作物蒸散量計算模型研究進展

周彥麗

摘要 從作物需水量與蒸散量關系出發(fā)，對目前國內外計算作物蒸散量的不同模型，包括單一模型、互補相關模型、紅外遙感模型、SWAP模型等進行了總結，初步探討了這些模型各自的優(yōu)勢和存在的問題，并預測了作物蒸散量計算模型的發(fā)展趨勢。

關鍵詞 作物蒸散量;計算模型

中圖分類號：S311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）04-079-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.032

Abstract In this paper，the relationship between crop water demand and evapotranspiration was discussed. The different models for calculating crop water evapotranspiration at home and abroad，including single model，complementary correlation model，infrared remote sensing model，and ?SWAP model were summarized. The advantages and existing problems of these models were preliminarily discussed，and the development trend for calculation models of crop evapotranspiration was predicted.

Key words ? Crop evapotranspiration;Calculation models

水分循環(huán)是生態(tài)系統中物質傳輸及環(huán)境調節(jié)的重要環(huán)節(jié)，水分通過蒸散過程從土壤和作物輸送到大氣中，在大氣中凝結，再以降水的形式返回土壤中。土壤水分通過作物棵間地表和作物葉面的蒸發(fā)蒸騰，是在農業(yè)生產中計算農業(yè)灌溉用水量、制定農作物灌溉計劃、預測土壤水分動態(tài)及區(qū)域水資源變化的重要依據。因此，準確模擬蒸散的物理過程，計算農田蒸散量，對研究全球氣候演變、改善水資源短缺問題、推廣節(jié)能灌溉模式、提高水資源利用率、緩解農業(yè)旱情，有著重要意義。該文從作物需水量與蒸散量的關系入手，初步探討當前計算蒸散量所用模式和研究進展。

1 蒸散量計算模式

1.1 需水量與蒸散量的關系

理論上，作物需水量是指在土壤水分和肥力條件適宜、沒有病蟲害干擾、能夠獲得穩(wěn)定高產的前提下，為滿足作物植株蒸騰、棵間蒸發(fā)、組成植株體和進行光合作用等生理過程所需的水量。但在實際生產中，由于組成植物體和進行光合作用等消耗的水分占總需水量的比例不足1%，且受多種因素影響，難以獲得精確的計算結果，因此在計算蒸散量時，通常將這部分消耗的水分忽略不計。即認為作物需水量等于植株蒸騰量和棵間蒸發(fā)量之和，氣象學、水文學和地理學中稱之為“蒸散量”。

1.2 蒸散量計算的基礎模型

農田表面和植株葉面是作物蒸發(fā)蒸騰的界面，也是土壤與大氣、作物與大氣、作物與土壤的接觸界面。影響作物蒸散量的因素多而復雜，給計算模型的建立增加了難度，但主要受氣象因素、土壤因素和作物因素的影響。氣象因素和土壤因素是外部因素，前者的影響因子主要有太陽輻射、日照、溫度、濕度、風速等，后者的影響因子主要有土壤結構、土壤性質、有機質含量、水分含量等;作物因素是內部因素，影響因子主要有作物種類、作物品種、生育期和生長狀況等。因此，作物蒸散量計算的基礎模型可以表達為：

ET=fi（M，S，B）

其中，ET表示作物蒸散量;fi表示函數符號;M表示氣象因子;S表示土壤因子;B表示作物因子。

目前，計算作物蒸散量的方法基本可分為2類：一是先根據氣象資料計算各生育階段的潛在蒸散量，然后綜合考慮作物系數和土壤系數，再計算實際蒸散量;二是先計算作物整個生育期的總蒸散量，然后按照各生育階段的不同系數，分別計算各生育階段的蒸散量。

2 實際蒸散量的計算模型

2.1 單一模型

單一模型可分為2類：一是直接計算實際蒸散量，多用于模擬某一具體時刻的蒸散量，缺點是需要的參數多，在實際運用中存在較大困難。二是先計算參考作物蒸散量，然后根據作物生長狀況和土壤實際水分狀況進行修正。這類模型可以用于計算一天及更長時間的蒸散量，而且需要的參數少，實際應用更為方便。

2.1.1 潛在蒸散量的計算模型 潛在蒸散量的計算模型通常可分為4類：水面蒸發(fā)法、溫度法、輻射法和綜合法?；跍囟扔嬎愕姆椒ㄖ饕蠮ensen-Haise公式、FAO 24 Blaney- Criddle公式、Thornthwaite公式以及Hargreaves-Samani公式等;基于輻射的方法主要有Priestley-Taylor公式、以及FAO 24 Radiation公式等;此外還有根據美國濕潤地區(qū)資料得到的Irmark-Allen公式，以及布迪科公式等，但這些方法在實際應用中都存在一定的局限性。

1948年，彭曼首次將能量平衡原理和空氣動力學原理相結合，假定大氣具有天然穩(wěn)定性，依據下墊面能量平衡和湍流運動規(guī)律，不計算渦流影響，得出了Penman 公式。1956年，Monteith將表面阻力概念引入Penman 公式，優(yōu)化得到了Penman- Monteith公式，其最大特點是無論是否存在水分脅迫，計算結果都比較精確。因此世界糧農組織（FAO）于1990年將其定為計算作物潛在蒸散量的標準方法。但由于該公式需要大量的氣象數據支撐（包括最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速、日照時數等），而世界上多數地區(qū)的氣象站難以提供全部的完整數據，這在很大程度上限制了該公式的使用。所以在計算未來氣候變化對作物蒸散量的影響時，應從當地的氣候條件出發(fā)，選擇適合該地區(qū)的作物蒸散量計算模型，必要時還應對模型中的參數進行區(qū)域修正，或同時采用2種以上模型分別計算并選擇更為合理的結果。

我國學者劉鈺、龔元石等人比較了Penman-Monteith公式和標準PM公式在不同地方的計算結果;張寄陽等人以PM 公式為標準評價了Blaney-Criddle公式、Priestley-Taylor公式、Markkink 公式在風沙區(qū)的應用效果;劉曉英檢驗了Priestley-Taylor公式在半干旱區(qū)的計算準確性，王新華等人根據甘肅省張掖市氣象站的資料，分別采用Hargreaves 公式和Penman-Monteith公式，提出了適合西北干旱區(qū)作物蒸散量的計算公式。

2.1.2 實際蒸散量的計算模型 ?Pen？鄄man-monteith公式非常適用于計算密集植被的實際蒸散量，但由于其不能精確計算葉面指數較低時的作物蒸散量，因而難以推算作物全生育期的蒸散量，因此Shuttleworth和Wallace提出了作物冠層為均勻覆蓋的假設，引入冠層阻力和土壤阻力2個參數，建立了由作物冠層和冠層下地表2部分組成的雙源蒸散模型（以下簡稱為S-W模型）。土壤表面阻力與土壤含水量、土壤質地有關，由于不同冠層類型的土壤表面阻力差異較大，Choudhury和Monteith將S-W模型進一步拓展為包括土壤干燥層和濕潤層的雙源四層型。Dolman、Brenner和Incoll還分別建立了密閉冠層和稀疏冠層的多源模型。但是這些模型參數多，計算過程復雜，目前都沒有大規(guī)模應用。

2.2 互補相關模型

互補相關原理由Bouchet在1963年提出，在輻射值固定的前提下，陸面蒸散量和可能蒸散量呈負相關關系，且兩者之和為一常數，等于濕潤條件下蒸散量的2倍，即陸面蒸散量和可能蒸散量是互補的。互補相關模型的主要代表有Brutsaert和Stricrer1979年提出的平流-干旱（AA）模型，Morton 1983年提出的CRAE蒸散模型，Granger 1989年提出的Granger模型等?；パa取關模型的最大優(yōu)勢在于參數少，簡化了計算流程，只需要常規(guī)氣象資料就可以得到陸面蒸發(fā)量，因此自20世紀90年代以來，被大范圍應用于區(qū)域蒸散量估算研究中。但是互補相關模型也有比較突出的局限性，不能應用于下墊面陡變的地區(qū)，且對濕度資料的精確度要求高。

國內對于互補相關模型的研究較少，劉紹民等人利用1981—2000年黃河流域的氣象、水文資料，并結合衛(wèi)星遙感信息和數字高程模型，檢驗了上述模型的精確度。平流-干旱模型估算月蒸散量和日蒸散量的準確度都較高;CRAE和Granger模型估算冬季月蒸散量時存在數值過高的問題，除干旱年份以外，估算的年蒸散量誤差都低于10%。

2.3 紅外遙感模型

20世紀70年代以來，遙感技術逐步被應用于計算作物蒸散量，既克服了微氣象學法因下墊面幾何結構和物理屬性的水平非均勻性，而難以將“點”上的觀測資料應用到“面”上的局限性，也克服了水量平衡法在時間分辨率上的缺陷。1973年，Brown和Rosenbeg率先提出利用遙感技術測定作物表面溫度，結合下墊面的能量平衡和湍流運動規(guī)律來計算農田蒸散量的方法。之后，Verma和Rosenbeg、Hatfied、陳鏡明、謝賢群、Inoue、張仁華和蔡煥杰等人均對這一方法進行了改進。

近年來，隨著大數據和遙感傳感器的發(fā)展，我國在運用遙感數據模擬反演地表蒸散指標的研究上，已取得較大成果，且有著廣闊的發(fā)展前景。2007年，劉朝順等[19]使用成熟的單窗算法，估算山東墾利縣的地表能量分布和蒸散情況。2008年，曾麗紅等[20]采用最新的遙感影像，對SEBAL模型進行了驗證，并估算了區(qū)域蒸散狀態(tài)。2012年，張雨航[21]采用MODIS 傳感器在海流兔河流域進行蒸散驅動分析，結合實際地表觀測值，估算柴達木盆地的蒸散量。2016年，王軍等[22]將NOAA-AVHRR數據和氣象站觀測數據結合，完成多源耦合的蒸散分布計算。

2.4 SPAC系統中蒸散量的系統模擬方法

SPAC系統是由土壤一植物一大氣連續(xù)體構成，該系統中的蒸散過程與大氣環(huán)境、作物生長狀況、土壤水分狀況存在復雜的耦合作用，因此必須采取綜合分析方法，才能模擬SPAC系統的水分傳輸過程。目前已有不少模型模擬SPAC系統中蒸散量的變化，其中應用最廣泛的是SWAP模型，這一模型基于Richard方程和溶質對流彌散方程，可以模擬作物的日實際蒸散量，結果較為精確。此外，我國學者盧振民、康紹忠、劉昌明、劉樹華等人先后對SPAC系統中的水分傳輸過程和蒸散過程進行了模擬研究，但研究深度仍有待加強。

3 結語

（1）Prierstley-Taylor 公式、Penman 公式、Penman-Monteith公式等單一模型已普遍應用于模擬計算作物蒸散量，但研究方向已經向以Shuttleworth-Wallace 模型為基礎的多層模型轉移。盡管多層模型中阻力參數多使用經驗表達式，卻為計算不同植物冠層類型和下墊面狀況下的蒸散量提供了新的思路。另外，互補相關模型也是一種重要的研究區(qū)域蒸散量的方法。近年來，由于水資源短缺問題突出，人類社會對生態(tài)環(huán)境問題和氣候變化的關注度越來越高，遙感技術在估算區(qū)域蒸散量方面的應用進展顯著，已衍生出多種估算方法。

（2）平流作用對蒸散量計算的影響，非均勻下墊面植被蒸散量和區(qū)域蒸散量的估算，多層模型的發(fā)展完善及阻力參數的確定，遙感技術、GIS技術及SPAC系統結合估算蒸散量等，都是未來蒸散量計算研究的發(fā)展方向。此外，將模擬SPAC系統中蒸散過程與CO2通量、熱量交換等其他過程的研究相結合，也將成為未來陸地-大氣相互作用、全球氣候變化等研究的重要內容。

總之，如今雖然已經形成一系列的蒸散量計算方法，但每種方法都是根據一定的對象和條件發(fā)展起來的，至今還沒有一種十全十美的方法。因此在20世紀90年代中后期，蒸散量計算仍普遍采用2種及以上方法，其目的就是盡量避免單一計算方法的局限性，提高蒸散量計算精度和結果的可靠性。需要特別指出的是，目前植被蒸散模式的研究對象，幾乎只局限于單一作物系統或森林系統，而在2種或2種以上植物共存的農林復合系統中，因地下部分盤根錯節(jié)和地上冠層錯落搭配所構成的獨特植被結構，增加了各類參數處理的復雜性和研究工作的難度，使得農林復合系統蒸散模型的研究工作進展緩慢，今后應進一步加強該領域的研究力度。

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責任編輯：李楊