單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法計(jì)算ET

1、單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量的比較研究樊引琴，蔡煥杰(西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)水土工程實(shí)驗(yàn)室)摘 要：本文采用FA0-56推薦的計(jì)算作物需水量的單作物系數(shù)和雙作物系數(shù)方法，應(yīng)用陜西楊凌地區(qū)的資料，分別計(jì)算了作物需水量，并和蒸滲儀的實(shí)測值進(jìn)行了對(duì)比，分析了其差異及原因。結(jié)果表明，在地面部分覆蓋的情況下，雙作物系數(shù)法比單作物系數(shù)法更接近實(shí)測值，而在地面完全覆蓋情況下，兩者差別不大。關(guān)鍵詞：作物需水量；蒸滲儀；作物系數(shù)基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士點(diǎn)基金和國家留學(xué)回國人員啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目的部分內(nèi)容。作者簡介：樊引琴(1976-)，女，陜西寶雞人，碩士，研究方向：節(jié)水灌溉。作物需水量是制定流域規(guī)劃，

2、地區(qū)水利規(guī)劃及灌排工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和農(nóng)田灌排實(shí)施的基本依據(jù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中占有重要地位。因此，準(zhǔn)確地確定作物需水量是十分必要的。作物需水量的計(jì)算方法很多，最常用的方法是作物系數(shù)-參考作物需水量(KcET0)法。作物系數(shù)反映作物和參考作物之間需水量的差異，可用一個(gè)系數(shù)來綜合反映，也可用兩個(gè)系數(shù)分別來描述蒸發(fā)和蒸騰的影響，即所謂的單作物系數(shù)和雙作物系數(shù)。雙作物系數(shù)是把作物系數(shù)分為基礎(chǔ)作物系數(shù)和土壤蒸發(fā)系數(shù)兩部分。基礎(chǔ)作物系數(shù)說明蒸騰作用，而土壤蒸發(fā)系數(shù)則描述蒸發(fā)部分。在已往對(duì)作物系數(shù)的研究中總是把植株蒸騰和土壤蒸發(fā)統(tǒng)一考慮，即用單作物系數(shù)。但土壤蒸發(fā)與植株蒸騰的比例在作物生育期內(nèi)會(huì)有很大變化

3、。在作物完全覆蓋地面以后，土壤蒸發(fā)相對(duì)較小，蒸騰占主導(dǎo)地位；但當(dāng)作物較小或比較稀疏時(shí)，在降雨或灌溉后，土壤蒸發(fā)則起主要作用，可以占到很大比例，特別是在土壤表面經(jīng)常濕潤的條件下。由于大部分作物在生育期中有相當(dāng)一部分時(shí)間地面覆蓋不完全，此時(shí)，要準(zhǔn)確估算作物需水量就需全面考慮土壤蒸發(fā)和作物蒸騰。目前關(guān)于作物需水量的計(jì)算，大多采用單作物系數(shù)法。本文旨在利用位于陜西楊凌的西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉試驗(yàn)站的資料，對(duì)單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法計(jì)算的作物需水量進(jìn)行比較，分析其差異及原因，以便為準(zhǔn)確地計(jì)算作物需水量以及制定科學(xué)、合理的灌溉制度提供依據(jù)。1 研究條件1.1 試驗(yàn)條件 試驗(yàn)在位于陜西楊凌的西北農(nóng)

4、林科技大學(xué)灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。供試作物為冬小麥，1999年10月12日播種，次年6月4日收割。土壤質(zhì)地為中壤土，1m土層的田間持水量為23%25%，凋萎含水量為11%12%(以上均為重量含水量).地下水埋藏較深，其向上補(bǔ)給量可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有氣象站，可獲得每日的氣象資料。用田間的大型稱重式蒸滲儀測定作物的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，蒸滲儀面積為2.5m×2.5m，深3m，采用優(yōu)良的稱重系統(tǒng)，具有很高的分辨率和精度，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集和記錄數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每15min采集一次，可得到短時(shí)段內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰量。1.2 作物生育期的劃分 將冬小麥全生育期分為4個(gè)階段：初期、發(fā)育期、中期和

5、后期。初期階段從播種開始的早期生長時(shí)期，土壤根本或基本沒有被作物覆蓋(地面覆蓋率小于10%)；發(fā)育階段從初始生長階段結(jié)束到作物有效覆蓋土壤表面(地面覆蓋率70%80%)的一段時(shí)間；中期階段從充分覆蓋到成熟開始，葉片開始變色衰老的一段時(shí)間；后期階段從中期結(jié)束到生理成熟或收獲的一段時(shí)間。根據(jù)陜西楊凌當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及作物的實(shí)際生長狀況，各生育階段的長度分別取為：130d(越冬前60d，越冬期70d)，50d，37d，20d.初期較長是因?yàn)槎←溞枰?jīng)歷很長的越冬期，在越冬期土壤凍結(jié)，地上部分停止生長，土壤蒸發(fā)和植株蒸騰都非常小，所以把越冬期劃入初期階段。2 作物需水量的計(jì)算方法FAO作物需水量專家咨

6、詢組(Allen等，1994)推薦充分供水條件下采用的作物需水量計(jì)算公式如下：ET=KcET0(1)ET=(Kcb+Ke)ET0(2)式中：ET0為參考作物需水量；Kc為綜合作物系數(shù)；Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù)；Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù)。2.1 參考作物需水量的計(jì)算 參考作物需水量(ETO)的計(jì)算方法很多，本文采用標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化后的FAO Penman-Monteith公式1：ET0=0.408(Rn-G)+900/T+273u2(es-ea)/+(1+0.34u2)(3)式中：ET0為采納靠作物需水量(mm/d);Rn為作物表面的凈輻射量(MJm-2d-1);G為土壤熱通量(MJm-2d-1)

7、;T為平均氣溫()；U2為2m高處的平均風(fēng)速(m/s);es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/)；為干濕表常數(shù)(kPa/).2.2 單作物系數(shù)(綜合作物系數(shù)Kc)的計(jì)算 FAO-56推薦的冬小麥各生育階段的單作物系數(shù)分別為：Kc ini1=0.7(非凍土期)，Kc ini2=0.4(凍土期)，Kc mid=1.15，Kc end=0.25；當(dāng)?shù)氐淖魑锵禂?shù)值需要按濕潤頻率和氣候條件對(duì)推薦值進(jìn)行調(diào)整2。2.2.1 初期階段作物系數(shù)(Kc ini)的確定 初期階段土壤蒸發(fā)在作物需水量中占主導(dǎo)地位，因此，確定Kc i

8、ni值時(shí)需考慮降雨或灌溉的影響。土壤蒸發(fā)分2個(gè)階段：在第一階段，潛在蒸發(fā)速率Eso=1.15ET0，所需時(shí)間t1=REW/Eso。當(dāng)濕潤間隔時(shí)間tw<t1時(shí)，也就是整個(gè)過程處在蒸發(fā)的第一階段時(shí)，Kc ini=1.15；當(dāng)tw>t1時(shí)，即蒸發(fā)的第二階段時(shí)，計(jì)算公式為：Kc ini=TEW-(TEW-REW)exp-(tw-t1)Eso(1+REW/TEW-REW/TEW)twET0(4)式中：TEW為總蒸發(fā)水量(mm);REW為易蒸發(fā)水量(mm)，本文取REW=9mm;tw為濕潤間隔時(shí)間(d);t1為第一階段蒸發(fā)所需時(shí)間(d)，；Eso為潛在土壤蒸發(fā)速率(mm/d)，；ET0為初期參

9、考作物需水量的平均值(mm/d).式中各參數(shù)的計(jì)算見參考文獻(xiàn)2。2.2.2 中期和后期作物系數(shù)(Kc mid,Kc end)的確定 根據(jù)FAO-56提供的Kc mid和Kc end,當(dāng)中期和后期最小相對(duì)濕度的平均值RHmin45%，2m高處的日平均風(fēng)速u22.0m/s時(shí)，按下式調(diào)整：Kc=Kc(推薦)+0.04(u2-2)-0.004(RHmim-45)(h/3)0.3(5)式中：RHmin為計(jì)算時(shí)段內(nèi)每日最小相對(duì)濕度的平均值(%)，20%RH80%；u2為計(jì)算時(shí)段內(nèi)2m高處的日平均風(fēng)速(m/s),1m/su26m/s;h為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均株高（m），0.1mh<10m.2.3

10、 雙作物系數(shù)的計(jì)算3.3.1 基礎(chǔ)作物系數(shù)(Kcb)的確定 FAO-56推薦的基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為：Kcb ini=0.15，Kcb mid=1.10，Kcb end=0.15.當(dāng)中期和后期最小相對(duì)濕度的平均值RHmin45%，2m高處的日平均風(fēng)速u22m/s，且Kcb>0.45時(shí)Kcb mid和Kcb end按下式調(diào)整：Kcb=Kcb(推薦)+0.04(u2-2)-0.004(RHmin-45)(h/3)0.3(6)3.3.2 土壤蒸發(fā)系數(shù)(Ke) 在較大降雨或灌溉后表土濕潤，Ke達(dá)到最大值；當(dāng)表土干燥時(shí)，Ke很小，甚至為零。土壤蒸發(fā)系數(shù)可用下式確定：Ke=Kr(Kc

11、 max-Kcb)fewKc max(7)式中：Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù)；Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù)；Kc max為降雨或灌溉后作物系數(shù)的最大值；Kr為由累積蒸發(fā)水深決定的表層土壤蒸發(fā)衰減系數(shù)；few為發(fā)生棵間蒸發(fā)的土壤占全部土壤的比例。式中各參數(shù)的確定方法見參考文獻(xiàn)2。3 結(jié)果與討論3.1 根據(jù)推薦值，兩種方法計(jì)算的作物需水量與實(shí)測值的比較 FAO推薦的作物系數(shù)經(jīng)調(diào)整后，單作物系數(shù)和雙作物系數(shù)兩種方法的計(jì)算值與實(shí)測值的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差在發(fā)育期和中期特別大，導(dǎo)致全生育期的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差也很大，所以應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況重新修正初始值。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，作物的實(shí)際生長狀況及實(shí)測結(jié)果，修正后各

12、階段的單作物系數(shù)分別為：Kc ini=0.5，Kc mid=0.9，Kc end=0.3；基礎(chǔ)作物系數(shù)分別為Kcb ini=0.2,Kcb mid=0.9，Kcb end=0.2.由于本實(shí)驗(yàn)在冬小麥的越冬期進(jìn)行了一次冬灌(I=54mm)，越冬期與越冬前的作物系數(shù)基本相近，所以在整個(gè)初期階段取為一個(gè)值。3.2 修正后兩種方法的計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比 圖1是計(jì)算的作物需水量與實(shí)測值在全生育期的逐日變化過程。從圖1可以看出，在大多數(shù)情況下，計(jì)算值和實(shí)測值非常類似，實(shí)測值受偶然因素的干擾，波動(dòng)較大，計(jì)算值比較穩(wěn)定。在初期和后期，計(jì)算的ET比實(shí)測值稍低；在發(fā)育期和中期，計(jì)算的ET比實(shí)測值稍高。單

13、作物系數(shù)的計(jì)算值反映了各階段ET的平均值，而雙作物系數(shù)的計(jì)算值能很好地反映降雨或灌溉后ET的變化。灌溉后的前幾天計(jì)算的ET比實(shí)測值大，可能是由于過高地估算了土壤蒸發(fā)系數(shù)(Ke).表2給出了各生育階段2種方法的計(jì)算值與實(shí)測值的絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差，從表中可以看出，在作物生長的初期、發(fā)育期和后期，用雙作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量明顯地比用單作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量更接近蒸滲儀的實(shí)測值；在中期，用單作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量和用雙作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量十分接近，絕對(duì)偏差分別為4.23mm和5.34mm，相對(duì)偏差分別為3.5%和4.4%，單作物系數(shù)法計(jì)算的絕對(duì)和相對(duì)偏差稍低。從全生育期來看，雙作物系數(shù)計(jì)算的

14、作物需水量比單作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量更接近實(shí)測值。圖1 全生育期內(nèi)計(jì)算的ET與實(shí)測值逐日變化過程表2 兩種方法根據(jù)修正值計(jì)算的作物需水量與實(shí)測值的比較單作物系數(shù)法雙作物系數(shù)法生育階段計(jì)算值/mm實(shí)測值/mmET/mmR(%)計(jì)算值/mm實(shí)測值/mmET/mmR(%)初期階段86.2788.16-1.89-2.1488.0188.16-0.15-0.17發(fā)育階段91.1081.199.9112.2081.5281.190.330.41中期階段125.96121.734.233.47127.07121.735.344.39后期階段45.9248.65-2.73-5.6148.0848.65-0.

15、57-1.17全生育期349.25339.739.522.80344.68339.734.951.46圖2示出了單作物系數(shù)法與雙作物系數(shù)法計(jì)算的作物需水量之間的關(guān)系。從圖可以看出，單作物系數(shù)法與雙作物系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)接近，二者有很好的相關(guān)性。3.3 蒸發(fā)占蒸發(fā)蒸騰量的比例在全生育期的變化 從表3可以看出：生長初期，地面覆蓋度小，以蒸發(fā)為主，蒸發(fā)占蒸發(fā)蒸騰量的60.8%，降雨或灌溉后濕土蒸發(fā)強(qiáng)度增大的幅度很大；隨冠層的發(fā)育，蒸發(fā)所占的比例明顯下降，降雨或灌溉后濕土蒸發(fā)強(qiáng)度增大的幅度也逐漸減小；中期，地面充分覆蓋，蒸發(fā)所需的能量被冠層吸收，以蒸騰為主，蒸發(fā)所占的比例很小，只有0.9%

16、，降雨或灌溉對(duì)蒸發(fā)的影響很?。粓D2 單作物系數(shù)法與雙作物系數(shù)法計(jì)算結(jié)果的關(guān)系后期，隨作物的成熟，葉片的衰老，覆蓋度減小，蒸發(fā)所占的比例又有所上升。單作物系數(shù)綜合反映了土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的影響，而雙作物系數(shù)中的土壤蒸發(fā)系數(shù)單獨(dú)描述了降雨或灌溉后土壤蒸發(fā)的變化情況，所以在作物生長的初期、發(fā)育期和后期，用雙作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量明顯地比用單作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量更接近蒸滲儀的實(shí)測值；在中期，用單作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量和用雙作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量十分接近。表3 雙作物系數(shù)計(jì)算的土壤蒸發(fā)占作物蒸發(fā)蒸騰量的比例生育階段初期階段發(fā)育階段中期階段后期階段全生育期土壤蒸發(fā)E/mm53.507.541.1

17、15.6167.76蒸發(fā)蒸騰ET/mm88.0181.52127.0748.08344.68E/ET(%)60.89.30.911.719.7由于在冬小麥的整個(gè)生育期中，大部分時(shí)間地面處于不完全覆蓋，蒸發(fā)占總需水量的19.7%，因此需全面考慮土壤蒸發(fā)的影響，而雙作物系數(shù)中的土壤蒸發(fā)系數(shù)能很好地反映降雨或灌溉后土壤蒸發(fā)的變化，所以從全生育期來看雙作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量比單作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量更接近于實(shí)測值。4 結(jié)論與建議(1)通過對(duì)FAO-56提供的作物系數(shù)的修正，用單作物系數(shù)法和雙作物系數(shù)法分別計(jì)算的陜西關(guān)中地區(qū)的作物需水量與實(shí)際作物需水量是十分接近的，其絕對(duì)偏差分別為9.53mm和4.

18、96mm；相對(duì)偏差分別為2.8%和1.5%.(2)從兩種方法的計(jì)算值與實(shí)測值的誤差分析看出，雙作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量比單作物系數(shù)計(jì)算的作物需水量更切合實(shí)際，尤其是在地表覆蓋度較小的情況下。建議采用雙作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量。(3)從總體來看，兩種方法計(jì)算的作物需水量有很好的相關(guān)性，由于單作物系數(shù)法比雙作物系數(shù)法簡單，在進(jìn)行作物生育期需水量計(jì)算時(shí)可采用單作物系數(shù)，但是在利用作物需水量進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)和灌溉決策時(shí)，要求的時(shí)段小，應(yīng)考慮土壤蒸發(fā)的影響，此時(shí)宜采用雙作物系數(shù)法計(jì)算的作物需水量值。(4)本文計(jì)算的作物需水量是在冬小麥充分供水條件下得到的，而對(duì)于非充分供水條件下作物需水量的計(jì)算，應(yīng)考慮土壤水分修正，還有待進(jìn)一步研究。參 考 文 獻(xiàn)：1 Allen R G,Smith M,Perrier A,Pereira L S.An Update for the Definition of Reference EvapotranspirationJ。ICID Bulletin 1994,43(2)。2 Richard G Allen,Luis S