設(shè)施農(nóng)業(yè)作物需水量研究

王光焰，劉云飛，孫懷衛(wèi)

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；3.華中科技大學(xué)，武漢 430074)

我國是缺水較為嚴重的國家，人均淡水資源量不足世界人均量的1/4，加之我國水資源分布不均勻，因此水資源的供給量決定了許多地方的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。但是我國作為農(nóng)業(yè)種植大國，近幾年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量占全國水資源供應(yīng)總量的60%～65%[1]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面耗水量極大。在此背景下，如何減少農(nóng)業(yè)用水浪費的情況，提高農(nóng)業(yè)水資源的利用效率，合理農(nóng)業(yè)灌溉制度成為亟待解決的問題。根據(jù)我國第三次農(nóng)業(yè)普查數(shù)據(jù)顯示，設(shè)施農(nóng)業(yè)尤其是溫室大棚種植作為我國農(nóng)業(yè)種植的一部分，面積已達到131.5 萬hm2[2]。溫室大棚種植的主要作物為蔬菜、瓜果和花卉等，相對于大田農(nóng)業(yè)作物的需水量會更高[3]，而目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的灌溉種植方式還比較粗放，許多地方缺乏理論指導(dǎo)。因此，針對溫室大棚作物的需水量研究，能夠為節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，制定合理的設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

作物需水量主要是指作物的蒸騰量、棵間土壤或植物基質(zhì)的蒸發(fā)以及作物體內(nèi)滿足其生存生理需求水量的總和，作物蒸騰量和棵間基質(zhì)的蒸發(fā)量通常占作物需水量的99%，因而許多研究中會忽略作物體內(nèi)的水量。由于大部分作物的蒸騰量都會受到土壤水分、溫度、光照、相對濕度、風(fēng)速等條件的影響，因此作物在正常的生長條件下，需水量會隨著灌溉量的變化和氣候氣象條件的變化而呈現(xiàn)出差異性。由于溫室大棚中的環(huán)境與外部大田的環(huán)境相比較，溫度較高、相對濕度大、受風(fēng)速和降水的影響較少等[4]，所以種植相同的作物，在溫室大棚中的需水量與大田種植的需水量會有很大不同。因此，需要對溫室大棚作物的需水量進行單獨的研究。

1 溫室作物需水量的影響因素

對作物的需水量影響因素有很多，一般認為，葉面積較大、生長速度快、根系發(fā)達、作物體內(nèi)油脂和蛋白質(zhì)含量高、果實采收期長的作物需水量較高[5]，而且外部不同的耕作方式、灌溉制度、氣候環(huán)境因素、地下水位深度等等都會導(dǎo)致作物的需水量發(fā)生變化。因此，對于作物需水量變化規(guī)律和影響因素的研究，有助于制定合理的灌溉方式和灌溉量，提高作物的水資源利用效率。

1.1 影響作物需水量的內(nèi)部因素

1.1.1 不同種類作物的需水量特征

不同的作物生理特征、生長周期和對外部環(huán)境的響應(yīng)都有著區(qū)別，因此需水量都有著一定差異。齊述華等使用水平衡法，計算測定了菠菜、莧菜和花椰菜三種不同作物在整個生長階段內(nèi)的需水量，菠菜為223.8mm，莧菜和花椰菜分別為144.9和148.1 mm，說明不同種類作物生長周期不同、生長時間和環(huán)境不同、生理結(jié)構(gòu)上的差異都會對需水量的變化產(chǎn)生影響[6]；葉瀾濤使用水平衡法測定了甜椒、番茄、豇豆和西瓜整個生長階段內(nèi)的需水量，分別為738.0、123.6、168.6、148.4 mm，甜椒的需水量較大是由于生長周期較其他作物長，并且結(jié)果期持續(xù)時間較長，因而消耗的水分較多[7]；高金華使用水平衡法測定了番茄和茄子需水量，在同一時期，番茄和茄子的需水量呈現(xiàn)很大差異，番茄的需水量呈現(xiàn)“增加-減少-增減-減少”的趨勢，茄子的需水量呈現(xiàn)“增加-減少”，除了受到降水和地下水位的影響，說明不同種類作物的需水量對水分變化的響應(yīng)也有很大的不同[8]。

1.1.2 作物不同生育期的需水特征

作物在不同的生長階段都會呈現(xiàn)出不同的需水量特征，一般作物的需水量整個生長階段都表現(xiàn)出先增長，達到最大值后再下降的趨勢。但不同的作物生理結(jié)構(gòu)不同，加上采摘方式和時期具有差異，所以需水量也會表現(xiàn)出多次波動的情況。楊宜在對秋茬溫室茄子需水量的研究中發(fā)現(xiàn)，茄子的蒸散量在苗期最小，最小值為0.44 mm/d，而后隨著作物生長逐漸增大，在開花坐果期達到最大，最大值為2.90 mm/d，而后逐漸下降[9]；李艷梅等對溫室芹菜的需水量進行研究中將芹菜分為4個生長階段，分別為苗期、葉叢初期、葉叢中期和葉叢后期，需水量隨著生長呈現(xiàn)出“增長-下降-增長”的特點[10]；劉浩等發(fā)現(xiàn)溫室中番茄整個生長階段中的需水量呈現(xiàn)“增加-下降”的趨勢，其中番茄開花坐果時期的需水量達到最大，移植初期的需水量最小[11]；范洪梅等認為攀西干熱河谷地區(qū)冬春茬大棚辣椒應(yīng)在采收期的灌溉量最大，其次為始花期至果實成熟，定植期至始花期灌溉量最小和灌溉周期最長，從側(cè)面也說明了辣椒需水量在不同的生長階段的變化[12]。

1.2 影響作物需水量的外部因素

1.2.1 不同氣象環(huán)境下作物的需水特征

各種氣象環(huán)境因素對作物的生長均具有很大的影響，尤其是濕度、溫度、風(fēng)速、光照條件。葉水勢的增大會促進植物根部對水分的吸收，導(dǎo)致作物的需水量增大，而光照、溫度、風(fēng)速均會影響植物的葉片水勢。當(dāng)溫度升高、光照變強、風(fēng)速增大，都會加快植物葉片水分的蒸發(fā)，使葉片水勢增大[13]。反之則對作物的水分需求起到一定抑制作用。但是當(dāng)光照過強或水分損失過大時，植物也會關(guān)閉氣孔，減少蒸騰，起到一定的自我保護作用[14]。由于大棚所屬環(huán)境與外部有很大差別，受風(fēng)速影響較小，而受相對濕度影響較大。任自力對膜下大棚滴灌條件下的西瓜需水規(guī)律進行研究發(fā)現(xiàn)，大棚西瓜的需水量與光強、溫度、蒸發(fā)量具有極顯著正相關(guān)，與相對濕度具有極顯著負相關(guān)關(guān)系[15]；李洋在溫室大棚內(nèi)對冬春茬和秋冬茬的番茄種植做對比發(fā)現(xiàn)，冬春茬番茄的需水量高于秋冬茬，但葉面積指數(shù)、葉面積、莖粗、光合特性、根系活力及產(chǎn)量品質(zhì)均優(yōu)于秋冬茬，產(chǎn)生差異的主要原因是由于冬春季節(jié)隨著植物生長，氣溫逐漸升高、光照逐漸增強、濕度不斷下降更有利于作物的蒸騰作用[16]；倪紀恒認為，冬春季節(jié)溫室光照相對較弱，影響作物的生長發(fā)育，在對溫室大棚中黃瓜進行不同光質(zhì)的補充發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)的補充能夠提高冠層溫度，另外發(fā)現(xiàn)補充紅光能夠促進黃瓜根和莖的發(fā)育，補充藍光有助于促進同化產(chǎn)物向果實[17]，說明了光照對溫室作物生長的重要性；彭致功等通過大棚內(nèi)的研究試驗發(fā)現(xiàn)，光照是影響作物騰發(fā)量的主要因子，其次是氣溫，再次是空氣濕度，土溫影響最小[18]；Morries等通過溫室的無土栽培試驗后得出了太陽輻射和空氣飽和水汽壓差是影響室內(nèi)作物需水量的主要因素[19]。

1.2.2 灌溉水分對作物需水量的影響

通常灌溉量的增大會促進作物對土壤水分的吸收利用，導(dǎo)致作物的蒸散量和需水量增大。但當(dāng)土壤水分超過一定閾值對植物的生長又會產(chǎn)生一定的抑制作用，導(dǎo)致作物的產(chǎn)量和需水量下降。而且灌溉水的鹽度也會影響到作物的需水量，鹽度越大需水量越小。Soria和Cuartero研究發(fā)現(xiàn)，在不同的土壤水分鹽度情況下，溫室番茄需水量會在0.19～1.03 mm/d范圍內(nèi)變化[20]；Fhivio F Blancol等研究了巴西春季溫室黃瓜的需水規(guī)律發(fā)現(xiàn),黃瓜的作物系數(shù)和蒸騰量與灌溉水的鹽度濃度呈現(xiàn)出線性反比的關(guān)系，當(dāng)電導(dǎo)度增加1,黃瓜的蒸騰量就會相應(yīng)降低4.6%[21]；殷飛等對不同灌溉條件下大棚葡萄的需水量研究表明，在葡萄生育期田間持水量60%和85%時最有利作物生長，同時作物的需水量也會達到最大[22]；馮誠等對陽光大棚不同水分處理下的黃瓜灌溉制度研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的增加，黃瓜的產(chǎn)量會也會增大，當(dāng)灌水量超過16 mm/m2時會抑制黃瓜生長，產(chǎn)量反而會下降[23]。所以合理的控制灌溉水分和灌溉水源的質(zhì)量對作物的生長和作物果實產(chǎn)量和質(zhì)量的增加有著十分重要的作用。

除了灌溉水分和環(huán)境因素會對作物的需水量產(chǎn)生影響以外，根據(jù)實際情況不同，還有一些其他因素也會影響作物需水量，如灌溉方式：滴灌、噴灌、漫灌、地下滴灌等；耕種方式：溝播耕作法、沙田耕作法、少耕和免耕法等；土壤類型：沙質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土等；溫室大棚材質(zhì)：玻璃材質(zhì)、PC板材質(zhì)、塑料膜材質(zhì)等。因此，在對作物需水量研究時需要注重對各個方面的考慮。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)作物需水量的計算方法

目前對作物需水量的計算方法包括：①通過各類氣象數(shù)據(jù)或者環(huán)境因素和相應(yīng)作物的作物系數(shù)計算蒸散發(fā)的Hargreaves公式、Priestley-Taylor公式、Penman-Monteith公式等；②以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取參數(shù)構(gòu)建相關(guān)的模型來進行估算；③水平衡法和蒸滲儀法，水平衡法是通過計算劃分某段時間內(nèi)引起土壤水分變化所有因素的量來確定作物的需水量，蒸滲儀法也是通過此原理進行計算的；④蒸發(fā)皿法，通過蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量和相應(yīng)的作物系數(shù)估算作物的需水量；⑤波文比法能量平衡法；⑥渦度相關(guān)法等等。有些研究是基于測量作物蒸騰量來計算作物的需水量，關(guān)于作物蒸騰的測量方法包括，TDP莖流計測量、同位素示蹤法、稱重法等，由于溫室大棚的環(huán)境限制，遙感測量無法應(yīng)用，而波文比法和渦度相關(guān)法的儀器成本相對較高，并且儀器的布設(shè)也不適用于溫室大棚環(huán)境。因此大部分研究選取公式計算、蒸滲儀法、蒸發(fā)皿法、水平衡法，并且取得了較好的結(jié)果。另外近幾年許多學(xué)者使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以各種環(huán)境為參數(shù)，作物需水量為輸出進行非線性擬合也取得了較好的結(jié)果，在此主要對這4種方法進行介紹。

2.1 水平衡法

水平衡法是根據(jù)土壤總體水分的進和出保持質(zhì)量平衡的原理來對作物需水進行計算的方法。其計算公式為：

ET=P0+K+M+ΔW-q1-q2

(1)

式中：ET為作物的需水量，mm；P0為有效降雨量，mm，一般可用降水量P(mm)乘以經(jīng)驗系數(shù)α進行計算；K為地下水補給量，mm；M為灌溉量，mm；ΔW為某一時段內(nèi)土壤水分的變化量，mm；q1為地表徑流量，mm；q2為作物根區(qū)深層滲漏量，mm。

如果使用蒸滲儀來或使用覆膜分割環(huán)境的方法，在溫室大棚環(huán)境中可忽略P0、K、q1、q2的影響，因此公式(1)可化為：

ET=M+ΔW

(2)

公式(2)中限定了影響水分平衡的其他因素，只需要考慮灌溉量和監(jiān)測時間段內(nèi)的水分變化量，試驗方法簡單,容易操作,并且現(xiàn)在稱重式蒸滲儀帶能夠自動記錄數(shù)據(jù)、精度高、連續(xù)性好，因而應(yīng)用很廣。

2.2 蒸發(fā)皿法

蒸發(fā)皿法是利用水面蒸發(fā)量估算作物需水量的方法。因為作物的需水量和蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量都是由周圍各種環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果，所以二者的變化趨勢具有很大的相關(guān)性。計算公式為：

ET=αET0

(3)

式中：α為蒸發(fā)皿系數(shù)；ET0為蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量，mm。

該方法操作簡單，計算結(jié)果較好，但計算系數(shù)的率定比較重要，否則會產(chǎn)生較大的誤差。

2.3 公式計算法

(1)Penman-Monteith公式。

(4)

式中：ET為作物的需水量，mm/d；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在某處的斜率，kPa/℃；Rn為輸入冠層凈輻射量，MJ/(m2·d)；T為2 m高度的日平均溫度，℃；u2為2 m高度風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；γ為干濕溫度計常數(shù)，kPa/℃。其參數(shù)也有相應(yīng)的計算標準和方法。

(2)Priestley-Taylor公式。

(5)

式中：ET為作物的需水量，mm；α為Priestley-Taylor系數(shù)，通常取1.26；Rn為冠層凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)。

在有些計算中會忽略土壤熱通量。

(3)Hargreaves公式。

(6)

式中：ET為作物的需水量，mm；α為轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常取0.002 3；λ為水汽化潛熱，一般為2.45 MJ/kg；Tmax為最高溫度；Tmin為最低溫度，℃；η為指數(shù)系數(shù)，一般取值0.5；Tmean為平均溫度，℃；Toff為溫度偏移量，一般取值17.8；Ra為大氣頂層輻射量，MJ/(m2·d)。

這3種方法為最常使用的作物需水量的計算公式，并且根據(jù)這3個公式延伸出了許多修正后的計算方法以提高其適用性和準確性。其中Penman-Monteith公式所需要的氣象參數(shù)最多，適合于氣象資料比較全面的地區(qū)；Priestley-Taylor公式是基于輻射量的計算方法；Hargreaves公式是基于溫度計算的方法。對于氣象資料缺少的區(qū)域使用后兩種方法進行計算和校正比較合適[24,25]。由于地區(qū)氣候和環(huán)境差異，一般在使用公式法計算時都需要對公式中的系數(shù)進行修正，根據(jù)表1，陳新明等考慮到溫室大棚內(nèi)的實際風(fēng)速影響，對Penman-Monteith公式進行了調(diào)整；楊蕊等在使用Hargreaves公式時，根據(jù)主成分分析法，認為相對濕度對作物的蒸散發(fā)影響較大，因而對公式進行了修正；趙玲玲等將平流項b1引入Priestley-Taylor公式，提高了計算準確度。呂玉平等，使用Priestley-Taylor和Hargreaves公式分別對矮型和高型兩種參考作物，在濕潤區(qū)和干旱區(qū)的表現(xiàn)進行評估，他認為Priestley-Taylor公式在矮型作物上更適用于濕潤區(qū)，Hargreaves公式在矮型作物上更實用與干旱區(qū)，并且兩個公式用在高型作物上必須對計算系數(shù)進行修正[26]；陳新明等認為溫室大棚的環(huán)境與外界大田的環(huán)境差異較大，尤其大棚內(nèi)很少受到風(fēng)速影響，因此提出了Penman-Monteith公式的修正公式，修正公式提高了計算結(jié)果的準確度[27]。劉浩等也利用此修正公式對滴灌條件下溫室番茄的需水量進行了計算驗證，發(fā)現(xiàn)修正后的公式計算精度更高，更適用于溫室環(huán)境[11]。因此，使用公式法計算作物需水量時，應(yīng)注意公式的修正和系數(shù)的率定，以免產(chǎn)生過大的誤差。

表1 常用作物需水量計算公式與部分地區(qū)修改后的計算公式相對比

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對作物需水量和環(huán)境因子的預(yù)測計算

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，機器學(xué)習(xí)算法越來越多的應(yīng)用到非線性擬合的研究領(lǐng)域中，目前國內(nèi)外有許多研究都利用這些算法對溫室參考作物需水量和環(huán)境因素進行了計算與預(yù)測，都取得了較好的精度。顧世祥等采用徑向基網(wǎng)絡(luò)，使用了多種不同的輸入因子組合進行預(yù)測,經(jīng)過比較認為以日照時數(shù)、平均溫度、風(fēng)速為輸入的模型精度較高，相比Penman-Monteith公式計算結(jié)果具有更高的準確性[28]。徐意和向美晶采用徑向基網(wǎng)絡(luò)預(yù)測不同溫度下作物光合作用速率，以用來調(diào)節(jié)控制溫室內(nèi)作物生長[29]。王定成采用支持向量機對溫室的數(shù)據(jù)進行回歸擬合分析，并用數(shù)據(jù)對修正模型進行檢驗，這種方法能較好地處理溫室環(huán)境的不確定性[30]。

此外，由于溫室大棚內(nèi)環(huán)境受到大棚內(nèi)位置和一些溫室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的影響并不是完全均勻，因此一些學(xué)者針對溫室小氣候進行了研究。目前，研究溫室大棚小氣候常用方法主要有示蹤氣體法、質(zhì)量(或能量)平衡法，以及計算流體動力學(xué)法(CFD)。但由于通過示蹤氣體法難以反映溫室內(nèi)氣流場的時空分布模式，而且難以得到普遍性的結(jié)論[31]?；谀芰?或質(zhì)量)平衡建立的溫室環(huán)境模型雖然可以方便地對給定條件下的溫室進行隨時間變化的預(yù)測，但模型的假設(shè)和簡化嚴重，同時難以應(yīng)用在大面積的溫室上[32]。而CFD方法隨著近年來發(fā)展應(yīng)用，已經(jīng)能夠進行流體流動、傳熱、通風(fēng)等計算的需求。Okushima首次采用CFD方法預(yù)測了小型溫室的環(huán)境，并將CFD模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行了比較，同時這種方法也得到了Mistriotis的發(fā)展和完善[33]；Boulard等利用CFD方法對不同類型的溫室小氣候進行了研究，并進行了溫室作物需水量的計算[34]。結(jié)果表明，CFD方法能夠通過數(shù)值模擬得到完整的空氣壓力、流速、溫度等在整個溫室空間上的分布，且能夠適應(yīng)多種不同氣候條件下的模擬要求[35]。

3 結(jié) 論

(1)設(shè)施農(nóng)業(yè)不同作物的需水規(guī)律有待于進一步研究?，F(xiàn)階段設(shè)施農(nóng)業(yè)作物的需水量研究已經(jīng)取得了許多對實踐有指導(dǎo)意義的成果，但是目前對作物品種的研究還不夠全面，主要集中在比較常見的幾種作物上。具有地域特色的種植作物和花卉、喬木類果木研究很少，并且隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展反季節(jié)種植的蔬菜瓜果種類也越來越多，大棚環(huán)境的改善和作物品種的改良也要求對于設(shè)施農(nóng)業(yè)作物需水量進行進一步研究。

(2)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物的需水量計算模型的研究有待完善。目前對于設(shè)施農(nóng)業(yè)作物需水量的計算方法有許多，許多計算模型也得到了很好的應(yīng)用。我國對溫室大棚作物的研究也持續(xù)了很長時間，但是由于我國緯度跨度大，氣候類型多樣，地形也十分復(fù)雜，不同地區(qū)的氣候環(huán)境差異很大。不同計算模型對不同地區(qū)的適應(yīng)度不同，直接引用其他地區(qū)模型中的修正系數(shù)有時也會產(chǎn)生很大的誤差，因此需要進一步研究。

(3)對設(shè)施農(nóng)業(yè)需水規(guī)律影響因素的研究需要加強。影響作物需水量的因素有很多，除了氣象環(huán)境因素和作物本身類型之外，包括耕種方式、地下水埋深、灌溉方式等等都影響著作物的需水量。因此需要加強設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候研究，這樣有助于進一步了解溫室大棚各個環(huán)境因子對作物的影響過程，完善對影響作物需水量各方面因素的研究，以減少不利因素對作物的影響，并且對于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)水增收，保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。