基于溫室內(nèi)氣象數(shù)據(jù)的適用于冬季日光溫室番茄蒸騰量各子模型對(duì)比研究

王 淼，羅新蘭，尹佳琪，蘇 慧,常姝婷

(1.錦州市氣象局,遼寧 錦州 121000; 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽 110866;3. 遼陽市氣象局，遼寧 遼陽，111000； 4. 葫蘆島市氣象局， 遼寧 葫蘆島，125000)

隨著水資源的匱乏及科學(xué)有效灌溉的需求，節(jié)水灌溉及作物需水量的準(zhǔn)確模擬計(jì)算成為熱門課題。例如在溫室或大棚等果蔬生產(chǎn)環(huán)境下，對(duì)節(jié)約優(yōu)質(zhì)適量灌溉的需求更加迫切。

北方寒區(qū)日光溫室冬季僅在中午前后通風(fēng)，其生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)封閉，蒸騰作用消耗潛熱降低植株溫度，釋放水汽增加溫室內(nèi)濕度，室內(nèi)濕度的增加又會(huì)一定程度地抑制植株蒸騰作用，增加植株病蟲害發(fā)生頻率。Penman公式是世界糧農(nóng)組織推薦的一種計(jì)算作物需水量的方法[1]，Monteith在1963年對(duì)此改進(jìn)，提出以能量平衡和水汽擴(kuò)散為基礎(chǔ)的Penman-Monteith方程(以下簡(jiǎn)稱P-M方程)，適用于多種環(huán)境下作物蒸發(fā)蒸騰量的直接計(jì)算[2-3]。Moritlle等[4]試驗(yàn)驗(yàn)證了P-M方程可以用于溫室環(huán)境下作物蒸騰量的計(jì)算。然而，由于影響蒸騰的因素較多且很多參數(shù)很難精準(zhǔn)測(cè)定，尤其是不同環(huán)境下邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)、氣孔平均阻力(rc)，目前還缺乏通用、精準(zhǔn)、可用于不同類型溫室的子模型計(jì)算式。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為ra與植株葉片和溫室內(nèi)空氣之間對(duì)流熱交換形式密切相關(guān)，不同風(fēng)速下應(yīng)采用不同的對(duì)流熱交換模型[1]。另外，溫室內(nèi)風(fēng)速是影響ra的主要因素，大部分研究應(yīng)用P-M方程計(jì)算作物蒸騰量時(shí)，測(cè)量微風(fēng)速后直接帶入半經(jīng)驗(yàn)公式即求出ra值[5-19]。冬季室內(nèi)空氣流通不均勻，微風(fēng)速測(cè)量難度很大時(shí)，也可采用不含風(fēng)速項(xiàng)的模擬式來計(jì)算ra值[20-22]。溫室內(nèi)環(huán)境(室內(nèi)總輻射Rg、飽和水汽壓差VPD、室內(nèi)空氣溫度Ta)是影響子模型rc大小的重要因素，常采用3種影響因素的半經(jīng)驗(yàn)式或植株整個(gè)生長(zhǎng)周期的特征值來模擬rc值[5,16-18，20]，鮮有利用P-M反演式來計(jì)算。國(guó)內(nèi)外研究中常將ra、rc子模型直接應(yīng)用于蒸騰量試驗(yàn)中，而少有對(duì)各子模型對(duì)比分析擇優(yōu)后帶入P-M方程對(duì)植株蒸騰速率模擬計(jì)算。

本文分別選出4組適用于北方寒區(qū)冬季日光溫室內(nèi)的ra、rc子模型，試驗(yàn)證明不同子模型對(duì)P-M方程計(jì)算植株蒸騰速率有明顯影響，通過初步篩選、檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)擇優(yōu)的方式選出基于此環(huán)境下模擬植株蒸騰量準(zhǔn)確率最高的ra、rc子模型。北方寒區(qū)日光溫室內(nèi)具有弱光、高濕、低溫及低風(fēng)速(甚至為0 m·s-1)的環(huán)境特點(diǎn)，同時(shí)，本文還對(duì)多株植株同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，這為應(yīng)用P-M反演式計(jì)算rc值提供了條件，子模型ra、rc的選取對(duì)P-M方程的準(zhǔn)確模擬及冬季日光溫室園藝作物灌溉需水量的確定具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2016年11月—2019年2月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)北山科研基地日光溫室(123°5′E，41°8′N)內(nèi)進(jìn)行。溫室方位南偏西7°。東西長(zhǎng)度60 m，跨度7.5 m，脊高3.5 m，北墻高2.3 m，墻體厚45 cm，北墻外側(cè)設(shè)有冷棚，試驗(yàn)期間揭簾時(shí)間8∶30，蓋簾時(shí)間14∶30。

供試番茄品種為適于北方日光溫室長(zhǎng)季節(jié)栽培的圣羅蘭。植株采用南北成行基質(zhì)袋培，每行鋪有一條滴灌管，滴頭與植株相對(duì)應(yīng)，滴頭出水口插于栽培袋中間位置，晴天的9∶00、12∶00、14∶00 分別灌溉100 ml·株-1·次-1,基質(zhì)水分控制在田間持水量80%以上，地面覆蓋塑料薄膜(無裸露土壤)，行距1 m，株距20 cm，共定植920株，定植密度為3.38株·m-2。選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的3株番茄作為測(cè)試樣本。溫室頂部通風(fēng)口可人工開啟，晴天中午室內(nèi)溫度超過30℃時(shí)通風(fēng)口打開10 cm進(jìn)行通風(fēng)，平均通風(fēng)時(shí)間為15 min。其余時(shí)間處于密閉狀態(tài)，試驗(yàn)期間植株處于成熟采摘期，莖粗1.41～1.48 cm、株高188.3～193.6 cm。

1.2 觀測(cè)項(xiàng)目

室外及室內(nèi)中部安裝HOBO自動(dòng)氣象站以獲取試驗(yàn)所需基本氣象數(shù)據(jù)(輻射、溫度、相對(duì)濕度、土壤含水量等)；番茄群體中間安裝北京雨根公司的環(huán)境及莖流監(jiān)測(cè)儀，測(cè)定項(xiàng)目包括：植株上方的太陽凈輻射、植株的莖流值、空氣溫濕度、葉溫(用與葉片相同顏色的綠色別針將熱電偶與葉片固定)；采用熱球風(fēng)速儀測(cè)量植株上方微風(fēng)速。試驗(yàn)期間24 h連續(xù)測(cè)試，取樣間隔10 min，蒸騰速率估算中用到的相關(guān)氣象要素觀測(cè)項(xiàng)目及儀器位置如表1所示?；|(zhì)含水量探針置于栽培袋中間位置。

表1 冬季日光溫室內(nèi)氣象要素觀測(cè)項(xiàng)目及儀器位置Table 1 Meteorological elements tested items and instrument position in winter solar greenhouse

單株植株實(shí)測(cè)蒸騰速率[4,9]計(jì)算公式：

(1)

式中，Tf為單株植株蒸騰速率(mm·h-1)；La為植株監(jiān)測(cè)探針上方的葉面積(m2)；LAI為單株葉面積指數(shù)(植株葉面積/植株占地面積)；Fs為質(zhì)量形式莖稈液流速率(g·h-1)，根據(jù)莖流計(jì)流速公式計(jì)算。

1.3 分析方法

1.3.1 葉面積指數(shù)(LAI) 葉面積采用主干上主葉長(zhǎng)寬系數(shù)法計(jì)算，測(cè)量主葉的葉長(zhǎng)(包括葉柄長(zhǎng)度)和最大葉寬,計(jì)算公式[23]：

(2)

式中，LA為葉面積(cm2)；a為葉片長(zhǎng)度(cm)；b為葉片寬度(cm)。LAI=LA/單株植株占地面積。

1.3.2 消光系數(shù)(K) 根據(jù)比爾-朗伯特(Beer-Lambert)定律得到：

(3)

式中，LAI為單株葉面積指數(shù)；I，I0分別為單株尺度的地面和植株上方的總輻射(W·m-2)。計(jì)算每日9∶00—14∶00每10 min的消光系數(shù)，根據(jù)馮新靈等[24]研究建議剔除不合理的消光系數(shù)數(shù)據(jù)(即K>1的數(shù)據(jù))，再以日為單位將合理數(shù)據(jù)均值后作為每日的消光系數(shù)。

1.3.3 采用Penman-Monteith方程模擬日光溫室基質(zhì)袋培單株植株蒸騰量 在考慮土壤熱通量、并結(jié)合適用于本環(huán)境的各邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力及氣孔平均阻力計(jì)算式，Penman-Monteith方程計(jì)算溫室內(nèi)單株植株蒸騰量的基本式可轉(zhuǎn)換[14,25-26]為:

(4)

聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(簡(jiǎn)稱FAO)推薦土壤熱通量(G)白天采用0.5Rn，夜間采用0.1Rn[4]，本文根據(jù)北方寒區(qū)日光溫室揭、蓋簾時(shí)間對(duì)應(yīng)的溫室內(nèi)日照時(shí)數(shù)對(duì)G進(jìn)行修正，白天采用0.35Rn，夜間采用0.13Rn，已在前文對(duì)取值做了敏感性檢驗(yàn)[11],本文不再贅述。

1.3.4 邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力模擬 于冬季日光溫室內(nèi)進(jìn)行，僅在晴天中午室溫超過30℃時(shí)通風(fēng)(通風(fēng)口開度10 cm，平均通風(fēng)15 min)，適用于此環(huán)境下ra的4種計(jì)算方法如下:

(1)根據(jù)Campbell[22]研究結(jié)果，由葉片溫度與周圍空氣溫度差值引起的自由對(duì)流對(duì)ra起決定作用時(shí)，計(jì)算公式：

(5)

式中，ra1為單一葉片空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s·m-1)；d為葉片特征長(zhǎng)度(m)(本試驗(yàn)取值0.15 m)；Tl為葉片溫度(℃)；Ta為周圍空氣溫度(℃)；ra為單株植株邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s·m-1)；LAI為單株葉面積指數(shù)。

(2)根據(jù)康紹忠等[14]和劉賢趙等[19]研究結(jié)果，邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力是不同作物風(fēng)速廓線的函數(shù)，由湍流傳輸阻力與葉片層流邊界層阻力組成，可表示為：

ra=rg+rb

(6)

式中，ra為邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s·m-1)，rg為湍流傳輸阻力(s·m-1)，rb為葉片層流邊界層阻力(s·m-1)。

根據(jù)Thom等[22]提出的適用于溫室內(nèi)計(jì)算湍流傳輸阻力的公式，當(dāng)Uz=0時(shí)，公式簡(jiǎn)化為：

式中，Z為風(fēng)速測(cè)量高度(m)，Z0為地面粗糙度(m)，d為零平面位移長(zhǎng)度(m)。

根據(jù)康紹忠等[14]研究，對(duì)于一般作物：

Z0=0.13hc，d=0.64hc

式中，hc為番茄冠層高度(m)，其余符號(hào)意義同前。

根據(jù)此公式可避免由于溫室內(nèi)風(fēng)速過低，出現(xiàn)湍流傳輸阻力無窮大的情況。

葉片層流邊界層阻力rb與葉片特征寬度、風(fēng)速有關(guān), 當(dāng)溫室內(nèi)風(fēng)速不為零時(shí)，葉片層流邊界層阻力不能忽略，此時(shí)rb可表示為：

式中，c為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(0.01 m·s-10.5)，u為冠層上方風(fēng)速(m·s-1)，w為葉片特征寬度(m)。

(3)根據(jù)Bailey等[1]關(guān)于溫室內(nèi)作物葉片的研究表明，邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)與葉面和空氣之間的對(duì)流熱交換系數(shù)(hp,a)的關(guān)系式為：

(7)

不同對(duì)流情況下，hp,a的計(jì)算式為：

其中

式中，Kc為空氣的熱導(dǎo)率(0.0267 W·m-1·K-1)，Gr為格拉曉夫數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，β為空氣的熱膨脹系數(shù)(0.00375 K-1)，g為重力加速度(9.8 m·s-2)，Tl為葉面溫度(℃)，Ta為室內(nèi)空氣溫度(℃)，Re為雷諾數(shù)，v為空氣運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)(1.6×10-5m2·s-1)，a為空氣熱擴(kuò)散率(2.29×10-5m2·s-1)，u為室內(nèi)空氣流速(m·s-1)，l為作物葉片特征長(zhǎng)度，番茄取0.15 m。

(4)Stanghellini[27]應(yīng)用葉片與空氣之間溫度差值及溫室內(nèi)空氣流速的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算ra值，公式可總結(jié)為：

ra=1174L0.5(L|Tl-Ta|+207u2)-0.25

(8)

式中，L為葉片特征長(zhǎng)度(m)，Tl為葉片溫度(℃)，Ta為室內(nèi)空氣溫度(℃)，u為作物冠層上方微風(fēng)速(m·s-1)。

1.3.5 氣孔平均阻力模擬 作物通過葉片氣孔與周圍環(huán)境進(jìn)行顯熱交換和水分傳輸，交換和傳輸過程中受氣孔阻力控制，氣孔阻力又受諸多氣象因子影響，主要包括溫室內(nèi)植株上方總輻射(Rg)、溫室內(nèi)飽和水汽壓差(VPD)、溫室內(nèi)空氣溫度(Ta)。本文對(duì)處于成熟采摘期的番茄植株假定其在大葉模式下進(jìn)行氣孔平均阻力的模擬，根據(jù)Boulard等[28]的研究表明，作物氣孔平均阻力可由以下各統(tǒng)計(jì)方程來計(jì)算：

(1)根據(jù)Pollet等[15]的研究結(jié)果此方程可總結(jié)為：

×[1+0.016(Ta-16.4)2]

(9)

式中，Rg為溫室內(nèi)植株上方總輻射(W·m-2)，Ta為溫室內(nèi)空氣溫度(℃)，D為溫室內(nèi)飽和水汽壓差(kPa)。

(2)北方寒區(qū)日光溫室冬季VPD變化范圍很小，根據(jù)Pollet等[20]及Boulard等[28]研究，表達(dá)式可總結(jié)為Rg、Ta的方程，即：

(10)

(3)Demrati等[29]認(rèn)為冬季日光溫室處于密閉狀態(tài)下，可直接將室內(nèi)總輻射帶入下式計(jì)算出作物冠層對(duì)水汽的阻力(即氣孔平均阻力)：

(11)

(4)由于影響溫室內(nèi)氣孔平均阻力的主要因素包括溫室內(nèi)總輻射、溫度、飽和水汽壓差等氣象因子，因此可以通過反演的方式計(jì)算出植株樣本a的rc值作為植株樣本b、c的rc值并帶入P-M方程計(jì)算另兩株植株的蒸騰速率模擬值，rc計(jì)算表達(dá)式如下：

(12)

式中，λE為植株a的實(shí)測(cè)蒸騰潛熱值(W·m-2)，ra為植株a的邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s·m-1)，其余物理量為植株a單株尺度對(duì)應(yīng)的數(shù)值且意義同前。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同子模型模擬日光溫室內(nèi)各邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)與氣孔平均阻力(rc)對(duì)比分析

基于模型模擬蒸騰速率的準(zhǔn)確程度與ra、rc的取值有直接關(guān)系[2]，目前對(duì)于不同類型溫室中ra、rc計(jì)算公式的選取仍沒有一致的結(jié)論。為了驗(yàn)證本文提出的幾種計(jì)算ra、rc的方法對(duì)P-M模型模擬精確程度的影響，將12月20日及12月21日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的各ra、rc值帶入P-M方程計(jì)算逐時(shí)蒸騰速率，以對(duì)比各子模型在不同時(shí)刻的模擬效果。以1.3.4、1.3.5節(jié)中的公式為基礎(chǔ)，計(jì)算單株植株蒸騰速率的相對(duì)變化率，白天各時(shí)刻蒸騰速率計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

由圖1(a)可見不同的ra計(jì)算式對(duì)白天逐時(shí)蒸騰速率影響最大的時(shí)間是11∶00—13∶00，蒸騰速率平均變化量為8.01%，影響最小的時(shí)間為9∶00及15∶00左右，蒸騰速率平均變化量為0.76%，其余時(shí)間蒸騰速率平均變化量為5.11%；由圖1(b)可見不同的rc計(jì)算式對(duì)白天逐時(shí)蒸騰速率影響最大的時(shí)間是11∶00—13∶00，蒸騰速率平均變化量為42.21%，影響最小的時(shí)間段為9∶00—10∶00，蒸騰速率平均變化量為27.48%。

由于北方寒區(qū)冬季嚴(yán)寒，日光溫室于夜間覆蓋保溫被以保證室內(nèi)溫度滿足植株正常生長(zhǎng)需要，而此時(shí)蒸騰量很小。為了進(jìn)一步明確子模型選取對(duì)植株蒸騰作用的顯著影響，本試驗(yàn)對(duì)夜間番茄蒸騰速率作簡(jiǎn)要計(jì)算說明，對(duì)植株夜間的蒸騰速率值比較分析，給出不同ra、rc組合形式對(duì)夜間植株蒸騰量的影響情況，結(jié)果如表2所示，不同的ra計(jì)算式對(duì)夜間蒸騰速率影響較大，且影響程度相近，平均變化量為46.13%；各rc計(jì)算式對(duì)夜間蒸騰速率影響程度較一致，平均變化量為30.25%。

表2 基于不同子模型的冬季日光溫室內(nèi)夜間番茄各邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力與氣孔平均阻力模擬的蒸騰速率/(mm·h-1)Table 2 Transpiration rate of different aerodynamic resistance (ra)、average stomatal resistance (rc)on different submodel in solar greenhouse during night winter

總體上看，不同的ra、rc對(duì)P-M方程模擬值的影響程度均是夜間大于白天，白天rc對(duì)P-M方程模擬值的影響程度明顯大于ra，夜間則相反，因此在應(yīng)用P-M方程計(jì)算植株蒸騰速率時(shí)子模型ra、rc的選用是非常重要的。

2.2 日光溫室內(nèi)單株尺度子模型運(yùn)行結(jié)果

選取試驗(yàn)期間有典型天氣的2017-12-13—2017-12-25(其中13日與17日為霧霾天，14日與24日為陰天，其余時(shí)間為晴天)連續(xù)13 d的測(cè)試值。根據(jù)1.3.4與1.3.5節(jié)各公式計(jì)算邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)與氣孔平均阻力(rc)，各公式模擬值的對(duì)比見圖2。

由圖2(a)可以看出，基于1.3.4節(jié)此環(huán)境下公式Campbell(1977)與公式Stanghellini(1995)的變化趨勢(shì)相同，波動(dòng)范圍不同，公式Campbell(1977)計(jì)算的ra平均日波動(dòng)范圍在晴天為185～489 s·m-1，陰天為249～357 s·m-1；公式Stanghellini(1995)計(jì)算的ra平均日波動(dòng)范圍在晴天為450～1 403 s·m-1，陰天為649～1 011 s·m-1。而公式劉賢趙(2001)、公式Bailey(1993)計(jì)算的ra值波動(dòng)振幅過于平穩(wěn)。

由圖2(b)可以看出，冬季日光溫室除午間通風(fēng)時(shí)段，其余時(shí)間處于密閉狀態(tài)，室內(nèi)濕度一直維持較高值，VPD變化范圍很小，考慮VPD時(shí)，rc的波動(dòng)范圍反而不那么明顯，所以如公式Pollet(2000)所示僅考慮Rg與Ta時(shí)rc的計(jì)算值在全天均呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)性。鑒于此，1.3.5節(jié)中公式Pollet(2000)及反演式計(jì)算的rc平均日波動(dòng)范圍在晴天分別為261～1 359、253～1 356 s·m-1；陰天分別為250～1 291、235～1 260 s·m-1。此環(huán)境下考慮影響rc的3個(gè)因素(植株上方總輻射,Rg;飽和水汽壓差,VPD;室內(nèi)平均空氣溫度,Ta)及一個(gè)因素(Rg)時(shí)在白天時(shí)段rc模擬值基本相同，這與實(shí)際情況不符。

由于ra、rc變化具有波動(dòng)性，由圖2分析結(jié)果初步確定1.3.4節(jié)中由空氣溫度、葉溫及植株生理指標(biāo)(葉片特征長(zhǎng)度、LAI)代入公式Campbell(1977)、公式Stanghellini(1995)計(jì)算的ra子模型、1.3.5節(jié)中根據(jù)室內(nèi)植株上方總輻射(Rg)、空氣溫度(Ta)代入公式Pollet(2000)及P-M方程反演式計(jì)算出的rc模擬值符合其隨時(shí)間波動(dòng)的特征。

2.3 不同子模型模擬日光溫室內(nèi)邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)與氣孔平均阻力(rc)的驗(yàn)證與篩選

為了進(jìn)一步說明子模型對(duì)P-M方程模擬植株蒸騰速率的影響程度以及模型的通用性，分別將ra于12月18日—1月1日及rc于12月11日—12月25日的子模型計(jì)算值代入P-M方程并求得蒸騰速率模擬值與實(shí)測(cè)值的Pearson相關(guān)系數(shù)、平均相對(duì)誤差(MRE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)及模型效率指數(shù)(EF)[30-31]，結(jié)果見表3。由表3分析得出，北方寒區(qū)冬季日光溫室生產(chǎn)環(huán)境中各ra子模型的模擬值與實(shí)測(cè)值相關(guān)性最強(qiáng)的是Campbell與Bailey模擬式，其與實(shí)測(cè)值對(duì)比的相關(guān)系數(shù)均為0.826(劉賢趙0.813；Stanghellini 0.822)；平均絕對(duì)誤差(MAE)Campbell模型為0.02，其余3個(gè)子模型均為0.03；Campbell模型的均方根誤差(RMSE)最??；模型效率指數(shù)(EF)Campbell>Bailey=Stanghellini>劉賢趙。因?yàn)楸驹囼?yàn)測(cè)試時(shí)間為冬季，溫室中午前后開窗通風(fēng)時(shí)室內(nèi)風(fēng)速垂直流通且并不均勻，其余時(shí)間處于密閉狀態(tài)，微風(fēng)速的測(cè)量偏差較大。通過各檢驗(yàn)系數(shù)結(jié)合子模型整體波動(dòng)性，綜合分析得出選用包含空氣溫度、植株葉片溫度及植株生理指標(biāo)(葉片特征長(zhǎng)度、單株植株葉面積指數(shù)LAI)等參數(shù)模擬單株植株邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力值；各rc子模型計(jì)算得出的模擬值中反演式與實(shí)測(cè)值對(duì)比的相關(guān)系數(shù)為0.955(Pollet 0.861；Boulard 0.863，Demrati 0.860)，反演式的平均相對(duì)誤差(MRE)、平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)均低于其余三者，反演式的模型效率指數(shù)(EF)為0.95，其準(zhǔn)確率高于其余三者，所以本文選用反演式模擬單株植株氣孔平均阻力值。

表3 各子模型模擬的植株蒸騰速率模擬值與實(shí)測(cè)值的分析檢驗(yàn)Table 3 Inspection analysis between simulated on different submodel and measured of transpiration rate

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

基于模型模擬蒸騰速率的準(zhǔn)確程度與邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力、氣孔平均阻力的取值有直接關(guān)系[2]，而二者數(shù)值的精確獲得很難。冠層內(nèi)外風(fēng)速及溫度的變化會(huì)產(chǎn)生不同的氣流模式類型[1],氣孔平均阻力的取值不僅與太陽輻射、VPD、空氣溫度、作物水分等有關(guān)[32],且還受冠層結(jié)構(gòu)、冠層上方氣流及土壤條件等影響[12]。已有部分研究于空氣流通較均勻的塑料大棚[5]、玻璃溫室[6]、防蟲遮陽網(wǎng)溫室[7]、日光溫室[8-13,24]中直接采用運(yùn)用微風(fēng)速計(jì)算的ra值、半經(jīng)驗(yàn)公式總結(jié)的rc值或總結(jié)出的特征值模擬整個(gè)試驗(yàn)周期的子模型運(yùn)行結(jié)果，本試驗(yàn)驗(yàn)證的4組ra、rc計(jì)算式對(duì)P-M方程模擬植株蒸騰速率有明顯影響，驗(yàn)證各組子模型準(zhǔn)確率后再運(yùn)用其計(jì)算植株蒸騰量值是非常必要的。

Bailey等[1]在英國(guó)(5月)及西班牙(7月)空氣流通較均勻的溫室內(nèi)利用葉片邊界層空氣流通模式模擬ra值。結(jié)果表明：開窗通風(fēng)時(shí)，強(qiáng)迫對(duì)流模擬式更接近實(shí)測(cè)值，兩地區(qū)的模擬值與實(shí)測(cè)值平均差值分別為2.8%、3.2%；康紹忠等[14]和劉賢趙等[19]在Thom等[22]提出的溫室內(nèi)湍流傳輸阻力計(jì)算式基礎(chǔ)上提出葉片層流邊界層阻力值，提高了冬季大棚作物需水量計(jì)算的準(zhǔn)確率；Stanghellini[27]利用葉片與空氣溫差及室內(nèi)空氣微風(fēng)速的半經(jīng)驗(yàn)公式也得到了較好的模擬效果；Campbell等[25]總結(jié)出基于葉溫、空氣溫度、植株生理指標(biāo)(LAI、葉片特征長(zhǎng)度)為基礎(chǔ)的模擬式，避免了由于冬季溫室內(nèi)空氣流通不均勻時(shí)誤差較大的問題，經(jīng)檢驗(yàn)在冬季日光溫室空氣流通不均勻時(shí)采用此模擬式可提高試驗(yàn)準(zhǔn)確率。經(jīng)對(duì)比分析，本文選用Campbell等[25]總結(jié)出的ra模擬式，并將LAI換算為單株尺度，當(dāng)室內(nèi)微風(fēng)速測(cè)量困難時(shí)可采用不含有風(fēng)速項(xiàng)的ra模擬式。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中多是利用溫室內(nèi)影響氣孔平均阻力的氣象因子(Rg、VPD、Ta)總結(jié)的半經(jīng)驗(yàn)公式來模擬rc值[20,28-29]，本文利用反演式求得rc值，經(jīng)驗(yàn)證利用反演式模擬植株蒸騰速率的誤差較小，且Pearson相關(guān)系數(shù)達(dá)0.955，準(zhǔn)確率明顯提高。

本試驗(yàn)在北方寒區(qū)很少通風(fēng)的日光溫室內(nèi)進(jìn)行，此條件下空氣流速不均勻，微風(fēng)速測(cè)量難度較大。本文僅對(duì)冬季日光溫室內(nèi)ra、rc篩選擇優(yōu)，并未在夏季日光溫室內(nèi)驗(yàn)證。在今后試驗(yàn)中將增加夏季空氣流通較均勻時(shí)各子模型的篩選驗(yàn)證。試驗(yàn)番茄為基質(zhì)袋培，地面覆蓋塑料薄膜，無裸露土壤。番茄根部水熱狀況與盆栽或土壤栽培有區(qū)別，各組子模型的適用性對(duì)蒸騰結(jié)果的影響有待進(jìn)一步研究及優(yōu)化。

總體來看，本文主體采用應(yīng)用較廣泛的P-M方程模擬溫室單株植株蒸騰量，對(duì)邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力及氣孔平均阻力不同子模型模擬式作對(duì)比分析；本試驗(yàn)選取的ra、rc子模型模擬植株蒸騰速率的準(zhǔn)確率較高，特別是運(yùn)用反演式計(jì)算的rc值達(dá)到了較優(yōu)的模擬效果。試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果可為北方寒區(qū)冬季日光溫室空氣流通并不均勻(微風(fēng)速測(cè)量難度較大)、選取多株植株同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)子模型的選取提供參考。

3.2 結(jié) 論

(1)總體來看，ra、rc隨時(shí)間波動(dòng)變化，利用不同ra、rc模擬式計(jì)算北方寒區(qū)日光溫室蒸騰速率的相對(duì)變化率有差別。不同子模型模擬的ra在白天、夜間平均變化量分別為5.73%、46.13%；不同子模型模擬的rc在白天、夜間平均變化量分別為37.10%、30.25%，rc模擬式對(duì)白天蒸騰速率的影響程度明顯大于ra的選擇，雖然夜間不同的ra計(jì)算式對(duì)蒸騰速率模擬值影響程度大于rc約15.88%，但由于北方寒區(qū)日光溫室冬季番茄蒸騰作用主要集中于白天，因此模擬植株蒸騰速率時(shí)子模型rc的選擇尤為關(guān)鍵。

(2)本試驗(yàn)條件下，選取的子模型計(jì)算得出的晴天、陰天番茄植株邊界層空氣動(dòng)力學(xué)阻力(ra)的變化范圍分別為185～489、249～357 s·m-1，氣孔平均阻力rc變化范圍分別為253～1 356、235～1 260 s·m-1，應(yīng)用P-M方程模擬日光溫室作物蒸騰量時(shí)應(yīng)根據(jù)溫室內(nèi)特定的氣象環(huán)境選擇合適的ra、rc模擬式。

(3)本研究驗(yàn)證了ra、rc(各4組)子模型組合式分別代入P-M方程模擬植株蒸騰速率并與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，結(jié)果表明：Campbell模型的Pearson相關(guān)系數(shù)、MRE、MAE、RMSE、EF指標(biāo)均優(yōu)于其余3種模型，又結(jié)合子模型的波動(dòng)特征，綜合考慮本試驗(yàn)的ra值選取Campbell模型模擬；反演式的各指標(biāo)均優(yōu)于其他模擬式且其Pearson相關(guān)系數(shù)為0.955、MRE為7.16%、MAE為0.01、RMSE為8.56、EF為0.95，因此，本文選取反演式計(jì)算rc值。建議在溫室內(nèi)微風(fēng)速測(cè)量難度較大時(shí)，可采用測(cè)試葉溫、空氣溫度、LAI及葉片特征長(zhǎng)度的方式來計(jì)算ra值；由于rc值不受植株自身?xiàng)l件影響，僅與室內(nèi)環(huán)境要素有關(guān)，因此當(dāng)試驗(yàn)同時(shí)選取多株植株時(shí)，可以通過其中某一植株的反演式計(jì)算出的rc值同樣作為其余植株的rc值代入P-M方程計(jì)算相應(yīng)單株植株的蒸騰量可達(dá)到較優(yōu)的模擬效果。