作物蒸发蒸腾量的测定与计算在线视频

各位同学大家好

欢迎来到桂林理工大学MOOC课程《水文学》

我是水文与水资源工程系的徐保利

今天我们讲解的内容是作物蒸发蒸腾量的测定与计算

作物蒸发蒸腾量是作物需水量的主要组成部分

要介绍作物蒸发蒸腾量

需要先了解什么是作物需水量

它的影响因素是什么

以为后面测定和计算做准备

作物需水量是指

生长在大面积上的无病虫害作物

土壤水分和肥力适宜时

在给定的生长环境中能够取得高产潜力的条件下

为满足植株蒸腾 棵间蒸发 组成主体所需要的水量

其中植株蒸腾是指作物将根系从土壤中吸收的水分

通过叶片的气孔蒸散到大气中的现象

棵间蒸发是指植株间土壤或田面的水分蒸发

在实际中由于组成植株体的水分占总需水量的比例很小

一般小于1%

而且这一部分的影响因素较复杂

难于准确计算

故人们均将此部分忽略不计

认为作物需水量就等于植株蒸腾量加上棵间蒸发量

即作物蒸发蒸腾量

水文学中称为 蒸散量或腾发量

后面提到的作物需水量均指作物蒸发蒸腾量

作物需水量包含生理需水和生态需水两个方面

其中作物生理需水是指动物生命过程中各种生理活动

如蒸腾作用 光合作用等所需要的水分

植株蒸腾实际上是作物生理需求的一部分

作物生态需水是指生育过程中

为给作物正常生长发育创造良好的生长环境所需要的水分

棵间蒸发即属于作物的生态需水

我们知道

作物生理需水主要用于作物的生长和产量的形成

我们称之为有效消耗

实际管理中尽量使作物需水量由生理需水消耗

以利于作物产量的形成

而作物生态需水不直接形成产量

其中一部分属于无效消耗

在不影响作物生长和产量的前提下

尽量减少生态需水

为提高作物耗水效率

提高利用效率

为提高作物耗水效率

需要了解生育期内作物需水规律

下面这幅图展示了生育期内作物需水量的变化规律

横坐标是作物的生长时间

纵坐标e是指作物需水量

可以看出随着作物生长和叶片面积的增加

蓄水量值也不断增大

在作物苗期需水量值较小

当作物进入生长盛期

需水量增加很快

叶面积最大时作物需水量出现高峰

到作物成熟时需水量值又迅速下降

右上角这幅图中

ET是作物蒸发蒸腾量

T是植株蒸腾

E为棵间蒸发

可以看出在整个生育期间

植株蒸腾和棵间蒸发两者所占的比例互为消长

图中也显示了生育期中作物需水量具有高峰期

需水高峰期一般处于作物生长旺盛的阶段

这幅图中的实验显示

小麦需水高峰有两个

拔节至抽穗 抽穗至灌浆期

而这幅图显示

水稻需水高峰出现在拔节孕穗期

作物不同生育阶段不仅需水量大小存在差异

而且对缺水的敏感程度不同

在作物整个生育期中

通常把对缺水最敏感 缺水对产量影响最大的时期

称为作物需水临界期或需水关键期 需水敏感期

有的也叫作需水敏感期

各种作物需水临界期不完全相同

但大多数出现在从营养生长向生殖生长的过渡阶段

在作物需水临界期缺水

会对产量产生很大的影响

对于作物需水量

其主要影响因素随着作物种类和品种

土壤 气候气象 生产力水平等诸多因素而变化

应该结合各地情况来探索作物需水规律

因此在生产实际中

必须因时 因地 因作物 因气候

等各种自然与人为条件确定作物的需水量

以利于制造生产

作物需水量是水资源合理开发利用所必需的重要资料

同时也是灌排工程规划 设计和管理的基本依据

因此呢

作物需水量是很重要的一项资料

下面我们将介绍获取作物需水量的实验测定和计算方法

我们先看一下作物需水量的试验测定

实验测定方法有很多

首先是器测法即蒸渗仪法

蒸渗仪是根据水量平衡原理设计的一种用来计算

农田水文循环各主要成分的专门仪器

国外利用蒸渗仪研究作物蒸发蒸腾量非常普遍

我国利用蒸渗仪进行作物蒸发蒸腾的研究始于80年代中期

蒸渗仪可分为称重式与水力式

这里我们只介绍最常用的称重式蒸渗仪

称重式又可分为充填式与整块式两种

前者在容器内充填均匀的土壤或沙土混合物

后者在容器内装整块原状土

这张图片就展示了展示了美国加州大学戴维斯分校

埋于番茄地中的蒸渗仪

可以看出这个蒸渗仪体量相当大的

属于我们所说的装整块原状土的称重式蒸渗仪

蒸渗仪能够测量作物需水量

它的工作原理是怎样呢

国内外已建成的蒸渗仪尽管种类繁多

形式各异 规模不一

但它们的共同特点是观测盛土容器中的土壤水分动态变化

量测不同时段水分总量

研究土体中水分收支量及变化过程

通过水量平衡方程获取作物需水量

蒸渗仪一般由试验土体 水分监测设备

称重设备和数据存储系统组成

利用大型称重式蒸渗仪直接测定的作物蒸发蒸腾量比较准确

常用来检验各种作物蒸发蒸腾量计算公式

进行适当的修正和确定作物系数

但由于其设备价格昂贵而限制了广泛应用

测定作物需水量另外一种比较常见的方法是坑测法

坑测法是在专门修建的测坑中测定作物需水量

这是我国目前最主要的应用方法

坑测法包括有底测坑和无底测坑两种

土壤常为回填土

底部一般铺设20cm厚由砂和砾石组成的滤水层

基部设侧向排水管与排水收集系统相连

坑中土壤回填时应严格按照原有土壤容重分层回填

以保证测坑试验结果的代表性

有的有底测坑监测设备组成与蒸渗仪类似

只是体量小于蒸渗仪

无底测坑一般埋在田间

四周由不透水材料包围

可用原状土也可用扰动回填土

对于两种测坑

测坑内的水分变化通过先后两次测定的土壤含水量差值计算

测定的含水量最好选择可以定点连续测定的方法

土壤含水率主要测量方法有中子散射法

电阻法 TDR法等

为了控制降雨

侧坑上方通常还要安设防雨设备

以更好的人工控制测坑水量

第三种是田测法

也是我国测定作物需水量常用的一种方法

填色法是在大田条件下监测水量平衡方程各要素

从而测定作物蒸发蒸腾量

它优点是测定环境与作物生长发育所处的环境完全相同

有较强的真实性和代表性

但是缺点也很明显

它易受环境条件的干扰

田测法田块与周围田块存在水力联系

如水分侧渗等

如果控制不好

水平衡有些项目测定不准

则引起的误差会降低作物需水量测定精度

结果具有不确定性

作物需水量的试验测定虽然能够获得较为准确的结果

但是实验周期较长

投入较高

结果受地域的局限

下面我们将讲解作物需水量的计算方法

以更方便 更快捷地获取作物需水量

作物需水量Etc的估算方法分为两大类

直接计算法和间接计算法

直接计算作物蒸发蒸腾的方法均为经验公式法

即根据作物蒸发蒸腾量

和主要气象要素以及作物产量等实测成果

用回归分析的方法确定作物蒸发蒸腾量

随这些因素变化的经验方程

在我国采用较多的有蒸发皿法 产量法和多因素法

间接计算法是通过参考作物蒸发蒸腾量ET0

与作物系数Kc估算的方法

间接计算方法分为以下两步

第一步是考虑气象因素对作物需水量的影响

计算参考作物蒸发蒸腾量

第二步考虑土壤水分及作物条件的影响

对参考作物蒸发蒸腾量进行调整

或修正而计算出实际的作物蒸发蒸腾量

在水资源规划和利用中

间接计算法是最常用的

首先我们看一下参考作物蒸发蒸腾量的计算方法

它一般包括经验公式法和理论公式法

经验公式法中常采用辐射 温度 水气压 相对湿度

风速及日照等气象条件作为参数

按照某种与参考作物蒸发蒸腾量的经验函数进行估值

而理论公式法则有能量平衡法 水汽扩散法和综合法

参考作物综合法结合了能量平衡法和水汽扩散法的优点

常用的综合法是彭曼法和彭曼-蒙蒂斯法

下面以彭曼-蒙蒂斯方法为例进行介绍

彭曼-蒙蒂斯法是采用彭曼-蒙蒂斯公式

计算参考作物蒸发蒸腾量

它是以能量平衡和水汽扩散理论为基础

既考虑了作物的生理特征

又考虑了空气动力学参数的变化

具有充分的理论依据和较高的计算精度

这一公式是基于1990年世界粮农组织FAO的规定

参考作物蒸发蒸腾量是一种假想的

参考作物冠层的蒸发蒸腾速率

参考作物被假设为高度为12cm

表层阻力为70s/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

根据这一假设

结合能量平衡方程和水汽扩散理论

提出公式并不断修订

FAO推荐采用这个公式计算参考作物蒸发蒸腾量

这个公式涉及输入冠层净辐射量Rn

土壤热通量G

2m高处日平均温度T

2m处风速u2

饱和水汽压es

实际水汽压ea

饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率Δ

以及干湿表常数γ

共8个参数

一方面该公式具有较强的物理基础

另一方面公式中每个参数都可通过易于监测的数据进行计算

因此获得了广泛应用

前面介绍了参考作物蒸发蒸腾量的计算方法

它是用来表示假定的参考作物的蒸发蒸腾量

而其他作物蒸发蒸腾量是使用参考作物蒸发蒸腾量计算的

两者采用作物系数这一因子进行关联

FAO作物需水量专家咨询组所采纳和修正的作物系数概念

以以下两个公式进行表示

公式中红色的Kc和(Kcb+Ke)分别是两种方法的作物系数

下面详细介绍两种作物系数及其确定方法

首先来看一下单作物系数法

Kc为综合作物系数

与作物种类 品种 生育期 作物的群体叶面积指数等因素相关

是作物自身生物学特性的反映

作物系数Kc不仅随作物而变化

更主要的是随作物生育阶段而异

生育初期和末期的值较小

而中期的Kc较大

这幅图展示了单作物系数综合作物系数的曲线

横坐标为生育期 纵坐标为作物系数值

可以看出

作物生育初期 作物系数较低

随着作物发育和叶面积的增加

作物系数逐渐变大

进入生长中期后

作物系数达到最大值

并保持稳定

最后进入生育末期

综合作物系数逐渐减小

接下来是双作物系数法

Kcb为作物基础系数

是表层土壤干燥

而根区平均含水量不构成土壤水分胁迫条件下

ETc与ET0的比值

侧重反映了作物潜在蒸腾的影响作用

Ke为表层土壤蒸发系数

它代表了作物地表覆盖稀疏的苗期和前期的生长阶段中

除Kcb中包含的残余土壤蒸发效果外

在灌溉或降雨发生后由大气蒸发力引起的

表层湿润土壤的蒸发损失与ET0的比

这幅图展示了双作物系数曲线变化

可以看出随着生育期的推进

基础作物系数Kcb变化情况与单系数法Kc变化规律相近

而表层土壤蒸发系数Ke变化规律与之相反

前面介绍的是土壤水分充足时

作物需水量ETc的计算

Etc是作物在理想条件下能够达到的最大的蒸发蒸腾量

但作物蒸发蒸腾量不仅受外界蒸发条件的支配

同时还受作物本身的生理特性以及土壤水分状况的限制

在干旱缺水时

土壤含水量低

土壤中毛管传导率较低

根系吸水率降低

供水不足

作物遭受水分胁迫

引起叶片含水量减小

气孔阻力增加

从而导致水分胁迫条件下

作物蒸发蒸腾速率低于无水分胁迫时的作物蒸发蒸腾速率

这里我们引入土壤胁迫因子Ks来表征土壤水分的胁迫

并且水分胁迫条件下的作物蒸发蒸腾量ETa

是充分供水条件下的作物蒸发蒸腾量ETc

和土壤水分胁迫因子Ks的乘积

例如下面两个公式所示

在单作物系数法和双作物系数法

2个作物因子Kc和Kcb上分别乘以土壤胁迫因子Ks

估算ETa时需要确定土壤水分胁迫因子Ks

土壤水分胁迫因子Ks大小与土壤含水率密切相关

当土壤含水率高于某一限值时Ks为1

低于该限值时 在0到1之间变化

上面这幅图就展示了计算Ks的一种方法

其中纵坐标是Ks

横坐标是土壤含水率

下面横坐标为不同土壤含水率对应的含水量

其中ϴfc为田间持水量

ϴwp为凋萎系数

TAW为根系层总可用水量

RAW为根系层易利用水量

Dr为已利用水量

从图中可以看到

当易利用水量大于0

Ks为1

易利用水量小于0后

随着土壤含水率的降低

Ks线性减小

这一阶段我们可以用图中的公式进行计算

公式中p是与作物相关的经验系数

计算出Ks后带入前面的公式

即即可计算出作物实际的蒸发蒸腾量ETa

以上是对作物蒸发蒸腾量试验测定及其估算的讲解

其中涉及了3个作物蒸发蒸腾量

大家要清楚它们的区别及相应的计算方法

本节课程结束

谢谢大家