Venlo型温室内参考作物蒸散量计算方法比较研究_赵宝山.pdf

2018 年7 月 灌溉排水学报 第37 卷 第7 期 Jul. 2018 JournalofIrrigationandDrainage No.7 Vol.37 文章编号 ： 1672-3317 （2018 ） 07-0061-06 Venlo 型温室内参考作物蒸散量计算方法比较研究 赵宝山 a ， 闫浩芳 a* ， 张 川 b ， SamuelJoeAcquah a ， 毋海梅 a ， 张亨年 b （ 江苏大学 a. 流体机械工程技术研究中心 ；b. 农业工程研究院 ， 江苏 镇江212013 ） 摘 要 ： 【 目 的 】 明 确 温 室 内 参 考 作 物 蒸 散 量(ET0) 计 算 方 法 。 【 方 法 】 通 过 实 测Venlo 型 温 室 内 气 象 数 据 , 并 对FAO-56 Penman-Monteith(FAO-56P-M) 中 隐 含 的 空 气 动 力 阻 力r * a 进 行 修 正 ， 以 修 正 后 的Penman-Monteith 法 作 为 计 算 温 室 内ET0 的 标 准 方 法 ， 对 其 他4 种 常 用 的ET0 计 算 方 法 ： FAO-56 P-M 法 、 FAO-24 Penman 法 、 Irmak-Allen (I-A) 法 、 Priestley-Taylor (P-T) 法 进 行 了 对 比 分 析 。 【 结 果 】 试 验 期 间 温 室 内 日ET0 变 化 范 围 为0.496.04 mm/d , 平 均 为2.43 mm/d ;4 种 计 算 方 法 与Penman-Monteith(P-M) 修 正 法 均 具 有 良 好 的 线 性 关 系(R 2 >0.90) ， FAO-24Penman 法 与P-M 修 正 法 计 算 结 果 最 为 接 近(RMSE=0.40mm/d ， NSE=0.93) ， 其 次 为I-A 法(RMSE=0.67mm/d ， NSE=0.81) 、 P-T 法(RMSE =0.76 mm/d ， NSE=0.76) ， 而 在 大 田 条 件 下 广 泛 应 用 的FAO-56 P-M 法 表 现 最 差(RMSE=1.18 mm/d ， NSE=0.41) 。 【 结 论 】 4 种ET0 计算方法中 ， I-A 法应用最简便 ， 可作为气象资料短缺条件下该地区温室ET0 的简化计算方法 。 关 键 词： 温室 ； 气象数据 ； 蒸散量 ；ET0 ；Penman-Monteith 模型 ； 作物需水量 中图分类号： S161.4 文献标志码 ： A doi ： 10.13522/j.cnki.ggps.2017.0507 赵宝山， 闫浩芳， 张川， 等.Venlo 型温室内参考作物蒸散量计算方法比较研究J. 灌溉排水学报 ， 2018， 37 （7 ） ： 61-66. 0 引 言 近 年 来 ， 设 施 农 业 作 为 高 新 技 术 产 业 得 到 迅 速 发 展 ， 温 室 产 业 在 设 施 农 业 中 占 主 体 地 位 ， 在 我 国 蔬 菜 花 卉 等 的 供 应 上 发 挥 了 重 要 作 用 ， Venlo 型 温 室 作 为 世 界 上 应 用 最 广 的 现 代 化 智 能 玻 璃 温 室 在 我 国 得 到 了 广 泛 应 用 1-3 。 温 室 作 物 需 水 主 要 源 于 灌 溉 ， 因 此 准 确 计 算 作 物 需 水 量 对 制 定 科 学 的 灌 溉 制 度 , 发 展 节 水 农 业 和 提 高 温 室 作 物 产 量 与 品 质 等 方 面 具 有 重 要 意 义 。1977 年 联 合 国 粮 农 组 织 （FoodandAgriculturalOrganiza- tion ， FAO ） 推荐 使用 参考 作物 蒸散 量 （ET0 ） 乘以 作物 系数 （Kc ） 的方 法被 广泛 应用 于作 物需 水量 的计 算 4 ， 因此 计算温室作物需水量的关键之一是计算ET0 。 经 过 多 年 发 展 已 有 较 多 的ET0 计 算 方 法 ， 1998 年FAO 推 荐FAO-56Penman-Monteith （FAO-56P-M ） 法 作 为 计 算ET0 的 标 准 方 法 并 被 广 泛 应 用 5 ， 但 该 方 法 在 气 象 资 料 缺 失 地 区 应 用 时 受 限 ， 其 他ET0 计 算 方 法 的 评 价 与 校 正 在 大 田 环 境 下 已 有 大 量 研 究 6-8 ， 且 大 都 以FAO-56P-M 方 法 计 算ET0 作 为 评 价 标 准 ， 在 风 速 微 小 的 温 室 小 气 候 环 境 下 ， 直 接 取 风 速 为0 ， 忽 略 了 公 式 中 空 气 动 力 学 项 ， 该 方 法 的 准 确 性 受 到 质 疑 。 温 室 环 境 下 对 蒸 散 发 的 研 究 主 要 集 中 在 特 定 作 物 上 ， 如 刘 浩 等 9 基 于Penman-Monteith 模 型 建 立 了 日 光 温 室 番 茄 蒸 散 发 的 估 算 模 型 ， 罗 卫 红 等 10 和 汪 小 旵 等 11 利 用Penman-Monteith 模 型 对 温 室 黄 瓜 蒸 散 发 进 行 了 模 拟 研 究 ， 但ET0 计 算 方 法 在 温 室 内 对 比 评 价 研 究 极 少 ， 仅 见Fernández 等 12 比 较 各ET0 计 算 方 法 在 地 中 海 地 区 温 室 内 的 适 用 性 ， 其结果对于其他气候环境下及不同类型温室内的适用性有待进一步研究 。 通 过 实 测 温 室 内 气 象 数 据 ， 对FAO-56P-M 方 法 中 隐 含 的 空 气 动 力 阻 力 项 重 新 修 正 ， 得 到 更 接 近 温 室 环 境 下 计 算ET0 的Penman-Monteith （P-M ） 修 正 法 ， 以 该 方 法 计 算 结 果 为 标 准 ， 对 其 他4 种 应 用 广 泛 的ET0 计 算 方 法 ： FAO-56P-M 法 、 FAO-24Penman 法 、 Priestley-Taylor （P-T ） 法 和Irmak-Allen （I-A ） 法 进 行 分 析 评 价 ， 以 期 为该地区Venlo 型温室作物需水量的计算及灌溉制度的确定提供一定理论依据 。 收稿日期 ： 2017-08-21 基金项目 ： 国家自然科学基金项目 （51509107 ,51609103 ） ； 江苏省自然科学基金项目 （BK20150509 ， BK20140546 ） 作者简介 ： 赵宝山 （1995- ） ， 男 ， 甘肃平凉人 。 硕士研究生 ， 主要从事农业节水与生态水文过程研究 。E-mail ： zhao_baoshanoutlook.com 通信作者 ： 闫浩芳 （1983- ） ， 女 ， 内蒙古呼和浩特人 。 副研究员 ， 硕士生导师 ， 主要从事农业节水灌溉与水分高效利用方面的研究 。 E-mail ： yanhaofangyahoo.com 611 材料与方法 1.1 基于Penman-Monteith 模型的ET0 计算方法描述 Penman-Monteith 模 型 结 合 了 植 被 表 面 水 汽 蒸 发 过 程 中 的 物 理 和 作 物 生 理 特 征 ， 该 单 层 模 型 被 广 泛 用 于 计算作物蒸散 13-14 。FAO 小组专家推荐基于该模型计算ET0 ， 该模型表达式为 15 ： E T 0 = 1 ( ) R n - G + a C p e s - e a r * a + ( 1 + r * c r * a ) ， （1 ） 式 中 ： 为 水 的 汽 化 潜 热 （MJ/kg ） ； ET0 为 参 考 作 物 蒸 散 量 （mm/d ） ； 为 饱 和 水 汽 压 曲 线 斜 率 （kPa/ ） ； Rn 为 净 辐 射 （MJ/ （m 2 ·d ） ） ； G 为 土 壤 热 通 量 （MJ/ （m 2 ·d ） ） ； a 为 空 气 密 度 （kg/m 3 ） ； Cp 为 空 气 常 压 下 比 热 ， 其 值 为 1.013×10 -3 MJ/ （kg· ） ； es 为 饱 和 水 汽 压 （kPa ） ； ea 为 实 际 水 汽 压 （kPa ） ； 为 湿 度 计 常 数 ， 其 值 为0.067 kPa/ ； r * a 为 参 考 作 物 至2 m 参 考 高 度 处 的 日 平 均 空 气 动 力 阻 力 （s/m ） ； r * c 为 参 考 作 物 日 平 均 冠 层 阻 力 ， 其 值 为70s/m 5 。 r * a 计 算 方 法 受 空 气 对 流 类 型 和 冠 层 气 温 差 异 的 影 响 可 能 不 同 16 ， 选 择 不 同r * a 计 算 方 法 又 会 影 响 计 算ET0 的准确度 。FAO-56 中推荐的r * a 计算方法为 ： r * a = 208 U 2 ， （2 ） 式中 ： U2 为2m 高处日平均风速 ， 进而得出了被广泛应用于大田条件下计算ET0 的FAO-56P-M 方法 。 在U2 为0 或 微 小 的 温 室 环 境 下 ， 用 式 （2 ） 计 算r * a 将 趋 于 无 穷 大 或 严 重 高 估 其 实 际 值 ， 因 为 在 温 室 内 即 使 无 可 测 量 的 水 平 风 ， 自 由 对 流 条 件 仍 然 存 在 ， 水 汽 传 输 在 作 物 冠 层 内 仍 在 进 行 17 。Thom 等 18 提 出 的 计 算 模 型 可 弥 补 低 风 速 条 件 下 应 用 式 （2 ） 的 不 足 ， Jackon 等 17 认 为 该 方 法 在 高 或 低 风 速 条 件 下 均 有 较 高 的 准 确 性 ， 参考作物的r * a 计算式可如式 （3 ） 所示 ： r * a = 4. 72 é ë ê ê ù û ú ú l n ( ) 2 - d Z 0 2 / ( 1 + 0. 54 U 2 ) ， （3 ） 式 中 ： d 为 零 面 位 移 高 度 （m ） ； Z0 为 粗 糙 长 度 （m ） ； Allen 等 5 指 出 参 考 作 物 高 度h0= 0.12 m 且d = 0.67h0 ， Z0= 0.123h0 。 将 式 （3 ） 代 入 式 （1 ） 即 可 得 到P-M 修 正 法 19-20 。 已 有 大 量 学 者 将 该 方 法 作 为 温 室 环 境 下ET0 的 计 算 方法 21-23 。 1.2 其他ET0 计算方法描述 1977 年 由Doorenbos 和Pruitt 等 推 荐 的FAO-24 Penman 方 法 以 能 量 平 衡 和 紊 流 扩 散 原 理 为 理 论 基 础 ， FAO-24Penman 公式 由辐 射项 和空 气动 力学 项组 成 ， 并在 空气 动力 学项 中引 入了 更为 敏感 的风 函数 ， 该方 法 仍为湿润下垫面条件下计算ET0 的主要方法 24-25 。 1972 年Priestley 和Taylor 以 平 衡 蒸 发 为 基 础 ， 通 过 对 大 区 域 饱 和 陆 面 和 海 洋 的 气 象 数 据 观 测 提 出 了 假 设 无 平 流 条 件 下 估 算 蒸 散 发 的P-T 法 ， 该 方 法 将1948 年 提 出 的Penman 模 型 中 空 气 动 力 学 项 整 合 进P-T 系 数 ， 并推荐 取值1.26 26 ， P-T 法成为计算ET0 的应用较简单的方法得到广泛应用 。 2003 年Irmak 和Allen 通 过 实 测 美 国 东 南 部 湿 润 地 区 多 年 气 象 数 据 ， 以FAO-56P-M 法 为 标 准 ， 对 主 要 影 响ET0 的 气 象 因 子 辐 射 和 气 温 进 行 多 元 线 性 回 归 后 得 出 了 计 算ET0 的 简 化 经 验 方 法 ， 并 推 荐 在 气 象 资 料 短 缺 时作为该地区计算ET0 的首选方法 27 。 各ET0 计算方法公式如表1 所示 。 1.3 试验区概况与数据采集 试 验 于 江 苏 大 学 现 代 农 业 装 备 与 技 术 省 部 共 建 重 点 实 验 室Venlo 型 温 室 内 进 行 。 试 验 地 位 于 江 苏 省 镇 江 市 （32°11 N 、 119°25 E ， 海 拔23m ） ， 属 亚 热 带 季 风 气 候 区 。 温 室 覆 盖 材 料 为 厚4mm 的 浮 法 玻 璃 ， 温 室 屋 脊 南 北 走 向 ， 长20m ， 占 地 面 积640m 2 （32m×20m ） 。 温 室 天 沟 高3.8m ， 檐 高4.4m ， 跨 度6.4m ， 共5 跨 ， 每 跨 有2 个 小 屋 顶 。 温 室 由 东 中 西3 个 开 间 组 成 ， 东 西 开 间 各2 跨 ， 中 开 间1 跨 。 本 试 验 在 东 开 间 内 进 行 ， 观 测 时 段 为2016 年5 月10 日 7 月20 日 ， 试 验 期 温 室 内 种 植 作 物 为 番 茄 ， 均 采 用 自 动 滴 灌 系 统 灌 水 。 试 验 期 间 中 午气温较高时手动开启温室风机 。 62表1 各ET0 计算方法及所需参数 方法 P-M 修正 FAO-56P-M 5 FAO-24Penman 25 P-T 26 I-A 27 注 Tmax 、 Tmin 分别为日最高气温和日最低气温 （ ） ； RHmax 、 RHmin 分别为日最高相对湿度和日最低相对湿度 （% ） ； c 为调整系数 ， 无量纲 ； 表 中其余变量含义同前 。 公式 E T 0 = 0. 40 8 ( ) R n - G + 1658 ( ) e s - e a T + 273 + 1. 6 3 E T 0 = 0. 40 8 ( ) R n - G + 900 T + 2 73 U 2 ( e s - e a ) + ( 1 + 0 . 3 4U 2 ) E T 0 = c é ë ê ù û ú + R n - G + 2. 7 + f ( U ) ( e s - e a ) f ( U ) = 1 + 0 . 8 64U 2 ; c = 1 E T 0 = 1. 26 + ( ) R n - G E T 0 = 0. 4 89 + 0 . 289R n + 0. 023 T 所需参数 Tmax ， Tmin ， Rn ， G ， RHmax ， RHmin Tmax ， Tmin ， Rn ， G ， RHmax ， RHmin ， U2 Tmax ， Tmin ， Rn ， G ， RHmax ， RHmin ， U2 Tmax ， Tmin ， Rn ， G Tmax ， Tmin ， Rn 编号 （4 ） （5 ） （6 ） （7 ） （8 ） 温 室 内 安 装 有 自 动 气 象 观 测 系 统 ， 2m 高 处 气 温 和 相 对 湿 度 由HOBO 气 象 站 测 定 ， 风 速 由 三 杯 风 速 计 S-WSET-B （Onset HOBO ， 美 国 ） 测 量 ， 启 动 风 速 为0.5 m/s 。2.5 m 高 处 太 阳 净 辐 射 由NR Lite2 （Kipp b.InstituteofAgriculturalEngineering,Zhenjiang212013,China) Abstract: 【Objective 】Differentmethodsareavailableforcalculatingthereferencecropevapotranspiration(ET0), and the purpose of this paper is to compare their applications in irrigated greenhouses. 【Method 】Experiment was carried out in a Venlo-type greenhouse with the meteorological factors in the house measured. The FAO-56 Pen- man-Monteithformulawasmodifiedusingafixedaerodynamicresistancer * a.Wecomparedfourcommonly-used modelstocalculatetheevapotranspiration:theFAO-56Penman-Monteith,theFAO-24Penman-Monteithmethod, thePriestley-TaylorandtheIrmak-Allen,withthePenman-Monteithmodified(P-MM)asthecontrol. 【Result 】 Dur- ingtheexperimentalperiod,thedailyET0variedfrom0.49to6.04mm/dwithanaverageof2.43mm/d.Theevapo- transpirationcalculatedusingallmodelswaslinearlycorrelated(R 2 >0.9)tothevaluescalculatedfromtheP-MM, withtheFAO-24havingRMSE=0.40mm/dandNSE=0.93,theIrmak-AllenhavingRMSE=0.67mm/dandNSE= 0.81, and the Priestley-Taylor having RMSE=0.76 mm/d and NSE=0.76. The FAO-56 Penman-Monteith model waswidelyusedinthefield,butitsapplicationtothegreenhousewasunsatisfactorywith RMSE=1.18mm/dand NSE=0.41. 【Conclusion 】ComparingallavailablemodelsshowedthattheIrmak-Allenmodelismostsuitablefor calculatingET0inthegreenhouses. Keywords:greenhouse;meteorologicaldata;evapotranspiration;ET0;Penman-Monteithmodel;cropwater requirement 责任编辑 ： 赵宇龙 66