作物需水量預(yù)測(cè)計(jì)算研究進(jìn)展

陳大為

(黑龍江省中部引嫩工程管護(hù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

作物需水量被稱為通過(guò)在非限制性土壤條件(包括土壤水分和肥力)下在大田中生長(zhǎng)的無(wú)病害作物的蒸發(fā)蒸騰用來(lái)滿足水分損失所需的水的深度，并且在給定的生長(zhǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)完全的生產(chǎn)潛力[1-3]。影響作物需水量的因素有多種。

氣候?qū)ψ魑镄杷康挠绊懹蓞⒖甲魑镎舭l(fā)蒸騰量(ET0)給出，其可定義為從8～15 cm高，均勻高度的綠草覆蓋的廣泛表面的蒸發(fā)蒸騰速率，自然生長(zhǎng)，完全遮蔽地面，并且不缺水。每天增長(zhǎng)情況按毫米計(jì)算。為了使用平均每日氣候數(shù)據(jù)評(píng)估ET0，采用以下四種方法，即布萊尼-克里德?tīng)柗?Blaney-Criddle)，輻射法，彭曼公式法和蒸發(fā)皿法。

作物特征對(duì)作物需水量的作用由作物系數(shù)(Kc)給出，其表示參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)和作物蒸發(fā)蒸騰(ETcrop)之間的關(guān)系[4]。Kc的值隨作物，其生長(zhǎng)階段，生長(zhǎng)季節(jié)和主要天氣條件而變化。ETcrop可以以mm/d為單位測(cè)定，作用在相同的10 d或30 d時(shí)間段內(nèi)的平均值。

對(duì)作物需水量的當(dāng)?shù)貤l件和農(nóng)業(yè)實(shí)踐的作用包括在氣候變化影響的地方，距離和高度，尺寸方面，平流、土壤水分、鹽分、灌溉、栽培方法和實(shí)踐方法，需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[5]。基于可用的氣象數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確性，選擇預(yù)測(cè)方法來(lái)計(jì)算ET0，然后收集和評(píng)估氣候和作物數(shù)據(jù)。

選擇種植模式確定種植或播種的時(shí)間，作物發(fā)育速率，作物發(fā)育階段的長(zhǎng)度和生長(zhǎng)期。然后選擇在主要?dú)夂驐l件下給定作物和作物發(fā)育階段的Kc。然后ETcrop每30 d或10 d期間：作物蒸發(fā)蒸騰(ETcrop)為參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)與作物系數(shù)(Kc)的乘積。

影響作物需水量的主要因素是氣候因素。大氣中溫室氣體濃度的增加使許多科學(xué)家預(yù)測(cè)在下一世紀(jì)地球溫度將增加幾度[6-8]。有人說(shuō)，人為溫室氣體增加對(duì)全球氣候的影響已經(jīng)很明顯。“氣候變化公約”只尋求穩(wěn)定發(fā)達(dá)國(guó)家的排放，似乎大氣溫室氣體排放量將繼續(xù)上升。如果他們這樣做，氣候變暖的可能性很大。如果氣候變化是不可避免的，那么海平面將上升，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將發(fā)生變化，徑流和供水將改變，森林和其他陸地植被的位置也將向極地和更高海拔移動(dòng)[9]。

1 需水預(yù)測(cè)

作物需水量是計(jì)算水土資源平衡和灌溉項(xiàng)目設(shè)計(jì)，運(yùn)行和管理的重要參數(shù)[6]。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了許多測(cè)量和估計(jì)作物需水量的方法。本文回顧了四種方法，即布萊尼-克里德?tīng)柗?Blaney-Criddle)，輻射法，彭曼公式法和蒸發(fā)皿法，用于預(yù)測(cè)作物的需水量。

1.1 布萊尼-克里德?tīng)柗?Blaney-Criddle)

對(duì)于可用氣候數(shù)據(jù)僅覆蓋空氣溫度數(shù)據(jù)的區(qū)域，建議使用此方法。Blaney-Criddle[10]方程(1950年)涉及根據(jù)所考慮期間內(nèi)發(fā)生的年度白天小時(shí)的平均溫度(T，華氏度為單位)和百分比(p)計(jì)算消耗使用系數(shù)(f)。然后應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)確定的消費(fèi)使用作物系數(shù)(K)以建立消耗水需求(CU)，如式(1)所示：

CU=K·f=K(p·T/100)

(1)

1.2 輻射法

輻射法本質(zhì)上是對(duì)Makkink公式(1957年)的改編。對(duì)于可用氣候數(shù)據(jù)包括測(cè)量的空氣溫度和日照，云量或輻射，但不測(cè)量風(fēng)和濕度的區(qū)域，建議使用此方法。需要知道一般的濕度和風(fēng)的水平，一般從附近地區(qū)或從當(dāng)?shù)貋?lái)源推斷估計(jì)天氣變化情況。在給出的輻射公式和參考作物蒸發(fā)蒸騰(ET0)之間給出了關(guān)系。事實(shí)上，在赤道地帶、小島上或高海拔地區(qū)，輻射方法可能更可靠，即使測(cè)量的陽(yáng)光或云量數(shù)據(jù)不可用，在這種情況下，為世界上大多數(shù)地點(diǎn)準(zhǔn)備的太陽(yáng)輻射圖應(yīng)能夠提供必要的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)[11]。

根據(jù)日照時(shí)間或云量數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)輻射(Rs)，根據(jù)溫度和高度數(shù)據(jù)確定加權(quán)因子(W)，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)整為不同的平均濕度和風(fēng)力條件下白天加權(quán)因子(W)、太陽(yáng)輻射(Rs)和參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)之間的關(guān)系。在大氣頂部接收的輻射量(Ra)取決于緯度和僅一年的時(shí)間。Ra的一部分在通過(guò)大氣時(shí)被吸收和散射。剩余部分，包括一些散射但到達(dá)地球表面的部分，被識(shí)別為太陽(yáng)輻射(Rs)。Rs取決于Ra和通過(guò)大氣的透射，這在很大程度上取決于云層。輻射以幾個(gè)單位表示；轉(zhuǎn)化成熱量可以與從開(kāi)放水面蒸發(fā)水所需的能量相關(guān)。本文采用以mm/d為單位的單位等效蒸發(fā)。Rs可以直接測(cè)量，但通常不適用于調(diào)查領(lǐng)域。在這種情況下，Rs也可以從測(cè)量的陽(yáng)光持續(xù)時(shí)間記錄中獲得如式(2)所示：

Rs=(0.25+0.50n/N)Ra

(2)

式中：n/N為實(shí)際測(cè)量的明亮日照時(shí)間和最大可能日照時(shí)間之間的比率。例如使用坎貝爾斯托克斯陽(yáng)光記錄儀的n的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在當(dāng)?shù)乜捎谩和N都表示為平均日值，以h為單位。Rs在該期間以每天的平均當(dāng)量蒸發(fā)量獲得。

1.3 彭曼綜合法

對(duì)于可獲得溫度、濕度、風(fēng)和日照持續(xù)時(shí)間或輻射的測(cè)量數(shù)據(jù)的區(qū)域，建議采用彭曼綜合方法(1948年)。與提出的其他方法相比，它可能提供最令人滿意的結(jié)果。原始彭曼方程預(yù)測(cè)了從開(kāi)放水面(E0)的蒸發(fā)損失。實(shí)驗(yàn)確定的作物系數(shù)范圍從在冬季月份為0.6到在夏季月份為0.8相關(guān)E0到蒸發(fā)蒸騰的氣候[12]。彭曼綜合方程由兩項(xiàng)組成：能量(輻射)項(xiàng)和空氣動(dòng)力學(xué)(風(fēng)和濕度)項(xiàng)。每個(gè)術(shù)語(yǔ)的相對(duì)重要性隨氣候條件而變化。在正常的天氣條件下，空氣動(dòng)力學(xué)術(shù)語(yǔ)通常不如能量項(xiàng)重要。在這種條件下，使用作物系數(shù)0.8的原始彭曼綜合E0方程已經(jīng)被賦予可以在寒冷的、潮濕的和非常熱的區(qū)域以及半干旱區(qū)域中緊密地預(yù)測(cè)ET0。

1.4 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量法

蒸發(fā)皿可以提供在輻射、風(fēng)、溫度和濕度條件下對(duì)來(lái)自特定開(kāi)放水面的蒸發(fā)的綜合效應(yīng)的測(cè)量。以類似的方式，植物對(duì)相同的氣候變量作出響應(yīng)，但是幾個(gè)主要因素可能產(chǎn)生水損失的顯著差異。來(lái)自水面的太陽(yáng)輻射的反射僅為5%～8%，來(lái)自最大植被表面的太陽(yáng)輻射的反射20%～25%[13]。在蒸發(fā)皿內(nèi)儲(chǔ)存熱量是明顯的，并且可以在夜間和白天引起幾乎相等的蒸發(fā)；大多數(shù)作物只在白天蒸發(fā)。此外，來(lái)自蒸發(fā)皿和來(lái)自作物的水損失的差異可以由緊挨表面上方的空氣的湍流，溫度和濕度的差異引起。可能發(fā)生通過(guò)蒸發(fā)皿的側(cè)面的熱傳遞，這對(duì)于凹下的蒸發(fā)皿可能有一定影響。此外，蒸發(fā)皿的顏色和覆蓋物的使用將影響水的損失。盡管存在這些缺陷，適當(dāng)使用蒸發(fā)皿來(lái)預(yù)測(cè)10 d或更長(zhǎng)時(shí)間的作物需水量仍然是有必要的。在許多不同類型的蒸發(fā)皿中，選擇使用A類蒸發(fā)皿和地中式蒸發(fā)皿。為了將蒸發(fā)皿蒸發(fā)(Epan)與參考作物蒸發(fā)蒸騰(ET0)相關(guān)聯(lián)，給出了考慮氣候和蒸發(fā)皿環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出系數(shù)(Kp)。

2 作物需水量預(yù)測(cè)因子的修正

為了在廣泛變化的氣候條件下更好地預(yù)測(cè)，布萊尼—克里德?tīng)柗?Blaney-Criddle)，輻射法，彭曼綜合法和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量法被修改為：

2.1 布萊尼-克里德?tīng)柗?Blaney-Criddle)修正

氣候?qū)ψ魑锼枨蟮挠绊懀从碁闆](méi)有足夠的溫度和日照長(zhǎng)度；作物需水量在T和p值的類似氣候之間變化很大。因此，消費(fèi)使用作物系數(shù)(K)將需要不僅隨作物的變化而變化，而且隨氣候條件變化而變化。為了更好地定義氣候?qū)ψ魑锼中枨蟮挠绊懀匀徊捎貌既R尼-克里德?tīng)柗囟群桶滋扉L(zhǎng)度相關(guān)的f因子，提出了一種計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰(ET0)的方法。原始布萊尼-克里德?tīng)柗ㄖ惺褂玫淖魑锵禂?shù)(K)需要修改。修改后的關(guān)系為公式(3)：

ET0=c[p(0.46T+8)]

(3)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；T為在考慮的月份中的每日平均溫度；p為給定月份和緯度的總年度白天日照時(shí)間的平均每日百分比，%；c為調(diào)整系數(shù),取決于最小相對(duì)濕度，日照時(shí)數(shù)和日間風(fēng)速。

在確定ET0之后，可以使用適當(dāng)?shù)淖魑锵禂?shù)(Kc)來(lái)預(yù)測(cè)ETcrop。

由于涉及使用單一天氣因子的任何ET預(yù)測(cè)方法，所以該方法只能適用于溫度保持相當(dāng)恒定的赤道區(qū)域，對(duì)于小島嶼和沿海地區(qū)，其中空氣溫度受海洋溫度的影響，對(duì)季節(jié)的響應(yīng)很小，由于相當(dāng)?shù)偷钠骄諟囟群驮谶^(guò)渡月期間日照時(shí)間變化很大的氣候(如季風(fēng)氣候，春季和秋季的中緯度氣候)，變化不明顯，平均每日ET0的計(jì)算應(yīng)不短于一個(gè)月。由于對(duì)于給定的位置，氣候條件和ET0可以逐年變化很大，因此ET0應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)于每個(gè)記錄年份的每個(gè)日歷月計(jì)算，而不是使用基于幾年記錄的平均溫度。在高緯度地區(qū)，天數(shù)相對(duì)較長(zhǎng)，但與具有相同天長(zhǎng)度值的低和中緯度地區(qū)相比，輻射較低。這導(dǎo)致對(duì)與日長(zhǎng)度相關(guān)的p因子賦予不適當(dāng)?shù)臋?quán)重。對(duì)于緯度更高的地區(qū)，計(jì)算的ET0值應(yīng)減少高達(dá)15%。每1000 m高度海拔變化，在半干旱和干旱地區(qū)ET0值可以向下調(diào)整大約10%。

2.2 輻射法修正

輻射法修正后關(guān)系為公式(4)：

ET0=c(W·Rs)

(4)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rs為太陽(yáng)輻射下的等效蒸發(fā)量，mm/d；W為加權(quán)因子取決于溫度和高度；c為調(diào)整因子取決于平均濕度和白天風(fēng)況。

最好對(duì)每個(gè)記錄年份的每個(gè)月或周期進(jìn)行計(jì)算，而不是使用基于幾年記錄的平均輻射和平均溫度數(shù)據(jù)。然后可以獲得ET0的值以確保合理的滿足作物需水量。

2.3 彭曼綜合法修正

修改彭曼方程來(lái)確定ET0，涉及需要修正風(fēng)函數(shù)項(xiàng)。該方法使用平均日氣候數(shù)據(jù)；因?yàn)榘滋旌秃谝箷r(shí)間的天氣條件顯著影響蒸發(fā)蒸騰的水平。

彭曼綜合法法修正后關(guān)系為公式(5)：

ET0=c[W·Rn+(1-W)·f(u)·(ea-ed)]

(5)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為當(dāng)量蒸發(fā)凈輻射，入射和出射輻射之間的差；f(u)為凈輻射，mm/d；(ea-ed)為在平均空氣溫度下的飽和蒸氣壓力和空氣的平均實(shí)際蒸氣壓力之間的差；c為調(diào)整因子受補(bǔ)償日夜天氣條件的影響；(1-W)為風(fēng)和濕度對(duì)ET0的影響的加權(quán)因子。

給出的彭曼方程假定最常見(jiàn)的條件，其中輻射為中到高，最大相對(duì)濕度為中到高，通常白天風(fēng)速約為夜間風(fēng)速的兩倍。然而，這些條件并不總是滿足。對(duì)于這種情況，需要對(duì)彭曼方程進(jìn)行校正。

2.4 蒸發(fā)皿蒸發(fā)量法修正

蒸發(fā)皿蒸發(fā)量法修正后關(guān)系為式(6)：

ET0=Kp·Ep a n

(6)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Kp為蒸發(fā)皿蒸發(fā)系數(shù)，Kp的值在A類蒸發(fā)皿的標(biāo)準(zhǔn)表中給出；Ep a n為蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，mm/d，表示所考慮周期的平均日值。

在選擇適當(dāng)?shù)腁類蒸發(fā)皿中的Kp值，需要考慮蒸發(fā)皿本身的地面覆蓋，周?chē)h(huán)境和一般的風(fēng)速和濕度條件。當(dāng)蒸發(fā)皿位于草覆蓋非常差的地方，干燥的裸土或不期望的混凝土或?yàn)r青覆蓋時(shí)，蒸發(fā)皿相對(duì)空氣溫度可以提高2～5 ℃，相對(duì)濕度降低20%～30%。這在干旱和半干旱氣候中最明顯，除了雨季[14]。然而，在沒(méi)有農(nóng)業(yè)發(fā)展的地區(qū)和廣泛的裸土地區(qū)，如在沙漠或半沙漠條件下發(fā)現(xiàn)的Kp的值用于干旱、大風(fēng)地區(qū)可能需要減少高達(dá)20%；對(duì)于風(fēng)、溫度和相對(duì)濕度中等水平的區(qū)域需要減少5%～10%；在潮濕、寒冷條件下不需要或幾乎不降低Kp。

上述四種方法預(yù)測(cè)了氣候?qū)⒖甲魑镎羯⒘?ET0)的影響。為了解釋作物特征對(duì)作物需水量的影響，提出作物系數(shù)(Kc)以將參考作物蒸散量ET0與作物蒸散量(ETcrop)相關(guān)聯(lián)。Kc值涉及在最佳土壤水和生育條件下在大田中生長(zhǎng)的無(wú)病害作物的蒸發(fā)蒸騰，并且在給定的生長(zhǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)潛力。

四種方法中的每一種預(yù)測(cè)ET0僅需要一組裁剪系數(shù)。給出了選擇適當(dāng)?shù)腒c值的方程，其考慮作物特征、種植或播種的時(shí)間以及作物發(fā)育階段和一般氣候條件。影響作物系數(shù)(Kc)價(jià)值的因素主要是作物特征、作物種植或播種數(shù)據(jù)、作物發(fā)育速度、生長(zhǎng)季節(jié)的長(zhǎng)度和氣候條件[15]。特別是在作物的早期生長(zhǎng)階段，雨水或灌溉的頻率是重要的。作物種植或播種日期將影響生長(zhǎng)周期的長(zhǎng)度，作物發(fā)育到完全地被覆蓋和成熟的開(kāi)始的速度。例如，根據(jù)氣候，甜菜的總生長(zhǎng)季節(jié)可以在秋季、春季的230 d到夏季的160 d。對(duì)于大豆，生長(zhǎng)季節(jié)的范圍從暖海拔高度地區(qū)的100 d到2500 m海拔的190 d。作物也將以不同的速度生長(zhǎng)；例如對(duì)于甜菜，達(dá)到完全發(fā)育或最大需水量所需的時(shí)間從秋季播種的總生長(zhǎng)季節(jié)的60%變化到早播夏季的約35%。在為給定作物選擇生長(zhǎng)季節(jié)中的每個(gè)時(shí)期或月份的適當(dāng)Kc值時(shí)，必須考慮作物發(fā)育的速率。蒸騰和蒸發(fā)由不同的物理過(guò)程控制。并且為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在本文中通過(guò)適當(dāng)?shù)淖魑镆蜃?Kc)給出與ET0和ETcrop相關(guān)的系數(shù)。Kc的值主要取決于ET0的水平和土壤被雨水或灌溉所浸濕的頻率。ET0是作物蒸騰和土壤表面蒸發(fā)的總和。在全覆蓋期間，蒸發(fā)可忽略不計(jì)；只是在播種后和在早期生長(zhǎng)期期間，從土壤表面的蒸發(fā)可能是相當(dāng)大的，特別是當(dāng)土壤表面在大多數(shù)時(shí)間被灌溉和雨水濕潤(rùn)時(shí)[16-17]。

3 結(jié) 論

改進(jìn)的彭曼綜合法能提供最好的結(jié)果，在夏天最小可能的誤差為±10%，在低蒸發(fā)條件下為最多20%；蒸發(fā)皿蒸發(fā)量法取決于蒸發(fā)皿的位置，可能的誤差為15%；輻射方法在極端條件下，尤其在夏天可能會(huì)出現(xiàn)20%的誤差；Blaney-Criddle方法應(yīng)僅能應(yīng)用一個(gè)月或更長(zhǎng)的時(shí)間，在潮濕、有風(fēng)、中緯度冬季條件下，預(yù)測(cè)誤差會(huì)更大。