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包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030550347
编辑推荐
从事或涉及节水灌溉的技术人员，高等院校相关专业的师生和科技人员
内容简介
《大棚作物需水量及环境调控技术研究与应用》主要介绍大棚作物需水量及环境调控技术，主要包括：大棚番茄田间试验研究，大棚番茄蒸腾速率变化规律及偏*小二乘回归（partialleast-squares regression，PLS）模型研究，大棚番茄膜下滴灌需水量计算方法研究，大棚番茄生态环境调控理论及节水效应研究，大棚热环境动态模型研究，基于自适应神经网络模糊推理系统（adaptive network-based fuzzyinference system，ANFIS）的大棚内热环境调控模型研究等。《大棚作物需水量及环境调控技术研究与应用》理论与技术相结合，内容翔实，层次分明，具有较强的实用性。
目 录
目录
第1章 绪论 1
1.1 设施农业的发展及研究综述 1
1.1.1 主要设施类型 1
1.1.2 大棚节水灌溉技术 2
1.1.3 大棚灌溉制度 3
1.2 南方蔬菜大棚的发展及存在的问题 5
1.3 国内外相关领域技术现状和发展趋势 8
1.3.1 大棚作物需水规律及需水量研究 8
1.3.2 膜下滴灌的节水效应研究 11
1.3.3 温室大棚内的微气候环境研究 12
1.3.4 膜下滴灌土壤水分运动及水肥调控研究 12
1.3.5 基于SPAC系统水热耦合的环境效应研究 12
1.4 本书的研究目标、内容及方法 13
1.4.1 研究目标 13
1.4.2 主要研究内容 14
1.4.3 研究方法 15
第2章 大棚番茄田间试验研究 16
2.1 试区基本情况 16
2.1.1 试验大棚的结构特性 18
2.1.2 大棚滴灌系统简介 19
2.1.3 试验作物品种 19
2.2 试验内容和观测方法 19
2.2.1 暗管排水的布置 20
2.2.2 简易测坑的布置 20
2.2.3 观测内容及仪器的布置 21
2.3 试验仪器简介 22
2.3.1 时域反射仪 22
2.3.2 植物生长监测仪 23
第3章 大棚番茄蒸腾速率变化规律及偏*小二乘回归模型 25
3.1 试验资料和方法 25
3.1.1 环境因子与蒸腾速率测量 25
3.1.2 快速称重法 26
3.2 大棚番茄蒸腾速率的变化规律 26
3.2.1 大棚番茄蒸腾速率的长系列变化 26
3.2.2 大棚番茄蒸腾速率的日变化 27
3.3 基于偏*小二乘回归的大棚番茄蒸腾速率的预报模型研究 28
3.3.1 偏*小二乘回归法简介 28
3.3.2 偏*小二乘回归的建模步骤 31
3.3.3 大棚番茄蒸腾速率的偏*小二乘回归预测模型 33
3.3.4 偏*小二乘回归模型的检验与分析 35
3.4 小结 36
第4章 大棚番茄膜下滴灌需水量计算方法研究 38
4.1 以水量平衡法推求大棚番茄膜下滴灌需水量 38
4.1.1 大棚滴灌系统灌水利用系数的确定 38
4.1.2 TDR实测土壤含水量的计算原理 40
4.1.3 大棚膜下滴灌土壤实际浸润深度的计算方法 40
4.1.4 大棚番茄膜下滴灌需水量计算方法的确定 41
4.2 大棚番茄膜下滴灌需水量计算模型研究 42
4.2.1 基于边界层阻力测量的P-M方程法 42
4.2.2 基于GA-BP神经网络的需水量计算模型 47
4.2.3 两类模型预测效果的比较 59
4.3 小结 61
第5章 大棚番茄生态环境调控及其节水效应研究 62
5.1 大棚番茄*适宜的生态环境指标研究 62
5.1.1 塑料大棚室内气温指标的研究 63
5.1.2 塑料大棚内部相对温度变化规律 64
5.1.3 大棚番茄水分胁迫指标研究 65
5.2 灌溉制度对番茄生长及大棚环境的影响 69
5.2.1 连续充分灌水对番茄植株茎粗变化的影响 69
5.2.2 不同灌水模式下的灌水效果分析 70
5.3 大棚内地膜覆盖的节水效应 74
5.3.1 地膜处理设计 75
5.3.2 地膜处理对大棚温湿环境的影响 75
5.3.3 不同地膜覆盖面积下土壤含水量的变化规律 75
5.3.4 两种地膜覆盖处理的节水效应分析 76
5.3.5 地膜覆盖优化处理分析 77
5.4 小结 77
第6章 大棚热环境动态模型研究 79
6.1 大棚系统整体能量平衡分析 79
6.1.1 大棚热量来源分析 80
6.1.2 大棚热量支出分析 81
6.1.3 大棚热环境动态平衡方程的建立 83
6.2 基于Simulink工具箱的大棚热环境仿真模型 84
6.2.1 Simulink工具箱简介 84
6.2.2 大棚热环境仿真模型的建立 86
6.2.3 仿真模型的检验 87
6.3 小结 91
第7章 基于ANFIS的大棚内气温环境调控模型 92
7.1 模糊控制基本理论 92
7.1.1 模糊控制理论概述 92
7.1.2 模糊推理系统的结构 93
7.2 自适应神经网络模糊推理器 96
7.2.1 模糊系统与神经网络的结合 96
7.2.2 模糊神经网络的结构原理 97
7.3 基于ANFIS的大棚通风控制器设计 98
7.3.1 控制器结构的确定 98
7.3.2 训练数据的模糊化和去模糊处理 98
7.3.3 网络训练过程 99
7.4 控制系统的建立及控制效果分析 100
7.4.1 控制系统仿真框图的建立 100
7.4.2 控制效果的仿真及评价 101
7.5 小结 103
第8章 结论与展望 104
8.1 主要结论 104
8.2 创新点 105
8.3 展望 106
参考文献 107
第1章 绪论 1
1.1 设施农业的发展及研究综述 1
1.1.1 主要设施类型 1
1.1.2 大棚节水灌溉技术 2
1.1.3 大棚灌溉制度 3
1.2 南方蔬菜大棚的发展及存在的问题 5
1.3 国内外相关领域技术现状和发展趋势 8
1.3.1 大棚作物需水规律及需水量研究 8
1.3.2 膜下滴灌的节水效应研究 11
1.3.3 温室大棚内的微气候环境研究 12
1.3.4 膜下滴灌土壤水分运动及水肥调控研究 12
1.3.5 基于SPAC系统水热耦合的环境效应研究 12
1.4 本书的研究目标、内容及方法 13
1.4.1 研究目标 13
1.4.2 主要研究内容 14
1.4.3 研究方法 15
第2章 大棚番茄田间试验研究 16
2.1 试区基本情况 16
2.1.1 试验大棚的结构特性 18
2.1.2 大棚滴灌系统简介 19
2.1.3 试验作物品种 19
2.2 试验内容和观测方法 19
2.2.1 暗管排水的布置 20
2.2.2 简易测坑的布置 20
2.2.3 观测内容及仪器的布置 21
2.3 试验仪器简介 22
2.3.1 时域反射仪 22
2.3.2 植物生长监测仪 23
第3章 大棚番茄蒸腾速率变化规律及偏*小二乘回归模型 25
3.1 试验资料和方法 25
3.1.1 环境因子与蒸腾速率测量 25
3.1.2 快速称重法 26
3.2 大棚番茄蒸腾速率的变化规律 26
3.2.1 大棚番茄蒸腾速率的长系列变化 26
3.2.2 大棚番茄蒸腾速率的日变化 27
3.3 基于偏*小二乘回归的大棚番茄蒸腾速率的预报模型研究 28
3.3.1 偏*小二乘回归法简介 28
3.3.2 偏*小二乘回归的建模步骤 31
3.3.3 大棚番茄蒸腾速率的偏*小二乘回归预测模型 33
3.3.4 偏*小二乘回归模型的检验与分析 35
3.4 小结 36
第4章 大棚番茄膜下滴灌需水量计算方法研究 38
4.1 以水量平衡法推求大棚番茄膜下滴灌需水量 38
4.1.1 大棚滴灌系统灌水利用系数的确定 38
4.1.2 TDR实测土壤含水量的计算原理 40
4.1.3 大棚膜下滴灌土壤实际浸润深度的计算方法 40
4.1.4 大棚番茄膜下滴灌需水量计算方法的确定 41
4.2 大棚番茄膜下滴灌需水量计算模型研究 42
4.2.1 基于边界层阻力测量的P-M方程法 42
4.2.2 基于GA-BP神经网络的需水量计算模型 47
4.2.3 两类模型预测效果的比较 59
4.3 小结 61
第5章 大棚番茄生态环境调控及其节水效应研究 62
5.1 大棚番茄*适宜的生态环境指标研究 62
5.1.1 塑料大棚室内气温指标的研究 63
5.1.2 塑料大棚内部相对温度变化规律 64
5.1.3 大棚番茄水分胁迫指标研究 65
5.2 灌溉制度对番茄生长及大棚环境的影响 69
5.2.1 连续充分灌水对番茄植株茎粗变化的影响 69
5.2.2 不同灌水模式下的灌水效果分析 70
5.3 大棚内地膜覆盖的节水效应 74
5.3.1 地膜处理设计 75
5.3.2 地膜处理对大棚温湿环境的影响 75
5.3.3 不同地膜覆盖面积下土壤含水量的变化规律 75
5.3.4 两种地膜覆盖处理的节水效应分析 76
5.3.5 地膜覆盖优化处理分析 77
5.4 小结 77
第6章 大棚热环境动态模型研究 79
6.1 大棚系统整体能量平衡分析 79
6.1.1 大棚热量来源分析 80
6.1.2 大棚热量支出分析 81
6.1.3 大棚热环境动态平衡方程的建立 83
6.2 基于Simulink工具箱的大棚热环境仿真模型 84
6.2.1 Simulink工具箱简介 84
6.2.2 大棚热环境仿真模型的建立 86
6.2.3 仿真模型的检验 87
6.3 小结 91
第7章 基于ANFIS的大棚内气温环境调控模型 92
7.1 模糊控制基本理论 92
7.1.1 模糊控制理论概述 92
7.1.2 模糊推理系统的结构 93
7.2 自适应神经网络模糊推理器 96
7.2.1 模糊系统与神经网络的结合 96
7.2.2 模糊神经网络的结构原理 97
7.3 基于ANFIS的大棚通风控制器设计 98
7.3.1 控制器结构的确定 98
7.3.2 训练数据的模糊化和去模糊处理 98
7.3.3 网络训练过程 99
7.4 控制系统的建立及控制效果分析 100
7.4.1 控制系统仿真框图的建立 100
7.4.2 控制效果的仿真及评价 101
7.5 小结 103
第8章 结论与展望 104
8.1 主要结论 104
8.2 创新点 105
8.3 展望 106
参考文献 107
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第1章 绪论
1.1 设施农业的发展及研究综述
我国是一个人多地少、水资源相对紧缺的国家，人均水资源占有量仅有2300m3左右，约为世界人均水平的1/4。目前，随着农业现代化进程的加快和工业用水的不断增加，水资源紧缺已经成为制约我国农业发展的瓶颈。我国是一个农业大国，我国农业是用水大户，农业用水占总供水的80%左右，其中又以农业灌溉为主，因此我国农业必须走节水之路。20世纪90年代以来，我国在减少农业灌溉用水的无益损耗、提高灌水质量和灌水效率的同时，加大了开发和推广节水灌溉技术的力度。其中，利用设施农业种植经济作物（主要以蔬菜为主）是近几年发展优质高效节水型农业的一种重要模式［1］。
所谓设施农业是指在有人工建造的具有对水、肥、气、热等环境因素调控设施的保护空间内进行农作物栽培生产的一种特殊农业生产方式，是在局部范围控制和改善气候环境，为蔬菜生长发育提供良好环境条件而进行有效生产的科技密集型农业生产体系。设施农业的本质目的在于通过创造和维持**的农作物生长环境，为消费者提供更多的反季节农产品，促使农业种植结构发生改变，*终提高经济效益和社会效应。设施农业突破了传统农业的耕作方式，能够营造或部分营造作物生长的环境，使作物免受恶劣气候的影响，同时可靠的农田水利设施和环境控制系统可以提高农作物抵抗自然灾害的能力，降低自然风险，实现全天候（或反季节）生长，从而大大提高产量。
我国开展设施农业栽培技术具有非常悠久的历史，根据历史记载，自汉代以来我国就已经开始使用温室来进行蔬菜的种植了，但是直到清代的末期，我国才出现了真正意义上的现代温室。新中国成立以后，随着我国农业结构的不断完善和发展，温室大棚得到了快速的发展。近年来，随着经济社会不断发展，农产品购销体制和价格体制的改革与完善，农村经济结构的调整，特别是经济体制的确立和运行，以及人们生活水平的不断提高，设施农业作为高新技术产业，必将得到长足发展，在农村经济发展中的地位和作用也会越来越突出［1］。
1.1.1 主要设施类型
设施农业经过多年的发展，目前种类繁多，较为常见的保护设施类型有防雨棚、中小棚、塑料大棚、节能日光温室、玻璃温室和连栋大棚等，我国的设施农业按形式和规模可分为如下几类。
（1）节能型日光温室。节能型日光温室是在20世纪90年代，根据我国的具体国情而自行研发的一类经济适用农业保护设施。其中，国内首座智能化塑料连栋温室于1997年3月在上海设计并建成，该类型温室中配备了许多造价低廉、性能可靠的设备，能够实现对室内多种环境要素的自动控制和调节；由辽宁首次研制成功的高效节能日光温室，在室内提供了机械卷帘、卷膜、滴灌和地中热交换等综合配套设备，具有良好的经济适用性（造价72元/m2），能够在室内外温差达到30℃的条件下实现无须加温正常生产喜温果菜；华北型连栋塑料温室由中国农业大学于1998年研发成功，该类型温室集合了双层充气膜覆盖、湿帘风机降温系统和地中热交换系统等先进的技术，使能耗降低了40%，它的造价较低（345元/m2），充分说明了该温室具有良好的经济适用性。
（2）塑料大棚。塑料大棚是随着塑料工业发展起来的一种简易实用的保护地栽培设施，通过塑料棚室的覆盖作用，将太阳辐射能量予以存储保持热能，能使地温提高1～9℃，并通过卷膜、通风等措施在一定范围内调节棚内的温度和湿度，有利于进行超时令、反季节的作物栽培。这种模式甚至被专业领域称作中国的“第五大发明”，被世界各国广泛采用，也是我国近十年来发展优质设施农业和高效节水型农业的一个重要组成部分。近年来，我国不断加大推广和发展设施农业和节水型农业的力度［2，3］，塑料大棚作物（主要为蔬菜）栽培正是为适应这种要求而迅速且大规模兴起的。实践证明，塑料大棚是适合我国国情的一种高效节能蔬菜保护地栽培设施。
由于塑料大棚在我国应用发展*快、种植面积**，所以，其理论研究工作在我国也较世界其他国家和地区更广泛、更深入。
1.1.2 大棚节水灌溉技术
大棚内的灌溉技术应以调控设施内的水分环境为重要依据。试验表明，如果在大棚内采用传统的地面灌水技术（沟灌、畦灌），将对大棚作物的生长环境产生非常不利的影响，由于大棚环境相对封闭，地面灌溉水量蒸发的水汽大部分滞留在室内空气中无法排出，湿度过大不仅会严重阻碍作物的生长，还会大大增加病虫害的发生率。近年来，微喷灌、滴灌、膜下滴灌等灌水理论和技术都得到了快速的发展，并在大棚生产中取得了良好的灌水效果［4-13］。
（1）灌水技术对节水、增产及病虫害发生率的影响。国内众多专家学者对大棚作物的节水灌溉技术展开了研究。有关研究结果表明，滴灌、微喷灌和多孔管喷灌与传统的沟灌相比具有明显的节水效果，并降低空气湿度，这有利于缩短夜间结露时间和减轻病害的发生。张树森等［14］研究表明，在温室内采用渗灌的灌水技术比使用沟灌、管灌和滴灌的情况节水效应更加显著，与后三者相比渗灌可以节约50.7%、43.1%和11.9%的水量，不仅如此，温室渗灌还可以达到降湿、避病、增产的目的。诸葛玉平等［15］指出，大棚番茄室内采用渗灌技术不仅可以满足作物根系的需水要求，增加根系层土壤的通气性，还能有效减小棵间土壤蒸发，避免了传统地面灌溉方法的不良影响，节水和增产效果明显。
（2）灌水技术对作物水热条件及根区盐分的影响。梁称福［16］的研究表明，滴灌用于温室大棚中可节水30%，同时可明显降低湿度和保持冬季地温，使棚内冬季灌溉见不到雾气。Fidler对三种灌水方法（喷灌、滴灌和地下滴灌）对马铃薯叶表面温度的影响规律进行了比较分析，分析结果表明，马铃薯叶表面温度与周围空气温度和室内水汽张力相关性显著，并提出可以通过观测作物叶表面温度变化规律来判别不同灌溉技术条件下的作物生长状态。Bogle将番茄作为试材，对地下滴灌和沟灌对土壤中水盐的影响进行了比较，结果发现采用高频少量的滴灌方式，可以有效地减少大棚番茄土壤中盐分堆积的现象。
（3）灌水技术与施肥的耦合效应［17］。不同的灌水技术或方法会使土壤水分状况出现很大差异，土壤水分状况的改变，*终引起养分的运移和分配发生改变，所以说施肥与灌水技术或方法是紧密相连的。国内外很多学者对如何降低土壤层的养分流失、提高作物根系的养分吸收率、减少施肥对环境的污染以及优化水肥耦合关系等进行了大量研究。例如，Gallmann对膜下滴灌塑料大棚番茄施肥效应进行了试验研究，试验中，大棚番茄计划湿润层深度取30cm，研究指出当土壤中具有98%和80%的田间持水量时，如果对番茄进行膜下滴灌，对应的氮肥用量分别为300kg/hm2和150kg/hm2。Omran指出滴灌和沟灌大棚辣椒的植株叶片和果实养分的浓度均随有机肥用量的增加而升高，而植株对养分的吸收受根区水分含量的影响。
我国还处在实施农业发展的初期阶段，大棚作物的单位产值还远远低于发达国家。大棚内节水灌溉技术和方法也相对比较落后，灌水定额为9000～12000m3/hm2，水分的利用率只有40%左右。落后的灌水技术还会对大棚环境造成很大影响，使大棚设施的节水增产作用得不到充分发挥。在这方面国内外都开展了大量的试验研究［18-25］，例如，进行大棚作物在膜下多孔管喷灌和微喷灌、沟灌及滴灌、膜下沟灌和畦灌的比较试验；大棚黄瓜滴灌的试验研究；采用日光温室渗灌技术、改善温室小环境等。试验结果表明，采用先进的灌水技术，在节水、增产和提高作物质量方面都有明显的效果。
1.1.3 大棚灌溉制度
为了节约用水、提高作物产量和品质必须采用科学合理的灌溉制度，灌溉制度的基本技术参数包括灌水定额、灌水历时和灌水次数。国内外大量研究表明，可以根据作物蒸散量、土壤计划湿润层深度和渗漏量等来确定灌水时间和灌水定额。20世纪60年代，日本学者认为黄瓜每天灌溉一次，每次灌水量为2.5mm时得到的效果*好。Messahelm提出了一种计算滴灌灌溉时间和灌水量的方法，同时指出需要在充分考虑土壤水分分布特点的情况下计算灌水定额。Chartzoulakis 等对温室茄子滴灌的用水量和产量进行了研究，研究结果表明，当灌水量采用ETm（**蒸发蒸腾量）的85%时对茄子产量没有什么影响，而当灌水量采用ETm的65%和40%时，茄子的产量分别降低35%和46%，且坐果率明显降低。Mannini等［26］研究了滴灌对地中海贫瘠陆地甘蓝的影响，研究认为灌水量采用彭曼-蒙特斯（Penman-Montein）公式计算蒸散量的1.45倍是**灌水量。Harmanto等［27］对热带番茄滴灌需水量进行了研究，研究结果表明，Tory489番茄的**需水量约为作物蒸发蒸腾量的75%，此时，番茄的实际灌水量应当在4.1～5.6mm/d。杨启国等［28］对甘肃节能日光温室蔬菜灌溉的用水量进行了研究，研究结果表明，越冬茬的番茄、西瓜、黄瓜等滴灌用水量分别为570～590mm、481～550mm、580～610mm。曾向辉等［29］对番茄滴灌制度展开了研究，研究结果表明，番茄苗期、开花坐果期和结果期的计划湿润层深度应分别为25cm、30cm和40cm，适宜的土壤含水率范围分别为55%～70%、65%～85%和70%～90%。徐淑贞等［30］研究了日光温室滴灌番茄水分生产函数，研究过程采用Jensen连乘模型得到各生育阶段的水分敏感指数，并结合生产实践推荐了**灌溉定额，达到了优化灌溉制度的目的。孙俊等通过试验分析，指出大棚外日平均气温累计值与作物需水量存在良好的关系，可作为指导大棚滴灌的依据。
土壤水分适宜的上下限［31，32］通常由田间持水率和凋萎系数等重要的水分参数来表示，然而作物对土壤水分*敏感的是土壤水分的能量状态，而不是土壤水分的**值。因此，也有不少学者建议采用土壤水分张力、土壤水势等能态指标对土壤的含水量［33］进行控制。
（1）不同地区、种类以及不同的生育阶段，作物的灌水下限会有所不同。初期以营养生长为主，土壤水势可适当定高一些，以后可定低一些以增加供水，这样既可节约用水，又能获得高产。诸葛玉平等［15］对大棚番茄渗灌灌水指标的试验研究表明，在番茄全生育阶段，当土壤含水量为田间持水量的80%时开始灌溉，此时产量**；而Borin认为番茄的灌水起始点应为田间持水量的68%，此时才有利于番茄的发育和产量的提高。栾雨时［34］认为大棚黄瓜在土壤水势达到330mmHg时开始灌水产量**；李远新等［35］认为PF2.3可作为大棚甜瓜采秧期的灌水指标。
（2）传统的作物栽培和试验研究通常将田间持水率作为土壤水分上限，甚至是将饱和含水量作为土壤水分上限，但是对于半封闭的大棚种植环境而言，过多的灌水不但浪费了水资源而且造成温室大棚土壤及空气温湿度过大，病虫害增多，不利于大棚作物的正常生长发育。因此，有学者对灌水上限是否必须为田间持水量的100%进行了研究［36］。李建明等［37］的研究表明，当番茄灌溉的**土壤含水量上限为90%的田间持水量时，有利于增大植株干物质积累，提高壮苗指数，增强光合速率、根系活力，增大蒸腾速率；随后他们又对番茄开花坐果期灌溉土壤水分上限进行了试验研究，研究结果表明，灌溉上限为田间持水量的85%～90%有利于番茄的生长。还有学者针对温室辣椒在开花坐果期的灌溉上限进行了研究，研究结果表明，灌溉上限为土壤相对含水量的90%有利于提高茎粗、叶面积、坐果率及前期产量，在盛果期，灌溉上限为土壤田间持水量的95%有利于提高光合速率、水分利用率及产量。
（3）另外，灌水状况不仅会影响作物生长的土壤水分状况，还对植株自身的水分生理状况起到调节作用。因此在使用土壤水分状况作为灌溉指标的同时，也要考虑反映植物水分状况的生理指标，如叶片相对含水量、叶片水势、叶片自由水、细胞液浓度和叶片蒸腾强度、叶片扩散阻力、叶片气孔开度、束缚水含量以及植物伤流量等。例如，Oosterhuis将作物叶色的变化定为开始缺水的指标，根据此指
1.1 设施农业的发展及研究综述
我国是一个人多地少、水资源相对紧缺的国家，人均水资源占有量仅有2300m3左右，约为世界人均水平的1/4。目前，随着农业现代化进程的加快和工业用水的不断增加，水资源紧缺已经成为制约我国农业发展的瓶颈。我国是一个农业大国，我国农业是用水大户，农业用水占总供水的80%左右，其中又以农业灌溉为主，因此我国农业必须走节水之路。20世纪90年代以来，我国在减少农业灌溉用水的无益损耗、提高灌水质量和灌水效率的同时，加大了开发和推广节水灌溉技术的力度。其中，利用设施农业种植经济作物（主要以蔬菜为主）是近几年发展优质高效节水型农业的一种重要模式［1］。
所谓设施农业是指在有人工建造的具有对水、肥、气、热等环境因素调控设施的保护空间内进行农作物栽培生产的一种特殊农业生产方式，是在局部范围控制和改善气候环境，为蔬菜生长发育提供良好环境条件而进行有效生产的科技密集型农业生产体系。设施农业的本质目的在于通过创造和维持**的农作物生长环境，为消费者提供更多的反季节农产品，促使农业种植结构发生改变，*终提高经济效益和社会效应。设施农业突破了传统农业的耕作方式，能够营造或部分营造作物生长的环境，使作物免受恶劣气候的影响，同时可靠的农田水利设施和环境控制系统可以提高农作物抵抗自然灾害的能力，降低自然风险，实现全天候（或反季节）生长，从而大大提高产量。
我国开展设施农业栽培技术具有非常悠久的历史，根据历史记载，自汉代以来我国就已经开始使用温室来进行蔬菜的种植了，但是直到清代的末期，我国才出现了真正意义上的现代温室。新中国成立以后，随着我国农业结构的不断完善和发展，温室大棚得到了快速的发展。近年来，随着经济社会不断发展，农产品购销体制和价格体制的改革与完善，农村经济结构的调整，特别是经济体制的确立和运行，以及人们生活水平的不断提高，设施农业作为高新技术产业，必将得到长足发展，在农村经济发展中的地位和作用也会越来越突出［1］。
1.1.1 主要设施类型
设施农业经过多年的发展，目前种类繁多，较为常见的保护设施类型有防雨棚、中小棚、塑料大棚、节能日光温室、玻璃温室和连栋大棚等，我国的设施农业按形式和规模可分为如下几类。
（1）节能型日光温室。节能型日光温室是在20世纪90年代，根据我国的具体国情而自行研发的一类经济适用农业保护设施。其中，国内首座智能化塑料连栋温室于1997年3月在上海设计并建成，该类型温室中配备了许多造价低廉、性能可靠的设备，能够实现对室内多种环境要素的自动控制和调节；由辽宁首次研制成功的高效节能日光温室，在室内提供了机械卷帘、卷膜、滴灌和地中热交换等综合配套设备，具有良好的经济适用性（造价72元/m2），能够在室内外温差达到30℃的条件下实现无须加温正常生产喜温果菜；华北型连栋塑料温室由中国农业大学于1998年研发成功，该类型温室集合了双层充气膜覆盖、湿帘风机降温系统和地中热交换系统等先进的技术，使能耗降低了40%，它的造价较低（345元/m2），充分说明了该温室具有良好的经济适用性。
（2）塑料大棚。塑料大棚是随着塑料工业发展起来的一种简易实用的保护地栽培设施，通过塑料棚室的覆盖作用，将太阳辐射能量予以存储保持热能，能使地温提高1～9℃，并通过卷膜、通风等措施在一定范围内调节棚内的温度和湿度，有利于进行超时令、反季节的作物栽培。这种模式甚至被专业领域称作中国的“第五大发明”，被世界各国广泛采用，也是我国近十年来发展优质设施农业和高效节水型农业的一个重要组成部分。近年来，我国不断加大推广和发展设施农业和节水型农业的力度［2，3］，塑料大棚作物（主要为蔬菜）栽培正是为适应这种要求而迅速且大规模兴起的。实践证明，塑料大棚是适合我国国情的一种高效节能蔬菜保护地栽培设施。
由于塑料大棚在我国应用发展*快、种植面积**，所以，其理论研究工作在我国也较世界其他国家和地区更广泛、更深入。
1.1.2 大棚节水灌溉技术
大棚内的灌溉技术应以调控设施内的水分环境为重要依据。试验表明，如果在大棚内采用传统的地面灌水技术（沟灌、畦灌），将对大棚作物的生长环境产生非常不利的影响，由于大棚环境相对封闭，地面灌溉水量蒸发的水汽大部分滞留在室内空气中无法排出，湿度过大不仅会严重阻碍作物的生长，还会大大增加病虫害的发生率。近年来，微喷灌、滴灌、膜下滴灌等灌水理论和技术都得到了快速的发展，并在大棚生产中取得了良好的灌水效果［4-13］。
（1）灌水技术对节水、增产及病虫害发生率的影响。国内众多专家学者对大棚作物的节水灌溉技术展开了研究。有关研究结果表明，滴灌、微喷灌和多孔管喷灌与传统的沟灌相比具有明显的节水效果，并降低空气湿度，这有利于缩短夜间结露时间和减轻病害的发生。张树森等［14］研究表明，在温室内采用渗灌的灌水技术比使用沟灌、管灌和滴灌的情况节水效应更加显著，与后三者相比渗灌可以节约50.7%、43.1%和11.9%的水量，不仅如此，温室渗灌还可以达到降湿、避病、增产的目的。诸葛玉平等［15］指出，大棚番茄室内采用渗灌技术不仅可以满足作物根系的需水要求，增加根系层土壤的通气性，还能有效减小棵间土壤蒸发，避免了传统地面灌溉方法的不良影响，节水和增产效果明显。
（2）灌水技术对作物水热条件及根区盐分的影响。梁称福［16］的研究表明，滴灌用于温室大棚中可节水30%，同时可明显降低湿度和保持冬季地温，使棚内冬季灌溉见不到雾气。Fidler对三种灌水方法（喷灌、滴灌和地下滴灌）对马铃薯叶表面温度的影响规律进行了比较分析，分析结果表明，马铃薯叶表面温度与周围空气温度和室内水汽张力相关性显著，并提出可以通过观测作物叶表面温度变化规律来判别不同灌溉技术条件下的作物生长状态。Bogle将番茄作为试材，对地下滴灌和沟灌对土壤中水盐的影响进行了比较，结果发现采用高频少量的滴灌方式，可以有效地减少大棚番茄土壤中盐分堆积的现象。
（3）灌水技术与施肥的耦合效应［17］。不同的灌水技术或方法会使土壤水分状况出现很大差异，土壤水分状况的改变，*终引起养分的运移和分配发生改变，所以说施肥与灌水技术或方法是紧密相连的。国内外很多学者对如何降低土壤层的养分流失、提高作物根系的养分吸收率、减少施肥对环境的污染以及优化水肥耦合关系等进行了大量研究。例如，Gallmann对膜下滴灌塑料大棚番茄施肥效应进行了试验研究，试验中，大棚番茄计划湿润层深度取30cm，研究指出当土壤中具有98%和80%的田间持水量时，如果对番茄进行膜下滴灌，对应的氮肥用量分别为300kg/hm2和150kg/hm2。Omran指出滴灌和沟灌大棚辣椒的植株叶片和果实养分的浓度均随有机肥用量的增加而升高，而植株对养分的吸收受根区水分含量的影响。
我国还处在实施农业发展的初期阶段，大棚作物的单位产值还远远低于发达国家。大棚内节水灌溉技术和方法也相对比较落后，灌水定额为9000～12000m3/hm2，水分的利用率只有40%左右。落后的灌水技术还会对大棚环境造成很大影响，使大棚设施的节水增产作用得不到充分发挥。在这方面国内外都开展了大量的试验研究［18-25］，例如，进行大棚作物在膜下多孔管喷灌和微喷灌、沟灌及滴灌、膜下沟灌和畦灌的比较试验；大棚黄瓜滴灌的试验研究；采用日光温室渗灌技术、改善温室小环境等。试验结果表明，采用先进的灌水技术，在节水、增产和提高作物质量方面都有明显的效果。
1.1.3 大棚灌溉制度
为了节约用水、提高作物产量和品质必须采用科学合理的灌溉制度，灌溉制度的基本技术参数包括灌水定额、灌水历时和灌水次数。国内外大量研究表明，可以根据作物蒸散量、土壤计划湿润层深度和渗漏量等来确定灌水时间和灌水定额。20世纪60年代，日本学者认为黄瓜每天灌溉一次，每次灌水量为2.5mm时得到的效果*好。Messahelm提出了一种计算滴灌灌溉时间和灌水量的方法，同时指出需要在充分考虑土壤水分分布特点的情况下计算灌水定额。Chartzoulakis 等对温室茄子滴灌的用水量和产量进行了研究，研究结果表明，当灌水量采用ETm（**蒸发蒸腾量）的85%时对茄子产量没有什么影响，而当灌水量采用ETm的65%和40%时，茄子的产量分别降低35%和46%，且坐果率明显降低。Mannini等［26］研究了滴灌对地中海贫瘠陆地甘蓝的影响，研究认为灌水量采用彭曼-蒙特斯（Penman-Montein）公式计算蒸散量的1.45倍是**灌水量。Harmanto等［27］对热带番茄滴灌需水量进行了研究，研究结果表明，Tory489番茄的**需水量约为作物蒸发蒸腾量的75%，此时，番茄的实际灌水量应当在4.1～5.6mm/d。杨启国等［28］对甘肃节能日光温室蔬菜灌溉的用水量进行了研究，研究结果表明，越冬茬的番茄、西瓜、黄瓜等滴灌用水量分别为570～590mm、481～550mm、580～610mm。曾向辉等［29］对番茄滴灌制度展开了研究，研究结果表明，番茄苗期、开花坐果期和结果期的计划湿润层深度应分别为25cm、30cm和40cm，适宜的土壤含水率范围分别为55%～70%、65%～85%和70%～90%。徐淑贞等［30］研究了日光温室滴灌番茄水分生产函数，研究过程采用Jensen连乘模型得到各生育阶段的水分敏感指数，并结合生产实践推荐了**灌溉定额，达到了优化灌溉制度的目的。孙俊等通过试验分析，指出大棚外日平均气温累计值与作物需水量存在良好的关系，可作为指导大棚滴灌的依据。
土壤水分适宜的上下限［31，32］通常由田间持水率和凋萎系数等重要的水分参数来表示，然而作物对土壤水分*敏感的是土壤水分的能量状态，而不是土壤水分的**值。因此，也有不少学者建议采用土壤水分张力、土壤水势等能态指标对土壤的含水量［33］进行控制。
（1）不同地区、种类以及不同的生育阶段，作物的灌水下限会有所不同。初期以营养生长为主，土壤水势可适当定高一些，以后可定低一些以增加供水，这样既可节约用水，又能获得高产。诸葛玉平等［15］对大棚番茄渗灌灌水指标的试验研究表明，在番茄全生育阶段，当土壤含水量为田间持水量的80%时开始灌溉，此时产量**；而Borin认为番茄的灌水起始点应为田间持水量的68%，此时才有利于番茄的发育和产量的提高。栾雨时［34］认为大棚黄瓜在土壤水势达到330mmHg时开始灌水产量**；李远新等［35］认为PF2.3可作为大棚甜瓜采秧期的灌水指标。
（2）传统的作物栽培和试验研究通常将田间持水率作为土壤水分上限，甚至是将饱和含水量作为土壤水分上限，但是对于半封闭的大棚种植环境而言，过多的灌水不但浪费了水资源而且造成温室大棚土壤及空气温湿度过大，病虫害增多，不利于大棚作物的正常生长发育。因此，有学者对灌水上限是否必须为田间持水量的100%进行了研究［36］。李建明等［37］的研究表明，当番茄灌溉的**土壤含水量上限为90%的田间持水量时，有利于增大植株干物质积累，提高壮苗指数，增强光合速率、根系活力，增大蒸腾速率；随后他们又对番茄开花坐果期灌溉土壤水分上限进行了试验研究，研究结果表明，灌溉上限为田间持水量的85%～90%有利于番茄的生长。还有学者针对温室辣椒在开花坐果期的灌溉上限进行了研究，研究结果表明，灌溉上限为土壤相对含水量的90%有利于提高茎粗、叶面积、坐果率及前期产量，在盛果期，灌溉上限为土壤田间持水量的95%有利于提高光合速率、水分利用率及产量。
（3）另外，灌水状况不仅会影响作物生长的土壤水分状况，还对植株自身的水分生理状况起到调节作用。因此在使用土壤水分状况作为灌溉指标的同时，也要考虑反映植物水分状况的生理指标，如叶片相对含水量、叶片水势、叶片自由水、细胞液浓度和叶片蒸腾强度、叶片扩散阻力、叶片气孔开度、束缚水含量以及植物伤流量等。例如，Oosterhuis将作物叶色的变化定为开始缺水的指标，根据此指
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