不同冠層阻力模型對冬小麥返青?成熟期蒸散量估算的影響*

郭仲英，吳英楠，劉曉英，顧峰雪，李玉中，鐘秀麗，李巧珍

不同冠層阻力模型對冬小麥返青?成熟期蒸散量估算的影響*

郭仲英，吳英楠，劉曉英**，顧峰雪，李玉中，鐘秀麗，李巧珍**

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

蒸散量是農(nóng)田水循環(huán)的重要組成部分，其準(zhǔn)確估算對精準(zhǔn)灌溉及農(nóng)業(yè)節(jié)水具有重要意義。Penman- Monteith（P-M）模型是常用的估算方法之一，但冠層阻力/表面阻力的準(zhǔn)確表達(dá)一直是應(yīng)用中的難點(diǎn)。選取常用的7種冠層阻力模型，根據(jù)北京市順義區(qū)2a（2020年和2021年）的波文比實(shí)測結(jié)果，對不同模型模擬的小麥冠層阻力及P-M估算的小麥蒸散量進(jìn)行比較，并進(jìn)一步分析影響小麥冠層阻力的主要因子。結(jié)果表明，7種模型均低估了小麥冠層阻力，同時高估了蒸散量?？傮w而言，Todorovic模型（TD）模擬效果最好，其模擬的冠層阻力和蒸散量的R2均大于0.605，平均偏差（MBE）分別為?82.8s·m?1和10.4W·m?2，相應(yīng)的均方根誤差（RMSE）分別為254.4s·m?1和33.5W·m?2；其余6種模型表現(xiàn)均較差，所模擬的冠層阻力R2僅0.113～0.241，MBE和RMSE在?236.4～?61.3s·m?1、277.2～373.8s·m?1；基于6種模型模擬阻力得到的小麥蒸散量與實(shí)測值的R2在0.046～0.184，MBE和RMSE分別在44.5～97.4W·m?2、81.4～147.9W·m?2。7種模型模擬效果排序為TD>FAO56-PM>Katerji-Perrier(KP) >Garc?á-Santos(GA)>idso(IS)>Jarvis(JA)>CO。相關(guān)分析表明，凈輻射（Rn）對小麥冠層阻力的影響最大，氣溫（Ta）和冠層溫度(Tc)對其影響最小，各因子影響力大小表現(xiàn)為Rn>葉面積指數(shù)（LAI）>相對濕度（RH）>飽和水汽壓（VPD）>土壤水分（θ）>冠氣溫差（?T）>Tc>Ta。這一結(jié)果較好地解釋了TD模型的良好普適性，既考慮了Rn、VPD、?T等影響冠層阻力的關(guān)鍵因子，且不含待校正參數(shù)，使用方便。

冠層阻力模型；冬小麥；蒸散量；Penman-Monteith

在北方冬麥區(qū)，小麥消耗水分主要來源于降水、灌溉和土壤貯水。由于降水大部分集中在6?8月，冬小麥生長期的降水量較少，致使冬小麥的需水與降水匹配度差，灌溉成為保障小麥產(chǎn)量的重要措施[1]。而小麥蒸散量（ET）是灌溉決策重要基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確與否對灌溉系統(tǒng)設(shè)計運(yùn)行、灌溉制度制訂及農(nóng)業(yè)用水管理具有重要意義。

前人圍繞作物蒸散量的實(shí)測和模擬開展了大量研究，提出了許多方法[2]。其中，P-M模型是最常用的方法之一，但模型中冠層阻力參數(shù)對估算精度影響較大，其在模型中的準(zhǔn)確表達(dá)一直是研究及應(yīng)用中的難點(diǎn)。P-M公式將冠層和地表當(dāng)作一層即“大葉”看待，并引入表面阻力/冠層阻力參數(shù)（rs）的概念[3]。冠層阻力是一個虛擬的物理量，表示不同層次、不同部位葉片的氣孔阻力、土壤濕潤狀況及冠層內(nèi)空氣動力學(xué)特性等因素對整個冠層蒸散影響總效果的一個參數(shù)。因此，冠層阻力并不是一個純粹的生理參數(shù)，其大小并不能僅僅從冠層上各個葉片的氣孔阻力值完全確定[4]，還受到其他眾多環(huán)境因子和作物因素的影響，造成其準(zhǔn)確估算十分困難。大量研究表明，rs對P-M公式的估算精度影響很大。王安志等[5?6]發(fā)現(xiàn)P-M模型在估算農(nóng)田作物ET時，rs的精確度起關(guān)鍵作用。李俊等[7]采用P-M模型和Shuttleworth-Wallace(S-W)模型模擬冬小麥田主要生長季的逐時ET，并分析了模型對各阻力參數(shù)的敏感性，發(fā)現(xiàn)S-W和P-M模型估算的ET均對rs最敏感。有學(xué)者[8]曾指出，P-M模型的模擬精度主要是受太陽輻射、空氣動力學(xué)阻力和冠層阻力準(zhǔn)確度的影響。Allen等[9]也認(rèn)為，若能確定具體作物的rs以及空氣動力學(xué)阻力，P-M模型適合任何作物ET的直接計算，而不僅僅是參考作物。FAO將P-M模型推薦為計算參照作物ET的標(biāo)準(zhǔn)方法，并且推薦rs取值為70s·m?1[9?10]。有研究表明[11?12]，rs可以推廣到多種作物，如冬小麥[11]等。

目前獲得作物群體冠層阻力常用三種方法：（1）反推法。是利用實(shí)測的ET采用P-M公式反推得到rs[13?14]，這是一種自上而下的方法(top-down approach)[15]，而且這樣得到的結(jié)果常視為“測定”值；（2）升尺度法。利用實(shí)測作物單個葉片的氣孔阻力，結(jié)合作物群體葉面積指數(shù)（LAI）空間垂直分布信息，對氣孔阻力校正后得到群體冠層阻力[16?18]；與方法（1）相比，這是一種自下而上的方法(bottom-up approach)[19]；（3）環(huán)境因子函數(shù)法。該方法考慮了影響葉片氣孔阻力的各類環(huán)境因子，并假設(shè)群體冠層阻力也受到這些環(huán)境因素的影響，且遵從同樣的函數(shù)關(guān)系，從而構(gòu)建的rs模型[20?21]。以上三種方法中，環(huán)境因子函數(shù)法應(yīng)用較多，如著名的JA模型[22]。黃輝等[23]通過引進(jìn)LAI，將Yu等[24]校正的JA模型從葉片尺度擴(kuò)展到冠層尺度，并以溫度和光合有效輻射兩個變量構(gòu)建組合模型，模擬了華北平原小麥田的rs。李俊等[7]改進(jìn)了Noihan的rs模型中有效LAI的算法，較好地模擬了禹城地區(qū)的冬小麥蒸散量。文建川等[25]用8種組合方式的JA模型和Irmak模型對低丘紅壤區(qū)稻田蒸散量進(jìn)行了較好的模擬。在JA模型基礎(chǔ)上，莫興國[20]利用波文比實(shí)測資料，采用非線性最優(yōu)化方法建立了華北平原冬小麥群體rs與太陽輻射、氣溫、空氣飽和差以及土壤含水量等環(huán)境因子的函數(shù)關(guān)系模型，并證明模型有較好的預(yù)測能力。Li等[26]基于JA模型和流體動力學(xué)原理，引入了土壤阻力參數(shù)，構(gòu)建了耦合的rs模型（CO模型），在模擬芬蘭南部的大麥生長前期（LAI<2）效果良好。Garc?á-Santos等[27]在Jarvis- Stewart模型基礎(chǔ)上，只保留了凈輻射和飽和水氣壓，提出了一種rs模型（GA模型），并較好模擬了兩種植物的ET。Katerji等[28]基于對巴黎礦區(qū)水分條件良好的苜蓿的ET研究提出了一種廣泛應(yīng)用的模型，即Katerji-Perrier（KP模型）rs模型，大量應(yīng)用發(fā)現(xiàn)KP適用于很多種作物，如苜蓿[29]、草地[30?32]、向日葵[33]、高粱[33?34]、大豆[35]、萵苣[36]等。Todorovic[31]通過對加州地中海氣候下供水良好的草地ET模擬，提出一種阻力模型（TD模型），其計算rs時不需要任何校準(zhǔn)，在很多應(yīng)用中效果較好[31，37]。Yan等[38]利用TD和KP模擬了中國南部小麥和茶樹的蒸散量，發(fā)現(xiàn)二者都可以很好地估算小麥的小時和日蒸散量，但對于茶樹的日蒸散量，TD的模擬效果較差。Howell等[39]應(yīng)用Idso[40]提出的冠氣溫差與空氣飽和水汽壓差線性關(guān)系的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停↖S模型）來計算rs，發(fā)現(xiàn)此方法模擬德克薩斯州的冬小麥、高粱和玉米都有較好的效果。袁國富等[41]曾用IS模型估算禹城冬小麥不同生育期的最小冠層阻力，結(jié)果具有較好的代表性。

由于多數(shù)阻力模型是針對特定試驗地點(diǎn)和特定作物建立的，模型的普適性不明確，需用田間數(shù)據(jù)進(jìn)行效果評價。文建川等[25]將兩種模型應(yīng)用到低丘紅壤區(qū)的稻田，冠層阻力模型種類少，也未研究模擬冬小麥的效果，且試驗環(huán)境與北京不符。本研究通過把7種常用的rs模型引入P-M公式，探索該類阻力模型在模擬冬小麥蒸散量時的效果，從而實(shí)現(xiàn)提高P-M模型估算精度的目的，為小麥蒸散量準(zhǔn)確估算提供多種方法選擇。

1 資料與方法

1.1 試驗地點(diǎn)及相關(guān)要素觀測

冬小麥試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所北京順義基地進(jìn)行?；卣嫉孛娣e66.67hm2，小麥種植面積53.33hm2，試驗田位于基地西北側(cè)，四周為小麥田，下墊面滿足波文比的測定要求。試驗地區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，晝夜溫差大，年平均氣溫11.5℃，無霜期平均120d，年平均降水量625mm。土壤質(zhì)地為粉壤土，田間持水量為0.389cm3·cm?3（0?100cm）。試驗觀測時間為2020年和2021年冬小麥土壤水分主要消耗期（返青期?成熟期），即3?6月。

氣象數(shù)據(jù)由試驗田內(nèi)的波文比系統(tǒng)得到，觀測要素包括氣溫、空氣相對濕度、總太陽輻射及凈輻射、土壤熱通量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等。數(shù)據(jù)采集器CR1000（美國）安裝高度為1.5m，每30min采集并記錄一次數(shù)據(jù)；用維薩拉P155A-L空氣溫濕度傳感器（芬蘭）測量兩個高度（1m和2m）的氣溫和濕度；用四分量輻射儀CNR4（荷蘭）測定輻射量，安裝高度1m；用自校準(zhǔn)土壤熱通量傳感器HFP01SC（荷蘭）測量土壤熱通量，安裝高度為地下0.1m；用05103L風(fēng)速風(fēng)向傳感器（美國）測量風(fēng)速風(fēng)向，安裝高度2m；用TE525MM翻斗式雨量計（美國）記錄降水量，安裝高度2m；用PTB110氣壓計(芬蘭)記錄氣壓，安裝高度2m；用冠層溫度傳感器SI-111（美國）測量冬小麥冠層溫度，安裝高度為1m。

小麥葉面積指數(shù)（LAI）數(shù)據(jù)用Sunscan冠層分析儀（英國）測定，3?6月每5～7d測量一次。

土壤含水率由TDR測定，預(yù)埋三根測管，測后取平均值，測量深度為20、40、60、80及100cm。每個生育期進(jìn)行，并與烘干法結(jié)果進(jìn)行擬合校正。

1.2 Penman-Monteih蒸散量估算模型

P-M模型[3]是Monteih基于Penman的潛在蒸發(fā)公式得出，它基于能量守恒和空氣擴(kuò)散理論，把植物冠層和土壤在動量匯源上看作是一片大葉[42?43]，并引入冠層阻力，計算式為

式中，λ為蒸發(fā)潛熱（J·kg?1），ET為作物蒸散量（W·m?2），Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa·℃?1），Rn為凈輻射（W·m?2），G為土壤熱通量（W·m?2），Cp為空氣定壓比熱（J·kg?1·℃?1），ρa(bǔ)為空氣密度（kg·m?3），VPD為飽和水汽壓差（kPa），ra為空氣動力學(xué)阻力（s·m?1），rs為冠層阻力（s·m?1），γ為干濕表常數(shù)（kPa·℃?1）。其中，ra計算式為[43?44]

式中，z為參考高度（m），d為零平面位移（m），hc為植株高度（m），z0為作物相對于動量傳輸?shù)拇植诟叨龋╩），k為卡曼常數(shù)（k=0.4），u為參考高度的風(fēng)速（m·s?1）。

1.3 冬小麥蒸散量實(shí)測值

使用波文比能量平衡法測定冬小麥蒸散量。該方法是Bowen在1926年基于能量平衡原理提出的[45]，根據(jù)兩個高度實(shí)測的溫度差和水汽壓差，輔以凈輻射、土壤熱通量而得到蒸散量。

地表能量平衡公式為

式中，H為顯熱通量（W·m?2），λET為潛熱通量（W·m?2）。

根據(jù)相似理論，假設(shè)潛熱和顯熱交換系數(shù)相等，同時引入波文比β=H/λET，并將微分化為差分，得到顯熱、潛熱通量，即

1.4 冬小麥冠層阻力rs模型

選擇rs模型要符合模型簡單、所需數(shù)據(jù)容易獲得、以往研究應(yīng)用效果好和應(yīng)用廣泛4項標(biāo)準(zhǔn)?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)，選擇7個rs模型如表1所示。

表1 研究所選冠層阻力模型

注：ri為等溫阻力(s·m?1)；r*為氣候阻力(s·m?1)；Tc為冠層溫度（℃）；Ta為空氣溫度（℃）；rcmin為充分供水條件下最小氣孔阻力(s·m?1)；θw為凋萎系數(shù)（0?100cm），取0.089cm3·cm?3；θf為田間持水量（0?100cm），取0.389cm3·cm?3；θ 為實(shí)際土壤含水量（cm3·cm?3）；rss為土壤阻力(s·m?1)。

Note: riis isothermal resistance (s·m?1); r*is the climate resistance (s·m?1); Tcis the canopy temperature (℃); Tais the air temperature (℃); rcminis the minimum pore resistance (s·m?1) under the condition of sufficient water supply; θwis the wilting coefficient (0?100cm,which is 0.089cm3·cm?3; θfis the field capacity (0?100cm) ,which is 0.389cm3·cm?3; θ is the actual soil water content (cm3·cm?3); rssis soil resistance (s·m?1).

1.5 模型檢驗及數(shù)據(jù)處理

模型檢驗從rs及λET兩方面進(jìn)行，即分別使用rs實(shí)測值和小麥λET的實(shí)測值來驗證模型模擬值。rs實(shí)測值為P-M模型反演后的值，即將波文比實(shí)測的λET代入P-M模型中，經(jīng)數(shù)學(xué)反演得到冠層阻力rsP?M，即

實(shí)際計算時，首先依據(jù)小麥田試驗觀測及氣象數(shù)據(jù)，利用表1中每個rs模型計算得到模擬值，再將rs模擬值與式（13）得到的實(shí)測值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對rs模型的初步檢驗。其次，將rs模擬值代入P-M模型，計算得到不同阻力模型條件下的λET，再將此值與波文比實(shí)測的小麥λET進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對rs模型的二次檢驗。所有計算過程采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)。

波文比及氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制參閱莫興國的方法[20]。雨天β值很接近?1，通過波文比公式可知，λET會很大，這明顯不符合實(shí)際，因此，刪除雨天和灌溉天不可用的數(shù)據(jù)，最終獲得183d可用數(shù)據(jù)，其中2020年90d，2021年93d。波文比記錄的數(shù)據(jù)是30min的平均值，先使用該數(shù)據(jù)系列計算30min的λET系列值，之后再計算日平均λET，最后用式（13）得到日尺度的rs實(shí)測值與各影響因子進(jìn)行相關(guān)分析。

阻力模型所需要的LAI是通過將生育期每隔5～7d測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸方法進(jìn)行插補(bǔ)，從而得到作物參數(shù)的逐日值。

1.6 評價指標(biāo)

評價指標(biāo)主要包括決定系數(shù) R2、平均偏差MBE和均方根誤差RMSE，各指標(biāo)計算式分別為[49]

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間氣象條件及實(shí)測小麥蒸散量

由圖1可見，兩個試驗?zāi)甓鹊??6月，當(dāng)?shù)厝諆糨椛淞浚≧n）基本在30～250W·m?2；土壤熱能量（G）的變化區(qū)間為?22～44W·m?2；兩年的風(fēng)速（W）變化趨勢基本一致，最大值分別出現(xiàn)在2020年3月26日（3.6m·s?1）和2021年5月7日（3.2m·s?1）；溫度（T）變化區(qū)間在1～30℃；VPD整體呈上升趨勢，波動范圍在0.2～2.9kPa；3?6月降水量分別為61.2、36.8mm，但時間分配上不均勻，2020年主要集中在4、5、6月，峰值出現(xiàn)在4月16日（18.1mm）；而在2021年降水主要集中在5、6月，峰值出現(xiàn)在5月22日（6.3mm）。從降水總量來看，2020屬平水年，2021屬極干旱年份。

圖1顯示，冬小麥返青?成熟期（3?6月）逐日蒸散量(λET)隨著生育期推進(jìn)逐漸升高，變化范圍在10～200W·m?2。兩年的λET均在5月中旬之前增加較為緩慢，之后迅速增加，這是由于太陽輻射的增強(qiáng)、氣溫的升高和作物生長加速導(dǎo)致蒸散量的增加，符合作物λET變化的一般規(guī)律。2020年λET的實(shí)測平均值為100W·m?2，比2021年的均值97W·m?2高出3.1%。兩年的β均隨著蒸散量的增加而逐漸減小，波動范圍為?0.26～0.96。

2.2 不同阻力模型的模擬值與實(shí)測值比較

2.2.1 七種模型對小麥返青?成熟期冠層阻力的模擬效果

根據(jù)2020年和2021年數(shù)據(jù)，得到7種阻力模型的rs，與P-M反推得到的阻力實(shí)測值比較（圖2）表明，TD模型的rs模擬值與實(shí)測值的一致性最好，決定系數(shù)R2最高（0.705）。IS模型的一致性僅次于TD，R2為0.616。而KP、GA、JA和CO這4種模型的一致性都較差，R2分別為0.214、0.241、0.219和0.113。

由rs模擬值與實(shí)測值差異的統(tǒng)計特征值（表2）可知，所有模型的rs模擬值均小于實(shí)測值。其中KP模型模擬值與實(shí)測值的平均偏差MBE為?61.3s·m?1，相應(yīng)的RMSE為277.2s·m?1，低估程度在7種模型中最小；FAO56-PM、TD、IS、GA、JA和CO模型模擬值與實(shí)測值的MBE為?185.1、?82.8、?198.5、?179.0、?184.9和?236.4s·m?1，相應(yīng)的RMSE為344.6、254.4、316.1、322.1、321.0和373.8s·m?1。以RMSE為依據(jù)，各模型模擬值與實(shí)測值的一致性排序表現(xiàn)為TD>KP>IS>GA>JA>FAO56-PM>CO。

圖1 2020年和2021年小麥返青?成熟期（3?6月）波文比系統(tǒng)觀測冬小麥逐日蒸散量及其氣象條件變化

圖2 不同阻力模型的rs模擬值與實(shí)測值比較(n=183)

表2 不同阻力模型模擬值與實(shí)測值比較的統(tǒng)計特征值

注：統(tǒng)計檢驗的樣本n=183。

Note: Sample of statistical test n=183.

2.2.2 冠層阻力模擬結(jié)果對小麥蒸散量計算的影響

不同阻力模型的蒸散量模擬值與實(shí)測值比較（圖3）表明，TD模型的蒸散量模擬值與實(shí)測值一致性最好，決定系數(shù)R2最高（0.605）。而FAO56-PM、KP、IS、GA、JA和CO這6種模型的一致性均較差，R2分別為0.175、0.045、0.184、0.123、0.163和0.045?？傮w上，所有模型的小麥ET模擬值偏高。

表2中蒸散量模擬值與實(shí)測值差異的統(tǒng)計特征值進(jìn)一步表明，所有模型估算的λET均高于實(shí)測值。其中TD模型與實(shí)測值的MBE為10.4W·m?2，RMSE為33.5W·m?2，高估程度在六種模型中最??；KP模型的高估程度比TD模型大，為44.5W·m?2，相應(yīng)的RMSE為102.8W·m?2；FAO56-PM的高估程度比TD、KP模型都高，為52.0W·m?2，相應(yīng)的RMSE為81.4W·m?2；GA、IS和JA模型的MBE分別為57.7、64.8和66.9W·m?2，相應(yīng)的RMSE為103.2、108.2和112.2W·m?2；CO模型高估程度最大，MBE及RMSE分別為97.4和147.9W·m?2。以RMSE為依據(jù)，各模型模擬小麥λET以TD效果最好，其次為FAO56-PM，以CO效果最差。

圖3 不同阻力模型的λET模擬值與實(shí)測值比較(n=183)

由圖2、圖3和表2可見，在不進(jìn)行任何參數(shù)校正的情況下，TD模型的模擬效果最好，而其余6種模型對小麥的rs和蒸散量的模擬效果均很差。

2.3 冠層阻力實(shí)測值與各因子的相關(guān)分析

根據(jù)rs實(shí)測值與各因子的相關(guān)系數(shù)（表3），RH、θ、VPD、Rn及LAI五大因子對冠層阻力的影響均達(dá)到極顯著水平（P<0.01），其中，θ、VPD為正相關(guān)，其余三因素為負(fù)相關(guān)。Tc、T和?T對冠層阻力均為不顯著的負(fù)相關(guān)。8個影響因子的相關(guān)性排序為Rn > LAI > RH > VPD > θ > ?T > Tc> Ta。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

基于北京市順義區(qū)2a冬小麥田間數(shù)據(jù)對7種冠層阻力模型的評價表明，TD模型普適性最好，在不進(jìn)行任何參數(shù)校正的條件下，模擬的冬小麥3?6月的日λET結(jié)果也令人滿意，模擬蒸散量的R2為0.605，RMSE為33.5W·m?2，這與Yan等[38]對中國南部小麥λET的一年數(shù)據(jù)的模擬效果（R2為0.95、RMSE為24.1W·m?2）類似。其余6種模型在本研究中的普適性均表現(xiàn)較差。FAO-56推薦的草類冠層阻力rs=70s·m?1[9]，盡管有研究推廣到其他作物[50]，但本研究直接用于模擬冬小麥蒸散的效果不理想。說明作物種類之間rs差別較大，不能隨意推廣使用。

冠層阻力在植被與大氣的相互作用中扮演著重要角色，而它本身又受到環(huán)境因子和植物本身的影響。相關(guān)分析表明，rs隨著Ta、Tc、?T、Rn、LAI、RH的增大而減小，隨著θ和VPD的增大而增大。其中Rn對rs影響最大，其原因是Rn是地表能量的重要組成部分，在地表能量平衡和水分平衡中有直接參與，而且隨著Rn的增強(qiáng)，蒸散量增加，冬小麥需要增加氣孔開度，rs隨之減小，與儲長樹等[4]得出的rs與太陽輻射的對數(shù)呈顯著負(fù)線性相關(guān)一致。LAI是rs的第二大影響因子，這與Menzel[51]在瑞士研究草地冠層阻力與各因子關(guān)系時得到的結(jié)果相一致。VPD對rs的影響是氣溫和相對濕度的綜合影響結(jié)果，VPD反映天氣的干熱或水分的短缺程度，而較大的VPD會使冬小麥氣孔關(guān)閉，從而導(dǎo)致rs增大；θ對rs影響主要表現(xiàn)在土壤水分短缺導(dǎo)致氣孔的關(guān)閉，使得rs增大，Szeicz等[52]曾在研究土壤水分對冠層阻力影響時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上層土壤水分虧缺不超過40mm時，rs是一個常數(shù)，而這個常數(shù)與溫度和葉面積指數(shù)有關(guān)，當(dāng)虧缺超過40mm時，rs就迅速增加，充分說明了土壤水分對rs的重要影響。

可見，TD模型良好的模擬效果可能由于考慮了影響rs的大多數(shù)關(guān)鍵因子，如Rn、VPD等，而出現(xiàn)低估rs和高估λET的情況可能是由于忽略了作物在生長過程中LAI和θ的變化引起的。Katerji等[53]曾比較過KP和TD模型模擬的4種作物的ET，由于作物高度不同，TD模型會高估或低估蒸散量，其誤差可能是由于模型假設(shè)的局限性和忽略了空氣動力學(xué)阻力的影響造成的。而KP、IS、GA、JA和CO這5種模型普適性差的原因可能有兩個：（1）有多個參數(shù)，參數(shù)需要根據(jù)試驗的氣候和作物來校正。KP、IS、GA、JA和CO模型分別有2、2、3、4和6個參數(shù)，其普適性也是隨著參數(shù)個數(shù)的增加而降低。眾多研究都是在對模型的參數(shù)進(jìn)行校正后得到良好的模擬效果[22?41]。（2）主要影響因子未考慮全面。KP、IS、GA模型均未考慮作物生長期間LAI和土壤水分變化對rs的影響，而這兩者都是影響極顯著的因子，可能導(dǎo)致低估rs和高估λET的問題出現(xiàn)；而JA、CO模型雖然考慮的主要影響因子全面，但參數(shù)也多，導(dǎo)致模擬精度最低。

通過對7種冠層阻力模型進(jìn)行評價，得到了一定的評價結(jié)果，但是試驗進(jìn)行過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。在進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測時，周圍的環(huán)境變化會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響，數(shù)據(jù)會有某些缺失，且數(shù)據(jù)年限少；同時，數(shù)據(jù)僅來自北京市順義區(qū)的一個實(shí)驗點(diǎn)，具有單一性；模擬作物只有冬小麥，且是冬小麥的主要生長期，未覆蓋整個生育期。最后評價僅選擇少部分經(jīng)典模型，覆蓋面不夠?qū)挘@些都有待將來進(jìn)一步完善與深入。

表3 rs實(shí)測值與各因子的相關(guān)系數(shù)(n=82)

注：?T為冠氣溫差（℃），RH為相對濕度。P<0.05為顯著相關(guān)，P<0.01極顯著相關(guān)。

Note:?T is the canopy-air temperature difference(℃), RH is the relative humidity, and the meanings of other symbols are the same as before. P <0.05 means the correlation is significant at 0.05 level, and P < 0.01 means the correlation is significant at 0.01 level.

針對上述問題，可提出未來進(jìn)一步研究的方向。第一，要盡可能選擇多地點(diǎn)，多年連續(xù)的多種作物的全生育期，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和全面性；第二，選取更多的冠層阻力模型進(jìn)行模擬精度的驗證，以期為使用一步計算冬小麥耗水量提供更可靠的科學(xué)依據(jù)。

3.2 結(jié)論

7種冠層阻力模型對冬小麥冠層阻力和蒸散量的模擬效果，TD模型的RMSE比其余6種模型都小，R2更接近1，模擬效果最好，適用于模擬冬小麥的蒸散。7種模型模擬效果排序為TD>FAO56-PM>KP> GA>IS>JarvisJA>CO。相關(guān)因子分析得到影響冠層阻力的因子排序為Rn>LAI>RH>VPD>θ>?T>Tc>Ta。研究結(jié)果揭示出TD模型由于考慮了Rn、VPD、?T等影響冠層阻力的關(guān)鍵因子，并且沒有需要校正的參數(shù)，所以普適性較強(qiáng)。而其余6種模型因考慮因素不夠全面或有待校正參數(shù)的問題，模擬效果較差。

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Effect of Different Canopy Resistance Models on Estimation of Winter Wheat Evapotranspiration during Regreening-Maturing Stage

GUO Zhong-ying, WU Ying-nan, LIU Xiao-ying, GU Feng-xue, LI Yu-zhong, ZHONG Xiu-li, LI Qiao-zhen

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, CAAS, Beijing 100081, China)

Evapotranspiration(ET) is an important component of farmland water cycle, and its accurate estimation is of great significance for precision irrigation and water-saving agriculture. The Penman-Monteith (P-M) model is one of the most commonly used estimation methods, but reliable representation of canopy resistance (rs) has been a difficult problem in applying the P-M. In this paper, seven commonly used rsmodels were selected to assess if their simulated rscould be used with P-M to directly estimate winter wheat ET. The P-M simulated ET was compared with measured values by Bowen ratio energy balance (BREB) system in Shunyi, Beijing for two years (2020 and 2021), and the main factors affecting wheat rswere analyzed. The results showed that the seven models generally underestimated wheat canopy resistance and overestimated evapotranspiration. Overall, the Todorovic model (TD) performed the best, and the R2for simulated rsand ET were >0.605, mean bias error (MBE) being ?82.8s·m?1and 10.4W·m?2, respectively, with root mean square error (RMSE) of 254.4s·m?1and 33.5W·m?2; the other six models performed poor, and the R2for simulated rswas between 0.113?0.241, MBE and RMSE, were between ?236.4 to ?61.3s·m?1and 277.2 to 373.8s·m?1, respectively. The R2for simulated ET was between 0.046?0.184, MBE and RMSE were between 44.5?97.4W·m?2and 81.4?147.9W·m?2, respectively. On basis of RMSE, the performing order was TD>FAO56-PM>Katerji-Perrier (KP)>Garc?á-Santos (GA)>idso (IS)>Jarvis (JA)>CO. The correlation between canopy resistance and various factors suggested that net radiation (Rn) affected the most on wheat rs, while air temperature (Ta) and canopy temperature (Tc) affected the least with the following specific order: Rn>leaf area index (LAI)>relative humidity (RH)>vapor pressure deficit (VPD)>soil moisture (θ)> canopy-air temperature difference (?T)>Tc>Ta. This results better explained the good performance of TD model, and it considers the key factors affecting canopy resistance such as Rn, VPD and ?T. In addition, it has no parameters to be calibrated, which makes it easy to use. The results of this paper provided a scientific basis for applying one-step approach to calculate the water consumption of winter wheat.

Canopy resistance model；Winter wheat；Evapotranspiration；Penman-Monteith

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.01.001

郭仲英,吳英楠,劉曉英,等.不同冠層阻力模型對冬小麥返青?成熟期蒸散量估算的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2023,44(1):1-12

2022?01?12

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2017YFD0201702）；國家自然科學(xué)基金（41371065）

劉曉英，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水資源高效利用研究，E-mail：liuxiaoying@caas.cn；李巧珍，碩士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水資源高效利用研究，E-mail：liqiaozhen@caas.cn

郭仲英，E-mail：guozhongying@caas.cn