单作物系数法和双作物系数法计算ET

单作物系数法和双作物系数法计算作物需水量的比较研究樊引琴，蔡焕杰(西北农林科技大学 农业水土工程实验室)摘 要：本文采用FA0-56推荐的计算作物需水量的单作物系数和双作物系数方法，应用陕西杨凌地区的资料，分别计算了作物需水量，并和蒸渗仪的实测值进行了对比，分析了其差异及原因。结果表明，在地面部分覆盖的情况下，双作物系数法比单作物系数法更接近实测值，而在地面完全覆盖情况下，两者差别不大。关键词：作物需水量；蒸渗仪；作物系数基金项目：高等学校博士点基金和国家留学回国人员启动基金资助项目的部分内容。作者简介：樊引琴(1976-)，女，陕西宝鸡人，硕士，研究方向：节水灌溉。作物需水量是制定流域规划，地区水利规划及灌排工程规划、设计、管理和农田灌排实施的基本依据，在农业生产实践中占有重要地位。因此，准确地确定作物需水量是十分必要的。作物需水量的计算方法很多，最常用的方法是作物系数-参考作物需水量(KcET0)法。作物系数反映作物和参考作物之间需水量的差异，可用一个系数来综合反映，也可用两个系数分别来描述蒸发和蒸腾的影响，即所谓的单作物系数和双作物系数。双作物系数是把作物系数分为基础作物系数和土壤蒸发系数两部分。基础作物系数说明蒸腾作用，而土壤蒸发系数则描述蒸发部分。在已往对作物系数的研究中总是把植株蒸腾和土壤蒸发统一考虑，即用单作物系数。但土壤蒸发与植株蒸腾的比例在作物生育期内会有很大变化。在作物完全覆盖地面以后，土壤蒸发相对较小，蒸腾占主导地位；但当作物较小或比较稀疏时，在降雨或灌溉后，土壤蒸发则起主要作用，可以占到很大比例，特别是在土壤表面经常湿润的条件下。由于大部分作物在生育期中有相当一部分时间地面覆盖不完全，此时，要准确估算作物需水量就需全面考虑土壤蒸发和作物蒸腾。目前关于作物需水量的计算，大多采用单作物系数法。本文旨在利用位于陕西杨凌的西北农林科技大学灌溉试验站的资料，对单作物系数法和双作物系数法计算的作物需水量进行比较，分析其差异及原因，以便为准确地计算作物需水量以及制定科学、合理的灌溉制度提供依据。1 研究条件1.1 试验条件试验在位于陕西杨凌的西北农林科技大学灌溉试验站进行。供试作物为冬小麦，1999年10月12日播种，次年6月4日收割。土壤质地为中壤土，1m土层的田间持水量为23%25%，凋萎含水量为11%12%(以上均为重量含水量).地下水埋藏较深，其向上补给量可以忽略不计。试验站内设有气象站，可获得每日的气象资料。用田间的大型称重式蒸渗仪测定作物的实际蒸发蒸腾量，蒸渗仪面积为2.5m2.5m，深3m，采用优良的称重系统，具有很高的分辨率和精度，用数据采集系统自动采集和记录数据。本实验数据每15min采集一次，可得到短时段内的蒸发蒸腾量。1.2 作物生育期的划分将冬小麦全生育期分为4个阶段：初期、发育期、中期和后期。初期阶段从播种开始的早期生长时期，土壤根本或基本没有被作物覆盖(地面覆盖率小于10%)；发育阶段从初始生长阶段结束到作物有效覆盖土壤表面(地面覆盖率70%80%)的一段时间；中期阶段从充分覆盖到成熟开始，叶片开始变色衰老的一段时间；后期阶段从中期结束到生理成熟或收获的一段时间。根据陕西杨凌当地的气候条件及作物的实际生长状况，各生育阶段的长度分别取为：130d(越冬前60d，越冬期70d)，50d，37d，20d.初期较长是因为冬小麦需要经历很长的越冬期，在越冬期土壤冻结，地上部分停止生长，土壤蒸发和植株蒸腾都非常小，所以把越冬期划入初期阶段。2 作物需水量的计算方法FAO作物需水量专家咨询组(Allen等，1994)推荐充分供水条件下采用的作物需水量计算公式如下：ET=KcET0(1)ET=(Kcb+Ke)ET0(2)式中：ET0为参考作物需水量；Kc为综合作物系数；Kcb为基础作物系数；Ke为土壤蒸发系数。2.1 参考作物需水量的计算参考作物需水量(ETO)的计算方法很多，本文采用标准化、统一化后的FAO Penman-Monteith公式1：ET0=0.408(Rn-G)+900/T+273u2(es-ea)/+(1+0.34u2)(3)式中：ET0为采纳靠作物需水量(mm/d);Rn为作物表面的净辐射量(MJm-2d-1);G为土壤热通量(MJm-2d-1);T为平均气温()；U2为2m高处的平均风速(m/s);es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/)；为干湿表常数(kPa/).2.2 单作物系数(综合作物系数Kc)的计算FAO-56推荐的冬小麦各生育阶段的单作物系数分别为：Kc ini1=0.7(非冻土期)，Kc ini2=0.4(冻土期)，Kc mid=1.15，Kc end=0.25；当地的作物系数值需要按湿润频率和气候条件对推荐值进行调整2。2.2.1初期阶段作物系数(Kc ini)的确定初期阶段土壤蒸发在作物需水量中占主导地位，因此，确定Kc ini值时需考虑降雨或灌溉的影响。土壤蒸发分2个阶段：在第一阶段，潜在蒸发速率Eso=1.15ET0，所需时间t1=REW/Eso。当湿润间隔时间twt1时，即蒸发的第二阶段时，计算公式为：Kc ini=TEW-(TEW-REW)exp-(tw-t1)Eso(1+REW/TEW-REW/TEW)twET0(4)式中：TEW为总蒸发水量(mm);REW为易蒸发水量(mm)，本文取REW=9mm;tw为湿润间隔时间(d);t1为第一阶段蒸发所需时间(d)，；Eso为潜在土壤蒸发速率(mm/d)，；ET0为初期参考作物需水量的平均值(mm/d).式中各参数的计算见参考文献2。2.2.2中期和后期作物系数(Kc mid,Kc end)的确定 根据FAO-56提供的Kc mid和Kc end,当中期和后期最小相对湿度的平均值RHmin45%，2m高处的日平均风速u22.0m/s时，按下式调整：Kc=Kc(推荐)+0.04(u2-2)-0.004(RHmim-45)(h/3)0.3(5)式中：RHmin为计算时段内每日最小相对湿度的平均值(%)，20%RH80%；u2为计算时段内2m高处的日平均风速(m/s),1m/su26m/s;h为计算时段内的平均株高（m），0.1mh0.45时Kcb mid和Kcb end按下式调整：Kcb=Kcb(推荐)+0.04(u2-2)-0.004(RHmin-45)(h/3)0.3(6)3.3.2土壤蒸发系数(Ke) 在较大降雨或灌溉后表土湿润，Ke达到最大值；当表土干燥时，Ke很小，甚至为零。土壤蒸发系数可用下式确定：Ke=Kr(Kc max-Kcb)fewKc max(7)式中：Ke为土壤蒸发系数；Kcb为基础作物系数；Kc max为降雨或灌溉后作物系数的最大值；Kr为由累积蒸发水深决定的表层土壤蒸发衰减系数；few为发生棵间蒸发的土壤占全部土壤的比例。式中各参数的确定方法见参考文献2。3 结果与讨论3.1 根据推荐值，两种方法计算的作物需水量与实测值的比较FAO推荐的作物系数经调整后，单作物系数和双作物系数两种方法的计算值与实测值的绝对偏差和相对偏差在发育期和中期特别大，导致全生育期的绝对偏差和相对偏差也很大，所以应根据当地的实际情况重新修正初始值。根据当地的气候条件，作物的实际生长状况及实测结果，修正后各阶段的单作物系数分别为：Kc ini=0.5，Kc mid=0.9，Kc end=0.3；基础作物系数分别为Kcb ini=0.2,Kcb mid=0.9，Kcb end=0.2.由于本实验在冬小麦的越冬期进行了一次冬灌(I=54mm)，越冬期与越冬前的作物系数基本相近，所以在整个初期阶段取为一个值。3.2 修正后两种方法的计算值与实测值的对比图1是计算的作物需水量与实测值在全生育期的逐日变化过程。从图1可以看出，在大多数情况下，计算值和实测值非常类似，实测值受偶然因素的干扰，波动较大，计算值比较稳定。在初期和后期，计算的ET比实测值稍低；在发育期和中期，计算的ET比实测值稍高。单作物系数的计算值反映了各阶段ET的平均值，而双作物系数的计算值能很好地反映降雨或灌溉后ET的变化。灌溉后的前几天计算的ET比实测值大，可能是由于过高地估算了土壤蒸发系数(Ke).表2给出了各生育阶段2种方法的计算值与实测值的绝对偏差和相对偏差，从表中可以看出，在作物生长的初期、发育期和后期，用双作物系数计算的作物需水量明显地比用单作物系数计算的作物需水量更接近蒸渗仪的实测值；在中期，用单作物系数计算的作物需水量和用双作物系数计算的作物需水量十分接近，绝对偏差分别为4.23mm和5.34mm，相对偏差分别为3.5%和4.4%，单作物系数法计算的绝对和相对偏差稍低。从全生育期来看，双作物系数计算的作物需水量比单作物系数计算的作物需水量更接近实测值。图1 全生育期内计算的ET与实测值逐日变化过程表2 两种方法根据修正值计算的作物需水量与实测值的比较单作物系数法双作物系数法生育阶段计算值/mm实测值/mmET/mmR(%)计算值/mm实测值/mmET/mmR(%)初期阶段86.2788.16-1.89-2.1488.0188.16-0.15-0.17发育阶段91.1081.199.9112.2081.5281.190.330.41中期阶段125.96121.734.233.47127.07121.735.344.39后期阶段45.9248.65-2.73-5.6148.0848.65-0.57-1.17全生育期349.25339.739.522.80344.68339.734.951.46图2示出了单作物系数法与双作物系数法计算的作物需水量之间的关系。从图可以看出，单作物系数法与双作物系数法的计算结果相当接近，二者有很好的相关性。3.3 蒸发占蒸发蒸腾量的比例在全生育期的变化从表3可以看出：生长初期，地面覆盖度小，以蒸发为主，蒸发占蒸发蒸腾量的60.8%，降雨或灌溉后湿土蒸发强度增大的幅度很大；随冠层的发育，蒸发所占的比例明显下降，降雨或灌溉后湿土蒸发强度增大的幅度也逐渐减小；中期，地面充分覆盖，蒸发所需的能量被冠层吸收，以蒸腾为主，蒸发所占的比例很小，只有0.9%，降雨或灌溉对蒸发的影响很小；图2 单作物系数法与双作物系数法计算结果的关系后期，随作物的成熟，叶片的衰老，覆盖度减小，蒸发所占的比例又有所上升。单作物系数综合反映了土壤蒸发和植物蒸腾的影响，而双作物系数中的土壤蒸发系数单独描述了降雨或灌溉后土壤蒸发的变化情况，所以在作物生长的初期、发育期和后期，用双作物系数计算的作物需水量明显地比用单作物系数计算的作物需水量更接近蒸渗仪的实测值；在中期，用单作物系数计算的作物需水量和用双作物系数计算的作物需水量十分接近。表3 双作物系数计算的土壤蒸发占作物蒸发蒸腾量的比例生育阶段初期阶段发育阶段中期阶段后期阶段全生育期土壤蒸发E/mm53.507.541.115.6167.76蒸发蒸腾ET/mm88.0181.52127.0748.08344.68E/ET(%)60.89.30.911.719.7由于在冬小麦的整个生育期中，大部分时间地面处于不完全覆盖，蒸发占总需水量的19.7%，因此需全面考虑土壤蒸发的影响，而双作物系数中的土壤蒸发系数能很好地反映降雨或灌溉后土壤蒸发的变化，所以从全生育期来看双作物系数计算的作物需水量比单作物系数计算的作物需水量更接近于实测值。4 结论与建议(1)通过对FAO-56提供的作物系数的修正，用单作物系数法和双作物系数法分别计算的陕西关中地区的作物需水量与实际作物需水量是十分接近的，其绝对偏差分别为9.53mm和4.96mm；相对偏差分别为2.8%和1.5%.(2)从两种方法的计算值与实测值的误差分析看出，双作物系数计算的作物需水量比单作物系数计算的作物需水量更切合实际，尤其是在地表覆盖度较小的情况下。建议采用双作物系数法计算作物需水量。(3)从总体来看，两种方法计算的作物需水量有很好的相关性，由于单作物系数法比双作物系数法简单，在进行作物生育期需水量计算时可采用单作物系数，但是在利用作物需水量进行灌溉预报和灌溉决策时，要求的时段小，应考虑土壤蒸发的影响，此时宜采用双作物系数法计算的作物需水量值。(4)本文计算的作物需水量是在冬小麦充分供水条件下得到的，而对于非充分供水条件下作物需水量的计算，应考虑土壤水分修正，还有待进一步研究。参 考 文 献：1 Allen R G,Smith M,Perrier A,Pereira L S.An Update for the Definition of Reference EvapotranspirationJ。ICID Bulletin 1994,43(2)。2 Richard G Allen,Luis S Pereira,Dirk