日光温室萝卜棵间土壤蒸发规律试验_刘浩.pdf

第 25 卷 第 1 期农 业 工 程 学 报Vol 25No 1 1762009 年1 月Transactions of the CSAEJan 2009 日光温室萝卜棵间土壤蒸发规律试验 刘 浩 1 2 3 孙景生1 2 段爱旺1 2 孙 磊1 刘祖贵1 2 申孝军1 2 1 中国农业科学院农田灌溉研究所 新乡 453003 2 农业部作物需水与调控重点开放实验室 新乡 453003 3 中国农业科学院研究生院 北京 100081 摘要 土壤蒸发在农田水量平衡和能量平衡计算中占有重要地位 该文采用微型蒸渗仪测定温室萝卜的棵间土壤蒸发 对萝卜棵间土壤蒸发的变化规律及其与太阳辐射 气温和相对湿度等主要气象因子的关系进行了试验研究和分析 研究 结果表明 温室萝卜棵间土壤蒸发随着萝卜生育期的推移有减小的趋势 棵间土壤蒸发量占全生育期总耗水量的 37 73 41 71 棵间土壤蒸发与太阳辐射 气温和相对湿度等主要气象因子均呈现良好的指数关系 该研究对合理制 定温室萝卜的灌溉制度具有重要的参考价值 关键词 日光温室 棵间土壤蒸发 气象因素 萝卜 中图分类号 S152 7 3文献标识码 A文章编号 1002 6819 2009 1 0176 05 刘浩 孙景生 段爱旺 等 日光温室萝卜棵间土壤蒸发规律试验 J 农业工程学报 2009 25 1 176 180 Liu Hao Sun Jingsheng DuanAiwang et al Experiment on soil evaporation of radish in sunlight greenhouse J Transactions of the CSAE 2009 25 1 176 180 in Chinese with English abstract 0 引言 温室有助于解决诸如能源储存 水资源 环境污染 生态系统的稳定等方面的全球性问题 1 可为作物的生长 提供良好环境 缓解中国北方地区冬鲜菜市场的供需矛 盾 近年来 以日光温室为主体的设施园艺得到快速发 展 截至 2003 年底 日光温室面积达 60 余万 hm2 占温 室和大棚等大型设施总面积的 50 左右 全国设施蔬菜 生产总量有近 40 是由日光温室提供的 尤其冬季设施 蔬菜的 90 以上是日光温室生产的 2 棵间土壤蒸发是作 物水分平衡和地表能量平衡的重要组成部分 研究温室 作物棵间土壤蒸发的变化规律及其影响因素 可以促进 温室作物水分利用效率的提高 对制定科学合理的灌溉 制度 日光温室蔬菜栽培的高效用水管理以及减小土壤 水分的无效消耗具有重要意义 自Bost和Robertson 3 1982年首次报道可利用微型蒸 渗仪测定土面蒸发以来 国内外许多学者对大田作物的 棵间土壤蒸发规律及其影响因素进行了大量研究 并取 得了一定的成果 研究结果表明 冬小麦生育期内棵间 土壤蒸发占总蒸散量的 29 75 4 夏玉米棵间土壤蒸发 量占全生育总耗水量的 43 69 48 12 5 而沟灌条件 下夏玉米棵间土壤蒸发量占全生育总耗水量的 33 06 收稿日期 2007 06 11修订日期 2008 11 04 基金项目 国家自然科学基金 温室蔬菜需水特性与优质高效灌溉指标 50779071 国家高技术研究发展计划 863 计划 作物生命健康需水信 息管理系统与非充分灌溉模式 2006AA100203 作物用水信息实时采集设 备 2006AA100209 作者简介 刘浩 1977 男 博士生 内蒙古鄂尔多斯市人 主要从 事节水灌溉和作物高效用水技术方面的研究 河南省新乡市建设路 173 号 中国农业科学院农田灌溉研究所 453003 Email liuhao 914 通讯作者 段爱旺 1963 男 博士 博士生导师 主要从事作物高 效用水技术研究 河南省新乡市建设路173号中国农业科学院农田灌溉研 究所 453003 Email duanaiwang 34 35 6 风沙区春小麦全生育期内棵间土壤蒸发量占总 耗水量的 21 23 7 春玉米全生育期内棵间土壤蒸发 约占总蒸散量的 27 22 8 大量研究发现相对棵间土壤 蒸发 E ET0 随表层土壤含水率的增大而增大 随作物 叶面积指数的增大而减小 并确定了相对土壤蒸发与表 层土壤含水率和叶面积指数的定量关系 5 8 此外 对间 套作种植模式下作物棵间土壤蒸发规律进行了一些初步 研究 9 10 并与单作种植模式下作物棵间土壤蒸发规律进 行了对比分析 建立了间作种植模式下冬小麦棵间土壤 蒸发估算模型 11 上述有关作物棵间土壤蒸发规律的研 究主要集中在大田作物 小麦 玉米等 上 而国内外 有关日光温室萝卜棵间土壤蒸发规律的研究鲜见 基于 目前的研究成果 本文采用微型蒸渗仪测定温室萝卜棵 间土壤蒸发 针对日光温室栽培条件下萝卜棵间土壤蒸 发规律及其气象影响因子进行研究 在分析其变化规律 及其与气象因子的关系基础上 采用多元回归分析 确 定温室萝卜棵间土壤蒸发与主要气象因子的数量关系 为温室作物需水模型的确定提供科学依据和理论基础 1材料与方法 1 1试验地基本情况 试验于 2006 年在中国农业科学院农田灌溉研究所 1 号日光温室中进行 试验地地理位置 35 19 N 113 53 E 海拔 73 2 m 试验所用温室长 40 m 宽 8 5 m 种植区面 积为 39 m 7 m 实际使用面积为 273 m2 温室东西走 向 与其他温室间隔 15 m 互不遮荫 覆盖无滴聚乙烯 薄膜 且温室内没有补温设施 试验地土质为砂壤土 耕层土壤容重为 1 38 g cm3 田间持水量为 24 质量含 水率 地下水埋深大于 5m 1 2试验设计 试验设置 3 个水分处理 全生育期水分控制下限分 别为田间持水量的 80 RT80 70 RT70 和 60 第 1 期刘浩等 日光温室萝卜棵间土壤蒸发规律试验177 RT60 每个处理重复 4 次 其中 1 个重复用来做生物 量调查取样试验 萝卜于 2006 年 9 月 4 日播种 品种为 地黄英 南北向种植 每穴播种 3 4 粒 行距为 45 cm 株距为 30 cm 在温室中整畦种植 畦长 7 m 宽 1 1 m 畦埂宽 25 cm 高 20 cm 每 2 畦设有宽 60 cm 的过道 以便试验观测 萝卜于 2006 年 9 月 24 日定苗 为确保 幼苗的成活率 定苗后各处理均进行 1 次灌水 水分处 理试验从定苗后开始进行 在此之前各处理灌水量保持 一致 灌水方式为畦灌 计划湿润层深度苗期为 20 cm 肉质根膨大期和成熟期均为 40 cm 在施肥管理上 播前 施三元复合肥 N P2O5 K2O 的含量分别为 12 18 和 15 525 kg hm2作为底肥 在萝卜肉质根膨大时期追 施尿素 含 N 量为 45 225 kg hm2 1 3研究方法 土壤含水率采用烘干法测定 每 5 d 测定 1 次 测定 深度为 100 cm 灌水后加测 1 次 耗水量用水量平衡法 计算 DWKIET 1 式中ET 作物耗水量 mm I 时段内灌水量 mm W 时段内储水变化量 mm D 时段内深 层渗漏量 mm 由于萝卜的根系主要集中在 20 cm 左 右 12 根系下扎较浅 灌水量相应较少 因而 深层渗 漏可以忽略 即 0 D K 时段内地下水向上补给 量 mm 由于地下水位较深 K 可忽略不计 即0 K 棵间土壤蒸发采用微型蒸渗仪 13 Micro lysimeter 简称 MLS 测定 MLS 用 0 75 mm 厚的镀锌铁皮卷成 高 10 cm 内径为 10 cm 底部用塑料薄膜封堵 将该 MLS 放入预埋在田间的套筒中 以便将 MLS 取出和放回 时操作迅速方便 以满足一天一次或多次称重的要求 而不破坏周围土壤的结构 套筒顶部与地面平齐 直径 11 cm 长度 10 cm 微型蒸渗仪中的土 每隔 1 d 更换一 次 每天测定 1 次 测定时间为上午 8 00 采用精度 0 01 g 的电子天平称重 气象资料来源于温室内小气候自动监测系统 观测 内容主要包括 辐射 气温 相对湿度 土壤温度和湿 度等 2结果与分析 2 1温室萝卜棵间土壤蒸发逐日变化过程 图 1 给出了不同水分处理日光温室萝卜全生育期内 棵间土壤蒸发的逐日变化过程 缺少出苗前和灌水日的 棵间土壤蒸发实测值 和萝卜生育期内灌水时间及灌水 量对应表 表 1 由图可知 3 个水分处理的棵间土壤 蒸发变化规律基本一致 在萝卜生育期内棵间土壤蒸发 主要分为 3 个阶段 第一个阶段为萝卜播后 0 29 d 由 于萝卜生长处于生育前期 苗期 叶面积指数较小 LAI 0 5 因而土壤含水率和叶面积指数对棵间土壤蒸发的 影响较小 棵间土壤蒸发主要受大气蒸发力的控制 随 着萝卜生育阶段的推移 进入第二个阶段 播后30 72 d 后 每次灌水之后棵间土壤蒸发明显增大 而后随着表 层土壤含水率的降低而逐渐减小 此期间萝卜叶面积指 数逐渐增大 棵间土壤蒸发不仅受大气因素的影响 而 且受表层土壤含水率和叶面积指数的影响 第三个阶段 为萝卜播后 73 d 至收获 萝卜逐渐进入成熟阶段 由于 太阳辐射和气温的减小 棵间土壤蒸发的变化趋于平缓 纵观萝卜整个生育期 棵间土壤蒸发前期大 后期小 有逐渐减小的趋势 表 1温室萝卜全生育期灌水量 Table 1Irrigation amount of radish during whole growth period in greenhouse 播后天数 d 处理 4102029424557646786 RT80 mm 57 69 32 05 19 23 38 4625 64 26 9228 21 24 36 RT70 mm 57 69 32 05 19 2332 0546 15 RT60 mm 57 69 32 05 19 2350 00 图 1不同水分处理温室萝卜生育期内棵间土壤蒸发的逐日变化 Fig 1Daily variation of soil evaporation during radish growth period under different soil moisture treatments in greenhouse 178农业工程学报2009 年 2 2温室萝卜阶段棵间土壤蒸发量占阶段耗水量的比例 表 2 给出了不同水分处理温室萝卜各阶段棵间土壤 蒸发占阶段耗水量的比例 由于缺乏播种至出苗的棵间 土壤蒸发实测值 该时段内的棵间土壤蒸发总量由出苗 至定苗的平均蒸发量估算得到 从表中可以看出 由于 定苗前没有进行水分处理试验 3 个处理在此阶段的棵间 土壤蒸发量和耗水量差异较小 日平均耗水量在 3 72 3 78 mm d 之间 日平均棵间土壤蒸发量在 1 74 1 82 mm d 之间 阶段棵间土壤蒸发量占耗水量的比例在 46 75 48 24 之间 由此可见 该阶段内萝卜的蒸发 蒸腾量较大 这与该阶段内高气温和高辐射等气象条件 有着密切的关系 定苗至肉质根开始膨大阶段 萝卜处 于营养生长阶段 地上部分迅速生长 叶面积指数逐渐 表 2不同水分处理温室萝卜阶段棵间土壤蒸发量占阶段耗水 量的比例 Table 2Ratios of soil evaporation to water consumption at each growth period of radish under different soil moisture treatments in greenhouse 注 E 棵间土壤蒸发量 ET 耗水量 增大 棵间土壤蒸发也相应减少 3 个处理的日平均棵间 土壤蒸发量分别为 1 08 0 88 和 0 81 mm d 阶段棵间土 壤蒸发量占耗水量的比例分别为 36 83 33 22 和 37 60 各处理的棵间土壤蒸发量占阶段耗水量的比例 明显减小 直到肉质根膨大时期棵间土壤蒸发量占耗水 量的比例降到最小 3 个处理的棵间土壤蒸发量占阶段耗 水量的比例分别为 29 04 31 04 和 34 48 当萝卜进 入成熟期后 叶片衰老变黄 辐射和气温降到全生育期 最小 日均辐射为 1 73 MJ m2 d 日均气温为 9 05 相对湿度达到全生育期最大 日平均相对湿度为 94 01 植株蒸腾受到限制 3 个处理的阶段棵间土壤 蒸发量占阶段耗水量的比例分别上升至 61 99 68 78 和 69 97 从全生育期来看 温室萝卜的棵间土壤蒸发 总量占总耗水量的比例在 37 73 41 71 2 3棵间土壤蒸发与主要气象因子的关系 在表层土供水充足的条件下 表土获得连续不断的 汽化潜热能以及土面与周围大气之间水汽压梯度的存在 是土壤蒸发得以进行的两个重要条件 而太阳辐射是汽 化潜热能量的来源 气温和空气湿度的大小决定着空气 里饱和水汽含量和水汽扩散的快慢 14 因此 太阳辐射 气温和空气湿度等气象因子是影响温室作物棵间土壤蒸 发的主要气象因素 为了消除叶面积指数和土壤含水量 对棵间土壤蒸发的影响 图 2 给出了叶面积指数小于 1 且 20 cm 表层土壤含水量大于 20 质量含水率 时棵 间土壤蒸发与太阳辐射 气温和相对湿度的关系 从图 中可以看出 棵间土壤蒸发随辐射和气温的增大而增大 随相对湿度的增大而减小 表明土壤蒸发在土壤供水充 足的条件下与太阳辐射 气温和相对湿度的关系密切 经回归分析 在显著水平 0 05 时达到显著水平 棵间 土壤蒸发与辐射 气温和相对湿度均呈现指数关系 其 回归方程见式 2 式 3 和式 4 图 2棵间土壤蒸发与辐射 气温 相对湿度的关系 Fig 2Relationship between soil evaporation and solar radiation air temperature relative humidity 8312 04231 0 22279 0 ReE s R 2 7479 000061 0 23209 0 ReE T 3 6661 0731 62 20521 0 ReE RH 4 式中E 棵间土壤蒸发 mm d Rs 太阳辐射 MJ m2 d T 日平均气温 RH 空气相对湿 度 基于以上对温室萝卜棵间土壤蒸发与辐射 气温 和相对湿度等主要气象因子的关系分析 在土壤充分供 水和叶面积指数较小的条件下 土壤蒸发的大小主要受 气象因素的影响 依据棵间土壤蒸发的实测结果 以辐 射 气温和相对湿度为主要因子进行多元回归 方程式 如下 式 5 RHaTaRa s eaE 321 0 5 生育阶段 播种 定苗 定苗 肉质根膨大 肉质根 膨大期 成熟期全生育期 处理 历时 d21164122100 ET mm79 3146 9098 619 80234 62 E mm38 2617 2728 636 0890 24RT80 E ET 48 2436 8329 0461 9938 46 ET mm79 3742 3783 177 68212 59 E mm37 1014 0825 825 2880 22RT70 E ET 46 7533 2231 0468 7837 73 ET mm78 1334 5168 968 35189 95 E mm36 6312 9823 785 8479 23RT60 E ET 46 8837 6034 4869 9741 71 第 1 期刘浩等 日光温室萝卜棵间土壤蒸发规律试验179 式中a0 a1 a2 a3 回归系数 将式 5 两边取对 数线性化后进行多元线性回归得到各系数的值 经相关 分析 决定系数 R2 0 9134 显著水平 0 05 最后得到 棵间土壤蒸发与 3 个气象因子的回归方程如下 RHTRs eE 0076 01355 01370 0 0475 0 6 图 3 给出了温室萝卜在叶面积指数小于 1 和表层土 壤含水量大于20 时RT80处理的棵间土壤蒸发计算值与 实测值的对比 从图中可以看出 回归方程 式 6 计算所得棵间土壤蒸发值与实测值较接近 平均相对误 差为 9 63 说明所建回归方程可以较真实地反映气象因 子对棵间土壤蒸发的影响 图 3温室萝卜土壤蒸发计算值与实测值对比 RT80 Fig 3Comparison of simulated values and measured values of soil evaporation in radish field in greenhouse RT80 3结论 土壤蒸发在农田水量平衡和能量平衡计算中占有重 要地位 农田灌溉管理 作物产量估计及土壤水分预报 等许多问题都与蒸发量紧密相关 15 分析温室作物土壤 蒸发的机理及其影响因素 可促进温室作物土壤水分利 用效率的提高 以便最大程度的减小土壤水分的无效消 耗 试验研究结果表明 受外界因素和萝卜自身因素的 影响 萝卜棵间土壤蒸发在生育期内表现出前期大 后 期小的变化规律 有逐渐减小的趋势 试验结果同时表明 采用普通地面畦灌的灌溉方式 不同水分处理对温室萝卜棵间土壤蒸发 植株蒸腾和农 田总耗水量均会产生比较明显的影响 温室萝卜全生育 期的总耗水量在 220 mm 左右 其中有 38 左右为棵间土 壤蒸发量 不参与萝卜产量的形成 棵间土壤蒸发量占 耗水量的比例表现出前期大 中期逐渐减小 后期再增 大的变化规律 在土壤充分供水和叶面积指数较小的条件下 土壤 蒸发的大小主要受气象因素的影响 棵间土壤蒸发与辐 射 气温和相对湿度等气象因子呈现指数关系 土壤蒸 发与辐射和气温成正相关 与相对湿度成负相关 通过 多元回归建立了土壤充分供水和叶面积指数较小条件下 温室萝卜棵间土壤蒸发估算模型 且模型模拟精度较高 平均相对误差低于 10 可以真实地反应温室萝卜棵间 土壤蒸发与气象因子的关系 参考文献 1 Harmanto Salokhe V M Babel M S et al Water requirement of drip irrigated tomatoes grown in greenhouse in tropical environment J Agricultural Water Management 2005 71 225 242 2 李天来 我国日光温室产业发展现状与前景 J 沈阳农业 大学学报 2005 36 2 131 138 LI Tianlai Current situation and prospects of green house industry development in China J Journal of Shenyang Agricultural University 2005 36 2 131 138 in Chinese with English abstract 3 Boast C W Robertson T M A micro lysimeter method for determining evaporation from bare soil description and laboratory evaluation J Soil Science Society of American Journal 1982 46 689 696 4 刘昌明 张喜英 由懋正 大型蒸渗仪与小型棵间蒸发器 结合测定冬小麦蒸散的研究 J 水利学报 1998 10 36 39 LiuChangming ZhangXiying YouMaozheng Determination of daily evaporation and evapotranspiration of winter wheat field by large scale weighing lysimeter and micro lysimeter J Journal of Hydraulic Engineering 1998 10 36 39 in Chinese with English abstract 5 王健 蔡焕杰 陈 凤 等 夏玉米田蒸发蒸腾量与棵 间蒸发的试验研究 J 水利学报 2004 11 108 113 Wang Jian Cai Huanjie Chen Feng et al Experimental study on evapotranspiration and soil evaporation in summer maize field J Journal of Hydraulic Engineering 2004 11 108 113 in Chinese with English abstract 6 孙景生 康绍忠 王景雷 等 沟灌夏玉米棵间土壤蒸发 规律的试验研究 J 农业工程学报 2005 21 11 20 24 Sun Jingsheng Kang Shaozhong Wang Jinglei et al Experiment on soil evaporation of summer maize under furrow irrigation condition J Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering 2005 21 11 20 24 in Chinese with English abstract 7 刘祖贵 孙景生 张寄阳 等 风沙区春小麦棵间蒸发规 律的试验研究 J 灌溉排水学报 2003 22 6 60 62 LiuZugui SunJingsheng ZhangJiyang etal An experiment on soil evaporation of spring wheat in windy dust area J Journal of Irrigation and Drainage 2003 22 6 60 62 in Chinese with English abstract 8 张寄阳 刘祖贵 孙景生 等 风沙区春玉米棵间蒸发变 化规律的研究 J 中国农村水利水电 2002 12 33 35 Zhang Jiyang Liu Zugui Sun Jingsheng et al Research on variation rule of evaporation of spring corn in windy and dusty areas J China Rural Water and Hydropower 2002 12 33 35 in Chinese with English abstract 9 高阳 段爱旺 冬小麦间作种植方式下棵间蒸发规律试 验研究 J 灌溉排水学报 2005 24 2 13 17 Gao Yang Duan Aiwang An experiment on soil evaporation of winter wheat under intercropping patterns J Journal of Irrigation And Drainage 2005 24 2 13 17 in Chinese with English abstract 10 刘安能 周新国 孟兆江 等 麦棉套作方式下小麦棵间 180农业工程学报2009 年 蒸发量研究 J 河南农业大学学报 2006 40 4 375 379 Liu Anneng Zhou Xinguo Meng Zhaojiang et al Study on soil evaporation of winter wheat intercropping with cotton J Journal of Henan Agricultural University 2006 40 4 375 379 in Chinese with English abstract 11 刘浩 段爱旺 高阳 间作种植模式下冬小麦棵间蒸 发变化规律及估算模型研究 J 农业工程学报 2006 22 12 34 38 Liu Hao Duan Aiwang Gao Yang Soil evaporation variation andestimatingmodelfromwinterwheatfieldin intercropping patterns J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2006 22 12 34 38 in Chinese with English abstract 12 Wan S Q Kang Y H Effect of drip irrigation frequency on radish Raphanus sativus L growth and water use J Irrigation Science 2006 24 161 174 13 Daamen C C Simmonds L P Wallace J S et al Use of micro lysimeters to measure evaporation from sandy soils J Agricultural and Forest Meteorology 1993 65 159 173 14 王政友 土壤水分蒸发的影响因素分析 J 山西水利 2003 2 26 27 15 鹿洁忠 刘昌明 裸地蒸发和麦田蒸散的预报方法 J 中 国农业气象 1992 13 2 33 36 Experiment on soil evaporation of radish in sunlight greenhouse Liu Hao1 2 3 Sun Jingsheng1 2 Duan Aiwang1 2 Sun Lei1 Liu Zugui1 2 Shen Xia