王光焰，劉云飛，孫懷衛(wèi)

(1.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011；3.華中科技大學(xué)，武漢 430074)

我國是缺水較為嚴(yán)重的國家，人均淡水資源量不足世界人均量的1/4，加之我國水資源分布不均勻，因此水資源的供給量決定了許多地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。但是我國作為農(nóng)業(yè)種植大國，近幾年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量占全國水資源供應(yīng)總量的60%～65%[1]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面耗水量極大。在此背景下，如何減少農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)的情況，提高農(nóng)業(yè)水資源的利用效率，合理農(nóng)業(yè)灌溉制度成為亟待解決的問題。根據(jù)我國第三次農(nóng)業(yè)普查數(shù)據(jù)顯示，設(shè)施農(nóng)業(yè)尤其是溫室大棚種植作為我國農(nóng)業(yè)種植的一部分，面積已達(dá)到131.5 萬hm2[2]。溫室大棚種植的主要作物為蔬菜、瓜果和花卉等，相對于大田農(nóng)業(yè)作物的需水量會(huì)更高[3]，而目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的灌溉種植方式還比較粗放，許多地方缺乏理論指導(dǎo)。因此，針對溫室大棚作物的需水量研究，能夠?yàn)楣?jié)約農(nóng)業(yè)水資源，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，制定合理的設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉制度提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

作物需水量主要是指作物的蒸騰量、棵間土壤或植物基質(zhì)的蒸發(fā)以及作物體內(nèi)滿足其生存生理需求水量的總和，作物蒸騰量和棵間基質(zhì)的蒸發(fā)量通常占作物需水量的99%，因而許多研究中會(huì)忽略作物體內(nèi)的水量。由于大部分作物的蒸騰量都會(huì)受到土壤水分、溫度、光照、相對濕度、風(fēng)速等條件的影響，因此作物在正常的生長條件下，需水量會(huì)隨著灌溉量的變化和氣候氣象條件的變化而呈現(xiàn)出差異性。由于溫室大棚中的環(huán)境與外部大田的環(huán)境相比較，溫度較高、相對濕度大、受風(fēng)速和降水的影響較少等[4]，所以種植相同的作物，在溫室大棚中的需水量與大田種植的需水量會(huì)有很大不同。因此，需要對溫室大棚作物的需水量進(jìn)行單獨(dú)的研究。

1 溫室作物需水量的影響因素

對作物的需水量影響因素有很多，一般認(rèn)為，葉面積較大、生長速度快、根系發(fā)達(dá)、作物體內(nèi)油脂和蛋白質(zhì)含量高、果實(shí)采收期長的作物需水量較高[5]，而且外部不同的耕作方式、灌溉制度、氣候環(huán)境因素、地下水位深度等等都會(huì)導(dǎo)致作物的需水量發(fā)生變化。因此，對于作物需水量變化規(guī)律和影響因素的研究，有助于制定合理的灌溉方式和灌溉量，提高作物的水資源利用效率。

1.1 影響作物需水量的內(nèi)部因素

1.1.1 不同種類作物的需水量特征

不同的作物生理特征、生長周期和對外部環(huán)境的響應(yīng)都有著區(qū)別，因此需水量都有著一定差異。齊述華等使用水平衡法，計(jì)算測定了菠菜、莧菜和花椰菜三種不同作物在整個(gè)生長階段內(nèi)的需水量，菠菜為223.8mm，莧菜和花椰菜分別為144.9和148.1 mm，說明不同種類作物生長周期不同、生長時(shí)間和環(huán)境不同、生理結(jié)構(gòu)上的差異都會(huì)對需水量的變化產(chǎn)生影響[6]；葉瀾濤使用水平衡法測定了甜椒、番茄、豇豆和西瓜整個(gè)生長階段內(nèi)的需水量，分別為738.0、123.6、168.6、148.4 mm，甜椒的需水量較大是由于生長周期較其他作物長，并且結(jié)果期持續(xù)時(shí)間較長，因而消耗的水分較多[7]；高金華使用水平衡法測定了番茄和茄子需水量，在同一時(shí)期，番茄和茄子的需水量呈現(xiàn)很大差異，番茄的需水量呈現(xiàn)“增加-減少-增減-減少”的趨勢，茄子的需水量呈現(xiàn)“增加-減少”，除了受到降水和地下水位的影響，說明不同種類作物的需水量對水分變化的響應(yīng)也有很大的不同[8]。

1.1.2 作物不同生育期的需水特征

作物在不同的生長階段都會(huì)呈現(xiàn)出不同的需水量特征，一般作物的需水量整個(gè)生長階段都表現(xiàn)出先增長，達(dá)到最大值后再下降的趨勢。但不同的作物生理結(jié)構(gòu)不同，加上采摘方式和時(shí)期具有差異，所以需水量也會(huì)表現(xiàn)出多次波動(dòng)的情況。楊宜在對秋茬溫室茄子需水量的研究中發(fā)現(xiàn)，茄子的蒸散量在苗期最小，最小值為0.44 mm/d，而后隨著作物生長逐漸增大，在開花坐果期達(dá)到最大，最大值為2.90 mm/d，而后逐漸下降[9]；李艷梅等對溫室芹菜的需水量進(jìn)行研究中將芹菜分為4個(gè)生長階段，分別為苗期、葉叢初期、葉叢中期和葉叢后期，需水量隨著生長呈現(xiàn)出“增長-下降-增長”的特點(diǎn)[10]；劉浩等發(fā)現(xiàn)溫室中番茄整個(gè)生長階段中的需水量呈現(xiàn)“增加-下降”的趨勢，其中番茄開花坐果時(shí)期的需水量達(dá)到最大，移植初期的需水量最小[11]；范洪梅等認(rèn)為攀西干熱河谷地區(qū)冬春茬大棚辣椒應(yīng)在采收期的灌溉量最大，其次為始花期至果實(shí)成熟，定植期至始花期灌溉量最小和灌溉周期最長，從側(cè)面也說明了辣椒需水量在不同的生長階段的變化[12]。

1.2 影響作物需水量的外部因素

1.2.1 不同氣象環(huán)境下作物的需水特征

各種氣象環(huán)境因素對作物的生長均具有很大的影響，尤其是濕度、溫度、風(fēng)速、光照條件。葉水勢的增大會(huì)促進(jìn)植物根部對水分的吸收，導(dǎo)致作物的需水量增大，而光照、溫度、風(fēng)速均會(huì)影響植物的葉片水勢。當(dāng)溫度升高、光照變強(qiáng)、風(fēng)速增大，都會(huì)加快植物葉片水分的蒸發(fā)，使葉片水勢增大[13]。反之則對作物的水分需求起到一定抑制作用。但是當(dāng)光照過強(qiáng)或水分損失過大時(shí)，植物也會(huì)關(guān)閉氣孔，減少蒸騰，起到一定的自我保護(hù)作用[14]。由于大棚所屬環(huán)境與外部有很大差別，受風(fēng)速影響較小，而受相對濕度影響較大。任自力對膜下大棚滴灌條件下的西瓜需水規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，大棚西瓜的需水量與光強(qiáng)、溫度、蒸發(fā)量具有極顯著正相關(guān)，與相對濕度具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]；李洋在溫室大棚內(nèi)對冬春茬和秋冬茬的番茄種植做對比發(fā)現(xiàn)，冬春茬番茄的需水量高于秋冬茬，但葉面積指數(shù)、葉面積、莖粗、光合特性、根系活力及產(chǎn)量品質(zhì)均優(yōu)于秋冬茬，產(chǎn)生差異的主要原因是由于冬春季節(jié)隨著植物生長，氣溫逐漸升高、光照逐漸增強(qiáng)、濕度不斷下降更有利于作物的蒸騰作用[16]；倪紀(jì)恒認(rèn)為，冬春季節(jié)溫室光照相對較弱，影響作物的生長發(fā)育，在對溫室大棚中黃瓜進(jìn)行不同光質(zhì)的補(bǔ)充發(fā)現(xiàn)，光質(zhì)的補(bǔ)充能夠提高冠層溫度，另外發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充紅光能夠促進(jìn)黃瓜根和莖的發(fā)育，補(bǔ)充藍(lán)光有助于促進(jìn)同化產(chǎn)物向果實(shí)[17]，說明了光照對溫室作物生長的重要性；彭致功等通過大棚內(nèi)的研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光照是影響作物騰發(fā)量的主要因子，其次是氣溫，再次是空氣濕度，土溫影響最小[18]；Morries等通過溫室的無土栽培試驗(yàn)后得出了太陽輻射和空氣飽和水汽壓差是影響室內(nèi)作物需水量的主要因素[19]。

1.2.2 灌溉水分對作物需水量的影響

通常灌溉量的增大會(huì)促進(jìn)作物對土壤水分的吸收利用，導(dǎo)致作物的蒸散量和需水量增大。但當(dāng)土壤水分超過一定閾值對植物的生長又會(huì)產(chǎn)生一定的抑制作用，導(dǎo)致作物的產(chǎn)量和需水量下降。而且灌溉水的鹽度也會(huì)影響到作物的需水量，鹽度越大需水量越小。Soria和Cuartero研究發(fā)現(xiàn)，在不同的土壤水分鹽度情況下，溫室番茄需水量會(huì)在0.19～1.03 mm/d范圍內(nèi)變化[20]；Fhivio F Blancol等研究了巴西春季溫室黃瓜的需水規(guī)律發(fā)現(xiàn),黃瓜的作物系數(shù)和蒸騰量與灌溉水的鹽度濃度呈現(xiàn)出線性反比的關(guān)系，當(dāng)電導(dǎo)度增加1,黃瓜的蒸騰量就會(huì)相應(yīng)降低4.6%[21]；殷飛等對不同灌溉條件下大棚葡萄的需水量研究表明，在葡萄生育期田間持水量60%和85%時(shí)最有利作物生長，同時(shí)作物的需水量也會(huì)達(dá)到最大[22]；馮誠等對陽光大棚不同水分處理下的黃瓜灌溉制度研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量的增加，黃瓜的產(chǎn)量會(huì)也會(huì)增大，當(dāng)灌水量超過16 mm/m2時(shí)會(huì)抑制黃瓜生長，產(chǎn)量反而會(huì)下降[23]。所以合理的控制灌溉水分和灌溉水源的質(zhì)量對作物的生長和作物果實(shí)產(chǎn)量和質(zhì)量的增加有著十分重要的作用。

除了灌溉水分和環(huán)境因素會(huì)對作物的需水量產(chǎn)生影響以外，根據(jù)實(shí)際情況不同，還有一些其他因素也會(huì)影響作物需水量，如灌溉方式：滴灌、噴灌、漫灌、地下滴灌等；耕種方式：溝播耕作法、沙田耕作法、少耕和免耕法等；土壤類型：沙質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土等；溫室大棚材質(zhì)：玻璃材質(zhì)、PC板材質(zhì)、塑料膜材質(zhì)等。因此，在對作物需水量研究時(shí)需要注重對各個(gè)方面的考慮。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)作物需水量的計(jì)算方法

目前對作物需水量的計(jì)算方法包括：①通過各類氣象數(shù)據(jù)或者環(huán)境因素和相應(yīng)作物的作物系數(shù)計(jì)算蒸散發(fā)的Hargreaves公式、Priestley-Taylor公式、Penman-Monteith公式等；②以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取參數(shù)構(gòu)建相關(guān)的模型來進(jìn)行估算；③水平衡法和蒸滲儀法，水平衡法是通過計(jì)算劃分某段時(shí)間內(nèi)引起土壤水分變化所有因素的量來確定作物的需水量，蒸滲儀法也是通過此原理進(jìn)行計(jì)算的；④蒸發(fā)皿法，通過蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量和相應(yīng)的作物系數(shù)估算作物的需水量；⑤波文比法能量平衡法；⑥渦度相關(guān)法等等。有些研究是基于測量作物蒸騰量來計(jì)算作物的需水量，關(guān)于作物蒸騰的測量方法包括，TDP莖流計(jì)測量、同位素示蹤法、稱重法等，由于溫室大棚的環(huán)境限制，遙感測量無法應(yīng)用，而波文比法和渦度相關(guān)法的儀器成本相對較高，并且儀器的布設(shè)也不適用于溫室大棚環(huán)境。因此大部分研究選取公式計(jì)算、蒸滲儀法、蒸發(fā)皿法、水平衡法，并且取得了較好的結(jié)果。另外近幾年許多學(xué)者使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以各種環(huán)境為參數(shù)，作物需水量為輸出進(jìn)行非線性擬合也取得了較好的結(jié)果，在此主要對這4種方法進(jìn)行介紹。

2.1 水平衡法

水平衡法是根據(jù)土壤總體水分的進(jìn)和出保持質(zhì)量平衡的原理來對作物需水進(jìn)行計(jì)算的方法。其計(jì)算公式為：

ET=P0+K+M+ΔW-q1-q2

(1)

式中：ET為作物的需水量，mm；P0為有效降雨量，mm，一般可用降水量P(mm)乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α進(jìn)行計(jì)算；K為地下水補(bǔ)給量，mm；M為灌溉量，mm；ΔW為某一時(shí)段內(nèi)土壤水分的變化量，mm；q1為地表徑流量，mm；q2為作物根區(qū)深層滲漏量，mm。

如果使用蒸滲儀來或使用覆膜分割環(huán)境的方法，在溫室大棚環(huán)境中可忽略P0、K、q1、q2的影響，因此公式(1)可化為：

ET=M+ΔW

(2)

公式(2)中限定了影響水分平衡的其他因素，只需要考慮灌溉量和監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)的水分變化量，試驗(yàn)方法簡單,容易操作,并且現(xiàn)在稱重式蒸滲儀帶能夠自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)、精度高、連續(xù)性好，因而應(yīng)用很廣。

2.2 蒸發(fā)皿法

蒸發(fā)皿法是利用水面蒸發(fā)量估算作物需水量的方法。因?yàn)樽魑锏男杷亢驼舭l(fā)皿的蒸發(fā)量都是由周圍各種環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果，所以二者的變化趨勢具有很大的相關(guān)性。計(jì)算公式為：

ET=αET0

(3)

式中：α為蒸發(fā)皿系數(shù)；ET0為蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量，mm。

該方法操作簡單，計(jì)算結(jié)果較好，但計(jì)算系數(shù)的率定比較重要，否則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

2.3 公式計(jì)算法

(1)Penman-Monteith公式。

(4)

式中：ET為作物的需水量，mm/d；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在某處的斜率，kPa/℃；Rn為輸入冠層凈輻射量，MJ/(m2·d)；T為2 m高度的日平均溫度，℃；u2為2 m高度風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；γ為干濕溫度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。其參數(shù)也有相應(yīng)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和方法。

(2)Priestley-Taylor公式。

(5)

式中：ET為作物的需水量，mm；α為Priestley-Taylor系數(shù)，通常取1.26；Rn為冠層凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)。

在有些計(jì)算中會(huì)忽略土壤熱通量。

(3)Hargreaves公式。

(6)

式中：ET為作物的需水量，mm；α為轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常取0.002 3；λ為水汽化潛熱，一般為2.45 MJ/kg；Tmax為最高溫度；Tmin為最低溫度，℃；η為指數(shù)系數(shù)，一般取值0.5；Tmean為平均溫度，℃；Toff為溫度偏移量，一般取值17.8；Ra為大氣頂層輻射量，MJ/(m2·d)。

這3種方法為最常使用的作物需水量的計(jì)算公式，并且根據(jù)這3個(gè)公式延伸出了許多修正后的計(jì)算方法以提高其適用性和準(zhǔn)確性。其中Penman-Monteith公式所需要的氣象參數(shù)最多，適合于氣象資料比較全面的地區(qū)；Priestley-Taylor公式是基于輻射量的計(jì)算方法；Hargreaves公式是基于溫度計(jì)算的方法。對于氣象資料缺少的區(qū)域使用后兩種方法進(jìn)行計(jì)算和校正比較合適[24,25]。由于地區(qū)氣候和環(huán)境差異，一般在使用公式法計(jì)算時(shí)都需要對公式中的系數(shù)進(jìn)行修正，根據(jù)表1，陳新明等考慮到溫室大棚內(nèi)的實(shí)際風(fēng)速影響，對Penman-Monteith公式進(jìn)行了調(diào)整；楊蕊等在使用Hargreaves公式時(shí)，根據(jù)主成分分析法，認(rèn)為相對濕度對作物的蒸散發(fā)影響較大，因而對公式進(jìn)行了修正；趙玲玲等將平流項(xiàng)b1引入Priestley-Taylor公式，提高了計(jì)算準(zhǔn)確度。呂玉平等，使用Priestley-Taylor和Hargreaves公式分別對矮型和高型兩種參考作物，在濕潤區(qū)和干旱區(qū)的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估，他認(rèn)為Priestley-Taylor公式在矮型作物上更適用于濕潤區(qū)，Hargreaves公式在矮型作物上更實(shí)用與干旱區(qū)，并且兩個(gè)公式用在高型作物上必須對計(jì)算系數(shù)進(jìn)行修正[26]；陳新明等認(rèn)為溫室大棚的環(huán)境與外界大田的環(huán)境差異較大，尤其大棚內(nèi)很少受到風(fēng)速影響，因此提出了Penman-Monteith公式的修正公式，修正公式提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度[27]。劉浩等也利用此修正公式對滴灌條件下溫室番茄的需水量進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)修正后的公式計(jì)算精度更高，更適用于溫室環(huán)境[11]。因此，使用公式法計(jì)算作物需水量時(shí)，應(yīng)注意公式的修正和系數(shù)的率定，以免產(chǎn)生過大的誤差。

表1 常用作物需水量計(jì)算公式與部分地區(qū)修改后的計(jì)算公式相對比

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對作物需水量和環(huán)境因子的預(yù)測計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，機(jī)器學(xué)習(xí)算法越來越多的應(yīng)用到非線性擬合的研究領(lǐng)域中，目前國內(nèi)外有許多研究都利用這些算法對溫室參考作物需水量和環(huán)境因素進(jìn)行了計(jì)算與預(yù)測，都取得了較好的精度。顧世祥等采用徑向基網(wǎng)絡(luò)，使用了多種不同的輸入因子組合進(jìn)行預(yù)測,經(jīng)過比較認(rèn)為以日照時(shí)數(shù)、平均溫度、風(fēng)速為輸入的模型精度較高，相比Penman-Monteith公式計(jì)算結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確性[28]。徐意和向美晶采用徑向基網(wǎng)絡(luò)預(yù)測不同溫度下作物光合作用速率，以用來調(diào)節(jié)控制溫室內(nèi)作物生長[29]。王定成采用支持向量機(jī)對溫室的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析，并用數(shù)據(jù)對修正模型進(jìn)行檢驗(yàn)，這種方法能較好地處理溫室環(huán)境的不確定性[30]。

此外，由于溫室大棚內(nèi)環(huán)境受到大棚內(nèi)位置和一些溫室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的影響并不是完全均勻，因此一些學(xué)者針對溫室小氣候進(jìn)行了研究。目前，研究溫室大棚小氣候常用方法主要有示蹤氣體法、質(zhì)量(或能量)平衡法，以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)法(CFD)。但由于通過示蹤氣體法難以反映溫室內(nèi)氣流場的時(shí)空分布模式，而且難以得到普遍性的結(jié)論[31]?；谀芰?或質(zhì)量)平衡建立的溫室環(huán)境模型雖然可以方便地對給定條件下的溫室進(jìn)行隨時(shí)間變化的預(yù)測，但模型的假設(shè)和簡化嚴(yán)重，同時(shí)難以應(yīng)用在大面積的溫室上[32]。而CFD方法隨著近年來發(fā)展應(yīng)用，已經(jīng)能夠進(jìn)行流體流動(dòng)、傳熱、通風(fēng)等計(jì)算的需求。Okushima首次采用CFD方法預(yù)測了小型溫室的環(huán)境，并將CFD模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，同時(shí)這種方法也得到了Mistriotis的發(fā)展和完善[33]；Boulard等利用CFD方法對不同類型的溫室小氣候進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了溫室作物需水量的計(jì)算[34]。結(jié)果表明，CFD方法能夠通過數(shù)值模擬得到完整的空氣壓力、流速、溫度等在整個(gè)溫室空間上的分布，且能夠適應(yīng)多種不同氣候條件下的模擬要求[35]。

3 結(jié) 論

(1)設(shè)施農(nóng)業(yè)不同作物的需水規(guī)律有待于進(jìn)一步研究。現(xiàn)階段設(shè)施農(nóng)業(yè)作物的需水量研究已經(jīng)取得了許多對實(shí)踐有指導(dǎo)意義的成果，但是目前對作物品種的研究還不夠全面，主要集中在比較常見的幾種作物上。具有地域特色的種植作物和花卉、喬木類果木研究很少，并且隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展反季節(jié)種植的蔬菜瓜果種類也越來越多，大棚環(huán)境的改善和作物品種的改良也要求對于設(shè)施農(nóng)業(yè)作物需水量進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(2)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物的需水量計(jì)算模型的研究有待完善。目前對于設(shè)施農(nóng)業(yè)作物需水量的計(jì)算方法有許多，許多計(jì)算模型也得到了很好的應(yīng)用。我國對溫室大棚作物的研究也持續(xù)了很長時(shí)間，但是由于我國緯度跨度大，氣候類型多樣，地形也十分復(fù)雜，不同地區(qū)的氣候環(huán)境差異很大。不同計(jì)算模型對不同地區(qū)的適應(yīng)度不同，直接引用其他地區(qū)模型中的修正系數(shù)有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，因此需要進(jìn)一步研究。

(3)對設(shè)施農(nóng)業(yè)需水規(guī)律影響因素的研究需要加強(qiáng)。影響作物需水量的因素有很多，除了氣象環(huán)境因素和作物本身類型之外，包括耕種方式、地下水埋深、灌溉方式等等都影響著作物的需水量。因此需要加強(qiáng)設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候研究，這樣有助于進(jìn)一步了解溫室大棚各個(gè)環(huán)境因子對作物的影響過程，完善對影響作物需水量各方面因素的研究，以減少不利因素對作物的影響，并且對于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)水增收，保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。