王光焰 魏聰 陳長(zhǎng)清 劉云飛

摘? ? 要：準(zhǔn)確了解蒸散發(fā)對(duì)獲取植物生理生態(tài)參數(shù)非常重要，但目前的蒸散發(fā)測(cè)量方法依賴于侵入式、固定式的儀器設(shè)備，尚缺乏較為方便的移動(dòng)測(cè)量方法。本研究提出一種依賴于移動(dòng)端設(shè)備，獲取紅外成像技術(shù)圖片測(cè)量得到植物葉溫值，隨后根據(jù)“三溫模型”原理測(cè)定得到植物蒸騰速率的方法。通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究結(jié)果基本驗(yàn)證了技術(shù)流程的可行性，且結(jié)果之間互為驗(yàn)證，說明該方法具有較好的應(yīng)用前景。若開后期展大規(guī)模的應(yīng)用和比較，可能獲得較好的推廣價(jià)值。本研究也可作為其他研究的理論參考和技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紅外;葉溫;植物蒸騰;三溫模型

Abstract： It is very important to accurately understand evapotranspiration for obtaining plant physiological and ecological parameters. But the current methods of evapotranspiration measurement rely on invasive and fixed instruments and equipment， and there is still a lack of more convenient mobile measurement methods. In this study， a mobile device was used to measure the leaf temperature of plants by acquiring infrared image technology， and then the transpiration rate of plants was measured according to the principle of "three temperature model". Through the indoor pot experiment data， the research results basically verified the feasibility of the process of the technology， and the mutual results verified each other， which showed that the method had a good application prospect. If large-scale application and comparison were carried out in the later stage， it was possible to obtain better promotion value. This study can also be used as a theoretical reference and technical basis for other studies.

Key words： infrared; leaf temperature; plant transpiration; three temperature model

水資源短缺問題在全球范圍內(nèi)已引發(fā)了潛在的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)甚至政治問題[1-2]。在缺水區(qū)域，水資源對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的制約作用更為顯著[3]。土壤—植被—大氣系統(tǒng)中的蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）是耗水過程的重要子過程，決定了從土壤和植被進(jìn)入大氣中水分的多少，對(duì)于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展、流域的生態(tài)平衡等各個(gè)方面具有重要意義。蒸散發(fā)不僅是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是確定農(nóng)業(yè)用水量、生態(tài)用水量的主要依據(jù);通過控制區(qū)域蒸散發(fā)量，可以從總體上把握節(jié)水和水資源高效產(chǎn)出的方向，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域消耗總量控制和管理的關(guān)鍵。蒸散發(fā)包括土壤水面的蒸發(fā)（E）和植被蒸騰（T）。作為蒸散發(fā)的組分之一，植被蒸騰（T）的消耗對(duì)地表水量平衡和熱量平衡具有重要影響[4]。結(jié)合ET的消耗和土壤水資源的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化關(guān)系，可以對(duì)區(qū)域水資源的不同消耗效用進(jìn)行區(qū)分，通過提高水循環(huán)中T的消耗占比可以提升水資源開發(fā)中的高效消耗利用[5]。

目前，測(cè)定植物蒸騰速率的方法主要有：（1）便攜式光合儀，但其可能造成植物葉片受夾以后造成損傷，實(shí)測(cè)蒸騰速率會(huì)偏低;（2）依賴冠層溫度的估計(jì)方法[6]，即依賴于土壤蒸發(fā)模型、土壤蒸發(fā)擴(kuò)散系數(shù)、植被蒸騰模型、植被蒸發(fā)擴(kuò)散系數(shù)和作物水分虧缺系數(shù)[7]。紅外熱成像技術(shù)通過觀測(cè)紅外波段的光譜并轉(zhuǎn)換為可見的熱圖像信息，為植株提供了能夠獲取其非接觸性和高分辨率的溫度信息[8-9]，從而為植株蒸散發(fā)信息的獲取提供了新的思路。本文通過建立一種移動(dòng)端作物蒸散發(fā)快速測(cè)定系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)植物蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，節(jié)約了植物蒸散發(fā)計(jì)算時(shí)間。

1 材料和方法

1.1 移動(dòng)端紅外成像技術(shù)

圖1給出了一種移動(dòng)端作物紅外成像測(cè)量示意圖，測(cè)量系統(tǒng)包括：手機(jī)1、手機(jī)紅外熱像設(shè)備2、所測(cè)植物3、與植物顏色相近的卡紙4。首先，測(cè)量輸出植物冠層溫度數(shù)據(jù)與沒有蒸騰的參考冠層溫度數(shù)據(jù)，確保拍攝時(shí)手機(jī)1應(yīng)與手機(jī)紅外攝像設(shè)備2處于連接狀態(tài);拍攝植物冠層溫度時(shí)擺放所測(cè)植物3（圖1-A），拍攝參考冠層溫度數(shù)據(jù)時(shí)擺放卡紙4（圖1-B）。

1.2 三溫模型

“三溫模型”計(jì)算公式如下[7]：式中，Tr是蒸騰速率（MJ·m-2·d-1）; Rn和Rnp是冠層和無(wú)蒸騰的參考冠層的凈輻射（MJ·m-2·d-1）; Tc是冠層溫度; Tp是沒有蒸騰的參考冠層溫度（用與植物葉片顏色一致的無(wú)蒸騰紙片獲得溫度）; Ta是氣溫（絕對(duì)溫度）; hat是植被蒸騰擴(kuò)散系數(shù); Rs是太陽(yáng)輻射（J·m-2·s-1）; α是地表反照率，通過測(cè)量可得（α=0.22）; ΔR1是凈長(zhǎng)波輻射（J·m-2·s-1），通常是用太陽(yáng)輻射和表面溫度計(jì)算; Rso是晴天太陽(yáng)輻射量（J·m-2·s-1）; εa是大氣放射率; εs是地表放射率（植被地表放射率取0.98）; σ是斯蒂芬鄄玻爾茲曼常數(shù);σ=5.675×10-8J·m-2·s-1·k-4。模型中除太陽(yáng)輻射量與氣溫外，其他因子可由常數(shù)、固定取值等方法得出。

1.3 盆栽試驗(yàn)

研究區(qū)域?yàn)槿A中科技大學(xué)水電學(xué)院三樓走廊靠近玻璃側(cè)，走廊左側(cè)為玻璃，右側(cè)是辦公室，由于朝向原因，靠近玻璃一側(cè)的植物早上無(wú)法受到太陽(yáng)照射，中午基本都可以受到陽(yáng)光照射，但部分植物由于受到承重墻阻擋可能處于陰影之中。

觀測(cè)試驗(yàn)于2018年2月28日的晴朗天氣進(jìn)行，選擇了3個(gè)不同高度的植物作為研究對(duì)象。在10：30—12：30的時(shí)間段平均每0.5 h測(cè)1次數(shù)據(jù)。利用FLIR探測(cè)器，熱敏度為≤0.05 °C ，發(fā)射率設(shè)定為0.95。為確保精度，測(cè)定時(shí)間為10：30—12：30，植株頂端與熱成像儀的距離為1 m，采集的圖像傳至PC機(jī)后提取半日花葉片的平均溫度。

輸入的是拍攝時(shí)間數(shù)據(jù)，太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)通過查詢?nèi)粘雠c日落時(shí)間，得到可照時(shí)數(shù)（S）。通過Prescott公式計(jì)算太陽(yáng)輻射Gt。

式中，Gt為月平均日總量，單位：MJ·m-2·d-1;G0為水平面上的天文輻射，單位：MJ·m-2·d-1;a1、a2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別為0.22，0.54;S為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，單位是h;S0為最大可照時(shí)數(shù)，單位是h。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子動(dòng)態(tài)變化

對(duì)測(cè)定時(shí)間內(nèi)的環(huán)境因子動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析。2018年2月28日太陽(yáng)輻射量從8：00開始逐漸增加，在13：00達(dá)到其峰值（903 J·m-2·s-1）。按照測(cè)定的氣溫值最低為280.15 K，最高為285.15 K，17：00后氣溫急劇下降。

2.2 植物葉溫動(dòng)態(tài)變化

圖2為紅外熱成像技術(shù)提取溫度示意圖，溫度較高的區(qū)域?yàn)榧t色，溫度較低的區(qū)域?yàn)樗{(lán)色，通過比較可見光和熱紅外圖像準(zhǔn)確判斷盆栽花卉葉溫的大小，通過提取不同時(shí)間不同圖像葉溫來測(cè)定和比較葉溫隨時(shí)間變化規(guī)律。

圖3為葉溫隨時(shí)間變化的結(jié)果，從圖中可以看出，葉溫隨氣溫的升高而升高，3個(gè)不同處理中，植株越小其葉溫越高;但通過對(duì)氣溫和葉溫的相互關(guān)系進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，大、中、小植株葉溫與氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為-0.48，-0.27，-0.11，說明二者之間的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

2.3 蒸騰擴(kuò)散系數(shù)動(dòng)態(tài)變化

采用蒸騰擴(kuò)散系數(shù)（hat）衡量植物蒸散量并評(píng)價(jià)其水分利用狀況，其具體的指標(biāo)參考值為：hat取值范圍為hat≤1∶ hat最小值時(shí)，說明植被無(wú)水分虧缺或不受環(huán)境脅迫; hat最大值表明植被受到最大分虧缺或環(huán)境脅迫。hat越大，蒸騰速率越小，且在缺水條件下，植物根部區(qū)域的水分狀況主要影響hat的變化[10]。

圖4所示為不同處理（大、中、小植株）蒸騰擴(kuò)散系數(shù)的日變化。由圖可以發(fā)現(xiàn)，不同植株的蒸騰擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律相似，在11：00—11：30之間出現(xiàn)了下降值，說明此時(shí)所受環(huán)境脅迫最大;但不同植株中，大植株雖然水分脅迫值較高，但其波動(dòng)也較大;較為意外的是小植株，可能由于盆栽供水較好而波動(dòng)較小。不同大小植株的蒸騰擴(kuò)散系數(shù)差異極顯著（P<0.01）。

2.4 蒸騰速率動(dòng)態(tài)變化

蒸騰速率（Tr）變化進(jìn)程曲線如圖5所示?？梢钥闯?，大、中、小植株的蒸騰速率變化較為顯著，其中大植株波動(dòng)性較大，而小植株波動(dòng)性較小。不同處理（大、中、小）植株蒸騰速率存在極顯著差異（P<0.01）。

3 結(jié) 論

本研究通過提出一種移動(dòng)端紅外成像技術(shù)，并以盆栽試驗(yàn)予以了驗(yàn)證。數(shù)據(jù)驗(yàn)證得到了植物蒸騰速率輸出;雖然在實(shí)際應(yīng)用中使用了效果較優(yōu)的色彩卡紙，但不限于色彩卡紙（為無(wú)蒸騰紙片類型即可）。本方法有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足之處，并且操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植物蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，節(jié)約了植物蒸散發(fā)計(jì)算時(shí)間。研究結(jié)果基本驗(yàn)證了技術(shù)流程的可行性，且結(jié)果之間互為驗(yàn)證，由此說明該方法具有較好的應(yīng)用前景。若后期開展大規(guī)模的應(yīng)用和比較，可能獲得較好的推廣價(jià)值。本研究也可作為其他研究的理論參考和技術(shù)依據(jù)。

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