設施作物蒸騰蒸發(fā)模型的研究現(xiàn)狀及存在問題

李迷,閆浩芳,*,張川,張建云,王國慶,ACQUAH Samuel Joe

(1. 江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029; 3.江蘇大學農(nóng)業(yè)工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

設施農(nóng)業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中的地位和作用日益突出,不論從產(chǎn)量還是種植規(guī)模上,中國都居世界首位[1].發(fā)展設施農(nóng)業(yè)、提高設施蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)民收入的重要途徑和手段.從國家農(nóng)業(yè)發(fā)展分布狀況和投入產(chǎn)出效果的現(xiàn)狀分析,在設施農(nóng)業(yè)上大力推廣節(jié)水灌溉技術(shù),將更有利于節(jié)水農(nóng)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展.

根據(jù)構(gòu)造方法、使用材料及內(nèi)部設施條件的不同,常見溫室類型主要有:荷蘭Venlo型溫室、塑料大棚及拱形溫室等.不同的溫室結(jié)構(gòu)及形狀對溫室內(nèi)部氣象狀況有很大的影響,特別是對溫室內(nèi)溫度、濕度及透光率的影響.溫室作為半封閉系統(tǒng),其氣象環(huán)境與大田自然環(huán)境差異較大,而溫室內(nèi)的加熱、降溫及通風設施的使用,使得溫室內(nèi)氣象因子的變化規(guī)律與空間分布產(chǎn)生了變化.

作物蒸騰蒸發(fā)(ETc)是灌溉水消耗的主要組成部分,準確地確定溫室作物ETc不僅對調(diào)節(jié)溫室濕熱環(huán)境具有重要意義,而且對于改善溫室種植用水管理、確定和提高溫室作物產(chǎn)量及果實品質(zhì)具有決定性作用.蔬菜作物生長過程中對水分管理要求較高,水分的供給量、供給時期以及生長過程中出現(xiàn)水分虧缺或過剩都會對蔬菜的產(chǎn)量及品質(zhì)產(chǎn)生影響,而進行科學合理的灌溉取決于對作物ETc的準確確定[2].

實測溫室作物ETc的若干方法,或者成本昂貴(蒸滲儀)或者操作復雜(莖流計),均不適用于溫室生產(chǎn)的實際應用.因此,準確的模擬手段顯得尤為重要,構(gòu)建適合不同通風狀況溫室、不同作物類型及種植季節(jié)的微氣象模型,對于確定溫室作物灌溉制度、設置溫室通風及實現(xiàn)溫室環(huán)境控制均具有重要意義[3].

目前對作物ETc模型的研究工作多數(shù)集中于大田環(huán)境,或者對某種基于大田環(huán)境構(gòu)建的模型,在特定溫室狀況下進行修正以估算作物生育期內(nèi)ETc的變化規(guī)律.然而,由于溫室通風狀況的不同,溫室內(nèi)不同冠層高度微氣象因子數(shù)值的大小及空間分布的變化規(guī)律存在差異,使得已有模型在不同類型溫室中的應用存在較大的不確定性.

1 溫室蒸騰蒸發(fā)模型綜述

通過微氣象數(shù)據(jù)間接確定溫室作物ETc是一種常用的方法.間接確定溫室作物ETc的模型包括物理模型和經(jīng)驗模型.物理模型主要基于能量平衡和其他不同理論的結(jié)合;經(jīng)驗模型主要基于輻射、溫度和相對濕度與ETc的相關(guān)關(guān)系,且只適用于特定的地區(qū)和時間.最常見的用于確定不同溫室作物ETc的間接模型有FAO-Penman,FAO-Radiation,FAO-56 Penman-Monteith(FAO-56 PM),Hargreaves及Priestley-Taylor(PT)模型等.以上模型需實測氣象數(shù)據(jù),即可獲得作物的參考蒸騰蒸發(fā)量(ET0),然后應用推薦的作物系數(shù)值(kc)實現(xiàn)對特定作物ETc的估算,模型的精度取決于ET0與kc的準確性.

表1為計算不同參考界面蒸騰或蒸發(fā)的模型表達式、適用氣候條件及優(yōu)缺點比較.以往大量研究比較了不同模型估算溫室ET0的精度及適用性,例如LIU等[4]比較了不同模型(FAO Penman,FAO-56 PM,FAO Radiation,Hargreaves和PT)計算通風溫室ET0的結(jié)果顯示:考慮風速影響的FAO Penman和FAO-56 PM模型的計算結(jié)果與實測值較其他方法接近,考慮溫度和水汽壓差的模型較只考慮輻射的模型精度高,PT模型與其他模型相比精度最差.而VALDES-GOMEZ等[5]通過考慮微氣象數(shù)據(jù)對輻射項的影響,對PT模型進行修正,使其預測溫室ET0的誤差僅為6.1%.FERNANDEZ等[6]指出Hargreaves模型的精度取決于溫室內(nèi)輻射透過率,即溫室類型或者溫室材質(zhì),例如溫室有無涂層對于模型的適用性有很大的影響.PRENGER等[7]研究表明,FAO-56 PM模型高估溫室ET0;由此可見,以上模型中參數(shù)的確定均基于特定的氣候條件,直接應用于估算其他地區(qū)溫室ET0將產(chǎn)生較大誤差.

表1 計算不同參考界面蒸騰或蒸發(fā)的模型表達式、適用氣候條件及優(yōu)缺點

根據(jù)作物蒸騰機理確定溫室作物ETc的直接模型有基于大田條件構(gòu)建的Penman-Monteith(PM)模型(不同于FAO-56 PM模型)、考慮作物生長狀況構(gòu)建的Stanghellini模型、基于冠層表面溫度與大氣溫度差及能量平衡方程構(gòu)建的Bulk transfer模型等.PM模型是Monteith于1965年通過對Penman模型的修正,引進冠層與空氣之間水汽傳輸?shù)淖枇?shù).PM模型提高了估算作物ETc的精度.STANGHELLINI[8]引進作物生長指標——葉面積指數(shù)(LAI)對PM模型進行了修正,構(gòu)建了預測溫室作物ETc的Stanghellini模型.Bulk transfer 模型是基于作物冠層表面溫度與空氣溫度之差,以及冠層表面溫度下飽和水汽壓與空氣實際水汽壓之差,確定冠層顯熱與潛熱通量的一種機理模型[9].

MEDRANO等[10]應用PM模型對不同輻射強度下無土栽培黃瓜氣孔蒸騰進行模擬,指出研究中模型參數(shù)只能應用于地中海氣候條件.SEGINER[11]通過將能量平衡方程與PM方程相結(jié)合,修正模型中關(guān)鍵參數(shù),研究結(jié)果表明,當輻射、溫度和濕度變化時,改進后的模型能夠預測溫室通風條件下作物ETc,克服了以往ETc模型只考慮蒸騰系數(shù)的缺點.MOLLER等[12]引進一個邊界層阻力參數(shù),對PM模型進行修正,構(gòu)建了基于微氣象和物理參數(shù)、適用于設有防蟲網(wǎng)孔的玻璃溫室能量平衡模型,對溫室甜椒ETc進行了估算,并與莖流計實測結(jié)果進行了比較,模型的敏感性分析結(jié)果顯示模型對可利用輻射項最為敏感,其次是溫度和水汽壓.LOPE-CRUZ等[13]比較了PM和Stanghellini模型預測自然通風溫室內(nèi)西紅柿ETc,結(jié)果顯示,基于大田條件構(gòu)建的PM模型高估西紅柿ETc實測值,而Stanghellini模型由于考慮了LAI的影響,可以準確估算溫室西紅柿ETc.TAKAKURA等[14]用能量平衡方程確定了自然通風下溫室西紅柿ETc,并將結(jié)果與莖流計觀測結(jié)果進行了比較,其研究沒有考慮土壤熱通量的影響,也沒有提出模型中難以實測的冠層表面溫度的確定方法,使得模型的推廣應用受到了限制.

Stanghellini模型是基于控制溫室環(huán)境條件構(gòu)建的,在自然通風或風速為0的溫室條件下的適用性還未有研究報道.不同類型溫室作物ETc模型的精確度比較及所需氣象數(shù)據(jù)見表2.已有的研究針對特定氣候區(qū)域、溫室通風類型、作物種類及種植季節(jié),考慮不同氣象因子和生長因子,修正模型參數(shù),能夠提高模型的準確性,但不同條件下適用的模型并不相同,使得模型的推廣應用受到了限制.

表2 不同類型溫室作物蒸騰蒸發(fā)模型的精確度比較

2 溫室作物蒸騰蒸發(fā)機理模型參數(shù)

不同ETc機理模型(Shuttleworth-Wallace,PM,Stanghellini及Bulk transfer等模型)的精度取決于對模型中主要參數(shù)——空氣動力學阻力參數(shù)與冠層阻力參數(shù)的取值或模擬[6].表3為作物ETc機理模型中冠層阻力參數(shù)(rc)的不同確定方法.目前,國際上對大田種植條件下作物ETc機理模型中rc的確定已進行了大量的研究,而對于溫室栽培條件下的相關(guān)研究甚少,且不同研究地區(qū)所得結(jié)果存在差異,所得阻力參數(shù)模型或特征值的應用也存在地區(qū)或溫室通風狀況的限制.YANG等[16]指出rc隨作物種類及氣候狀況的不同而存在差異,很多研究基于獨立的氣象因子構(gòu)建了rc的經(jīng)驗模型,但由于不同氣象因子之間的相互關(guān)聯(lián)性,使得模型的應用受到了限制.HUANG等[17]基于Shuttleworth-Wallace模型,分別模擬了黃瓜植株蒸騰與土面蒸發(fā)的阻力參數(shù),實現(xiàn)了對Venlo型溫室黃瓜ETc的準確估算,但模型中參數(shù)的確定方法和結(jié)果對其他類型溫室或作物種類的適用性還有待進一步驗證.YAN等[18]通過分析溫室中對流類型確定PM模型中空氣動力學阻力參數(shù),通過分析太陽輻射與黃瓜葉片氣孔導度的相關(guān)關(guān)系確定rc,建立了適用于模擬Venlo型溫室黃瓜ETc的冠層阻力參數(shù)子模型,并確定了模型中空氣動力學阻力參數(shù)的特征值.陳新明等[19]改進PM方程,引進作物冠層高度,修正與風速有關(guān)的空氣動力學項,使得大棚番茄ETc的計算值與實測值較為吻合.但研究結(jié)果僅適用于沒有通風設備的溫室大棚,對于有強制通風設備的智能控制(Venlo型)溫室,采用該研究中改進的PM模型將會產(chǎn)生較大的誤差.JONES等[20]認為PM模型中輻射項和空氣動力項之間相互關(guān)聯(lián),由于溫室中風速幾乎為0,因此在溫室作物ETc的預測中可以忽略空氣動力學項;在通風量很小的情形下,該溫室模型具有一定適用性,但在溫室有通風設計的條件下,上述假設就受到質(zhì)疑.羅衛(wèi)紅等[21]通過對溫室內(nèi)小氣候、作物蒸騰速率及氣孔阻力進行試驗觀測,分析溫室黃瓜蒸騰速率的變化規(guī)律及其與溫室小氣候之間的定量關(guān)系,確定了溫室黃瓜rc的特征值,并指出其研究所確定的阻力參數(shù)特征值僅適用于所研究地區(qū)及溫室通風狀況.

表3 作物蒸騰蒸發(fā)模型中冠層阻力參數(shù)的確定方法及優(yōu)缺點比較

綜上所述,已有文獻大多是對大田條件下阻力參數(shù)模型進行修正后應用于溫室,并未研究溫室不同通風設置對模型精度的影響.由于溫室與大田微氣象條件差異較大,溫室內(nèi)冠層不同高度氣象因子的變化規(guī)律與大田存在很大差異,隨著溫室通風狀況的改變,溫室內(nèi)不同冠層高度微氣象數(shù)據(jù)的差異、溫濕度和輻射等主要模型輸入因子的同步性及相關(guān)關(guān)系也將產(chǎn)生變化,從而對模型輸出結(jié)果產(chǎn)生較大的影響.

3 影響作物蒸騰模型估算精度的因素

已有研究指出,作物ETc模型的輸出精度受氣候狀況影響顯著.LI等[24]分別應用Jarvis和改進的BWB-Leuning模型對氣孔阻力參數(shù)進行估算,并對模型進行參數(shù)化,發(fā)現(xiàn)應用相同試驗點數(shù)據(jù)進行檢驗時模型精度較高,而應用不同氣候地區(qū)數(shù)據(jù)檢驗模型時,模型參數(shù)需要重新率定.QIU等[25]基于不同空氣動力學阻力參數(shù)估算模型,研究了中國西北地區(qū)對流作用對Penman-Monteith模型估算日光溫室辣椒氣孔蒸騰的影響,指出氣孔阻力可以通過觀測太陽輻射計算.然而,當溫室作物處于冬季保溫或加溫所造成的高溫度、低輻射環(huán)境,即溫度、輻射不同步時,僅用太陽輻射模擬氣孔阻力將導致結(jié)果準確性較差.MONTERO等[26]將Penman-Monteith模型與其他方法進行比較,結(jié)果表明在空氣飽和水汽壓和溫度都較高時,采用Penman-Monteith模型能夠精確預報溫室天竺葵的ETc,且隨著空氣飽和水汽壓和氣溫增大,采用氣孔計測得的作物氣孔阻力值并沒有下降,得出冠層阻力只是有效輻射的函數(shù),與空氣飽和水汽壓及氣溫無關(guān).以上研究均表明,溫室作物ETc模型的適用性與氣候狀況(或種植季節(jié))有很大的相關(guān)性.在同一研究區(qū)域,微氣象數(shù)據(jù)的采集位置對ETc模型輸出結(jié)果亦有顯著影響.MORILLE等[27]發(fā)現(xiàn)用PM模型預測新幾內(nèi)亞島鳳仙花的ETc與實測值有較大偏差,提出了有效提高模型預測效率的新方法——采用冠層內(nèi)部而非冠層頂部溫濕度作為PM方程的輸入氣象因子.YANG等[16]通過觀測溫室黃瓜冠層不同高度葉片溫度和空氣溫度,分析了冠層不同高度空氣溫度變化規(guī)律及差異,得出冠層不同高度處氣溫在8:00—12:00隨高度增加而增大,而夜間呈相反趨勢,表明冠層不同高度處氣溫存在較大差異,尤其是在蒸發(fā)力較大的時段.YAN等[28]通過分析溫室黃瓜作物冠層不同高度主要微氣象數(shù)據(jù)的變化特征與分布規(guī)律,分別應用不同觀測位置氣象因子作為Stanghellini模型的輸入數(shù)據(jù)對ETc進行模擬,結(jié)果顯示,采用作物冠層內(nèi)部氣象數(shù)據(jù)可使Stanghellini模型的輸出精度提高.因此,氣象數(shù)據(jù)觀測位置的合理選擇對模型輸出精度有較大的影響.

作物種類及種植季節(jié)也是影響ETc模型輸出精度及適用性的重要因素.已有文獻指出,Stanghellini模型可以較好預測溫室西紅柿[29]和紅楓樹[30]的ETc,但均需對難以實測的阻力參數(shù)進行修正.QIU等[25]通過對日光溫室內(nèi)對流類型分類確定了PM模型中空氣動力學阻力,通過分析氣孔阻力與總輻射的關(guān)系確定了rc,實現(xiàn)了模型對日光溫室中番茄及辣椒ETc的估算.YAN等[31]在比較基于氣象條件構(gòu)建的rc模型對不同作物種類的適應研究中指出,rc模型中回歸系數(shù)隨作物種類存在較大的差異,該結(jié)論表明,在以往僅考慮氣象因子的rc模型中增加反映作物種類的因子可能是提高ETc模型普適性的方法之一.

4 存在的問題和展望

綜上,目前國內(nèi)外針對特定氣候區(qū)域、溫室通風類型、作物種類及種植季節(jié),修正了蒸騰蒸發(fā)模型中空氣動力學阻力和冠層阻力參數(shù),并基于實測ETc值驗證了模型的準確性.然而確定的模型參數(shù)或方法往往不適用于其他氣候或溫室類型及其他作物類型或種植季節(jié),對作物蒸騰蒸發(fā)模型在溫室的適用性及普適性研究仍不充分.因此:

1) 系統(tǒng)分析溫室內(nèi)微氣象環(huán)境的變化特征,研究溫室作物蒸騰蒸發(fā)過程對氣候因子分布特征及變化規(guī)律的響應機理,是目前提高溫室作物ETc模型普適性的重要基礎工作之一.

2) 即使同一氣候環(huán)境下,不同作物適用的蒸騰蒸發(fā)模型也不盡相同.系統(tǒng)分析不同ETc機理模型對作物種類及種植季節(jié)的適應性,構(gòu)建普適性更強的溫室作物ETc模型,是滿足目前設施農(nóng)業(yè)精量種植、智能發(fā)展的重點研究內(nèi)容.

3) 氣象因子和作物生長因子兩者之間相互作用,是決定能否準確估算作物ETc的重要因素,而設施農(nóng)業(yè)具有相對封閉的溫室環(huán)境以及灌溉頻繁等特點,使作物生長過程更為復雜.深入探索氣象因子與作物生長因子之間的協(xié)作機理,并精確量化不同種植季節(jié)溫室內(nèi)氣象要素對作物生長過程的影響,是推進溫室作物ETc模型普適性的重要研究課題.