作物需水量预测计算研究进展

陈大为

(黑龙江省中部引嫩工程管护中心，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

作物需水量被称为通过在非限制性土壤条件(包括土壤水分和肥力)下在大田中生长的无病害作物的蒸发蒸腾用来满足水分损失所需的水的深度，并且在给定的生长环境下实现完全的生产潜力[1-3]。影响作物需水量的因素有多种。

气候对作物需水量的影响由参考作物蒸发蒸腾量(ET0)给出，其可定义为从8～15 cm高，均匀高度的绿草覆盖的广泛表面的蒸发蒸腾速率，自然生长，完全遮蔽地面，并且不缺水。每天增长情况按毫米计算。为了使用平均每日气候数据评估ET0，采用以下四种方法，即布莱尼-克里德尔法(Blaney-Criddle)，辐射法，彭曼公式法和蒸发皿法。

作物特征对作物需水量的作用由作物系数(Kc)给出，其表示参考作物蒸发蒸腾量(ET0)和作物蒸发蒸腾(ETcrop)之间的关系[4]。Kc的值随作物，其生长阶段，生长季节和主要天气条件而变化。ETcrop可以以mm/d为单位测定，作用在相同的10 d或30 d时间段内的平均值。

对作物需水量的当地条件和农业实践的作用包括在气候变化影响的地方，距离和高度，尺寸方面，平流、土壤水分、盐分、灌溉、栽培方法和实践方法，需要现场数据[5]。基于可用的气象数据和准确性，选择预测方法来计算ET0，然后收集和评估气候和作物数据。

选择种植模式确定种植或播种的时间，作物发育速率，作物发育阶段的长度和生长期。然后选择在主要气候条件下给定作物和作物发育阶段的Kc。然后ETcrop每30 d或10 d期间：作物蒸发蒸腾(ETcrop)为参考作物蒸发蒸腾量(ET0)与作物系数(Kc)的乘积。

影响作物需水量的主要因素是气候因素。大气中温室气体浓度的增加使许多科学家预测在下一世纪地球温度将增加几度[6-8]。有人说，人为温室气体增加对全球气候的影响已经很明显。“气候变化公约”只寻求稳定发达国家的排放，似乎大气温室气体排放量将继续上升。如果他们这样做，气候变暖的可能性很大。如果气候变化是不可避免的，那么海平面将上升，农业生产将发生变化，径流和供水将改变，森林和其他陆地植被的位置也将向极地和更高海拔移动[9]。

1 需水预测

作物需水量是计算水土资源平衡和灌溉项目设计，运行和管理的重要参数[6]。国内外已经提出了许多测量和估计作物需水量的方法。本文回顾了四种方法，即布莱尼-克里德尔法(Blaney-Criddle)，辐射法，彭曼公式法和蒸发皿法，用于预测作物的需水量。

1.1 布莱尼-克里德尔法(Blaney-Criddle)

对于可用气候数据仅覆盖空气温度数据的区域，建议使用此方法。Blaney-Criddle[10]方程(1950年)涉及根据所考虑期间内发生的年度白天小时的平均温度(T，华氏度为单位)和百分比(p)计算消耗使用系数(f)。然后应用经验确定的消费使用作物系数(K)以建立消耗水需求(CU)，如式(1)所示：

CU=K·f=K(p·T/100)

(1)

1.2 辐射法

辐射法本质上是对Makkink公式(1957年)的改编。对于可用气候数据包括测量的空气温度和日照，云量或辐射，但不测量风和湿度的区域，建议使用此方法。需要知道一般的湿度和风的水平，一般从附近地区或从当地来源推断估计天气变化情况。在给出的辐射公式和参考作物蒸发蒸腾(ET0)之间给出了关系。事实上，在赤道地带、小岛上或高海拔地区，辐射方法可能更可靠，即使测量的阳光或云量数据不可用，在这种情况下，为世界上大多数地点准备的太阳辐射图应能够提供必要的太阳辐射数据[11]。

根据日照时间或云量数据计算太阳辐射(Rs)，根据温度和高度数据确定加权因子(W)，选择适当的调整为不同的平均湿度和风力条件下白天加权因子(W)、太阳辐射(Rs)和参考作物蒸发蒸腾量(ET0)之间的关系。在大气顶部接收的辐射量(Ra)取决于纬度和仅一年的时间。Ra的一部分在通过大气时被吸收和散射。剩余部分，包括一些散射但到达地球表面的部分，被识别为太阳辐射(Rs)。Rs取决于Ra和通过大气的透射，这在很大程度上取决于云层。辐射以几个单位表示；转化成热量可以与从开放水面蒸发水所需的能量相关。本文采用以mm/d为单位的单位等效蒸发。Rs可以直接测量，但通常不适用于调查领域。在这种情况下，Rs也可以从测量的阳光持续时间记录中获得如式(2)所示：

Rs=(0.25+0.50n/N)Ra

(2)

式中：n/N为实际测量的明亮日照时间和最大可能日照时间之间的比率。例如使用坎贝尔斯托克斯阳光记录仪的n的数据应当在当地可用。n和N都表示为平均日值，以h为单位。Rs在该期间以每天的平均当量蒸发量获得。

1.3 彭曼综合法

对于可获得温度、湿度、风和日照持续时间或辐射的测量数据的区域，建议采用彭曼综合方法(1948年)。与提出的其他方法相比，它可能提供最令人满意的结果。原始彭曼方程预测了从开放水面(E0)的蒸发损失。实验确定的作物系数范围从在冬季月份为0.6到在夏季月份为0.8相关E0到蒸发蒸腾的气候[12]。彭曼综合方程由两项组成：能量(辐射)项和空气动力学(风和湿度)项。每个术语的相对重要性随气候条件而变化。在正常的天气条件下，空气动力学术语通常不如能量项重要。在这种条件下，使用作物系数0.8的原始彭曼综合E0方程已经被赋予可以在寒冷的、潮湿的和非常热的区域以及半干旱区域中紧密地预测ET0。

1.4 蒸发皿蒸发量法

蒸发皿可以提供在辐射、风、温度和湿度条件下对来自特定开放水面的蒸发的综合效应的测量。以类似的方式，植物对相同的气候变量作出响应，但是几个主要因素可能产生水损失的显著差异。来自水面的太阳辐射的反射仅为5%～8%，来自最大植被表面的太阳辐射的反射20%～25%[13]。在蒸发皿内储存热量是明显的，并且可以在夜间和白天引起几乎相等的蒸发；大多数作物只在白天蒸发。此外，来自蒸发皿和来自作物的水损失的差异可以由紧挨表面上方的空气的湍流，温度和湿度的差异引起。可能发生通过蒸发皿的侧面的热传递，这对于凹下的蒸发皿可能有一定影响。此外，蒸发皿的颜色和覆盖物的使用将影响水的损失。尽管存在这些缺陷，适当使用蒸发皿来预测10 d或更长时间的作物需水量仍然是有必要的。在许多不同类型的蒸发皿中，选择使用A类蒸发皿和地中式蒸发皿。为了将蒸发皿蒸发(Epan)与参考作物蒸发蒸腾(ET0)相关联，给出了考虑气候和蒸发皿环境的经验导出系数(Kp)。

2 作物需水量预测因子的修正

为了在广泛变化的气候条件下更好地预测，布莱尼—克里德尔法(Blaney-Criddle)，辐射法，彭曼综合法和蒸发皿蒸发量法被修改为：

2.1 布莱尼-克里德尔法(Blaney-Criddle)修正

气候对作物水需求的影响，反映为没有足够的温度和日照长度；作物需水量在T和p值的类似气候之间变化很大。因此，消费使用作物系数(K)将需要不仅随作物的变化而变化，而且随气候条件变化而变化。为了更好地定义气候对作物水分需求的影响，但仍然采用布莱尼-克里德尔法温度和白天长度相关的f因子，提出了一种计算参考作物蒸发蒸腾(ET0)的方法。原始布莱尼-克里德尔法中使用的作物系数(K)需要修改。修改后的关系为公式(3)：

ET0=c[p(0.46T+8)]

(3)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；T为在考虑的月份中的每日平均温度；p为给定月份和纬度的总年度白天日照时间的平均每日百分比，%；c为调整系数,取决于最小相对湿度，日照时数和日间风速。

在确定ET0之后，可以使用适当的作物系数(Kc)来预测ETcrop。

由于涉及使用单一天气因子的任何ET预测方法，所以该方法只能适用于温度保持相当恒定的赤道区域，对于小岛屿和沿海地区，其中空气温度受海洋温度的影响，对季节的响应很小，由于相当低的平均日温度和在过渡月期间日照时间变化很大的气候(如季风气候，春季和秋季的中纬度气候)，变化不明显，平均每日ET0的计算应不短于一个月。由于对于给定的位置，气候条件和ET0可以逐年变化很大，因此ET0应优先选择对于每个记录年份的每个日历月计算，而不是使用基于几年记录的平均温度。在高纬度地区，天数相对较长，但与具有相同天长度值的低和中纬度地区相比，辐射较低。这导致对与日长度相关的p因子赋予不适当的权重。对于纬度更高的地区，计算的ET0值应减少高达15%。每1000 m高度海拔变化，在半干旱和干旱地区ET0值可以向下调整大约10%。

2.2 辐射法修正

辐射法修正后关系为公式(4)：

ET0=c(W·Rs)

(4)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rs为太阳辐射下的等效蒸发量，mm/d；W为加权因子取决于温度和高度；c为调整因子取决于平均湿度和白天风况。

最好对每个记录年份的每个月或周期进行计算，而不是使用基于几年记录的平均辐射和平均温度数据。然后可以获得ET0的值以确保合理的满足作物需水量。

2.3 彭曼综合法修正

修改彭曼方程来确定ET0，涉及需要修正风函数项。该方法使用平均日气候数据；因为白天和黑夜时间的天气条件显著影响蒸发蒸腾的水平。

彭曼综合法法修正后关系为公式(5)：

ET0=c[W·Rn+(1-W)·f(u)·(ea-ed)]

(5)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rn为当量蒸发净辐射，入射和出射辐射之间的差；f(u)为净辐射，mm/d；(ea-ed)为在平均空气温度下的饱和蒸气压力和空气的平均实际蒸气压力之间的差；c为调整因子受补偿日夜天气条件的影响；(1-W)为风和湿度对ET0的影响的加权因子。

给出的彭曼方程假定最常见的条件，其中辐射为中到高，最大相对湿度为中到高，通常白天风速约为夜间风速的两倍。然而，这些条件并不总是满足。对于这种情况，需要对彭曼方程进行校正。

2.4 蒸发皿蒸发量法修正

蒸发皿蒸发量法修正后关系为式(6)：

ET0=Kp·Ep a n

(6)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Kp为蒸发皿蒸发系数，Kp的值在A类蒸发皿的标准表中给出；Ep a n为蒸发皿蒸发量，mm/d，表示所考虑周期的平均日值。

在选择适当的A类蒸发皿中的Kp值，需要考虑蒸发皿本身的地面覆盖，周围环境和一般的风速和湿度条件。当蒸发皿位于草覆盖非常差的地方，干燥的裸土或不期望的混凝土或沥青覆盖时，蒸发皿相对空气温度可以提高2～5 ℃，相对湿度降低20%～30%。这在干旱和半干旱气候中最明显，除了雨季[14]。然而，在没有农业发展的地区和广泛的裸土地区，如在沙漠或半沙漠条件下发现的Kp的值用于干旱、大风地区可能需要减少高达20%；对于风、温度和相对湿度中等水平的区域需要减少5%～10%；在潮湿、寒冷条件下不需要或几乎不降低Kp。

上述四种方法预测了气候对参考作物蒸散量(ET0)的影响。为了解释作物特征对作物需水量的影响，提出作物系数(Kc)以将参考作物蒸散量ET0与作物蒸散量(ETcrop)相关联。Kc值涉及在最佳土壤水和生育条件下在大田中生长的无病害作物的蒸发蒸腾，并且在给定的生长环境下实现安全生产潜力。

四种方法中的每一种预测ET0仅需要一组裁剪系数。给出了选择适当的Kc值的方程，其考虑作物特征、种植或播种的时间以及作物发育阶段和一般气候条件。影响作物系数(Kc)价值的因素主要是作物特征、作物种植或播种数据、作物发育速度、生长季节的长度和气候条件[15]。特别是在作物的早期生长阶段，雨水或灌溉的频率是重要的。作物种植或播种日期将影响生长周期的长度，作物发育到完全地被覆盖和成熟的开始的速度。例如，根据气候，甜菜的总生长季节可以在秋季、春季的230 d到夏季的160 d。对于大豆，生长季节的范围从暖海拔高度地区的100 d到2500 m海拔的190 d。作物也将以不同的速度生长；例如对于甜菜，达到完全发育或最大需水量所需的时间从秋季播种的总生长季节的60%变化到早播夏季的约35%。在为给定作物选择生长季节中的每个时期或月份的适当Kc值时，必须考虑作物发育的速率。蒸腾和蒸发由不同的物理过程控制。并且为了简单起见，在本文中通过适当的作物因子(Kc)给出与ET0和ETcrop相关的系数。Kc的值主要取决于ET0的水平和土壤被雨水或灌溉所浸湿的频率。ET0是作物蒸腾和土壤表面蒸发的总和。在全覆盖期间，蒸发可忽略不计；只是在播种后和在早期生长期期间，从土壤表面的蒸发可能是相当大的，特别是当土壤表面在大多数时间被灌溉和雨水湿润时[16-17]。

3 结 论

改进的彭曼综合法能提供最好的结果，在夏天最小可能的误差为±10%，在低蒸发条件下为最多20%；蒸发皿蒸发量法取决于蒸发皿的位置，可能的误差为15%；辐射方法在极端条件下，尤其在夏天可能会出现20%的误差；Blaney-Criddle方法应仅能应用一个月或更长的时间，在潮湿、有风、中纬度冬季条件下，预测误差会更大。