设施栽培下蒸散发耗水过程模拟及对节水调控的响应机制

Following the rapid development of greenhouse cultivation in China, water supply has become a practical problem which restricting the sustainable development of agriculture. The essential theoretical question on choosing best field practices is that theory and calculation method is lacking for evapotranspiration in greenhouse cultivation conditions. In order to find methods for numerical modeling of evapotranspiration and give conclusions in responses of water usage to field water-saving practices, we proposal six steps in this proposal: (1) We will carry out different field treatments and lab control experiments to form our datasets; (2) A heat and mass transfer model will be developed to analysis the characteristics of greenhouse micro-climate; (3) The surface renewal theory will be introduced into this study to investigate the interface processes in evapotranspiration and then take into a transmission model; (4) A multi-physical field coupling numerical simulation model will be set up and will be core tools to simulating evapotranspiration in greenhouse cultivation; (5) We will give a hybrid energy balance ET model based on the simulated results of the multi-physical field coupling numerical simulation model; (6) Several scenario analyses will be taken to form the responses mechanism of evapotranspiration to water-saving practices in greenhouse cultivation, and we will also give the best practices by optimal design. The results are believed to deepen the knowledge of evapotranspiration processes and water-saving practices in greenhouse cultivation. It will also provide the theory and methods to facility the researchers and farmer to solve the water resources problems related to greenhouse cultivation.

随着设施种植面积扩大和反季种植广泛应用，如何提高设施农业水资源保证率和其水分利用效率是当前亟待解决的重大难题，设施蒸散发耗水过程机理不明和计算方法缺失是当前设施田间水资源管理和温室环境精准调控所面临的理论障碍和主要瓶颈。针对设施蒸散发耗水过程计算方法及对节水调控的响应机制问题，本课题采用田间试验监测和环境风洞、人工气候箱控制性试验研究，在设施栽培条件下能量扩散和传热传质特性分析基础上，首先，引入界面传输模式中的表面更新理论开展界面过程研究，建立适合设施环境的多物理场耦合数值模拟模型，然后，提取设施内界面特征并推导建立设施蒸散发耗水计算混合方程，深入研究蒸散发耗水过程对节水调控的响应机制，最终得到不同节水管理条件下设施蒸散发耗水过程变化规律和其计算方法。研究结果将对正确评价设施田间节水调控效应和引导设施农业高效水资源利用提供理论基础和方法体系，具有重大的学术意义和应用价值。

在设施农业快速发展背景下，解决蒸散发耗水过程研究所面临的理论瓶颈和计算方法缺失具有重要价值，其研究意义还体现在：（1）建立环境要素变化与蒸散发耗水过程之间的联系，进而为设施田间管理提供决策依据；（2）指出田间节水调控可能引发的设施蒸散发耗水变化规律，促进对水资源管理的认识；（3）合理确定设施种植耗水提供基础和方法，达到农业可持续发展。. 围绕蒸散发耗水过程及其节水响应机制这一关键科学问题，持续开展了室内、田间和区域试验研究，观测了获取了实验及监测数据，按计划进行了模型模拟、理论方法推求、蒸散发机制探讨和节水调控策略分析等工作。重要结果有：（1）分析提出了几种主要作物的耗水规律，积累建立了设施环境、蒸散发耗水过程及设施种植影响等基础数据集。（2）针对现有研究中蒸散发假设与数值模拟计算方法缺陷，提出了新的蒸散发数据收集、环境分析及变化特性剖析方法。（3）构建稳健模拟复杂条件下作物冠层、土壤界面水汽交换和能量分配规律的蒸散发计算最大熵增模型，初步建立了复杂蒸散发计算的简化方法，探寻了蒸散发耗水机理和快速计算方法。（4）发明了一种设施作物灌溉定额的计算方法，提出了复杂（不同设施种植）环境条件下的优化调控措施决策方案集。. 项目执行期间共发表论文27篇，主要发表在《Agricultural Water Management》、《Journal of Hydrology》、《Environ Monit Assess》等外文期刊和《农业工程学报》、《水资源与水工程学报》、《节水灌溉》等中文期刊。项目组获得软件著作权2项、申请发明专利10余项、获得中国发明专利6项（1项成果转化）、国外专利3项。以相关研究内容作为重要组成部分的成果获得2021年度长江科学技术奖二等奖（排名第1）、2022年度大禹水利科学技术奖一等奖（排名第5）、长江水利委员会科学技术奖二等奖（排名第8）。. 本项目在蒸散发耗水过程、需水量确定理论、水分利用效率分析、高效用水决策等方面的理论方法探索与技术开发实现，将可为类似地区及流域的研究提供决策方法、模式参考与技术借鉴。