農(nóng)業(yè)稅土工程研究生課程——灌溉排水理論第三章

1、第三章 作物蒸發(fā)蒸騰作物蒸發(fā)蒸騰量包括植株蒸騰與棵間蒸發(fā)，是農(nóng)田水分消耗的主要途徑。作物蒸發(fā)蒸騰量是農(nóng)業(yè)用水的主要組成部分，也是整個國民經(jīng)濟中消耗水分的最主要部分。它是水資源開發(fā)利用時必不可少的資料，是確定作物灌溉制度以及地區(qū)灌溉用水的基礎(chǔ)，也是制定流域規(guī)劃，地區(qū)水利規(guī)劃，灌排工程規(guī)劃、設(shè)計、管理的基本依據(jù)。作物蒸發(fā)蒸騰量的研究與估算，一直是灌溉排水領(lǐng)域中最重要的研究課題之一。隨著全球水資源的日益緊缺，節(jié)水灌溉或者非充分灌溉，又給作物蒸發(fā)蒸騰量研究賦予了新的內(nèi)容和要求。研究農(nóng)田水分不足條件下作物蒸發(fā)蒸騰量及其變化規(guī)律，是做好節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)。此外，作物蒸發(fā)蒸騰研究在理論上也十分重要。作物蒸發(fā)蒸騰

2、量是SPAC系統(tǒng)中的一個最重要環(huán)節(jié)，是水分由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程，它聯(lián)系著水量平衡與熱量平衡。§31 作物蒸發(fā)蒸騰量的變化規(guī)律影響作物蒸發(fā)蒸騰量的因素很多，主要包括氣候條件，作物品種，生育階段，土壤條件，農(nóng)田水分狀況以及農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等。因此，在不同條件下，作物蒸發(fā)蒸騰量有其特殊的變化規(guī)律。311作物全生育期蒸發(fā)蒸騰量及其年際變化規(guī)律對于相同地區(qū)的同一種作物，在正常水分條件下，作物蒸發(fā)蒸騰量主要受氣象因素影響。由于年際間氣象條件不同，作物蒸發(fā)蒸騰量總量不同。典型地區(qū)夏玉米及雙季晚稻全生育期蒸發(fā)蒸騰量如表31、表32所示。表3-1 夏玉米全生育期蒸發(fā)蒸騰量及水面蒸發(fā)量與降水量（望都）年份全

3、生育期蒸發(fā)蒸騰量（mm）全生育期水面蒸發(fā)量（mm）全生育期降水量（mm）1991306.5352.4310.81992312.1405.7197.61993357.6479.9299.2從表中可以看出，全生育期蒸發(fā)蒸騰量年際間變化規(guī)律是天氣干旱，即水面蒸發(fā)量(或參考作物騰發(fā)量)大的年份作物蒸發(fā)蒸騰量大，反之則小，與我國各地的試驗成果一致。由于我國各地對作物總蒸發(fā)蒸騰量年際變化規(guī)律的試驗研究成果十分豐富，故在此不詳述。表3-2 晚稻全生育期蒸發(fā)蒸騰量及氣象條件（桂林）年份全生育期蒸發(fā)蒸騰量（mm）全生育期日平均參考作物騰發(fā)量ET0（mm/d）ET0頻率（%）相應(yīng)年型1990406.34.0171

4、.4中旱1991345.33.1542.9中濕1992425.54.3085.7干旱312 作物蒸發(fā)蒸騰量在全生育期內(nèi)的變化規(guī)律作物蒸發(fā)蒸騰量在全生育期內(nèi)的變化規(guī)律可通過作物日平均蒸發(fā)蒸騰量（需水強度）在全生育期內(nèi)的變化過程進行分析。冬小麥、夏玉米、中稻、早稻、晚稻日蒸發(fā)蒸騰量在全生育期內(nèi)的變化過程的典型實測成果如圖3-1圖3-5所示。這些典型觀測成果體現(xiàn)了以下規(guī)律：1在正常灌溉條件下，無論是旱作物和水稻，其蒸發(fā)蒸騰強度主要隨氣象條件而變，氣溫高、蒸發(fā)力強，則蒸發(fā)蒸騰強度大。例如，冬小麥生育期從9月到翌年6月，氣溫變化是高低高，蒸發(fā)蒸騰強度的變化過程亦是高低高，呈啞鈴形，蒸發(fā)蒸騰強度的低谷在越

5、冬期，即氣溫最低的1月、2月 (見圖3-1)。夏玉米生育期從6月到9月，中稻生育期從5月到9月，氣溫變化是低高低，該兩種作物蒸發(fā)蒸騰強度變化過程亦是低高低，蒸發(fā)蒸騰強度變化過程亦是低高低，蒸發(fā)蒸騰強度的高峰均在氣溫最高的7月下旬至8月上旬(見圖32、圖33)。早稻生育期從5月到7月一直上升，蒸發(fā)蒸騰強度變化趨勢是在黃熟前上升(見圖3-4)。晚稻生育期從8月到10月，氣溫變化是保持約一個月(8月)高溫后一直下降，蒸發(fā)蒸騰強度的變化過程是8月較平穩(wěn)，9月后一直下降(見圖35)。2在正常灌溉條件下，蒸發(fā)蒸騰強度還與作物因素有關(guān)，其中最明顯的是與葉面積指數(shù)有關(guān)，在同樣氣象條件下，葉面積指數(shù)高，則耗水強

6、度高，葉面積指數(shù)增長率高，則蒸發(fā)蒸騰量上升率亦高。 例如，對于冬小麥，3月下旬至4月上旬，此階段氣溫一直上升，又正處于分蘗期，葉面積指數(shù)增長最快，因而蒸發(fā)蒸騰強度增長亦最高(蒸發(fā)蒸騰強度過程線上升的斜率最大)；至 5月上中旬，正處于抽穗開花期，此階段葉面積指數(shù)達高峰階段，蒸發(fā)蒸騰強度亦處于高峰期；5月下旬后進入乳熟期，并由抽穗期進入黃熟期，雖然氣溫仍然上升，但由于葉面積指數(shù)不斷下降，葉片蒸騰活力逐漸下降以至枯黃，根系吸水活力逐漸下降，加之土壤含水率下降，故蒸發(fā)蒸騰強度一直下降(見圖3-1)。晚稻從8月上旬至9月中旬，氣溫保持約一個月的高溫時期（8月）后一直下降，但由于晚稻系返青、分蘗到拔節(jié)孕穗

7、期，葉面積指數(shù)一直上升，至 9月中旬(拔節(jié)孕穗期)達到高峰，故蒸發(fā)蒸騰強度呈緩慢上升的趨勢，至9月中旬亦達到高峰，以后，隨著氣溫的下降，加之葉面積指數(shù)停止增長至下降以及葉蒸騰活力、根系吸水活力的下降，土壤含水率下降，蒸發(fā)蒸騰強度迅速下降(見圖3-5)。3在正常灌溉條件下，當(dāng)旱作物田間土壤含水率低于田間持水率的6070(視土質(zhì)而異)或稻田土壤含水率低于飽和含水率的70%80時，土壤水分條件是制約蒸發(fā)蒸騰強度的重要因素。土壤含水率低，土壤水勢低，作物蒸發(fā)蒸騰強度降低。例如，在正常灌溉條件下，無論是旱作物或是水稻，在乳熟期至黃熟期，蒸發(fā)蒸騰強度迅速降低(見圖3-1一圖3-5)，其原因是除了植株衰老、

8、生理活力迅速下降外，主要是黃熟階段土壤含水率降至最低(飽和含水率的60以下)，早、中、晚稻在曬田期，由于地表020cm土層平均土壤含水率下降到飽和含水率的6070以下，此時蒸發(fā)蒸騰強度呈一個短期、較淺的低谷(見圖3-3圖3-5)。3.1.3 作物蒸發(fā)蒸騰量的晝夜變化規(guī)律氣象因素如氣溫、空氣濕度、蒸發(fā)力等與植物生理活動如氣孔開度、光合強度、呼吸強度、葉水勢等在一晝夜內(nèi)呈規(guī)律性變化，故研究作物蒸發(fā)蒸騰強度的晝夜變化過程有助于探究蒸騰強度以及相應(yīng)的氣孔開度日內(nèi)變化過程；中稻、早稻、晚稻蒸發(fā)蒸騰強度以及相應(yīng)的葉面溫度晝夜變化過程如圖3-6圖3-8所示。圖3-6圖3-8反映如下規(guī)律：1在正常(豐水)灌溉

9、條件下，作物蒸發(fā)蒸騰強度、蒸騰強度在一晝夜內(nèi)基本上隨氣象因素呈同步變化。晴天，蒸發(fā)蒸騰強度夜間低，凌晨(46時)最低，隨后上升，至中午最高，下午至晚上不斷下降。不同的天氣類型(晴、少云、多云、陰、雨)，其氣象因素在晝夜間的變化過程不同，作物蒸發(fā)蒸騰強度與蒸騰強度的晝夜變化過程亦不同，且均與當(dāng)天氣象因素變化過程相吻合。2豐水條件下，蒸騰強度，蒸發(fā)蒸騰強度與葉溫的變化過程吻合，但豐水條件下葉溫隨氣溫而變，故在各項氣象因素中，氣溫的晝夜變化過程對作物蒸發(fā)蒸騰強度晝夜變化過程的影響最為顯著。3蒸發(fā)蒸騰強度與葉氣孔開度關(guān)系密切，隨開度的張大、縮小而增、減。晴天豐水條件下，一般從凌晨46時起，葉氣孔張開，

10、以后逐漸增大，至9時左右為最大，912時為持續(xù)高峰階段，以后不斷下降，至天黑時關(guān)閉。氣溫最高、蒸發(fā)力最強的1315時，氣孔部分關(guān)閉，開度一般為912時的70%左右，因而晝夜間蒸發(fā)蒸騰強度的高峰不在蒸發(fā)力最強的 1315時，而在1113時，系氣溫、蒸發(fā)力高峰期前2h左右，這一特征是氣象條件與氣孔活動綜合影響的結(jié)果。3.1.4 水分脅迫條件下作物蒸發(fā)蒸騰量的變化規(guī)律實行節(jié)水灌溉或者非充分灌溉，農(nóng)田土壤將在一定階段內(nèi)受到不同程度的干旱，從而引起作物蒸發(fā)蒸騰量變化。由于作物受到水分脅迫，SPAC系統(tǒng)內(nèi)水力梯度發(fā)生變化，土壤水分因素成為作物蒸發(fā)蒸騰量的制約因素，因此，水分脅迫條件下的作物蒸發(fā)蒸騰量變化規(guī)

11、律與充分灌溉條件下的相應(yīng)規(guī)律不同。在正常灌溉條件下，作物蒸發(fā)蒸騰量主要受氣象因素的影響，同時又受作物本身的適當(dāng)調(diào)節(jié)。在非充分灌溉條件下，由于作物生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素水分狀況的改變，導(dǎo)致所有的其他環(huán)境因素及其生態(tài)作用發(fā)生變化。第一，棵間蒸發(fā)量減?。坏诙滴p弱；第三，根部周圍土壤進入根系的水力梯度改變，土壤水分進入根系的阻力增大，也使根系吸水更困難。此時，由于農(nóng)田空氣濕度減小，根據(jù)水汽擴散理論，大氣的潛在蒸發(fā)蒸騰能力反而更強，植株體內(nèi)很快形成水分脅迫現(xiàn)象。這種由非充分灌溉而引起的生態(tài)系統(tǒng)的改變，必然引起“土壤-植物-大氣”水分傳輸系統(tǒng)內(nèi)的水力梯度調(diào)整及作物其他生理功能變化，如葉氣孔開度

12、減小和關(guān)閉，葉面積生長受阻。因此，作物蒸發(fā)蒸騰量會減小。作物不同時期受旱(水分脅迫)時的蒸發(fā)蒸騰量如圖3-1圖3-5和表3-3所示；不同水稻品種受旱時水稻蒸發(fā)蒸騰量晝夜變化過程如圖3-6圖3-8所示。從上述圖和表中可見，在水分脅迫條件下，作物蒸發(fā)蒸騰量的變化規(guī)律具有以下特征：1.受旱越重，日蒸發(fā)蒸騰量越小。在未進入受旱階段時，各處均保持在飽和含水率以上，其日蒸發(fā)蒸騰量基本相同。在同一生育階段受旱時，受輕旱的蒸發(fā)蒸騰比正常灌溉低，而受重早又比受輕旱的低得多。2受旱持續(xù)時間越長，日蒸發(fā)蒸騰量越小，盡管兩個生育階段或三個生育階段連續(xù)受旱的土壤水分始終比重旱條件充足，但由于作物不適應(yīng)長時期處于水分脅迫

13、狀態(tài)，葉氣孔的保衛(wèi)細胞會受到嚴(yán)重破壞。以致葉氣孔在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持較小的開度。因此，連續(xù)受旱時將出現(xiàn)最低的蒸發(fā)蒸騰量。這種影響甚至在恢復(fù)灌水后，仍然要持續(xù)一定時間，其蒸發(fā)蒸騰量才會迅速上升。表3-3 不同階段受旱中稻蒸發(fā)蒸騰量及產(chǎn)量（唐海，1993年）編號受旱特征各生育階段蒸發(fā)蒸騰量（mm）全生育期蒸發(fā)蒸騰量（mm）產(chǎn)量（kg/hm2）（0）返青（1）分蘗（2）拔節(jié)孕穗（3）抽穗開花（4）乳熟（5）黃熟1正常灌溉（對照）64.6120.5137.6141.7143.235.6643.1116522分蘗輕旱52.798.1135.3138.1131.031.2586.3108303分蘗中旱64

14、.495.9121.0124.2118.135.6559.29913.54分蘗重旱61.791.5113.5125.9117.435.1545.28851.55拔節(jié)孕穗輕旱61.8123.4113.6149.7143.934.5627.010747.56拔節(jié)孕穗中旱61.8115.8104.4145.7142.535.4605.6100927拔節(jié)孕穗重旱63.1113.599.2129.7117.941.0564.490458抽穗開花輕旱62.8119.9138.4124.2154.340.5640.110321.59抽穗開花中旱63.7119.6131.5113.4144.136.2608.

15、61014910抽穗開花重旱62.1113.4128.0106.1131.344.2585.08653.511乳熟輕旱64.3118.4133.8145.1123.041.2625.811008.512乳熟中旱63.1121.3137.3143.5117035.8618.011452.513乳熟重旱62.5122.4122.2135.1106.139.7587.910981.514（1）（2）階段連旱（中旱）64.291.792.3127.6118.137.1531.19457.515（2）（3）階段連旱62.5（中旱）63.7116.5108.5107.7127.327.3550.98704

16、.516（3）（4）階段連旱（中旱）61.2118.2132.6113.2110.733.2569.09406.517（1）（2）（3）連旱（輕旱）62.594.492.399.2116.033.8496.28515.518（2）（3）（4）連旱（輕旱）63.4120.5110.2115.1110.137.1556.5100623稻田O50cm土層平均土壤含水率不低于飽和含水率的80，O20cm土層平均土壤含水率不低于飽和含水率的70%。當(dāng)旱作物主要根層土壤含水率不低于田間持水率的60時，土壤含水率的高低對蒸發(fā)蒸騰強度、蒸發(fā)蒸騰量基本無影響。當(dāng)土壤含水率低于此值時，蒸發(fā)蒸騰強度下降，受旱愈重(

17、土壤含水率愈低)，蒸發(fā)蒸騰量下降幅度愈大。單一階段受輕旱、中旱和重旱時，蒸發(fā)蒸騰量分別可減少1121，1628和1933；兩個階段連續(xù)受中旱時，蒸發(fā)蒸騰量可減少2033；三個階段連續(xù)受輕旱時，蒸發(fā)蒸騰量可減少2944。如果受旱程度相同，則大氣蒸發(fā)力愈強，因受旱引起的蒸發(fā)蒸騰量下降值愈大。4作物早期、中期單獨階段受旱的當(dāng)時蒸發(fā)蒸騰強度降低，以后若恢復(fù)正常水分條件，則蒸發(fā)蒸騰強度恢復(fù)，且可超過未受旱條件下的蒸發(fā)蒸騰強度，出現(xiàn)蒸發(fā)蒸騰強度“反彈”現(xiàn)象。產(chǎn)生這種“反彈”現(xiàn)象的原因在于：受旱階段土壤含水率低，作物生長對惡劣環(huán)境產(chǎn)生的“抗性”、根系生長的“趨水性”，促進受旱時根系向深處、廣處伸延，特別是促

18、進了吸收根的生長；復(fù)水后，土壤水分條件適宜，又具有比未受旱條件下更健壯、深廣的根系，吸水、蒸發(fā)蒸騰強度則更高。水稻在受旱時，“浮根”消失，復(fù)水后，這種吸水力最強的“浮根”加速生長，這亦使復(fù)水后根系的吸水能力迅速增長。此外，在受旱階段，好氣微生物活動旺盛，田間速效養(yǎng)分增加，根系有氧呼吸作用旺盛，消耗較多同化物質(zhì)，但積累了更多的由呼吸作用所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，使復(fù)水后有機物質(zhì)的合成具有較充分的原料，更有利于作物生長發(fā)育，加大蒸發(fā)蒸騰強度。5后期(乳熟期)受旱，受旱階段蒸發(fā)蒸騰強度下降，恢復(fù)正常水分條件，但蒸發(fā)蒸騰強度不能恢復(fù)到不受旱條件下的水平，即不存在“反彈”現(xiàn)象。原因是乳熟階段作物根系及其他部分生

19、育接近成熟，借改變組織生育性狀來適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力很弱，受旱時蒸發(fā)蒸騰強度降低，復(fù)水后根系不具備加大吸水、耗水的條件，而且此階段距收割日期近，復(fù)水后亦無足夠的時間使蒸發(fā)蒸騰強度“追趕”上不受旱條件下的水平。6中、后期幾個階段受到連旱，受旱時蒸發(fā)蒸騰強度下降，復(fù)水后不能恢復(fù)到原有水平，即不存在“反彈”現(xiàn)象，早期兩個階段受連旱，復(fù)水后存在輕微的“反彈”現(xiàn)象。連旱條件下不能產(chǎn)生“反彈”的原因是，受旱時間過長，作物組織特別是根系生長發(fā)育受阻，生理活動受抑制，根系吸水能力降低，葉面積減少，從而在土壤水分充足后亦達不到原有的蒸發(fā)蒸騰能力。必須指出，無論是單獨受旱或是連早，是否產(chǎn)生“反彈”現(xiàn)象還與受旱的程度

20、有關(guān)。過重的干旱會損壞作物根系、抑制生育，無論產(chǎn)生于何時，均不產(chǎn)生“反彈”現(xiàn)象。7葉面溫度已不能作為蒸發(fā)蒸騰量的判別指標(biāo)。由于植株賴以調(diào)節(jié)體溫的蒸騰能力受到限制及受早稻田熱容量減小，白天葉面溫度上升快，峰值更高；夜間下降更快，葉溫更低，蒸發(fā)蒸騰量與葉溫不同步。8在受旱條件下，葉氣孔開度既能反映作物生理機能狀況，又能反映田間水分不足引起的水分脅迫程度，且與光照、溫度和空氣濕度關(guān)系密切。因此，葉氣孔開度的變化趨勢與蒸發(fā)蒸騰強度更一致。9在葉氣孔關(guān)閉后，正常灌溉處理蒸發(fā)蒸騰強度仍比受旱處理高，表明受旱間田棵間蒸發(fā)強度亦低。§3.2 作物蒸發(fā)蒸騰量的主要影響因素理論研究和試驗均已證明，在正常

21、灌溉條件下，作物蒸發(fā)蒸騰量的主要影響因素是氣象條件(大氣蒸發(fā)力)、作物葉面積指數(shù)和生育階段。從圖31至圖38和表31、表32中亦可看出，正常灌溉條件下的作物蒸發(fā)蒸騰量變化過程與上述因素的變化一致。表34是正常條件下水稻蒸發(fā)蒸騰強度與同期水面蒸發(fā)蒸騰強度(E0)、氣溫(T)、飽和差(d)、相對濕度 ()、水溫()、葉氣孔開度()的相關(guān)系數(shù)。從表34可以看出，正常灌溉條件下水稻蒸發(fā)蒸騰強度與氣溫、飽和差，空氣濕度關(guān)系十分密切，并與水面蒸發(fā)強度顯著相關(guān)，而表征水稻生理調(diào)節(jié)作用的葉氣孔開度與其相關(guān)系數(shù)不高。因此，在此條件下，水稻蒸發(fā)蒸騰量的主要影響因素是氣象條件，它只受水稻本身的適當(dāng)調(diào)節(jié)。表3-4 各

22、因素與淹灌條件下水稻蒸發(fā)蒸騰強度要關(guān)系數(shù)生育階段天氣返 青晴0.710.760.88-0.840.810.58陰0.640.900397-0.960.320.41分蘗初晴0.710.850.81-0.740.850.68曇0.590.880.87-.830.900.62陰0.890.930.85-0.820.830.39分蘗末晴0.930.950.98-0.940.950.60曇0.810.920.98-0.960.900.57拔 節(jié)晴0.540.870.95-0.940.800.59陰0.420.920.94-0.930.880.65抽 穗晴0.460.950.95-0.880.800.47

23、乳 熟晴0.500.850.86-0.830.780.73曇0.840.830.94-0.920.680.88表3-5是淹灌條件下湖北某試驗站實測的某年內(nèi)水稻各生育階段蒸發(fā)蒸騰強度、空氣飽和差及日平均風(fēng)速按大小順序排列的情況。從表35中可以看出，水稻蒸發(fā)蒸騰強度最大的一天，飽和差與風(fēng)速都最大；水稻蒸發(fā)蒸騰強度排在第二位的一天，飽和差排在第二位。風(fēng)速排在第四位；水稻蒸發(fā)蒸騰強度排在第三位的一天，空氣飽和差和日平均風(fēng)速均排列第三。所以，盡管風(fēng)速不大，水稻蒸發(fā)蒸騰強度仍排在第二位。7月5日，由于空氣飽和差和日平均風(fēng)速影響都較大，而5月16日和5月27日要么空氣飽和差太小，要么日平均風(fēng)速不大，因此，7

24、月5日的水稻蒸發(fā)蒸騰強度排在第四位。5月16日的飽和差較小，但風(fēng)速很大，而5月27日的風(fēng)速很小，飽和差也不大，因此，最后的順序排列如表3-5所示。表3-5 典型因素順序排列表日/月生育期因素及排序ETdV16/5返青56227/5分蘗初6463/6分蘗末11117/6拔節(jié)孕穗22421/6抽穗開花3335/7乳熟455 根據(jù)水汽擴散理論和道爾頓（Dolton）實驗可知 （3-1）式中：水稻蒸發(fā)蒸騰強度；即水稻蒸發(fā)蒸騰強度與空氣濕度和風(fēng)速的乘積成正比，這正與本結(jié)果相吻合。從非充分灌溉條件下水稻的蒸發(fā)蒸騰規(guī)律及相應(yīng)的生理生態(tài)指標(biāo)的變化規(guī)律可以看出，與正常灌溉處理相比，其蒸發(fā)蒸騰量的影響因素更多，各

25、因素之間交互影響更加復(fù)雜。在不同灌溉處理時，相同的氣象條件，最終對蒸發(fā)蒸騰產(chǎn)生作用的稻田小氣候不同；相同的生育階段，植物的生理機能不同，土壤植物大氣水分傳輸系統(tǒng)內(nèi)的能力關(guān)系不同。盡管非充分灌溉的水稻蒸發(fā)蒸騰量仍受氣象因素、葉面積指數(shù)的影響，但它們又均受田間水分狀況的影響。典型處理水稻蒸發(fā)蒸騰強度與同期水面蒸發(fā)強度、葉氣孔阻力和葉氣孔開度相關(guān)系數(shù)如表3-6所示。從表3-6可以看出，水稻蒸發(fā)蒸騰強度與水面蒸發(fā)強度的相關(guān)系數(shù)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)負值。水稻蒸發(fā)蒸騰強度與葉氣孔擴散阻力的關(guān)系隨著水分脅迫的加重而越來越密切，其相關(guān)系數(shù)的絕對值均較大。水稻蒸發(fā)蒸騰強度與葉氣孔開度的關(guān)系最密切。這表明隨著稻田水分

26、的減少，氣象因素對水稻蒸發(fā)蒸騰量的影響逐漸減弱，植株體的生理活動已不是只起適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)作用了，而與蒸發(fā)蒸騰密切相關(guān)。水稻蒸發(fā)蒸騰強度與水面蒸發(fā)強度相關(guān)性不好，并不是因為氣象因素對蒸發(fā)蒸騰無影響，而更重要的原因是二者不同步。此外，受旱時的葉細胞分化受阻及復(fù)水后的葉面積迅速生長是形成非充分灌溉條件下水稻蒸發(fā)蒸騰特征的主要原因之一。無論是水稻單位葉面積的蒸騰能力，還是稻田群體的蒸騰能力，都受田間水分狀況的影響。因此，在非充分灌溉條件下，氣象因素、葉面積指數(shù)、葉氣孔開度、土壤含水率及產(chǎn)生水分脅迫的時期對水稻蒸發(fā)蒸騰量的影響同樣重要。表3-6 不同因素與水稻蒸發(fā)蒸騰強度相關(guān)系數(shù)輕 旱重 旱稻別日期稻別日期

27、晚稻1992-08-18-0.3-0.780.87晚稻1992-08-27-0.31-0.840.94早稻1992-07-010.68-0.680.90早稻1992-06-260.44-0.690.81中稻1991-08-090.29-0.870.84中稻1991-08-210.55-0.710.70晚稻1991-09-10-0.35-0.510.79晚稻1991-09-03-0.01-0.810.83注：早、晚稻為桂林站，中稻為唐海站；、和分別為水稻蒸發(fā)蒸騰強度與同期水面蒸發(fā)強度、氣孔擴散阻力和氣孔開度相關(guān)系數(shù)。§3.3 作物蒸發(fā)蒸騰量的計算基本模型作物蒸發(fā)蒸騰量的計算，是作物需水

28、量研究中最重要的內(nèi)容之一。雖然實測方法是獲取作物蒸發(fā)蒸騰量資料最可靠的途徑，但實測資料的地區(qū)分布和時間系列均十分有限。計算作物蒸發(fā)蒸騰量不僅有助于作物蒸發(fā)蒸騰量資料在空間上的插補和時間系列上的延長，而且研究作物蒸發(fā)蒸騰量計算方法，還有助于加深對作物蒸發(fā)蒸騰的認識。目前，計算作物蒸發(fā)蒸騰量的公式大致可分為三類，即經(jīng)驗公式，以水汽擴散理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗公式和以熱量平衡理論及水汽擴散理論相結(jié)合的半經(jīng)驗公式。331 經(jīng)驗公式法 經(jīng)驗公式法是用實測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析，直接得出計算作物蒸發(fā)蒸騰量公式的方法。絕大多數(shù)經(jīng)驗公式考慮的因素主要有氣溫、水面蒸發(fā)量、相對濕度、產(chǎn)量等。 3.3.1.1 作物全生育期蒸

29、發(fā)蒸騰量的計算 1用水面蒸發(fā)量推算 計算公式為 （3-2）式中：這種方法有一定的理論根據(jù)，因為無論是棵間水面蒸發(fā)，還是植株蒸騰，都是水分子的形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，即由液體到汽體，它們都受氣象因素支配。水面蒸發(fā)量資料很多，根據(jù)各年實測的作物蒸發(fā)蒸騰量及同期水面蒸發(fā)量，即可用相關(guān)分析得出計算公式。在運用水面蒸發(fā)量法時，應(yīng)注意蒸發(fā)皿安設(shè)位置要有代表性，蒸發(fā)皿安設(shè)方法應(yīng)正確，觀測手段先進，并采用大型蒸發(fā)皿(80cm口徑或E-601型)。2用氣溫推算計算公式 （3-3）式中：作物全生育期蒸發(fā)蒸騰量，mm；物作全生育期日平均氣溫累積，以溫度為指標(biāo)的系數(shù)常數(shù)。 太陽輻射是騰發(fā)能量的來源，故它對蒸發(fā)蒸騰量起著支配的作

30、用，地表由于吸收太陽的輻射(短波輻射)而不斷積累熱能，逐漸增溫，同時又以輻射(長波輻射)的形式向大氣輻射熱能，根據(jù)輻射定律，物體的輻射強度與其溫度的四次方成正比，故太陽輻射強度愈大，地表吸收和積累的熱能愈多，地表的溫度也愈高，則由地表向大氣的長波輻射強度愈大。雖然大氣幾乎不吸收太陽的短波輻射，但能強烈地吸收地表的長波輻射，若太陽輻射愈強，則地表的長波輻射間接地隨之愈強，大氣吸收的熱能就愈多，即氣溫愈高。表征分子混亂隨機運動的機械能就愈強，蒸發(fā)蒸騰量就大，反之則小。溫度法最早由伯雷格(Briggs)和桑植(Shantz)于1916年提出，1942年以后，經(jīng)過布萊尼(Blaney)和約翰遜(Joh

31、nson)等人的發(fā)展，溫度法應(yīng)用十分廣泛。國內(nèi)外都有資料證明此法精度較高，相對誤差多在 20以內(nèi)。此外，溫度資料多，測定、預(yù)報都較容易。 3用產(chǎn)量推算計算公式為 （3-4）式中：作物全生育期蒸發(fā)蒸騰量，mm；以產(chǎn)量為指標(biāo)的系數(shù)；作物產(chǎn)量；經(jīng)驗常數(shù)；經(jīng)驗指數(shù)（n<1）。 對于旱田，由于產(chǎn)量及蒸發(fā)蒸騰量均與土壤含水量關(guān)系密切，故在一定條件下，產(chǎn)量與蒸發(fā)蒸騰量關(guān)系密切。但水稻田中蒸發(fā)蒸騰一般不受土壤含水率的限制，影響產(chǎn)量與騰發(fā)量的因素不一致，蒸發(fā)蒸騰量與產(chǎn)量無密切關(guān)系，各地的資料表明，對于水稻，屢值變化很大 (大至34倍以上)，相關(guān)系數(shù)正負不定，誤差很大，故此法不能采用。4用產(chǎn)量水面蒸發(fā)或溫度

32、推算 計算公式為 （3-5）或 （3-5）式中各符號的理意義同前。此法由于加進了產(chǎn)量因素，精度與用水面蒸發(fā)量和用氣溫推算時相仿，為避繁從簡，常常不采用此法。3.3.1.2 作物階段蒸發(fā)蒸騰量的計算 1需水模數(shù)法 計算公式為 （3-6）式中：ETi作物第i個階段內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰量，mm；ET作物全生育蒸發(fā)蒸騰量，mm；Ki第i個階段內(nèi)蒸發(fā)蒸騰量占總蒸發(fā)蒸騰量的百分比，稱為階段需水模數(shù)。過去認為，作物各階段的蒸發(fā)蒸騰量占總蒸發(fā)蒸騰量的比例較穩(wěn)定，求出總蒸發(fā)蒸騰量后，就可以按模比系數(shù)求各階段蒸發(fā)蒸騰量。但是，每年的氣候條件不同，各階段的天數(shù)變化很大，同一階段的需水模數(shù)在不同年份里變化較大，如果品種不一樣

33、，農(nóng)業(yè)技術(shù)措施不同，值變化更大，可達12倍。各地資料表明，此法計算階段蒸發(fā)蒸騰量時，絕大多數(shù)誤差大于±50，因此，此法不宜采用。 2用溫度推算計算公式為計算公式為 （3-7）式中：ETi作物第i階段的蒸發(fā)蒸騰量，mm；Ti第i階段的積溫，；ai常數(shù)；bi以溫度為指標(biāo)的系數(shù)。此法既可求階段蒸發(fā)蒸騰量、預(yù)報蒸發(fā)蒸騰量，也可求全生育期蒸發(fā)蒸騰量，精度較高，應(yīng)用方便。3用水面蒸發(fā)量推算計算公式為 （3-8）式中：ETi作物第i階段的蒸發(fā)蒸騰量，mm；E0i第i階段水面蒸發(fā)量，mm；ai以 蒸發(fā)量為指標(biāo)的系數(shù)；Ci常數(shù)。4用氣溫和水面蒸發(fā)量推算其中，主要有竺士林提出的方法，此法的計算公式為式中

34、： （3-9）式中：ETi、E0i作物第i階段的蒸發(fā)、蒸騰量，mm；作物第i階段的日平均溫度，；階段需水系數(shù)。此法是我國計算作物階段蒸發(fā)蒸騰量最早的公式之一，雖然精度波動較大，但由于不需要進行繁瑣的統(tǒng)計分析，曾得到廣泛應(yīng)用。3.3.2 以水汽擴散理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗公式法 3.3.2.1 空氣濕度法 根據(jù)水汽擴散理論，無論水面蒸發(fā)、葉面蒸騰以及棵間蒸發(fā)，都是由于水分子接受輻射后的動能大于水分子之間的內(nèi)聚力或葉細胞對水分子的束縛力，致使水分子逃離液面或葉面，由液態(tài)變汽態(tài)的轉(zhuǎn)化過程擴散?？諝庵谐颂貏e潮濕的天氣外，通?？諝鉂穸刃∮陲柡蜐穸?，而正常生長的作物葉面總是接近飽和的，那么，在這個水汽壓差的作

35、用下，就會不斷地進行擴散，即蒸騰。根據(jù)擴散定律，水汽擴散的速度與兩個點的水汽壓差成正比，與兩個點的距離成反比。用公式表示，則有式中 （3-10）式中：E擴散量；k擴散系數(shù)；e大氣的水汽壓；l距離；水汽壓梯度。 由于隨距離增加，水汽壓降低，故式(3-10)加負號。在大面積的農(nóng)田，無風(fēng)條件下，水平方向的擴散可忽略不計，而只考慮垂直方向的擴散，即只考慮兩個層面的擴散，這兩個層面通常取為大氣氣象要素觀測層和作物葉頂層，如圖3-9所示。根據(jù)國內(nèi)外實測，在地面以上 30m以內(nèi)， 與高度z近似呈線性關(guān)系， （3-11）則 （3-12）亦有 （3-12）經(jīng)積分變換，得 （3-13）由于均為常數(shù)，故上式可寫為

36、（3-14）因為葉頂層水汽壓e1近似地等于飽和水汽壓ea，且葉頂層與百頁箱溫度相差不大，則有 （3-15） （3-15）式中：ETi階段蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；k系數(shù)；ea飽和水汽壓，hPa；ed實際空氣水汽壓，hPa；d飽和差，hPa。許多站要據(jù)實測資料，將式（3-15）略加改進得 （3-16）式中：c常數(shù)；其他符號物理意義同前。式(3-15)、式(3-16)為擴散法計算蒸發(fā)蒸騰量的基本公式。從公式的推導(dǎo)可以看出，將植株冠頂層水汽壓e1作了近似處理，即用大氣飽和水汽壓ea代替。盡管馬格奴斯(Mar- gules)曲線可表明這種誤差不大，但畢竟又是一種人為誤差。1963年，坦納(Tanner)最

37、早使用紅外測溫儀直接測定植株冠頂層溫度(即葉溫)，此后，巴索利克(Bartholic)等所使用的掃描光譜光度計以及大面積航空遙感表面溫度的成功應(yīng)用，紅外熱成像技術(shù)的突破等，已經(jīng)使得人們更加接近準(zhǔn)確地測知葉溫的真實值。因此，經(jīng)歷了近兩個世紀(jì)的水汽擴散法可以更加準(zhǔn)確地應(yīng)用于作物蒸發(fā)蒸騰量的研究。3322 溫度風(fēng)速法式（3-15）是在不考慮風(fēng)的影響時推導(dǎo)出來的，若有風(fēng)，擴散作用往往會加強許多，一般地說，在作物葉片附近靜止空氣的厚度越薄，擴散作用就越強，而這個厚度是隨風(fēng)速而異的。根據(jù)赫倫特（Van den Honert）1948年的研究，無風(fēng)時，這個厚度約為10mm，微風(fēng)時約為2.8mm，強風(fēng)時只有0

38、.4mm。根據(jù)道爾頓（Dolton）的實驗，式（3-15）可表示為 (3-17)式中：A、B常數(shù)；v風(fēng)速，m/s；其他符號物理意義同前。ed相對于ea來說其變化的絕對值很小，可表示為一個常數(shù)，而ea是溫度的函數(shù)，用馬格奴斯（Margules）公式表示，即 （3-18）式中：ea飽和水汽壓，hPa；t日平均溫度，。在一定的氣溫變化范圍內(nèi)，馬格奴斯公式所表示的曲線可用一條直線代替，即 （3-19）式中：C、D系數(shù)和常數(shù)。如前所述，ed可作為一常數(shù)，則有 （3-20）亦有 （3-20）假定變化不大，即則有 （3-21）式中各符號物理意義同前。式（3-21）由茆智教授于20世紀(jì)60年代初首先提出，這個

39、公式有一定的理論基礎(chǔ)，考慮問題較全面，盡管作了一些假定，但精度影響不大，相反，在應(yīng)用上極為簡單，不僅可作為作物階段蒸發(fā)蒸騰量計算公式，也可作為作物全生育期蒸發(fā)蒸騰量計算公式，進行蒸發(fā)蒸騰量預(yù)報也是較理想的方法。3323 溫度日照法根據(jù)茆智等學(xué)者的研究，空氣實際水汽壓與日照時數(shù)在同一地區(qū)的一個作物生育階段內(nèi)呈近似線性關(guān)系，即 （3-22）式中：h日照時數(shù)，h/d；j、p常系數(shù)。由式（3-140、式（3-19）和式（3-22）得 （3-23）式中：a、b、c常數(shù)；其他符號物理意義同前。日照時數(shù)既能部分地反映輻射能、溫度、濕度、飽和差，又是影響作物本身的葉氣孔開度的重要因素之一，也能部分地影響作物的

40、光合作用，從而影響作物的正常生長，是一個比較全面的因素。此外，日照時數(shù)觀測簡便，精度易保證，待6Dj在受日照時數(shù)影響較大的山丘區(qū)，式(323)精度很高。3.3.3 通過參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算 這類方法也稱間接法，其公式一般為 這類方法也稱間接法，其公式一般為 （3-24）式中：ET0參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Kc作物系數(shù)；Ks土壤水分修正系數(shù)。 目前，聯(lián)合中糧農(nóng)組織（FAO）建議作物蒸發(fā)蒸騰量的計算統(tǒng)一采用式（3-24）入對于 Fro的計算，世界上公認理論上最嚴(yán)密，實用上最方便，計算精度最高的公式是彭曼 (Penman)公式。對于Ks，在土壤水分不是作物蒸發(fā)蒸騰的限制因素時，可近似取為1.

41、0。 聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)在推薦采用彭曼公式時，對原式進行了多次改進，最新推薦的公式及應(yīng)用方法將在下節(jié)詳述。同時，也提出了幾十種作物的作物系數(shù)，我國不同地區(qū)主要灌溉作物的作物系數(shù)如表3-7所示。 表3-7 我國不同地區(qū)幾種主要作物的作物系數(shù)Kc值作物種類省份站名或地區(qū)歷年平均各月作物系數(shù)全生育期平均10月11月12月1月2月3月4月5月6月7月89月春小麥遼寧中部平原（昌圖）0.7840.7590.8901.1560.709西部干旱（朝陽）0.6010.8871.4411.5070.821內(nèi)蒙古豐田（通遼）0.3930.8931.6600.8400.920涼城0.3290.7611.155

42、1.5271.071曙光（臨河）0.5210.8311.1471.3730.907冬小麥陜西陜北1.5721.5141.3041.2140.6460.7680.9711.2071.2631.1901.225關(guān)中東部1.1861.7371.6781.6721.1221.2071.2131.0491.196關(guān)中西部1.2131.7251.7291.3251.0161.1061.3350.9380.5651.155陜西0.6850.7981.3131.1770.9621.0921.1381.0050.8490.989安徽蚌埠1.1771.1511.2451.1311.1401.0661.1640.8

43、651.056宿縣1.2351.4241.2581.2491.1261.0611.2020.8791.081合肥0.7631.1481.3461.1281.0501.4641.2490.8291.067江蘇徐州1.1401.1401.1900.8200.9100.8601.7701.4300.4101.270淮陰0.5100.8800.8900.8200.6900.8101.3101.8901.2801.220南通0.6501.1001.3801.2001.1901.6301.0201.200續(xù)表 作物種類省份站名或地區(qū)歷年平均各月作物系數(shù)全生育期平均10月11月12月1月2月3月4月5月6月

44、7月8月9月冬小麥河北臨西1.080.8110.7700.7700.7700.7920.8440.8260.6300.860藁城0.560.3800.2000.2000.2000.5891.3101.1371.0800.880望都0.580.5800.5800.5800.5800.7551.1861.1790.650.880河南南陽0.1380.6300.7060.4810.3831.4421.0690.8631.070信陽0.6300.7870.5920.3791.2601.2800.4250.8171.100鄭州0.5970.8960.9730.3071.0380.9581.4301.32

45、60.6530.930林縣0.6440.6610.6760.5830.5791.2951.0541.8311.3041.000山東全省平均1.0501.0500.3200.3200.3200.7601.1501.2201.010玉米遼寧中部平原（昌圖）0.5970.4180.6801.0291.0780.8610.822西部干旱（朝陽）0.4740.3650.5301.3440.9691.2950.990遼南丘陵（大連）0.3360.2710.5301.1931.0330.7680.781遼東山區(qū)（丹東）0.3310.5750.8311.6551.1271.0130.848內(nèi)蒙古豐田（通遼）0.2030.5831.5731.6100.6600.890陜西陜北0.7540.7941.6441.6841.2501.027陜南0.5500.7900.7841.1800.9541.0940.897關(guān)中東部0.5130.9741.1981.6480.975關(guān)中西部0.8101.1541.4471.3841.130早稻廣東北部1.3891.