作物蒸散量計(jì)算模型研究進(jìn)展

周彥麗

摘要 從作物需水量與蒸散量關(guān)系出發(fā)，對(duì)目前國內(nèi)外計(jì)算作物蒸散量的不同模型，包括單一模型、互補(bǔ)相關(guān)模型、紅外遙感模型、SWAP模型等進(jìn)行了總結(jié)，初步探討了這些模型各自的優(yōu)勢(shì)和存在的問題，并預(yù)測(cè)了作物蒸散量計(jì)算模型的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 作物蒸散量;計(jì)算模型

中圖分類號(hào)：S311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2019）04-079-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.032

Abstract In this paper，the relationship between crop water demand and evapotranspiration was discussed. The different models for calculating crop water evapotranspiration at home and abroad，including single model，complementary correlation model，infrared remote sensing model，and ?SWAP model were summarized. The advantages and existing problems of these models were preliminarily discussed，and the development trend for calculation models of crop evapotranspiration was predicted.

Key words ? Crop evapotranspiration;Calculation models

水分循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)傳輸及環(huán)境調(diào)節(jié)的重要環(huán)節(jié)，水分通過蒸散過程從土壤和作物輸送到大氣中，在大氣中凝結(jié)，再以降水的形式返回土壤中。土壤水分通過作物棵間地表和作物葉面的蒸發(fā)蒸騰，是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中計(jì)算農(nóng)業(yè)灌溉用水量、制定農(nóng)作物灌溉計(jì)劃、預(yù)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)及區(qū)域水資源變化的重要依據(jù)。因此，準(zhǔn)確模擬蒸散的物理過程，計(jì)算農(nóng)田蒸散量，對(duì)研究全球氣候演變、改善水資源短缺問題、推廣節(jié)能灌溉模式、提高水資源利用率、緩解農(nóng)業(yè)旱情，有著重要意義。該文從作物需水量與蒸散量的關(guān)系入手，初步探討當(dāng)前計(jì)算蒸散量所用模式和研究進(jìn)展。

1 蒸散量計(jì)算模式

1.1 需水量與蒸散量的關(guān)系

理論上，作物需水量是指在土壤水分和肥力條件適宜、沒有病蟲害干擾、能夠獲得穩(wěn)定高產(chǎn)的前提下，為滿足作物植株蒸騰、棵間蒸發(fā)、組成植株體和進(jìn)行光合作用等生理過程所需的水量。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于組成植物體和進(jìn)行光合作用等消耗的水分占總需水量的比例不足1%，且受多種因素影響，難以獲得精確的計(jì)算結(jié)果，因此在計(jì)算蒸散量時(shí)，通常將這部分消耗的水分忽略不計(jì)。即認(rèn)為作物需水量等于植株蒸騰量和棵間蒸發(fā)量之和，氣象學(xué)、水文學(xué)和地理學(xué)中稱之為“蒸散量”。

1.2 蒸散量計(jì)算的基礎(chǔ)模型

農(nóng)田表面和植株葉面是作物蒸發(fā)蒸騰的界面，也是土壤與大氣、作物與大氣、作物與土壤的接觸界面。影響作物蒸散量的因素多而復(fù)雜，給計(jì)算模型的建立增加了難度，但主要受氣象因素、土壤因素和作物因素的影響。氣象因素和土壤因素是外部因素，前者的影響因子主要有太陽輻射、日照、溫度、濕度、風(fēng)速等，后者的影響因子主要有土壤結(jié)構(gòu)、土壤性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量、水分含量等;作物因素是內(nèi)部因素，影響因子主要有作物種類、作物品種、生育期和生長狀況等。因此，作物蒸散量計(jì)算的基礎(chǔ)模型可以表達(dá)為：

ET=fi（M，S，B）

其中，ET表示作物蒸散量;fi表示函數(shù)符號(hào);M表示氣象因子;S表示土壤因子;B表示作物因子。

目前，計(jì)算作物蒸散量的方法基本可分為2類：一是先根據(jù)氣象資料計(jì)算各生育階段的潛在蒸散量，然后綜合考慮作物系數(shù)和土壤系數(shù)，再計(jì)算實(shí)際蒸散量;二是先計(jì)算作物整個(gè)生育期的總蒸散量，然后按照各生育階段的不同系數(shù)，分別計(jì)算各生育階段的蒸散量。

2 實(shí)際蒸散量的計(jì)算模型

2.1 單一模型

單一模型可分為2類：一是直接計(jì)算實(shí)際蒸散量，多用于模擬某一具體時(shí)刻的蒸散量，缺點(diǎn)是需要的參數(shù)多，在實(shí)際運(yùn)用中存在較大困難。二是先計(jì)算參考作物蒸散量，然后根據(jù)作物生長狀況和土壤實(shí)際水分狀況進(jìn)行修正。這類模型可以用于計(jì)算一天及更長時(shí)間的蒸散量，而且需要的參數(shù)少，實(shí)際應(yīng)用更為方便。

2.1.1 潛在蒸散量的計(jì)算模型 潛在蒸散量的計(jì)算模型通常可分為4類：水面蒸發(fā)法、溫度法、輻射法和綜合法。基于溫度計(jì)算的方法主要有Jensen-Haise公式、FAO 24 Blaney- Criddle公式、Thornthwaite公式以及Hargreaves-Samani公式等;基于輻射的方法主要有Priestley-Taylor公式、以及FAO 24 Radiation公式等;此外還有根據(jù)美國濕潤地區(qū)資料得到的Irmark-Allen公式，以及布迪科公式等，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在一定的局限性。

1948年，彭曼首次將能量平衡原理和空氣動(dòng)力學(xué)原理相結(jié)合，假定大氣具有天然穩(wěn)定性，依據(jù)下墊面能量平衡和湍流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不計(jì)算渦流影響，得出了Penman 公式。1956年，Monteith將表面阻力概念引入Penman 公式，優(yōu)化得到了Penman- Monteith公式，其最大特點(diǎn)是無論是否存在水分脅迫，計(jì)算結(jié)果都比較精確。因此世界糧農(nóng)組織（FAO）于1990年將其定為計(jì)算作物潛在蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法。但由于該公式需要大量的氣象數(shù)據(jù)支撐（包括最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等），而世界上多數(shù)地區(qū)的氣象站難以提供全部的完整數(shù)據(jù)，這在很大程度上限制了該公式的使用。所以在計(jì)算未來氣候變化對(duì)作物蒸散量的影響時(shí)，應(yīng)從當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件出發(fā)，選擇適合該地區(qū)的作物蒸散量計(jì)算模型，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行區(qū)域修正，或同時(shí)采用2種以上模型分別計(jì)算并選擇更為合理的結(jié)果。

我國學(xué)者劉鈺、龔元石等人比較了Penman-Monteith公式和標(biāo)準(zhǔn)PM公式在不同地方的計(jì)算結(jié)果;張寄陽等人以PM 公式為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)了Blaney-Criddle公式、Priestley-Taylor公式、Markkink 公式在風(fēng)沙區(qū)的應(yīng)用效果;劉曉英檢驗(yàn)了Priestley-Taylor公式在半干旱區(qū)的計(jì)算準(zhǔn)確性，王新華等人根據(jù)甘肅省張掖市氣象站的資料，分別采用Hargreaves 公式和Penman-Monteith公式，提出了適合西北干旱區(qū)作物蒸散量的計(jì)算公式。

2.1.2 實(shí)際蒸散量的計(jì)算模型 ?Pen？鄄man-monteith公式非常適用于計(jì)算密集植被的實(shí)際蒸散量，但由于其不能精確計(jì)算葉面指數(shù)較低時(shí)的作物蒸散量，因而難以推算作物全生育期的蒸散量，因此Shuttleworth和Wallace提出了作物冠層為均勻覆蓋的假設(shè)，引入冠層阻力和土壤阻力2個(gè)參數(shù)，建立了由作物冠層和冠層下地表2部分組成的雙源蒸散模型（以下簡(jiǎn)稱為S-W模型）。土壤表面阻力與土壤含水量、土壤質(zhì)地有關(guān)，由于不同冠層類型的土壤表面阻力差異較大，Choudhury和Monteith將S-W模型進(jìn)一步拓展為包括土壤干燥層和濕潤層的雙源四層型。Dolman、Brenner和Incoll還分別建立了密閉冠層和稀疏冠層的多源模型。但是這些模型參數(shù)多，計(jì)算過程復(fù)雜，目前都沒有大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 互補(bǔ)相關(guān)模型

互補(bǔ)相關(guān)原理由Bouchet在1963年提出，在輻射值固定的前提下，陸面蒸散量和可能蒸散量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且兩者之和為一常數(shù)，等于濕潤條件下蒸散量的2倍，即陸面蒸散量和可能蒸散量是互補(bǔ)的。互補(bǔ)相關(guān)模型的主要代表有Brutsaert和Stricrer1979年提出的平流-干旱（AA）模型，Morton 1983年提出的CRAE蒸散模型，Granger 1989年提出的Granger模型等。互補(bǔ)取關(guān)模型的最大優(yōu)勢(shì)在于參數(shù)少，簡(jiǎn)化了計(jì)算流程，只需要常規(guī)氣象資料就可以得到陸面蒸發(fā)量，因此自20世紀(jì)90年代以來，被大范圍應(yīng)用于區(qū)域蒸散量估算研究中。但是互補(bǔ)相關(guān)模型也有比較突出的局限性，不能應(yīng)用于下墊面陡變的地區(qū)，且對(duì)濕度資料的精確度要求高。

國內(nèi)對(duì)于互補(bǔ)相關(guān)模型的研究較少，劉紹民等人利用1981—2000年黃河流域的氣象、水文資料，并結(jié)合衛(wèi)星遙感信息和數(shù)字高程模型，檢驗(yàn)了上述模型的精確度。平流-干旱模型估算月蒸散量和日蒸散量的準(zhǔn)確度都較高;CRAE和Granger模型估算冬季月蒸散量時(shí)存在數(shù)值過高的問題，除干旱年份以外，估算的年蒸散量誤差都低于10%。

2.3 紅外遙感模型

20世紀(jì)70年代以來，遙感技術(shù)逐步被應(yīng)用于計(jì)算作物蒸散量，既克服了微氣象學(xué)法因下墊面幾何結(jié)構(gòu)和物理屬性的水平非均勻性，而難以將“點(diǎn)”上的觀測(cè)資料應(yīng)用到“面”上的局限性，也克服了水量平衡法在時(shí)間分辨率上的缺陷。1973年，Brown和Rosenbeg率先提出利用遙感技術(shù)測(cè)定作物表面溫度，結(jié)合下墊面的能量平衡和湍流運(yùn)動(dòng)規(guī)律來計(jì)算農(nóng)田蒸散量的方法。之后，Verma和Rosenbeg、Hatfied、陳鏡明、謝賢群、Inoue、張仁華和蔡煥杰等人均對(duì)這一方法進(jìn)行了改進(jìn)。

近年來，隨著大數(shù)據(jù)和遙感傳感器的發(fā)展，我國在運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)模擬反演地表蒸散指標(biāo)的研究上，已取得較大成果，且有著廣闊的發(fā)展前景。2007年，劉朝順等[19]使用成熟的單窗算法，估算山東墾利縣的地表能量分布和蒸散情況。2008年，曾麗紅等[20]采用最新的遙感影像，對(duì)SEBAL模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并估算了區(qū)域蒸散狀態(tài)。2012年，張雨航[21]采用MODIS 傳感器在海流兔河流域進(jìn)行蒸散驅(qū)動(dòng)分析，結(jié)合實(shí)際地表觀測(cè)值，估算柴達(dá)木盆地的蒸散量。2016年，王軍等[22]將NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)和氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，完成多源耦合的蒸散分布計(jì)算。

2.4 SPAC系統(tǒng)中蒸散量的系統(tǒng)模擬方法

SPAC系統(tǒng)是由土壤一植物一大氣連續(xù)體構(gòu)成，該系統(tǒng)中的蒸散過程與大氣環(huán)境、作物生長狀況、土壤水分狀況存在復(fù)雜的耦合作用，因此必須采取綜合分析方法，才能模擬SPAC系統(tǒng)的水分傳輸過程。目前已有不少模型模擬SPAC系統(tǒng)中蒸散量的變化，其中應(yīng)用最廣泛的是SWAP模型，這一模型基于Richard方程和溶質(zhì)對(duì)流彌散方程，可以模擬作物的日實(shí)際蒸散量，結(jié)果較為精確。此外，我國學(xué)者盧振民、康紹忠、劉昌明、劉樹華等人先后對(duì)SPAC系統(tǒng)中的水分傳輸過程和蒸散過程進(jìn)行了模擬研究，但研究深度仍有待加強(qiáng)。

3 結(jié)語

（1）Prierstley-Taylor 公式、Penman 公式、Penman-Monteith公式等單一模型已普遍應(yīng)用于模擬計(jì)算作物蒸散量，但研究方向已經(jīng)向以Shuttleworth-Wallace 模型為基礎(chǔ)的多層模型轉(zhuǎn)移。盡管多層模型中阻力參數(shù)多使用經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，卻為計(jì)算不同植物冠層類型和下墊面狀況下的蒸散量提供了新的思路。另外，互補(bǔ)相關(guān)模型也是一種重要的研究區(qū)域蒸散量的方法。近年來，由于水資源短缺問題突出，人類社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境問題和氣候變化的關(guān)注度越來越高，遙感技術(shù)在估算區(qū)域蒸散量方面的應(yīng)用進(jìn)展顯著，已衍生出多種估算方法。

（2）平流作用對(duì)蒸散量計(jì)算的影響，非均勻下墊面植被蒸散量和區(qū)域蒸散量的估算，多層模型的發(fā)展完善及阻力參數(shù)的確定，遙感技術(shù)、GIS技術(shù)及SPAC系統(tǒng)結(jié)合估算蒸散量等，都是未來蒸散量計(jì)算研究的發(fā)展方向。此外，將模擬SPAC系統(tǒng)中蒸散過程與CO2通量、熱量交換等其他過程的研究相結(jié)合，也將成為未來陸地-大氣相互作用、全球氣候變化等研究的重要內(nèi)容。

總之，如今雖然已經(jīng)形成一系列的蒸散量計(jì)算方法，但每種方法都是根據(jù)一定的對(duì)象和條件發(fā)展起來的，至今還沒有一種十全十美的方法。因此在20世紀(jì)90年代中后期，蒸散量計(jì)算仍普遍采用2種及以上方法，其目的就是盡量避免單一計(jì)算方法的局限性，提高蒸散量計(jì)算精度和結(jié)果的可靠性。需要特別指出的是，目前植被蒸散模式的研究對(duì)象，幾乎只局限于單一作物系統(tǒng)或森林系統(tǒng)，而在2種或2種以上植物共存的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，因地下部分盤根錯(cuò)節(jié)和地上冠層錯(cuò)落搭配所構(gòu)成的獨(dú)特植被結(jié)構(gòu)，增加了各類參數(shù)處理的復(fù)雜性和研究工作的難度，使得農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)蒸散模型的研究工作進(jìn)展緩慢，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究力度。

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責(zé)任編輯：李楊