大田及温室条件下作物蒸发蒸腾模型及参数的研究

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在农业生产中,准确模拟作物蒸发蒸腾量(ETc)对于制定科学合理的灌溉制度和提高农业水资源利用效率具有重要意义。由于大田与温室种植条件下微气象环境和水热运移模式存在较大差异,使得已有ETc模型及参数在应用时仍然存在较大的不确定性。因此,根据实际情况选择适当的ETc预测模型,修正模型中关键参数,并对模型的适用性进行验证和评价,以提高模拟精度是实现作物精确灌溉的重要研究内容之一。
  本研究采用田间试验观测和模型模拟相结合的研究方法,分别以温室内黄瓜和大田环境下茶树两种作物为研究对象,实测两种作物耗水规律、微气象数据和作物生长生理指标等数据,分析了大田与温室种植环境下水热通量变化特征,通过修正不同模型中关键参数模拟黄瓜和茶树ETc,并对不同模型适用性进行验证和评价,以期为大田与温室种植环境下作物ETc的准确模拟提供理论依据。
  主要研究内容及结论如下:
  (1)根据对大田及温室作物生长期的试验观测资料,分析了不同种植环境下气象状况和水热通量的变化特征。温室内具有高温高湿和低风速的特点,大田环境下太阳辐射、相对湿度和风速均高于温室内,而气温低于温室内。温室内黄瓜生长初期潜热通量较小,占净辐射的10.1%,显热通量占净辐射的87.5%。在黄瓜快速生长期,潜热通量迅速升高,占能量收入的44.5%;在生长中期,潜热通量占能量收入的比例为79.2%;在黄瓜生长末期潜热通量和显热通量占能量收入的比例分别为38.3%和61.1%。大田环境下,茶园不同生长季节能量支出均以潜热通量为主,夏秋冬春四个季节潜热通量分别占净辐射的63.2%、59.6%、55.3%和64.2%,土壤热通量在不同种植环境下占净辐射的比例均极小(平均值?)。
  (2)分析了黄瓜不同生育期日ETc与温室内主要气象因子的响应关系,并确定了温室黄瓜不同生长阶段的作物系数值。温室黄瓜ETc与太阳辐射、气温和水汽压差呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系,与风速相关性较低。在全生育期内,ETc与各气象因子的相关程度依次为:太阳辐射>气温>水汽压差>相对湿度>风速,在不同生长期,黄瓜ETc与温室内各气象因子的相关程度存在显著差异。本研究确定的温室黄瓜作物系数在初期、中期和末期三个生长阶段依次为0.12、0.81和0.46,均低于FAO-56推荐的大田环境下黄瓜的作物系数值。
  (3)在温室种植环境下,确定了Penman-Monteith模型中空气动力学阻力和冠层阻力参数的确定方法,评价了模型模拟温室黄瓜不同生育期ETc的准确性及适用性。研究结果显示,基于Penman-Monteith模型可较准确模拟温室内黄瓜生长中期ETc,对于其他生长阶段,该模型高估了ETc,但模拟结果与实测值具有较好的相关性。冠层阻力参数在夜间较大且恒定,白天日出前后变幅较大,其值随日出迅速下降,在9:00-15:00之间变化较稳定。温室内的对流类型在绝大多数时间为混合对流,空气动力学阻力取值在200-250s/m时,Penman-Monteith模型可准确模拟温室内黄瓜生长中期ETc。
  (4)在大田种植环境下,采用Peman-Monteith和Priestley-Taylor模型模拟了茶园ETc,并基于波文比能量平衡系统实测ETc值对不同模型中参数进行了率定和评价。采用Peman-Monteith模型模拟茶园ETc时,基于Katerji-Perrier模型确定了冠层阻力参数,通过实测数据率定的Katerji-Perrier模型中系数a和b的值分别为1.06和0.29,Peman-Monteith模型可准确模拟研究地区不同时间尺度下茶园的ETc;基于Todorovic模型确定冠层阻力参数时,Peman-Monteith模型高估了茶园ETc。Priestley-Taylor模型较Peman-Monteith模型输入参数少,应用更为简便,本研究通过实测数据率定的Priestley-Taylor模型中系数α的平均值为1.20,α在一年内具有周期性的演变规律,土壤含水量越高,水汽压差越小,α值越大,采用月平均α值代替固定值可提高Priestley-Taylor模型的模拟精度。
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