温室作物蒸腾作用建模与试验modelingandexperimentontranspirationofgreenhous
摘 要摘 要在非某植物适宜生长的季节或不适宜种植的地区，温室能供给其温室生育期和提高其产量，因此常用于低温季节时需种植的喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗。由于温室封闭与半封闭的特点，能够全年高效优质的生产。与此同时，该特点也导致在温室条件下作物蒸腾量和大田作物大相径庭。蒸腾作用对温室环境产生影响，而温室环境的改变又反作用于作物的生长。因此，建立更好的温室条件下作物蒸腾的模型，准确估算作物蒸腾量，对于作物汲水灌溉的设计等温室操作都有至关重要的参考作用。本文包括以下内容对温室条件下的蒸腾作用的相关知识进行介绍，概括国内外研究现状，对温室条件下的典型蒸腾模型分类简单介绍。具体介绍Penman-Monteith公式，将以其为基础的三个典型模型使用MATLAB软件进行模拟仿真，并对数据图表化。采用实验方式获得江苏大学温室气象数据，以此为数据源代入模型中进行仿真，将以Penman-Monteith公式为基础的机理模型设为标准对比，结果进行误差分析，显示基于FAO系数法模型较经验模型更为准确。关键词温室；蒸腾作用；Penman-Monteith公式；MATLAB；估算模型
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3论文主要研究内容 3
第二章 蒸腾作用的机理及意义 4
2.1蒸腾作用的机理 4
2.2蒸腾作用的影响因子 5
2.3蒸腾作用的意义 6
2.4 本章小结 6
第三章 温室作物蒸腾模型分析与仿真 7
3.1模型仿真总体思路 7
3.2 PenmanMonteith公式介绍 7
3.3 基于PenmanMonteith公式的机理模型 7
3.3.1 基于PenmanMonteith公式机理模型参数介绍及其计算 8
3.3.2 基于PenmanMonteith公式机理模型仿真 11
3.3.3 基于PenmanMonteith公式机理模型分析 13
3.4 经验模型 17
3.4.1 基于PenmanMonteith公式模型经验模型的介绍 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
7
3.4.2 基于PenmanMonteith公式模型经验模型的仿真 17
3.5 基于FAO作物系数法模型 18
3.5.1 温室气象环境因子子模型 18
3.5.2 作物因子子模型 19
3.5.3 土壤水分因子子模型 20
3.5.4 基于FAO作物系数法模型仿真 21
3.6 模拟结果分析 22
3.7 本章小结 22
第四章 试验设计及数据处理 23
4.1 试验材料与方法 23
4.1.1 试验基本情况 23
4.1 参数测量方法 25
4.2 数据处理与仿真 27
4.3 误差分析 30
4.4 本章小结 30
第五章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 32
致 谢 34
参考文献 35
绪 论
1.1课题研究背景
温室，也可被称为暖房，指具有防寒、加温和透光等功能的设施，供培育喜温植物的房间。由于我国地区地域广大，各地的气候特征、资源储备情况等存在不同，近年来在我国北方地区尤其在华北地区、东北地区、黄淮地区发展势头较为迅猛，大大缓解了我国特别是北方地区淡季蔬菜供应问题。据统计截止到2014年我国温室总面积为205.8万公顷[1]。因此开展温室发展的建造，使我国北方地区能够趋利避害，将不利的气候条件的影响降到最低，合理利用气候资源，将资源优势转化为经济效益，进一步促进科学布局的日光温室产业和高效节能发展具有重要意义。与此同时，由于温室本身结构的封闭性和半封闭性等特点，使得其内部增温保温以及“小气候效应”效应十分显著[2,3]，在此情况下最积极有效的降温方式，靠作物的蒸腾作用实现[4]。并且由于蒸腾复杂的生理过程，对温室内部的湿度也有重要影响。这些影响又会反作用于作物自身生长。因此，对作物蒸腾量的把控对温室水分管理有着十分重要的意义。而建立温室条件下作物蒸腾模型具有了重要的理论价值和实践意义。
1.2 国内外研究现状
蒸腾作用是一种极其复杂的生理过程，从外部因素来看，它会受到环境条件的影响；从植物本身来看，其自身的调节和控制也起着重要的作用。因此，直接对作物蒸腾进行测量相对困难，过程繁杂。一般情况下能量平衡法即为温室作物蒸腾速率测量的有效手段。
在作物蒸腾过程中，其影响因子繁杂，各生理生态因子作用交互。共同作用、反作用，具体表现为各个因子之间的互补性、适度性、复合性、协同性。对各个因子整合方法的不同，使得建立的作物蒸腾模型主要分为三种：经验模型、基于FAO的作物系数法模型和机理模型。
1）经验模型
经验模型在主流作物蒸腾模型中使用参数最少。主要通过室内的温度、湿度、室内辐射量等气象要素和叶面积指数、冠层高度等作物生理生态因子之间的关系进行拟合。主要包括有：基于光合生理的经验蒸散发估算模型[5]；基于温室内外气象特征如太阳辐射、空气温度、空气湿度、冠层温度、加热管温度、饱和水汽压差和水面蒸发等不同因子组合的蒸散发估算模型[6,7]；气象特征与作物因子组合的蒸散发估算模型；简化的PenmanMonteith（PM）模型。
由于所用参数较少的特点，经验模型可以广泛在精度要求不高或参数较难获取的温室。但与此同时，参数较少也进一步限制了其精确度，并且对其经验性和区域性提出较高要求，可复制性也较弱。
2）基于FAO的作物系数法
FAO作物系数法一般使用于大田作物和树木[810]中，是一种相对简单易行的对作物蒸腾的估算方法。分为单作物系数法和双作物系数法两种。温室中FAO作物系数法目前主要应用的方法有如下3种：
① 从大田试验中计算作物系数，以此来对温室作物蒸腾量进行估算。但是由于大田和温室环境的差异，在计算温室作物的蒸腾量时，不能直接套用，需要进行修改和优化。
② 基于FAO单作物系数法。
主要有以下两种：
第一种为Fernández等[11]开发的作物水分需求模型（PrHo v2.0），此模型可以实时或者运用平均气象数据进行估算。计算时一般使用温室外的太阳辐射以及温室内最大和最小温度日均值计算[12]。从蒸腾作用的影响因子方面可以将其分为两个子模型，参考作物蒸散发子模型（ETo）以及作物系数子模型（Kc）。ETo子模型中对室内ETo的估算的实现方法是运用基于FAO辐射模型的包含温室外总辐射值（Go,mmd1）和温室传输系数（τ，%）的一个辐射模型实现。而作物系数子模型（Kc）依据Orgaz等[13]（2005）得出。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3论文主要研究内容 3
第二章 蒸腾作用的机理及意义 4
2.1蒸腾作用的机理 4
2.2蒸腾作用的影响因子 5
2.3蒸腾作用的意义 6
2.4 本章小结 6
第三章 温室作物蒸腾模型分析与仿真 7
3.1模型仿真总体思路 7
3.2 PenmanMonteith公式介绍 7
3.3 基于PenmanMonteith公式的机理模型 7
3.3.1 基于PenmanMonteith公式机理模型参数介绍及其计算 8
3.3.2 基于PenmanMonteith公式机理模型仿真 11
3.3.3 基于PenmanMonteith公式机理模型分析 13
3.4 经验模型 17
3.4.1 基于PenmanMonteith公式模型经验模型的介绍 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
7
3.4.2 基于PenmanMonteith公式模型经验模型的仿真 17
3.5 基于FAO作物系数法模型 18
3.5.1 温室气象环境因子子模型 18
3.5.2 作物因子子模型 19
3.5.3 土壤水分因子子模型 20
3.5.4 基于FAO作物系数法模型仿真 21
3.6 模拟结果分析 22
3.7 本章小结 22
第四章 试验设计及数据处理 23
4.1 试验材料与方法 23
4.1.1 试验基本情况 23
4.1 参数测量方法 25
4.2 数据处理与仿真 27
4.3 误差分析 30
4.4 本章小结 30
第五章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 32
致 谢 34
参考文献 35
绪 论
1.1课题研究背景
温室，也可被称为暖房，指具有防寒、加温和透光等功能的设施，供培育喜温植物的房间。由于我国地区地域广大，各地的气候特征、资源储备情况等存在不同，近年来在我国北方地区尤其在华北地区、东北地区、黄淮地区发展势头较为迅猛，大大缓解了我国特别是北方地区淡季蔬菜供应问题。据统计截止到2014年我国温室总面积为205.8万公顷[1]。因此开展温室发展的建造，使我国北方地区能够趋利避害，将不利的气候条件的影响降到最低，合理利用气候资源，将资源优势转化为经济效益，进一步促进科学布局的日光温室产业和高效节能发展具有重要意义。与此同时，由于温室本身结构的封闭性和半封闭性等特点，使得其内部增温保温以及“小气候效应”效应十分显著[2,3]，在此情况下最积极有效的降温方式，靠作物的蒸腾作用实现[4]。并且由于蒸腾复杂的生理过程，对温室内部的湿度也有重要影响。这些影响又会反作用于作物自身生长。因此，对作物蒸腾量的把控对温室水分管理有着十分重要的意义。而建立温室条件下作物蒸腾模型具有了重要的理论价值和实践意义。
1.2 国内外研究现状
蒸腾作用是一种极其复杂的生理过程，从外部因素来看，它会受到环境条件的影响；从植物本身来看，其自身的调节和控制也起着重要的作用。因此，直接对作物蒸腾进行测量相对困难，过程繁杂。一般情况下能量平衡法即为温室作物蒸腾速率测量的有效手段。
在作物蒸腾过程中，其影响因子繁杂，各生理生态因子作用交互。共同作用、反作用，具体表现为各个因子之间的互补性、适度性、复合性、协同性。对各个因子整合方法的不同，使得建立的作物蒸腾模型主要分为三种：经验模型、基于FAO的作物系数法模型和机理模型。
1）经验模型
经验模型在主流作物蒸腾模型中使用参数最少。主要通过室内的温度、湿度、室内辐射量等气象要素和叶面积指数、冠层高度等作物生理生态因子之间的关系进行拟合。主要包括有：基于光合生理的经验蒸散发估算模型[5]；基于温室内外气象特征如太阳辐射、空气温度、空气湿度、冠层温度、加热管温度、饱和水汽压差和水面蒸发等不同因子组合的蒸散发估算模型[6,7]；气象特征与作物因子组合的蒸散发估算模型；简化的PenmanMonteith（PM）模型。
由于所用参数较少的特点，经验模型可以广泛在精度要求不高或参数较难获取的温室。但与此同时，参数较少也进一步限制了其精确度，并且对其经验性和区域性提出较高要求，可复制性也较弱。
2）基于FAO的作物系数法
FAO作物系数法一般使用于大田作物和树木[810]中，是一种相对简单易行的对作物蒸腾的估算方法。分为单作物系数法和双作物系数法两种。温室中FAO作物系数法目前主要应用的方法有如下3种：
① 从大田试验中计算作物系数，以此来对温室作物蒸腾量进行估算。但是由于大田和温室环境的差异，在计算温室作物的蒸腾量时，不能直接套用，需要进行修改和优化。
② 基于FAO单作物系数法。
主要有以下两种：
第一种为Fernández等[11]开发的作物水分需求模型（PrHo v2.0），此模型可以实时或者运用平均气象数据进行估算。计算时一般使用温室外的太阳辐射以及温室内最大和最小温度日均值计算[12]。从蒸腾作用的影响因子方面可以将其分为两个子模型，参考作物蒸散发子模型（ETo）以及作物系数子模型（Kc）。ETo子模型中对室内ETo的估算的实现方法是运用基于FAO辐射模型的包含温室外总辐射值（Go,mmd1）和温室传输系数（τ，%）的一个辐射模型实现。而作物系数子模型（Kc）依据Orgaz等[13]（2005）得出。
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