Penman-Monteith方程在茶園節水灌溉中的應用研究

韓沙 馬德新

摘要：作物需水量的多少是農業灌溉過程中決定灌溉效率和質量的關鍵。以Penman-Monteith方程為主要研究對象，采用2018年3月10日至4月10日的氣象數據以及2018年的月均值數據將P-M修正式方程與基于茶樹的蒸騰蒸發模型進行數據對比分析。結果表明，基于茶樹的蒸騰蒸發模型計算出的ET0精確度更高，與實測值吻合度較好，理論上可以作為茶園灌溉的依據。

關鍵詞：作物需水量;灌溉;茶樹;蒸發蒸騰量

中圖分類號：S571.1;S36? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.028? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： The amount of crop water requirement is the key to determine irrigation efficiency and quality in agricultural irrigation. Therefore， studying crop evapotranspiration is of great significance for water-saving irrigation. In this paper， the Penman-Monteith equation is used as the main research object. The meteorological data from March 10， 2018 to April 10， 2018 and the monthly average data from 2018 are used to compare the PM modified equation with the tea tree-based transpiration evaporation model. The analysis proves that the ET0 calculated based on the transpiration evaporation model of tea tree is more accurate and agrees well with the measured value， which can theoretically serve as the basis for tea garden irrigation.

Key words： crop water requirement; irrigation; tea tree; evapotranspiration

茶樹主要分布在南緯16°至北緯30°間，茶樹喜溫暖濕潤氣候，平均氣溫10 ℃以上時芽開始萌動，生長最適溫度為20～25 ℃，喜光耐陰，適于在漫射光下生育，生長期分為幼苗期、幼年期、成年期和衰老期。茶樹作物蒸發蒸騰量也稱茶樹階段耗水量、茶園耗水量，作物需水量是確定灌溉用水的關鍵指標。對于作物蒸騰蒸發量的計算，FAO首先提出了Penman-Monteith公式[1];王健等[2]研究溫室風速因子對需水量的影響提出了參考作物蒸發蒸騰量的P-M修正式;劉浩等[3]提出了針對日光溫室番茄提出了基于該方程的估算模型;王林林等[4]研究提出了茶樹的蒸發蒸騰模型。但對于茶樹蒸發蒸騰模型的驗證問題報道較少，針對茶樹不同生長期間對于需水量的不同，在前人茶樹蒸發模型的基礎上，進一步驗證研究適合于茶樹的蒸發蒸騰量計算模型，以便更好地對茶園實施水肥一體化技術。

1? 作物蒸發蒸騰量計算方法

1.1? 彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteith）法Penman-Monteith方程是1965年提出基于能量平衡和水汽擴散理論的作物騰發量的計算公式[5]，該方程將空氣動力學法于能量平衡法相結合，既考慮了空氣動力學和輻射項的作用，又包含了作物的生理特征，能夠較為直觀地反映蒸騰蒸發的過程[6]。聯合國糧農組織FAO（Food and Agriculture Organization）1998年改進公式后，該方程已被廣泛應用且已證實具有較高精度及可使用性。根據Penman-Monteith方程，蒸騰量可按下式計算：

式（1）中，ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d;Rn為地表凈輻射，MJ/（m2·d）;G為土壤通熱量;Δ為溫度—飽和水汽壓關系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃;？酌為干濕表常數，0.064 6 kPa/℃;T平均氣溫，℃;ea為飽和水汽壓，kPa;ed為實際水汽壓，kPa;u2為距離地面2 m處的平均風速，m/s。式（1）可分為兩部分，前一部分為輻射項ETrad，后一部分為空氣動力學項ETaera。

1.2? Penman-Monteith修正方程

FAO的Penman-Monteith是一個適用于各地區的計算方法，但當溫室中風速為0時，式（1）的后部分也為0。2006年，王健等[2]解決了P-M公式假定溫室內風速為0的問題，推導出了計算溫室參考作物蒸發蒸騰量的Penman-Monteith修正式，以下簡稱為P-M修正式：

該式中各參數意義同式（1），根據強小嫚[7]各參數計算方法如下：

式中，U為溫室內的空氣相對濕度百分比。

1.3? 溫室茶樹蒸發蒸騰模型ET0（tea）

為更加準確地計算作物的實際蒸騰量，王林林等[4]重視了作物的實際高度隨時間變化的因素，將作物高度隨時間變化的值作為ht這一參數，選取溫室茶樹作為試驗對象，推導出了溫室茶樹蒸騰蒸發量ET0（tea）的計算公式：

式中，ht為茶樹的冠層高度。

1.4? 作物系數的確定

每種作物的作物系數不同，若要計算溫室內作物的蒸發蒸騰量ETc，先測量出溫室內的溫度、濕度以及凈福射值，計算出參考作物蒸發蒸騰量ET0，再乘以該作物的作物系數。FAO將參考作物蒸發蒸騰量（ET0）定義為：一種假想參照作物冠層的騰發速率，假定作物高度為0.12 m，葉面阻力為70 s/m，反射率為0.23，非常類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸發蒸騰量。在不受水分限制時，作物的蒸發蒸騰量只取決于作物本身生理特性及外界蒸發[8]。

ETc為作物的實際蒸發蒸騰量，mm/d;Kc為作物系數。

根據FAO-56推薦的標準作物系數，在茶樹初始生長期、快速生長期、生育期的作物系數如表1所示，本試驗采用茶樹快速生長期作物系數1.0。

1.5? ET0（P-M修正式）與ET0（tea）比較方法

為比較Penman-Monteith方程、P-M修正式和溫室茶樹蒸發蒸騰模型計算的參考作物蒸發蒸騰量，選取了山東青島城陽地區2018年3月10日—4月10日的溫室茶樹大棚的氣象數據，分別計算不同公式的ET0以及絕對誤差和相對誤差。

絕對誤差：ΔET0=ET0（tea-ET0）（P-M修正式）（9）

2? 材料與方法

2.1? 試驗區概況

試驗于2018年3月開始在青島農業大學試驗基地溫室茶園中進行。該試驗田地處山東省青島市城陽區東旺疃村，東經121°33′，北緯36°20′，海拔55.20 m。該地受海洋性氣候影響屬于暖溫濕潤季風區大陸性氣候，四季分明，冬無嚴寒，春季回溫慢，夏無酷暑，炎熱期短，多霧，秋季寡照，晝夜溫差大，年平均溫度12.4 ℃，無霜期233 d，平均降水量650～900 mm，年平均濕度70%。該茶園內種植的茶樹品種為嶗山綠茶，種植數量為2 000株，平均高度0.35 m。大棚長38 m，寬12 m，高2.5 m，土壤呈酸性或微酸性，pH 4.5～6.5，土質較厚，有機質含量高、地力肥沃，地下水位在80 cm以上。棚內茶樹上方每隔1.5 m處安置澆水用噴灌頭，下方滴灌帶滴孔間距為0.2 m，溫室大棚內設有兩臺小型農業氣象站，可實時監測氣象數據，數據可由系統傳至手機客戶端或電腦端，方便用戶讀出。

2.2? 試驗方法

茶樹蒸騰量中用到的參數，由山東省計算中心研制的農業智慧平臺采集，包括溫室內的溫度T（℃），相對濕度U（%），土壤含水量W（%），光照度（lx），土壤熱通量G（W/m2），試驗選取茶樹生長期的數據進行分析，選用2018年3月10日至4月10日每天9：00—17：00，設定每分鐘自動采集數據并自動存儲。

2.3? 不同計算方法下的實測值比較

2.3.1? ET0逐日變化比較? 從圖2可以看出，ET0（P-M修正式）與ET0（tea）兩種方法計算出來的參考作物蒸騰蒸發量具有相同的變化趨勢[9]。隨著氣溫的不斷升高，ET0也呈現出不斷升高的趨勢;ET0（tea）計算出來的結果明顯有高于ET0（P-M修正式）的趨勢，是由于2個公式所采用的參考作物不同，在ET0（tea）中采用的茶樹高度高于ET0（P-M修正式）中采用的苜蓿高度[10]，因此計算出的結果存在差異。由圖3、圖4得知，絕對誤差ET0>0，相對誤差ET0>0，總體均呈變大趨勢。

2.3.2? ET0月均值變化比較? 為顯示出ET0在一年中的變化情況，記錄了每個月的光照度、溫度、濕度、土壤含水量的平均值，結果如圖5所示。從圖5可知，茶樹在冬季需水量較春夏季明顯減少，這是因為冬季太陽輻射量低，光照度低，且ET0（P-M修正式）低于ET0（tea）。

2.3.3? 茶樹蒸發蒸騰量的日變化? 為更加準確確定ET0（tea）的計算精度，選取了具有代表性的晴天和陰天進行精確計算，選取茶樹快速生長期的2018年3月29日（陰天）進行ET0（P-M修正式）與ET0（tea）計算的實測值與模擬值的比較（表2、表3）。從圖6和圖7可以看出，茶樹在晴天的作物需水量高于陰天時的作物需水量，晴天時由于光照度以及溫度的制約因素導致作物蒸騰蒸發量大于陰天。隨著時間的推移，需水量逐漸升高，在中午時刻達到峰值后逐漸降低，16：00以后下降趨勢增大，且通過兩種計算方法得出的茶樹需水量變化趨勢相同。

3? 結論

1）通過對ET0進行逐日變化分析，Penman-Monteith修正式和基于茶樹的蒸發蒸騰模型計算出的ET0存在差異，兩種方法計算出的結果具有相同的變化趨勢。盡管P-M修正式對于茶樹也同樣具有適用性，但計算精度不如茶樹蒸發蒸騰模型，其中重要的原因是茶樹蒸發蒸騰模型將作物高度視為變化值，符合茶樹自身的生長規律。

2）通過對茶樹全年生長所需的ET0月均值對比得知，計算結果產生差異是由于輻射項不同，在秋冬季得到的實測值低于春夏季。

3）基于Penman-Monteith方程的茶樹蒸發蒸騰模型對溫度、光照度以及土壤含水量的敏感性更大、穩定性更高，這些氣象因子對于提高該模型的計算精度至關重要。

4）針對茶樹這一作物的蒸發蒸騰模型是改進的Penman-Monteith方程，在前人研究的基礎上，運用近期的數據進一步證明了茶樹蒸發蒸騰模型的適用性和可行性，茶樹的蒸騰強度受到大棚溫度、土壤濕度和茶樹的生理特性等多方因素的影響，各個氣象因子均對茶樹耗水產生影響。

參考文獻：

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