不同方法測定設(shè)施番茄蒸騰的結(jié)果比較及相關(guān)性分析

李永秀++番聰聰++宋文懷

摘要：以番茄品種金粉5號為試材，同步采用稱質(zhì)量法、微氣象法及莖流儀法對設(shè)施番茄蒸騰速率進行測定，對不同方法的測定結(jié)果進行比較，并分析稱質(zhì)量法與微氣象法、稱質(zhì)量法與莖流儀法之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，3種方法測得的設(shè)施番茄蒸騰速率日變化趨勢基本一致，微氣象法和稱質(zhì)量法的測量結(jié)果比較接近，而莖流儀法的測量結(jié)果大于其他2種方法；以稱質(zhì)量法測量結(jié)果為對照，微氣象法和莖流儀法測得的設(shè)施番茄日總蒸騰量分別偏高25%和71%。稱質(zhì)量法（y）與微氣象法（x1）、莖流儀法（x2）測量的設(shè)施番茄蒸騰速率均存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，表達式分別為y=0.79x1+0.05，r=0.93；y=0.66x2-1.18，r=0.84。因此，微氣象法和莖流儀法的測量結(jié)果可通過稱質(zhì)量法進行訂正，從而獲得較為準確的設(shè)施番茄蒸騰速率連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：蒸騰；稱質(zhì)量法；微氣象法；莖流儀；Penman-Monteith模型

中圖分類號： S641.201文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0098-04

收稿日期：2015-12-17

基金項目：國家自然科學基金（編號：41275117）；南京信息工程大學大氣科學與環(huán)境氣象實驗實習教材建設(shè)項目（編號：SXJC2014B05）。

作者簡介：李永秀（1979—），女，甘肅武威人，碩士，高級實驗師，主要研究方向為農(nóng)業(yè)氣象。Tel：（025）58731194；E-mail：lyxsha@nuist.edu.cn。

土壤、植物和大氣之間的巨大水勢差和毛管力引起水分從根部流向葉片，同時攜帶養(yǎng)分到達葉片和活躍細胞。由根系進入植物體的水分只有1%保留在植物體內(nèi)，參與生理過程，其他99%的水分通過蒸騰消耗掉[1]。蒸騰決定葉片中的水勢、氣象參數(shù)（風、輻射、濕度和溫度）以及土壤濕度（土壤水勢），不僅對作物生長發(fā)育至關(guān)重要，而且決定著農(nóng)田邊界層的狀況，因此測量蒸騰是理解和調(diào)節(jié)植物水分關(guān)系的關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。[JP2]設(shè)施作物生產(chǎn)在半封閉的空間內(nèi)進行，導致設(shè)施作物蒸騰對設(shè)施小氣候的影響比大田生產(chǎn)更加顯著，設(shè)施作物蒸騰是設(shè)施內(nèi)空氣及作物能量與水分平衡中非常重要的一項，直接影響到設(shè)施內(nèi)的溫度和濕度狀況。因此，蒸騰不僅是作物本身的生理指標，還是綜合了作物和環(huán)境的重要生態(tài)指標[4-6]。[JP]

作物蒸騰的測定方法較多，從冠層水平考慮有水量平衡法、微氣象法（包括波文比能量平衡法、空氣動力學法、能量平衡-空氣動力學綜合法及渦度相關(guān)法等）、紅外遙感法；從個體水平考慮有莖流計法、同位素示蹤法、風調(diào)室法、盆栽稱質(zhì)量法、整樹容器法和蒸滲儀法；從葉片水平考慮有光合儀法、氣孔計法、剪枝稱質(zhì)量法等[7-8]。其中，盆栽稱質(zhì)量法對設(shè)備要求低，簡便易行且較為準確，對大田作物和樹木，該方法存在樣本所處群體狀態(tài)與實際不相符只能用于小苗測量的缺陷，然而對常采用行栽或盆栽的設(shè)施作物，該方法具有很強的適用性，但只能進行間斷測定，數(shù)據(jù)的連續(xù)性差，因此常用質(zhì)量法對其他測量方法進行評價和校正。微氣象法根據(jù)能量平衡原理，通過對氣象資料的分析直接或間接計算植被冠層的蒸騰耗水量，避免了由個體尺度上升到群體尺度時可能面臨的難點和誤差，適用于大面積作物蒸騰量的估算；但該方法假定空氣動量、能量和水氣湍流擴散系數(shù)相等，即在中性層結(jié)大氣條件下才能獲得較為準確的結(jié)果，而在非中性層結(jié)條件下要對參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整，運算的復雜性將大大增加。用莖流計法測定作物蒸騰不會對植株造成損傷，植物體可以在自然環(huán)境條件下生長，能夠?qū)崿F(xiàn)長期連續(xù)測定，儀器易于野外操作，可遠程下載數(shù)據(jù)，適用于單株植物整體蒸騰量的觀測，單位面積的蒸騰總量由單株蒸騰乘以種植密度求得，可以避免由單個葉片換算田間總蒸騰時涉及到的葉面積指數(shù)以及冠層上下葉位差異等不確定因素，因而莖流計在植物蒸騰相關(guān)的研究中應(yīng)用越來越廣泛，近10年來，有關(guān)樹木蒸騰的文獻中，有半數(shù)以上是應(yīng)用莖流儀法進行測定研究的[9-10]。然而，莖流計在設(shè)施作物蒸騰研究中的應(yīng)用較為少見，對其測量的準確性也缺乏可靠的試驗驗證，為此本研究同步采用盆栽稱質(zhì)量法、微氣象法、莖流儀法對設(shè)施番茄蒸騰量進行測量或計算，通過比較，分析莖流儀法和微氣象法測定設(shè)施番茄蒸騰量的準確性與可行性，為設(shè)施番茄蒸騰的連續(xù)測量及研究提供參考。

2結(jié)果與分析

2.1設(shè)施番茄蒸騰速率的日變化

與其他2種方法相比，稱質(zhì)量法測量結(jié)果最為可靠，因此本研究首先用稱質(zhì)量法的測量結(jié)果來分析設(shè)施番茄蒸騰速率的日變化特征。從圖1、圖2可知，設(shè)施番茄蒸騰速率日變化規(guī)律與設(shè)施內(nèi)凈輻射日變化規(guī)律近似，均是從早上日出后開始升高，至13：00達到最大，然后逐漸下降。但是蒸騰速率在中午12：00有明顯的下降，而凈輻射則沒有出現(xiàn)這一下降過程，這主要是因為在正午時刻，光合有效輻射達到一天中最強，空氣溫度較高，濕度較低，導致番茄植株發(fā)生“光合午休”，葉片氣孔部分關(guān)閉，蒸騰速率下降[14]。

[FK（W10][TPLYX1.tif][FK）]

[FK（W19][TPLYX2.tif][FK）]

2.2不同方法測定設(shè)施番茄蒸騰速率的結(jié)果比較

利用觀測所得的溫室內(nèi)外氣象資料和葉面積指數(shù)，根據(jù)公式（1）～（10）計算得到設(shè)施番茄每小時的蒸騰量，即為微氣象法的估算結(jié)果，將其與莖流儀及稱質(zhì)量法所測定的結(jié)果進行比較，結(jié)果如圖3所示。

[FK（W10][TPLYX3.tif][FK）]

從圖3可以看出，3種方法所得的設(shè)施番茄蒸騰速率日變化趨勢基本一致，微氣象法和稱質(zhì)量法的測量結(jié)果比較接近，而莖流儀法的測量結(jié)果則大于其他2種方法，說明莖流儀法測量設(shè)施番茄蒸騰速率存在普遍偏高的現(xiàn)象。在3種方法中，僅稱質(zhì)量法的測量結(jié)果中番茄蒸騰速率在正午時刻出現(xiàn)下降，而另外2種方法均未觀測到這一現(xiàn)象。用微氣象法進行計算時，冠層阻力的計算中并未考慮“光合午休”這一現(xiàn)象的存在，導致蒸騰速率的計算結(jié)果也不可能反映出正午時蒸騰速率的下降；而莖流儀法測量的是莖干內(nèi)液體的流動，而不是植株整體水分的變化，在正午時盡管葉片氣孔部分關(guān)閉，但很可能在植物體內(nèi)部各器官之間水分的運移并未受到影響，因而用莖流儀測定得到的莖流值并未出現(xiàn)下降。

2.3不同方法測定的設(shè)施番茄日總蒸騰量比較

進一步對不同方法測量得到的設(shè)施番茄日總蒸騰量進行計算，結(jié)果如圖4所示。以稱質(zhì)量法的測量結(jié)果作為標準，微氣象法和莖流儀法測量得到的單株設(shè)施番茄日總蒸騰量均偏高，其中微氣象法偏高25%，莖流儀法偏高71%。

[FK（W9][TPLYX4.tif][FK）]

2.4不同方法測定結(jié)果的相關(guān)關(guān)系

鑒于稱質(zhì)量法的測量結(jié)果比較穩(wěn)定、可靠，因此以稱質(zhì)量法為標準，對微氣象法與莖流儀法的測定結(jié)果進行訂正。首先，分別以稱質(zhì)量法測量結(jié)果為縱坐標，其他2種方法測量結(jié)果為橫坐標作圖。由圖5、圖6可以看出，稱質(zhì)量法與微氣象法測量結(jié)果存在很好的線性相關(guān)關(guān)系，其數(shù)學表達式：

[JZ（]y=0.79x1+0.05。[JZ）][JY]（20）

式中：x1為微氣象法計算的番茄蒸騰速率（g/h），y為稱質(zhì)量法測得的番茄蒸騰速率（g/h），二者的相關(guān)系數(shù)r達到0.93。因此，在設(shè)施番茄蒸騰研究中，可以利用（20）式對微氣象法確定的蒸騰速率進行訂正。

[CM（24]稱質(zhì)量法與莖流儀法的測量結(jié)果之間也存在較好的線性相關(guān)關(guān)系，其數(shù)學表達式：

[JZ（]y=0.66x2-1.18。[JZ）][JY]（21）

式中：x2為莖流儀法測得的番茄蒸騰速率（g/h），y為稱質(zhì)量法測得的番茄蒸騰速率（g/h），二者的相關(guān)系數(shù)r為0.84。在實際應(yīng)用中，可以利用（21）式對莖流儀法測得的設(shè)施番茄蒸騰速率進行訂正。

3結(jié)論與討論

稱質(zhì)量法測量設(shè)施番茄蒸騰的缺陷是耗時、耗力，無法實現(xiàn)長期連續(xù)觀測，但其測量結(jié)果卻最為可靠，常被作為標準來判斷其他方法的優(yōu)劣。微氣象法是通過測定的氣象資料計算蒸騰的方法，因為氣象資料可以實現(xiàn)長期連續(xù)觀測，因此該方法也可以獲得長時間的植物蒸騰數(shù)據(jù)，但是在微氣象法的計算公式中，涉及到的一些參數(shù)，如冠層阻力、空氣動力學阻力等、溫室內(nèi)風速等都通過經(jīng)驗或半經(jīng)驗的公式得到[15]，本身容易產(chǎn)生較大誤差。與稱質(zhì)量法、微氣象法相比，用莖流計法測定作物蒸騰不需要破壞植株的器官，可長期連續(xù)測定單株植株的蒸騰量，然而由于莖流引起的莖干溫度變化非常微小，很容易受到外界環(huán)境變化的影響，所以莖流的測定需要非常穩(wěn)定的熱環(huán)境，如不能滿足這一條件，莖流儀測定的結(jié)果就會出現(xiàn)很大偏差。以往利用莖流儀測量植物蒸騰的研究多見于樹木、玉米等莖干較粗的植物[3，16-17]，且大都是在露地條件下進行的，有關(guān)莖流儀在設(shè)施蔬菜蒸騰研究中的應(yīng)用少見報道。

本研究開展試驗，比較了稱質(zhì)量法、微氣象法及莖流儀法測量得到的設(shè)施番茄蒸騰速率，證實以稱質(zhì)量法測量結(jié)果為對照，微氣象法和莖流儀法測得的單株設(shè)施番茄日蒸騰量分別偏高25%和71%，因此用微氣象法和莖流儀法2種方法測量的設(shè)施番茄蒸騰量必須經(jīng)過校準后才能應(yīng)用。根據(jù)本研究的結(jié)果，稱質(zhì)量法與微氣象法、莖流儀法的測量結(jié)果之間都存在很好的線性相關(guān)關(guān)系，因此可以用稱質(zhì)量法的測量數(shù)據(jù)對其他2種方法測定結(jié)果進行訂正，以獲得較為準確的番茄蒸騰速率。今后還需要設(shè)置不同生育期、不同栽培茬口、不同番茄品種的試驗，對微氣象法、莖流儀法的測定結(jié)果進行訂正，獲得更為可靠的訂正公式，以推動微氣象法、莖流儀法等自動觀測方法在設(shè)施作物蒸騰監(jiān)測中的應(yīng)用。

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