基于负压灌溉系统的温室番茄蒸发蒸腾量自动检测

李银坤，薛绪掌，赵 倩，郭文忠，孙维拓，陈晓丽，陈 红

（1. 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2. 农业部都市农业（华北）重点实验室，北京，100097）

基于负压灌溉系统的温室番茄蒸发蒸腾量自动检测

李银坤，薛绪掌，赵 倩，郭文忠※，孙维拓，陈晓丽，陈 红

（1. 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2. 农业部都市农业（华北）重点实验室，北京，100097）

针对目前关于作物蒸发蒸腾量测量方法中存在测定成本高、工作强度大及精确度差等问题，设计了一种测量作物蒸发蒸腾量的负压灌溉系统（negative pressure irrigation，NI）。为验证测量结果的精确性，以水量平衡法为对照（CK），采用田间小区定位试验，研究了NI条件下日光温室番茄周年土壤水分动态变化，并对比分析了温室番茄蒸发蒸腾量及水分利用效率。结果表明：NI条件下的温室番茄0～20 cm土壤含水率及0～100 cm土体贮水量变化稳定，周年变化幅度分别为21.4%～23.8%和322.2～333.3 mm。负压灌溉系统测量的春茬番茄蒸发蒸腾量呈单峰曲线变化，季节变化幅度为0.46～5.68 mm，最高值出现在5月20日；秋茬番茄的蒸发蒸腾量季节变化幅度小于春茬番茄，仅为0.56～3.43 mm，最高值出现在10月12日。NI测定的番茄周年蒸发蒸腾量为533.4 mm，低于CK计算结果（541.6 mm），但并无显著性差异（P>0.05）。2种方法测定的周年蒸发蒸腾量呈极显著线性正相关关系（P<0.01），相对误差绝对值的平均仅为3.83%～7.71%，绝对误差绝对值的平均也只有2.14～5.08 mm。2种方法得到的温室番茄水分利用效率也无显著性差异。综合分析，负压灌溉系统能够实现温室番茄蒸发蒸腾量的计算，其结果不仅与水量平衡法无显著差异，而且简便快捷、使用成本低、测定结果可靠，为温室作物的蒸发蒸腾量测量提供了新的技术手段。

温室；蒸发蒸腾量；灌溉；番茄；负压灌溉系统；水量平衡法

李银坤，薛绪掌，赵倩，郭文忠，孙维拓，陈晓丽，陈红. 基于负压灌溉系统的温室番茄蒸发蒸腾量自动检测[J]. 农业工程学报，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

作物蒸发蒸腾量又称作物需水量，主要包括植株蒸腾和植株棵间蒸发，是农业生产中最主要的水分消耗部分[1-2]。作物蒸发蒸腾量既是水量平衡中的重要分量，又是水循环过程中不可或缺的环节以及水管理的有效理论依据[2-4]。因此，准确测定作物的蒸发蒸腾量在降低作物生育期的水分无效损耗、提高水分利用效率以及发展节水农业灌溉技术等方面均具有重要意义。

目前研究中，测定和估算作物蒸发蒸腾量的方法主要包括水量平衡法、风调室法、遥感法、涡度相关法以及蒸渗仪法等[2-6]。其中水量平衡法被认为是研究作物蒸发蒸腾量的最基本方法，一般用土钻采集剖面土壤，工作强度大，若取样次数过多，则会破坏土壤结构[7]；遥感法在估算区域蒸发蒸腾量时具有较好的效果，而对于较稀疏的群体，测量精度不高[8]；风调室法主要用于小面积林地上，且所得结果不能很好地代表实际作物蒸发蒸腾量情况[9]；涡度相关法具有仪器成本昂贵、维护困难及技术复杂等特点[10]；蒸渗仪法也存在设备成本高、安装过程复杂、装土困难等问题[4]。而对于温室条件下的栽培作物，蒸发蒸腾量的估算主要基于彭曼（Penman-Monteith，P-M）公式[11-12]，因涉及参数多、计算过程复杂且所需配套仪器昂贵等，很难得到广泛应用。可见，目前还缺少一种能够简便、快速、准确地获取温室作物蒸发蒸腾量的方法。

负水头装置是基于负压入渗原理研制而成，通过将一种透水不透气的多孔陶瓷盘埋入土壤（或基质），并与负水头控制装置连接，能够实现土壤含水率的精确控制[13-14]。利用负水头装置为作物供水时，土壤含水率呈非饱和状态，抑制了土表湿润导致的无效蒸发及地下渗漏等水分损失，水分的消耗主要源自作物的生长需求[13,15]。若能够实现对负水头装置中储水桶（管）液位信息的采集，经过简单计算，即可得到作物的蒸发蒸腾量，但基于该方法计算结果的可靠性以及与传统标准方法相比的差异性尚不明确。而已有关于负水头装置的相关研究多在盆栽试验中进行[15-17]，受限于栽培容器的体积，其与实际田间小区栽培条件下的作物蒸发蒸腾量有很大差别。另外，现有的负水头灌溉系统虽然实现了对作物的自动供液过程，但检测储水桶（管）的液面变化仍需通过人工参与，才能获得作物的蒸发蒸腾量[16,18]。整个过程既要定时定点地读取液位，又要参与耗液体积的计算等工作，费工费时、误差大、精确度差。针对上述问题，本研究基于负压装置建立了一种能够自动测定作物蒸发蒸腾量的系统，并通过田间小区定位试验，检验了系统运行的稳定性与测定结果的可靠性，以期为作物蒸发蒸腾量观测提供一种有效的技术途径与方法。

1 自记作物蒸发蒸腾量的负压灌溉系统设计

1.1 系统设计及流程

基于现有负水头装置，设计了一种自记作物蒸发蒸腾量的负压灌溉系统，并获得专利授权[19]，系统主要包括水源、液位检测装置和负水头装置。其工作流程如图1所示。

图1 负压灌溉系统工作流程图Fig.1 Working flow chart of negative pressure irrigation system

水源主要为系统供水；灌溉水由液位检测装置进入负水头装置，液位检测装置自带控制器，用于存储与计算反馈的液位信息；负水头装置能够实现对作物连续稳定的供水。而作物对水分的需求信息经负水头装置反馈到（液位）检测装置，检测装置利用自带的控制器实现对作物蒸发蒸腾量计算，并可以实现批量数据的一次性下载，方便快捷。

1.2 系统实现

1.2.1 系统结构

图 2为系统结构图。水源通过第一电磁阀与液位检测装置相通。液位检测装置包括检测桶、控制器和液位传感器。检测桶固定在第一支架上，其上方有桶盖，出水口设有第二电磁阀。负水头装置包括液位恒定桶、控压管、集气瓶、供液管路和多个陶瓷盘。液位恒定桶上方有封口盖，内部安装有浮球装置；集气瓶放置于第二支架上，其上方设有第一阀门；下方设有第二阀门。基于负压入渗原理以及受到作物耗水的影响，灌溉水最终经多孔陶瓷盘缓慢地渗入土壤，以供栽培作物生长需求。

1.2.2 工作原理

负压灌溉系统是一个密闭系统，能够实现对土壤含水率的调控，其工作原理为：作物生长过程中吸取土壤水分，当土壤干燥时，在土壤水势差作用下，陶瓷盘向土壤渗水，引起集气瓶中的液位下降，使集气瓶中的真空度增加；并由此引起控压管中的真空度增加，在大气压差作用下，液位恒定桶内的液体将依次通过控压管、集气瓶进入陶瓷盘；液位恒定桶内安装有浮球装置，当其液位下降时，将由检测桶中的灌溉水补充，从而实现整个系统的正常运行[19]。

图2 负水头灌溉系统结构图Fig.2 Structure diagram of negative pressure irrigation system

本系统通过增加液位检测装置能够实现作物蒸发蒸腾量的自记，但需要设定以下条件：检测桶可以为圆桶状（以此为例）或其他形状容器，上方需通过桶盖密封，以避免水分的蒸发，且第一电磁阀的高度要大于第二电磁阀的高度。针对检测桶而言，可设定一个低液位H1和一个高液位H2，其中H1大于第二电磁阀的高度，H2小于第一电磁阀的高度。检测桶的液位下降至H1时，控制器给出信号，关闭第二电磁阀，同时开启第一电磁阀，从而实现水源对检测桶的自动加液。当检测桶的液位升高至H2时，第一电磁阀关闭，同时第二电磁阀开启，检测桶的液位将再次下降。如此反复，不断实现对检测桶的自动加液。为了实现自动供液功能，检测桶内的液位高于液位恒定桶内的液位，可依靠重力作用实现检测桶为液位恒定桶的自动供液。

1.2.3 系统工作步骤

能够自记作物蒸发蒸腾量的负压灌溉系统，其工作步骤如下：

1）将检测桶、液位恒定桶、控压管、集气瓶、供液管路和多个陶瓷盘分别接通水源，利用负压入渗原理使苗床土壤含水率保持稳定；在土壤吸力与大气压的作用下实现自动控水与供水。

2）通过液位传感器检测检测桶在不同时刻的液位高度，并将前后时刻的液位信息反馈至控制器中分别记作h1、h2；例如：通过控制器分别在0:00和24:00分别采集检测桶的液位。

3）控制器根据公式 πr2(h1−h2)计算作物的蒸发蒸腾量，并将计算结果自动保存。其中，r为圆筒状检测桶的半径，单位cm；h1和h2分别为当天0:00和24:00采集的检测桶的液位高度，cm。栽培作物若进行地膜覆盖处理，所得结果则为作物的蒸腾量。

1.2.4 系统硬件

控制系统的硬件由电源模块、可编程控制器、AD模拟量扩展模块、串口通信模块以及外围传感器接口模块组成。液位传感器外接在传感器接口模块上，由AD模拟量扩展模块进行数模转化后送入上位机；上位机将当前液位与预设的液位下限H1和液位上限H2实时进行比较，并采用串口通讯的方式，发送指令控制可编程控制器输出高电平，打开执行电磁阀，从而达到为检测桶自动加液的目的。

1.2.5 系统软件

控制系统软件开发环境为Windows7，基于组态软件的可视化操作功能，在上位机设计系统监控画面，同时，采用VB语言进行蒸发蒸腾量计算过程的程序编写。上位机设置特定采样频率，通过串口通讯模块获取检测桶液位的当前值与初始值，并利用动态数据交换协议，与VB程序彼此交换数据和发送指令，实时显示该采样频率下的蒸发蒸腾量。系统主程序流程图如图3所示。

图3 控制系统主程序流程图Fig.3 Main flow chart of control system

2 自动检测系统应用实例

2.1 试验方案设计

2014年3月21日―12月16日，在北京市小汤山国家精准农业研究基地的日光温室内进行周年番茄栽培试验（40◦10′43′N, 116◦26′39′W）。试验用温室长 29 m，宽 8 m，试验前0～20 cm土壤有机质23.3 g/kg，全氮1.57 g/kg，土壤容重1.39 g/cm3，田间持水率26.3%。试验小区长5.0 m，宽1.4 m，小区之间用60 cm高的PVC板隔离。供试番茄品种为仙客 8号，早春茬番茄试验周期为 2014年 3月21日―7月18日；秋冬茬番茄的试验周期为2014年7月31日―12月16日。栽培方式为覆膜畦栽，每畦2行，行距40 cm，株距35 cm。

本试验中负压灌溉系统在春茬番茄定植前（2014年3月18日）布置到位。每个试验小区中布置1套负压灌溉系统，3次重复。系统的供液管路呈0.2%～1%倾斜度布置，其中与集气瓶连接一端要高于另一端。而且集气瓶内的最低液面要高于供液管路的最高液面，以方便出液。系统的供液桶直径为35 cm，高60 cm，在系统末端连接14个多孔陶瓷盘，陶瓷盘的直径为20 cm，等间距（35 cm）竖埋于25 cm深土壤中，上覆土5 cm。在多孔陶瓷盘两侧20 cm处位置栽培番茄，每小区栽培番茄28棵。根据已有研究结果[20]，本试验中日光温室番茄的负压供液吸力设定为-5 kPa。为验证利用本系统（negative pressure irrigation, NI）获取作物蒸发蒸腾量的可靠性和精度，在试验小区内同步以水量平衡法（以CK表示）测定作物蒸发蒸腾量。

2.2 测定项目及方法

由于试验在日光温室内进行，且试验区地下水位较深，因此不考虑降雨和地下水位补给量的影响；而负压供液为亚表层灌溉，每次灌溉量较少，故地表径流量和深层渗漏量均不做考虑。基于上述分析，由简化的水量平衡方程计算番茄耗水量[21]：

式中ET为作物耗水量（即蒸发蒸腾量），mm；I为灌水量（负压系统供液量），mm；ΔW为试验初期和末期0～100 cm土壤水分的变化量，mm。

分别在早春季/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）、开花坐果期（5月9日/9月24日）、成熟采摘期（6月6日/10月23日）以及拉秧时（7月15日/12月16日），土钻法取0～100 cm土样，取样时间在每天 9:30—10:00，在每根支管等距离取3个土样，每20 cm为一层，土样混合后烘干法测定土壤含水率。

需水强度为耗水量与生育阶段内天数的比值[22]，mm/d。水分利用效率为产量与耗水量的比值[23]，kg/mm。采用相对误差绝对值（absolute of relative error，MRE）的平均值和最大值、绝对误差绝对值（absolute of absolute error，AAE）的平均值和最大值对负压灌溉系统测定值和水量平衡法获得的结果的符合度进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 表层土壤含水率变化

本研究建立的负压灌溉系统能够维持表层（0～20 cm）土壤含水率的稳定性（图4）。其中早春茬和秋冬茬番茄生育期间土壤含水率变化幅度分别为 21.4%～23.7%和21.7%～23.8%。周年0～20 cm土壤含水率保持在田间持水率的81.3%～90.5%，说明负压灌溉系统为温室番茄的正常生长提供了稳定的土壤水分条件。

图4 日光温室番茄0～20 cm土壤含水率动态变化Fig.4 Dynamics of soil water content (0-20 cm) for greenhouse tomato

3.2 土体贮水量变化

负压灌溉系统下的周年土体（0～100 cm）贮水量与表层（0～20 cm）土壤含水率具有相似的变化规律（图5），其变动幅度为322.2～333.3 mm，最大贮水差值仅11.1 mm。说明番茄生育期内的0～100 cm土体贮水量变化也较为稳定。而受到番茄生长发育特征及温室内光温环境条件的影响[24]，早春茬番茄土体贮水量（0～100 cm）的变动幅度要大于秋冬茬（贮水差值仅为5.9 mm）。

3.3 日光温室番茄蒸发蒸腾量

图 6为利用负压灌溉系统测量的日光温室番茄蒸发蒸腾量的季节动态变化。早春茬番茄的蒸发蒸腾量呈单峰曲线，季节变化幅度为0.46～5.68 mm，最高值出现在5月20日。秋冬茬日光温室番茄的蒸发蒸腾量呈先升高、后稳定，继而又降低的趋势，季节变化幅度小于早春茬番茄，仅为0.56～3.43 mm，其中最大值出现在10月12日。可见，利用负压灌溉系统可以获取作物蒸发蒸腾量的季节变化规律。

图5 温室番茄土体贮水量（0～100 cm）动态变化Fig.5 Dynamics of soil water storage (0-100 cm) for greenhouse tomato

图6 基于负压灌溉系统测定的日光温室番茄蒸发蒸腾量动态变化Fig.6 Dynamics of evapotranspiration measured by negative pressure irrigation system for greenhouse tomato

表1为基于负压系统和水量平衡2种方法获得的日光温室番茄生育期蒸发蒸腾量。在早春茬番茄生育期内，负压灌溉系统（NI）和水量平衡法（CK）测量的蒸发蒸腾量最大时期均出现在坐果期，蒸发蒸腾量和需水强度分别为112.0 mm和4.00 mm/d以及114.1 mm和4.07 mm/d。秋冬茬温室番茄的最大需水强度也出现在坐果期，分别为2.30和2.26 mm/d。从番茄周年的蒸发蒸腾量看，负压灌溉系统的测定值与水量平衡法计算结果分别为533.4和541.6 mm，之间无显著差异（P>0.05）。由此说明，负压灌溉系统可以得到与水量平衡法较为一致的作物蒸发蒸腾量。

表1 日光温室番茄的生育期蒸发蒸腾量和需水强度及其误差分析Table 1 Evapotranspiration and water consumption rate and their errors analysis of greenhouse tomato in growth stage

对 2种方法得到的日光温室番茄蒸发蒸腾量进行统计分析，如表 1所示。对于早春茬和秋冬茬日光温室番茄而言，基于负压灌溉系统得到的生育期总蒸发蒸腾量与水量平衡法测量值的 MRE平均值低于 8%（分别为7.71%和3.83%），而MRE最大值分别为11.8%和6.74%；AAE平均值则低于6 mm（分别为5.08 mm和2.14 mm），AAE最大值则低于9 mm（分别为8.81 mm和4.12 mm）。对2种方法获得的蒸发蒸腾量进行回归，结果表明（图7）二者呈极显著线性相关（P<0.01），相关系数R2达0.917。综上，利用负压灌溉系统得到的蒸发蒸腾量与水量平衡法具有较好的一致性。

图7 基于负压灌溉系统（NI）和水量平衡法（CK）的温室番茄蒸发蒸腾量对比Fig.7 Comparison of greenhouse tomato evapotranspiration (ET)between negative pressure irrigation (NI) and water balance method (CK)

3.4 日光温室番茄水分利用效率

基于建立的负压灌溉系统能够确保日光温室番茄产量，其中早春茬的番茄产量达到了8.59×104kg/hm2，秋冬茬的番茄产量为5.15×104kg/hm2。利用CK与NI获得的蒸发蒸腾量计算了温室番茄水分利用效率无显著性差异（表 2）。误差分析结果表明，周年内水分利用效率的MRE平均值低于3%，而AAE平均值则低于7 kg/mm；AAE最大值出现在早春茬，但也只有11.5 kg/mm。可见负压灌溉系统不仅保证了产量，而且获得的水分利用效率与水量平衡法计算结果也具有较好的一致性。

表2 日光温室番茄水分利用效率(WUE)及其误差分析Table 2 Water use efficiency and its error analysis of greenhouse tomato

4 讨 论

本研究建立的负压灌溉系统，能够获取作物蒸发蒸腾量的季节变化规律，且可以保持稳定的土壤含水率。利用本系统得到的温室番茄蒸发蒸腾量变化特征与已有基于水量平衡法得到的研究结果[25-26]相似，均表现为前期小、中期大、后期小的变化规律，其中最大需水强度都出现在番茄坐果期。说明负压灌溉系统能够依据作物生长发育规律实现供水强度上的变化。0～20 cm土壤含水率周年变化能够保持在21.4%～23.8%（田间持水率的81.3%～90.5%），以及0～100 cm土体贮水量周年变化维持在 322.2～333.3 mm，说明本系统具有稳定表层（0～20 cm）和土体（0～100 cm）贮水量的功能，而水分的持续、稳定和充分供给是日光温室番茄正常生长的重要保证[27-28]。

从负压灌溉系统的供水过程看，水分的消耗主要来自作物生长需求。负压灌溉系统的供水器布置于 25 cm深土壤中，由于土壤水分势能的作用，供水器内的水分进入土壤，灌溉系统的管道内形成负压，在大气压强作用下，液位恒定桶内的灌溉水将自动、连续地进入土壤。本试验中，负压灌溉系统得到的早春茬与秋冬茬温室番茄蒸发蒸腾量分别为292.9 mm和240.4 mm（表1），与水量平衡法的测定结果差异不显著（P>0.05），少量的灌溉水经土壤蒸发或水分下渗等途径损失是负压灌溉系统测定结果低于水量平衡法的主要原因[15]。2种方法的测定结果差异不显著，也说明了温室番茄生育期前后的 0～100 cm土壤水分变化量并无显著性变化。由此可见，负压灌溉系统的供水量可近似为作物的蒸发蒸腾量。

目前，有利用称重式蒸渗仪测定温室作物耗水量的研究[29-30]，但是称重式蒸渗仪造价昂贵，尤其在温室中还存在施工困难、土壤扰动大等问题，普及应用的范围很小。本试验中的负压灌溉系统结构简单，且选材容易，主要材料为PVC给水管材及常规电子元器件，单套系统的成本价格低；且能够实现作物蒸发蒸腾量的自动记录与数据的批量下载，为温室作物蒸发蒸腾量的测定提供了一种途径。由于负压灌溉系统是在负压条件下工作的，因此利用本系统测定作物蒸发蒸腾量必须确保负压装置的密闭性。一旦气密性出现问题将直接影响到整个系统的正常运行，这也对系统的组合、安装及维护等工作提出了较为严格的要求[13]。

本研究建立的负压灌溉系统在控制区域较小的条件下较适用，尤其适用于温室栽培作物蒸发蒸腾量的测定，这是因为温室栽培区域相对较小，且很少出现极端环境条件，系统的运行不与田间管理相冲突，避免了供水管道与陶瓷盘等部件因环境温度过低或农事操作而出现冻裂和损坏等现象。另外，系统中的供液桶体积影响到测定精度，这与系统的液位信息采集对液面变化响应的敏感程度有关。但相对于作物的生长，其耗水是个长期、持续的过程，通过适当延长蒸发蒸腾量的检测周期（例如本试验中的24 h为一个检测周期）可有效降低供液桶体积等因素造成的测量精度问题。由此也说明，本系统针对作物的中长期蒸发蒸腾量测定具有更好的效果。

5 结 论

本研究建立了一种可自动测定温室作物蒸发蒸腾量的负压灌溉系统。在原有负水头装置的基础上，增加了液位自动检测装置，通过对检测桶内液位信息的采集，计算得到作物的蒸发蒸腾量。该方法简便快捷，使用成本低，且测定结果可靠稳定，其与水量平衡法的R2达0.917（P<0.01），相对误差绝对值的平均值低于8%。

建立的负压灌溉系统具有稳定土壤水分的功能，且能够获取作物蒸发蒸腾量的季节变化特征。系统在-5 kPa的控制压力下，日光温室番茄周年的表层土壤含水率（0～20 cm）及土体贮水量（0～100 cm）可分别维持在21.4%～23.8%和322.2～333.3 mm。基于该系统得到的日光温室春茬番茄的蒸发蒸腾量呈单峰曲线变化，日变化幅度为 0.46～5.68 mm，秋茬番茄的日变化幅度仅有0.56～3.43 mm。

与水量平衡法相比，负压灌溉系统能够得到较为一致的番茄生育期蒸发蒸腾量变化规律，其中最大需水强度出现在番茄坐果期。2种方法得到的温室番茄蒸发蒸腾量的相对误差绝对值的平均值仅为3.83%～7.71%，绝对误差的绝对值的平均也只有2.14～5.08 mm。基于水量平衡法与负压灌溉系统获得的番茄水分利用效率无显著性差异（P>0.05）。

[1]Chen Renqiang, Kang Shaozhong, Hao Xinei, et al.Variations in tomato yield and quality in relation to soil properties and evapotranspiration under greenhouse condition[J]. Scientia Horticulturae, 2015, 197(2): 318－328.

[2]强小嫚，蔡焕杰，王健．波文比仪与蒸渗仪测定作物蒸发蒸腾量对比[J]．农业工程学报，2009，25(2)：12－17．Qiang Xiaoman, Cai Huanjie, Wang Jian. Comparative study of crop evapotranspiration measured by Bowen ratio and lysimeter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009,25(2): 12－17. (in Chinese with English abstract)

[3]Qiu Rangjian, Song Jinjuan, Du Taisheng, et al. Response of evapotranspiration and yield to planting density of solar greenhouse grown tomato in northwest China[J]. Agricultural Water Management, 2013, 130(4): 44－51.

[4]司建华，冯起，张小由，等．植物蒸散耗水量测定方法研究进展[J]．水科学进展，2005，16(3)：450－459．Si Jianhua, Feng Qi, Zhang Xiaoyou, et al. Research progress on surveying and calculation of evapotranspiration of plants and its prospects [J]. Advances in Water Science, 2005, 16(3):450－459. (in Chinese with English abstract)

[5]Qiu Rangjian, Du Taisheng, Kang Shaozhong, et al.Assessing the SIMDualKc model for estimating evapotranspiration of hot pepper grown in a solar greenhouse in Northwest China[J]. Agricultural Systems, 2015, 138: 1－9.

[6]Yavuz D, Yavuz N, Seymen M, et al. Evapotranspiration, crop coefficient and seed yield of drip irrigated pumpkin under semi-arid conditions[J]. Scientia Horticulturae, 2015, 197: 33－40.

[7]屈艳萍，康绍忠，张晓涛，等．植物蒸发蒸腾量测定方法述评[J]．水利水电科技进展，2006，26(3)：72－77．Qu Yanping, Kang Shaozhong, Zhang Xiaotao, et al. A review of methods for measurement of evaportranspiration from plants[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2006, 26(3): 72－77. (in Chinese with English abstract)

[8]张晓涛，康绍忠，王鹏新，等．估算区域蒸发蒸腾量的遥感模型对比分析[J]．农业工程学报，2006，22(7)：6－13．Zhang Xiaotao, Kang Shaozhong, Wang Pengxin, et al.Comparative analysis of regional evapotranspiration estimation models using remotely sensed data[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(7): 6－13.(in Chinese with English abstract)

[9]王安志，裴铁璠．森林蒸散测算方法研究进展与展望[J]．应用生态学报，2001，12(6)：933－937．Wang Anzhi, Pe Tiefan. Research progress on surveying and calculation of forest evapotranspiration and its prospects[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2001, 12(6): 933－937.(in Chinese with English abstract)

[10]李思恩，康绍忠，朱治林，等．应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展[J]．中国农业科学，2008，41(9)：2720－2726．Li Sien, Kang Shaozhong, Zhu Zhilin, et al. Research progress of measurement of land surface evapotranspiration based on eddy covariance technology[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(9): 2720－2726. (in Chinese with English abstract)

[11]Zhang Zikun, Liu Shiqi, Liu Suhui, et al. Estimation of cucumber evapotranspiration in solar greenhouse in northeast China[J]. Agricultural Sciences in China, 2010, 9(4): 512－518.

[12]Fernández M D, Bonachela S, Orgaz F, et al. Measurement and estimation of plastic greenhouse reference evapotranspiration in a Mediterranean climate[J]. Irrigation Science, 2010, 28(6): 497－509.

[13]邹朝望，薛绪掌，张仁铎，等．负水头灌溉原理与装置[J]．农业工程学报，2007，23(11)：17－22．Zou Chaowang, Xue Xuzhang, Zhang Renduo, et al.Principle and equipment of negative pressure irrigation [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(11): 17－22. (in Chinese with English abstract)

[14]Li Yinkun, Wang Lichun, Xue Xuzhang, et al. Comparison of drip fertigation and negative pressure fertigation on soil water dynamics and water use efficiency of greenhouse tomato grown in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2017, 184: 1－8.

[15]李邵，薛绪掌，郭文善，等．水肥耦合对温室盆栽黄瓜产量与水分利用效率的影响[J]．植物营养与肥料学报，2010，16(2)：376－381．Li Shao, Xue Xuzhang, Guo Wenshan, et al. Effects of water and fertilizer coupling on yield and water use efficiency in greenhouse potted cucumber[J]. Plant Nutrition and FertilizerScience, 2010, 16(2): 376－381. (in Chinese with English abstract)

[16]李霞，王国栋，薛绪掌，等．温室内不同风速对盆栽甜椒生长及蒸腾的影响[J]．农业工程学报，2008，24(增刊2)：214－218．Li Xia, Wang Guodong, Xue Xuzhang, et al. Effects of different wind speeds in greenhouse on growth and transpiration of potted sweet pepper[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(Supp.2): 214－218. (in Chinese with English abstract)

[17]许高平，王璞，薛绪掌，等. 负压控水下不同株型玉米水分利用效率和产量的盆栽试验[J]. 农业工程学报，2014，30(15)：148－156.Xu Gaoping, Wang Pu, Xue Xuzhang, et al. Experiment on water use efficiency and yield of different plant type of potted maize under negative pressure water control[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15):148－156. (in Chinese with English abstract)

[18]张芳，薛绪掌，张建丰，等．基于负水头供液决策的温室作物自动灌溉施肥方法[J]．农业机械学报，2014，45(S1)：148－154．Zhang Fang, Xue Xuzhang, Zhang Jianfeng, et al. Automatic irrigation method for greenhouse crops based on negative pressure decision-making[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(S1): 148－154.(in Chinese with English abstract)

[19]李银坤．一种自记作物蒸发蒸腾量的负水头供液系统：中国，201520051810.X [P]．

[20]耿伟．负水头灌溉技术在番茄栽培上的应用[D]．北京：中国农业大学，2007．Geng wei．The Application of Irrigation Technology under Negative Hydraulic Pressure to Tomato Growth[D]．Beijing：China Agricultural University，2007. (in Chinese with English abstract)

[21]邢英英，张富仓，吴立峰，等. 基于番茄产量品质水肥利用效率确定适宜滴灌灌水施肥量[J]. 农业工程学报，2015，31(增刊 1)：110－121.Xing Yingying, Zhang Fucang, Wu Lifeng, et al.Determination of optimal amount of irrigation and fertilizer under drip fertigated system based on tomato yield, quality,water and fertilizer use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.1): 110－121. (in Chinese with English abstract)

[22]张芮，王旺田，吴玉霞，等. 水分胁迫度及时期对设施延迟栽培葡萄耗水和产量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：155－161.Zhang Rui, Wang Wangtian, Wu Yuxia, et al. Effect of moisture stress level and stage on evapotranspiration and yield of grape under protected and delayed cultivation[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 155－161. (in Chinese with English abstract)

[23]Zhang Jiyang, Sun Jingsheng, Duan Aiwang, et al. Effects of different planting patterns on water use and yield performance of winter wheat in the Huang-Huai-Hai plain of China[J].Agricultural Water Management, 2007, 92(1/2): 41－47.

[24]裴孝伯，张福墁，王柳．不同光温环境对日光温室黄瓜氮磷钾吸收分配的影响[J]．中国农业科学，2002，35(12)：1510－1513.Pei Xiaobo, Zhang Fuman, Wang Liu. Effect of light and temperature on uptake and distribution of nitrogen,phosphorus and potassium of solar greenhouse cucumber[J].Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(12):1510－1513. (in Chinese with English abstract)

[25]刘浩，孙景生，王聪聪，等. 温室番茄需水特性及影响因素分析[J]. 节水灌溉，2011(4)：11－14.Liu Hao, Sun Jingsheng, Wang Congcong, et al. Analysis of water requirement characteristics and influencing factors of greenhouse[J]. Water Saving Irrigation, 2011(4):11－14. (in Chinese with English abstract)

[26]孙磊，孙景生，刘浩，等. 日光温室滴灌条件下番茄需水规律研究[J]. 灌溉排水学报，2008，27(2)：51－53.Sun Lei, Sun Jingsheng, Liu Hao, et al. Water requirement rules of tomato in sunlight greenhouse[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2008, 27(2): 51－53.

[27]Farneselli M, Benincasa P, Tosti G, et al. High fertigation frequency improves nitrogen uptake and crop performance in processing tomato grown with high nitrogen and water supply[J]. Agricultural Water Management, 2015, 154: 52－58.

[28]Fan Zhaobo, Lin Shan, Zhang Xiaoman, et al. Conventional flooding irrigation causes an overuse of nitrogen fertilizer and low nitrogen use efficiency in intensively used solar greenhouse vegetable production[J]. Agricultural Water Management, 2014, 144(2): 11－19.

[29]牛勇，刘洪禄，吴文勇，等. 基于大型称重式蒸渗仪的日光温室黄瓜蒸腾规律研究[J]. 农业工程学报，2011，27(1)：52－56.Niu Yong, Liu Honglu, Wu Wenyong, et al. Cucumber transpiration by large-scale weighting lysimeter in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011,27(1): 52－56.(in Chinese with English abstract)

[30]郭占奎，刘洪禄，吴文勇，等. 光温室覆膜滴灌条件下樱桃西红柿耗水规律[J]. 农业工程学报，2010，26(9)：53－58.Guo Zhankui, Liu Honglu, Wu Wenyong, et al. Water consumption of cherry tomato with mulched drip irrigation in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010,26(9): 53－58. (in Chinese with English abstract)

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

国家自然科学基金资助项目（41471285、41501312）；国家科技支撑计划课题（2015BAD22B03）；北京市优秀人才项目（2015000057592G267）；北京市农林科学院科技创新能力建设专项（KJCX20140415）

李银坤，男，山东菏泽人，博士，主要从事农业水肥高效利用研究。北京 北京农业智能装备技术研究中心，100097。

Email：lykun1218@163.com

※通信作者：郭文忠，男，宁夏中卫人，研究员，主要从事设施园艺工程与栽培技术研究。北京 北京农业智能装备技术研究中心，100097。

E-mail：guowz@nercita.org.cn