北疆滴灌春小麥參考作物蒸發(fā)蒸騰量與氣象因子的關(guān)系

楊廣，何新林，王振華，葛宇

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院／現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室，石河子832003）

參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）為一種假想的參考作物冠層的蒸發(fā)蒸騰速率，假設(shè)作物高度為0．12 m，固定的葉面阻力為70s／m，反射率為0．23，非常類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全覆蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸發(fā)蒸騰率［1］。它是基于氣象因子的可用于實(shí)際蒸散的總能量的估算，是聯(lián)系氣象因子與水分循環(huán)的重要物理參數(shù)［2］。ET0是計(jì)算作物需水量的關(guān)鍵因子，對(duì)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和水資源管理有重要意義。計(jì)算ET0的方法有很多［3］，如 FAO－Penman 法、Penman－－Monteith 法、Priestley－Taylor法、Blaney－Criddle 法、蒸 發(fā) 皿 法等。研究表明［4－5］，無論在干旱地區(qū)還是濕潤地區(qū)，Penman－Monteith法的計(jì)算精度都是最高的，因此本研究采用Penman－Monteith法進(jìn)行計(jì)算。

Penman－Monteith法需要太陽輻射、風(fēng)速、空氣溫度等諸多、大量的氣象資料，若氣象資料有限，則不能發(fā)揮Penman－Monteith公式的作用［6－7］，因此ET0與氣象因子之間有著密切的關(guān)系，研究ET0與氣象因子之間的相關(guān)性對(duì)估算ET0和簡化ET0的估算有重要意義。已有學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究，如Gong等［8］研究了中國長江流域的ET0對(duì)氣象因子的敏感性，結(jié)果表明相對(duì)濕度最敏感，其次是日照時(shí)數(shù)、溫度與風(fēng)速；梁麗喬等［9］認(rèn)為松嫩平原西部生長季ET0對(duì)氣象因子的敏感性大小順序?yàn)橄鄬?duì)濕度、氣溫、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)；張瑞美和彭世彰［10］的研究結(jié)果表明，ET0與“溫度因子”的關(guān)系最強(qiáng)，其次為“濕度和日照因子”，“風(fēng)速因子”也有一定的影響，“氣壓因子”的影響作用則稍弱，并簡化了ET0的計(jì)算。

上述文獻(xiàn)主要研究了ET0與氣象因子的敏感性，但對(duì)ET0與氣象因子之間相關(guān)性研究得不夠深入［11－13］。本文利用新疆石河子2011年氣象資料，研究滴灌春小麥生育期內(nèi)ET0與氣象因子之間的相關(guān)性，以期在數(shù)據(jù)資料不完整的情況下能夠用有限的氣象因子估算出ET0值，為滴灌春小麥的灌溉管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年4－7月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基地暨石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試場二連，北緯44°19′26″，東經(jīng)85°59′47″，海拔412m，平均地面坡度6×10－3，年平均日照時(shí)間達(dá)2865h，大于10℃積溫為3463．5℃，大于15℃積溫為2960．0℃，無霜期達(dá)到170d，多年平均降雨量207mm，平均蒸發(fā)量1660mm。試驗(yàn)地地下水埋深大于8m，土壤質(zhì)地為中壤土，0～100cm土壤平均干質(zhì)量密度為1．57g／cm3，田間持水量為30．72%（體積百分比）。

春小麥供試品種為新春17號(hào)，采用農(nóng)機(jī)播種小區(qū)面積為18．6m×4．5m＝83．7m2，由東向西逐次排列12個(gè)。2011年4月12日播種，7月15日收獲，整個(gè)生育期為90d。

每個(gè)小區(qū)布設(shè)5根滴管帶，1管灌溉4行小麥，毛管間距為60cm；春小麥全生育期灌溉定額為405 mm，灌水次數(shù)為9次；春小麥全生育期合計(jì)施用尿素405kg／hm2，磷酸二氫鉀150kg／hm2。

春小麥各生育期的灌溉定額、灌水次數(shù)、施肥量見表1。

1．2 研究方法

1．2．1 氣象觀測

降雨量通過放置在試驗(yàn)田內(nèi)的量雨筒測定，其他氣象數(shù)據(jù)，如氣溫（最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫）、測點(diǎn)10m高處的風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、氣象站高程、風(fēng)速測量高度、緯度等來源于臨近試驗(yàn)地的石河子氣象站51356站（海拔442．9m，北緯44°19′，東經(jīng)85°03′）的觀測資料。

1．2．2 ET0計(jì)算方法

ET0采用 FAO56Penman－Monteith公式計(jì)算，見式（1）：

式（1）中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，也為參考作物需水量，mm／d；ETrad為參考作物蒸發(fā)蒸騰量中的輻射項(xiàng)，mm／d；ETareo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量中的空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)，mm／d；Δ為飽和水汽壓－氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa／℃；Rn為凈輻射量，MJ／m2／d；G為土壤熱通量，MJ／m2／d；γ為溫度計(jì)常數(shù)，kPa／℃；T為空氣平均溫度，℃；U2為地面以上2m高處的風(fēng)速，m／s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實(shí)際水汽壓，kPa。

式（1）中的參數(shù)值與地區(qū)條件有關(guān)，根據(jù)計(jì)算地點(diǎn)的氣象觀測資料分析選用。

2 結(jié)果與分析

2．1 滴灌春小麥生育期內(nèi)參考作物騰發(fā)量的計(jì)算

春小麥ET0與生育期內(nèi)的氣溫、空氣相對(duì)濕度、降雨量等氣象因子有著密切的關(guān)系，通過實(shí)測數(shù)據(jù)及氣象站氣象資料得到春小麥生育期內(nèi)降雨、氣溫、濕度變化過程，見圖1。

由圖1可以看出：

1）春小麥生育前期降雨較多，生育中后期降雨量少，次降雨量都小于5mm。

2）春小麥生育期內(nèi)總降雨量為88．1mm，但次降雨量小于5mm時(shí)降雨次數(shù)為3次，有效降雨量為63．7mm。

3）氣溫和空氣相對(duì)濕度都在苗期－拔節(jié)期的變化浮動(dòng)較大，空氣相對(duì)濕度高達(dá)72%，拔節(jié)期－成熟期，日平均氣溫基本達(dá)到25℃以上，并且持續(xù)增加，空氣相對(duì)濕度減小。

利用式（1）計(jì)算出春小麥全生育期ET0的日變化過程，小麥全生育期ET0的變化規(guī)律如圖2、圖3所示。

由圖2可知：

在春小麥生育期內(nèi)，4月ET0的值在4～5mm左右，5月ET0在5～6mm左右，6月以后ET0大多數(shù)都在6～7mm左右。其原因主要是4－5月溫度的變幅較大，陰雨天氣較多，因此ET0的變化也較大，6月以后氣溫持續(xù)上升，輻射強(qiáng)度較大，因而ET0的變化也較大。

ET0的變化主要是由輻射項(xiàng)ETrad的變化引起的。在小麥整個(gè)生育階段，ETrad一般都大于ETaero，ETrad在4－7月變化趨勢較為平穩(wěn)，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，溫度提高，輻射增強(qiáng)，ETrad值也隨著逐漸增大，ETrad在4月最小，其值在2mm／d左右，至6月達(dá)到最大值，其值在4mm／d左右；ETaero在4－7月隨著天氣的變化而出現(xiàn)明顯的浮動(dòng)變化，4－5月空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)ETaero平均值在1．5mm／d，6－7月中旬其值平均在2mm／d。

圖2、圖3顯示：在春小麥苗期間ET0較小，隨后逐漸增大，進(jìn)入抽穗期達(dá)到最大，灌漿期又逐漸減小。

2．2 氣象因子與生育期內(nèi)日ET0的關(guān)系

利用Penman－Monteith公式計(jì)算ET0需要大量氣象數(shù)據(jù)資料，有些地方由于條件有限，不能提供完善的氣象資料，而不能發(fā)揮Penman－Monteith方程的作用。本文數(shù)據(jù)資料采用臨近氣象站提供的一些基本的氣象資料，如氣溫、濕度、風(fēng)速等，通過分析ET0與基本氣象因子之間的相關(guān)性，得到ET0與相關(guān)性較大的氣象因子之間的定量式，以期在數(shù)據(jù)資料不完整的情況下，能夠利用有限的氣象因子估算出ET0值。具體計(jì)算方法與結(jié)果見表2。

作物需水量與太陽輻射量成一定的比例關(guān)系，而溫度反映系統(tǒng)本身內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，溫度的高低反映了熱量的水平，衡量著輻射量的大小和變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，葉片與大氣之間的水汽壓差增大，ET0增加，因此，溫度對(duì)土壤蒸發(fā)和ET0的影響很大，且與作物需水量的相關(guān)性高。

圖4為日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫與ET0的關(guān)系擬合曲線圖。由圖4及表2可知：ET0隨著日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫增加而增大，三者與ET0均呈線性關(guān)系，日平均氣溫與ET0的相關(guān)系數(shù)最大（R2＝0．7689），日最低氣溫與ET0的相關(guān)系數(shù)最?。≧2＝0．524），日最高溫度的相關(guān)系數(shù)介于日平均氣溫、日最低氣溫相關(guān)系數(shù)之間（R2＝0．6731）。

上述分析表明：滴灌春小麥生育期內(nèi)，日平均溫度是一適合表征ET0的氣象因子，在缺乏氣象資料的條件下，可以利用日平均氣溫T＝0．1919ET0＋1．3764估算ET0。

當(dāng)空氣相對(duì)濕度增大時(shí)，空氣的蒸汽壓也增大，葉片與大氣之間的水汽壓差變小，作物蒸發(fā)蒸騰變慢，作物的需水量也減少；當(dāng)空氣相對(duì)濕度減小時(shí)，葉片與大氣之間的水汽壓差增大，作物蒸發(fā)蒸騰增強(qiáng)。風(fēng)速是通過加快水汽擴(kuò)散、減少水汽擴(kuò)散阻力來實(shí)現(xiàn)對(duì)作物需水量的影響的。水汽擴(kuò)散阻力與風(fēng)速之間的關(guān)系呈反比的關(guān)系，即風(fēng)速越小，水汽擴(kuò)散阻力越大，ET0越小，反之，則ET0增加。凈輻射越大，作物ET0越大，反之則減小。

由圖5可以看出：日ET0隨著凈輻射、風(fēng)速的增大而增大，隨空氣相對(duì)濕度的增大而減??；同時(shí)從表2也可以看出，凈輻射與ET0之間有較為明顯的線性關(guān)系，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0．6332，而日平均濕度、日平均風(fēng)速與ET0之間基本不存在線性關(guān)系，兩者與ET0之間的相關(guān)系數(shù)分別為0．2795和0．1172。

上述分析表明：滴灌春小麥生育期內(nèi)，凈輻射也是一適合表征ET0的氣象因子，在缺乏氣象資料的條件下，可以利用凈輻射Rs＝0．4313ET0－0．0042計(jì)算ET0。

2．3 氣象因子對(duì)累積ET0的影響

對(duì)滴灌春小麥生育期內(nèi)單個(gè)氣象因子與ET0的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果見表3。由表3可知，日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、濕度、風(fēng)速、凈輻射累積值與ET0累積值之間的相關(guān)系數(shù)都在0．99以上，均達(dá)到極顯著線性相關(guān)水平。

對(duì)氣象因素累積值與ET0累積值進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)關(guān)系擬合曲線見圖6和7。

由圖6和7可知：氣溫、凈輻射與日ET0之間線性相關(guān)較為明顯，但風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度與日ET0不存在線性相關(guān)關(guān)系，這是由于日ET0的變化受到諸多氣象因子的影響，因而單個(gè)氣象因子與ET0之間的相關(guān)性普遍較低，而采用累積ET0比日ET0減少了偶然情況下的干擾。

上述分析表明：利用日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、濕度、風(fēng)速、凈輻射累積量的數(shù)據(jù)資料，可以精確計(jì)算ET0累積值，尤其是日平均濕度與日ET0之間雖然不存在線性相關(guān)，但兩者的累積量之間存在極顯著線性關(guān)系。

3 結(jié)論

1）ET0日變化受氣象因子影響很大，滴灌春小麥生育期內(nèi)ET0的變化規(guī)律為先增大后減小，到抽穗期達(dá)到最大。

2）在滴灌春小麥生育期內(nèi)，日平均氣溫及凈輻射與ET0的相關(guān)系數(shù)分別為0．7689，0．6332，在缺乏氣象數(shù)據(jù)資料的情況下，可以利用日平均氣溫（T＝0．1919ET0＋1．3764）和凈輻射（Rs＝0．4313ET0－0．0042）估算ET0。

3）日平均濕度、日平均風(fēng)速與ET0的相關(guān)系數(shù)分別為0．2795、0．1174，表明二者之間不存在線性關(guān)系，不能用日平均濕度和日平均風(fēng)速估算ET0。

4）各氣象因子的累積量與ET0累積量相關(guān)系數(shù)均達(dá)到極顯著線性相關(guān)水平，可以用各氣象因子累積量計(jì)算ET0的累積值。

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