论文总字数：14462字

目 录

摘要 II

Abstract III

1 引 言 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外研究进展 1

1.3 研究思路 2

2 试验材料与方法 3

2.1 试验概况 3

2.2 FAO作物系数法 4

2.2.1 单作物系数法 5

2.2.2 双作物系数法 6

2.3 数据处理及分析方法 6

3 结果与分析 7

3.1 冬小麦农田参考蒸散的季节变化 7

3.2 单作物系数法估算农田蒸散与土壤水分的变化 7

3.2基于SIMdualkc模型模拟的农田蒸散及土壤水分变化 8

3.3 单、双作物系数法估算土壤水分的差异对比 9

4 结论与展望 10

4.1 结论 10

4.2 讨论及展望 11

参考文献 11

致谢 13

基于FAO-56作物系数法估算农田土壤水分的研究

刘洋

, China

Abstract：Water resources are the most important scarce resources on the earth, degree of dependence on water especially upland crops, estimate the amount of crop evapotranspiration and soil water content forecast is the basis of the irrigation plan, also have important implications for agricultural production. Used November 13, 2015 to 2015 on May 17, in the winter wheat growing season 4m² evapotranspiration measured data and meteorological data of the period, Respectively with the FAO Penman-Monteith single crop coefficient method and model based on SIMDualKc double crop coefficient method to calculate the reference crop evapotranspiration, and used to analyze soil moisture forecasting. The result show: Single crop coefficient and dual crop coefficient can better simulate the soil moisture change, but the dual crop coefficient estimated the soil moisture of the simulated values and the measured values fitting degree was higher than single crop coefficient.

Key Words: Winter wheat; Crop coefficient method; Soil moisture changing;

1 引 言

随着经济全球化的飞速发展，对水资源的依赖性越来越强，而水资源匮乏也是一个全球性的问题。全球有50多个国家属于干旱或者半干旱区域，大概占陆地面积的35.1％，而干旱半干旱地区现有耕地达6亿多公顷，约占耕地面积总和的43.1％。其中，我国旱田作物占比大，而且被联合国认定为水资源最紧缺的国家之一，由此可见，旱地作物是农业生产的重要形式，对于我国乃至世界粮食安全至关重要，全球变暖加剧了水循环的复杂程度以及水资源时空分布的不均，并而水资源污染日益严重，导致农业用水更加紧张^[1]。农田蒸散是旱地作物最主要的水分消耗形式，通过蒸散能够直接进行干旱检测、作物产量估算以及土壤水分预报，依赖作物蒸散来预报土壤水分是国内外研究重点之一^[2]，所以预报土壤水分含量有利于节约资源、指导农业合理灌溉、抵抗旱灾。

1.1 研究目的与意义

我国作为农业大国，其中旱作农业占了相当大的比重，农田土壤水分动态变化也作为旱作农业重点研究的对象之一。我国水资源的消耗量比较大，水资源主要的消耗是农田作物，土壤水是土壤的重要部分，土壤不仅是作物生长的基础，而且土壤水分的多少决定农田是否有旱情^[3]。所以，要提高土壤水分的利用效率、科学合理用水，就要了解未来一段时间内土壤水分的状况以及变化的规律。在全球土壤湿度计划(Global Soil Wetness Project，GSWP)中，特地开辟了一个以“土壤水”为中心的议题，通过这个议题来进行探讨和研究，如今已经成为了全球变化研究的重要焦点之一^[4]。

在过去的 50 多年里，全球众多科技工作者和专家开发出大量利用不同气象变量估计蒸散速率的经验或半经验方法^[5]。气象变量和蒸散速率的关系经常要经严格的地区校正，而且检验的有效性仅限在局部区域，在新的条件下检验这些方法的精度既费力、费时又费钱。蒸散速率数据是研究土壤水分变化经常需要的基本资料，然而FAO的Penman-Monteith方法是被推荐的唯一标准方法。因为这个方法在不同区域和不同气候条件下正确预报作物参考蒸散的机率很大，而且也可用于资料缺测的地方，所以本研究选择FAO推荐的PM公式来计算蒸散，配合气象数据中的降水信息，来估测土壤水分的变化。

南京是江苏省省会，是长江三角洲（包括江苏、浙江、安徽、上海）的第二大城市，也是我国重要的农业和商品粮基地，占地面积约6.6×103km²，在2015年，粮食总产量达到了114.06万吨，因此，对南京城市土壤水分含量变化的观测研究，明晰南京城市作物土壤水分变化规律，可以为南京预报农田灾害，合理灌溉、合理利用水资源，为农业生产提供理论依据，具有实际应用意义。

1.2 国内外研究进展

水资源的缺乏以及农田土壤水分动态变化是世界各国政府和科研人员的重点关注范围。国内外专家学者从不同角度出发、利用不同观测仪器和模型方法对农田作物蒸散和土壤水分动态变化进行研究。

我国对土壤水分的研究的发展与土壤学是同步的。早期，部分专家在水分平衡理论的基础上建立了农田土壤水分预报模型，申双和运用柯西定律研究出基于土壤水分收支的簿记模型^[6]。1980年左右，遥感方法兴起，开始应用于土壤水分监测，在21世纪初期遥感方法快速发展，仪垂祥等以降水量和潜在蒸散量的观测值为依照^[7]，计算导出土壤湿度空间分布。金一锷等提出利用气象卫星 GMS和AVHRR资料推算地面水分含量的方法^[8]，高峰等对利用微波遥感反演土壤湿度的研究作了非常详尽细致的总结^[9]。

19世纪60年代， Baier等研究通用水分平衡法使得北美土壤水分预报精度加强^[10]。70年代，荷兰土壤与水分管理研究所的Belmans等建立了计算土壤水分动态变化的数值模型SWATRE^[11]。亚洲地区，印度农业研究水分中心的Rao等在估算土壤水分亏缺指数模型时，嵌入了土壤水分平衡理论^[12]。80年代初，美国和澳大利亚地区，Hearn和Constale建立了反映植物根系层的土壤水分平衡模型。随着遥感技术的普及，Tansey等将遥感的合成孔径雷达(SAR)信号应用于农作物生长季农田和裸地的土壤表层湿度的研究，并建立了SAR信号与土壤湿度之间的预测模型，Carlson等利用NoAA/AVHRR数据资料对土壤有效水分和热惯量之间的关系进行了研究^[13]。目前，随着GIS和RS一体化技术的发展，GIS支持干早遥感监测愈来愈受到重视。

已有的研究对土壤水分动态变化进行了总结和完善，并且建立了多种方法对水分变化进行监测，本研究以现有的数据和研究成果为基础，利用南京的实测蒸散数据、气象数据、土壤水分变化数据，拟基于FAO Penman-Monteith 公式估算农田参考蒸散量，并分别利用单、双作物系数法估算实际蒸散量，分析南京农田实际蒸散变化，并比较研究单作物系数法与基于SIMdualkc模型的双作物系数法在进行土壤水分预报上的区别和优势，为本地农田土壤水分管理提供依据。

1.3 研究技术路线

气象数据

利用单/双作物系数法求出实际蒸散ETc，并与蒸散计的值比较

P-M方法计算ET₀

4m²称重式蒸散计数据数据数据

土壤水分数据

蒸散计平均值变化

0-40cm土壤水分变化

土壤水平衡方程：

Δω=p-ETc

作物系数法估算农田土壤水分试验

查阅文献

2015/11/1-2016/5/17逐日土壤水分含量

图1 研究技术路线图

2 试验材料与方法

2.1 试验概况

试验研究站点设在农业气象实验站（以下简称农气站），供试对象为冬小麦。站点经纬度分别为32°14′N，118°42′E，属于中纬度亚热带季风气候区，季节特征明显，降水量充足，年平均降水量约为1100.0mm，年平均气温为15.6℃。农气站土壤质地为壤质粘土；0-100cm土层的平均田间持水量为19.3%-33.1%（体积含水量），凋萎系数为6.2%-12.5%（体积含水量），土壤容重平均为1.4g/cm³。

2015年冬小麦于2015年11月13日播种，2016年5月下旬完熟。农田中配备4m²大型蒸渗仪以观测农田蒸散情况，蒸渗仪的观测精度均为0.01mm，采用自动采集系统对蒸散数据进行采集，频率为每小时一次^[14]。作物播种前，采用称重法对蒸渗仪进行校正，以保证数据可靠。蒸渗仪内冬小麦的种植密度与大田相同，其它管理措施也与大田保持一致。

气象要素观测均严格按照国家气象局的地面气象观测规范^[15]，由自动气象站进行观测。观测的数据内容有：0-40cm土壤水分含量、气温、气压、风向风速、相对湿度、辐射（包括地面短波、太阳短波、地面长波和大气长波）、0cm地温、降雨量等，上述均为逐10min数据，数据分析时插值处理为逐时数据。

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