溫室膜下滴灌條件下黃瓜需水規(guī)律研究

鄭志偉，王仰仁

(天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384)

根系層土壤含水率對(duì)黃瓜生長(zhǎng)、產(chǎn)量及品質(zhì)的形成具有較大影響，探求黃瓜全生育期的需水規(guī)律和最適宜的灌水方案,確定科學(xué)量化的灌溉指標(biāo)進(jìn)而指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),對(duì)于緩解農(nóng)業(yè)用水短缺，減少農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi),提高農(nóng)業(yè)用水效率等問(wèn)題具有重要意義[1-3]。作物需水量的測(cè)定方法按其種類大體可以分為水文學(xué)方法(包括水量平衡法和蒸滲儀法等)、微氣象學(xué)法(包括波文比-能量平衡法、渦度相關(guān)法和空氣動(dòng)力學(xué)法等)、植物生理學(xué)方法(包括莖流法、氣孔計(jì)法等)、紅外遙感法等4種方法[4-10]。由于本試驗(yàn)沒(méi)有使用專門的設(shè)備測(cè)試作物系數(shù)，所以，考慮作物系數(shù)與葉面積指數(shù)的關(guān)系，利用作物系數(shù)、土壤含水率和ET0，模擬出每天的土壤含水率，再與實(shí)際測(cè)試的土壤含水率進(jìn)行比較，以模擬計(jì)算的土壤含水率與實(shí)際測(cè)試的土壤含水率的誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)來(lái)確定作物系數(shù)值[11]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在天津市武清區(qū)北國(guó)之春農(nóng)業(yè)示范園溫室試驗(yàn)區(qū) (E116°54′，N39°36′) 進(jìn)行。該區(qū)秋季晝暖夜涼，溫差大，冬季寒冷，北風(fēng)多，日照少，降水稀少，全年平均氣溫為11.6 ℃，年平均日照總時(shí)數(shù)2 705 h，平均無(wú)霜期212 d，平均年降水量606.8 mm。溫室為塑料薄膜拱形鋼管日光溫室，溫室大棚寬8 m，長(zhǎng)85 m，溫室內(nèi)屋脊最高處3 m。試驗(yàn)區(qū)土壤為中壤土，土壤密度(0～80 cm均值)為1.55 g/cm3，土壤的基本性狀見(jiàn)表1。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)種植黃瓜，品種為北斗星無(wú)刺黃瓜，其定植日期為2014年9月9日，采用寬窄行種植，每壟種植2行黃瓜，寬行行距1.0 m，窄行行距0.5 m，株距0.5 m，壟長(zhǎng)5.0 m，共種植55壟作物。灌溉水源為井水，井深80 m，灌溉方式為膜下滴灌，每壟窄行間布設(shè)2條滴灌帶，滴灌帶內(nèi)徑15 mm，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.2 L/h。根據(jù)實(shí)際情況6～15 d灌水一次，一次灌水時(shí)長(zhǎng)大致為240 min。溫室頂部設(shè)通風(fēng)口，并配置WS-II型日光溫室自動(dòng)控溫設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟閉設(shè)備，開(kāi)啟范圍為0～50 cm。溫室大棚內(nèi)層覆有厚0.8 mm的聚乙烯抗老化膜，外層覆蓋復(fù)合保溫被，保溫被用電動(dòng)卷簾機(jī)起放。秋冬季保溫被每天早上9∶30掀起，下午5∶00左右放下蓋嚴(yán)。夜間每半小時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟柴油暖風(fēng)機(jī)，保證溫室內(nèi)溫度不低于8 ℃，以避免影響作物生長(zhǎng)。

表1 土壤的基本性狀

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1土壤含水率的測(cè)定

本試驗(yàn)針對(duì)膜下滴灌土壤含水率變化特點(diǎn)，每7 d取樣測(cè)定一次，測(cè)定方法為烘干稱重法，烘干溫度為105 ℃，烘至恒重為止。每次測(cè)定2個(gè)點(diǎn)，一個(gè)是膜下，位于2條滴灌帶中間，一個(gè)是膜外，位于寬行中點(diǎn)，如圖1所示。測(cè)試深度為0～100 cm，每20 cm一層，共測(cè)試5層。根據(jù)試區(qū)土壤剖面結(jié)構(gòu)和膜下滴灌條件下土壤含水率的剖面分布，將土壤含水率按照條帶寬度做加權(quán)平均，求得整個(gè)條帶0～100 cm的土壤平均含水率。以該含水率作為土壤含水率實(shí)測(cè)值。

圖1 膜下滴灌種植模式(單位：cm)

1.2.2溫室環(huán)境因子的測(cè)定

溫室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采用Watch Dog 2450型小型氣象站(溫度精確度±0.2%，濕度精確度±2%)，固定于溫室內(nèi)距地面1.6 m高處，每隔30 min自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)。葉片溫度、蒸騰速率和光合有效輻射等數(shù)據(jù)采用CI-340手持式光合作用儀測(cè)試。地溫采用土壤三參數(shù)儀(WET-2-K1)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為0～5 cm深度的平均值。葉片溫度、蒸騰速率、光合有效輻射值定株測(cè)試，每7 d一次，選定葉片位于株頂端第3片葉，3次重復(fù)。

1.2.3葉面積指數(shù)的測(cè)定

對(duì)于葉片，可視為規(guī)則的矩形，每次量取作物葉片的縱向最大長(zhǎng)度作為葉片計(jì)算長(zhǎng)度，橫向最大長(zhǎng)度作為葉片計(jì)算寬度，則葉片的計(jì)算面積就等于長(zhǎng)乘寬之積；葉片的實(shí)際面積是通過(guò)由小到大系列采集葉片樣本，帶回實(shí)驗(yàn)室，用激光葉面積儀掃描葉片實(shí)際面積，找出葉片實(shí)際面積與計(jì)算面積之間的關(guān)系。對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為y=0.880 1x-26.686，相關(guān)系數(shù)R2=0.978 1，y為黃瓜葉片實(shí)測(cè)面積，x為黃瓜葉片計(jì)算面積。

1.2.4需水量的計(jì)算

采用土壤水分修正系數(shù)分析供水不足對(duì)作物需水量的影響。其計(jì)算公式如下：

ET=KsKcET0

(1)

式中：ET為實(shí)際作物需水量，mm/d；ET0為參照作物需水量，mm/d；Kc為作物系數(shù)，與作物種類、品種、生育期和作物的群體葉面積指數(shù)等因素有關(guān)，是作物自身生物學(xué)特性的反映；Ks為土壤水分修正系數(shù)，反映根區(qū)土壤水分不足對(duì)作物需水量的影響。

(1)參照作物需水量ET0的計(jì)算。常用的計(jì)算方法為FAO推薦的Penman-Monteith公式，該公式主要適用于大田作物，對(duì)于溫室作物需水量的計(jì)算，由于溫室大棚內(nèi)的環(huán)境具有可控性，在溫室大棚內(nèi)，風(fēng)速幾乎為零，與露天環(huán)境比較，差異非常明顯，所以，需要加以修正。以 Penman-Monteith理論為基礎(chǔ)，考慮從風(fēng)速入手，引入Allen等(1994年)空氣動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果[12]，得出適用于溫室大棚參考作物需水量ET0的計(jì)算公式：

(2)

式中：Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；T為地面以上2 m處的平均溫度，℃；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；es-ea為飽和水氣壓虧缺量，kPa；Δ為飽和水汽溫度曲線斜率，kPa/℃ ；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

(2)作物系數(shù)Kc的確定。作物系數(shù)Kc是計(jì)算作物需水量的重要參數(shù)，它反映了作物生物學(xué)特性對(duì)農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰量的影響。大量研究表明，作物生長(zhǎng)過(guò)程中，在一定時(shí)間段內(nèi)作物系數(shù)Kc與作物群體葉面積指數(shù)LAI呈線性關(guān)系：

Kc=aLAI+b

(3)

式中：a,b為待定系數(shù)。

(3)土壤水分修正系數(shù)Ks的確定。在供水充足，無(wú)水分的脅迫作用時(shí)，土壤水分修正系數(shù)Ks=1；在水分供應(yīng)不足，作物受到水分的脅迫作用時(shí)，Ks<1。其影響的主要因素為土壤的含水率，采用詹森(Jensen)計(jì)算模型(1970年)：

(5)

式中：AW為土壤實(shí)際有效水分百分?jǐn)?shù)；θ為土壤根系層實(shí)際含水率，cm3/cm3；θcr為水分虧缺開(kāi)始影響作物蒸發(fā)蒸騰時(shí)的土壤水分，稱為臨界土壤含水率，cm3/cm3，參考已有研究成果，本試驗(yàn)取θcr=0.85θc；θc為田間持水量，cm3/cm3；θwp為永久凋萎點(diǎn)含水量，cm3/cm3。對(duì)于本試區(qū)，實(shí)際測(cè)得θc=0.28 cm3/cm3，θwp=0.2 cm3/cm3。

1.2.5參數(shù)反演方法

本試驗(yàn)以實(shí)際測(cè)試的土壤含水率為依據(jù)，以模擬計(jì)算的土壤含水率與實(shí)際測(cè)試的土壤含水率的誤差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)(最小二乘法)，通過(guò)優(yōu)化方法反演確定作物系數(shù)，即式(3)中的a,b值。該問(wèn)題屬于非線性規(guī)劃問(wèn)題，其數(shù)學(xué)模型如下，

(1)目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)為模擬計(jì)算的土壤含水率與實(shí)測(cè)土壤含水率誤差的平方和：

(6)

本研究采用0～80 cm土層水量平衡方程模擬計(jì)算土壤含水率θj，任一時(shí)段[0,j]中，土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的水量平衡方程如下：

Wt=W0+M-ET

(7)

式中：W0、Wt分別為時(shí)段始、末計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的土體儲(chǔ)水量，mm；M為時(shí)段內(nèi)單位面積上的灌水量，mm；ET為時(shí)段內(nèi)的作物需水量，mm；D為根系層下界面水分通量，mm，本研究中采用膜下滴灌，根系層下界面水分通量可忽略不計(jì)，即取D=0。

用土壤含水率表示式(7)，可寫出下式：

(8)

式中：θ0、θt分別為時(shí)段始、末計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤的平均含水量，cm3/cm3；γ為計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤的干密度，g/m3；H為計(jì)劃濕潤(rùn)層厚度，cm。

(2)約束條件。根據(jù)已有研究結(jié)果和參數(shù)的物理意義，可確定作物系數(shù)的初始值及其變化范圍，見(jiàn)表2。表2中參數(shù)變化范圍構(gòu)成了問(wèn)題的約束條件，相應(yīng)的初始值為測(cè)試結(jié)果。

表2 黃瓜作物系數(shù)參數(shù)檢驗(yàn)與調(diào)試結(jié)果

(3) 參數(shù)求解。首先利用序列極小化法中的內(nèi)點(diǎn)法將上述非線性規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束非線性規(guī)劃問(wèn)題，其障礙函數(shù)為：

minP(X,Rk)=

(9)

式中：X=[x1,x2,…,xj,…,x7]為待求參數(shù)；xjmax和xjmin為待求參數(shù)變化范圍的上限值和下限值；Rk為障礙因子，k為迭代次數(shù)，隨著迭代次數(shù)的增加，Rk逐漸趨近于零，取Rk=Rk-1/2。

收斂準(zhǔn)則為，

(10)

式中：ε1為允許的相對(duì)誤差；R0和ε1的取值依據(jù)求解問(wèn)題而定，本試驗(yàn)取R0=1.0，ε1=1×10-5。

然后采用模式法求解無(wú)約束問(wèn)題[式(9)]，其迭代計(jì)算中各參數(shù)的初始值見(jiàn)表2，初始步長(zhǎng)取各參數(shù)初始值的10%。求解過(guò)程根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的變化情況對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)行了修正，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)改善時(shí)將步長(zhǎng)乘以一個(gè)加大因子(=1.1)，加大步長(zhǎng)；當(dāng)步長(zhǎng)搜索失敗時(shí)，將步長(zhǎng)乘以一個(gè)縮小因子(如1/2)，縮小步長(zhǎng)。

由此分析確定作物系數(shù)、作物需水量、土壤含水率以及溫室膜下滴灌條件下作物生長(zhǎng)期土壤水分變化動(dòng)態(tài)。

2 結(jié)果分析

2.1 黃瓜葉面積指數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制黃瓜葉面積指數(shù)隨時(shí)間變化過(guò)程線，見(jiàn)圖2。由于測(cè)試時(shí)間從定植后45 d開(kāi)始，所以起始的葉面積指數(shù)較大，為1.50，之后逐漸增大，到2014年11月23日達(dá)到最大值1.75，然后維持該最大值，直到2014年12月13日開(kāi)始減小，到2014年12月24日拉秧時(shí)減小到1.35。

圖2 黃瓜葉面積指數(shù)變化過(guò)程線 注：定植時(shí)間2014-09-09，測(cè)試時(shí)間2014-10-24-2014-12-24。

2.2 黃瓜測(cè)試期間的灌水時(shí)間與灌水量

表3給出了黃瓜測(cè)試期間的灌水時(shí)間與灌水量。測(cè)試期間共61 d，期間灌水6次，灌水間隔7～15 d，共計(jì)灌水量263 mm。

表3 黃瓜生長(zhǎng)期灌水時(shí)間與灌水量

2.3 作物系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律

依據(jù)測(cè)試的黃瓜生長(zhǎng)期土壤含水率(見(jiàn)圖3)，按照前述參數(shù)反演方法，求得參數(shù)a=0.214 8、b=0.714 7，相應(yīng)的作物系數(shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖4所示。從圖3可以看出，黃瓜生長(zhǎng)期土壤含水率的模擬值和實(shí)測(cè)值較為吻合，兩者相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。

圖3 黃瓜生長(zhǎng)期土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值比較

圖4 黃瓜作物系數(shù)隨時(shí)間變化過(guò)程

從圖4中可以看出，作物系數(shù)Kc隨生育階段的變化而變化，作物系數(shù)Kc值在生長(zhǎng)前期是逐漸變大，在作物生長(zhǎng)旺盛時(shí)期作物系數(shù)Kc達(dá)到最大值，隨后就開(kāi)始逐漸減小，與作物葉面積指數(shù)的變化規(guī)律一致。在測(cè)試范圍內(nèi)，作物系數(shù)變化為0.98～1.11。

2.4 參考作物騰發(fā)量ET0隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖5給出了黃瓜試驗(yàn)測(cè)試期間參考作物蒸發(fā)蒸騰量的變化過(guò)程。由圖5可以看出，溫室黃瓜每天的參考作物蒸發(fā)蒸騰量隨著生育期的延長(zhǎng)而緩慢增大，生長(zhǎng)期前期變化幅度較小，中期變化幅度較大，后期變化幅度又變小，總體變化為0.2～7.5 mm/d。

圖5 黃瓜ET0隨時(shí)間的變化過(guò)程

2.5 黃瓜蒸發(fā)蒸騰量隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖6給出了黃瓜試驗(yàn)測(cè)試期間蒸發(fā)蒸騰量的變化過(guò)程。由圖6可以看出，溫室黃瓜蒸發(fā)蒸騰量在生長(zhǎng)期的前期隨時(shí)間的變化幅度較小，變化為1.5～3.5 mm/d；中期隨時(shí)間的變化幅度較大，變化為0.2～7.5 mm/d；后期隨時(shí)間的變化幅度又變小，但均值大于中前期。

圖6 黃瓜蒸發(fā)蒸騰量隨時(shí)間的變化過(guò)程

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)按照參數(shù)反演計(jì)算方法得出了作物系數(shù)值，其變化規(guī)律與作物葉面積指數(shù)的變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢(shì)。

(2)溫室黃瓜需水量在生長(zhǎng)期隨時(shí)間的變化幅度規(guī)律為：生長(zhǎng)期前期變化幅度較小，中期變化幅度較大，后期變化幅度又變小。

(3)在綜合考慮黃瓜生育期的環(huán)境、土壤含水率變化等因素后,根據(jù)試驗(yàn)資料確定的作物系數(shù),具有較好的代表性和實(shí)用性。

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