專利名稱：一種診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法。
背景技術(shù)：
作物生長發(fā)育需要眾多環(huán)境因子，當(dāng)這些環(huán)境因子變化對作物產(chǎn)生傷害效應(yīng)時(shí)稱 之為脅迫。作物在生長過程中常遭受多種環(huán)境脅迫。研究證實(shí)水分虧缺對作物生長發(fā)育 和產(chǎn)量的影響超過所有其他脅迫的總和。因此水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)資源，作物水分的 管理是作物生產(chǎn)中最為重要的措施之一。一般來說，適宜作物正常生長發(fā)育的根系活動(dòng)層 (0 90cm)，其土壤含水量為田間持水量的60% 80%，如果低于此含水量時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行 灌溉。土壤含水量對灌溉有一定參考價(jià)值，并在作物節(jié)水灌溉中得到廣泛應(yīng)用。但是由于 灌溉對象是作物，而不是土壤，沒有利用作物本身需水信息作為灌溉的直接依據(jù)，因此沒有 真正達(dá)到按照作物的需求供水。提高自然降水和灌溉水利用效率是節(jié)水農(nóng)業(yè)的核心，節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究重點(diǎn)已 從工程節(jié)水向農(nóng)藝節(jié)水、生物(生理)節(jié)水方向傾斜。生物節(jié)水的中心思想是采用科學(xué) 方法，突破傳統(tǒng)的“及時(shí)足量”的灌溉模式，根據(jù)作物耗水和水分利用規(guī)律適時(shí)適量供水，即 在滿足作物生理需要的同時(shí)，減少作物的水分奢侈性蒸騰消耗，根據(jù)作物各生理過程和各 生育階段對水分的敏感程度，確定作物對土壤水分的需求，提高作物水分生產(chǎn)效率。長期以 來，國內(nèi)外學(xué)者在生物節(jié)水技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究工作。人們直接利用或間接參考作物 的生理變化探討作物的需水信息，先后研究了許多用于作物水分虧缺診斷的方法或指標(biāo)。 但前人的工作主要是水分虧缺所引起的作物生理的變化規(guī)律，且集中于理論分析和實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。由于這些作物水分虧缺診斷的方法或指標(biāo)均存在這樣或那樣的不足，因而將 植物的生理指標(biāo)作為植物需水信息決策并應(yīng)用于實(shí)際的灌溉控制中尚不多見，除個(gè)案外， 能夠規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)品幾乎沒有。下面據(jù)以往的研究成果，就不同的作物水分虧缺診斷指標(biāo)、 方法的優(yōu)勢和局限性綜述如下1、作物形態(tài)作物缺水的形態(tài)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面一是葉面積指數(shù)下降；二是 葉片發(fā)生形態(tài)變化，如葉片萎蔫；葉片改變方位；改變?nèi)~角和改變?nèi)~片顏色等。雖然形態(tài)指 標(biāo)可用來判別作物的水分虧缺，但缺水而引起的作物形態(tài)變化有一個(gè)滯后期，當(dāng)形態(tài)上出 現(xiàn)上述缺水癥狀時(shí)，生理上已經(jīng)受到一定程度的傷害了。另外缺水并非導(dǎo)致作物形態(tài)變化 的唯一原因，即使監(jiān)測到了作物形態(tài)變化也很難量化其缺水程度。2、植物水勢植物水勢的測定被認(rèn)為是了解植物水分虧缺程度的最直接方法，但 直接測定葉水勢需要進(jìn)行離體檢測，對植物體具有破壞性。通過測量植物莖稈直徑或葉片 厚度微變化可以間接測定植物水勢，雖對植物體不具有破壞性，但與植物有實(shí)體接觸，受植 物生長影響，需經(jīng)常校準(zhǔn)，不適宜長期觀測。植物器官的動(dòng)態(tài)水力特性隨時(shí)間的變化將降低 測量的可靠性和可行性。測量裝置附著在植物體上容易脫落，抗擾動(dòng)性差，存在檢測個(gè)體差異。3、氣孔導(dǎo)度當(dāng)植物缺水時(shí)，水分成為決定氣孔幵閉的決定性因素，干旱會(huì)導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，從而避免因繼續(xù)大量蒸騰失水而造成傷害。直接測定氣孔導(dǎo)度需要手工操作，與植 物有實(shí)體接觸，在實(shí)時(shí)灌溉決策中難以實(shí)現(xiàn)。作物吸收水分的99%用于葉面蒸騰，氣孔是 植物蒸騰所必需經(jīng)過的通道。氣孔導(dǎo)度大，蒸騰就強(qiáng)；反之就弱。檢測葉面蒸騰可以間接測 定氣孔導(dǎo)度，通過測量植物莖流變化可以間接檢測葉面蒸騰進(jìn)而檢測氣孔導(dǎo)度變化，但該 方法設(shè)備昂貴，操作難度大，與植物有實(shí)體接觸并存在檢測個(gè)體差異。根據(jù)能量守恒原理， 葉片溫度是環(huán)境和植物內(nèi)部因素共同影響葉片能量平衡的結(jié)果，基于葉溫變化的作物水分 虧缺診斷指標(biāo)更能全面地反映作物的水分虧缺狀況。當(dāng)作物水分供應(yīng)減少時(shí)，作物蒸騰的 潛熱減少顯熱增加，葉片溫度相應(yīng)上升，葉溫的變化間接反映了葉面蒸騰的變化。葉溫的量 測通過接觸或非接觸方式進(jìn)行，使用細(xì)小的熱電偶線插入植物葉脈或貼在葉面上，在作物 商業(yè)化生產(chǎn)中難以推行。一般使用非接觸的紅外線溫度傳感器，采用冠氣溫差或CWSI (作 物水分脅迫指標(biāo))作為缺水判斷指標(biāo)。它是迄今為止被認(rèn)為最有商業(yè)化前景的灌溉控制方 法。國內(nèi)已有專利，例如申請?zhí)?00710178192 —種在線式作物冠氣溫差灌溉決策監(jiān)測系 統(tǒng)。
4、光合速率在嚴(yán)重水分肋迫下，植物光合作用受到抑制或完全抑制。但測試光合 速率程序過于復(fù)雜，僅適合于科學(xué)研究。5、細(xì)胞汁液濃度從植物生理上講干旱使植株體液理化性質(zhì)發(fā)生改變，體液增濃、 葉水勢增大且能在生理電特性上有所反映。用套針式電阻傳感器測玉米莖稈生理電阻，用 介電常數(shù)變化型平行平板電容傳感器測玉米葉片生理電容，都能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映植株水分狀 況。但與植物有實(shí)體接觸，影響所測部位正常生理功能，不宜長期觀測，測量裝置插入或附 著在植物體上，抗擾動(dòng)性差，存在檢測個(gè)體差異。6、聲音信息根據(jù)水分運(yùn)輸內(nèi)聚力理論，作物在水分脅迫時(shí)植物體內(nèi)的水分子間 的內(nèi)聚力失效或?qū)?dǎo)管壁的附著力失效，發(fā)生斷裂或抽空，即植物木質(zhì)部的氣穴現(xiàn)象，可以 通過聲接收傳感器所獲得的作物信息實(shí)現(xiàn)對作物視情灌溉和調(diào)節(jié)。但有關(guān)機(jī)理特別是量化 指標(biāo)需進(jìn)一步研究完善，與植物有實(shí)體接觸，測量裝置附著在植物體上，抗擾動(dòng)性差，存在 檢測個(gè)體差異。上述作物水分虧缺診斷指標(biāo)可分為形態(tài)和生理指標(biāo)兩種，植物生理指標(biāo)對缺水反 應(yīng)的敏感性明顯好于作物形態(tài)指標(biāo)。與植物有實(shí)體接觸的缺水診斷方法，雖然理論架構(gòu)都 很完整，并可通過增加傳感器種類(多指標(biāo))或數(shù)量(多點(diǎn)位)來減少檢測個(gè)體差異的影 響，但在量產(chǎn)規(guī)模的商業(yè)化作物生產(chǎn)情況下難以落實(shí)推動(dòng)。所以研發(fā)非接觸式，能將植物體 遭受缺水逆境的生理訊號予以量化的消除個(gè)體差異的感測方法顯得特別需要，非接觸式將 更受使用者青睞而易于商業(yè)化推廣。 非接觸式目前主要從以下兩方面進(jìn)行研究一是應(yīng)用圖像及光譜技術(shù)進(jìn)行作物缺 水信息診斷的技術(shù)，國內(nèi)外的研究都在進(jìn)行中。作物形態(tài)變化滯后于作物缺水仍是該種技 術(shù)的主要瓶頸，該種技術(shù)更適用于旱情監(jiān)測遙感；二是基于紅外線溫度傳感技術(shù)，通過作物 冠層表面溫度來反映作物缺水狀況一直是一個(gè)比較活躍的研究領(lǐng)域，從20世紀(jì)60年代就 已經(jīng)開始。研究主要集中在田間尺度上，其技術(shù)體系的核心是利用紅外測溫儀研究作物冠 層溫度或冠氣溫差與作物生長和缺水指標(biāo)的關(guān)系，通過對作物水分脅迫指標(biāo)(CW S I)的經(jīng) 驗(yàn)?zāi)Ｊ胶屠碚撃Ｊ降难芯?，提出反映作物缺水狀況的指標(biāo)，用于農(nóng)田水分灌溉和管理。從國 外目前的研究結(jié)果看，紅外溫度是個(gè)比較有前途的作物水分狀況診斷信號。利用紅外測溫技術(shù)診斷作物缺水狀況有著多方面的優(yōu)勢測定快速，操作簡便，不干擾破壞樣本，可以連 續(xù)自動(dòng)監(jiān)測。這種方法克服了以單葉片或單株作物為基本監(jiān)測單元時(shí)取樣誤差大的弊端， 因此非常適用于大田作物。一般有以下3種方法一是作物冠層葉面溫度法。作物冠層溫 度是環(huán)境(大氣、土壤水分)和植物體內(nèi)部因素共同影響冠層能量平衡的結(jié)果，作物冠層 溫度與能量的吸收和釋放過程有關(guān)，作物冠層吸收太陽輻射能，這種能量轉(zhuǎn)換成熱能，作物 蒸騰將會(huì)消耗一部分熱能，剩余的熱能會(huì)使冠層溫度升高。因此，在高水分條件下的作物 冠層溫度較低，在低水分條件下，蒸騰會(huì)減少，所消耗的潛熱也會(huì)減少，感熱增加，作物冠層 溫度會(huì)增加。Wanjura DF(1995)等通過測量1天中棉花冠層溫度超過28°C的時(shí)間數(shù)來控 制灌溉。與之類似的代表性指標(biāo)主要有脅迫積溫SDD(Stress Degree Day)、冠層溫度變率 CTV(Canopy Temperature Variability)禾口溫度脅迫日 TSD(Temperature Stress Day)等。 這些指標(biāo)的共同特點(diǎn)是通過考慮作物冠層溫度在時(shí)間上(如SDD、TSD)或空間上(如CTV) 的變化特征來反映作物的水分狀況。由于冠層溫度是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中能量平衡的結(jié)果，冠 層溫度的變化并不僅僅受到土壤水分多少的影響，因此通過單一冠層溫度建立起來的指標(biāo) 在實(shí)際應(yīng)用中并不理想；二是用作物冠層溫度與氣溫差指標(biāo)反應(yīng)作物的水分虧缺狀態(tài)。很 多研究認(rèn)為作物冠層與冠層上部空氣的溫度差(Tc-Ta)與作物供水狀況密切相關(guān)，一般由于中午時(shí)分蒸騰最強(qiáng)烈，Tc-Ta差異最大，這時(shí)的冠氣溫差最能反應(yīng)作物的水分供應(yīng)狀態(tài)。 由于作物冠層蒸騰的冷卻作用，不缺水作物的Tc-Ta —般為負(fù)值，出現(xiàn)正值一般表示作物 開始缺水。但一些研究顯示，一般用百葉箱中的氣溫代替冠層上部的氣溫來計(jì)算冠氣溫差， 因?yàn)榍罢叩臏y量要比后者簡便。用百葉箱中的溫度代替冠層上部的氣溫，其冠氣溫差的變 化起伏很大，特別是夏季輻射強(qiáng)，冠層上部的大氣溫度可能比百葉箱中的溫度要高，因此用 百葉箱中的溫度代替冠層上部的氣溫，使計(jì)算的冠氣溫差正值偏多。對于充分供水的夏玉 米，冠層溫度與百葉箱的氣溫差值大多在1. 5°C以下，把冠氣溫差1. 5°C作為了指導(dǎo)夏玉米 灌水的指標(biāo)。該方法受環(huán)境影響，缺水閾值離散性較大，一般較少單獨(dú)采用。例如中國水 利水電科學(xué)研究院大興試驗(yàn)基地精量控制灌溉試驗(yàn)區(qū)就采用了冠氣溫差與土壤水分指標(biāo) 相結(jié)合的方式；三是使用作物水分脅迫指標(biāo)CWSI (Crop WaterStress Index)指導(dǎo)灌溉時(shí) 間。目前，使用作物水分脅迫指標(biāo)CWSI (Crop WaterStress Index)來指導(dǎo)灌溉時(shí)間是一種 重要手段。1981年，Idso首先提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降淖魑锼置{迫指標(biāo)CWSI (Crop Water Stress Index)，CWSI可定義為實(shí)際蒸散量與水分供給充足時(shí)的作物最大蒸散量相比的虧 缺程度。<formula>formula see original document page 5</formula>(1-1)其中ETa為實(shí)際蒸散量(mm/d) ；ETp為可能(潛在)蒸散量(mm/d)。在作物覆蓋較好，只有一小部分能量用于土壤蒸發(fā)的情形下，CffSI還有另外一種 形式
［００１５］<formula>formula see original document page 5</formula>(1-2) (1-2)式綜合考慮了土壤、作物和外界環(huán)境的因素，被認(rèn)為是較理想的指標(biāo)之一， 但其也存在缺點(diǎn)，即采用彭曼一蒙斯特公式計(jì)算蒸騰速率(T)和潛在蒸騰速率(Tp)時(shí)，只 考慮了氣孔擴(kuò)散阻力，而未考慮水流通路上阻力的變化，而這一阻力是時(shí)刻在變化的。Ids0等將充分供水時(shí)冠氣溫差(Tc-Ta)與水汽飽和差(VPD)之間的這一關(guān)系定義為下基線。隨 著水分脅迫的加劇，(Tc-Ta)變大且位于下基線之上，當(dāng)蒸騰完全停止時(shí)，(Tc-Ta)將達(dá)到 一個(gè)極限值，Idso將這一極限值定義為上基線。利用Idso的作物水分脅迫指標(biāo)定量診斷 作物的水分狀況關(guān)鍵在于確定充分供水條件下的下基線。上下基線的確定除經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ酵膺€ 有理論模式。1、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絀dso S B等于1981年考慮了影響作物冠層溫度變化的主要環(huán)境因 子空氣濕度，提出了作物水分脅迫指數(shù)CWSI。這一指標(biāo)基于一個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即作物在 充分灌水(或潛在蒸發(fā))條件下作物冠層溫度與空氣溫度的差(簡稱冠氣溫差)與空氣的 飽和水汽壓差成線性關(guān)系，用公式表達(dá)如下(Tc-Ta) η = A+B. VPD(1-3)式中Tc作物冠層溫度(°C ),Ta空氣溫度(°C )，A、B線性回歸系數(shù)；VPD空氣飽和 水汽壓差(Pa)水汽飽和差，(Tc-Ta)n作物在潛在蒸騰狀態(tài)下的冠氣溫差，是冠氣溫差的下 限(下基線)。從而定義CWSI如下<formula>formula see original document page 6</formula>式中(Tc-Ta)實(shí)測的作物冠氣溫差；(Tc-Ta)U作物在無蒸騰狀態(tài)下的冠氣溫差， 為冠氣溫差的上限(上基線)，Idso認(rèn)為這是一個(gè)僅與空氣溫度有關(guān)的值，可以由下式計(jì) 算(Tc-Ta) u = A+B. VPG(1-5)式中VPG指溫度為Ta時(shí)的空氣飽和水汽壓和溫度為Ta+A時(shí)的空氣飽和水汽壓之 間的差，A、B與公式(1-1)相同。2、理論模式對于理論模式，Jackson R D等(1988)根據(jù)能量平衡阻力模式，推導(dǎo) 出葉氣溫差的上、下限方程<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>式中Rn冠層凈輻射(W/m2) ；G土壤熱通量密度或冠層下方能量的通量密度(W/m2)； P空氣密度(kg/m3) ;Cp空氣比熱(J/(kg. 0C)) ； Y干濕表常數(shù)(Pa/°C ) ； Δ空氣飽和水汽 壓隨溫度變化的斜率(Pa/°C) ;ra空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s/m) ；r。p冠層在潛在蒸發(fā)狀態(tài)下的最 小冠層阻力(s/m)。從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶屠碚撃Ｊ降墓娇?，?jīng)驗(yàn)公式較為簡單，其考慮的氣象因 素僅為VPD，而未考慮其它氣象因素的影響；理論模式的理論依據(jù)加強(qiáng)，但公式中所應(yīng)用的 參數(shù)較多，有些參數(shù)的計(jì)算難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，難以廣泛應(yīng)用。CWSI的目的是表明作物水 分虧缺程度，是處于O和1之間的數(shù)值量。然而，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算CWSI有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大于 1的情況，顯然存在計(jì)算結(jié)果不合理的情況。Al-Faraj，A.等(2000)應(yīng)用模糊邏輯算法，根 據(jù)冠層溫度、凈輻射和水汽壓差等對酥油草的水分虧缺指標(biāo)CWSI進(jìn)行了動(dòng)態(tài)決策；李國臣 (2005)以冠層-空氣溫差Tc-TaCC )和相關(guān)的環(huán)境因素空氣飽和水汽壓差VPD (kPa)、光 照強(qiáng)度Rn (W/m2)、風(fēng)速Vw(m/s)為輸入變量，以CWSI為目標(biāo)輸出，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以吉林大學(xué)溫室內(nèi)生長的黃瓜為研究對象，對溫室內(nèi)黃瓜水分虧缺指標(biāo)CWSI進(jìn)行動(dòng)態(tài)決 策分析，CffSI結(jié)果均在O和1之間的合理范圍。雖應(yīng)用模糊邏輯算法能消除CWSI出現(xiàn)超 出O 1的不合理情況，但存在的問題也是顯而易見的。1、模糊化過程要人為的規(guī)定各影 響因子的影響權(quán)重，經(jīng)驗(yàn)占了相當(dāng)大的比重；2、需要實(shí)測的參數(shù)數(shù)量與理論模式相差無幾， 參數(shù)仍然較多，優(yōu)勢并不明顯。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無需多參數(shù)繁瑣計(jì)算，所需參數(shù)即可以與作物接觸的方 式獲得也可以與作物非接觸的方式獲得，生產(chǎn)上易于實(shí)現(xiàn)，又成本低廉的診斷作物缺水程 度的指標(biāo)方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法，將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物置于與檢測作 物環(huán)境相同的地方，診斷作物缺水程度的指標(biāo)(也稱作物水分脅迫指標(biāo)CWSI-Crop Water Stress Index)<formula>formula see original document page 7</formula>(1—8)(1-8)式中Δ T為實(shí)際的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差CC )，ΔΤΡ為潛 在或最大的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差CC )，在檢測時(shí)間窗口，同時(shí)測量參考 作物冠層和檢測作物冠層的溫度并將差值代入(1-8)式計(jì)算CWSI，當(dāng)檢測作物不缺水時(shí)因 作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大，ΔΤ與ΔΤΡ相同，CWSI計(jì)算結(jié)果為0，表示檢測作物 不缺水，同理，當(dāng)檢測作物極度缺水(完全水分脅迫)使作物植株蒸騰停止時(shí)，因作物植株 蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小，ΔΤ為0，CffSI計(jì)算結(jié)果為1，表示檢測作物停止蒸騰處于極 度缺水(完全水分脅迫)狀態(tài)。因此，CffSI可以表明檢測作物水分虧缺程度，是處于0和 1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示檢測作物缺水程度越高?？梢酝ㄟ^(1-8)式計(jì)算CWSI，量化 確定檢測作物的缺水程度。所述不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物采用與檢測作物具有相同太陽熱能吸收特性的材 料制成。所述檢測時(shí)間窗口在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間。所述Δ Tp可用充分供水時(shí)實(shí)測的最大Δ T值代替。針對存在的技術(shù)問題本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的有益效果詳述如下目前國內(nèi)外的研究者在基于冠層溫度方法研究作物缺水指標(biāo)的研究中，一致認(rèn)同 氣溫作為作物冠層溫度的參照，幾乎沒有人對其合理性產(chǎn)生質(zhì)疑。事實(shí)上氣溫作為作物冠 層溫度的參照并不合理，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1、冠層溫度和大氣溫度兩者溫升不同步，最大值在時(shí)間點(diǎn)上并不重合，存在雙峰 現(xiàn)象。因此，沒有統(tǒng)一的最佳觀測時(shí)間點(diǎn)。據(jù)呂川根(2008)觀測，在晴天，白天6:00 13:00植株溫度(采用針式熱電偶傳感器插入葉鞘內(nèi))比空氣溫度(百葉箱溫度)提前Ih 升高，日最高植株溫度出現(xiàn)在13:00。空氣溫度總比植株溫度晚Ih升高，日最高氣溫出現(xiàn) 在14:00。兩者不僅時(shí)間相差lh，強(qiáng)度也是植株溫度比空氣溫度高。呂川根(2008)認(rèn)為 造成白天植株溫度與空氣溫度相位和強(qiáng)度差異的原因，是由于植株對太陽短波輻射的吸收率遠(yuǎn)大于空氣。當(dāng)植株吸收太陽輻射升溫后，釋放的長波輻射加熱周圍空氣，通過湍流使空 氣層溫度升高13:00以后，隨著太陽輻射的減弱，植株溫度下降，而此時(shí)空氣溫度仍維持較 高水平，因而植株溫度低于空氣溫度。所以，不難理解，為什么現(xiàn)有的研究一般推薦冠氣溫 差最佳觀測時(shí)間為13:00或14:00而不是同一個(gè)時(shí)間。2、冠層溫度和大氣溫度對影響兩者溫度升降的主要環(huán)境因素太陽輻射、空氣飽和 差、風(fēng)速等變化反應(yīng)不一致，存在時(shí)間和強(qiáng)度上的明顯差異，使可比性變差，不確定性增加。 導(dǎo)致CWSI的冠層-空氣溫差Tc-Ta (°C )的上下基線需要溫度之外的環(huán)境因素另外計(jì)算，不 僅繁瑣，而且準(zhǔn)確性差，會(huì)導(dǎo)致CWSI出現(xiàn)超出0 1的不合理情況。3、冠層溫度和大氣溫度兩者溫度觀測存在手段和方法上的不一致(氣溫是不能 用紅外線測溫儀監(jiān)測的)，也產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)牟淮_定性。4、準(zhǔn)確測量氣溫其實(shí)很困難，不同方法、位置及環(huán)境所測氣溫差異很大，沒有統(tǒng)一 的標(biāo)準(zhǔn)。如果，將與檢測作物環(huán)境相同的作物植株上可能產(chǎn)生蒸騰的部位涂上膠水作為參 考作物，使參考作物與檢測作物的唯一差別就是參考作物沒有蒸騰。然后，仿造公式(1-2) 定義一個(gè)作物水分脅迫指標(biāo)CffSI (Crop Water Stresslndex)
<formula>formula see original document page 8</formula>
(1-8)式中Δ T為實(shí)際的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差(°C ) ； Δ Tp為可 能(潛在或最大)的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差(°C)，ΔΤΡ可用充分供水時(shí)實(shí) 測的最大ΔΤ值代替。在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間，用紅外線溫度計(jì)同時(shí)測 量參考作物冠層和檢測作物冠層的溫度并將差值代入(1-8)式計(jì)算CWSI，當(dāng)檢測作物不缺 水時(shí)因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大，ΔΤ與ΔΤΡ相同，CWSI計(jì)算結(jié)果為0，表示檢 測作物不缺水。同理，當(dāng)作物極度缺水(完全水分脅迫)使作物植株蒸騰停止時(shí)，因作物植 株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小，ΔΤ為0，CWSI計(jì)算結(jié)果為1，表示檢測作物停止蒸騰處于極 度缺水(完全水分脅迫)狀態(tài)。因此，CWSI可以表明作物水分虧缺程度，是處于0和1之 間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示作物缺水程度越高。我們可以通過(1-8)式計(jì)算CWSI，再根據(jù) CffSI的數(shù)值大小量化確定檢測作物缺水程度。因?yàn)閰⒖甲魑锱c檢測作物的冠層溫度升降條件除植株蒸騰外高度一致，所以兩者 的溫差變化僅僅與植株蒸騰有關(guān)，排出了其它環(huán)境因素影響。(1-8)式直接反映了植株蒸騰 能力，與同樣反映植株蒸騰能力的(1-2)式具有相同的計(jì)算結(jié)果，完全可以作為指示被檢 測作物水分脅迫的有效指標(biāo)。如果將參考作物冠層與檢測作物冠層溫度差的極限值代入(1-4)式同樣可以得 到(1-8)式，印證了該方法的合理性。
<formula>formula see original document page 8</formula> 另外，邱國玉(2004)，王麗明(2005)試驗(yàn)證實(shí)，用涂上一層膠水以阻塞氣孔，使之 不再產(chǎn)生蒸騰作用制成模擬葉片，其實(shí)測溫度與考慮冠層凈輻射等環(huán)境因素計(jì)算的作物完 全沒有蒸騰情況下的冠層溫度高度一致。從另外一個(gè)角度證實(shí)了參考作物冠層與檢測作物 冠層的溫度差可以排除太陽輻射等環(huán)境因素的影響，僅僅與植株蒸騰有關(guān)的結(jié)論。
綜上所述，該方法最重要的貢獻(xiàn)是首先，無需采用其它因子額外計(jì)算沒有蒸騰的 上基線和潛在蒸騰的下基線，在公式(1-8)中，ΔΤ = 0為上基線，ΔΤΡ為下基線，使CWSI 的計(jì)算得以最大程度的化簡。該方法從根本上排除了實(shí)時(shí)監(jiān)測植株蒸騰時(shí)太陽輻射等環(huán)境 因素的影響，僅需溫度一種參數(shù)，就能準(zhǔn)確檢測被檢測作物植株的蒸騰狀況，檢測參數(shù)少， 沒有繁瑣計(jì)算和多因子檢測累積誤差；其次，參考作物和檢測作物冠層(葉片)的兩者溫度 可以同時(shí)用紅外線測溫儀監(jiān)測，消除了溫度觀測手段和方法不一致產(chǎn)生的不確定性，可比 性好，數(shù)據(jù)可靠；另外，所需傳感器的種類和數(shù)量最少，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。
該指標(biāo)方法在實(shí)際應(yīng)用中，可用便于生產(chǎn)的，采用與檢測作物具有相同太陽熱能 吸收特性的材料制成的人造參考作物替代用真實(shí)作物植株涂抹膠水的方法制作的參考作 物。邱國玉(2004)，王麗明(2005)試驗(yàn)證實(shí)，采用與葉片同一顏色的紙裁剪成葉片形狀制 成的模擬葉片完全可以替代用真實(shí)作物植株葉片涂抹膠水制成的模擬葉片。該指標(biāo)方法，既可以采用熱敏電阻或熱電偶等與作物植株接觸的測量方式，也可 以采用紅外線測溫儀與作物植株非接觸的測量方式測量所需溫度參數(shù)。推薦采用紅外線測 溫儀移動(dòng)非接觸測量所需溫度參數(shù)，僅需一臺紅外線測溫儀，可兼顧成本與使用上的便利。
圖1為本發(fā)明診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法(采用紅外線測溫儀移動(dòng)非接觸方式 測量溫度參數(shù))示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物2 置于與檢測作物1環(huán)境相同的地方，診斷作物缺水程度的指標(biāo)(也稱作物水分脅迫指標(biāo) CffSI-Crop Water Stress Index)CWSI = I--^-(1—8)
ATp(1-8)式中Δ T為實(shí)際的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差CC )，ΔΤΡ為潛 在或最大的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差CC )，在檢測時(shí)間窗口，同時(shí)測量參考 作物冠層和檢測作物冠層的溫度并將差值代入(1-8)式計(jì)算CWSI，當(dāng)檢測作物1不缺水時(shí) 因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大，ΔΤ與ΔΤΡ相同，CWSI計(jì)算結(jié)果為0，表示檢測作 物1不缺水，同理，當(dāng)檢測作物1極度缺水(完全水分脅迫)使作物植株蒸騰停止時(shí)，因作 物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小，ΔΤ為0，CWSI計(jì)算結(jié)果為1，表示檢測作物1停止蒸騰 處于極度缺水(完全水分脅迫)狀態(tài)。因此，CffSI可以表明檢測作物1水分虧缺程度，是 處于0和1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示檢測作物1缺水程度越高?？梢酝ㄟ^(1-8)式計(jì) 算CWSI，量化確定檢測作物1的缺水程度。所述不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物2采用與檢測作物1具有相同太陽熱能吸收特性的 材料制成。所述檢測時(shí)間窗口在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間。所述Δ Tp可用充分供水時(shí)實(shí)測的最大Δ T值代替。實(shí)施例
見圖1，參考作物2由玻璃纖維環(huán)氧樹脂板撥離光滑表面層后涂綠漆制成，在每次測量的2小時(shí)前，將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物2置于與檢測作物1環(huán)境相同的地方，本實(shí)施 列采用紅外線測溫儀3移動(dòng)非接觸方式測量溫度參數(shù)。取上次灌溉后第4天(陰雨多云天 氣順延)午后14時(shí)實(shí)測的Δ T作為本次灌溉計(jì)算CWSI用的Δ ΤΡ，在本次灌溉前，晴好天氣 下午14時(shí)，測量Δ T代入(1-8)式計(jì)算CWSI，如果CWSI大于灌溉閾值(CWSI灌溉閾值一般 在0. 2 0. 4之間，具體數(shù)值可根據(jù)所種植作物對干旱的敏感性確定)，進(jìn)行本次灌溉，并將 本次灌溉后第4天(陰雨多云天氣順延)午后14時(shí)實(shí)測的Δ T作為下次灌溉計(jì)算CWSI用 的Δ Tp ；如果CWSI小于灌溉閾值，本次灌溉將延后，等到CWSI大于灌溉閾值后，再進(jìn)行本次 灌溉。
權(quán)利要求
一種診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法，其特征在于將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物(2)置于與檢測作物(1)環(huán)境相同的地方，診斷作物缺水程度的指標(biāo)CWSI <mrow><mi>CWSI</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <mi>ΔT</mi> <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>T</mi> <mi>P</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>(1-8)式中ΔT為實(shí)際的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差(℃)，ΔTP為潛在或最大的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差(℃)，在檢測時(shí)間窗口，同時(shí)測量參考作物冠層和檢測作物冠層的溫度并將差值代入(1-8)式計(jì)算CWSI，當(dāng)檢測作物(1)不缺水時(shí)因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大，ΔT與ΔTP相同，CWSI計(jì)算結(jié)果為0，表示檢測作物(1)不缺水，同理，當(dāng)檢測作物(1)極度缺水，使作物植株蒸騰停止時(shí)，因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小，ΔT為0，CWSI計(jì)算結(jié)果為1，表示檢測作物(1)停止蒸騰處于極度缺水狀態(tài)，CWSI可以表明檢測作物(1)水分虧缺程度，是處于0和1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示檢測作物(1)缺水程度越高，通過(1-8)式計(jì)算CWSI，量化確定檢測作物(1)的缺水程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法，其特征在于所述的不會(huì)產(chǎn) 生蒸騰的參考作物(2)，采用與檢測作物(1)具有相同太陽熱能吸收特性的材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法，其特征在于所述的檢測時(shí) 間窗口在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法，其特征在于所述的ΔΤΡ，用 充分供水時(shí)實(shí)測的最大ΔΤ值代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種診斷作物缺水程度的指標(biāo)方法，將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物置于與檢測作物環(huán)境相同的地方，診斷作物缺水程度的指標(biāo)式中ΔT為實(shí)際的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差，ΔTP為潛在或最大的參考作物冠層與檢測作物冠層的溫度差，同時(shí)測量參考作物冠層和檢測作物冠層的溫度并將差值代入上式計(jì)算CWSI，量化確定檢測作物缺水程度；具有檢測參數(shù)少、沒有繁瑣計(jì)算和多因子檢測累積誤差、數(shù)據(jù)可靠、可非接觸檢測、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號A01G7/00GK101836562SQ20101018199
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者馮俊杰, 段愛旺, 賈艷輝, 高勝國, 黃修橋 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所