小型植株蒸腾蒸发量测定装置与影响因素的研究

周诗豪

摘 要：以STC89C52单片机作为控制芯片，制作一个小型植株蒸腾蒸发量测定装置。该装置通过S型拉力感应器把整个植株的重量转化为电信号，由数据采集系统存储并转化为蒸渗量，精度高，操作简单。利用该装置测出植物在不同环境下的蒸腾蒸发量，即做对照试验。根据对照试验的数据结果，分析植物蒸腾蒸发量的影响因素。

关键词：小型植株；蒸腾蒸发量；对照试验；影响因素

一、引言

水是植物光合作用的重要成分，也是所有生物的生命之源。植物的需水量（即蒸腾蒸发量）等于植株蒸腾和棵间蒸发之和。在城市中，随处可见的小型植株是城市水资源循环的重要组成部分，包括路旁的矮树、盆栽及公园里的盆景等。掌握各类小型植株的需水规律对于研究城市水循环过程、灌溉量的实施、水资源的合理运用等具有重要意义。为准确，实时地测定小型植株的蒸腾蒸发量，并分析蒸腾蒸发量的影响因素。现以小型盆栽植物作为研究对象，设计一种上、下位机集成的吊秤式小型植株蒸渗仪装置。此蒸渗仪主要包括拉力感应器、下位机、上位机、连接件、支架和盆栽容器6个部分。此外，还包括385微型水泵、风扇、植物补光灯等提供影响因子的硬件（通过蓝牙模块实现安卓手机端与单片机间的通信控制）。实验预计结果，在无人监管的工作环境下，蒸渗仪下位机能够自动的采集，显示和储存数据，并通过串口将数据上传给上位机，上位机完成数据的显示，存储和分析。借助此装置，我们可以测定在特定的环境下，植株在一段时间内的蒸腾蒸发量。其值同参考公式得出的结果基本一致。

二、技术路线

该装置的系统流程图如下：

三、软件设计

本系统软件设计将采用模块编程方法，每一个功能程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能。

1.下位机。包括初始化模块、采集模块、显示模块、数据存储模块、实时时钟和串口通信模块。

2.上位机。利用vc++语言设计研发，软件界面包括登陆界面、主界面、串口设置、通道设置和数据查看添加等部分。相当于一个简易的串口调试器，可以显示当前的质量，获取0、6、12、18点从称重传感器测得的数据，并将数据添加到数据。

3.安卓手机端软件。该软件是由JAVA语言编写的蓝牙串口通信软件。手机端蓝牙与单片机端蓝牙连接，人即能通过手机发出指令控制单片机的IO口输出，达到控制水泵、风扇、植物补光灯的远程控制效果，节约了人力资源。

四、硬件设计

吊秤式蒸渗仪的硬件组成部分包括：

S型拉力传感器、STC89C52单片机、AD转换器HX711LCD显示模块、385微型水泵、风扇、植物补光灯、蓝牙模块、盆栽植物。硬件实物图：

五、理论值测量方法

植株蒸腾蒸发量取决于植株生长发育和对水分需求的内部因子和外部因子，内部因子包括植物种类、品种、发育期、生长状况等，外部因子包括天气条件、土壤条件等。

文采用的是空气动力学与能量平衡联立法测量植株蒸腾蒸发量的理论值。该联立法是利用空气动力学方法得到显热交换，利用观测资料或计算公式求出净辐射，然后求出热量平衡方程式的余项--潜热交换，最后得出蒸腾蒸发量.常用的两种计算方法为Penman公式和Penman--Monteith修正公式。Penman--Monteith修正公式计算的参考蒸腾量：式中ET0：参考作物蒸发蒸腾量，mm/d； ：温度～饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa·℃-1； Rn：净辐射，MJ/m2.d G：土壤热通量，MJ/m2.d；γ：湿度表常数，kpa·℃-1；u2：2m高处风速，m/s；Ea：饱和水汽压，kpa； Ed：实际水汽压，kpa； ： 温度～饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa·℃-1 γ：湿度表常数，kpa·℃-1

两种方法计算的参考蒸腾蒸发量大部分集中在对角线上，两者相关系数为0.989，呈现正相关性。由实验数据得出结论，用联立法所得的理论值与测量装置所测得的实际值大致相同。

六、蒸腾蒸发量的影响因素

1.温度对小型植物蒸腾蒸发量的影响。不同温度对植物酯酶活力的影响较为显著，一般来说，植物酯酶活性随环境温度的变化而呈偏正态分布。因植物酯酶活性与植物蒸腾蒸发量呈线性关系，则植物蒸腾蒸发量随环境温度变化呈偏正态分布。

2.风速对小型植物蒸腾蒸发量的影响。实验方法：在盆栽植物供水充足的情况下，打开风扇。收集并记录6：00、12：00、18：00、24：00时刻整个装置（包括植物和设备）的重量，与无风时得到的数据相比较。得出结论，适当的风速可以加速植物的蒸腾蒸发过程。

3.不同水分供给对小型植物蒸腾蒸发量的影响。实验方法：以盆栽植物为实验对象，用微型385水泵供水。在W4充分供水，W3适宜供水，W2轻度缺水，W1重度缺水四种情况下，记录8：00～18：00期间植株的蒸腾蒸发量。如下图。分析可知，当处于W1和W2情况下，植物蒸发蒸腾状况趋于一致。处于W3和W4情况下，植物蒸发蒸腾状况也趋于一致。总体来说，供水时植株的蒸腾作用要强于缺水时。

七、结语

该测定装置能在无人监管的情况下，实现实时、方便、精确测量并存储植物蒸腾蒸发量，硬件平台搭建简洁合理。实验现象表明，小型植物的日蒸腾蒸发量与温度、风速、光照、土壤水分等因子呈显著的线性关系，各因子之间存在复杂的相互作用。其中，土壤水分状况是小型植物蒸腾蒸发量的主要决策因子。同时，测量结果很好地反应了植物蒸腾蒸发作用的规律及趋势，有利于我们对植物水循环的研究。

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