸發(fā)過程。

3.不同水分供給對小型植物蒸騰蒸發(fā)量的影響。實驗方法：以盆栽植物為實驗對象，用微型385水泵供水。在W4充分供水，W3適宜供水，W2輕度缺水，W1重度缺水四種情況下，記錄8：00～18：00期間植株的蒸騰蒸發(fā)量。如下圖。分析可知，當處于W1和W2情況下，植物蒸發(fā)蒸騰狀況趨于一致。處于W3和W4情況下，植物蒸發(fā)蒸騰狀況也趨于一致。總體來說，供水時植株的蒸騰作用要強于缺水時。

七、結(jié)語

該測定裝置能在無人監(jiān)管的情況下，實現(xiàn)實時、方便、精確測量并存儲植物蒸騰蒸發(fā)量，硬件平臺搭建簡潔合理。實驗現(xiàn)象表明，小型植物的日蒸騰蒸發(fā)量與溫度、風速、光照、土壤水分等因子呈顯著的線性關(guān)系，各因子之間存在復雜的相互作用。其中，土壤水分狀況是小型植物蒸騰蒸發(fā)量的主要決策因子。同時，測量結(jié)果很好地反應了植物蒸騰蒸發(fā)作用的規(guī)律及趨勢，有利于我們對植物水循環(huán)的研究。

參考文獻：

[1] 吳運卿，羅金耀，王富慶. 智能化稱重式蒸滲儀系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2006，25（4）：432-425.

[2] 樊引琴.作物蒸發(fā)蒸騰量的測定與作物需水量計算方法的研究[D].西北農(nóng)林科技大學，碩士學位論文.2001.

[3] 孫衛(wèi)國，申雙和. 農(nóng)田蒸散量的計算方法的比較研究[J].南京氣象學院申報，2000，23（1）：101-105.

[4] 聶振平，湯波. 作物蒸發(fā)蒸騰量測定和估算方法綜述[J] 新疆石河子天興水利勘察設計院，2007，13（2）.

[5] 李珊，馬麗麗，賀超興。溫室栽培基質(zhì)耗水量與環(huán)境因子相關(guān)性的研究.中國農(nóng)學通報。2011，27（8）：144-149.

[6] 謝賢群. 測定農(nóng)田蒸發(fā)的實驗研究[J].地理研究，1990，9（4）：94-102.