Penman-Monteith方程在茶园节水灌溉中的应用研究

韩沙 马德新

摘要：作物需水量的多少是农业灌溉过程中决定灌溉效率和质量的关键。以Penman-Monteith方程为主要研究对象，采用2018年3月10日至4月10日的气象数据以及2018年的月均值数据将P-M修正式方程与基于茶树的蒸腾蒸发模型进行数据对比分析。结果表明，基于茶树的蒸腾蒸发模型计算出的ET0精确度更高，与实测值吻合度较好，理论上可以作为茶园灌溉的依据。

关键词：作物需水量;灌溉;茶树;蒸发蒸腾量

中图分类号：S571.1;S36         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）16-0121-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.028           开放科学（资源服务）标识码（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

茶樹主要分布在南纬16°至北纬30°间，茶树喜温暖湿润气候，平均气温10 ℃以上时芽开始萌动，生长最适温度为20～25 ℃，喜光耐阴，适于在漫射光下生育，生长期分为幼苗期、幼年期、成年期和衰老期。茶树作物蒸发蒸腾量也称茶树阶段耗水量、茶园耗水量，作物需水量是确定灌溉用水的关键指标。对于作物蒸腾蒸发量的计算，FAO首先提出了Penman-Monteith公式[1];王健等[2]研究温室风速因子对需水量的影响提出了参考作物蒸发蒸腾量的P-M修正式;刘浩等[3]提出了针对日光温室番茄提出了基于该方程的估算模型;王林林等[4]研究提出了茶树的蒸发蒸腾模型。但对于茶树蒸发蒸腾模型的验证问题报道较少，针对茶树不同生长期间对于需水量的不同，在前人茶树蒸发模型的基础上，进一步验证研究适合于茶树的蒸发蒸腾量计算模型，以便更好地对茶园实施水肥一体化技术。

1  作物蒸发蒸腾量计算方法

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扩散理论的作物腾发量的计算公式[5]，该方程将空气动力学法于能量平衡法相结合，既考虑了空气动力学和辐射项的作用，又包含了作物的生理特征，能够较为直观地反映蒸腾蒸发的过程[6]。联合国粮农组织FAO（Food and Agriculture Organization）1998年改进公式后，该方程已被广泛应用且已证实具有较高精度及可使用性。根据Penman-Monteith方程，蒸腾量可按下式计算：

式（1）中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d;Rn为地表净辐射，MJ/（m2·d）;G为土壤通热量;Δ为温度—饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃;？酌为干湿表常数，0.064 6 kPa/℃;T平均气温，℃;ea为饱和水汽压，kPa;ed为实际水汽压，kPa;u2为距离地面2 m处的平均风速，m/s。式（1）可分为两部分，前一部分为辐射项ETrad，后一部分为空气动力学项ETaera。

1.2  Penman-Monteith修正方程

FAO的Penman-Monteith是一个适用于各地区的计算方法，但当温室中风速为0时，式（1）的后部分也为0。2006年，王健等[2]解决了P-M公式假定温室内风速为0的问题，推导出了计算温室参考作物蒸发蒸腾量的Penman-Monteith修正式，以下简称为P-M修正式：

该式中各参数意义同式（1），根据强小嫚[7]各参数计算方法如下：

式中，U为温室内的空气相对湿度百分比。

1.3  温室茶树蒸发蒸腾模型ET0（tea）

为更加准确地计算作物的实际蒸腾量，王林林等[4]重视了作物的实际高度随时间变化的因素，将作物高度随时间变化的值作为ht这一参数，选取温室茶树作为试验对象，推导出了温室茶树蒸腾蒸发量ET0（tea）的计算公式：

式中，ht为茶树的冠层高度。

1.4  作物系数的确定

每种作物的作物系数不同，若要计算温室内作物的蒸发蒸腾量ETc，先测量出温室内的温度、湿度以及净福射值，计算出参考作物蒸发蒸腾量ET0，再乘以该作物的作物系数。FAO将参考作物蒸发蒸腾量（ET0）定义为：一种假想参照作物冠层的腾发速率，假定作物高度为0.12 m，叶面阻力为70 s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾量。在不受水分限制时，作物的蒸发蒸腾量只取决于作物本身生理特性及外界蒸发[8]。

ETc为作物的实际蒸发蒸腾量，mm/d;Kc为作物系数。

根据FAO-56推荐的标准作物系数，在茶树初始生长期、快速生长期、生育期的作物系数如表1所示，本试验采用茶树快速生长期作物系数1.0。

1.5  ET0（P-M修正式）与ET0（tea）比较方法

为比较Penman-Monteith方程、P-M修正式和温室茶树蒸发蒸腾模型计算的参考作物蒸发蒸腾量，选取了山东青岛城阳地区2018年3月10日—4月10日的温室茶树大棚的气象数据，分别计算不同公式的ET0以及绝对误差和相对误差。

绝对误差：ΔET0=ET0（tea-ET0）（P-M修正式）（9）

2  材料与方法

2.1  试验区概况

试验于2018年3月开始在青岛农业大学试验基地温室茶园中进行。该试验田地处山东省青岛市城阳区东旺疃村，东经121°33′，北纬36°20′，海拔55.20 m。该地受海洋性气候影响属于暖温湿润季风区大陆性气候，四季分明，冬无严寒，春季回温慢，夏无酷暑，炎热期短，多雾，秋季寡照，昼夜温差大，年平均温度12.4 ℃，无霜期233 d，平均降水量650～900 mm，年平均湿度70%。该茶园内种植的茶树品种为崂山绿茶，种植数量为2 000株，平均高度0.35 m。大棚长38 m，宽12 m，高2.5 m，土壤呈酸性或微酸性，pH 4.5～6.5，土质较厚，有机质含量高、地力肥沃，地下水位在80 cm以上。棚内茶树上方每隔1.5 m处安置浇水用喷灌头，下方滴灌带滴孔间距为0.2 m，温室大棚内设有两台小型农业气象站，可实时监测气象数据，数据可由系统传至手机客户端或电脑端，方便用户读出。

2.2  试验方法

茶树蒸腾量中用到的参数，由山东省计算中心研制的农业智慧平台采集，包括温室内的温度T（℃），相对湿度U（%），土壤含水量W（%），光照度（lx），土壤热通量G（W/m2），试验选取茶树生长期的数据进行分析，选用2018年3月10日至4月10日每天9：00—17：00，设定每分钟自动采集数据并自动存储。

2.3  不同计算方法下的实测值比较

2.3.1  ET0逐日变化比较  从图2可以看出，ET0（P-M修正式）与ET0（tea）两种方法计算出来的参考作物蒸腾蒸发量具有相同的变化趋势[9]。随着气温的不断升高，ET0也呈现出不断升高的趋势;ET0（tea）计算出来的结果明显有高于ET0（P-M修正式）的趋势，是由于2个公式所采用的参考作物不同，在ET0（tea）中采用的茶树高度高于ET0（P-M修正式）中采用的苜蓿高度[10]，因此计算出的结果存在差异。由图3、图4得知，绝对误差ET0>0，相对误差ET0>0，总体均呈变大趋势。

2.3.2  ET0月均值变化比较  为显示出ET0在一年中的变化情况，记录了每个月的光照度、温度、湿度、土壤含水量的平均值，结果如图5所示。从图5可知，茶树在冬季需水量較春夏季明显减少，这是因为冬季太阳辐射量低，光照度低，且ET0（P-M修正式）低于ET0（tea）。

2.3.3  茶树蒸发蒸腾量的日变化  为更加准确确定ET0（tea）的计算精度，选取了具有代表性的晴天和阴天进行精确计算，选取茶树快速生长期的2018年3月29日（阴天）进行ET0（P-M修正式）与ET0（tea）计算的实测值与模拟值的比较（表2、表3）。从图6和图7可以看出，茶树在晴天的作物需水量高于阴天时的作物需水量，晴天时由于光照度以及温度的制约因素导致作物蒸腾蒸发量大于阴天。随着时间的推移，需水量逐渐升高，在中午时刻达到峰值后逐渐降低，16：00以后下降趋势增大，且通过两种计算方法得出的茶树需水量变化趋势相同。

3  结论

1）通过对ET0进行逐日变化分析，Penman-Monteith修正式和基于茶树的蒸发蒸腾模型计算出的ET0存在差异，两种方法计算出的结果具有相同的变化趋势。尽管P-M修正式对于茶树也同样具有适用性，但计算精度不如茶树蒸发蒸腾模型，其中重要的原因是茶树蒸发蒸腾模型将作物高度视为变化值，符合茶树自身的生长规律。

2）通过对茶树全年生长所需的ET0月均值对比得知，计算结果产生差异是由于辐射项不同，在秋冬季得到的实测值低于春夏季。

3）基于Penman-Monteith方程的茶树蒸发蒸腾模型对温度、光照度以及土壤含水量的敏感性更大、稳定性更高，这些气象因子对于提高该模型的计算精度至关重要。

4）针对茶树这一作物的蒸发蒸腾模型是改进的Penman-Monteith方程，在前人研究的基础上，运用近期的数据进一步证明了茶树蒸发蒸腾模型的适用性和可行性，茶树的蒸腾强度受到大棚温度、土壤湿度和茶树的生理特性等多方因素的影响，各个气象因子均对茶树耗水产生影响。

参考文献：

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[2] 王  健，蔡焕杰，李红星，等.日光温室作物蒸发蒸腾量的计算方法研究及其评价[J].灌溉排水学报，2006（6）：11-14.

[3] 刘  浩，段爱旺，孙景生，等.基于Penman-Monteith方程的日光温室番茄蒸腾量估算模型[J].农业工程学报，2011，27（9）：208-213.

[4] 王林林，马文杰，马德新.基于Penman-Monteith方程的温室茶树蒸腾蒸发模型研究[J].节水灌溉，2017（8）：30-33，43.

[5] MONTEITH J L.Evaporation and environment[J].Symp Soc Exp Biol，1965，19：205-234.

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[7] 强小嫚.ET0计算公式适用性评价及作物生理指标与蒸发蒸腾量关系的研究[D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2008.

[8] 丁加丽，彭世彰，徐俊增，等.基于Penman-Monteith方程的节水灌溉稻田蒸散量模型[J].农业工程学报，2010，26（4）：31-35.

[9] SHWETA，KRISHNA A P. Selection of the best method of ET0 estimation other than Penman-Monteith and their application for the Humid subtropical region[J].Agricultural research，2015， 4（2）：215-219.

[10] 韩丽娜，汪小旵.基于Penman-Monteith方程的温室智能滴灌控制系统研究[J].中国蔬菜，2012（18）：85-88.