小时与日尺度PM公式的参照作物腾发量及其水稻单作物系数值差异

2019-03-26王可纯蔡少杰吕玉平廖林仙徐俊增

水资源与水工程学报 2019年1期

王可纯，蔡少杰，卫琦,2，吕玉平，廖林仙，徐俊增,2

(1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，江苏南京 210098; 2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098)

1 研究背景

作物腾发量(crop evaportranspiration，ET)是制定作物灌溉制度与开展水资源配置的主要依据[1-4]。作物腾发量的准确计算可在一定程度上节约灌溉用水量[5-6]，尤其是在农业用水量较大、作物生长对灌溉依赖程度较高的干旱和半干旱地区[7-10]。因此为了更好地管理作物灌溉用水量以及提高作物水分利用效率，必须准确确定作物腾发量(ET)。

参考作物腾发量(reference crop evaportranspiration，ET0)是计算作物ET的关键参数，基于Penman-Monteith公式联合国粮农组织(FAO)和美国土木工程师协会(ASCE)给出了两种计算ET0的标准：FAO定义的参考作物冠层阻力为70 s/m，反射率为0.23，并推荐改进的PM公式计算ET0[11-12]；ASCE定义的矮型参考作物[13-15](0.12m高的修剪冷型草)冠层阻力rs按白昼与黑夜进行了分别赋值，白天rs值为50 s/m，晚上rs值为200 s/m；而在以日为计算时段时，rs取70 s/m。此外，作物系数(crop coefficient，Kc)也是估算ET的关键因子[16-18]，其与作物的种类及生长阶段有关。不同作物上的研究表明，对Kc的区域性率定是准确计算作物ET的关键[19]，随着精准灌溉的发展，小时尺度的作物腾发量估算越来越重要。以往对于日尺度作物腾发量的研究结果表明，两种PM公式的计算结果关系密切，且ASCE PM公式的计算结果更为准确[20-22]。而关于FAO56 PM和ASCE PM两种公式在不同计算尺度下对日ET0计算结果的比较以及由于不同ET0计算对作物系数Kc取值的影响等方面的研究还较少。

因此，基于上述研究不足，本文拟以昆山2012-2013年常规小时气象资料为基础，以PM公式计算结果为对照，研究FAO56-PM和ASCE-PM两种计算模型在不同时间尺度(小时、日)的ET0差异，分析不同日ET0计算策略对作物Kc值的影响，其研究结果对于华东地区节水农业的灌溉制度制定具有重要的指导意义[23]。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

试验区位于河海大学国家重点实验室昆山试验研究基地(34°63′21″N，121°05′22″E)内，该试验区属于典型的亚热带季风气候区，多年平均气温15.5℃，多年平均蒸发量1 365.9 mm，多年平均降雨量1 097.1 mm，多年平均日照时数2 085.9 h，多年平均无霜期234 d。当地种植习惯为稻麦轮作，其中，水稻种植时间为6-10月份，小麦种植时间为11-次年5月，本试验主要在水稻生育期内进行。土壤属潴育型黄泥土，土壤耕层质地为重壤土，容重为1.30 g/cm3，pH值为7.4。

2.2 气象因子观测

2012-2013年常规气象资料由自动气象站进行观测，主要包括空气温度(含最高温度、最低温度和日平均温度)、气压、太阳辐射、降雨量、相对湿度(含最高湿度、最低湿度和日平均湿度)、风速和风向等指标，测定时间间隔为0.5 h。

2.3 实际腾发量ETa

实际腾发量ETa根据水量平衡原理计算而来，水量平衡公式如下：

h1+P+m-WC-d=h2

(1)

式中：h1为时段初田面水层深度；h2为时段末田面水层深度；P为时段内降雨量；d为时段内排水量；m为时段内灌水量；WC为田间耗水量。以上单位均以mm计。实际腾发量ETa为田间耗水量WC与田间渗漏量之差。水层深度通过竖尺在固定观测点观测并记录，灌溉水量直接由安装在灌溉管道上的水表读出，渗漏量则由翻斗式自动测量装置(精度为0.05 mm)测定。

2.4 ET0的标准化计算

ET0的标准化计算采用PM公式，PM公式在1998和2005年分别被FAO-56和ASCE-EWRI推荐使用，其具体计算公式如下：

(2)

式中：ET0为参考作物蒸腾蒸发量，mm/d或mm/h；G为土壤热通量，MJ/(mm·d)或MJ/(mm·h)；Rn为输入冠层的净辐射，MJ/(m·d)或MJ/(m·h)；es、ea分别为饱和水气压与实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压与气温关系曲线的斜率， kPa/℃；T为距地面2 m高处日平均气温，℃；u2为距地面2 m高处风速，m/s；γ为湿度计常数，kPa/℃；Cn(K·mm·s3/(Mg·d))或(K·mm·s3/(Mg·h))和Cd(s/m)为由参考作物类型和计算时间步长确定的常数(见表1)，0.408为计算常数，(m2·mm)/MJ。公式(2)中各参数的确定可参考文献[2]和[7]。

小时尺度的参考作物腾发量记为ET0-h，由ASCE和FAO56 PM公式计算的小时ET0分别记为ET0-hA和ET0-hF，由ASCE和FAO56 PM公式计算的ET0-h累积得到的日参考作物腾发量分别记为ET0-dhA和ET0-dhF，由PM公式计算日尺度的参考作物腾发量记为ET0-d。

表1 Cn和Cd在FAO-56 PM 和ASCE PM中的取值

2.5 作物系数Kc的确定

节水灌溉条件下，一般需要考虑土壤水分胁迫系数Ks，可根据推荐的计算公式得到，公式如下[24]：

(3)

作物系数用下式求得：

(4)

式中:Kc为特定作物生长阶段和作物管理条件下的当地的作物系数；ETa为实际作物腾发量，mm/d或mm/h；ET0为参照作物腾发量，mm/d或mm/h；Ks为水分胁迫系数，由ET0-d、ET0-dhA与ET0-dhF求得的水稻单作物系数分别记为Kc-d、Kc-dhA与Kc-dhF。

3 结果与讨论

3.1 小时尺度参考作物腾发量ET0-h的结果分析

图1为2012和2013年不同PM公式计算的小时尺度的参考作物腾发量(ET0-h)的结果。由图1可以看出，两种PM公式计算得到的ET0-h变化规律较为相似，但由于计算参数取值的不同，导致其在数值上有差异。总体上，由ASCE PM公式计算的ET0-h值范围为-0.05～0.92 mm/h，由FAO56 PM公式计算的ET0-h值范围为-0.05～0.89 mm/h。且当ET0-h值越大时，二者之间的差异也越大，但总体差异维持在-0.02～0.5 mm/h范围内。其中在白天，由于Cd取值的不同，导致ASCE PMET0-h值大于FAO56 PMET0-h值，而在夜间，由于Cd取值以及能量项和空气动力学项的差异导致两种计算公式ET0-h值大小关系并没有一致的规律。此外，若2 m高处风速u2接近或为0，不同的Cd的取值将不影响计算结果，两种计算标准求得的ET0-h值基本相同。

进一步分析ASCE PM公式和FAO56 PM公式在不同生育期的ET0-h日变化趋势(图2)，可以发现，在不同生育期内，ET0-h变化均呈抛物状分布，且ET0-h值在中午时刻(12：00左右)达到最大，而夜间则维持在较低水平，这一特征与太阳净辐射的分布较为相似，说明太阳净辐射对ET0-h影响较大。两种计算公式下ET0-h值在同一年内差异较小，但在不同年际间有所差异。

3.2 日尺度参考作物腾发量ET0-d的结果分析

日参考作物腾发量由两种PM公式计算得到，计算值与小时累积值对比见图3。根据图3可以看出，整体上，ET0-dhA、ET0-dhF与ET0-d之间具有良好的线性关系，其相关系数R2达0.97以上，且其大小关系表现为ET0-dhA>ET0-d>ET0-dhF，其中2012年的ET0-dhA、ET0-dhF与ET0-d之间的误差分别为1.69%、1.81%，而2013年的误差则略有所减小(1.19%和1.63%)。进一步比较不同计算策略下日参考作物腾发量在不同生长时期的日ET0均值(表2)，并结合作物不同生长时期内的气象因子变化，可以发现，2013年全生育期内的平均温度(27.24℃)和平均净辐射(126.67 W/m2)分别较2012年的值提高了7.6%和5.5%，对比2012和2013年不同生长时期的日ET0值，可发现除生长后期外，2013年日ET0均大于2012年，由此推测出造成年际间日ET0值发生变化的原因可能是由太阳净辐射Rn和温度T在年际间的变化引起的。

3.3 不同时间尺度计算ET0对确定水稻单作物系数的差异

通过分析不同计算策略下日ET0对作物系数的影响(图4)，可以看出，作物系数Kc值与日ET0之间具有良好的线性关系，其相关系数R2达0.90以上，且大小关系表现为Kc-dhF>Kc-d>Kc-dhA，其中2012年Kc-dhA、Kc-dhF与Kc-d之间的误差为1.13%、4.61%，2013年误差为2.37%、0.52%，整体误差较小(0～5%)。进一步分析作物不同生长时期Kc的均值(表3)可以发现，总体上，Kc在生长初期较小，而随着作物的生育期的进行，其Kc值逐渐增大，并在生长中期达到最大，此后又随作物的枯萎而逐渐减小。此外，通过进一步分析由实测日腾发量ETa求得的Kc值和FAO推荐值之间的关系，可以发现，由水稻实测日腾发量ETa求得的Kcini、Kcmid和Kcend值2012年分别为1.20、1.60和0.76，2013年分别为1.14、1.63和0.96，均略大于由FAO推荐的单作物系数修正法计算得到的Kcini、Kcmid和Kcend的值(1.05、1.12、0.85)。由此可以看出，单作物系数Kc值的区域性率定对于作物腾发量ETa的准确计算至关重要。