Penman-Monteith方程在茶園節(jié)水灌溉中的應(yīng)用研究

韓沙 馬德新

摘要：作物需水量的多少是農(nóng)業(yè)灌溉過程中決定灌溉效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。以Penman-Monteith方程為主要研究對象，采用2018年3月10日至4月10日的氣象數(shù)據(jù)以及2018年的月均值數(shù)據(jù)將P-M修正式方程與基于茶樹的蒸騰蒸發(fā)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。結(jié)果表明，基于茶樹的蒸騰蒸發(fā)模型計(jì)算出的ET0精確度更高，與實(shí)測值吻合度較好，理論上可以作為茶園灌溉的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：作物需水量;灌溉;茶樹;蒸發(fā)蒸騰量

中圖分類號：S571.1;S36? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.028? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： The amount of crop water requirement is the key to determine irrigation efficiency and quality in agricultural irrigation. Therefore， studying crop evapotranspiration is of great significance for water-saving irrigation. In this paper， the Penman-Monteith equation is used as the main research object. The meteorological data from March 10， 2018 to April 10， 2018 and the monthly average data from 2018 are used to compare the PM modified equation with the tea tree-based transpiration evaporation model. The analysis proves that the ET0 calculated based on the transpiration evaporation model of tea tree is more accurate and agrees well with the measured value， which can theoretically serve as the basis for tea garden irrigation.

Key words： crop water requirement; irrigation; tea tree; evapotranspiration

茶樹主要分布在南緯16°至北緯30°間，茶樹喜溫暖濕潤氣候，平均氣溫10 ℃以上時(shí)芽開始萌動(dòng)，生長最適溫度為20～25 ℃，喜光耐陰，適于在漫射光下生育，生長期分為幼苗期、幼年期、成年期和衰老期。茶樹作物蒸發(fā)蒸騰量也稱茶樹階段耗水量、茶園耗水量，作物需水量是確定灌溉用水的關(guān)鍵指標(biāo)。對于作物蒸騰蒸發(fā)量的計(jì)算，F(xiàn)AO首先提出了Penman-Monteith公式[1];王健等[2]研究溫室風(fēng)速因子對需水量的影響提出了參考作物蒸發(fā)蒸騰量的P-M修正式;劉浩等[3]提出了針對日光溫室番茄提出了基于該方程的估算模型;王林林等[4]研究提出了茶樹的蒸發(fā)蒸騰模型。但對于茶樹蒸發(fā)蒸騰模型的驗(yàn)證問題報(bào)道較少，針對茶樹不同生長期間對于需水量的不同，在前人茶樹蒸發(fā)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證研究適合于茶樹的蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算模型，以便更好地對茶園實(shí)施水肥一體化技術(shù)。

1? 作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算方法

1.1? 彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteith）法Penman-Monteith方程是1965年提出基于能量平衡和水汽擴(kuò)散理論的作物騰發(fā)量的計(jì)算公式[5]，該方程將空氣動(dòng)力學(xué)法于能量平衡法相結(jié)合，既考慮了空氣動(dòng)力學(xué)和輻射項(xiàng)的作用，又包含了作物的生理特征，能夠較為直觀地反映蒸騰蒸發(fā)的過程[6]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO（Food and Agriculture Organization）1998年改進(jìn)公式后，該方程已被廣泛應(yīng)用且已證實(shí)具有較高精度及可使用性。根據(jù)Penman-Monteith方程，蒸騰量可按下式計(jì)算：

式（1）中，ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d;Rn為地表凈輻射，MJ/（m2·d）;G為土壤通熱量;Δ為溫度—飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃;？酌為干濕表常數(shù)，0.064 6 kPa/℃;T平均氣溫，℃;ea為飽和水汽壓，kPa;ed為實(shí)際水汽壓，kPa;u2為距離地面2 m處的平均風(fēng)速，m/s。式（1）可分為兩部分，前一部分為輻射項(xiàng)ETrad，后一部分為空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)ETaera。

1.2? Penman-Monteith修正方程

FAO的Penman-Monteith是一個(gè)適用于各地區(qū)的計(jì)算方法，但當(dāng)溫室中風(fēng)速為0時(shí)，式（1）的后部分也為0。2006年，王健等[2]解決了P-M公式假定溫室內(nèi)風(fēng)速為0的問題，推導(dǎo)出了計(jì)算溫室參考作物蒸發(fā)蒸騰量的Penman-Monteith修正式，以下簡稱為P-M修正式：

該式中各參數(shù)意義同式（1），根據(jù)強(qiáng)小嫚[7]各參數(shù)計(jì)算方法如下：

式中，U為溫室內(nèi)的空氣相對濕度百分比。

1.3? 溫室茶樹蒸發(fā)蒸騰模型ET0（tea）

為更加準(zhǔn)確地計(jì)算作物的實(shí)際蒸騰量，王林林等[4]重視了作物的實(shí)際高度隨時(shí)間變化的因素，將作物高度隨時(shí)間變化的值作為ht這一參數(shù)，選取溫室茶樹作為試驗(yàn)對象，推導(dǎo)出了溫室茶樹蒸騰蒸發(fā)量ET0（tea）的計(jì)算公式：

式中，ht為茶樹的冠層高度。

1.4? 作物系數(shù)的確定

每種作物的作物系數(shù)不同，若要計(jì)算溫室內(nèi)作物的蒸發(fā)蒸騰量ETc，先測量出溫室內(nèi)的溫度、濕度以及凈福射值，計(jì)算出參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0，再乘以該作物的作物系數(shù)。FAO將參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）定義為：一種假想?yún)⒄兆魑锕趯拥尿v發(fā)速率，假定作物高度為0.12 m，葉面阻力為70 s/m，反射率為0.23，非常類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸發(fā)蒸騰量。在不受水分限制時(shí)，作物的蒸發(fā)蒸騰量只取決于作物本身生理特性及外界蒸發(fā)[8]。

ETc為作物的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm/d;Kc為作物系數(shù)。

根據(jù)FAO-56推薦的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)，在茶樹初始生長期、快速生長期、生育期的作物系數(shù)如表1所示，本試驗(yàn)采用茶樹快速生長期作物系數(shù)1.0。

1.5? ET0（P-M修正式）與ET0（tea）比較方法

為比較Penman-Monteith方程、P-M修正式和溫室茶樹蒸發(fā)蒸騰模型計(jì)算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量，選取了山東青島城陽地區(qū)2018年3月10日—4月10日的溫室茶樹大棚的氣象數(shù)據(jù)，分別計(jì)算不同公式的ET0以及絕對誤差和相對誤差。

絕對誤差：ΔET0=ET0（tea-ET0）（P-M修正式）（9）

2? 材料與方法

2.1? 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年3月開始在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地溫室茶園中進(jìn)行。該試驗(yàn)田地處山東省青島市城陽區(qū)東旺疃村，東經(jīng)121°33′，北緯36°20′，海拔55.20 m。該地受海洋性氣候影響屬于暖溫濕潤季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，四季分明，冬無嚴(yán)寒，春季回溫慢，夏無酷暑，炎熱期短，多霧，秋季寡照，晝夜溫差大，年平均溫度12.4 ℃，無霜期233 d，平均降水量650～900 mm，年平均濕度70%。該茶園內(nèi)種植的茶樹品種為嶗山綠茶，種植數(shù)量為2 000株，平均高度0.35 m。大棚長38 m，寬12 m，高2.5 m，土壤呈酸性或微酸性，pH 4.5～6.5，土質(zhì)較厚，有機(jī)質(zhì)含量高、地力肥沃，地下水位在80 cm以上。棚內(nèi)茶樹上方每隔1.5 m處安置澆水用噴灌頭，下方滴灌帶滴孔間距為0.2 m，溫室大棚內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)小型農(nóng)業(yè)氣象站，可實(shí)時(shí)監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可由系統(tǒng)傳至手機(jī)客戶端或電腦端，方便用戶讀出。

2.2? 試驗(yàn)方法

茶樹蒸騰量中用到的參數(shù)，由山東省計(jì)算中心研制的農(nóng)業(yè)智慧平臺(tái)采集，包括溫室內(nèi)的溫度T（℃），相對濕度U（%），土壤含水量W（%），光照度（lx），土壤熱通量G（W/m2），試驗(yàn)選取茶樹生長期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選用2018年3月10日至4月10日每天9：00—17：00，設(shè)定每分鐘自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)存儲(chǔ)。

2.3? 不同計(jì)算方法下的實(shí)測值比較

2.3.1? ET0逐日變化比較? 從圖2可以看出，ET0（P-M修正式）與ET0（tea）兩種方法計(jì)算出來的參考作物蒸騰蒸發(fā)量具有相同的變化趨勢[9]。隨著氣溫的不斷升高，ET0也呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢;ET0（tea）計(jì)算出來的結(jié)果明顯有高于ET0（P-M修正式）的趨勢，是由于2個(gè)公式所采用的參考作物不同，在ET0（tea）中采用的茶樹高度高于ET0（P-M修正式）中采用的苜蓿高度[10]，因此計(jì)算出的結(jié)果存在差異。由圖3、圖4得知，絕對誤差ET0>0，相對誤差ET0>0，總體均呈變大趨勢。

2.3.2? ET0月均值變化比較? 為顯示出ET0在一年中的變化情況，記錄了每個(gè)月的光照度、溫度、濕度、土壤含水量的平均值，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，茶樹在冬季需水量較春夏季明顯減少，這是因?yàn)槎咎栞椛淞康?，光照度低，且ET0（P-M修正式）低于ET0（tea）。

2.3.3? 茶樹蒸發(fā)蒸騰量的日變化? 為更加準(zhǔn)確確定ET0（tea）的計(jì)算精度，選取了具有代表性的晴天和陰天進(jìn)行精確計(jì)算，選取茶樹快速生長期的2018年3月29日（陰天）進(jìn)行ET0（P-M修正式）與ET0（tea）計(jì)算的實(shí)測值與模擬值的比較（表2、表3）。從圖6和圖7可以看出，茶樹在晴天的作物需水量高于陰天時(shí)的作物需水量，晴天時(shí)由于光照度以及溫度的制約因素導(dǎo)致作物蒸騰蒸發(fā)量大于陰天。隨著時(shí)間的推移，需水量逐漸升高，在中午時(shí)刻達(dá)到峰值后逐漸降低，16：00以后下降趨勢增大，且通過兩種計(jì)算方法得出的茶樹需水量變化趨勢相同。

3? 結(jié)論

1）通過對ET0進(jìn)行逐日變化分析，Penman-Monteith修正式和基于茶樹的蒸發(fā)蒸騰模型計(jì)算出的ET0存在差異，兩種方法計(jì)算出的結(jié)果具有相同的變化趨勢。盡管P-M修正式對于茶樹也同樣具有適用性，但計(jì)算精度不如茶樹蒸發(fā)蒸騰模型，其中重要的原因是茶樹蒸發(fā)蒸騰模型將作物高度視為變化值，符合茶樹自身的生長規(guī)律。

2）通過對茶樹全年生長所需的ET0月均值對比得知，計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生差異是由于輻射項(xiàng)不同，在秋冬季得到的實(shí)測值低于春夏季。

3）基于Penman-Monteith方程的茶樹蒸發(fā)蒸騰模型對溫度、光照度以及土壤含水量的敏感性更大、穩(wěn)定性更高，這些氣象因子對于提高該模型的計(jì)算精度至關(guān)重要。

4）針對茶樹這一作物的蒸發(fā)蒸騰模型是改進(jìn)的Penman-Monteith方程，在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用近期的數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了茶樹蒸發(fā)蒸騰模型的適用性和可行性，茶樹的蒸騰強(qiáng)度受到大棚溫度、土壤濕度和茶樹的生理特性等多方因素的影響，各個(gè)氣象因子均對茶樹耗水產(chǎn)生影響。

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