作物蒸散量计算模型研究进展

2019-09-10周彦丽

农业灾害研究 2019年4期

关键词：作物公式土壤

周彦丽

摘要从作物需水量与蒸散量关系出发，对目前国内外计算作物蒸散量的不同模型，包括单一模型、互补相关模型、红外遥感模型、SWAP模型等进行了总结，初步探讨了这些模型各自的优势和存在的问题，并预测了作物蒸散量计算模型的发展趋势。

关键词作物蒸散量;计算模型

中图分类号：S311 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）04-079-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.032

Abstract In this paper，the relationship between crop water demand and evapotranspiration was discussed. The different models for calculating crop water evapotranspiration at home and abroad，including single model，complementary correlation model，infrared remote sensing model，and SWAP model were summarized. The advantages and existing problems of these models were preliminarily discussed，and the development trend for calculation models of crop evapotranspiration was predicted.

Key words Crop evapotranspiration;Calculation models

水分循环是生态系统中物质传输及环境调节的重要环节，水分通过蒸散过程从土壤和作物输送到大气中，在大气中凝结，再以降水的形式返回土壤中。土壤水分通过作物棵间地表和作物叶面的蒸发蒸腾，是在农业生产中计算农业灌溉用水量、制定农作物灌溉计划、预测土壤水分动态及区域水资源变化的重要依据。因此，准确模拟蒸散的物理过程，计算农田蒸散量，对研究全球气候演变、改善水资源短缺问题、推广节能灌溉模式、提高水资源利用率、缓解农业旱情，有着重要意义。该文从作物需水量与蒸散量的关系入手，初步探讨当前计算蒸散量所用模式和研究进展。

1 蒸散量计算模式

1.1 需水量与蒸散量的关系

理论上，作物需水量是指在土壤水分和肥力条件适宜、没有病虫害干扰、能够获得稳定高产的前提下，为满足作物植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体和进行光合作用等生理过程所需的水量。但在实际生产中，由于组成植物体和进行光合作用等消耗的水分占总需水量的比例不足1%，且受多种因素影响，难以获得精确的计算结果，因此在计算蒸散量时，通常将这部分消耗的水分忽略不计。即认为作物需水量等于植株蒸腾量和棵间蒸发量之和，气象学、水文学和地理学中称之为“蒸散量”。

1.2 蒸散量计算的基础模型

农田表面和植株叶面是作物蒸发蒸腾的界面，也是土壤与大气、作物与大气、作物与土壤的接触界面。影响作物蒸散量的因素多而复杂，给计算模型的建立增加了难度，但主要受气象因素、土壤因素和作物因素的影响。气象因素和土壤因素是外部因素，前者的影响因子主要有太阳辐射、日照、温度、湿度、风速等，后者的影响因子主要有土壤结构、土壤性质、有机质含量、水分含量等;作物因素是内部因素，影响因子主要有作物种类、作物品种、生育期和生长状况等。因此，作物蒸散量计算的基础模型可以表达为：

ET=fi（M，S，B）

其中，ET表示作物蒸散量;fi表示函数符号;M表示气象因子;S表示土壤因子;B表示作物因子。

目前，计算作物蒸散量的方法基本可分为2类：一是先根据气象资料计算各生育阶段的潜在蒸散量，然后综合考虑作物系数和土壤系数，再计算实际蒸散量;二是先计算作物整个生育期的总蒸散量，然后按照各生育阶段的不同系数，分别计算各生育阶段的蒸散量。

2 实际蒸散量的计算模型

2.1 单一模型

单一模型可分为2类：一是直接计算实际蒸散量，多用于模拟某一具体时刻的蒸散量，缺点是需要的参数多，在实际运用中存在较大困难。二是先计算参考作物蒸散量，然后根据作物生长状况和土壤实际水分状况进行修正。这类模型可以用于计算一天及更长时间的蒸散量，而且需要的参数少，实际应用更为方便。

2.1.1 潜在蒸散量的计算模型潜在蒸散量的计算模型通常可分为4类：水面蒸发法、温度法、辐射法和综合法。基于温度计算的方法主要有Jensen-Haise公式、FAO 24 Blaney- Criddle公式、Thornthwaite公式以及Hargreaves-Samani公式等;基于辐射的方法主要有Priestley-Taylor公式、以及FAO 24 Radiation公式等;此外还有根据美国湿润地区资料得到的Irmark-Allen公式，以及布迪科公式等，但这些方法在实际应用中都存在一定的局限性。

1948年，彭曼首次将能量平衡原理和空气动力学原理相结合，假定大气具有天然稳定性，依据下垫面能量平衡和湍流运动规律，不计算涡流影响，得出了Penman 公式。1956年，Monteith将表面阻力概念引入Penman 公式，优化得到了Penman- Monteith公式，其最大特点是无论是否存在水分胁迫，计算结果都比较精确。因此世界粮农组织（FAO）于1990年将其定为计算作物潜在蒸散量的标准方法。但由于该公式需要大量的气象数據支撑（包括最高气温、最低气温、相对湿度、风速、日照时数等），而世界上多数地区的气象站难以提供全部的完整数据，这在很大程度上限制了该公式的使用。所以在计算未来气候变化对作物蒸散量的影响时，应从当地的气候条件出发，选择适合该地区的作物蒸散量计算模型，必要时还应对模型中的参数进行区域修正，或同时采用2种以上模型分别计算并选择更为合理的结果。

我国学者刘钰、龚元石等人比较了Penman-Monteith公式和标准PM公式在不同地方的计算结果;张寄阳等人以PM 公式为标准评价了Blaney-Criddle公式、Priestley-Taylor公式、Markkink 公式在风沙区的应用效果;刘晓英检验了Priestley-Taylor公式在半干旱区的计算准确性，王新华等人根据甘肃省张掖市气象站的资料，分别采用Hargreaves 公式和Penman-Monteith公式，提出了适合西北干旱区作物蒸散量的计算公式。

2.1.2 实际蒸散量的计算模型 Pen？鄄man-monteith公式非常适用于计算密集植被的实际蒸散量，但由于其不能精确计算叶面指数较低时的作物蒸散量，因而难以推算作物全生育期的蒸散量，因此Shuttleworth和Wallace提出了作物冠层为均匀覆盖的假设，引入冠层阻力和土壤阻力2个参数，建立了由作物冠层和冠层下地表2部分组成的双源蒸散模型（以下简称为S-W模型）。土壤表面阻力与土壤含水量、土壤质地有关，由于不同冠层类型的土壤表面阻力差异较大，Choudhury和Monteith将S-W模型进一步拓展为包括土壤干燥层和湿润层的双源四层型。Dolman、Brenner和Incoll还分别建立了密闭冠层和稀疏冠层的多源模型。但是这些模型参数多，计算过程复杂，目前都没有大规模应用。

2.2 互补相关模型

互补相关原理由Bouchet在1963年提出，在辐射值固定的前提下，陆面蒸散量和可能蒸散量呈负相关关系，且两者之和为一常数，等于湿润条件下蒸散量的2倍，即陆面蒸散量和可能蒸散量是互补的。互补相关模型的主要代表有Brutsaert和Stricrer1979年提出的平流-干旱（AA）模型，Morton 1983年提出的CRAE蒸散模型，Granger 1989年提出的Granger模型等。互补取关模型的最大优势在于参数少，简化了计算流程，只需要常规气象资料就可以得到陆面蒸发量，因此自20世纪90年代以来，被大范围应用于区域蒸散量估算研究中。但是互补相关模型也有比较突出的局限性，不能应用于下垫面陡变的地区，且对湿度资料的精确度要求高。

国内对于互补相关模型的研究较少，刘绍民等人利用1981—2000年黄河流域的气象、水文资料，并结合卫星遥感信息和数字高程模型，检验了上述模型的精确度。平流-干旱模型估算月蒸散量和日蒸散量的准确度都较高;CRAE和Granger模型估算冬季月蒸散量时存在数值过高的问题，除干旱年份以外，估算的年蒸散量误差都低于10%。

2.3 红外遥感模型

20世纪70年代以来，遥感技术逐步被应用于计算作物蒸散量，既克服了微气象学法因下垫面几何结构和物理属性的水平非均匀性，而难以将“点”上的观测资料应用到“面”上的局限性，也克服了水量平衡法在时间分辨率上的缺陷。1973年，Brown和Rosenbeg率先提出利用遥感技术测定作物表面温度，结合下垫面的能量平衡和湍流运动规律来计算农田蒸散量的方法。之后，Verma和Rosenbeg、Hatfied、陈镜明、谢贤群、Inoue、张仁华和蔡焕杰等人均对这一方法进行了改进。

近年来，随着大数据和遥感传感器的发展，我国在运用遥感数据模拟反演地表蒸散指标的研究上，已取得较大成果，且有着广阔的发展前景。2007年，刘朝顺等[19]使用成熟的单窗算法，估算山东垦利县的地表能量分布和蒸散情况。2008年，曾丽红等[20]采用最新的遥感影像，对SEBAL模型进行了验证，并估算了区域蒸散状态。2012年，张雨航[21]采用MODIS 传感器在海流兔河流域进行蒸散驱动分析，结合实际地表观测值，估算柴达木盆地的蒸散量。2016年，王军等[22]将NOAA-AVHRR数据和气象站观测数据结合，完成多源耦合的蒸散分布计算。

2.4 SPAC系统中蒸散量的系统模拟方法

SPAC系统是由土壤一植物一大气连续体构成，该系统中的蒸散过程与大气环境、作物生长状况、土壤水分状况存在复杂的耦合作用，因此必须采取综合分析方法，才能模拟SPAC系统的水分传输过程。目前已有不少模型模拟SPAC系统中蒸散量的变化，其中应用最广泛的是SWAP模型，这一模型基于Richard方程和溶质对流弥散方程，可以模拟作物的日实际蒸散量，结果较为精确。此外，我国学者卢振民、康绍忠、刘昌明、刘树华等人先后对SPAC系统中的水分传输过程和蒸散过程进行了模拟研究，但研究深度仍有待加强。

3 结语

（1）Prierstley-Taylor 公式、Penman 公式、Penman-Monteith公式等单一模型已普遍应用于模拟计算作物蒸散量，但研究方向已经向以Shuttleworth-Wallace 模型为基础的多层模型转移。尽管多层模型中阻力参数多使用經验表达式，却为计算不同植物冠层类型和下垫面状况下的蒸散量提供了新的思路。另外，互补相关模型也是一种重要的研究区域蒸散量的方法。近年来，由于水资源短缺问题突出，人类社会对生态环境问题和气候变化的关注度越来越高，遥感技术在估算区域蒸散量方面的应用进展显著，已衍生出多种估算方法。

（2）平流作用对蒸散量计算的影响，非均匀下垫面植被蒸散量和区域蒸散量的估算，多层模型的发展完善及阻力参数的确定，遥感技术、GIS技术及SPAC系统结合估算蒸散量等，都是未来蒸散量计算研究的发展方向。此外，将模拟SPAC系统中蒸散过程与CO2通量、热量交换等其他过程的研究相结合，也将成为未来陆地-大气相互作用、全球气候变化等研究的重要内容。

总之，如今虽然已经形成一系列的蒸散量计算方法，但每种方法都是根据一定的对象和条件发展起来的，至今还没有一种十全十美的方法。因此在20世纪90年代中后期，蒸散量计算仍普遍采用2种及以上方法，其目的就是尽量避免单一计算方法的局限性，提高蒸散量计算精度和结果的可靠性。需要特别指出的是，目前植被蒸散模式的研究对象，几乎只局限于单一作物系统或森林系统，而在2种或2种以上植物共存的农林复合系统中，因地下部分盘根错节和地上冠层错落搭配所构成的独特植被结构，增加了各类参数处理的复杂性和研究工作的难度，使得农林复合系统蒸散模型的研究工作进展缓慢，今后应进一步加强该领域的研究力度。

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