全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(6): 1105−1110 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家科技支撑计划项目(2011BAD32B03)和国家自然科学基金项目(31040006)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 李玉中, E-mail: liyz-jie@163.com, Tel: 010-82109399
第一作者联系方式: E-mail: guojx-hh@163.com, Tel: 010-80794486
Received(收稿日期): 2012-10-16; Accepted(接受日期): 2013-01-15; Published online(网络出版日期): 2013-03-22.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130322.1737.002.html.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.01105
旱作春玉米农田 Priestley-Taylor模式参数的变化
郭家选 1 梅旭荣 2 李巧珍 2 严昌荣 2 李玉中 2,*
1农业应用新技术北京市重点实验室 / 北京农学院植物科学技术学院, 北京 102206; 2中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所
水资源与旱作农业研究室, 北京 100081
摘 要: Priestley-Taylor (PT)参考作物蒸散(ET0)估算模式系数(α)的本地化研究, 对于确定水资源高效利用的半旱地
农业生产措施及精准灌溉具有非常重要的意义。本文以 FAO(1998)推荐的 Penman-Monteith (PM)参考作物蒸散估算
方法为标准, 采用涡度相关技术并根据气象数据信息, 监测半干旱气候条件下旱作春玉米农田尺度水、热交换传输过
程, 以分析 Priestley-Taylor模式参数 α的变化特征并确定其本地化估算参数值。结果表明, 年时间尺度变化过程中高
海拔半干旱气候条件下根据 PT 模式推荐系数 α=1.26 确定的参考作物蒸散量(ET0-PT 1.26)估算值, 在 11月至来年 4 月
份非作物生长季期间平均偏低 21.2%, 在 5 月至 9 月份旱作春玉米生育期内平均高于 PM 模式的参考作物蒸散量
(ET0-PM)估算值 5.5%, 研究站点旱作春玉米生长季本地化适宜的 PT模式系数 α值为 1.15±0.06。在季节变化过程中, 旱
作春玉米农田近正午时刻实际 PT 模式系数平均值呈单峰型变化趋势, 春玉米抽雄抽穗开花期达到高峰, 平均值为
0.67±0.08, 苗期最低, 仅为 0.26±0.13, 全生育期平均值为 0.50±0.21。若要在半干旱气候地区根据 PT 模式准确估算
参考作物蒸散量, 需进行 PT模式参数的本地化研究。
关键词: 旱作春玉米农田; Priestley-Taylor系数; 参考作物蒸散; 涡度相关法
Variation of Priestley-Taylor Model Parameter in Rain Fed Spring Maize Field
GUO Jia-Xuan1, MEI Xu-Rong2, LI Qiao-Zhen2, YAN Chang-Rong2, and LI Yu-Zhong2,*
1 Beijing Key Laboratory for Agricultural Application and New Technique, College of Plant Science and Technology, Beijing University of Agricul-
ture, Beijing 102206, China; 2 Water Resources and Dryland Farming Laboratory, Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development,
Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: The study on Priestley-Taylor (PT) reference crop evapotranspiration model coefficient (α) in local area is of great
significance in semi-arid agricultural water resources efficient use and precision irrigation in corn. Here, based on the FAO
(1998)-recommended Penman-Monteith (PM) reference crop evapotranspiration as a standard method, we determined the water
and heat exchange and its estimated parameters by the eddy covariance technique and Priestley-Taylor model under local climatic
conditions. The results indicated that the estimated values of reference crop evapotranspiration (ET0-PT 1.26) gained from PT
model-recommended coefficient (α = 1.26) lowed by 21.2% on an average during non-growth stages (from November to April
next year), and reached an average of 5.5% higher than those from PM model reference crop evapotranspiration (ET0-PM) from
May to September. The local PT model coefficient α value was 1.15 ± 0.06. The average PT model coefficient at noon during
growth stages showed a single peak changing trend with the highest value of 0.67 ± 0.08 from tasseling to flowering stage and
with the lowest value of 0.26 ± 0.13 at seedling stage. In conclusion, if the reference crop evapotranspiration is necissery to be
estimated accurately by PT model in the semi-arid climate area, the local PT parameters should be studied firstly.
Keywords: Rain fed spring maize; Priestley-Taylor parameter; Reference crop evapotranspiration; Eddy correlation method
在我国水资源严重短缺的北方干旱和半干旱地
区, 精确估算农田作物需水量对于加强农田水资源
科学管理具有重要意义。自 Priestly和 Taylor [1]提出
参考作物蒸散估算模型(PT)后引起国内外森林、草
地和农学 [2-7]等学科领域研究人员的广泛关注。PT
方法是基于湍流对蒸散的影响小于辐射对蒸散的影
1106 作 物 学 报 第 39卷

响假设条件下提出的, 为 Penman-Monteith 参考作
物蒸散估算方法的简化形式, 由于其要求输入的气
象变量较少, 因而在区域水资源和农业灌溉管理中
得到广泛应用; 但是该方法对参考作物蒸散量的准
确估算主要依赖于 PT模式系数 α的精确确定。目前,
关于 PT 模式系数 α 值的确定方法可以划分为 3 类,
即以模型模拟[3,5]、大型称重式蒸渗仪(lysimeter) [2]
或波文比-能量平衡法[4]直接测定以及根据遥感信息
估算[8]。在植被覆盖条件下无论是大区域或是小区
域, 或者是几千米尺度下植被覆盖非均匀时, 均可
用该法较好地估算蒸散速率 [9], 通常在湿润下垫面
时 PT 模式系数(α)值为 1.26 [10], 并且不同景观生
态系统下 α值的范围为 1.6~0.7 [11], 特别是在干旱气
候条件下 , 灌溉郁闭小麦田 α 参数值的范围为
1.5~2.0 [12-13]。因此可见, 该系数值常因下垫面和气
候特征等因素不同而具有地域性差异, 并且关于旱
地作物农田 PT 模式系数的变化规律少有研究。本
文采用涡度相关技术研究, 我国黄土高原半干旱地
区旱作春玉米农田 PT 模式系数变化特征, 为该地
区有限水资源的高效利用农业措施制定提供理论
依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
中国农业科学院寿阳旱作农业野外科学观测试
验站地处黄土高原东北部, 隶属于山西省寿阳县(东
经 113°54, 北纬 37°58), 包括山地、丘陵、旱塬及
河谷地形地貌, 海拔高度为 1135 m, 具大陆性季风
型暖温带半湿润偏旱气候, 该站多年平均降水量为
474.2 mm, 降水年际变化较大, 最小年降水量只有
300 mm左右, 降水主要集中在 6~9月, 占全年降水
量的 73.5%。该地区农业水资源主要来源于自然降
水, 属典型旱作农业区, 并以旱作春玉米、谷子为主
要粮食作物。该试验站点设于地势较平坦的旱塬 ,
土壤质地为轻壤土, 土层深厚, 耕层(0~30 cm)有机
质含量为 1.15%。
1.2 试验概况
于 2006年 9月至 2008年 10月监测旱作春玉米
农田气象要素, 在 2008年 4月至 2008年 10月旱作
春玉米生育期监测农田生态系统能量平衡各分项。
供试春玉米品种为强盛 31, 按照当地常规方式进行
农田蓄水保水管理。采用涡度相关方法测定旱作春
玉米农田生态系统能量平衡各分项, 并采用CR5000
型数据采集器记录 30 min时间尺度内的能量平衡各
分项平均值, 涡度相关系统安装高度为 3.5 m。试验
田及周围种植作物均为春玉米, 形成了大范围均匀
下垫面, 基本满足涡度相关仪测定物质和能量通量
时所要求的盛行风向风浪区长度。涡度相关系统测定
指标等详见文献[14]。
1.3 原理与方法
FAO(1998年)推荐的 Penman-Monteith参考作物
蒸散量标准估算方法[15], 是以能量平衡和水汽扩散
理论为基础, 综合考虑了空气动力学、辐射项和作
物生理特征对蒸散的影响作用, 而 Priestley-Taylor
估算方法[1]是在假定湿润气候、无平流以及湍流对
蒸散的影响小于辐射对蒸散的影响作用条件下提出,
是对 Penman-Monteith方法的简化。
( ) ( )
( )
2 s a
n
0 PM
2
900
0.408
273
1 0.34
u e e
R G
TET
u
γ
γ−
−Δ − + += Δ + +
(1)
式中, ET0−PM为参考作物蒸散日总量(mm d−1), (Rn−G)
为可供能量日总量(MJ m−2 d−1), Rn为净辐射日总量
(MJ m−2 d−1), G为土壤热通量日总量(MJ m−2 d−1), γ
为干湿表常数(kPa ℃−1), Δ为温度饱和水汽压斜率
(kPa ℃−1), es和 ea分别为空气饱和水汽压(hPa)和实
际水汽压(hPa), T为日平均气温(℃), u2为 2 m高度处
日平均风速(m s−1)。
0 PT eq·ET Eα− = (2)
( )eq nE R Gγ
Δ= −Δ + (3)
式中, ET0−PT 为参考作物蒸散(mm), Eeq 为平衡蒸发
速率(equilibrium evaporation rate, mm d−1), Eeq可以
根据 2 m高度处的空气温度和地表获取的可供能量
(Rn−G)计算, Rn为净辐射通量密度(W m−2), G为土壤
热通量密度(W m−2)。α为 Priestley-Taylor模式系数,
定义为土壤水分供给限定条件下的蒸散程度, 当 α
值等于 1.26时该模式估算值为湿润气候条件下的参
考作物蒸散量; 并且, Priestley-Taylor模式系数是耦
合因子的倒数, 可根据 2 m 高度处的日平均风速计
算(FAO, 1998)[15]。
1 1c
a
[1 ]
r
r
γα γ
− −= Ω = + ×Δ + (4)
c a 20.34r r u= (5)
a 2208r u= (6)
式中Ω是耦合因子, γc和γa分别是冠层阻力(s m−1)和
空气动力学阻力(s m−1)。
第 6期 郭家选等: 旱作春玉米农田 Priestley-Taylor模式参数的变化 1107


另外, 特定下垫面 Priestley-Taylor 模式系数值
可根据平衡蒸发速率以及涡度相关技术测定的潜热
通量通过公式(7)直接计算。
( )eq n( )
LE LE
LE R G
α γ= = ⎡ ⎤Δ Δ + −⎣ ⎦
(7)
式中, LE为潜热通量密度(W m−2), L为水汽化潜热(J
g−1)。LE、Rn、G由涡度相关系统测定。
2 结果与分析
2.1 旱作春玉米农田监测期间环境因子变化
状况
由图 1可知, 2007年和 2008年旱作春玉米生长
季累计降水量分别为 357.3 mm 和 470.0 mm, 较多
年平均值分别偏低 11.0% (2007 年)和偏高 17.2%
(2008 年), 日累积太阳总辐射月平均值以 6 月最高,
为(21.90±1.97) MJ m−2 d−1, 而月平均气温则在 7月
份最高, 为(21.1±1.3)℃, 在 3 月至 4 月份风速较高,
月平均风速达 2.8 m s−1, 月平均空气相对湿度在 8
月份最高, 为 80%左右, 年时间尺度内空气相对湿
度的波动受降水量的影响较大。根据公式(1)估算的
全年和春玉米生育期(5月至9月)参考作物蒸散量分别
为(815.5±15.6) mm和(506.2±40.0) mm, 年时间尺度内
逐月累积参考作物蒸散量则以 6 月最高(图 1-A), 这
与该地区地表获取的太阳辐射总量的变化趋势相一
致(图 1-B)。
2.2 Priestly-Taylor (PT)模式参数 α值的确定与
评价
PT 模式参数(α)是风速、温度与海拔高度的函数,
风速是影响 α 值变化的主要因素。根据试验监测期
间获取的 2 m 高度处日平均风速资料, 采用公式
(4)~(6)分别计算 α、Ω参数日值及其月平均值; 同时
根据逐日气象数据, 采用公式(1)和(3)计算参考作物
蒸散量和平衡蒸发力日值及其比值(ET0−PM/Eeq)的月
平均值。寿阳地区监测区域年时间尺度内, 由于冬
季 12月份风速较低该时间段内 Priestly-Taylor (PT)
模式系数最小, 平均值为 1.02±0.23; 在春玉米非生
长季节内(10 月至第 2 年 4 月中旬)风速相对较高,
Priestly-Taylor (PT)模式系数相对较大, 该时间段内
平均值为 1.28±0.16, 高峰值出现在 1 月至 2 月份期
间(αmax=1.44±0.18); 而在春玉米生长季节内(5 月至
9 月)温度较高且风速相对较低, 因而该时间段内的
Priestly-Taylor (PT)模式系数值在年时间尺度内为一
相对低值区, 平均值为 1.15±0.06, 最低值出现时间
为 7月至 8月份(αmin=1.09±0.03)(图 2-B)。
在该区域 5 月至 9月春玉米生育期间, PT模式
系数 α=1.26 时根据计算公式(2)和(3)确定的参考作


图 1 旱作春玉米农田环境要素逐月变化趋势(山西寿阳, 2006年 9月至 2008年 10月)
Fig. 1 The variation of environmental factors monthly value in rain fed spring maize field (Shouyang station, Sept. 2006–Oct. 2008)
图中横坐标 1、2、3分别表示 2006年、2007年和 2008年; ET0-PM: 根据 Penman-Monteith 模型估算的参考作物蒸散量(evapotranspiration)
的缩写。
X axis 1, 2 and 3 denote 2006, 2007 and 2008 year, respectively. ET0-PM is the abbreviation for reference crop evapotranspiration gained from
Penman-Monteith model. RH: relative humidity, Ta: air temperature.
1108 作 物 学 报 第 39卷


图 2 山西寿阳地区 Priestly-Taylor模式系数与 2 m高处月平均风速及耦合因子季节变化趋势(2006年 9月–2008年 10月)
Fig. 2 Seasonal changes of Priestly-Taylor parameter, wind speed at 2 m from ground and decoupling factor at Shouyang station
(Sept. 2006–Oct. 2008)
图中横坐标 1、2、3的含义同图 1; ET0-PM含义同图 1。
X axis 1, 2, and 3 have same meaning as in Fig. 1. ET0-PM has same meaning as in Fig. 1. Eeq: equilibrium evaporation rate.

物蒸散量, 高于 Penman-Montieth 模式[15]参考作物
蒸散估算值, 平均偏高 5.5%; 而根据公式(4)~(6)采
用生育期逐日温度和 2 m高度处风速资料确定的逐
日 PT模式系数 α值(α=1.15)计算所得的参考作物蒸
散量估算值, 则低于 PM 模式的估算值, 平均偏低
3.3%, 由此将 2006—2008年春玉米生育期内逐日的
PT模式系数 α平均值(α=1.15)作为该地区 PT模式系
数 α定值。而采用 α为 1.26的常数值以及根据 2 m
高度的风速资料计算的 α 值(α=1.15)估算的春玉米
非生长季节内的参考作物蒸散量均明显低于 PM 模
式[15]估算的参考作物蒸散量, 平均分别偏低 21.2%
和 25.0% (图 3)。因此, 采用 PT系数常数值(α为 1.26)


图 3 山西寿阳站 Priestly-Taylor模式推荐系数与 Penman-Montieth模式可能蒸散估算月平均值季节变化趋势
(2006年 9月–2008年 10月)
Fig. 3 Seasonal changes of monthly average reference evapotranspiration estimated by Penman-Montieth and Priestly-Taylor
methods at Shouyang station (Sept. 2006–Oct. 2008)
图中横坐标的 1、2、3含义同图 1; ET 0-PM含义同图 1; ET0-PT: 根据 Priestly-Taylor模型估算的参考作物蒸散量(evapotranspiration)的缩写。
X axis 1, 2, and 3 have same meaning as in Fig. 1. ET0-PM has same meaning as in Fig. 1. ET0-PT is the abbreviation for reference crop
evapotranspiration gained from Priestly-Taylor model.
第 6期 郭家选等: 旱作春玉米农田 Priestley-Taylor模式参数的变化 1109


进行高海拔干旱和半干旱气候条件下参考作物蒸散
量估算存在一定的偏差, 在作物非生长季节内, 估
算值明显偏低, 而对于作物生长季节内的参考作物
蒸散量的估算则偏高。根据 2 m高度处的风速资料
估算参考作物蒸散量, 尽管在作物的非生长季节内
结果明显偏低, 但在高海拔干旱和半干旱气候条件
下的作物生育期, 尚较准确。
2.3 旱作春玉米农田实际 Priestly-Taylor模式系
数的变化特征
通过公式(7)采用涡度相关系统获取的旱作春玉
米农田 30 min时间尺度潜热通量以及同步气象资料
计算得出的平衡蒸发力数据, 计算并分析旱作春玉
米不同生育期白天时间段内 PT 模式系数的日变化
过程(图 4); 同时根据涡度相关系统获取的近正午时
刻(12:00 至 14:00)的实际潜热通量和同步气象资料
计算的平衡蒸发力数据, 计算逐日 Priestley-Taylor
系数值, 并分析旱作春玉米农田 PT模式系数季节变
化特征(图 5)。
在日变化过程中 , 旱作春玉米农田生态系统
Priestley-Taylor 系数(α)白天时间段内在早晚时刻稳
定性较差, 在上午 9:00 至下午 16:00 时间段内较为
稳定。在旱作春玉米苗期(4.22~5.51)、拔节期(6.10~
7.14)、抽穗灌浆期(7.15~9.15)、蜡熟期(9.16~9.27)
内(图 4), 近正午时刻(12:00~14:00)的 PT 系数(α)平
均值分别为 0.47±0.01、0.63±0.01、0.93±0.29 和
0.52±0.11。
春玉米全生育期内 Priestley-Taylor 系数(α)呈单
峰型变化趋势(图 5)。其生育初期(DOY113~129), 土
壤水分亏缺且地表近乎裸露的情况下, α均为生育期
内的最低值, 为 0.26±0.13, 此后均呈缓慢增加趋势,
在抽雄抽穗开花期达到高峰且平均值为 0.67±0.08,
整个生育期内 Priestley-Taylor 系数平均值为 0.50±
0.21 (不包括降雨前后的野点数据)。天气状况变化导
致农田生态系统 PT模式系数突变。降水过后土壤湿
度变化, α系数呈升高趋势, 降水过程中 α多数情况
下异常, 降水前由于近地气层空气的不稳定性, 有
时能量分配参数也会出现异常现象。
3 讨论
基于半经验半理论的 Priestly-Taylor 方法估算
参考作物蒸散时, 主要依赖于 Priestley-Taylor 模式
系数 α 值的本地化准确程度, 通常在湿润气候条件
下 α值为 1.26 [10]。尽管 PT模式适宜于任何气候类
型的参考作物蒸散估算[16], 但是由于该模式忽略了

图 4 旱作春玉米农田生态系统 PT模式系数不同生育期日变化
过程(山西寿阳, 2008)
Fig. 4 Diurnal changes of spring maize field Priestly-Taylor
parameter in different seasons at Shouyang station in 2008
A: 能量平衡各分项全生育期平均日变化; B: PT模式系数全生
育期平均日变化; C: 不同生育期 PT模式系数日变化。
A: the mean daily change for energy balance components during all
growth period; B: the mean daily change for Priestly-Taylor pa-
rameter during all growth period; C: the mean daily change for
Priestly-Taylor parameter at different growth period.


图 5 山西寿阳旱作春玉米生育期内正午时刻(12:00−14:00) PT
系数季节变化趋势(2008年)
Fig. 5 Seasonal changes of Priestly-Taylor parameter during
midday time period in rain fed maize field at Shouyang station
in 2008
1110 作 物 学 报 第 39卷

空气动力学项对蒸散的影响作用, 导致其应用于非
湿润气候条件下结果的一定偏差。以 FAO(1998)推
荐的 Penman-Montieth 参考作物蒸散标准方法[15]为
基准研究表明, 全球不同气候区域以 PT推荐模式系
数估算的参考作物蒸散量平均较 PM 模式估算值偏
低 22% [16], 在内蒙干旱地区以 Priestley-Taylor法在
6 月中旬之后的计算值与 Penman-Monteith 计算值
偏差减小[17], 以 PM 模式为基础将 PT 系数修正为
1.3 [17]以及根据MODIS获取的地表反射率和植被指
数资料计算 PT 模式系数 [18], 均可较好地估算黑
河流域的参考作物蒸散量 , 在半湿润地区根据张
志明 [19]确定的 α 修正公式计算太行山前平原的参
考作物蒸散量仍偏低 , 由此导致计算的作物系数
偏高 [20]。本研究表明 , 在山西高海拔半干旱气候
区 Priestly-Taylor 模式推荐系数在作物非生长季
期间会过低估算参考作物蒸散量 , 而在作物生长
季则估算值过高 ; 本地区旱作春玉米生长季节 ,
Priestly-Taylor模式系数的适宜值为 1.15±0.06。因此,
Priestly-Taylor参考作物蒸散估算模式系数的本地化
研究, 对于该模式的推广应用具有重要意义。
4 结论
在山西半干旱气候地区旱作春玉米生长季节 ,
Priestly-Taylor模式系数的适宜值为 1.15±0.06, 采用
PT 模式推荐系数(1.26)在作物非生长季会过低估算
参考作物蒸散量, 而在作物生长季则过高估算参考
作物蒸散量; 旱作春玉米农田全生育期近正午时刻
平均 PT模式系数测定值为 0.50±0.21。
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