小時與日尺度PM公式的參照作物騰發量及其水稻單作物系數值差異

2019-03-26 07:52:58王可純蔡少杰呂玉平廖林仙徐俊增

水資源與水工程學報 2019年1期

王可純，蔡少杰，衛琦,2，呂玉平，廖林仙，徐俊增,2

(1.河海大學南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室，江蘇南京 210098; 2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210098)

1 研究背景

作物騰發量(crop evaportranspiration，ET)是制定作物灌溉制度與開展水資源配置的主要依據[1-4]。作物騰發量的準確計算可在一定程度上節約灌溉用水量[5-6]，尤其是在農業用水量較大、作物生長對灌溉依賴程度較高的干旱和半干旱地區[7-10]。因此為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，必須準確確定作物騰發量(ET)。

參考作物騰發量(reference crop evaportranspiration，ET0)是計算作物ET的關鍵參數，基于Penman-Monteith公式聯合國糧農組織(FAO)和美國土木工程師協會(ASCE)給出了兩種計算ET0的標準：FAO定義的參考作物冠層阻力為70 s/m，反射率為0.23，并推薦改進的PM公式計算ET0[11-12]；ASCE定義的矮型參考作物[13-15](0.12m高的修剪冷型草)冠層阻力rs按白晝與黑夜進行了分別賦值，白天rs值為50 s/m，晚上rs值為200 s/m；而在以日為計算時段時，rs取70 s/m。此外，作物系數(crop coefficient，Kc)也是估算ET的關鍵因子[16-18]，其與作物的種類及生長階段有關。不同作物上的研究表明，對Kc的區域性率定是準確計算作物ET的關鍵[19]，隨著精準灌溉的發展，小時尺度的作物騰發量估算越來越重要。以往對于日尺度作物騰發量的研究結果表明，兩種PM公式的計算結果關系密切，且ASCE PM公式的計算結果更為準確[20-22]。而關于FAO56 PM和ASCE PM兩種公式在不同計算尺度下對日ET0計算結果的比較以及由于不同ET0計算對作物系數Kc取值的影響等方面的研究還較少。

因此，基于上述研究不足，本文擬以昆山2012-2013年常規小時氣象資料為基礎，以PM公式計算結果為對照，研究FAO56-PM和ASCE-PM兩種計算模型在不同時間尺度(小時、日)的ET0差異，分析不同日ET0計算策略對作物Kc值的影響，其研究結果對于華東地區節水農業的灌溉制度制定具有重要的指導意義[23]。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

試驗區位于河海大學國家重點實驗室昆山試驗研究基地(34°63′21″N，121°05′22″E)內，該試驗區屬于典型的亞熱帶季風氣候區，多年平均氣溫15.5℃，多年平均蒸發量1 365.9 mm，多年平均降雨量1 097.1 mm，多年平均日照時數2 085.9 h，多年平均無霜期234 d。當地種植習慣為稻麥輪作，其中，水稻種植時間為6-10月份，小麥種植時間為11-次年5月，本試驗主要在水稻生育期內進行。土壤屬潴育型黃泥土，土壤耕層質地為重壤土，容重為1.30 g/cm3，pH值為7.4。

2.2 氣象因子觀測

2012-2013年常規氣象資料由自動氣象站進行觀測，主要包括空氣溫度(含最高溫度、最低溫度和日平均溫度)、氣壓、太陽輻射、降雨量、相對濕度(含最高濕度、最低濕度和日平均濕度)、風速和風向等指標，測定時間間隔為0.5 h。

2.3 實際騰發量ETa

實際騰發量ETa根據水量平衡原理計算而來，水量平衡公式如下：

h1+P+m-WC-d=h2

(1)

式中：h1為時段初田面水層深度；h2為時段末田面水層深度；P為時段內降雨量；d為時段內排水量；m為時段內灌水量；WC為田間耗水量。以上單位均以mm計。實際騰發量ETa為田間耗水量WC與田間滲漏量之差。水層深度通過豎尺在固定觀測點觀測并記錄，灌溉水量直接由安裝在灌溉管道上的水表讀出，滲漏量則由翻斗式自動測量裝置(精度為0.05 mm)測定。

2.4 ET0的標準化計算

ET0的標準化計算采用PM公式，PM公式在1998和2005年分別被FAO-56和ASCE-EWRI推薦使用，其具體計算公式如下：

(2)

式中：ET0為參考作物蒸騰蒸發量，mm/d或mm/h；G為土壤熱通量，MJ/(mm·d)或MJ/(mm·h)；Rn為輸入冠層的凈輻射，MJ/(m·d)或MJ/(m·h)；es、ea分別為飽和水氣壓與實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與氣溫關系曲線的斜率， kPa/℃；T為距地面2 m高處日平均氣溫，℃；u2為距地面2 m高處風速，m/s；γ為濕度計常數，kPa/℃；Cn(K·mm·s3/(Mg·d))或(K·mm·s3/(Mg·h))和Cd(s/m)為由參考作物類型和計算時間步長確定的常數(見表1)，0.408為計算常數，(m2·mm)/MJ。公式(2)中各參數的確定可參考文獻[2]和[7]。

小時尺度的參考作物騰發量記為ET0-h，由ASCE和FAO56 PM公式計算的小時ET0分別記為ET0-hA和ET0-hF，由ASCE和FAO56 PM公式計算的ET0-h累積得到的日參考作物騰發量分別記為ET0-dhA和ET0-dhF，由PM公式計算日尺度的參考作物騰發量記為ET0-d。

表1 Cn和Cd在FAO-56 PM 和ASCE PM中的取值

2.5 作物系數Kc的確定

節水灌溉條件下，一般需要考慮土壤水分脅迫系數Ks，可根據推薦的計算公式得到，公式如下[24]：

(3)

作物系數用下式求得：

(4)

式中:Kc為特定作物生長階段和作物管理條件下的當地的作物系數；ETa為實際作物騰發量，mm/d或mm/h；ET0為參照作物騰發量，mm/d或mm/h；Ks為水分脅迫系數，由ET0-d、ET0-dhA與ET0-dhF求得的水稻單作物系數分別記為Kc-d、Kc-dhA與Kc-dhF。

3 結果與討論

3.1 小時尺度參考作物騰發量ET0-h的結果分析

圖1為2012和2013年不同PM公式計算的小時尺度的參考作物騰發量(ET0-h)的結果。由圖1可以看出，兩種PM公式計算得到的ET0-h變化規律較為相似，但由于計算參數取值的不同，導致其在數值上有差異。總體上，由ASCE PM公式計算的ET0-h值范圍為-0.05～0.92 mm/h，由FAO56 PM公式計算的ET0-h值范圍為-0.05～0.89 mm/h。且當ET0-h值越大時，二者之間的差異也越大，但總體差異維持在-0.02～0.5 mm/h范圍內。其中在白天，由于Cd取值的不同，導致ASCE PMET0-h值大于FAO56 PMET0-h值，而在夜間，由于Cd取值以及能量項和空氣動力學項的差異導致兩種計算公式ET0-h值大小關系并沒有一致的規律。此外，若2 m高處風速u2接近或為0，不同的Cd的取值將不影響計算結果，兩種計算標準求得的ET0-h值基本相同。

進一步分析ASCE PM公式和FAO56 PM公式在不同生育期的ET0-h日變化趨勢(圖2)，可以發現，在不同生育期內，ET0-h變化均呈拋物狀分布，且ET0-h值在中午時刻(12：00左右)達到最大，而夜間則維持在較低水平，這一特征與太陽凈輻射的分布較為相似，說明太陽凈輻射對ET0-h影響較大。兩種計算公式下ET0-h值在同一年內差異較小，但在不同年際間有所差異。

3.2 日尺度參考作物騰發量ET0-d的結果分析

日參考作物騰發量由兩種PM公式計算得到，計算值與小時累積值對比見圖3。根據圖3可以看出，整體上，ET0-dhA、ET0-dhF與ET0-d之間具有良好的線性關系，其相關系數R2達0.97以上，且其大小關系表現為ET0-dhA>ET0-d>ET0-dhF，其中2012年的ET0-dhA、ET0-dhF與ET0-d之間的誤差分別為1.69%、1.81%，而2013年的誤差則略有所減小(1.19%和1.63%)。進一步比較不同計算策略下日參考作物騰發量在不同生長時期的日ET0均值(表2)，并結合作物不同生長時期內的氣象因子變化，可以發現，2013年全生育期內的平均溫度(27.24℃)和平均凈輻射(126.67 W/m2)分別較2012年的值提高了7.6%和5.5%，對比2012和2013年不同生長時期的日ET0值，可發現除生長后期外，2013年日ET0均大于2012年，由此推測出造成年際間日ET0值發生變化的原因可能是由太陽凈輻射Rn和溫度T在年際間的變化引起的。

3.3 不同時間尺度計算ET0對確定水稻單作物系數的差異

通過分析不同計算策略下日ET0對作物系數的影響(圖4)，可以看出，作物系數Kc值與日ET0之間具有良好的線性關系，其相關系數R2達0.90以上，且大小關系表現為Kc-dhF>Kc-d>Kc-dhA，其中2012年Kc-dhA、Kc-dhF與Kc-d之間的誤差為1.13%、4.61%，2013年誤差為2.37%、0.52%，整體誤差較小(0～5%)。進一步分析作物不同生長時期Kc的均值(表3)可以發現，總體上，Kc在生長初期較小，而隨著作物的生育期的進行，其Kc值逐漸增大，并在生長中期達到最大，此后又隨作物的枯萎而逐漸減小。此外，通過進一步分析由實測日騰發量ETa求得的Kc值和FAO推薦值之間的關系，可以發現，由水稻實測日騰發量ETa求得的Kcini、Kcmid和Kcend值2012年分別為1.20、1.60和0.76，2013年分別為1.14、1.63和0.96，均略大于由FAO推薦的單作物系數修正法計算得到的Kcini、Kcmid和Kcend的值(1.05、1.12、0.85)。由此可以看出，單作物系數Kc值的區域性率定對于作物騰發量ETa的準確計算至關重要。