温室膜下滴灌条件下黄瓜需水规律研究

郑志伟，王仰仁

(天津农学院水利工程学院，天津 300384)

根系层土壤含水率对黄瓜生长、产量及品质的形成具有较大影响，探求黄瓜全生育期的需水规律和最适宜的灌水方案,确定科学量化的灌溉指标进而指导农业生产,对于缓解农业用水短缺，减少农业用水浪费,提高农业用水效率等问题具有重要意义[1-3]。作物需水量的测定方法按其种类大体可以分为水文学方法(包括水量平衡法和蒸渗仪法等)、微气象学法(包括波文比-能量平衡法、涡度相关法和空气动力学法等)、植物生理学方法(包括茎流法、气孔计法等)、红外遥感法等4种方法[4-10]。由于本试验没有使用专门的设备测试作物系数，所以，考虑作物系数与叶面积指数的关系，利用作物系数、土壤含水率和ET0，模拟出每天的土壤含水率，再与实际测试的土壤含水率进行比较，以模拟计算的土壤含水率与实际测试的土壤含水率的误差平方和最小为目标函数来确定作物系数值[11]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在天津市武清区北国之春农业示范园温室试验区 (E116°54′，N39°36′) 进行。该区秋季昼暖夜凉，温差大，冬季寒冷，北风多，日照少，降水稀少，全年平均气温为11.6 ℃，年平均日照总时数2 705 h，平均无霜期212 d，平均年降水量606.8 mm。温室为塑料薄膜拱形钢管日光温室，温室大棚宽8 m，长85 m，温室内屋脊最高处3 m。试验区土壤为中壤土，土壤密度(0～80 cm均值)为1.55 g/cm3，土壤的基本性状见表1。试验期间温室内种植黄瓜，品种为北斗星无刺黄瓜，其定植日期为2014年9月9日，采用宽窄行种植，每垄种植2行黄瓜，宽行行距1.0 m，窄行行距0.5 m，株距0.5 m，垄长5.0 m，共种植55垄作物。灌溉水源为井水，井深80 m，灌溉方式为膜下滴灌，每垄窄行间布设2条滴灌带，滴灌带内径15 mm，滴头间距30 cm，滴头流量2.2 L/h。根据实际情况6～15 d灌水一次，一次灌水时长大致为240 min。温室顶部设通风口，并配置WS-II型日光温室自动控温设备，可以实现手动启闭设备，开启范围为0～50 cm。温室大棚内层覆有厚0.8 mm的聚乙烯抗老化膜，外层覆盖复合保温被，保温被用电动卷帘机起放。秋冬季保温被每天早上9∶30掀起，下午5∶00左右放下盖严。夜间每半小时自动开启柴油暖风机，保证温室内温度不低于8 ℃，以避免影响作物生长。

表1 土壤的基本性状

1.2 试验方法

1.2.1土壤含水率的测定

本试验针对膜下滴灌土壤含水率变化特点，每7 d取样测定一次，测定方法为烘干称重法，烘干温度为105 ℃，烘至恒重为止。每次测定2个点，一个是膜下，位于2条滴灌带中间，一个是膜外，位于宽行中点，如图1所示。测试深度为0～100 cm，每20 cm一层，共测试5层。根据试区土壤剖面结构和膜下滴灌条件下土壤含水率的剖面分布，将土壤含水率按照条带宽度做加权平均，求得整个条带0～100 cm的土壤平均含水率。以该含水率作为土壤含水率实测值。

图1 膜下滴灌种植模式(单位：cm)

1.2.2温室环境因子的测定

温室内温湿度数据采用Watch Dog 2450型小型气象站(温度精确度±0.2%，湿度精确度±2%)，固定于温室内距地面1.6 m高处，每隔30 min自动记录一次数据。叶片温度、蒸腾速率和光合有效辐射等数据采用CI-340手持式光合作用仪测试。地温采用土壤三参数仪(WET-2-K1)测试，测试结果为0～5 cm深度的平均值。叶片温度、蒸腾速率、光合有效辐射值定株测试，每7 d一次，选定叶片位于株顶端第3片叶，3次重复。

1.2.3叶面积指数的测定

对于叶片，可视为规则的矩形，每次量取作物叶片的纵向最大长度作为叶片计算长度，横向最大长度作为叶片计算宽度，则叶片的计算面积就等于长乘宽之积；叶片的实际面积是通过由小到大系列采集叶片样本，带回实验室，用激光叶面积仪扫描叶片实际面积，找出叶片实际面积与计算面积之间的关系。对应的计算公式为y=0.880 1x-26.686，相关系数R2=0.978 1，y为黄瓜叶片实测面积，x为黄瓜叶片计算面积。

1.2.4需水量的计算

采用土壤水分修正系数分析供水不足对作物需水量的影响。其计算公式如下：

ET=KsKcET0

(1)

式中：ET为实际作物需水量，mm/d；ET0为参照作物需水量，mm/d；Kc为作物系数，与作物种类、品种、生育期和作物的群体叶面积指数等因素有关，是作物自身生物学特性的反映；Ks为土壤水分修正系数，反映根区土壤水分不足对作物需水量的影响。

(1)参照作物需水量ET0的计算。常用的计算方法为FAO推荐的Penman-Monteith公式，该公式主要适用于大田作物，对于温室作物需水量的计算，由于温室大棚内的环境具有可控性，在温室大棚内，风速几乎为零，与露天环境比较，差异非常明显，所以，需要加以修正。以 Penman-Monteith理论为基础，考虑从风速入手，引入Allen等(1994年)空气动力学的研究结果[12]，得出适用于温室大棚参考作物需水量ET0的计算公式：

(2)

式中：Rn为作物表面的净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量密度，MJ/(m2·d)；T为地面以上2 m处的平均温度，℃；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；es-ea为饱和水气压亏缺量，kPa；Δ为饱和水汽温度曲线斜率，kPa/℃ ；γ为湿度计常数，kPa/℃。

(2)作物系数Kc的确定。作物系数Kc是计算作物需水量的重要参数，它反映了作物生物学特性对农田蒸发蒸腾量的影响。大量研究表明，作物生长过程中，在一定时间段内作物系数Kc与作物群体叶面积指数LAI呈线性关系：

Kc=aLAI+b

(3)

式中：a,b为待定系数。

(3)土壤水分修正系数Ks的确定。在供水充足，无水分的胁迫作用时，土壤水分修正系数Ks=1；在水分供应不足，作物受到水分的胁迫作用时，Ks<1。其影响的主要因素为土壤的含水率，采用詹森(Jensen)计算模型(1970年)：

(5)

式中：AW为土壤实际有效水分百分数；θ为土壤根系层实际含水率，cm3/cm3；θcr为水分亏缺开始影响作物蒸发蒸腾时的土壤水分，称为临界土壤含水率，cm3/cm3，参考已有研究成果，本试验取θcr=0.85θc；θc为田间持水量，cm3/cm3；θwp为永久凋萎点含水量，cm3/cm3。对于本试区，实际测得θc=0.28 cm3/cm3，θwp=0.2 cm3/cm3。

1.2.5参数反演方法

本试验以实际测试的土壤含水率为依据，以模拟计算的土壤含水率与实际测试的土壤含水率的误差平方和最小为目标函数(最小二乘法)，通过优化方法反演确定作物系数，即式(3)中的a,b值。该问题属于非线性规划问题，其数学模型如下，

(1)目标函数。目标函数为模拟计算的土壤含水率与实测土壤含水率误差的平方和：

(6)

本研究采用0～80 cm土层水量平衡方程模拟计算土壤含水率θj，任一时段[0,j]中，土壤计划湿润层内的水量平衡方程如下：

Wt=W0+M-ET

(7)

式中：W0、Wt分别为时段始、末计划湿润层内的土体储水量，mm；M为时段内单位面积上的灌水量，mm；ET为时段内的作物需水量，mm；D为根系层下界面水分通量，mm，本研究中采用膜下滴灌，根系层下界面水分通量可忽略不计，即取D=0。

用土壤含水率表示式(7)，可写出下式：

(8)

式中：θ0、θt分别为时段始、末计划湿润层土壤的平均含水量，cm3/cm3；γ为计划湿润层内土壤的干密度，g/m3；H为计划湿润层厚度，cm。

(2)约束条件。根据已有研究结果和参数的物理意义，可确定作物系数的初始值及其变化范围，见表2。表2中参数变化范围构成了问题的约束条件，相应的初始值为测试结果。

表2 黄瓜作物系数参数检验与调试结果

(3) 参数求解。首先利用序列极小化法中的内点法将上述非线性规划问题转化为无约束非线性规划问题，其障碍函数为：

minP(X,Rk)=

(9)

式中：X=[x1,x2,…,xj,…,x7]为待求参数；xjmax和xjmin为待求参数变化范围的上限值和下限值；Rk为障碍因子，k为迭代次数，随着迭代次数的增加，Rk逐渐趋近于零，取Rk=Rk-1/2。

收敛准则为，

(10)

式中：ε1为允许的相对误差；R0和ε1的取值依据求解问题而定，本试验取R0=1.0，ε1=1×10-5。

然后采用模式法求解无约束问题[式(9)]，其迭代计算中各参数的初始值见表2，初始步长取各参数初始值的10%。求解过程根据目标函数的变化情况对步长进行了修正，当目标函数改善时将步长乘以一个加大因子(=1.1)，加大步长；当步长搜索失败时，将步长乘以一个缩小因子(如1/2)，缩小步长。

由此分析确定作物系数、作物需水量、土壤含水率以及温室膜下滴灌条件下作物生长期土壤水分变化动态。

2 结果分析

2.1 黄瓜叶面积指数随时间变化规律

根据测试结果绘制黄瓜叶面积指数随时间变化过程线，见图2。由于测试时间从定植后45 d开始，所以起始的叶面积指数较大，为1.50，之后逐渐增大，到2014年11月23日达到最大值1.75，然后维持该最大值，直到2014年12月13日开始减小，到2014年12月24日拉秧时减小到1.35。

图2 黄瓜叶面积指数变化过程线 注：定植时间2014-09-09，测试时间2014-10-24-2014-12-24。

2.2 黄瓜测试期间的灌水时间与灌水量

表3给出了黄瓜测试期间的灌水时间与灌水量。测试期间共61 d，期间灌水6次，灌水间隔7～15 d，共计灌水量263 mm。

表3 黄瓜生长期灌水时间与灌水量

2.3 作物系数随时间的变化规律

依据测试的黄瓜生长期土壤含水率(见图3)，按照前述参数反演方法，求得参数a=0.214 8、b=0.714 7，相应的作物系数随时间的变化过程如图4所示。从图3可以看出，黄瓜生长期土壤含水率的模拟值和实测值较为吻合，两者相对误差在10%以内。

图3 黄瓜生长期土壤含水率模拟值与实测值比较

图4 黄瓜作物系数随时间变化过程

从图4中可以看出，作物系数Kc随生育阶段的变化而变化，作物系数Kc值在生长前期是逐渐变大，在作物生长旺盛时期作物系数Kc达到最大值，随后就开始逐渐减小，与作物叶面积指数的变化规律一致。在测试范围内，作物系数变化为0.98～1.11。

2.4 参考作物腾发量ET0随时间的变化规律

图5给出了黄瓜试验测试期间参考作物蒸发蒸腾量的变化过程。由图5可以看出，温室黄瓜每天的参考作物蒸发蒸腾量随着生育期的延长而缓慢增大，生长期前期变化幅度较小，中期变化幅度较大，后期变化幅度又变小，总体变化为0.2～7.5 mm/d。

图5 黄瓜ET0随时间的变化过程

2.5 黄瓜蒸发蒸腾量随时间的变化规律

图6给出了黄瓜试验测试期间蒸发蒸腾量的变化过程。由图6可以看出，温室黄瓜蒸发蒸腾量在生长期的前期随时间的变化幅度较小，变化为1.5～3.5 mm/d；中期随时间的变化幅度较大，变化为0.2～7.5 mm/d；后期随时间的变化幅度又变小，但均值大于中前期。

图6 黄瓜蒸发蒸腾量随时间的变化过程

3 结 语

(1)按照参数反演计算方法得出了作物系数值，其变化规律与作物叶面积指数的变化规律一致，表现为先增大后减小的变化趋势。

(2)温室黄瓜需水量在生长期随时间的变化幅度规律为：生长期前期变化幅度较小，中期变化幅度较大，后期变化幅度又变小。

(3)在综合考虑黄瓜生育期的环境、土壤含水率变化等因素后,根据试验资料确定的作物系数,具有较好的代表性和实用性。

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