稻田蒸散估算及影响因素分析

论文总字数：18790字

目 录

1 引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 蒸散的国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 蒸散研究方法综述 3

1.3.1 水量平衡法 3

1.3.2 蒸渗仪法 3

1.3.3 波文比一能量平衡法 3

1.3.4 涡度相关法 4

1.3.5 空气动力学方法 4

1.3.6 遥感方法 4

1.3.7 植物生理学方法 4

2 试验材料与方法 4

2.1 试验区概况及数据来源 4

2.2 蒸散模型介绍 5

3 蒸散模型估算值与实测值的对比分析 5

3.1 FAO-Penman-Monteith模型 6

3.2 Priestley-Taylor模型 7

3.3 Hargreaves模型 9

4 蒸散与气象因子的相关性分析 10

5 灌溉对蒸散估算的影响 11

6 结论 12

6.1 主要结论 12

6.2 存在问题 13

参考文献： 13

稻田蒸散估算及影响因素分析

马美娟

，China

Abstract: Evapotranspiration played an important role in water cycle and water balance system, estimating and simulating paddy field evapotranspiration are vital for water resources assessment and the improvement of irrigation efficiency. According to the observational data of the experimental fields, this thesis analyzed the different kinds of the evapotranspiration models, and the effects of irrigation and meteorological factors. The results showed that the fitting efficiency of FAO-Penman-Monteith and Priestley-Taylor was better on the daily scale, and on the hourly scale, the fitting efficiency of FAO-Penman-Monteith was better than Priestley-Taylor model. Various meteorological factors had different effects on evapotranspiration on different time scales, and the net radiation was the dominant factor. The estimation of evapotranspiration models was also different in diverse irrigation treatments.

Key words: paddy fields; the evapotranspiration model; time scales; effect factors

1 引言

1.1 研究背景及意义

随着经济和社会的发展，全球气候逐渐变暖，水资源短缺问题成为了社会关注的焦点。在地面水循环中，蒸散作为其中的重要部分，它会因气象条件、土壤水分和下垫面植被类型的不同，使下垫面能量收支平衡发生变化，从而影响局地气候、陆面过程、和全球气候变化等。因此，进一步研究蒸散不仅对大气传输机制的研究具有重要意义，而且对提高水资源利用率、合理规划水资源分配具有重要作用。

作物蒸散是农田土壤蒸发和植物蒸腾之和^[1]，蒸散量值对作物的生长发育状况和作物产量起着至关重要的作用。一直以来，农田蒸散研究是个热点问题，因为农田生态系统不仅是全球生态环境研究中不可或缺的一部分，而且对区域气候和能量平衡研究具有重要影响 ^[2]。农田蒸散的准确估算，蒸散模型的高精度模拟，对于作物需水估算、合理规划水资源分配、提高水分利用率等具有重要意义。我国是粮食大国，而且主要以稻米为主食，其中，在全国作物种植总面积中，水稻面积约占28%，在全国总用水量中，水稻耗水量约占 54%，在农业总用水量中占65%以上[^3]，在整个生育期中对水分的需求量相当大，研究稻田的蒸散状况，了解稻田蒸散量与灌溉量，对合理开发水分资源、节约用水、扩大水稻种植面积等，均有一定的实践意义。

1.2 蒸散的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1687年Hally对水蒸气进行的研究，在国外同类研究中是最早的。然后在 1802年，道尔顿（ Dalton）基于空气动力学原理，得到了计算蒸发的公式，为蒸散提供了理论基础。一些学者认为太阳辐射是影响作物蒸散的主要因素，并于1916年提出了估算蒸散的水面蒸发量法(α值法)。1926 年 Bowen 基于能量平衡方程提出了波文比法。英国Penman于1948年提出了一种主要计算湿润下垫面蒸发的方法，即在无平流水汽输送的情况下计算蒸发的公式。 Swinbank在1951年提出了一种计算蒸散的精度较高的方法，即涡度相关法。1963年Monteith通过引入表面阻力推导出Penman-Monteith公式，此公式的基础为能量平衡和水汽扩散理论，且为以后研究非饱和下垫面的蒸散提供了新途径^[4]。PM公式经过多次的修改，彭曼公式的形式越来越多，其中，FAO Penman-Monteith公式模拟效果较好，得到了许多学者的青睐。20世纪70年代初，Priestley和Taylor提出了湿润气候条件下的Priestley-Taylor公式，该公式所需参数较少，应用较为方便^[5]。之后1998年Jannieson在水分充足的条件下，对比了湿润地区燕麦的蒸散量，结果表明Priestley-Tailor公式的蒸散估算值与实测值相差较小，相关性很好。1985年Shuttleworth和Wa11ace在研究稀疏覆盖下垫面的蒸散时，引入了两个阻力参数，并假设作物冠层均匀覆盖，建立了一个双源蒸散模型，之后的一些研究表明，S-W模型有较高的准确性^[6]。 1988年Choudhury分多层对土壤-作物-大气连续体进行讨论，并建立计算蒸散量的多层模型。1970年以来，随着计算机技术与试验设备和观测手段的提高以及GlS、遥感、遥控技术的发展进步^[7~8]，在作物蒸散研究方面，也获得了许多新的进展。同时，近年来仪器越来越先进，从而使遥感遥测方法发展迅速，成为计算作物蒸散的主要方法。

1.2.2 国内研究现状

1926年丁颖教授的水稻需水量试验，在我国作物蒸散研究中是最早的。新中国成立后，我国对作物蒸散的研究发展越来越快，并把重心逐渐转移到蒸散估算方法的研究上。“七五”以来，蒸散研究开始应用计算机技术和遥感遥测技术，而且水分平衡法逐渐趋于完善。谢森传根据作物覆盖度和作物系数区分出蒸腾和蒸发，分析了蒸发与表土含水率之间的关系，并算出了棵间的土面蒸发[^9]。王纯枝等在华北平原以能量平衡法为基础，运用Brown-Rosenbreg公式估算蒸散并验证了农田蒸散。结果表明，此公式对于该地区的蒸散估算在一定程度上具有可行性^[10]。迄今为止，国内对蒸散模型的研究也取得许多成果。如1979年贺多芬等基于彭曼公式，估算了作物需水量，并把它与实际供水量相比较，以实现合理分配水资源的目的^[11]。1991年张志明等提出了作物蒸散和潜在蒸散的比值与平衡温度的关系，并计算了逐月区域蒸散^[12]。1998年刘绍民在干旱地区的棉花田上应用Priestley-Taylor公式，建立了一种精度较好的新的蒸散模型，此模型是与土壤湿度和LAI进行结合得到的^[13]。2009年，米娜等应用不同模型估算玉米蒸散值，并与实测值进行比较分析，结果表明Priestley-Taylor 公式拟合效果最好^[14]。2014年，秦鹏程等根据湖北省的逐日气象资料，对比分析了Thornthwaite模型、Priestley-Taylor模型和Hargreaves模型的模拟结果，研究表明适用性较好的是Priestley-Taylor模型 ^[15]。2014年，贾志军等根据气象资料，研究了Priestley-Taylor、Penman和Penman-Monteith三种模型对稻田蒸散的模拟精度，研究表明Priestley-Taylor和Penman-Monteith模型精度较高[^16]。

作物灌溉需水是灌溉决策和水资源规划的基础，灌溉会影响小气候，使当地温湿度甚至风速等气象要素发生变化。水稻作为我国耗水量最大的粮食作物之一，国内部分学者研究了灌溉与蒸散的关系。如2000年刘明春等基于Penman公式，利用春小麦的观测资料计算了每个生育期的需水量和水分亏缺量，以此作为春小麦灌溉的依据^[17]。2003年，王笑影等的试验表明，非充分灌溉处理未对水稻造成水分胁迫，湿润灌溉处理下水分利用率最高，淹灌最低^[18]。2007年陶嘉杰等通过田测法研究了薄露灌、间歇灌溉对南方浙江一带水稻需水规律及水分生产率的影响^[19]。2008年，崔晓军等通过水量平衡法计算了稻田蒸散，并对水分利用率、土壤蒸发特征和稻田蒸散特征进行了不同水分条件下的对比分析 ^[20]。2008年袁小环等基于蒸散量反馈式灌溉原理研究了不同灌溉处理下植物的蒸散变化，结果表明，不同灌溉水平蒸散差异显著^[21]。2011年李勇等通过计算稻田需水量，对中下游地区单双季稻的水分利用率进行了对比分析，结果表明，此地区更适合双季稻的种植^[22]；聂晓等对三江平原寒地稻田水分交换过程、蒸散和稻田热量平衡进行了系统的研究，并针对寒地稻田所存在的一些问题，开展了一种高效节水增产的水分调控模式^[23]。

总体来说，由于各方面原因，我国稻田蒸散估算、模式验证、影响因素等研究还不够成熟，有待进一步完善。

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