基于負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量自動(dòng)檢測

李銀坤，薛緒掌，趙 倩，郭文忠，孫維拓，陳曉麗，陳 紅

（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（華北）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100097）

基于負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量自動(dòng)檢測

李銀坤，薛緒掌，趙 倩，郭文忠※，孫維拓，陳曉麗，陳 紅

（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（華北）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100097）

針對目前關(guān)于作物蒸發(fā)蒸騰量測量方法中存在測定成本高、工作強(qiáng)度大及精確度差等問題，設(shè)計(jì)了一種測量作物蒸發(fā)蒸騰量的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)（negative pressure irrigation，NI）。為驗(yàn)證測量結(jié)果的精確性，以水量平衡法為對照（CK），采用田間小區(qū)定位試驗(yàn)，研究了NI條件下日光溫室番茄周年土壤水分動(dòng)態(tài)變化，并對比分析了溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量及水分利用效率。結(jié)果表明：NI條件下的溫室番茄0～20 cm土壤含水率及0～100 cm土體貯水量變化穩(wěn)定，周年變化幅度分別為21.4%～23.8%和322.2～333.3 mm。負(fù)壓灌溉系統(tǒng)測量的春茬番茄蒸發(fā)蒸騰量呈單峰曲線變化，季節(jié)變化幅度為0.46～5.68 mm，最高值出現(xiàn)在5月20日；秋茬番茄的蒸發(fā)蒸騰量季節(jié)變化幅度小于春茬番茄，僅為0.56～3.43 mm，最高值出現(xiàn)在10月12日。NI測定的番茄周年蒸發(fā)蒸騰量為533.4 mm，低于CK計(jì)算結(jié)果（541.6 mm），但并無顯著性差異（P>0.05）。2種方法測定的周年蒸發(fā)蒸騰量呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），相對誤差絕對值的平均僅為3.83%～7.71%，絕對誤差絕對值的平均也只有2.14～5.08 mm。2種方法得到的溫室番茄水分利用效率也無顯著性差異。綜合分析，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量的計(jì)算，其結(jié)果不僅與水量平衡法無顯著差異，而且簡便快捷、使用成本低、測定結(jié)果可靠，為溫室作物的蒸發(fā)蒸騰量測量提供了新的技術(shù)手段。

溫室；蒸發(fā)蒸騰量；灌溉；番茄；負(fù)壓灌溉系統(tǒng)；水量平衡法

李銀坤，薛緒掌，趙倩，郭文忠，孫維拓，陳曉麗，陳紅. 基于負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量自動(dòng)檢測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(10)：137－144. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.018 http://www.tcsae.org

Li Yinkun, Xue Xuzhang, Zhao Qian, Guo Wenzhong, Sun Weituo, Chen Xiaoli, Chen Hong. Automatic measurement of greenhouse tomato evapotranspiration based on negative pressure irrigation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 137－144. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.018 http://www.tcsae.org

0 引 言

作物蒸發(fā)蒸騰量又稱作物需水量，主要包括植株蒸騰和植株棵間蒸發(fā)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最主要的水分消耗部分[1-2]。作物蒸發(fā)蒸騰量既是水量平衡中的重要分量，又是水循環(huán)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)以及水管理的有效理論依據(jù)[2-4]。因此，準(zhǔn)確測定作物的蒸發(fā)蒸騰量在降低作物生育期的水分無效損耗、提高水分利用效率以及發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)等方面均具有重要意義。

目前研究中，測定和估算作物蒸發(fā)蒸騰量的方法主要包括水量平衡法、風(fēng)調(diào)室法、遙感法、渦度相關(guān)法以及蒸滲儀法等[2-6]。其中水量平衡法被認(rèn)為是研究作物蒸發(fā)蒸騰量的最基本方法，一般用土鉆采集剖面土壤，工作強(qiáng)度大，若取樣次數(shù)過多，則會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)[7]；遙感法在估算區(qū)域蒸發(fā)蒸騰量時(shí)具有較好的效果，而對于較稀疏的群體，測量精度不高[8]；風(fēng)調(diào)室法主要用于小面積林地上，且所得結(jié)果不能很好地代表實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量情況[9]；渦度相關(guān)法具有儀器成本昂貴、維護(hù)困難及技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)[10]；蒸滲儀法也存在設(shè)備成本高、安裝過程復(fù)雜、裝土困難等問題[4]。而對于溫室條件下的栽培作物，蒸發(fā)蒸騰量的估算主要基于彭曼（Penman-Monteith，P-M）公式[11-12]，因涉及參數(shù)多、計(jì)算過程復(fù)雜且所需配套儀器昂貴等，很難得到廣泛應(yīng)用?？梢姡壳斑€缺少一種能夠簡便、快速、準(zhǔn)確地獲取溫室作物蒸發(fā)蒸騰量的方法。

負(fù)水頭裝置是基于負(fù)壓入滲原理研制而成，通過將一種透水不透氣的多孔陶瓷盤埋入土壤（或基質(zhì)），并與負(fù)水頭控制裝置連接，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤含水率的精確控制[13-14]。利用負(fù)水頭裝置為作物供水時(shí)，土壤含水率呈非飽和狀態(tài)，抑制了土表濕潤導(dǎo)致的無效蒸發(fā)及地下滲漏等水分損失，水分的消耗主要源自作物的生長需求[13,15]。若能夠?qū)崿F(xiàn)對負(fù)水頭裝置中儲水桶（管）液位信息的采集，經(jīng)過簡單計(jì)算，即可得到作物的蒸發(fā)蒸騰量，但基于該方法計(jì)算結(jié)果的可靠性以及與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法相比的差異性尚不明確。而已有關(guān)于負(fù)水頭裝置的相關(guān)研究多在盆栽試驗(yàn)中進(jìn)行[15-17]，受限于栽培容器的體積，其與實(shí)際田間小區(qū)栽培條件下的作物蒸發(fā)蒸騰量有很大差別。另外，現(xiàn)有的負(fù)水頭灌溉系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了對作物的自動(dòng)供液過程，但檢測儲水桶（管）的液面變化仍需通過人工參與，才能獲得作物的蒸發(fā)蒸騰量[16,18]。整個(gè)過程既要定時(shí)定點(diǎn)地讀取液位，又要參與耗液體積的計(jì)算等工作，費(fèi)工費(fèi)時(shí)、誤差大、精確度差。針對上述問題，本研究基于負(fù)壓裝置建立了一種能夠自動(dòng)測定作物蒸發(fā)蒸騰量的系統(tǒng)，并通過田間小區(qū)定位試驗(yàn)，檢驗(yàn)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與測定結(jié)果的可靠性，以期為作物蒸發(fā)蒸騰量觀測提供一種有效的技術(shù)途徑與方法。

1 自記作物蒸發(fā)蒸騰量的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及流程

基于現(xiàn)有負(fù)水頭裝置，設(shè)計(jì)了一種自記作物蒸發(fā)蒸騰量的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，并獲得專利授權(quán)[19]，系統(tǒng)主要包括水源、液位檢測裝置和負(fù)水頭裝置。其工作流程如圖1所示。

圖1 負(fù)壓灌溉系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 Working flow chart of negative pressure irrigation system

水源主要為系統(tǒng)供水；灌溉水由液位檢測裝置進(jìn)入負(fù)水頭裝置，液位檢測裝置自帶控制器，用于存儲與計(jì)算反饋的液位信息；負(fù)水頭裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對作物連續(xù)穩(wěn)定的供水。而作物對水分的需求信息經(jīng)負(fù)水頭裝置反饋到（液位）檢測裝置，檢測裝置利用自帶的控制器實(shí)現(xiàn)對作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算，并可以實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)的一次性下載，方便快捷。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。水源通過第一電磁閥與液位檢測裝置相通。液位檢測裝置包括檢測桶、控制器和液位傳感器。檢測桶固定在第一支架上，其上方有桶蓋，出水口設(shè)有第二電磁閥。負(fù)水頭裝置包括液位恒定桶、控壓管、集氣瓶、供液管路和多個(gè)陶瓷盤。液位恒定桶上方有封口蓋，內(nèi)部安裝有浮球裝置；集氣瓶放置于第二支架上，其上方設(shè)有第一閥門；下方設(shè)有第二閥門?；谪?fù)壓入滲原理以及受到作物耗水的影響，灌溉水最終經(jīng)多孔陶瓷盤緩慢地滲入土壤，以供栽培作物生長需求。

1.2.2 工作原理

負(fù)壓灌溉系統(tǒng)是一個(gè)密閉系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤含水率的調(diào)控，其工作原理為：作物生長過程中吸取土壤水分，當(dāng)土壤干燥時(shí)，在土壤水勢差作用下，陶瓷盤向土壤滲水，引起集氣瓶中的液位下降，使集氣瓶中的真空度增加；并由此引起控壓管中的真空度增加，在大氣壓差作用下，液位恒定桶內(nèi)的液體將依次通過控壓管、集氣瓶進(jìn)入陶瓷盤；液位恒定桶內(nèi)安裝有浮球裝置，當(dāng)其液位下降時(shí)，將由檢測桶中的灌溉水補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[19]。

圖2 負(fù)水頭灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of negative pressure irrigation system

本系統(tǒng)通過增加液位檢測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)作物蒸發(fā)蒸騰量的自記，但需要設(shè)定以下條件：檢測桶可以為圓桶狀（以此為例）或其他形狀容器，上方需通過桶蓋密封，以避免水分的蒸發(fā)，且第一電磁閥的高度要大于第二電磁閥的高度。針對檢測桶而言，可設(shè)定一個(gè)低液位H1和一個(gè)高液位H2，其中H1大于第二電磁閥的高度，H2小于第一電磁閥的高度。檢測桶的液位下降至H1時(shí)，控制器給出信號，關(guān)閉第二電磁閥，同時(shí)開啟第一電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)水源對檢測桶的自動(dòng)加液。當(dāng)檢測桶的液位升高至H2時(shí)，第一電磁閥關(guān)閉，同時(shí)第二電磁閥開啟，檢測桶的液位將再次下降。如此反復(fù)，不斷實(shí)現(xiàn)對檢測桶的自動(dòng)加液。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供液功能，檢測桶內(nèi)的液位高于液位恒定桶內(nèi)的液位，可依靠重力作用實(shí)現(xiàn)檢測桶為液位恒定桶的自動(dòng)供液。

1.2.3 系統(tǒng)工作步驟

能夠自記作物蒸發(fā)蒸騰量的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，其工作步驟如下：

1）將檢測桶、液位恒定桶、控壓管、集氣瓶、供液管路和多個(gè)陶瓷盤分別接通水源，利用負(fù)壓入滲原理使苗床土壤含水率保持穩(wěn)定；在土壤吸力與大氣壓的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控水與供水。

2）通過液位傳感器檢測檢測桶在不同時(shí)刻的液位高度，并將前后時(shí)刻的液位信息反饋至控制器中分別記作h1、h2；例如：通過控制器分別在0:00和24:00分別采集檢測桶的液位。

3）控制器根據(jù)公式 πr2(h1?h2)計(jì)算作物的蒸發(fā)蒸騰量，并將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)保存。其中，r為圓筒狀檢測桶的半徑，單位cm；h1和h2分別為當(dāng)天0:00和24:00采集的檢測桶的液位高度，cm。栽培作物若進(jìn)行地膜覆蓋處理，所得結(jié)果則為作物的蒸騰量。

1.2.4 系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)的硬件由電源模塊、可編程控制器、AD模擬量擴(kuò)展模塊、串口通信模塊以及外圍傳感器接口模塊組成。液位傳感器外接在傳感器接口模塊上，由AD模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化后送入上位機(jī)；上位機(jī)將當(dāng)前液位與預(yù)設(shè)的液位下限H1和液位上限H2實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，并采用串口通訊的方式，發(fā)送指令控制可編程控制器輸出高電平，打開執(zhí)行電磁閥，從而達(dá)到為檢測桶自動(dòng)加液的目的。

1.2.5 系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為Windows7，基于組態(tài)軟件的可視化操作功能，在上位機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控畫面，同時(shí)，采用VB語言進(jìn)行蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算過程的程序編寫。上位機(jī)設(shè)置特定采樣頻率，通過串口通訊模塊獲取檢測桶液位的當(dāng)前值與初始值，并利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，與VB程序彼此交換數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，實(shí)時(shí)顯示該采樣頻率下的蒸發(fā)蒸騰量。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.3 Main flow chart of control system

2 自動(dòng)檢測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2014年3月21日―12月16日，在北京市小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究基地的日光溫室內(nèi)進(jìn)行周年番茄栽培試驗(yàn)（40?10′43′N, 116?26′39′W）。試驗(yàn)用溫室長 29 m，寬 8 m，試驗(yàn)前0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)23.3 g/kg，全氮1.57 g/kg，土壤容重1.39 g/cm3，田間持水率26.3%。試驗(yàn)小區(qū)長5.0 m，寬1.4 m，小區(qū)之間用60 cm高的PVC板隔離。供試番茄品種為仙客 8號，早春茬番茄試驗(yàn)周期為 2014年 3月21日―7月18日；秋冬茬番茄的試驗(yàn)周期為2014年7月31日―12月16日。栽培方式為覆膜畦栽，每畦2行，行距40 cm，株距35 cm。

本試驗(yàn)中負(fù)壓灌溉系統(tǒng)在春茬番茄定植前（2014年3月18日）布置到位。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中布置1套負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，3次重復(fù)。系統(tǒng)的供液管路呈0.2%～1%傾斜度布置，其中與集氣瓶連接一端要高于另一端。而且集氣瓶內(nèi)的最低液面要高于供液管路的最高液面，以方便出液。系統(tǒng)的供液桶直徑為35 cm，高60 cm，在系統(tǒng)末端連接14個(gè)多孔陶瓷盤，陶瓷盤的直徑為20 cm，等間距（35 cm）豎埋于25 cm深土壤中，上覆土5 cm。在多孔陶瓷盤兩側(cè)20 cm處位置栽培番茄，每小區(qū)栽培番茄28棵。根據(jù)已有研究結(jié)果[20]，本試驗(yàn)中日光溫室番茄的負(fù)壓供液吸力設(shè)定為-5 kPa。為驗(yàn)證利用本系統(tǒng)（negative pressure irrigation, NI）獲取作物蒸發(fā)蒸騰量的可靠性和精度，在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)同步以水量平衡法（以CK表示）測定作物蒸發(fā)蒸騰量。

2.2 測定項(xiàng)目及方法

由于試驗(yàn)在日光溫室內(nèi)進(jìn)行，且試驗(yàn)區(qū)地下水位較深，因此不考慮降雨和地下水位補(bǔ)給量的影響；而負(fù)壓供液為亞表層灌溉，每次灌溉量較少，故地表徑流量和深層滲漏量均不做考慮?；谏鲜龇治?，由簡化的水量平衡方程計(jì)算番茄耗水量[21]：

式中ET為作物耗水量（即蒸發(fā)蒸騰量），mm；I為灌水量（負(fù)壓系統(tǒng)供液量），mm；ΔW為試驗(yàn)初期和末期0～100 cm土壤水分的變化量，mm。

分別在早春季/秋冬季番茄定植前（3月19日/7月30日）、苗期（4月19日/8月20日）、開花坐果期（5月9日/9月24日）、成熟采摘期（6月6日/10月23日）以及拉秧時(shí)（7月15日/12月16日），土鉆法取0～100 cm土樣，取樣時(shí)間在每天 9:30—10:00，在每根支管等距離取3個(gè)土樣，每20 cm為一層，土樣混合后烘干法測定土壤含水率。

需水強(qiáng)度為耗水量與生育階段內(nèi)天數(shù)的比值[22]，mm/d。水分利用效率為產(chǎn)量與耗水量的比值[23]，kg/mm。采用相對誤差絕對值（absolute of relative error，MRE）的平均值和最大值、絕對誤差絕對值（absolute of absolute error，AAE）的平均值和最大值對負(fù)壓灌溉系統(tǒng)測定值和水量平衡法獲得的結(jié)果的符合度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 表層土壤含水率變化

本研究建立的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)能夠維持表層（0～20 cm）土壤含水率的穩(wěn)定性（圖4）。其中早春茬和秋冬茬番茄生育期間土壤含水率變化幅度分別為 21.4%～23.7%和21.7%～23.8%。周年0～20 cm土壤含水率保持在田間持水率的81.3%～90.5%，說明負(fù)壓灌溉系統(tǒng)為溫室番茄的正常生長提供了穩(wěn)定的土壤水分條件。

圖4 日光溫室番茄0～20 cm土壤含水率動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamics of soil water content (0-20 cm) for greenhouse tomato

3.2 土體貯水量變化

負(fù)壓灌溉系統(tǒng)下的周年土體（0～100 cm）貯水量與表層（0～20 cm）土壤含水率具有相似的變化規(guī)律（圖5），其變動(dòng)幅度為322.2～333.3 mm，最大貯水差值僅11.1 mm。說明番茄生育期內(nèi)的0～100 cm土體貯水量變化也較為穩(wěn)定。而受到番茄生長發(fā)育特征及溫室內(nèi)光溫環(huán)境條件的影響[24]，早春茬番茄土體貯水量（0～100 cm）的變動(dòng)幅度要大于秋冬茬（貯水差值僅為5.9 mm）。

3.3 日光溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量

圖 6為利用負(fù)壓灌溉系統(tǒng)測量的日光溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化。早春茬番茄的蒸發(fā)蒸騰量呈單峰曲線，季節(jié)變化幅度為0.46～5.68 mm，最高值出現(xiàn)在5月20日。秋冬茬日光溫室番茄的蒸發(fā)蒸騰量呈先升高、后穩(wěn)定，繼而又降低的趨勢，季節(jié)變化幅度小于早春茬番茄，僅為0.56～3.43 mm，其中最大值出現(xiàn)在10月12日?？梢?，利用負(fù)壓灌溉系統(tǒng)可以獲取作物蒸發(fā)蒸騰量的季節(jié)變化規(guī)律。

圖5 溫室番茄土體貯水量（0～100 cm）動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamics of soil water storage (0-100 cm) for greenhouse tomato

圖6 基于負(fù)壓灌溉系統(tǒng)測定的日光溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamics of evapotranspiration measured by negative pressure irrigation system for greenhouse tomato

表1為基于負(fù)壓系統(tǒng)和水量平衡2種方法獲得的日光溫室番茄生育期蒸發(fā)蒸騰量。在早春茬番茄生育期內(nèi)，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)（NI）和水量平衡法（CK）測量的蒸發(fā)蒸騰量最大時(shí)期均出現(xiàn)在坐果期，蒸發(fā)蒸騰量和需水強(qiáng)度分別為112.0 mm和4.00 mm/d以及114.1 mm和4.07 mm/d。秋冬茬溫室番茄的最大需水強(qiáng)度也出現(xiàn)在坐果期，分別為2.30和2.26 mm/d。從番茄周年的蒸發(fā)蒸騰量看，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的測定值與水量平衡法計(jì)算結(jié)果分別為533.4和541.6 mm，之間無顯著差異（P>0.05）。由此說明，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)可以得到與水量平衡法較為一致的作物蒸發(fā)蒸騰量。

表1 日光溫室番茄的生育期蒸發(fā)蒸騰量和需水強(qiáng)度及其誤差分析Table 1 Evapotranspiration and water consumption rate and their errors analysis of greenhouse tomato in growth stage

對 2種方法得到的日光溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表 1所示。對于早春茬和秋冬茬日光溫室番茄而言，基于負(fù)壓灌溉系統(tǒng)得到的生育期總蒸發(fā)蒸騰量與水量平衡法測量值的 MRE平均值低于 8%（分別為7.71%和3.83%），而MRE最大值分別為11.8%和6.74%；AAE平均值則低于6 mm（分別為5.08 mm和2.14 mm），AAE最大值則低于9 mm（分別為8.81 mm和4.12 mm）。對2種方法獲得的蒸發(fā)蒸騰量進(jìn)行回歸，結(jié)果表明（圖7）二者呈極顯著線性相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.917。綜上，利用負(fù)壓灌溉系統(tǒng)得到的蒸發(fā)蒸騰量與水量平衡法具有較好的一致性。

圖7 基于負(fù)壓灌溉系統(tǒng)（NI）和水量平衡法（CK）的溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量對比Fig.7 Comparison of greenhouse tomato evapotranspiration (ET)between negative pressure irrigation (NI) and water balance method (CK)

3.4 日光溫室番茄水分利用效率

基于建立的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)能夠確保日光溫室番茄產(chǎn)量，其中早春茬的番茄產(chǎn)量達(dá)到了8.59×104kg/hm2，秋冬茬的番茄產(chǎn)量為5.15×104kg/hm2。利用CK與NI獲得的蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算了溫室番茄水分利用效率無顯著性差異（表 2）。誤差分析結(jié)果表明，周年內(nèi)水分利用效率的MRE平均值低于3%，而AAE平均值則低于7 kg/mm；AAE最大值出現(xiàn)在早春茬，但也只有11.5 kg/mm?？梢娯?fù)壓灌溉系統(tǒng)不僅保證了產(chǎn)量，而且獲得的水分利用效率與水量平衡法計(jì)算結(jié)果也具有較好的一致性。

表2 日光溫室番茄水分利用效率(WUE)及其誤差分析Table 2 Water use efficiency and its error analysis of greenhouse tomato

4 討 論

本研究建立的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)，能夠獲取作物蒸發(fā)蒸騰量的季節(jié)變化規(guī)律，且可以保持穩(wěn)定的土壤含水率。利用本系統(tǒng)得到的溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量變化特征與已有基于水量平衡法得到的研究結(jié)果[25-26]相似，均表現(xiàn)為前期小、中期大、后期小的變化規(guī)律，其中最大需水強(qiáng)度都出現(xiàn)在番茄坐果期。說明負(fù)壓灌溉系統(tǒng)能夠依據(jù)作物生長發(fā)育規(guī)律實(shí)現(xiàn)供水強(qiáng)度上的變化。0～20 cm土壤含水率周年變化能夠保持在21.4%～23.8%（田間持水率的81.3%～90.5%），以及0～100 cm土體貯水量周年變化維持在 322.2～333.3 mm，說明本系統(tǒng)具有穩(wěn)定表層（0～20 cm）和土體（0～100 cm）貯水量的功能，而水分的持續(xù)、穩(wěn)定和充分供給是日光溫室番茄正常生長的重要保證[27-28]。

從負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的供水過程看，水分的消耗主要來自作物生長需求。負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的供水器布置于 25 cm深土壤中，由于土壤水分勢能的作用，供水器內(nèi)的水分進(jìn)入土壤，灌溉系統(tǒng)的管道內(nèi)形成負(fù)壓，在大氣壓強(qiáng)作用下，液位恒定桶內(nèi)的灌溉水將自動(dòng)、連續(xù)地進(jìn)入土壤。本試驗(yàn)中，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)得到的早春茬與秋冬茬溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量分別為292.9 mm和240.4 mm（表1），與水量平衡法的測定結(jié)果差異不顯著（P>0.05），少量的灌溉水經(jīng)土壤蒸發(fā)或水分下滲等途徑損失是負(fù)壓灌溉系統(tǒng)測定結(jié)果低于水量平衡法的主要原因[15]。2種方法的測定結(jié)果差異不顯著，也說明了溫室番茄生育期前后的 0～100 cm土壤水分變化量并無顯著性變化。由此可見，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)的供水量可近似為作物的蒸發(fā)蒸騰量。

目前，有利用稱重式蒸滲儀測定溫室作物耗水量的研究[29-30]，但是稱重式蒸滲儀造價(jià)昂貴，尤其在溫室中還存在施工困難、土壤擾動(dòng)大等問題，普及應(yīng)用的范圍很小。本試驗(yàn)中的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且選材容易，主要材料為PVC給水管材及常規(guī)電子元器件，單套系統(tǒng)的成本價(jià)格低；且能夠?qū)崿F(xiàn)作物蒸發(fā)蒸騰量的自動(dòng)記錄與數(shù)據(jù)的批量下載，為溫室作物蒸發(fā)蒸騰量的測定提供了一種途徑。由于負(fù)壓灌溉系統(tǒng)是在負(fù)壓條件下工作的，因此利用本系統(tǒng)測定作物蒸發(fā)蒸騰量必須確保負(fù)壓裝置的密閉性。一旦氣密性出現(xiàn)問題將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這也對系統(tǒng)的組合、安裝及維護(hù)等工作提出了較為嚴(yán)格的要求[13]。

本研究建立的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)在控制區(qū)域較小的條件下較適用，尤其適用于溫室栽培作物蒸發(fā)蒸騰量的測定，這是因?yàn)闇厥以耘鄥^(qū)域相對較小，且很少出現(xiàn)極端環(huán)境條件，系統(tǒng)的運(yùn)行不與田間管理相沖突，避免了供水管道與陶瓷盤等部件因環(huán)境溫度過低或農(nóng)事操作而出現(xiàn)凍裂和損壞等現(xiàn)象。另外，系統(tǒng)中的供液桶體積影響到測定精度，這與系統(tǒng)的液位信息采集對液面變化響應(yīng)的敏感程度有關(guān)。但相對于作物的生長，其耗水是個(gè)長期、持續(xù)的過程，通過適當(dāng)延長蒸發(fā)蒸騰量的檢測周期（例如本試驗(yàn)中的24 h為一個(gè)檢測周期）可有效降低供液桶體積等因素造成的測量精度問題。由此也說明，本系統(tǒng)針對作物的中長期蒸發(fā)蒸騰量測定具有更好的效果。

5 結(jié) 論

本研究建立了一種可自動(dòng)測定溫室作物蒸發(fā)蒸騰量的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)。在原有負(fù)水頭裝置的基礎(chǔ)上，增加了液位自動(dòng)檢測裝置，通過對檢測桶內(nèi)液位信息的采集，計(jì)算得到作物的蒸發(fā)蒸騰量。該方法簡便快捷，使用成本低，且測定結(jié)果可靠穩(wěn)定，其與水量平衡法的R2達(dá)0.917（P<0.01），相對誤差絕對值的平均值低于8%。

建立的負(fù)壓灌溉系統(tǒng)具有穩(wěn)定土壤水分的功能，且能夠獲取作物蒸發(fā)蒸騰量的季節(jié)變化特征。系統(tǒng)在-5 kPa的控制壓力下，日光溫室番茄周年的表層土壤含水率（0～20 cm）及土體貯水量（0～100 cm）可分別維持在21.4%～23.8%和322.2～333.3 mm?；谠撓到y(tǒng)得到的日光溫室春茬番茄的蒸發(fā)蒸騰量呈單峰曲線變化，日變化幅度為 0.46～5.68 mm，秋茬番茄的日變化幅度僅有0.56～3.43 mm。

與水量平衡法相比，負(fù)壓灌溉系統(tǒng)能夠得到較為一致的番茄生育期蒸發(fā)蒸騰量變化規(guī)律，其中最大需水強(qiáng)度出現(xiàn)在番茄坐果期。2種方法得到的溫室番茄蒸發(fā)蒸騰量的相對誤差絕對值的平均值僅為3.83%～7.71%，絕對誤差的絕對值的平均也只有2.14～5.08 mm。基于水量平衡法與負(fù)壓灌溉系統(tǒng)獲得的番茄水分利用效率無顯著性差異（P>0.05）。

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Automatic measurement of greenhouse tomato evapotranspiration based on negative pressure irrigation system

Li Yinkun, Xue Xuzhang, Zhao Qian, Guo Wenzhong※, Sun Weituo, Chen Xiaoli, Chen Hong
(1.Beijing Research Centre of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing100097, China;2.Key Laboratory of Urban Agriculture(North China), Ministry of Agriculture, Beijing100097, China)

Accurately measuring crop evapotranspiration is important for developing suitable irrigation schedule and improving crop water use efficiency. In order to obtain the crop evapotranspiration conveniently, rapidly and accurately, the negative pressure irrigation (NI) system based on negative pressure device was established in this study. In combination with negative pressure device, we increased the liquid level detection device, which could collect the liquid level information real-timely, and the evapotranspiration was calculated by formula with system controller. The new method of crop evapotranspiration measurement could avoid many problems, i.e. high cost on measurement, high-intensity work and poor accuracy and so on. To test and verify the accuracy of calculation results, 2-seasons (early-spring season and autumn-winter season) field experiments were carried out at the National Experiment Station for Precision Agriculture (40?10′43′N,116?26′39′W), Xiaotanshan Beijing, China. The NI measured results were compared with those with the water balance method;(CK). The soil water content in surface (0-20 cm), soil water storage (0-100 cm) and tomato yield were measured in the experiment during the whole growing season. The dynamic change of soil water content in greenhouse was studied and the tomato evapotranspiration and water use efficiency were compared. The results showed that: the variation of surface soil water content (0-20 cm) and soil water storage (0-100 cm) were stable under the negative pressure irrigation condition and the annual variation range were 21.4%-23.8% and 322.2-333.3 mm, respectively. The seasonal variation regularity of tomato evapotranspiration could be obtained with the method of negative pressure irrigation. The variation of early-spring tomato evapotranspiration in greenhouse showed a single peak curve under the negative pressure irrigation condition. The seasonal change ranged from 0.46 mm to 5.68 mm, and the peak appeared at May 20th. The autumn-winter tomato evapotranspiration had a seasonal change of 0.56-3.43 mm, which was less than the early-spring season, and the peak appeared at October 12th.Compared with the water balance method, the tomato evapotranspiration of the negative pressure irrigation system had taken on the same change rule during the growth period, and the maximum water consumption rate all appeared at tomato fruit-set period. The annual tomato evapotranspiration was 533.4 mm based on the method of negative pressure irrigation with no significant difference with that of the water balance method (541.6 mm) (P>0.05). The tomato evapotranspiration that measured by the 2 methods (NI and CK) had showed a extremely significantly linear positive correlation (R2=0.971,P<0.01),and the mean of absolute of relative error was 3.83%-7.71%, and the mean of absolute of absolute error was only 2.14-5.08 mm. Water use efficiency of greenhouse tomato for the NI treatment was 293.3 and 292.4 kg/mm in the early spring and autumn winter seasons, respectively and there were no significant difference compared with CK treatment (P>0.05). The method based on negative pressure irrigation system can make the calculation of crop evapotranspiration conveniently, which not only had no significant difference with those of the water balance method, but also simply, low cost, rapidly and with high accuracy. This method provides an effective technology to measure crop evapotranspiration in solar greenhouse.

greenhouse; evapotranspiration; irrigation; tomato; negative pressure irrigation system; water balance method

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.018

S641.2;P426.2; S625

A

1002-6819(2017)-10-0137-08

2016-10-30

2016-12-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41471285、41501312）；國家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD22B03）；北京市優(yōu)秀人才項(xiàng)目（2015000057592G267）；北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)（KJCX20140415）

李銀坤，男，山東菏澤人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水肥高效利用研究。北京 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，100097。

Email：lykun1218@163.com

※通信作者：郭文忠，男，寧夏中衛(wèi)人，研究員，主要從事設(shè)施園藝工程與栽培技術(shù)研究。北京 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，100097。

E-mail：guowz@nercita.org.cn