第四節　作物耗水量

一、概念

作物耗水量是指作物吸收組成植物體水分的水量，以及通過葉面蒸騰（又稱為蒸散）和土壤表面蒸發消耗的水量。因為前者約占不到1%，余下99%的都在太陽輻射的作用下以水汽的形式消耗于后兩項，所以一般植物耗水量等于蒸騰量與蒸發量之和，也稱為植物需水量。

實際上常常將植物耗水量分為全生育期耗水量和階段（生育階段、月、旬等）耗水量。對于多年生植物，如樹木、果樹、草類等常分為年耗水量，月耗水量，旬耗水量；對于一年生植物，如小麥、棉花、蔬菜等，可分為全生育期（播種或移栽到到收獲）耗水量，不同生育階段的耗水量，月耗水量，旬耗水量等。

二、植物耗水過程能量平衡原理

不論是植物蒸騰，還是土壤蒸發，都需要消耗能量。這部分能量來自太陽的輻射，太陽輻射能量的傳輸轉化過程見圖2-6。

太陽輻射經過大氣層時，大部分被大氣層反射和吸收，到達植物土壤的輻射即為太陽輻射（Rs），其中一部分被反射掉，這部分輻射稱為長波輻射［波長3～70um（μm）］，余下的主要用于植物騰發過程中消耗的能量，稱為凈輻射（Rn）。在植物騰發過程中凈輻射的一部分能量用于空氣和土壤熱交換，以及平流空氣熱量轉移，不過這部分能量很小，且有進有出，因此一般以凈輻射作為估算植物騰發的主要能量項就具有足夠的精度。

以反射率（α）來反映反射能量（Rr）與入射能量（Rs）的比值：

即

植物和土壤表面的反射率為20%～25%。土壤—植物系統能量平衡基本方程式是：

能量平衡基本方程式體現了植物蒸騰的動力，還必須說明，騰發過程還受兩個因素制約：其一是土壤和植物必須有提供蒸騰需要的水源；其二是水分必須有足夠的流量輸送至土壤表面和植物葉面。如果土壤干燥，土壤水傳輸阻力加大，植物受水分脅迫時，氣孔關閉，水分在植物中流動阻力加大，騰發就會降低。因此，植物蒸騰過程既受有效能量制約，也受土壤水分有效性制約。植物—土壤系統能量平衡原理是估算植物騰發強度的基礎。

三、確定植物耗水量的方法

確定植物耗水量的方法可分為直接測定法和計算法。因為植物耗水量不僅取決于植物自身水分特性，而且受所在地氣候、土壤、水文條件影響，因而在理論上，當地直接測定特定植物耗水量是最準確直觀的。但是，直接測定存在的問題是，影響植物耗水量的條件隨著時間和地點而變化，而測定又不可能很多，存在資料的代表性問題；所采用的方法是否合適；所使用的儀器是否先進準確；長期觀測需要有大量人力物力投入等。因此，直接測定多用于專門的研究，在噴微灌應用中大多數可以借用條件相近地區的試驗資料分析確定，植物耗水量不失為噴微灌技術應用可取的有效方法。根據影響植物耗水量的因素建立的關系式，不僅有較嚴密的理論依據，而且有相應的實驗基礎。

（一）田間試驗法

1.基于水量平衡原理的方法

基于水量平衡原理田間試驗確定植物耗水量的方法有田測法、筒測法、坑測法和蒸滲儀法。在噴微灌技術應用中，田測法是最為常用的方法；筒測法因測量結果誤差大，采用不多；坑測法和蒸滲儀法通常用于專門研究，尤其適用于全面灌溉條件下植物耗水量的測定。

一定區域一定時段植物根系活動層內土壤得到的水分數量與植物消耗的、流失的水量之差等于土壤儲水量的變化，可用水量平衡方程式（2-11）表達。

地下水補給量是指地下水借土壤毛細管作用上升至植物根系吸水層內而被植物利用的水量，其大小與地下水埋深、土壤性質、植物需水強度和計劃濕潤層含水量有關，一般認為當地地下水埋深超過3.5m時，補給量可忽略不計。W值的確定應根據當地或條件類似地區的試驗和調查資料估算。

在田間只要測定公式（2-11）中除ET外的各因素，就可確定ET，因而該法稱為水量平衡法。用水量平衡法測定植物耗水量時，測定數據的代表性，對于全面灌溉主要選擇灌區有代表性的位置進行試驗觀測，或通過合理的試驗設計增強數據的代表性。對于局部灌溉，如滴灌，測量土壤含水量時因為土壤濕潤區內不同部位含水量存在差異，測點的位置應根據土壤質地、灌水器流量和間距確定。對于壤質土滴灌一般可選擇距滴頭20～25cm處測量土壤含水量。

當通過測定土壤含水量確定植物耗水量時，式（2-11）的具體計算式為：

θi1和θi2——第j時段第i層土壤時段始末含水量，土壤干容重，%；

其余符號意義同前。

水量平衡法是測定植物蒸發蒸騰量最基本的方法，常用來對其他測定或估算方法進行檢驗或校核。它可以適用于非均勻土層和各種天氣條件，不受微氣象學法中許多條件的制約。該法的另一個優點是充分考慮了水量平衡各個要素間的相互關系，遵循物質不滅原則，可以宏觀地控制各要素的計算，誤差較小。缺點是分量測定中有效降水量、地下水補給量、土壤水蒸發量難以確定，其誤差會集中到蒸發量的估算中。另外，由于該方法是根據區域內水量收入和支出的差額來推算所求量，而且測定周期相對較長，所以難以反映騰發的日動態變化規律。

2.熱脈沖法也稱樹液流動法

熱脈沖法（Heat　pulse　method，簡稱HPM）也稱樹液流動法，能在樹木自然生活狀態基本不變的情況下測量樹干木質部位上升液流流動速度及流量，可以簡捷準確地確定樹冠蒸騰耗水量，這種方法相對經濟可行。熱脈沖技術測定液流是基于熱補償原理提出的，它是在植物木質部位水平安裝熱脈沖發射探針（熱源），定時發射熱脈沖，間斷地加熱汁液，并在熱源上下方距離不等的地方安裝兩個熱敏探針，測定兩點液流的溫度。熱脈沖發射前兩點的溫度T1和T2相等，當熱脈沖發射后的一瞬間T2增大，而T1不變，隨著液流的上升運動，T2降低，T1增加，經過一段時間t后，T2-T1＝0。利用熱脈沖平衡后的時間可導出液流通量。利用熱脈沖方法測定蒸騰量不受環境條件、冠層結構及根系特性的影響，可以直接在野外測定液流流速，為研究自然條件下植物蒸騰耗水規律提供方便；測定范圍廣，能用于直徑30～300mm的莖液流測定；精度高、反應靈敏，數據可靠，可進行長期連續監測；操作簡單、易行；對植物傷害小，不干擾植物生長發育及生長環境。

3.植物生理學法

植物生理學法主要用于測定植株的一部分或整體的蒸騰耗水量，可作為一種分析植株與水分關系的輔助方法。主要包括：快速稱重法、氣孔計法、風室法、同位素示蹤法、熱脈沖法等。

（1）快速稱重法。用快速天平在田間防風罩內進行，從樹冠中部摘葉，稱質量后懸掛于高2m處，間隔2min再稱質量，單位質量鮮葉的失水量即蒸騰速率。再用平均值與樹冠鮮葉質量計算某一時刻的樹冠蒸騰耗水量，但測定存在系統誤差，影響測量準確度，因為其測量方法改變了植物的生理狀況。

（2）氣孔計法。將測定時環境相對濕度設定為儀器葉室的平均濕度，通過氣孔計直接測定蒸騰速率。選樹冠中層正常生長的葉片夾入葉室，分別測定上、下兩個表面的蒸騰速率，兩者之和即為葉片的蒸騰速率。然后，用平均蒸騰速率與樹冠葉面積換算成樹冠蒸騰耗水量。

（3）風室法。將研究范圍內的小部分林地置于一個透明的風調室內，通過測定進出風調室氣體的水汽含量差以及室內的水汽增量來獲得蒸騰量。在國外該法已被較廣應用于森林。由于該法不能在大面積上應用，而且風調室內氣候與自然小氣候有差別，因此它不能很好模擬自然小氣候，其研究結果只代表蒸散的絕對值，不能代表實際情況，所以，只具有相對的比較意義。

（4）同位素示蹤法。具有靈敏度高、方法簡便、定位定量準確、符合生理條件等特點。測定不受其他非放射性物質的干擾，可省略許多復雜的物質分離步驟，獲得的分析結果符合生理條件，更能反映客觀存在的事物本質，具有應用價值，但在野外應用不太方便。

生理學方法的優點是準確、操作簡單，適用于測定蒸騰量，尤其是在一些特殊情況下，如地形復雜，孤立小塊或單棵植株，用生理學法才能對蒸騰量作出估計。其主要缺點是：樣本的代表性可能有問題，難以準確地用單棵或數棵植株的蒸騰量推算出大面積植株的總蒸騰量。因此，在確定森林蒸散時難以應用。

4.紅外遙感方法

蒸發計算的傳統方法都是以點的觀測為基礎，由于下墊面物理特性和幾何結構的水平非均勻性，一般很難在大面積區域上推廣應用。遙感技術的出現為該問題的解決提供了一種新途徑。它是一種通過衛星或飛機的高精度探頭，在高空遙測地表面溫度、地表光譜和反射率等參數，結合地面氣象、植被和土壤要素的觀測來計算蒸散的方法。由于具有多時相、多光譜等特征，因此能夠綜合地反映下墊面的幾何結構及物理性質，使得遙感方法比常規的微氣象學方法精度更高，尤其在區域蒸發計算方面具有明顯的優越性。

隨著遙感技術的發展及遙感信息定量化研究的不斷深入，遙感技術在計算植被蒸發蒸騰量，特別是大、中尺度范圍的蒸散量時空分布中，其優越性已日益彰顯。首先，由于遙感技術可以不斷地提供不同時空尺度的地表特征信息，因而利用這些信息可以將蒸散量計算模型外推擴展到缺乏詳盡氣象資料的區域尺度，反映出區域同一時刻的蒸散量分布。其次，由于它是通過植被的光譜特性、紅外信息結合微氣象參數來計算蒸發蒸騰量，從而擺脫了微氣象學法因下墊面條件的非均一性而帶來的以“點”代“面”的局限性，進而為區域蒸發蒸騰計算開辟了新途徑。再次，相對于在地面布設一些稀疏點來進行觀測而言，應用遙感技術進行區域尺度植被蒸發蒸騰量的監測計算，較為經濟和高效。因此，遙感方法計算植被蒸發蒸騰量為區域水資源合理配置提供了一種更加有效的途徑。

（二）計算法

各國學者提出了計算植物騰發量許多方法，大多是基于土壤—植物系統能量平衡原理建立的公式。其中比較著名的是波文比—能量平衡法、渦度相關法和能量平衡—空氣動力學阻抗聯合法。經過實際的驗證和修正，表明能量平衡—空氣動力學阻抗聯合法具有滿意的精度，并具有能直接利用氣象觀測資料進行計算的優點。該方法是聯合國糧農組織推薦的計算方法。目前，國內外噴微灌自動控制系統多采用它確定實時灌溉制度。下面詳細介紹能量平衡—空氣動力學阻抗聯合法。

Penman于1948年將能量平衡原理和空氣動力學原理結合起來，首次提出著名的Penman公式，用以計算潛在蒸發量。爾后，于1953年又提出了一種植物單葉氣孔的蒸騰計算模型。Covey于1959年將氣孔阻抗的概念推廣到整個植被冠層表面。Monteith于1965年在Penman和Covey工作的基礎上，提出了冠層蒸散計算模型，即著名的Penman—Monteith模型（P—M模型）。該模型全面考慮影響蒸散的大氣物理特性和植被的生理特性，具有很好的物理依據，能比較清楚地了解蒸散的變化過程及其影響機制，為非飽和土壤騰發的研究開辟了新的途徑，現已得到了廣泛研究與應用。

Penman—Monteith公式法是通過計算出參考作物蒸發蒸騰量（ET0），然后乘以作物系數Kc，即為實際植物騰發量。

參考作物騰發量（ET0）是一種假想的參考作物冠層的蒸發蒸騰量。它假設作物高度為0.12m，固定的葉面阻力為70s/m，反射率為0.23，它非常類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、完全覆蓋地面而不缺水的綠色草地的蒸發蒸騰量。Penman—Monteith方法只要使用一般氣象資料即可計算參考作物蒸發蒸騰的值，實際應用價值和精度都較高。標準化、統一化后的Penman—Monteith公式如下。

ET0計算步驟如下：

（1）確定es、ea。

若缺乏RHmax、RHmin，可用平均相對濕度RHmean（%）值按式（2-17）計算ea。此時：

（2）確定γ。

（3）確定Rn。

（4）確定G。對于月計算：

如果Tm，i＋1未知，則可按式（2-26）計算。

對于時計算或是更短的時間，則以式（2-27）、式（2-28）估算。

（5）確定u2。當實測風速距離地面不是高2m時，用式（2-29）進行調整。

（6）確定Δ。

植物實際騰發量可根據參照植物騰發量和作物系數按式計算。

作物系數Kc是計算植物耗水量的重要參數，20世紀80年代我國灌溉科技工作者對各類作物有限的試驗資料進行分析研究，總結部分農作物Kc值，參考表2-17～表2-20確定。必須說明，這些資料是在地面灌溉條件下取得的，如用于滴灌等局部灌溉時應作適當修正。

【計算示例2-2】

計算地點位于東經119.0°北緯34.0°，海拔高度為11m。1980年8月氣象資料為：月平均氣溫為24.2℃，最高日平均氣溫為28.1℃，最低日平均氣溫為22.6℃，平均相對濕度為88%，10m高日平均風速為2.3m/s，日平均日照時數為6.49h。1980年7月和9月的平均氣溫分別為26.3℃和23.2℃。試用Penman—Monteith法計算參照作物需水量。

解：（1）計算es、ea。

已知8月最高日平均氣溫為28.1℃，最低平均氣溫為22.6℃，根據式（2-15）、式（2-16）有：

又已知該月平均相對濕度為88%，根據式（2-17）有：

（2）計算γ。已知該地海拔為11m，根據式（2-19）、式（2-20）有：

（3）計算Rn。已知該地位于北緯34.0°，即φ＝34π/180＝0.593rad，1980年8月15日在年內的日序數為228，即J＝228，則：

根據式（2-24）有

日平均日照數n為6.49h，，取as＝0.25，bs＝0.50，則根據式（2-22）、式（2-23）有

又

Tmax，K＝Tmax＋237.16＝28.1＋237.16＝265.26K

Tmin，K＝Tmin＋237.16＝22.6＋237.16＝259.76K

根據式（2-21）有：

（4）計算G。已知7月和9月的平均氣溫分別為26.3℃和23.2℃，根據式（2-25）有：

Gm，8＝0.07（Tm，9-Tm，7）＝0.07（23.2-26.3）＝-0.217MJ/（m2·d）

（5）計算u2。已知高10m風速為3.2m/s，該地海拔高度為11m，則根據式（2-29）有：

（6）計算Δ。已知8月月平均氣溫為24.2℃，根據式（2-30）有：

（7）計算ET0。根據上述計算及式（2-14）有：

因此，該地1980年8月日平均參照騰發量為3.86mm/d。