利用作物冠氣溫差估算農(nóng)田蒸散量

黃凌旭，蔡甲冰，白亮亮， 張寶忠

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048)

0 引 言

在當(dāng)前我國(guó)水資源嚴(yán)重短缺的形勢(shì)下，農(nóng)業(yè)中有關(guān)節(jié)水問(wèn)題的解決，幾乎都離不開(kāi)農(nóng)田蒸散和耗水的估算。準(zhǔn)確及時(shí)的確定蒸散量，是計(jì)算作物水分利用率的前提和分析區(qū)域水量平衡的基礎(chǔ)，是研究農(nóng)業(yè)高效用水和實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理的切入點(diǎn)[1]。作物蒸散量的估算方法一直是研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于估算作物蒸散量的模型與方法很多，如水量平衡法、彭曼綜合法、互補(bǔ)相關(guān)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、遙感法等[2-5]。通過(guò)這些模型與方法可以得到較準(zhǔn)確的作物日蒸散量，但其需要測(cè)量和計(jì)算的參數(shù)較多，模型與方法也比較復(fù)雜。

近幾十年，隨著紅外技術(shù)的快速發(fā)展，手持式紅外測(cè)溫儀、機(jī)載或衛(wèi)星遙感紅外傳感器測(cè)量植被溫度被廣泛地應(yīng)用[6-8]。紅外測(cè)溫技術(shù)具有測(cè)量時(shí)間短、測(cè)量誤差小、近距離測(cè)量時(shí)不受距離的影響、可連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。大量的研究表明作物蒸散量與冠層溫度或冠氣溫差之間關(guān)系密切，基于能量平衡原理，可通過(guò)冠層溫度估算作物蒸散量[9-11]，并進(jìn)行精量灌溉決策[12,13]。Jackson[14]等(1977年)提出以冠層-空氣溫度差估算作物日蒸散量的模型，Seguin和Itier[15](1983年)對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，得到簡(jiǎn)化模型。該簡(jiǎn)化模型具有測(cè)量的參數(shù)少，模型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。已有學(xué)者對(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)證，并應(yīng)用模型進(jìn)行農(nóng)田日蒸散量的估算[16-19]，其利用的數(shù)據(jù)往往是不連續(xù)的手持紅外測(cè)溫槍觀測(cè)。本文通過(guò)在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域農(nóng)田設(shè)置在線觀測(cè)系統(tǒng)，連續(xù)同步監(jiān)測(cè)玉米和向日葵的冠層溫度和田間氣象數(shù)據(jù)，利用線性回歸分析Seguin和Itier簡(jiǎn)化模型在該地區(qū)的適用性，并得到估算模型中關(guān)鍵參數(shù)，為遙感影像反演地面溫度進(jìn)行區(qū)域尺度估算蒸散量提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)解放閘灌域沙壕渠試驗(yàn)站(光明二隊(duì))，地處東經(jīng)107°8′16″，北緯40°55′8″，海拔高程1 036 m。解放閘灌域地處干旱半干旱內(nèi)陸地區(qū)，屬中溫帶高原、大陸性氣候特征。日照時(shí)間長(zhǎng)，年蒸發(fā)量大，年平均降雨量151.3 mm，年內(nèi)平均氣溫9℃。土壤類型為灌淤土，土質(zhì)以為粉砂壤土為主，有機(jī)質(zhì)含量較低，含鹽量較高，地下水位埋深較淺。

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

利用中國(guó)水科院自主研發(fā)的CTMS-On line型作物冠層溫度及環(huán)境因子測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)地面數(shù)據(jù)連續(xù)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、高精度紅外冠層溫度傳感器、氣象因子傳感器、數(shù)據(jù)采集器等組成，能夠在野外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)作物冠層溫度及氣象參數(shù)變化。其工作原理是在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)安裝一個(gè)懸臂，懸臂末端安裝紅外冠層溫度傳感器，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下墊面作物冠層不同采集位置點(diǎn)的掃描。儀器分別布置在主要農(nóng)作物春玉米和向日葵種植區(qū)域，如圖1所示。玉米種植的品種為澤玉19，向日葵種植的品種為F2008。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

玉米的種植時(shí)間為2015年5月1日，收獲時(shí)間為9月20日，整個(gè)生育期為143 d。向日葵的種植時(shí)間為2015年5月28日，收獲時(shí)間為9月13日，整個(gè)生育期為109 d。

(1)冠層溫度。通過(guò)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用測(cè)量系統(tǒng)懸臂末端的紅外測(cè)溫探頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)下墊面作物冠層10個(gè)不同位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，設(shè)定旋轉(zhuǎn)云臺(tái)每小時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)1次。

(2)田間微氣象數(shù)據(jù)。氣象因子和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器安裝在紅外測(cè)溫探頭同高度的附加懸臂上，采集的參數(shù)包括：空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、光合有效輻射、大氣壓強(qiáng)等，采集時(shí)間與冠層溫度采集時(shí)間一致。

(3)土壤含水量。在儀器下部安裝有3層土壤水分傳感器，分別位于作物根區(qū)10、20和40 cm深度，用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤含水量。

(4)數(shù)據(jù)采集時(shí)間。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2015年6月1日到8月31日。在作物生育初期，植被覆蓋度較低，儀器測(cè)量的溫度以地表溫度為主，此時(shí)的地表溫度與空氣溫度差值較大，但最大溫差不超過(guò)20 ℃。隨著作物不斷地生長(zhǎng)，植被覆蓋度不斷增加，儀器測(cè)量的溫度以冠層溫度為主，此時(shí)的冠層溫度與空氣溫度差值較小，一般在-5～5 ℃之間。

(5)灌水日期及灌水深度。通過(guò)渠道引水進(jìn)行灌溉，利用梯形堰控制灌溉水量，進(jìn)行充分灌溉。向日葵和玉米田塊的灌水日期和灌水深度見(jiàn)表1。

1.3 計(jì)算模型

作物日蒸散量與日凈輻射和冠氣溫差有著密切的關(guān)系，Jackson[14]等提出了一種簡(jiǎn)單的方法，基于冠氣溫差估算作物日蒸散量：

表1 2015年向日葵和玉米灌水日期和灌水深度

ETd=Rnd-B(Ts-Ta)

(1)

式中：ETd為作物日蒸散量，mm/d；Rnd為日凈輻射，mm/d；B為地區(qū)綜合系數(shù)；Ts為瞬時(shí)冠層溫度，℃；Ta為瞬時(shí)空氣溫度，℃。

Seguin和Itier[15]在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，忽略了能量平衡中貢獻(xiàn)較小的土壤熱通量，得到如下計(jì)算公式：

ETd-Rnd=a+b(Ts-Ta)

(2)

模型中參數(shù)a和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)線性回歸方程得到。同時(shí)參數(shù)a和b的大小與風(fēng)速和下墊面條件有關(guān)，不同的下墊面條件參數(shù)a和b會(huì)略有不同。Ts和Ta分別為接近中午時(shí)刻的瞬時(shí)冠層溫度和瞬時(shí)空氣溫度，不同時(shí)刻的瞬時(shí)冠層溫度和瞬時(shí)空氣溫度計(jì)算得到不同的冠氣溫差，會(huì)對(duì)模型估算結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同時(shí)刻的冠氣溫差，得到最佳時(shí)刻對(duì)應(yīng)的冠氣溫差，使模型估算的日蒸散量更準(zhǔn)確，更接近實(shí)際值。

1.4 作物實(shí)際蒸散量計(jì)算

采用FAO推薦的Penman-Monteith公式[20]計(jì)算ET0：

(3)

式中：ET0為參照作物騰發(fā)量，mm/d；Rn為作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；U2為2 m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；Δ為水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

在玉米和向日葵生育期內(nèi)進(jìn)行充分灌溉，作物不發(fā)生水分脅迫。采用單作物系數(shù)法計(jì)算作物實(shí)際日蒸散量時(shí)，不考慮水分脅迫的影響，計(jì)算公式如下：

ETc=KcET0

(4)

式中：ETc為作物實(shí)際蒸散量，mm/d；Kc為作物系數(shù)。

閆浩芳[21]通過(guò)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域2003-2006年實(shí)測(cè)的微氣象資料，基于波文比能量平衡法，計(jì)算得到玉米、小麥和向日葵不同生育期的作物系數(shù)。玉米和向日葵各生長(zhǎng)階段的天數(shù)，分別參照FAO中美國(guó)加利福尼亞州玉米和向日葵各生長(zhǎng)階段的天數(shù)[20]。本文玉米和向日葵各生育期Kc值參照上述的試驗(yàn)結(jié)果，各生長(zhǎng)階段的天數(shù)和Kc值見(jiàn)表2。其中快速生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)后期的Kc值可通過(guò)生育期天數(shù)線性差值得到，然后利用單作物系數(shù)法計(jì)算玉米和向日葵的實(shí)際日蒸散量。

表2 玉米和向日葵各生長(zhǎng)階段天數(shù)及Kc值

2 結(jié)果與討論

2.1 生育期內(nèi)土壤供水情況和冠層溫度變化

2.1.1土壤水分情況

試驗(yàn)期內(nèi)利用烘干法每隔5～7 d同時(shí)測(cè)量試驗(yàn)區(qū)土壤水分，并用其值對(duì)CTMS-On line型作物冠層溫度及環(huán)境因子測(cè)量系統(tǒng)中土壤水分傳感器測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)定。圖2為玉米和向日葵3個(gè)月主要生育期內(nèi)標(biāo)定后的土壤含水量變化情況。從圖中可以看出，玉米0～10和10～20 cm深度處的土壤含水量相差較小，變化趨勢(shì)基本相同，但20～40 cm深度處土壤含水量明顯高于0～10和10～20 cm深度處的土壤含水量；向日葵0～10、10～20和20～40 cm深度處的土壤含水量相差較大。玉米和向日葵0～40 cm深度平均田間持水量(Fc)為0.37，3個(gè)月生育期內(nèi)玉米和向日葵0～40 cm深度土壤含水量的加權(quán)平均值除受灌溉、降雨的影響，其他時(shí)間土壤含水量的加權(quán)平均值均在(0.7～1.0)Fc，表明在主要生育期內(nèi)玉米和向日葵沒(méi)有發(fā)生水分脅迫。

2.1.2冠氣溫差變化

圖3為玉米生育期典型日內(nèi)冠氣溫差(Ts-Ta)和冠層溫度Ts變化。從圖3中可以看出，在玉米快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期的典型日內(nèi)，Ts的變化趨勢(shì)基本相同，都是從上午7∶00開(kāi)始不斷增加，在下午14∶00左右達(dá)到最大值，然后開(kāi)始逐漸減小。在快速生長(zhǎng)期的典型日內(nèi)，(Ts-Ta)的變化波動(dòng)較大，與Ts的變化趨勢(shì)基本相同，但在下午13∶00左右達(dá)到最大值，比Ts達(dá)到最大值提前1 h；然而在生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期的典型日內(nèi)，與快速生長(zhǎng)期相比，(Ts-Ta)的變化波動(dòng)較小，沒(méi)有出現(xiàn)明顯峰值變化。在快速生長(zhǎng)期的典型日內(nèi)，(Ts-Ta)的變化波動(dòng)較大，是因?yàn)橛衩字脖桓采w度較低，儀器測(cè)量的溫度以地表溫度為主，地表溫度變化較大；而到了生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期，玉米植被覆蓋度增加，儀器測(cè)量的溫度以冠層溫度為主，冠層溫度變化相對(duì)較小，(Ts-Ta)的變化波動(dòng)也隨之減小。

圖2 玉米和向日葵生育期內(nèi)土壤含水量變化

圖3 玉米生育期典型日(Ts-Ta)和Ts變化

由圖4可以看出，向日葵在3個(gè)月主要生育期典型日內(nèi)，Ts的變化趨勢(shì)基本相同，從上午7∶00開(kāi)始不斷增加，在下午14∶00～15∶00之間達(dá)到最大值，然后開(kāi)始逐漸減小。在生育初期和快速生長(zhǎng)期的典型日內(nèi)，向日葵(Ts-Ta)的變化波動(dòng)較大，與Ts的變化趨勢(shì)基本相同，但最大值出現(xiàn)在下午13∶00-14∶00之間；在生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期的典型日內(nèi)，與生育初期和快速生長(zhǎng)期相比，(Ts-Ta)的變化波動(dòng)較小，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的峰值變化。向日葵典型日內(nèi)(Ts-Ta)的變化隨著向日葵植被覆蓋度的增加，其波動(dòng)由大變小。

圖4 向日葵生育期典型日(Ts-Ta)和Ts變化

2.2 利用冠氣溫差確定作物每日ET

利用連續(xù)監(jiān)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)及試驗(yàn)地的經(jīng)緯度和海拔高程，計(jì)算得到玉米、向日葵的日蒸散量ETd和日凈輻射Rnd。根據(jù)玉米、向日葵一天內(nèi)冠層溫度及冠氣溫差的變化情況，選擇一天中10∶00～16∶00之間每小時(shí)的冠氣溫差，分別與(ETd-Rnd)做線性回歸分析，從而得到玉米、向日葵日蒸散量模型中參數(shù)a、b的最佳值。

2.2.1玉米地參數(shù)估算

圖5和表3是玉米地計(jì)算結(jié)果?？梢?jiàn)，在玉米3個(gè)月的生育期內(nèi)，(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)兩者在10∶00-16∶00每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的決定系數(shù)R2大都在0.6以上，說(shuō)明兩者之間具有較好的線性相關(guān)性。隨著時(shí)刻的變化，R2出現(xiàn)雙峰的變化趨勢(shì)，分別在13∶00和15∶00達(dá)到峰值，但在13∶00時(shí)峰值最大且為0.690。應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)10∶00-16∶00每個(gè)時(shí)刻的回歸系數(shù)做t-檢驗(yàn)分析，結(jié)果均表現(xiàn)出極顯著的水平(表3)。其中12∶00、13∶00和14∶00三個(gè)時(shí)刻的回歸系數(shù)很接近，分別為-0.113、-0.116和-0.112。從10∶00-16∶00每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的均方根誤差都很小，13∶00對(duì)應(yīng)的均方根誤差最小且為0.122 mm/d。

由以上分析結(jié)果可知，13∶00時(shí)(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)兩者之間的線性相關(guān)性最好，模型中參數(shù)a和b采用13∶00對(duì)應(yīng)的回歸方程系數(shù)，分別為-0.859和-0.116，進(jìn)而得到玉米日蒸散量估算模型。

圖5 玉米10∶00-16∶00(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)關(guān)系

時(shí)刻R2回歸系數(shù)均方根誤差/(mm·d-1)t檢驗(yàn)值顯著性水平10∶000．590-0．1430．161-11．132011∶000．613-0．1290．150-11．734012∶000．679-0．1130．123-13．641013∶000．690-0．1160．122-13．605014∶000．614-0．1120．147-11．898015∶000．636-0．1200．139-12．457016∶000．611-0．1420．147-11．8800

2.2.2向日葵地參數(shù)估算

由圖6及表4可以看出，在向日葵3個(gè)月的生育期內(nèi)，(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)兩者在10∶00-16∶00每個(gè)時(shí)刻的決定系數(shù)R2大都在0.8以上，說(shuō)明兩者之間具有較好的線性相關(guān)性。隨著時(shí)刻的變化，R2變化趨勢(shì)是先增加后減少，隨后又增加，但在13∶00時(shí)最大且為0.864。應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)10∶00-16∶00每個(gè)時(shí)刻的回歸系數(shù)做t-檢驗(yàn)分析，結(jié)果均表現(xiàn)出極顯著的水平(表4)。其中13∶00、14∶00和15∶00三個(gè)時(shí)刻的回歸系數(shù)很接近，分別為-0.343、-0.348和-0.342。從10∶00-16∶00每個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的均方根誤差都很小，13∶00時(shí)刻對(duì)應(yīng)的均方根誤差最小且為0.408 mm/d。

表4 向日葵10∶00-16∶00(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)回歸參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖6 向日葵10∶00-16∶00(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)關(guān)系

由以上分析結(jié)果可知，13∶00時(shí)(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)兩者之間的線性相關(guān)性最好，模型中參數(shù)a和b采用13∶00對(duì)應(yīng)的回歸方程系數(shù)，分別為0.548和-0.343，進(jìn)而得到向日葵日蒸散量估算模型。

2.3 討 論

由以上玉米、向日葵主要生育期內(nèi)不同時(shí)刻的冠氣溫差估算日蒸散量可知，模型在河套灌區(qū)解放閘灌域具有較好的適用性，其中兩種作物利用13∶00的冠氣溫差進(jìn)行日蒸散量估算時(shí)，得到的結(jié)果精度最高。模型估算結(jié)果精度的提高，依賴于測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但是在實(shí)際測(cè)量中，有時(shí)由于天氣條件的突然變化，導(dǎo)致測(cè)量的冠層溫度和農(nóng)田氣象數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生誤差。同時(shí)由于測(cè)量時(shí)儀器本身也會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，以及測(cè)量時(shí)風(fēng)速、土壤背景、表面粗糙度等因素的影響，也會(huì)使估算的結(jié)果產(chǎn)生誤差。農(nóng)田尺度數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)不受天氣條件(陰天或多云)的影響，可以連續(xù)測(cè)量，但當(dāng)進(jìn)行遙感區(qū)域尺度估算作物蒸散量時(shí)，遙感影像的獲取受天氣條件影響很大。

玉米、向日葵日蒸散量估算模型中的參數(shù)a、b相差較大，這可能與兩種作物的下墊面條件有關(guān)。模型在應(yīng)用過(guò)程中具有區(qū)域性，在不同區(qū)域應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行校正。上述研究在對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行回歸和擬合時(shí)，玉米、向日葵進(jìn)行充分灌溉，在其生育期內(nèi)不發(fā)生水分脅迫。當(dāng)作物在生育期內(nèi)發(fā)生水分脅迫時(shí)，模型的適用性需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)河套灌區(qū)解放閘灌域2015年6月1日到8月31日連續(xù)3個(gè)月玉米和向日葵田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)Seguin和Itier簡(jiǎn)化模型在本地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了研究和分析，可得到如下初步結(jié)論。

(1)(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)兩者之間具有較好的線性相關(guān)性，應(yīng)用該簡(jiǎn)化模型估算玉米和向日葵的日蒸散量具有較高的精度；

(2)通過(guò)對(duì)比分析10∶00-16∶00之間的田間觀測(cè)數(shù)據(jù)，玉米和向日葵均在13∶00時(shí)(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)兩者之間線性相關(guān)性最佳；

(3)根據(jù)13∶00的(Ts-Ta)與(ETd-Rnd)兩者線性回歸方程，可得玉米日蒸散量估算模型中參數(shù)a和b分別為-0.859和-0.116，向日葵日蒸散量估算模型中參數(shù)a和b分別為0.548和-0.343；

(4)模型具有地域特征，在其他地區(qū)應(yīng)用時(shí)，需要重新確定模型中參數(shù)。本研究分析了模型在河套灌區(qū)解放閘灌域農(nóng)田尺度上適用性，結(jié)合遙感影像和地面觀測(cè)進(jìn)行區(qū)域尺度的應(yīng)用，將是下一步研究重點(diǎn)。

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