作物需水耗水量理论研究进展

许建武

（山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心）

1 作物需水耗水量概念及影响因素

作物需水量和耗水量，是土壤水分利用的关键指标，事关农田生产效能、水资源利用效益和粮食安全保障，对国民经济建设特别是农业发展具有重要影响。作物需水量指得是在适宜的土壤水分和肥力条件下，农作物经过正常生长发育，获得经济产量时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和。构成植株体的水量，与作物蒸腾及棵间蒸发相比量则很小，故在实际计算中一般忽略不计，故人们常规认为，作物需水量就等于蒸腾量与棵间蒸发量之和，简称腾发量。而对于作物耗水量，目前国内外尚无一个权威性的概念或定义。谢贤群研究认为，作物耗水量是一种作物在土壤水分适宜、生长正常、产量水平较高条件下的棵间土壤蒸发量与植株蒸腾量以及组成植物体、消耗于光合作用等生理过程所需水量之和。比较作物需水量与耗水量的概念，二者极为相近，前者好似作物耗水量的特殊情况，即作物需水量应是在特定（适宜）条件下的作物耗水量。

作物的需水量和耗水量大小，取决于作物生长发育和对水分的需求，其影响因子，包括内部因子和外部因子。内部因子是指作物对需水和耗水规律具有影响的生物学特性，与作物种类、品种以及生长阶段和产量等有关。气候条件（太阳辐射、气温、日照时数、大气湿度、水面蒸发量、风速等）和土壤条件（土壤质地、土壤含水率、土壤结构和地下水位等）等均属于外部因子。另外，农业耕作措施和灌溉排水措施，也会对作物需水量和耗水量产生直接或间接影响。

2 作物需水耗水量理论研究进展

目前，在作物需水量方面，参考作物腾发的研究成果最多。在我国，茆智自1980年以来，一直研究探讨作物在充分供水和水分胁迫条件下，其需水量、作物耗水系数及土壤水分修正系数的变化规律，提出了作物需水量的数学模型。陈玉民等在20世纪90年代中期，系统地探讨了我国的主要作物需水量，并绘制了全国作物需水量等值线图，综合分析了作物需水量在时空上的变化及其规律。国外在这方面的研究上，则主要集中在参考作物腾发量计算公式的修正与创新、作物耗水系数以及土壤水分修正系数计算等方面。作物需水耗水量的计算方法，概括起来主要有两种：一是通过田间试验方法，直接获得作物需水耗水量数据，一般称为直接测定法；二是选择相关指标，采用计算方法来获得作物需水耗水量，一般称为间接估算法。

2.1 直接测定法

2.1.1 蒸渗仪测定法

蒸渗仪种类很多，均可用于确定参照作物的腾发量，其差别仅体现在估算值的时间精度上。一般排水式蒸渗仪，只能得到腾发量的一周（7 d）估值，而称重式蒸渗仪则可获得每日估值。Allen通过对比试验，提出要确保蒸渗仪内种植的作物，其生产状况与周围大田相同，并要最大限度地减少在种植作物周围人为踩踏产生的影响，否则，将会产生30%以上的试验误差。目前，尽管蒸渗仪在具有一定规模的试验站（场）已得到推广应用，但其总体使用数量相对较少，从而制约了使用这种方法获得研究数据的普遍性。应用蒸渗仪法测定蒸散量，其进展主要表现在两个方面：一是蒸渗仪的测定精度。目前，已提高到0.01-0.02mm，可在间隔1 h甚至几分钟内自动记录测定数据；二是大型蒸渗仪与微型蒸渗仪结合使用。国内外的许多学者，大都相继使用了微蒸渗仪，测定裸露土壤或作物冠层下的土壤蒸发量，以区分农田土壤蒸发和作物蒸腾。

2.1.2 k值法

k值法是以产量为参数的需水系数法，计算公式为：

ETc=kY

式中：ETc——作物全生育期总需水量，mm/d；

k——需水系数，即单位产量需水量，mm/kg；

Y——作物单位面积产量，kg/hm2。

该法在干旱地区尤其是中、低产田范围内，对干旱作物的需水量计算，具有一定的可靠性，符合我省沿黄地区实际。

2.1.3 α值法

α值法也称为蒸发皿法，是以水面蒸发量为参数来估算作物需水量的方法，早在1916年左右就开始使用。计算公式为：

ETc=αE0

式中：ETc——某时段内作物需水量，mm/d；

E0——与同时段内80 cm口径蒸发皿的水面蒸发量，mm；

α——作物各时段的需水系数，即同时期需水量与水面蒸发量的比值。一般水稻α=0.9-1.3，旱作物α=0.3-0.7。

该方法比较简单方便，在水稻生产地区被广泛运用。

2.1.4 积温法

积温法计算作物需水公式如下：

ETc=βT

式中：ETc——作物全生育期总需水量，mm/d；

T——作物全生育期日平均气温累积值，℃；

β——经验系数，mm/℃。

该方法在我国南方水稻生产地区被广泛应用于水稻需水量计算，但在干旱半干旱地区，重要的往往不是积温，而是干热风对蒸腾起着决定作用，故不宜使用。

2.1.5 日照时数法

日照时数法计算作物需水量公式如下：

ETc=ηH

式中：ETc——作物全生育期总需水量，mm/d；

H——作物全生育期内累计日照时数，h；

η——经验系数，mm/h。

这种方法适用于夏季生长的作物。

2.1.6 水量平衡法

水量平衡法就是在某一时段内，对一定面积和一定土层厚度的各来水项和去水项分别进行统计，最后计算出蒸腾量。方程如下：

P+I+U=E+T+R+In+D±ΔW

式中：P——降水量，mm；

I——灌溉量，mm；

U——底层土向平衡土层补充的水量，mm；

E——地面蒸发量，mm；

T——叶面蒸腾量，mm；

R——地表径流量，mm；

In——作物截留量，mm；

D——土壤下渗量，mm；

ΔW——平衡土层内最终储水量与初始储水量之差，mm。

结合山西沿黄地区实际，在田间由于蒸发和蒸腾量很难区分，统称ETα，截留量可以忽略不计，即In=0。上述方程还可以进一步简化为：

ETα=P+I+U-R-D±ΔW

水量平衡法的优点：限制条件少，适用于大尺度的农田蒸腾量计算。缺点：从计算区域内水量收入和支出的差额来推求蒸腾量，不能反映蒸腾的动态变化过程，无法阐明控制和影响蒸腾各类因子的作用。

2.2 间接估算法

2.2.1 彭曼-蒙特斯公式法

为提高作物蒸发蒸腾量计算精度，世界粮农组织（FAO）在彭曼公式的基础上，提出了彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）公式，可称之为修正后的彭曼公式。作为一种假想的参照作物冠层的蒸发蒸腾速率，假定作物高度为0.12 m，固定的叶面阻力为70 s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面而不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾速率。根据以上原理，1992年，FAO专家咨询会推荐使用的Penman-Monteith公式如下：

式中：ET0——参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；

Rn——参考作物冠层表面净辐射量，MJ·m-2·d-1；

G——土壤热通量，MJ·m-2·d-1；

T——日平均气温，℃；

u2——2m高处的日均风速，m/s；

es——饱和水汽压，kPa；

ea——实际水汽压，kPa；

Δ——温度-饱和水汽压关系曲线上T处的切线斜率；

γ——湿度表常数。

对于一般农作物，计算出参考作物蒸发蒸腾量ET0之后，则作物的需水量可通过参考作物蒸发蒸腾量ET0与作物耗水系数Kc的乘积来获得。

该方法的优点：不需要专门的地区率定和风函数等，应用一般的气象资料，即可计算出参考作物蒸发蒸腾量值，应用价值和精度都比较高。

2.2.2 Hargreaves经验法

这种方法是Hargreaves和Samani合作研究者，根据美国加州8 a前对牛毛草植物应用蒸渗仪的测定数据，推导出的较为简化的参考作物腾发量模型，习惯上称为Hargreaves模型。该模型只需要气温和地理位置数据资料，就可进行计算。因此，具有数据要求低、计算简单、适用范围广等优点，比较适用于缺乏辐射资料的地区。模型如下：

式中：ET0——参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；

Ra——大气边缘太阳辐射，可根据时间与地理位置数据计算或查表得到；

c0——转换系数（当Ra以mm·d-1为单位时，c0=2.3×10-3；当Ra以MJ·m-2·d-1为单位时，c0=9.39×10-4）；

T——日平均气温，℃；

Tmax——日最高气温，℃；

Tmin——日最低气温，℃。

选用SWAT软件，Hargreaves公式还可以表达为：

式中，KRS为经验系数。对于沿海地区一般取0.19，对于内陆地区一般取0.16。

2.2.3 Blaney-Criddle法

这种方法是基于温度参数的ET0计算方法，较适用于旬尺度以上的ET0估算，其应用参数较少，简单方便，且可以反映研究区域的辐射条件。基于旬尺度上温度的参考作物蒸散发量，计算公式如下：

ET0=c·p·（0.46T+8.13）

式中：ET0——旬平均参考作物蒸散发量，mm/d；

T——旬平均气温，℃；

p——该时段平均昼长时数与全年昼长总时数的百分比（与纬度有关，可查表），%；

c——修正次数，与最小相对湿度、日照时间、风速等有关，需要进行率定。

基于月尺度上温度的参考作物蒸散发量，其计算公式如下：

ET0=a+bp（0.46T+8.13））

式中：p——该时段平均昼长时数与全年昼长总时数的百分比，%；

T——月平均温度，℃；

n——实测白昼时数，h；

N——可能白昼时数，h；

RHmin——日最低相对湿度，%；

ud——白天2m高处的平均风速，m/s。

2.2.4 Makkink法

该方法是在荷兰寒冷气候条件下，推导出的草原地区潜在蒸发量数学模型，其计算公式如下：

式中：ET0——参考作物蒸散发量，mm/d；

λ——蒸发潜热，MJ/kg；

Δ——温度-饱和水汽压关系曲线上T处的切线斜率；

γ——湿度表常数；

Rs——地面接收的太阳辐射量，MJ·m-2·d-1；

c1和c2——常数。一般情况下：c1=0.61，c2=-0.12；但对于半干旱地区，建议采用：c1=0.7，c2=0。

2.2.5 Priestley-Taylor法

Priestley-Taylor法起源于澳大利亚，并且是在假定周围湿润的条件下提出来的，因此，一般在湿润地区采用此法来计算参考作物腾发量。计算公式如下：

式中：ET0——参考作物蒸散发量，mm/d；

α——系数，主要考虑空气动力因素影响，一般情况下α=1.26；

Rn——参考作物冠层表面净辐射量，MJ·m-2·d-1；

其他符号意义同前。

2.2.6 Mc-Cloud法

该方法是基于温度的ET0简化计算方法，公式如下：

ET0=KW1.8T

式中：K、W——常数，K=0.254，W=1.07；

T——日平均气温，℃。

该方法在以温度为变量的作物需水量计算中，其精度有偏差。

2.2.7 波文比仪法

也叫能量平衡法。下垫面的能量平衡方程为：

Rn=λET0+H+G

式中：Rn——地表面上的净辐射量，MJ·m-2·d-1；

H——显热通量，MJ·m-2·d-1；

其他符号意义同前。

根据波文比仪法，计算λET0和H的公式为：

所以，波文比仪法中的蒸发蒸腾量又可表示为：

式中：β——波文比；

ΔT——两个高度温度差，℃；

Δe——两个高度水汽压差，kPa。

这种方法的优点：所需实测参数少，计算方法简单，不需要有关蒸散面空气动力学特性等方面的信息，只要知道两个高度的气温差及其相对应的水汽压差，以及Rn和G，就可以计算出ET0。缺点：对资料数据的精确度要求较高，对试验布置等方面要求很高。

2.2.8 遥感方法

遥感方法是不用与研究对象直接接触，利用热红外遥感的多时相信息，获取不同时刻的地表温度，从而获得土壤热通量。以此用来表达土壤湿度状况，并结合区域太阳净辐射量资料，来推算区域较大面积的潜热通量与蒸散值。近20 a来，利用卫星遥感技术估算区域的蒸散发量研究，在国内外取得一定进展。1973年，Brown和Rosenberg等人，根据能量平衡、作物阻抗原理，建立了作物阻抗—蒸散模型，现已成为热红外遥感温度应用于作物蒸散模型的理论基础。1983年，Sequin利用卫星影像资料，建立了作物冠层日蒸发量的遥感统计模型。我国学者谢贤群和陈镜明等，在上述理论模型的基础上，对不同气象条件下的空气动力阻抗计算公式进行了补充和修正。另外，国外学者Caselles（1998）、Calson（1995）等人，根据各自研究区域的自然特点，对蒸散发模型中的参数计算方法进行了一定改进。Manuel等研究者，以遥感获取的作物冠层温度为基础，应用空气动力学和波文比—能量平衡法计算公式，对汽化潜热进行了较好的估算。我国学者陈云浩等，应用AVHRR图像数据，研究探讨了非均匀陆地条件下的区域蒸散量计算遥感模型，并用此对我国北方地区的蒸散量进行了理论计算与分析。詹志明在分析了国内外应用较好的遥感监测陆地土壤水分蒸发的表热量平衡方法，并互补相关陆地蒸散发、Penman-montieth模型以及区域蒸散发的气候学方法研究成果，提出了可参考的地面参数（如地面反射率、NDVI、陆地温度等）的遥感获取方法，同时阐述了各种方法的特点以及彼此之间的关联。黄妙芬等科技工作者，对应用遥感方法估算区域蒸散量的图像信息源，反射率、比辐射率及地面温度等参数的遥感反演精度，空气动力阻抗和地表阻抗模型，估算结果的验证技术方法，时间尺度上的扩展问题等制约因子进行了深入分析与讨论，并提出了克服这些制约因子的有关途径。

由此可见，国内外利用遥感估算区域蒸散量的方法，现已得到了较为广泛的应用，也提出了较多基于遥感估算区域蒸散的改进方法与新方法。目前，在业界应用较广泛的主要有两种方法：一是以地表热量平衡方程为基础，应用遥感数据获取一些计算参数，求出应用方程中的净辐射、土壤热通量和感热通量，然后采用余项法求得蒸散量；二是以彭曼修正公式为基础，结合地表的热量平衡方程，直接估算区域的蒸散量。卫星遥感的应用，使得每天能够同步取得相关监测数据，使得估算汽化潜热成为现实可能。近年来，国内外应用高分辨率光谱辐射计，研究探讨了植被光谱的动态变化，植被光谱、覆盖率以及与叶面积指数的关系，从而为建立适用的农田遥感蒸散计算模型提供了可靠依据。

3 研究沿黄坡地经济林需水耗水量计算方法的意义

沿黄地区在地理坐标上指沿黄河两岸所属区域，涉及青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等九个省（区）。从地形地貌看，黄河中上游以山地为主，中下游以平原、丘陵为主。我们的试验区位于黄河中游的晋西地区，该地区由于特殊的地形地貌和恶劣的自然条件，干旱少雨、暴雨集中、水土流失严重、水资源严重短缺，人均水资源量和单位面积平均水资源量都很少，既属于资源型缺水地区，又属于脱贫攻坚区。

在该区域内“三产”中，农业占据主导地位，且大部分都是“靠天吃饭”的“雨养”农业模式。虽有少量的引黄提灌工程，但由于绝大多数耕地都是坡地，地块呈分散型、碎片化，导致灌溉辐射半径较小、水平较低、机械化程度不高。粮食作物以玉米、马铃薯、小杂粮等耐旱品种为主，单产较低，维持温饱没有问题，但要从根本上脱贫，发展支柱产业主要还是应依靠经济林。从目前情况看，经济林现已成为区域大农业生产的重要组成部分，增加农民经济收入的一项重要来源。据调查，我省沿黄地区经济林，主要以苹果和枣树等传统树种为主，品种较陈旧，加之“地高水低”，很少灌溉，导致产量较低，产品没有市场竞争力。在这样干旱缺水的地区，除品种因素外，土壤水分不足成为长期限制经济林生长与发展的首要因素。因此，研究坡地经济林需水耗水规律，对优化灌溉制度、提高水资源利用效率、调整农业生产结构、满足人民群众对多层次高品质食品需求，同时增加当地百姓的经济收入，对脱贫攻坚和防止返贫均具有重要的现实意义。

通过上述对国内外作物需水量计算方法的研究分析，结合我省沿黄地区半干旱区的自然条件实际，在计算作物（包括经济林）需水量时，宜选取直接测定法中的k值法和水量平衡法，间接估算法中的彭曼-蒙特斯公式法、Hargreaves经验法、Blaney-Criddle法、Makkink法和遥感法。

4 结语

作物需水耗水量的理论研究，在农业用水、水资源评价、作物生长模拟等方面都有着重要作用；按照理论计算公式，对气象、地理等方面的发展，也会起到相当大的促进作用。通过研究发现，目前针对作物需水量的计算，形成了众多不同特点、不同适应性的经验或理论方法，但应用最为广泛的还是彭曼公式及由其推演修正的其他方程。随着我国水利、气象事业的迅猛发展，相关监测站点建设与观测日益加强以及新技术、新设备的研发应用，作物需水耗水规律的理论研究适用条件将得到进一步完善，计算精度将得到进一步提高，计算广度将得到进一步拓展。我省沿黄地区应结合自然条件和作物种植结构实际，围绕干旱缺水瓶颈，通过对作物需水耗水量的深入研究，探索农业节水对当地作物增产提质的相关对策，从而实现经济效益与生态效益“双赢”。