全 文 ：第 ll卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
Vo1．11 No．4
0ct．． 2003
华北平原夏玉米农田生态系统蒸散规律研究
杨 晓光 刘海隆
(宝 奎． _由差 您 皇 曼警 堕 北京 100094)(重庆市气象局 重庆 40039) 教育部植物
一 土壤相互作用过程重点实验室 ⋯ ” ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯
王 玉林 于沪宁
(北京昌平部 队农场 北京 100000)(中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)
摘 要 试验观测华北平原夏玉米全 生育期农 田蒸散 日变化与季节变化特征结果表 明，夏玉米农 田蒸散量 日变化
规律 明显 ，蒸 散速 率 正 午 13：00达 最 大值 ，夏 玉米 日蒸 散 量 随 生育 期 的 变化 而变 化 ，净辐 射 、土 壤 水 分 和 叶 面 积 指
数影响夏玉米 日蒸散量的变化 。并建立 了夏玉米农田水分运 移的数学模拟方程。
关键词 农 田蒸散 水分运移 土壤水分
Research on evapotranspiration of field ecological system of summer maize in Northern Plain．YANG Xiao-Guang(Col—
lege of Resources and Environmental Sciences ，China Agricultural University；Key Laboratory of Plant—Soil Interactions，
Ministry of Education，Beijing 100094)，LIU Hai—Long(Meteorological Bureau of Chong~ng City，Chongqing 400039)，
WANG Yu—Lin(Changping Army Farm of Beijing，Beijing 100000)，YU Hu—Ning(Institute of Geographical Sciences and
Natural Resources，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101)，CJEA，2003，11(4)：66～68
Abstract Co ntinuously measuring the evapotranspiration during the whole summer maize growing period in the Northern
Plain，daily and seasonly variations of field evapotranspiration and their influence factors are analyzed．The results show
that the total evapotranspiration of summer maize presents an obvious daily variation and the rate of evapotranspiration of
summer maize varies with the growing periods．The net radiation，soil water and leaf area index can al afect the variations
of the total daily evapotranspiration．Finally，the mathematic equation of summer maize tO simulate the movement and
transfering of soil water has been established．
Key words Field evapotranspiration，The movement and transferring of water，So il water
农田蒸散是土壤一植物一大气系统内连续而复杂的过程，农 田蒸散研究一直广受国际关 注，并形成跨气
象、水文和农业等多学科的前沿综合研究内容 ，其中以气象学研究最为活跃并取得系列成果 ，包括不同精度
的理论、公式与计算模式等 ’ ，可计算不同时间范围的农 田蒸散量。但这些方法在实际应用 中因试验条件
难以满足、公式参数难以获得 、仪器精度不够等原因，限制了农 田蒸散计算模式的应用。本试验采用波文比
观测系统连续定点定位测定研究 了华北平原夏玉米农 田生态系统蒸散量的变化规律 ，为发展农业节水提供
理论基 础 。
1 试验材料与方法
试验于 1997年在中国科学院栾城农业生态系统试验站进行 ，该站位于北纬 37。53 ，东经 114。40 ，海拔高度
50．1m，属暖温带大陆性季风气候，为太行山山前平原典型高产区，地势平坦 ，耕层深厚，土壤为轻壤质，地下水
位 24m左右，种植制度为冬小麦一夏玉米 1年两熟。试区面积为 24m×200m，并与周围农 田相联成片，为大面积
均匀一致的夏玉米农 田，有利于数据采集，并保证瞬时资料的精确可靠性n 。供试夏玉米品种为“冀丰 58”，按
当地常规栽培措施管理。波文比观测系统装置安装在试区中部观测架上，观测架装有 日式 EKO反射率表、澳
式净辐射表、温湿度和风传感器(传感器置于作物冠层上方 0．5m和 2．0m处)，2块 日本产 CN一81型热流板分别
置于作物株间与行间测定土壤热通量。全部观测装置与 DT100型数据采集器连接 ，每 5min采集并输出 1组数
据。利用英国 TH-I型中子仪测定 O-200cm土层土壤水分，同时监测作物生长发育动态。
波文 比一能 量平衡方程及 下垫 面能量平 衡方程 为：
收稿 日期 ：2002—12—26
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第 4期 杨晓光等 ：华北平原夏玉米农田生态系统蒸散规律研究 67
R = LE + H + G (1)
式中，R 为净辐射 ，LE为农田与大气之间潜热通量 ，H 为农 田与大气之间显热通量 ，G为土壤热通量。根据
边界层扩散 理论 ，将 作物与地 面作 为一蒸 发面 ，其蒸发 面潜热通量 、显热通量 表达式 为 ：
LE = (Lp dP)kw(3e／3z) (2)
H = LC。kh(3T／3z) (3)
式中，a 为垂直方向的高度梯度 ，L为汽化潜热，lD为空气密度，C 为空气定压比热 ，s为水汽分子与干空气
分子 的重量 比，P为大气 压 ，kw、M 分别 为潜 热和显热通量交 换 系数 ，aT、ae分别 为温度 和湿 度梯 度。根据
相似理论 ，假设 kw =kh，同时引入波文 比B(显热通量与潜热通量之比)，并将微分化为差分得 ：
B = H／LE = (PC ／L)(AT／Ae)： )，(AT／Ae) (4)
式中，△T、△e分别为温度差分和湿度差分，)，为湿度系数。由式(2)、(3)和(4)可得 ：
LE = (R 一G)／(1+B) (5)
式 中 ，B 为波文 比。由实测 R 、G、△T 和 △e利用 式(4)和 (5)可得农 田蒸散 量 。
2 结 果与 分 析
2．1 农 田蒸散变化规律
农 田生态系统蒸 散量(或称蒸散速率 )呈 明显 的 日变化规律 ，按 曲线积分 的面 积为 日蒸散 总 量 (见 图 1)。
由图 1可知蒸散速率正午 13：00达最大值，上午小于下午蒸散量 ，其原 因是 由于 日出后农 田相对湿度较大、
空气饱和差较小限制了作物蒸腾和土壤蒸发 ，而下午湍流传输相对强烈，农 田蒸散也相对较强。
农 田土壤水分状 况 直接决 定 日
蒸散量 的变化趋势 ，灌溉和降水后
日蒸 散 量增 大 ，如 7月 24 日、8月
14日分别进 行灌溉 ，7月 26日蒸散
量达全生育期最高值。夏玉米农田
蒸散量随生育期的季变化趋势见图
2，由图 2可知整个观测时段内 日蒸
散量与净辐射变化规律非常一致 ，
表明净辐射是蒸散的能量来源和农
4：00 6 00 8：00 l0 O0 l 2：00 I4：00 l6：00 l8：00 20：00
时 间
圈 1 夏 玉 米农 田蒸 散 量 日变化
Fig．1 Daily variation of the total field evapotranspiration of summer corn
图 2 夏玉米 农 田 日蒸 散■ 随 生育 期 的季 变化
Fig．2 Daily variation of the total field
evapotranspiration of summer corn with
the different growing periods
田蒸散的驱动力。根据观测资料建立 了夏玉米净辐射与蒸散的
回归方程 ：
E =0．9448R 一37．202 (6)
其中，E为农 田蒸散量(1TI1TI)，R 为农田净辐射(w／m。)。夏玉米
农 田蒸散速率与净辐射呈正相关关系，随净辐射的降低而农 田
蒸散速率同步降低 ；当净辐射 降至 39．38W／1TI2时农 田蒸散为
0，农田蒸散濒于停止 ，本研究认 为这一数值是蒸散热力驱动的
阈值 。蒸散是发生 于土壤一大 气界 面和冠 层一大气 界面 的物理 过
程，其强度受作物本身生长状况(叶面积指数)、蒸散物质来源
(土壤水分)和蒸散能量驱动力(净辐射)的影响。
E=1．041+0．5985R 一0．4877( 一4．3)+0．5024(0v一0．5) (7)
式中，E为 日蒸散量(1TI1TI)，R 为净辐射(MJ／m ·d)，LA 为叶
面积指数 ， 为 0～60cm 土层相对含水量 ，方程复相关 系数为 0．8541。据 式(2)可预测逐 日的农 田蒸 散量 。
2．2 农田蒸散数学模拟
周期运动是农 田生态系统中的重要过程，这种振动又可分为 自励振动和强制振动，水汽传输为强制振
动。根据经典物理学定义，周期性包括重复发生和时间空间的不确定性 ，可用 Fourier分析或跟踪状态参量
的极限行为确定周期轨道 。依据试验数据建立了夏玉米农 田水分运移过程的数学模拟方程：
y = asin(bx+C)+dsin(鲍 +f) (8)
式中，Y为农田蒸散量 ， 为 1天时间序列。模拟结果见表 1。本研究认为界面蒸散的水分过程为典型非线性过
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
程 ，可用傅立叶级数展开，作迭代计算 ，确定周期性轨迹 ，包括准周期过程和有序过程在特定时空范畴内具有
自相似 几何特 征 ，因而具有生态 过程意义 ，该过程 的确 定性可调控 因素 尚需今后 深入研究 。
表 1 农田蒸散模拟方程参数
Tab．1 Equation simulating the total field evapotranspiration of summer maize
3 小 结
夏玉米全生育期农 田蒸散量呈明显的日变化规律，蒸散速率在正午 13：OO左右达最大值 ；蒸散强度受作
物本身生 长状况 (叶面积指数 )、蒸散物质来 源 (土壤水分 )和蒸散能量驱 动力 (净 辐射)的影响 ，并 依据试验数
据建立 了夏 玉米农 田水分 运移的数学模 拟方程 。
参 考 文 献
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