作物需水量預(yù)測計算研究進(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)下在大田中生長的無病害作物的蒸發(fā)蒸騰用來滿足水分損失所需的水的深度，并且在給定的生長環(huán)境下實現(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，完全遮蔽地面，并且不缺水。每天增長情況按毫米計算。為了使用平均每日氣候數(shù)據(jù)評估ET0，采用以下四種方法，即布萊尼-克里德爾法(Blaney-Criddle)，輻射法，彭曼公式法和蒸發(fā)皿法。

作物特征對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，其生長階段，生長季節(jié)和主要天氣條件而變化。ETcrop可以以mm/d為單位測定，作用在相同的10 d或30 d時間段內(nèi)的平均值。

對作物需水量的當(dāng)?shù)貤l件和農(nóng)業(yè)實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、栽培方法和實踐方法，需要現(xiàn)場數(shù)據(jù)[5]?；诳捎玫臍庀髷?shù)據(jù)和準(zhǔn)確性，選擇預(yù)測方法來計算ET0，然后收集和評估氣候和作物數(shù)據(jù)。

選擇種植模式確定種植或播種的時間，作物發(fā)育速率，作物發(fā)育階段的長度和生長期。然后選擇在主要氣候條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)測在下一世紀(jì)地球溫度將增加幾度[6-8]。有人說，人為溫室氣體增加對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[9]。

1 需水預(yù)測

作物需水量是計算水土資源平衡和灌溉項目設(shè)計，運行和管理的重要參數(shù)[6]。國內(nèi)外已經(jīng)提出了許多測量和估計作物需水量的方法。本文回顧了四種方法，即布萊尼-克里德爾法(Blaney-Criddle)，輻射法，彭曼公式法和蒸發(fā)皿法，用于預(yù)測作物的需水量。

1.1 布萊尼-克里德爾法(Blaney-Criddle)

對于可用氣候數(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)生的年度白天小時的平均溫度(T，華氏度為單位)和百分比(p)計算消耗使用系數(shù)(f)。然后應(yīng)用經(jīng)驗確定的消費使用作物系數(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Makkink公式(1957年)的改編。對于可用氣候數(shù)據(jù)包括測量的空氣溫度和日照，云量或輻射，但不測量風(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)貋碓赐茢喙烙嬏鞖庾兓闆r。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，即使測量的陽光或云量數(shù)據(jù)不可用，在這種情況下，為世界上大多數(shù)地點準(zhǔn)備的太陽輻射圖應(yīng)能夠提供必要的太陽輻射數(shù)據(jù)[11]。

根據(jù)日照時間或云量數(shù)據(jù)計算太陽輻射(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間。Ra的一部分在通過大氣時被吸收和散射。剩余部分，包括一些散射但到達(dá)地球表面的部分，被識別為太陽輻射(Rs)。Rs取決于Ra和通過大氣的透射，這在很大程度上取決于云層。輻射以幾個單位表示；轉(zhuǎn)化成熱量可以與從開放水面蒸發(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也可以從測量的陽光持續(xù)時間記錄中獲得如式(2)所示：

Rs=(0.25+0.50n/N)Ra

(2)

式中：n/N為實際測量的明亮日照時間和最大可能日照時間之間的比率。例如使用坎貝爾斯托克斯陽光記錄儀的n的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在當(dāng)?shù)乜捎?。n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

對于可獲得溫度、濕度、風(fēng)和日照持續(xù)時間或輻射的測量數(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)測了從開放水面(E0)的蒸發(fā)損失。實驗確定的作物系數(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組成：能量(輻射)項和空氣動力學(xué)(風(fēng)和濕度)項。每個術(shù)語的相對重要性隨氣候條件而變化。在正常的天氣條件下，空氣動力學(xué)術(shù)語通常不如能量項重要。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來自特定開放水面的蒸發(fā)的綜合效應(yīng)的測量。以類似的方式，植物對相同的氣候變量作出響應(yīng)，但是幾個主要因素可能產(chǎn)生水損失的顯著差異。來自水面的太陽輻射的反射僅為5%～8%，來自最大植被表面的太陽輻射的反射20%～25%[13]。在蒸發(fā)皿內(nèi)儲存熱量是明顯的，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，來自蒸發(fā)皿和來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)生通過蒸發(fā)皿的側(cè)面的熱傳遞，這對于凹下的蒸發(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)皿來預(yù)測10 d或更長時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)驗導(dǎo)出系數(shù)(Kp)。

2 作物需水量預(yù)測因子的修正

為了在廣泛變化的氣候條件下更好地預(yù)測，布萊尼—克里德爾法(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-克里德爾法(Blaney-Criddle)修正

氣候?qū)ψ魑锼枨蟮挠绊?，反映為沒有足夠的溫度和日照長度；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?，但仍然采用布萊尼-克里德爾法溫度和白天長度相關(guān)的f因子，提出了一種計算參考作物蒸發(fā)蒸騰(ET0)的方法。原始布萊尼-克里德爾法中使用的作物系數(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間的平均每日百分比，%；c為調(diào)整系數(shù),取決于最小相對濕度，日照時數(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)來預(yù)測ETcrop。

由于涉及使用單一天氣因子的任何ET預(yù)測方法，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，對季節(jié)的響應(yīng)很小，由于相當(dāng)?shù)偷钠骄諟囟群驮谶^渡月期間日照時間變化很大的氣候(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的計算應(yīng)不短于一個月。由于對于給定的位置，氣候條件和ET0可以逐年變化很大，因此ET0應(yīng)優(yōu)先選擇對于每個記錄年份的每個日歷月計算，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)相對較長，但與具有相同天長度值的低和中緯度地區(qū)相比，輻射較低。這導(dǎo)致對與日長度相關(guān)的p因子賦予不適當(dāng)?shù)臋?quán)重。對于緯度更高的地區(qū)，計算的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。

最好對每個記錄年份的每個月或周期進(jìn)行計算，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

修改彭曼方程來確定ET0，涉及需要修正風(fēng)函數(shù)項。該方法使用平均日氣候數(shù)據(jù)；因為白天和黑夜時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ET0的影響的加權(quán)因子。

給出的彭曼方程假定最常見的條件，其中輻射為中到高，最大相對濕度為中到高，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。對于這種情況，需要對彭曼方程進(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，周圍環(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瀝青覆蓋時，蒸發(fā)皿相對空氣溫度可以提高2～5 ℃，相對濕度降低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%；對于風(fēng)、溫度和相對濕度中等水平的區(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)測了氣候?qū)⒖甲魑镎羯⒘?ET0)的影響。為了解釋作物特征對作物需水量的影響，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的無病害作物的蒸發(fā)蒸騰，并且在給定的生長環(huán)境下實現(xiàn)安全生產(chǎn)潛力。

四種方法中的每一種預(yù)測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、生長季節(jié)的長度和氣候條件[15]。特別是在作物的早期生長階段，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周期的長度，作物發(fā)育到完全地被覆蓋和成熟的開始的速度。例如，根據(jù)氣候，甜菜的總生長季節(jié)可以在秋季、春季的230 d到夏季的160 d。對于大豆，生長季節(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；例如對于甜菜，達(dá)到完全發(fā)育或最大需水量所需的時間從秋季播種的總生長季節(jié)的60%變化到早播夏季的約35%。在為給定作物選擇生長季節(jié)中的每個時期或月份的適當(dāng)Kc值時，必須考慮作物發(fā)育的速率。蒸騰和蒸發(fā)由不同的物理過程控制。并且為了簡單起見，在本文中通過適當(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；只是在播種后和在早期生長期期間，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)時間被灌溉和雨水濕潤時[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，尤其在夏天可能會出現(xiàn)20%的誤差；Blaney-Criddle方法應(yīng)僅能應(yīng)用一個月或更長的時間，在潮濕、有風(fēng)、中緯度冬季條件下，預(yù)測誤差會更大。