全 文 ：收稿日期: 20031215
基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 39770624)及 九五国家科技攻关专题( 960070405)部分研究内容
作者简介: 张劲松, ( 1968 ) ,男,浙江永嘉人,博士、副研究员
林业科学研究 ! 2004, 17( 3) : 284~ 290
Forest Research
! ! 文章编号: 10011498( 2004) 03028407
苹果小麦复合系统小麦潜在
蒸散模拟模型的研究
张劲松, 孟 ! 平
(中国林业科学研究院林业研究所,北京 ! 100091)
摘要: 根据 FAO( 1991)推荐的参考作物需水量 ( ET 0 )计算模式 ( FAOPenmanMonteith) ,并通过作物系
数、农林复合系统作物光胁迫系数及风速减弱系数的综合订正, 建立太行山低山丘陵区苹果小麦复
合系统小麦潜在蒸散量计算模型,并利用 Li1600 稳态气孔仪实测得到小麦蒸腾量, 经转换后得出蒸
散量对模型进行验证,旨在探索农林复合系统中作物蒸散的计算方法, 为进一步开展水分生态特征的
研究提供可行性途径。结果表明: 小麦拔节乳熟期间, 模拟值与测算值吻合效果较好, 二者线性相关
系数可达 0 963 0( n= 51) ,相对误差平均值为 968% , t = 0 075<< t109001= 2618。建立的模拟模型具有
理想的计算精度, 可以用以计算苹果小麦复合系统小麦日潜在蒸散量。
关键词: 苹果小麦复合系统; 小麦潜在蒸散量;模拟模型
中图分类号: S72724 ! ! ! 文献标识码: A
植物蒸散是土壤植物大气连续体水热传输过程中一个极为重要的环节。随着水资源紧
缺等生态问题的日趋严重,蒸腾蒸发(合称蒸散)的研究已成为农学、林学、农田水利学、植物生
理生态学、农业气象学等相关学科日益共同关注的重要课题。准确计算农田或林地蒸散量,对
于加强水资源的集约管理,促进节水农业、林业的发展,具有重要的理论指导作用。农林复合
系统中农田蒸散的计算是定量研究复合系统种间水分关系等生态特征的重要步骤。目前,农
林复合系统的蒸散量大都利用实测法或 PenmanMonteith公式计算得到。实测法不仅需要大量
人力和物力,且结果难以清楚地解释蒸散的影响机制; 经典的PenmanMonteith公式只有在地面
完全覆盖、低矮植被且下垫面均一的条件下才有较高的计算精度,而应用于农林复合系统时,
因下垫面物理属性的非均一性,会导致较大的误差。虽然 Shuttleworth[ 1]、Lawson[ 2]、Mcintyre[3] 、
Tournebize
[ 4]、Irvine[ 5]和Mobbs [6] 等在农林复合系统蒸散的模拟计算方面做了很有意义的工作,
为蒸散计算方法的研究提供了重要的思路, 但也存在着某些局限性, 如 Shuttle[1]、Lawson[ 2] 和
Mobbs
[ 6]等模型局限在于: ( 1)假设复合系统中不同植被类型的温、湿度相等; ( 2)只考虑植被覆
盖度和植株高度对光截留的影响, 而未将林木与其下层植被之间相对高度差、林木行带走向
(方位)以及太阳的日运动轨迹结合起来,综合考虑林木对其下层植被的遮荫时间和遮荫范围
的影响, 因此, 太阳辐射截留分配模型过于简单; ( 3)只能得到下层植被蒸散平均值,而不能
了解其水平变化规律; Irvine[ 5] 模型只能用以计算复合系统的总蒸散量,而不能单独计算不同
植被组分的蒸散量; Mcintyre[ 3]和 Tournebize[ 4]等辐射传输概念模型虽比较完善, 但因传输过程
复杂而涉及的物理参数较多, 故其蒸散模型不便于在实际工作中应用。总之,农林复合系统蒸
散问题以试验研究为主, 模拟研究相对较少, 模拟模型尚需继续探索。
本文根据 FAO推荐的参考作物需水量( ET 0 )计算模式(FAOPenmanMonteith) [ 7] ,通过作物
系数、农林复合系统作物光胁迫系数或透光率及风速减弱系数的综合订正, 建立苹果小麦复
合系统作物潜在蒸散量计算模型, 并利用Li1600稳态气孔仪实测得到小麦蒸腾量、经转换后
得出的作物蒸散量对模型进行验证,旨在探索农林复合系统中作物蒸散量的计算方法,为进一
步开展水分生态特征的研究提供可行性途径。
1 ! 试验区概况
试验地设在河南省济源市裴村太行山低山丘陵区复合农林业综合研究试验区内( 35∀11#
N, 112∀03# E)。试验区内各类农林复合经营模式总面积达 160 hm2。试验区地处太行山南段南
麓,属温带大陆性季风气候。全年日照时数为 2 3677 h, 年日照率为 54% , 历年平均降水量
6417 mm,受季风气候的影响, 年内季节性分布不均匀。6 9月份多年平均降水量为 4380
mm,占全年降水量的 683% ,尤其集中在 7 8月份, 占全年的 443%。试验区土壤以石灰岩
风化母质淋溶性褐土为主,土层厚度50~ 84 cm; pH值为68~ 85;石砾含量为 10%~ 18%,有
机质含量在 10mg∃kg- 1左右, 有效N 214~ 840mg∃kg- 1 ;有效 P 54~ 160 mg∃kg- 1 ,有效K 50
~ 103 mg∃kg- 1。
2 ! 试验设计
试验于1998年冬小麦拔节期腊熟期( 4月 1日 5月 31日)在水平梯田条件下的苹果小
麦复合系统内进行。梯田南北宽 36 m, 东西长 200 m。土壤质地为沙壤轻壤,土层厚度为 80
cm,面积为 072 hm2 ,有灌溉条件。苹果品种为新红星( Starkrimon ) , 东西行向, 9行带, 株行距
为3 m% 4m,树盘直径为 80 cm,株高21 m, 冠幅 14 m;冬小麦行距20 cm,品种为温8号,播
种期为1997年 9月 25日,基本苗 2480万株∃hm- 2。在复合系统的中部选择一代表性较好的
间作通道,沿垂直于行带方向,距果树带南北两侧各 80 cm 及间作中心处(分别简称 S80、
N80、 SN200, 下文同)布置观测点。
21 ! 小气候观测
除利用试验区所在地气象站日际资料外,还选择典型晴天日,于各观测点小麦活动面上
05 m高度处及地面高度 2 m处采用通风干湿球表和轻便风速表进行温、湿度和风速的观测,
于小麦活动面上 10 m 高度处采用 CN11辐射平衡表测定冠层净辐射。用 HF1热通量板测
定地表土壤热通量, 热通量板埋在 3~ 5 cm 土层处。每生育期内观测 1~ 3 d。测定时刻:
6: 30、19: 30, 6: 30 19: 30期间每整点观测 1次。
22 ! 小麦叶片蒸腾速率的观测
于各观测点随机选取 5~ 8片冬小麦叶片,采用 Li1600气孔稳态仪测定叶片蒸腾速率。
测定时间同小气候观测。
285第 3 期 张劲松等:苹果小麦复合系统小麦潜在蒸散模拟模型的研究
23 ! 叶面积及植株高度的测定
231 ! 果树叶面积测定 ! 选取4株代表性较好的植株, 采用 CI110冠层分析仪器测定叶面积
指数,并从每株中抽取上、中、下层若干标准叶片, 带回室内,先将样本叶片描写在坐标纸上,然
后估算总面积, 最后求取单株叶面积。每隔 10~ 15 d测定 1次。
232 ! 小麦叶面积测定 ! 在试验小区内随机抽取 15株小麦,带回室内, 量取叶长和叶宽,然
后采用式( 1) [ 8] 计算某单株叶面积。测定时期同 231。
A = 0759 &n
i = 1
L i % Wi ( 1)
式( 1)中, A 为某单株总绿色叶面积, n 为某植株总叶片数, L i 为叶长度, Wi 为叶宽。
3 ! 概念模型及主要计算公式和理论原理
根据 FAO于 1991年推荐的参考作物需水量( ET 0 )计算模式( FAOPenmanMonteith) [7] ,求
取 ET 0 ,再进行作物系数的订正。首先计算单作作物系统潜在蒸散量( ET pck ) ,然后对 ET pck进
行果粮复合系统作物光胁迫系数、风速减弱系数的综合订正,建立果粮复合系统作物潜在蒸散
量( ET pp )模型。
31 ! 参考作物蒸散量计算模型[ 7]
ET 0 =
0408 ( Rn - G) + 900
T + 273
U2 ( e a - ed )
+ ( 1+ 034U2 ) ( 2)
式( 2)中, Rn= 077( 025+ 05n / N ) Ra - 245 % 10- 9 ( 01+ 09n/ N ) ( 034- 014 ed ) ( T 4kx+
T
4
kn )
Ra = 376dr ( ssin !sin∀+ cos!cos∀sin s ) ( 3)
dr = 1 + 0033cos 2#
365J
( 4)
∀= 0409sin 2#
365J
- 139 ( 5)
s = arccos(- tan!tan∀) ( 6)
N =
24# s ( 7)
ea = [ es ( Tmax ) + e s ( Tmin ) ]2 ( 8)
e s ( T ) = 0611exp 1727T
T + 2373 ( 9)
ed = RH / [ 50/ es ( Tmax ) + 50/ es ( Tmin ) ] ( 10)
= 0001 63P/ ∃ ( 11)
= 4 098ea
( T + 2373) 2 ( 12)
P = 1013 293 - 0006 5H
293
526
( 13)
G = 01[ T i - ( T i- 1 + T i- 2 + Ti- 3 ) ] / 3 ( 14)
286 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷
式( 2) 式( 15)中, ET 0 : 参考作物日蒸散( mm∃d- 1 ) ; Rn :冠层表面净辐射(MJ∃m- 2∃d- 1 ) ; G :土
壤热通量(MJ∃m- 2∃d- 1 ) ; Ra:碧空条件下的太阳总辐射(MJ∃m- 2∃d- 1 ) ; n :每日实际日照时数
( h) ; N :理论日照时数( h) ; P :大气压( kPa) ; H :气象站海拔高度( m) ; ∀:太阳赤纬( rad) ; !:纬度
( rad) ; U2 : 2 m高度处风速(m∃s- 1 ) ; s : 日落时角度( rad) ; dr :日地相对距离; T : 平均气温( ∋ ) ;
Tmax :最高气温( ∋ ) ; Tmin :最低气温( ∋ ) ; T kx :最高绝对气温( K) ; T kn : 最低绝对气温( K) ; RH :平
均相对湿度( %) ; ea : 实际水汽压; es : 饱和水汽压( kPa) ; : 饱和水汽压温度曲线斜率( kPa
∃ ∋ - 1 ) ; :干湿球常数( kPa∃ ∋ - 1 ) ; ∃:水潜热系数(MJ∃kg- 1 )。J :日序值(取 1月 1日为1)。
32 ! 单作系统小麦潜在蒸散量( ETp)模型
ETp = Kc % ET 0 ( 15)
式( 15)中, Kc 为作物系数, K c 与水分年型的关系不密切,影响它的主要因素是作物的种类、品
种、生育期和生长状况。对于同一作物, 在同一区域内, Kc 基本上是时间的函数 [ 9] 。本文根据
1995年及 1999年小麦拔节至乳熟期麦田小气候观测资料、采用波比法求算出 ETp , 再将该值
除以相应日期的 ET 0值计算得到 K c 值。
33 ! 复合系统作物潜在蒸散量( ETpp )计算模型
影响复合系统和单作系统作物潜在蒸散量差异的主要因子是热量驱动项和动力驱动
项[ 10] , 其原因是林木的遮荫及树冠枝叶的摩擦所导致风速的减弱。4月初时,苹果叶幕已经形
成,因此可将苹果间作林带近似视为具有一定透光能力的绿墙。影响林带透光能力的主要
生物因子就是果树枝叶的繁密程度,对于某一特定果树而言,在一定程度上可用果树的叶面积
指数表示枝叶的繁密程度。林带对不同带距处的遮荫程度一般可用该点理论日照百分率表
示[ 11] ; 林带的风速减弱效应与旷野条件下风速本身的大小有关外,当间作林带行向已经确定、
树高相对不变时,其主要生物影响因子也是果树枝叶的繁密程度。果树枝叶的繁密程度本文
采用叶面积指数来表示。本文采用下式表示复合系统中不同带距处的小麦潜在蒸散量
( ETPP )。
ET pp = f ( LAI tree, %( x ) , v ) % ET p ( 16)
式中, ETp :单作系统小麦潜在蒸散量; LAI tree: 林带的叶面积指数; %( x ) :不同带距处( x )理论日
照百分率; v :旷野风速(m∃s- 1 ) ,近似于气象站测定的日平均风速值。f ( LAI tree、%( x ) , v )则表
示 LAI tree、%( x )和 v 对潜在蒸散量的综合影响函数,该综合影响函数的确定是本模型的关键步
骤。本研究利用平流干旱修正模型[ 12] 计算得到的 ETpp除以相应时段的ETp ,再将所得到的比
值( ET pp / ETp )与 LAI tree、%( x )、v 进行非线性回归统计分析,建立综合影响函数 f ( LAI tree, %( x ) ,
v )。因篇幅有限,平流干旱修正模型的计算公式及理论原理可见文献[ 12] ,本文不再列出。
34 ! 复合系统中不同带距处日照百分率计算
设间作系统中不同带距处( x )的理论日照时数为 Nx , 单作系统的理论日照时数为 N ,那
么该点的日照百分率可表示为 N xN , N 0 可采用式 7计算得到。Nx 的计算可参考董宏儒等[ 13]
有关带田或果园行间可照时间的研究方法,本文因篇幅所限, N x 的推导过程从略。最终计算
公式如式( 18)、式( 19)所示。
冬半年时( - 235∀< ∀< 0∀) :
287第 3 期 张劲松等:苹果小麦复合系统小麦潜在蒸散模拟模型的研究
Nx =
24#arccos - tan∀% tan!- HX1 + tan!% HX
0
! ! ( X (H % tan( !- ∀) )
( X < H % tan( !- ∀) ) ( 17)
式( 17)中, H 为果树株高与小麦株高的差值; X 为复合系统中麦田任意一点至南侧果树带距
离; ∀的 !同式( 6)。
夏半年时( 0∀< ∀< 235∀) :
N x =
24#arccos - tan∀% tan!- HX1+ tan! % HX
24#[ arccos - tan∀% tan !- HX1+ tan!% HX - arccos( tan∀tan!]
! ( X < L - H % tan( !- ∀) )
( X ( L - H % tan( !- ∀) )
( 18)
式( 18)中, X 为复合系统中麦田任意一点至北侧果树带距离, L 为南北果树带间距离, 其它符
号物理意义同式( 17)。
33 ! 蒸腾与蒸散比例系数的计算
模型的验证需要输入实测蒸散量( ET ) , 而 Li1600稳态气孔仪测定得到的是单位叶片面
积上蒸腾量( TR leaf )。所以, 需要将 TR leaf换算为 ET。本文通过叶面积指数 LAI 将TR leaf换算为
单位土地面积上的蒸腾量( TR ) ,即:
TR = LAI % TR leaf ( 19)
然后采用康绍忠等[ 8]提出的小麦蒸腾与蒸散比例计算公式,将 TR 换算为ET。计算公式如下:
TR
ET
= 1- e
- K∃LAI ( 10+ A | s int- 13
12
#| )
( 20)
式( 20)中, K :小麦消光系数,本文取 046; A :消光系数在日变化过程中的振幅值, 本文取101;
t : 1日中的时间,从 0点开始排序,以小时为基本单位,如, 6: 30时取 t= 65。
4 ! 模型验证
本文以复合系统中 S 80、SN200、N80处由 Li1600稳态气孔仪实测并经转换得到的小麦日
潜在蒸散量为参照值,对所建模型进行验证。比较实测值和模拟计算值可知(图 1) ,模拟值与
实测值吻合效果较好。
图 1! 复合系统中作物日潜在蒸散量实测值与模拟值的比较
288 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷
统计分析了 51对日潜在蒸散量的模拟和实测数据,结果表明: 模拟值和实测值之间的相
对误差平均值为 968%, 最大值为 1508% ,最小值为 439%, 线性拟合方程如式( 21)所示,线
性相关系数 R2= 0963 0, t= 0075<< t 109001= 2618, 说明模拟值与实测值无显著性差异,即模
型可通过实测值验证。
Y = 1080 7X - 0174 7 ( 21)
式( 21)中, X 和Y 分别表示小麦日潜在蒸散量的模拟值和实测值(mm)。
建立的模拟模型具有理想的精度, 可以用以计算太行山低山丘陵区苹果小麦复合系统小
麦日潜在蒸散量。
从式( 21)可知, 模拟值相对高于实测值, 其主要原因在于: FAO( 1991)推荐的参考作物需
水量模式( FAOPenmanMonteith)计算得到的是昼夜蒸散量,而实测值将夜间蒸散量忽略不计;
另外,蒸散量实测值是通过蒸腾与蒸散比例关系模式计算得到, 该模式不是理论公式,因此,蒸
散量实测值并非真正意义上的实测数据,故会影响模型误差分析及可行性评估。
5 ! 结论与讨论
( 1)所建立的苹果小麦复合系统小麦日潜在蒸散量模型可通过实测值验证, 模拟值与实
测值的相对误差平均值为 968%, 线性相关系数 R2 可达到 0963 0, t = 0075<< t109001 = 2618,
可以用以计算太行山低山丘陵区苹果小麦复合系统小麦日潜在蒸散量。
(2)所建模型含有经验参数, 经验参数不仅具有地域性, 而且还与林木生长状况有关。所
以,本研究模型能否应用于其他地区及其他果农复合系统, 有待进一步验证。
( 3)因试验条件的限制,蒸散量的实测值并非真正意义上的实测数据, 在一定程度上影响
了模型调试范围和可靠性分析。
(4)本模型是针对太行山低山丘陵地区特定的自然条件和特定结构的农林复合模式建立
的,对于其它结构条件下(如不同株行距、不同行带方向)水分因子的模拟计算,有关参数有待
进一步调整。
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Model on Wheat Potential Evapotranspiration in
AppleWheat Intercropping
ZHANG Jinsong , MENG Ping
(Research Institute of Forestry, CAF, Beijing! 100091)
Abstract: According to the reference crop potential evapotranspirat ion model ( FAOPenmanMonteith) , which
modified by crop coefficient, radiation stress coefficient and wind speed reduced coefficient, the wheat potential
evapotranspiration ( ETpp ) model in an applewheat intercropping in the hilly land of Taihang Mountain was de
veloped. This modified model was tested with the experimental data from LI1600 steady state porometer. The re
sults showed that the estimated value of ETpp had good agreement with themeasured and that the linear correla
tion coefficlent ( R2) between them was 0. 963 0( n= 51) , the average relative error was 9. 65% , t= 0. 075<<
t 110001= 687) . This model could provide useful reference for estimat ing wheat evapotranspiration in applewheat
intercropping.
Key words: applecrop intercropping; wheat potential evapotranspiration; model
290 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷