小時與日尺度PM公式的參照作物騰發(fā)量及其水稻單作物系數(shù)值差異

王可純 ， 蔡少杰， 衛(wèi) 琦,2， 呂玉平， 廖林仙， 徐俊增,2

(1.河海大學 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)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(fā)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(jù)[1-4]。作物騰發(fā)量的準確計算可在一定程度上節(jié)約灌溉用水量[5-6]，尤其是在農(nóng)業(yè)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(qū)[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(fā)量(ET)。

參考作物騰發(fā)量(reference crop evaportranspiration，ET0)是計算作物ET的關鍵參數(shù)，基于Penman-Monteith公式聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和美國土木工程師協(xié)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(shù)(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(qū)域性率定是準確計算作物ET的關鍵[19]，隨著精準灌溉的發(fā)展，小時尺度的作物騰發(fā)量估算越來越重要。以往對于日尺度作物騰發(fā)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(shù)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(guī)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(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)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(qū)概況

試驗區(qū)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(qū)屬于典型的亞熱帶季風氣候區(qū)，多年平均氣溫15.5℃，多年平均蒸發(fā)量1 365.9 mm，多年平均降雨量1 097.1 mm，多年平均日照時數(shù)2 085.9 h，多年平均無霜期234 d。當?shù)胤N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(guī)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(fā)量ETa

實際騰發(fā)量ETa根據(jù)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(fā)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(fā)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(shù)，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(shù)(見表1)，0.408為計算常數(shù)，(m2·mm)/MJ。公式(2)中各參數(shù)的確定可參考文獻[2]和[7]。

小時尺度的參考作物騰發(fā)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(fā)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(fā)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(shù)Kc的確定

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

(3)

作物系數(shù)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?shù)氐淖魑锵禂?shù)；ETa為實際作物騰發(fā)量，mm/d或mm/h；ET0為參照作物騰發(fā)量，mm/d或mm/h；Ks為水分脅迫系數(shù)，由ET0-d、ET0-dhA與ET0-dhF求得的水稻單作物系數(shù)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(fā)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(fā)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(guī)律較為相似，但由于計算參數(shù)取值的不同，導致其在數(shù)值上有差異?？傮w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(guī)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(fā)現(xiàn)，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(fā)量ET0-d的結果分析

日參考作物騰發(fā)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(jù)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(shù)R2達0.97以上，且其大小關系表現(xiàn)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(fā)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(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(fā)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(shù)的差異

通過分析不同計算策略下日ET0對作物系數(shù)的影響(圖4)，可以看出，作物系數(shù)Kc值與日ET0之間具有良好的線性關系，其相關系數(shù)R2達0.90以上，且大小關系表現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(fā)量ETa求得的Kc值和FAO推薦值之間的關系，可以發(fā)現(xiàn)，由水稻實測日騰發(fā)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(shù)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(shù)Kc值的區(qū)域性率定對于作物騰發(fā)量ETa的準確計算至關重要。

圖1 ASCE PM公式與FAO56 PM公式計算的小時作物騰發(fā)量ET0之間的對比

圖2 小時ET0日間變化趨勢

圖3 兩種PM公式計算的ET0-d值與小時累積值對比

表2 不同生長期及全生育期日騰發(fā)量ET0均值 mm/d

表3 水稻單作物系數(shù)不同生長期的均值及差異分析 mm/d

圖4 兩種PM公式計算的Kc-d值與小時累積值對比

4 結 論

以昆山試驗基地2012-2013年自動氣象站的小時氣象資料為依據(jù)，研究了FAO56 PM和ASCE PM公式在小時尺度和日尺度的ET0變化特征，揭示了由小時尺度ET0值累積得到的日ET0值和由日尺度計算得到的日ET0值之間的差異，評價了不同計算策略對作物系數(shù)(Kc)的影響。得出的主要結論如下：

(1)在小時尺度上，由ASCE PM公式和FAO56 PM公式計算得到的ET0-h值變化規(guī)律較為一致，但由于Cd取值的不同，導致其在數(shù)值上略有差異，且整體上白天的ASCE PMET0-h值大于FAO56 PMET0-h值，而夜間兩種公式計算的ET0-h大小之間沒有一致性規(guī)律。

(2)在日尺度上，不同計算策略下的日ET0計算結果之間表現(xiàn)出較好的線形關系，其大小關系總體表現(xiàn)為ET0-dhA>ET0-d>ET0-dhF。

(3)用不同日ET0計算策略下得到的節(jié)水灌溉稻田的Kc值，其大小關系表現(xiàn)為：Kc-dhA