許建武

（山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心）

1 作物需水耗水量概念及影響因素

作物需水量和耗水量，是土壤水分利用的關(guān)鍵指標，事關(guān)農(nóng)田生產(chǎn)效能、水資源利用效益和糧食安全保障，對國民經(jīng)濟建設(shè)特別是農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要影響。作物需水量指得是在適宜的土壤水分和肥力條件下，農(nóng)作物經(jīng)過正常生長發(fā)育，獲得經(jīng)濟產(chǎn)量時的植株蒸騰、棵間蒸發(fā)以及構(gòu)成植株體的水量之和。構(gòu)成植株體的水量，與作物蒸騰及棵間蒸發(fā)相比量則很小，故在實際計算中一般忽略不計，故人們常規(guī)認為，作物需水量就等于蒸騰量與棵間蒸發(fā)量之和，簡稱騰發(fā)量。而對于作物耗水量，目前國內(nèi)外尚無一個權(quán)威性的概念或定義。謝賢群研究認為，作物耗水量是一種作物在土壤水分適宜、生長正常、產(chǎn)量水平較高條件下的棵間土壤蒸發(fā)量與植株蒸騰量以及組成植物體、消耗于光合作用等生理過程所需水量之和。比較作物需水量與耗水量的概念，二者極為相近，前者好似作物耗水量的特殊情況，即作物需水量應是在特定（適宜）條件下的作物耗水量。

作物的需水量和耗水量大小，取決于作物生長發(fā)育和對水分的需求，其影響因子，包括內(nèi)部因子和外部因子。內(nèi)部因子是指作物對需水和耗水規(guī)律具有影響的生物學特性，與作物種類、品種以及生長階段和產(chǎn)量等有關(guān)。氣候條件（太陽輻射、氣溫、日照時數(shù)、大氣濕度、水面蒸發(fā)量、風速等）和土壤條件（土壤質(zhì)地、土壤含水率、土壤結(jié)構(gòu)和地下水位等）等均屬于外部因子。另外，農(nóng)業(yè)耕作措施和灌溉排水措施，也會對作物需水量和耗水量產(chǎn)生直接或間接影響。

2 作物需水耗水量理論研究進展

目前，在作物需水量方面，參考作物騰發(fā)的研究成果最多。在我國，茆智自1980年以來，一直研究探討作物在充分供水和水分脅迫條件下，其需水量、作物耗水系數(shù)及土壤水分修正系數(shù)的變化規(guī)律，提出了作物需水量的數(shù)學模型。陳玉民等在20世紀90年代中期，系統(tǒng)地探討了我國的主要作物需水量，并繪制了全國作物需水量等值線圖，綜合分析了作物需水量在時空上的變化及其規(guī)律。國外在這方面的研究上，則主要集中在參考作物騰發(fā)量計算公式的修正與創(chuàng)新、作物耗水系數(shù)以及土壤水分修正系數(shù)計算等方面。作物需水耗水量的計算方法，概括起來主要有兩種：一是通過田間試驗方法，直接獲得作物需水耗水量數(shù)據(jù)，一般稱為直接測定法；二是選擇相關(guān)指標，采用計算方法來獲得作物需水耗水量，一般稱為間接估算法。

2.1 直接測定法

2.1.1 蒸滲儀測定法

蒸滲儀種類很多，均可用于確定參照作物的騰發(fā)量，其差別僅體現(xiàn)在估算值的時間精度上。一般排水式蒸滲儀，只能得到騰發(fā)量的一周（7 d）估值，而稱重式蒸滲儀則可獲得每日估值。Allen通過對比試驗，提出要確保蒸滲儀內(nèi)種植的作物，其生產(chǎn)狀況與周圍大田相同，并要最大限度地減少在種植作物周圍人為踩踏產(chǎn)生的影響，否則，將會產(chǎn)生30%以上的試驗誤差。目前，盡管蒸滲儀在具有一定規(guī)模的試驗站（場）已得到推廣應用，但其總體使用數(shù)量相對較少，從而制約了使用這種方法獲得研究數(shù)據(jù)的普遍性。應用蒸滲儀法測定蒸散量，其進展主要表現(xiàn)在兩個方面：一是蒸滲儀的測定精度。目前，已提高到0.01-0.02mm，可在間隔1 h甚至幾分鐘內(nèi)自動記錄測定數(shù)據(jù)；二是大型蒸滲儀與微型蒸滲儀結(jié)合使用。國內(nèi)外的許多學者，大都相繼使用了微蒸滲儀，測定裸露土壤或作物冠層下的土壤蒸發(fā)量，以區(qū)分農(nóng)田土壤蒸發(fā)和作物蒸騰。

2.1.2 k值法

k值法是以產(chǎn)量為參數(shù)的需水系數(shù)法，計算公式為：

ETc=kY

式中：ETc——作物全生育期總需水量，mm/d；

k——需水系數(shù)，即單位產(chǎn)量需水量，mm/kg；

Y——作物單位面積產(chǎn)量，kg/hm2。

該法在干旱地區(qū)尤其是中、低產(chǎn)田范圍內(nèi)，對干旱作物的需水量計算，具有一定的可靠性，符合我省沿黃地區(qū)實際。

2.1.3 α值法

α值法也稱為蒸發(fā)皿法，是以水面蒸發(fā)量為參數(shù)來估算作物需水量的方法，早在1916年左右就開始使用。計算公式為：

ETc=αE0

式中：ETc——某時段內(nèi)作物需水量，mm/d；

E0——與同時段內(nèi)80 cm口徑蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)量，mm；

α——作物各時段的需水系數(shù)，即同時期需水量與水面蒸發(fā)量的比值。一般水稻α=0.9-1.3，旱作物α=0.3-0.7。

該方法比較簡單方便，在水稻生產(chǎn)地區(qū)被廣泛運用。

2.1.4 積溫法

積溫法計算作物需水公式如下：

ETc=βT

式中：ETc——作物全生育期總需水量，mm/d；

T——作物全生育期日平均氣溫累積值，℃；

β——經(jīng)驗系數(shù)，mm/℃。

該方法在我國南方水稻生產(chǎn)地區(qū)被廣泛應用于水稻需水量計算，但在干旱半干旱地區(qū)，重要的往往不是積溫，而是干熱風對蒸騰起著決定作用，故不宜使用。

2.1.5 日照時數(shù)法

日照時數(shù)法計算作物需水量公式如下：

ETc=ηH

式中：ETc——作物全生育期總需水量，mm/d；

H——作物全生育期內(nèi)累計日照時數(shù)，h；

η——經(jīng)驗系數(shù)，mm/h。

這種方法適用于夏季生長的作物。

2.1.6 水量平衡法

水量平衡法就是在某一時段內(nèi)，對一定面積和一定土層厚度的各來水項和去水項分別進行統(tǒng)計，最后計算出蒸騰量。方程如下：

P+I+U=E+T+R+In+D±ΔW

式中：P——降水量，mm；

I——灌溉量，mm；

U——底層土向平衡土層補充的水量，mm；

E——地面蒸發(fā)量，mm；

T——葉面蒸騰量，mm；

R——地表徑流量，mm；

In——作物截留量，mm；

D——土壤下滲量，mm；

ΔW——平衡土層內(nèi)最終儲水量與初始儲水量之差，mm。

結(jié)合山西沿黃地區(qū)實際，在田間由于蒸發(fā)和蒸騰量很難區(qū)分，統(tǒng)稱ETα，截留量可以忽略不計，即In=0。上述方程還可以進一步簡化為：

ETα=P+I+U-R-D±ΔW

水量平衡法的優(yōu)點：限制條件少，適用于大尺度的農(nóng)田蒸騰量計算。缺點：從計算區(qū)域內(nèi)水量收入和支出的差額來推求蒸騰量，不能反映蒸騰的動態(tài)變化過程，無法闡明控制和影響蒸騰各類因子的作用。

2.2 間接估算法

2.2.1 彭曼-蒙特斯公式法

為提高作物蒸發(fā)蒸騰量計算精度，世界糧農(nóng)組織（FAO）在彭曼公式的基礎(chǔ)上，提出了彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）公式，可稱之為修正后的彭曼公式。作為一種假想的參照作物冠層的蒸發(fā)蒸騰速率，假定作物高度為0.12 m，固定的葉面阻力為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、完全覆蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸發(fā)蒸騰速率。根據(jù)以上原理，1992年，F(xiàn)AO專家咨詢會推薦使用的Penman-Monteith公式如下：

式中：ET0——參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；

Rn——參考作物冠層表面凈輻射量，MJ·m-2·d-1；

G——土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；

T——日平均氣溫，℃；

u2——2m高處的日均風速，m/s；

es——飽和水汽壓，kPa；

ea——實際水汽壓，kPa；

Δ——溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線上T處的切線斜率；

γ——濕度表常數(shù)。

對于一般農(nóng)作物，計算出參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0之后，則作物的需水量可通過參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0與作物耗水系數(shù)Kc的乘積來獲得。

該方法的優(yōu)點：不需要專門的地區(qū)率定和風函數(shù)等，應用一般的氣象資料，即可計算出參考作物蒸發(fā)蒸騰量值，應用價值和精度都比較高。

2.2.2 Hargreaves經(jīng)驗法

這種方法是Hargreaves和Samani合作研究者，根據(jù)美國加州8 a前對牛毛草植物應用蒸滲儀的測定數(shù)據(jù)，推導出的較為簡化的參考作物騰發(fā)量模型，習慣上稱為Hargreaves模型。該模型只需要氣溫和地理位置數(shù)據(jù)資料，就可進行計算。因此，具有數(shù)據(jù)要求低、計算簡單、適用范圍廣等優(yōu)點，比較適用于缺乏輻射資料的地區(qū)。模型如下：

式中：ET0——參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；

Ra——大氣邊緣太陽輻射，可根據(jù)時間與地理位置數(shù)據(jù)計算或查表得到；

c0——轉(zhuǎn)換系數(shù)（當Ra以mm·d-1為單位時，c0=2.3×10-3；當Ra以MJ·m-2·d-1為單位時，c0=9.39×10-4）；

T——日平均氣溫，℃；

Tmax——日最高氣溫，℃；

Tmin——日最低氣溫，℃。

選用SWAT軟件，Hargreaves公式還可以表達為：

式中，KRS為經(jīng)驗系數(shù)。對于沿海地區(qū)一般取0.19，對于內(nèi)陸地區(qū)一般取0.16。

2.2.3 Blaney-Criddle法

這種方法是基于溫度參數(shù)的ET0計算方法，較適用于旬尺度以上的ET0估算，其應用參數(shù)較少，簡單方便，且可以反映研究區(qū)域的輻射條件。基于旬尺度上溫度的參考作物蒸散發(fā)量，計算公式如下：

ET0=c·p·（0.46T+8.13）

式中：ET0——旬平均參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；

T——旬平均氣溫，℃；

p——該時段平均晝長時數(shù)與全年晝長總時數(shù)的百分比（與緯度有關(guān)，可查表），%；

c——修正次數(shù)，與最小相對濕度、日照時間、風速等有關(guān)，需要進行率定。

基于月尺度上溫度的參考作物蒸散發(fā)量，其計算公式如下：

ET0=a+bp（0.46T+8.13））

式中：p——該時段平均晝長時數(shù)與全年晝長總時數(shù)的百分比，%；

T——月平均溫度，℃；

n——實測白晝時數(shù)，h；

N——可能白晝時數(shù)，h；

RHmin——日最低相對濕度，%；

ud——白天2m高處的平均風速，m/s。

2.2.4 Makkink法

該方法是在荷蘭寒冷氣候條件下，推導出的草原地區(qū)潛在蒸發(fā)量數(shù)學模型，其計算公式如下：

式中：ET0——參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；

λ——蒸發(fā)潛熱，MJ/kg；

Δ——溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線上T處的切線斜率；

γ——濕度表常數(shù)；

Rs——地面接收的太陽輻射量，MJ·m-2·d-1；

c1和c2——常數(shù)。一般情況下：c1=0.61，c2=-0.12；但對于半干旱地區(qū)，建議采用：c1=0.7，c2=0。

2.2.5 Priestley-Taylor法

Priestley-Taylor法起源于澳大利亞，并且是在假定周圍濕潤的條件下提出來的，因此，一般在濕潤地區(qū)采用此法來計算參考作物騰發(fā)量。計算公式如下：

式中：ET0——參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；

α——系數(shù)，主要考慮空氣動力因素影響，一般情況下α=1.26；

Rn——參考作物冠層表面凈輻射量，MJ·m-2·d-1；

其他符號意義同前。

2.2.6 Mc-Cloud法

該方法是基于溫度的ET0簡化計算方法，公式如下：

ET0=KW1.8T

式中：K、W——常數(shù)，K=0.254，W=1.07；

T——日平均氣溫，℃。

該方法在以溫度為變量的作物需水量計算中，其精度有偏差。

2.2.7 波文比儀法

也叫能量平衡法。下墊面的能量平衡方程為：

Rn=λET0+H+G

式中：Rn——地表面上的凈輻射量，MJ·m-2·d-1；

H——顯熱通量，MJ·m-2·d-1；

其他符號意義同前。

根據(jù)波文比儀法，計算λET0和H的公式為：

所以，波文比儀法中的蒸發(fā)蒸騰量又可表示為：

式中：β——波文比；

ΔT——兩個高度溫度差，℃；

Δe——兩個高度水汽壓差，kPa。

這種方法的優(yōu)點：所需實測參數(shù)少，計算方法簡單，不需要有關(guān)蒸散面空氣動力學特性等方面的信息，只要知道兩個高度的氣溫差及其相對應的水汽壓差，以及Rn和G，就可以計算出ET0。缺點：對資料數(shù)據(jù)的精確度要求較高，對試驗布置等方面要求很高。

2.2.8 遙感方法

遙感方法是不用與研究對象直接接觸，利用熱紅外遙感的多時相信息，獲取不同時刻的地表溫度，從而獲得土壤熱通量。以此用來表達土壤濕度狀況，并結(jié)合區(qū)域太陽凈輻射量資料，來推算區(qū)域較大面積的潛熱通量與蒸散值。近20 a來，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)估算區(qū)域的蒸散發(fā)量研究，在國內(nèi)外取得一定進展。1973年，Brown和Rosenberg等人，根據(jù)能量平衡、作物阻抗原理，建立了作物阻抗—蒸散模型，現(xiàn)已成為熱紅外遙感溫度應用于作物蒸散模型的理論基礎(chǔ)。1983年，Sequin利用衛(wèi)星影像資料，建立了作物冠層日蒸發(fā)量的遙感統(tǒng)計模型。我國學者謝賢群和陳鏡明等，在上述理論模型的基礎(chǔ)上，對不同氣象條件下的空氣動力阻抗計算公式進行了補充和修正。另外，國外學者Caselles（1998）、Calson（1995）等人，根據(jù)各自研究區(qū)域的自然特點，對蒸散發(fā)模型中的參數(shù)計算方法進行了一定改進。Manuel等研究者，以遙感獲取的作物冠層溫度為基礎(chǔ)，應用空氣動力學和波文比—能量平衡法計算公式，對汽化潛熱進行了較好的估算。我國學者陳云浩等，應用AVHRR圖像數(shù)據(jù)，研究探討了非均勻陸地條件下的區(qū)域蒸散量計算遙感模型，并用此對我國北方地區(qū)的蒸散量進行了理論計算與分析。詹志明在分析了國內(nèi)外應用較好的遙感監(jiān)測陸地土壤水分蒸發(fā)的表熱量平衡方法，并互補相關(guān)陸地蒸散發(fā)、Penman-montieth模型以及區(qū)域蒸散發(fā)的氣候?qū)W方法研究成果，提出了可參考的地面參數(shù)（如地面反射率、NDVI、陸地溫度等）的遙感獲取方法，同時闡述了各種方法的特點以及彼此之間的關(guān)聯(lián)。黃妙芬等科技工作者，對應用遙感方法估算區(qū)域蒸散量的圖像信息源，反射率、比輻射率及地面溫度等參數(shù)的遙感反演精度，空氣動力阻抗和地表阻抗模型，估算結(jié)果的驗證技術(shù)方法，時間尺度上的擴展問題等制約因子進行了深入分析與討論，并提出了克服這些制約因子的有關(guān)途徑。

由此可見，國內(nèi)外利用遙感估算區(qū)域蒸散量的方法，現(xiàn)已得到了較為廣泛的應用，也提出了較多基于遙感估算區(qū)域蒸散的改進方法與新方法。目前，在業(yè)界應用較廣泛的主要有兩種方法：一是以地表熱量平衡方程為基礎(chǔ)，應用遙感數(shù)據(jù)獲取一些計算參數(shù)，求出應用方程中的凈輻射、土壤熱通量和感熱通量，然后采用余項法求得蒸散量；二是以彭曼修正公式為基礎(chǔ)，結(jié)合地表的熱量平衡方程，直接估算區(qū)域的蒸散量。衛(wèi)星遙感的應用，使得每天能夠同步取得相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得估算汽化潛熱成為現(xiàn)實可能。近年來，國內(nèi)外應用高分辨率光譜輻射計，研究探討了植被光譜的動態(tài)變化，植被光譜、覆蓋率以及與葉面積指數(shù)的關(guān)系，從而為建立適用的農(nóng)田遙感蒸散計算模型提供了可靠依據(jù)。

3 研究沿黃坡地經(jīng)濟林需水耗水量計算方法的意義

沿黃地區(qū)在地理坐標上指沿黃河兩岸所屬區(qū)域，涉及青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東等九個省（區(qū)）。從地形地貌看，黃河中上游以山地為主，中下游以平原、丘陵為主。我們的試驗區(qū)位于黃河中游的晉西地區(qū)，該地區(qū)由于特殊的地形地貌和惡劣的自然條件，干旱少雨、暴雨集中、水土流失嚴重、水資源嚴重短缺，人均水資源量和單位面積平均水資源量都很少，既屬于資源型缺水地區(qū)，又屬于脫貧攻堅區(qū)。

在該區(qū)域內(nèi)“三產(chǎn)”中，農(nóng)業(yè)占據(jù)主導地位，且大部分都是“靠天吃飯”的“雨養(yǎng)”農(nóng)業(yè)模式。雖有少量的引黃提灌工程，但由于絕大多數(shù)耕地都是坡地，地塊呈分散型、碎片化，導致灌溉輻射半徑較小、水平較低、機械化程度不高。糧食作物以玉米、馬鈴薯、小雜糧等耐旱品種為主，單產(chǎn)較低，維持溫飽沒有問題，但要從根本上脫貧，發(fā)展支柱產(chǎn)業(yè)主要還是應依靠經(jīng)濟林。從目前情況看，經(jīng)濟林現(xiàn)已成為區(qū)域大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，增加農(nóng)民經(jīng)濟收入的一項重要來源。據(jù)調(diào)查，我省沿黃地區(qū)經(jīng)濟林，主要以蘋果和棗樹等傳統(tǒng)樹種為主，品種較陳舊，加之“地高水低”，很少灌溉，導致產(chǎn)量較低，產(chǎn)品沒有市場競爭力。在這樣干旱缺水的地區(qū)，除品種因素外，土壤水分不足成為長期限制經(jīng)濟林生長與發(fā)展的首要因素。因此，研究坡地經(jīng)濟林需水耗水規(guī)律，對優(yōu)化灌溉制度、提高水資源利用效率、調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、滿足人民群眾對多層次高品質(zhì)食品需求，同時增加當?shù)匕傩盏慕?jīng)濟收入，對脫貧攻堅和防止返貧均具有重要的現(xiàn)實意義。

通過上述對國內(nèi)外作物需水量計算方法的研究分析，結(jié)合我省沿黃地區(qū)半干旱區(qū)的自然條件實際，在計算作物（包括經(jīng)濟林）需水量時，宜選取直接測定法中的k值法和水量平衡法，間接估算法中的彭曼-蒙特斯公式法、Hargreaves經(jīng)驗法、Blaney-Criddle法、Makkink法和遙感法。

4 結(jié)語

作物需水耗水量的理論研究，在農(nóng)業(yè)用水、水資源評價、作物生長模擬等方面都有著重要作用；按照理論計算公式，對氣象、地理等方面的發(fā)展，也會起到相當大的促進作用。通過研究發(fā)現(xiàn)，目前針對作物需水量的計算，形成了眾多不同特點、不同適應性的經(jīng)驗或理論方法，但應用最為廣泛的還是彭曼公式及由其推演修正的其他方程。隨著我國水利、氣象事業(yè)的迅猛發(fā)展，相關(guān)監(jiān)測站點建設(shè)與觀測日益加強以及新技術(shù)、新設(shè)備的研發(fā)應用，作物需水耗水規(guī)律的理論研究適用條件將得到進一步完善，計算精度將得到進一步提高，計算廣度將得到進一步拓展。我省沿黃地區(qū)應結(jié)合自然條件和作物種植結(jié)構(gòu)實際，圍繞干旱缺水瓶頸，通過對作物需水耗水量的深入研究，探索農(nóng)業(yè)節(jié)水對當?shù)刈魑镌霎a(chǎn)提質(zhì)的相關(guān)對策，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益與生態(tài)效益“雙贏”。