參考作物蒸散量的計算及不同作物灌溉需水量的特征分析

摘 要：【目的】研究分析參考作物蒸散量結合作物系數估算作物各生育階段灌溉需水量特征，為農業用水調配提供依據。

【方法】基于新疆阿克蘇市氣象站點1980～2010年逐日氣象數據，采用Hargreaves-Samani（H-S）、Irmark-Allen（I-A）和Priestley-Taylor（P-T）3種方法模擬計算參考作物蒸散量（Reference Crop Evapotranspiration，ET0），依據R2、nRMSE和MAPE評價3種模擬方法的精度，并分析ET0在年際間和月尺度下的變化規律。分析不同典型年冬小麥、棉花、春玉米、夏玉米的需水規律。

【結果】（1） H-S法、I-A法和P-T法計算的研究區ET0模擬值與標準值的R2分別為0.965、0.949、0.946，MAPE分別為20.85%、26.46%、66.71%。（2） 研究區全年ET0累計值30年均值為960 mm，5～8月較大，12月和1月較小。（3） 冬小麥、棉花、春玉米、夏玉米分別在返青-拔節期、開花-吐絮期、抽穗-乳熟期、抽穗-乳熟期的灌溉需水量最大，其對應值為108、308、131和136 mm。（4） 全生育期內，冬小麥、棉花、春玉米、夏玉米的灌溉需水量分別為448、533、394和385 mm。

【結論】H-S法和I-A法在新疆阿克蘇市ET0計算有良好的普適性；研究區ET0累計值年際間變化不大，年內呈先增大再減小的趨勢；冬小麥、棉花、春玉米、夏玉米的關鍵需水期分別為返青-拔節期、開花-吐絮期、抽穗-乳熟期、抽穗-乳熟期；全生育期內，棉花灌溉需水量最大，其次為冬小麥、春玉米、夏玉米。

關鍵詞：參考作物蒸散量；Hargreaves-Samani法；Irmark-Allen法；Priestley-Taylor法；灌溉需水量

中圖分類號：S275.3"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：1001-4330（2024）07-1640-08

0 引 言

【研究意義】水資源是影響農業生產經濟發展的關鍵因素之一［1］。農作物需水量是有效控制灌溉用水量的主要指標［2］。日照時數長且雨水較少，屬暖溫帶大陸性干旱氣候。

研究分析參考作物蒸散量結合作物系數估算作物各生育階段灌溉需水量特征，為當地農業用水調配提供依據。為了科學合理利用有限水資源，研究分析區域內參考作物蒸散量的變化趨勢，結合作物系數估算作物需水量，對于農作物灌溉和農田水資源管理具有重要指導意義［3］。

【前人研究進展】李澤鳴等［6］對新疆福海縣37年ET0變化規律進行了時間和空間兩個維度的研究，發現福海縣ET0在年際間呈“多-少-多”和在空間呈“南高北低”的趨勢。李思思等 ［7］以新疆北疆地區為研究對象，發現47年間該地區生長季ET0呈顯著下降趨勢，空間分布具有“平原和盆地高，山區少”的特點，且平均風速為對其ET0變化貢獻率最大的氣象因子。祁嘉郁等［8］利用P-M法及作物系數估算新疆北疆春小麥各生育階段的作物需水量與灌溉需水量，認為北疆地區春小麥作物需水量與灌溉需水量均呈減少趨勢，抽穗-乳熟期作物需水量與灌溉需水量最大。吳燕鋒等［9］利用石河子市50年氣象資料研究該地冬小麥生育期需水量，發現其需水量呈逐年增加趨勢，但在降雨量增加的趨勢下，灌溉需水量呈逐年減小趨勢，且兩者最大值均出現在拔節-抽穗期。【本研究切入點】以往的研究大多圍繞新疆北疆地區ET0規律分析展開，對作物需水量的研究也僅涉及單一的作物，缺乏多種常見農作物綜合對比分析及不同生育階段的灌溉需水量的研究。【擬解決的關鍵問題】分析P-M公式所依賴的基本氣象數據［10，11］衍生出的ET0多種算法在新疆阿克蘇市的適用性，并分析該地區過去30年 ET0變化規律，計算阿克蘇市主要作物不同典型年份下作物全生育期及關鍵生育階段內的作物需水量及灌溉需水量，為該市農業水資源的調配、種植結構及灌溉制度的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 研究區概況

阿克蘇市（79°39′ ～ 82°01′ E，39°30′ ～ 41°27′ N）總面積1.442×104 km2［4］，平均海拔1 083 m。研究區內晝夜溫差大，年平均氣溫10.8℃，歷年最高氣溫40.7℃，最低氣溫-27.6℃，全年日照時數累計值為2 505 ～ 3 136 h，全年蒸發量累計值1 643 ～ 2 202 mm，全年降水量累計值為60 ～ 90 mm［5］，日照時數長且雨水較少，屬暖溫帶大陸性干旱氣候。

1.1.2 基于降雨量的典型年選取

對1980～2010逐年降雨量進行計算，利用皮爾遜III型曲線進行配線得到各個頻率下所對應的降雨量值。取P=25%、50%、75%所對應的降雨量值作為濕潤年、平水年、干旱年的設計值，在已有的實測系列中選擇與設計值相等或接近的真實年份即可作為相應的濕、平、干代表年。

1.1.3 基于灌溉需水量的典型年選取

以計算得到的不同作物長系列全生育期內的灌溉需水量為依據，計算灌溉需水量全部滿足的年份占計算總年數的百分比，確定5%豐水年、25%濕潤年、50%平水年、75%干旱年、95%枯水年5個水平的典型水文年。

k=mpn.（1）

式中，k為典型水文年頻率，mp為計算年數中灌溉需水量全部滿足的年數，n為長系列總年數，研究取n=30。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

以Penman-Monteith （P-M）法為標準，結合阿克蘇市日照時數長，降雨量少、溫度變化大等氣候數據，選取基于輻射、溫度等不同氣象因素的Hargreaves-Samani法、Irmark-Allen法和Priestley-Taylor 法（以下簡稱H-S法、I-A法和P-T法）計算ET0模擬值。

ET0-pm=0.408·Δ·（Rn-G）+γ900T+273·u2（es-ea）Δ+γ·（1+0.34·u2）.（2）

ET0-hs=Co·Ra·（T+17.8）·（Tmax-Tmin）0.5.（3）

ET0-ia=0.489+0.289·Rn+0.023·T.（4）

ET0-pt=αΔΔ+γ Rn-Gλ.（5）

式中，ET0-pm、ET0-hs、ET0-ia、ET0-pt分別為P-M法、H-S法、I-A法和P-T法計算的參照作物蒸發蒸騰量（mm）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量（MJ/（m2·d2））；G為土壤熱通量密度（MJ/（m2·d2））；γ為溫度計常數（kPa/℃）；T為平均溫度（℃）；u2為地面以上2 m處的風速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；CO為轉換系數，研究取0.000 39［12］；α為經驗系數，此處取1.26；λ為蒸發潛熱系數，取2.501～0.002 361T［13］。

1.2.2 誤差評價指標

選取3個評價指標，分別為相關系數（R2）、相對均方根誤差（nRMSE）、平均絕對百分比誤差（MAPE）。R2越接近于1，nRMSE和MAPE越接近于0，則表示該計算方法的ET0模擬值精度越高［14］。

nRMSE=ni=1（Si-Oi）2n/Oi×100%.（6）

R2=［ni=1（Oi-Oi）（Si-Si）］2ni=1（Oi-Oi）2 ni=1（Si-Si）2.（7）

MAPE=1n∑ni=1Oi-SiSi.（8）

式中，Oi為標準值，Oi為標準值的平均值；Si為模擬值，Si為模擬值的平均值；n為樣本數， ET0比較選取了1980～2010年的數據，n值為1 096。

1.2.3 不同作物生育期及作物系數參考

作物需水量也稱為作物蒸散量，由作物植株自身的蒸騰量和作物植株間的蒸發量組成［15］，可依據蒸散量確定作物灌溉水量和灌溉時間。選取作物為冬小麥、棉花、春玉米、夏玉米，以參照作物蒸散量為基礎的作物系數法進行作物需水量計算。表1

ET=Kc×ET0.（9）

式中，ET為作物需水量（mm）；Kc為作物系數，ET0為參照作物蒸散量（mm）。

2 結果與分析

2.1 P-M法與其他方法的比較

研究表明，H-S法與P-M法計算的ET0相關性較高，R2為0.965，I-A法和P-T法與P-M法計算的ET0相關性R2分別為0.949和0.947。其他2種方法計算的模擬值均比P-M法計算的標準值偏小。此外，H-S和I-A法計算結果與P-M法計算結果的平均絕對百分比誤差在20%左右，相對均方根誤差在30%以內，P-T法平均絕對百分比誤差高達66%，相對均方根誤差達35%。H-S和I-A法計算的ET0模擬值精度較高，且均與P-M法計算的標準值具有良好的相關性，可應用于阿克蘇市ET0的計算，其中H-S法的計算結果更優。P-T法計算的模擬值與P-M法計算的標準值存在較大誤差，在阿克蘇市參照作物蒸散量的計算上適用性不強。圖1，表1

2.2 年際間與月尺度下ET0變化

研究表明，阿克蘇市1980～2010年逐年ET0累計值整體呈平緩上升的趨勢，對比1980年，2010年ET0累計值有小幅動的增長，增長率為19.1%。逐年ET0累計值呈“上升-下降-上升”的變化，2000年以后ET0整體呈增加的趨勢，2003年最小，其值為908 mm，2009年最大，其值為1 102 mm。圖2

ET0累計值均呈1～7月先增大，7～12月再減小的變化趨勢，且數值較高時段集中在5～8月。其中，5月、6月、7月、8月在不同典型年份下的均值分別為139、147、156和137 mm，其累計值為579 mm，占全年ET0累計值的60%，12月ET0均值最小，1月次之，分別為11、13 mm，僅占全年ET0累計值的1.15%、1.35%。圖3

2.3 不同作物生育期內降雨量、ET0及需水量規律

研究表明，不同典型年份下，棉花和春玉米全生育期內的總降雨量較大，其均值分別為71、64 mm，冬小麥和夏玉米的總降雨量較小，其均值分別為44、48 mm。不同典型年份下，冬小麥在全生育期內的總降雨量差異較為明顯，95%枯水年的降雨量僅10 mm，而5%豐水年的降雨量高達74 mm，為前者的 7.4倍。ET0的變化規律與降雨量存在較大差異，在不同典型年份下，幾種作物ET0均呈梯度增加的趨勢。棉花和春玉米全生育期內的ET0均值分別為709、663 mm，基本持平，且高于冬小麥和夏玉米2種作物。冬小麥和夏玉米全生育期內的ET0均值分別為580、471 mm。在不同典型年份下，幾種作物全生育期內需水量由大到小依次為棉花、冬小麥、春玉米、夏玉米，其實際需水量均值分別為604、492、458、433 mm，灌溉需水量均值分別為533、448、394和385 mm。棉花在整個生育期內對水需求量最大。圖4

2.4 不同作物不同典型年份下各生育階段灌溉需水量

研究表明，不同典型年份下，冬小麥灌溉需水量最大時期為返青-拔節期，其均值為108 mm，其次是拔節-抽穗期，均值為93 mm，灌溉需水量最小的是越冬-返青期，其均值僅為22 mm。棉花灌溉需水量最大時期為開花-吐絮期，其均值為308 mm，現蕾-開花期次之，其均值為141 mm，棉花播種-出苗期內的灌溉需水量最小，在5%豐水年其理論計算值為負值。同時，受降雨量年內分布的影響，春玉米和夏玉米灌溉需水量最大時期均為抽穗-乳熟期，其均值分別為131、136 mm，灌溉需水量最小的時期均為播種-出苗期，其均值分別為15、24 mm。表2

3 討 論

3.1 ET0計算方法適用性及特征

H-S法與P-M法的計算結果最為接近，擬合趨勢線的斜率接近于1［14］，逐年ET0累計值以30年均值960 mm為基準呈增減交替式上升，波動范圍為837～1 102 mm，2009年的ET0累計值達到1 102 mm，為最大值，1989年的ET0累計值達到837 mm，為最小值，兩者相差265 mm［22］。目前尚未有研究表明除P-M公式外，任何一種ET0的簡便算法對所有地區具有普遍適用性［23］，王君勤等［24］研究發現，在我國溫帶大陸區，基于溫度的ET0簡便方法更為適用，且研究區ET0越大，溫度模型的精確度越高。高傳昌等［25］針對阿克蘇地區進行了H-S法的適用性評價，研究結果表明該方法特別適用于阿克蘇市氣候類似的西部地區。研究選取的H-S法、I-A法、P-T法中，前兩種計算結果與P-M法誤差較小，可替代作為P-M法進行阿克蘇市的ET0計算，與已有研究結果一致。阿克蘇市ET0年際間變化不大，較其他地區其值普遍偏高，年內呈先增大后減小的變化趨勢，最高值集中在5～8月，最低值出現在12月、1月，與段崢嶸等［26］、張守紅等［27］研究結果較為一致。研究表明，氣溫和風速對研究區ET0的變化影響較大，且與ET0呈顯著正相關［28］，研究中，阿克蘇市5～8月氣溫較高，風速較大，導致該時段的ET0較其他月份普遍偏高。

3.2 不同作物生育期內ET0及需水規律特征

研究所涉及的幾種作物，ET0由大到小依次為分別為棉花、春玉米、冬小麥、夏玉米。棉花和春玉米的生長天數和生育期相差不大，但兩者生長天數遠大于夏玉米，約35～50 d，因此夏玉米生育期內ET0累計值較棉花及春玉米偏小。冬小麥生長天數雖遠大于棉花和春玉米，但其全生育期為10月至次年6月，該生育期內絕大多數時期日照時數偏小、氣溫較低、降雨量較少，進而導致

作物氣孔開度較小，作物含水量較少，使得作物蒸騰作用減弱而導致ET0較棉花及春玉米偏小。研究結果全生育期需水量與最大需水量生育階段：冬小麥（492 mm、返青-拔節期）、棉花 （604 mm、開花-吐絮期）、春玉米 （458 mm、抽穗-乳熟期）、夏玉米 （433 mm、抽穗-乳熟期），基本符合劉鈺等［28］、王志成等［29］、鄭佳媛等［30］給出的需水量區間范圍及需水關鍵生育期。

4 結 論

4.1 在阿克蘇市H-S法與I-A法均可替代P-M法進行參考作物蒸散量的計算，其中H-S法更為適用，而P-T法的適用性不強。

4.2 "阿克蘇市的年參考作物蒸散量累計值以960 mm為基準整體呈小幅度上升。不同典型年份下，阿克蘇市參考作物蒸散量最大值集中在5～8月，最小值為12月，1月次之。

4.3

整個生育期內，棉花灌溉需水量最大，其次為冬小麥、春玉米，夏玉米最小。冬小麥和棉花灌溉需水量分別在返青-拔節期、開花-吐絮期最大，在越冬-返青期、播種-出苗期最小；春玉米和夏玉米灌溉需水量均在抽穗-乳熟期最大，在播種-出苗期最小。

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Analysis of reference crop evapotranspiration and

characteristics of irrigation water requirement of different crops

ZHANG Ni1，ZHENG Zhiwei1，DOU Jingjing1，WANG Yikun1，

ZHANG Yanfen2，LIU Chunlai2

（1. College ofnbsp; Water Conservancy Engineering， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300392， China；2. Tianjin Water Conservancy Research Institute， Tianjin 300061， China）

Abstract：【Objective】 The reference crop evapotranspiration combined with crop coefficient can be used to estimate the irrigation water requirement at each growth stage of crops， which might provide a basis for agricultural water allocation.

【Methods】" In this paper， the reference crop evapotranspiration （ET0） was simulated by Hargreaves-Samani （H-S）， Irmark-Allen （I-A） and Priestley-Taylor （P-T） methods in Aksu city of Xinjiang. The precision of the three simulation methods was evaluated according to R2， nRMSE and MAPE， and the variation of ET0 at interannual and monthly scales was analyzed. Different typical years were selected to analyze the water demand rules of winter wheat， cotton， spring maize and summer maize.

【Results】" （1） The R2 of ET0 calculated by Hargreaves-Samani method， Irmark-Allen method and Priestley-Taylor method were 0. 965， 0. 949 and 0. 946， respectively， and MAPE were 20. 85 %， 26. 46 % and 66. 71 %， respectively. （2） The 30-year average cumulative value of ET0 in the study region was 960 mm， which was larger from May to August and smaller in December and January. （3） The irrigation water requirements of winter wheat， cotton， spring corn and summer corn were 108 mm， 308 mm， 131 mm and 136 mm respectively in the regreening-jointing stage， flowering-budding stage， heading-milk stage and heading-milk stage. （4） During the whole growth period， the water requirements of winter wheat， cotton， spring corn and summer corn were 448， 533， 394 and 385 mm， respectively.

【Conclusion】" H-S method and I-A method has good universality in Aksu city; the cumulative value of ET0 in the study region did not change much between years， and it increased first and then decreased during the year; the key water requirement periods of winter wheat cotton， spring corn and summer corn were reviving-jointing stage， flowering-flocculation stage， heading-milk ripening stage and heading-milk ripening stage， respectively; during the whole growth period， the water requirement of cotton is the largest， followed by winter wheat， spring corn and summer corn.

Key words：reference crop evapotranspiration; Hargreaves-Samani method; Irmark-Allen method; Priestley-Taylor method; irrigation water requirement

Fund projects：Project of National Natural Science Foundation of China （51779174） ; Major Science and Technology Project of the Ministry of Water Resources（SKS2022050） ; Key Project of Science and Technology Support Program of Tianjin （18YFZCSF00650） ; Human Resources and Social Security Bureau Project of Tianjin + Team Key Training Project （XB202016）

Correspondence author：ZHENG Zhiwei（1981-）， male， from Tangshan， Hebei， associate professor， research direction： research on water-saving irrigation theory and application technology， （E-mail） zhiwei35883@163.com

收稿日期（Received）：

2023-12-12

基金項目：

國家自然科學基金項目（51779174）；水利部重大科技項目（SKS"" 2022050）；天津市科技支撐重點項目（18YFZCSF00650）；天津市人社局項目+團隊重點培養專項（XB202016）

作者簡介：

張妮（1997-），女，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為節水灌溉，（E-mail） 861909349@qq.com

通訊作者：

鄭志偉（1981-），男，河北唐山人，副教授，研究方向為節水灌溉，（E-mail） zhiwei35883@163.com