2018 年7 月 灌溉排水學(xué)報(bào) 第37 卷 第7 期 Jul. 2018 JournalofIrrigationandDrainage No.7 Vol.37 文章編號(hào) ： 1672-3317 （2018 ） 07-0061-06 Venlo 型溫室內(nèi)參考作物蒸散量計(jì)算方法比較研究 趙寶山 a ， 閆浩芳 a* ， 張 川 b ， SamuelJoeAcquah a ， 毋海梅 a ， 張亨年 b （ 江蘇大學(xué) a. 流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心 ；b. 農(nóng)業(yè)工程研究院 ， 江蘇 鎮(zhèn)江212013 ） 摘 要 ： 【 目 的 】 明 確 溫 室 內(nèi) 參 考 作 物 蒸 散 量(ET0) 計(jì) 算 方 法 。 【 方 法 】 通 過(guò) 實(shí) 測(cè)Venlo 型 溫 室 內(nèi) 氣 象 數(shù) 據(jù) , 并 對(duì)FAO-56 Penman-Monteith(FAO-56P-M) 中 隱 含 的 空 氣 動(dòng) 力 阻 力r * a 進(jìn) 行 修 正 ， 以 修 正 后 的Penman-Monteith 法 作 為 計(jì) 算 溫 室 內(nèi)ET0 的 標(biāo) 準(zhǔn) 方 法 ， 對(duì) 其 他4 種 常 用 的ET0 計(jì) 算 方 法 ： FAO-56 P-M 法 、 FAO-24 Penman 法 、 Irmak-Allen (I-A) 法 、 Priestley-Taylor (P-T) 法 進(jìn) 行 了 對(duì) 比 分 析 。 【 結(jié) 果 】 試 驗(yàn) 期 間 溫 室 內(nèi) 日ET0 變 化 范 圍 為0.496.04 mm/d , 平 均 為2.43 mm/d ;4 種 計(jì) 算 方 法 與Penman-Monteith(P-M) 修 正 法 均 具 有 良 好 的 線 性 關(guān) 系(R 2 >0.90) ， FAO-24Penman 法 與P-M 修 正 法 計(jì) 算 結(jié) 果 最 為 接 近(RMSE=0.40mm/d ， NSE=0.93) ， 其 次 為I-A 法(RMSE=0.67mm/d ， NSE=0.81) 、 P-T 法(RMSE =0.76 mm/d ， NSE=0.76) ， 而 在 大 田 條 件 下 廣 泛 應(yīng) 用 的FAO-56 P-M 法 表 現(xiàn) 最 差(RMSE=1.18 mm/d ， NSE=0.41) 。 【 結(jié) 論 】 4 種ET0 計(jì)算方法中 ， I-A 法應(yīng)用最簡(jiǎn)便 ， 可作為氣象資料短缺條件下該地區(qū)溫室ET0 的簡(jiǎn)化計(jì)算方法 。 關(guān) 鍵 詞： 溫室 ； 氣象數(shù)據(jù) ； 蒸散量 ；ET0 ；Penman-Monteith 模型 ； 作物需水量 中圖分類號(hào)： S161.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ： A doi ： 10.13522/j.cnki.ggps.2017.0507 趙寶山， 閆浩芳， 張川， 等.Venlo 型溫室內(nèi)參考作物蒸散量計(jì)算方法比較研究J. 灌溉排水學(xué)報(bào) ， 2018， 37 （7 ） ： 61-66. 0 引 言 近 年 來(lái) ， 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 作 為 高 新 技 術(shù) 產(chǎn) 業(yè) 得 到 迅 速 發(fā) 展 ， 溫 室 產(chǎn) 業(yè) 在 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 中 占 主 體 地 位 ， 在 我 國(guó) 蔬 菜 花 卉 等 的 供 應(yīng) 上 發(fā) 揮 了 重 要 作 用 ， Venlo 型 溫 室 作 為 世 界 上 應(yīng) 用 最 廣 的 現(xiàn) 代 化 智 能 玻 璃 溫 室 在 我 國(guó) 得 到 了 廣 泛 應(yīng) 用 1-3 。 溫 室 作 物 需 水 主 要 源 于 灌 溉 ， 因 此 準(zhǔn) 確 計(jì) 算 作 物 需 水 量 對(duì) 制 定 科 學(xué) 的 灌 溉 制 度 , 發(fā) 展 節(jié) 水 農(nóng) 業(yè) 和 提 高 溫 室 作 物 產(chǎn) 量 與 品 質(zhì) 等 方 面 具 有 重 要 意 義 。1977 年 聯(lián) 合 國(guó) 糧 農(nóng) 組 織 （FoodandAgriculturalOrganiza- tion ， FAO ） 推薦 使用 參考 作物 蒸散 量 （ET0 ） 乘以 作物 系數(shù) （Kc ） 的方 法被 廣泛 應(yīng)用 于作 物需 水量 的計(jì) 算 4 ， 因此 計(jì)算溫室作物需水量的關(guān)鍵之一是計(jì)算ET0 。 經(jīng) 過(guò) 多 年 發(fā) 展 已 有 較 多 的ET0 計(jì) 算 方 法 ， 1998 年FAO 推 薦FAO-56Penman-Monteith （FAO-56P-M ） 法 作 為 計(jì) 算ET0 的 標(biāo) 準(zhǔn) 方 法 并 被 廣 泛 應(yīng) 用 5 ， 但 該 方 法 在 氣 象 資 料 缺 失 地 區(qū) 應(yīng) 用 時(shí) 受 限 ， 其 他ET0 計(jì) 算 方 法 的 評(píng) 價(jià) 與 校 正 在 大 田 環(huán) 境 下 已 有 大 量 研 究 6-8 ， 且 大 都 以FAO-56P-M 方 法 計(jì) 算ET0 作 為 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) ， 在 風(fēng) 速 微 小 的 溫 室 小 氣 候 環(huán) 境 下 ， 直 接 取 風(fēng) 速 為0 ， 忽 略 了 公 式 中 空 氣 動(dòng) 力 學(xué) 項(xiàng) ， 該 方 法 的 準(zhǔn) 確 性 受 到 質(zhì) 疑 。 溫 室 環(huán) 境 下 對(duì) 蒸 散 發(fā) 的 研 究 主 要 集 中 在 特 定 作 物 上 ， 如 劉 浩 等 9 基 于Penman-Monteith 模 型 建 立 了 日 光 溫 室 番 茄 蒸 散 發(fā) 的 估 算 模 型 ， 羅 衛(wèi) 紅 等 10 和 汪 小 旵 等 11 利 用Penman-Monteith 模 型 對(duì) 溫 室 黃 瓜 蒸 散 發(fā) 進(jìn) 行 了 模 擬 研 究 ， 但ET0 計(jì) 算 方 法 在 溫 室 內(nèi) 對(duì) 比 評(píng) 價(jià) 研 究 極 少 ， 僅 見Fernández 等 12 比 較 各ET0 計(jì) 算 方 法 在 地 中 海 地 區(qū) 溫 室 內(nèi) 的 適 用 性 ， 其結(jié)果對(duì)于其他氣候環(huán)境下及不同類型溫室內(nèi)的適用性有待進(jìn)一步研究 。 通 過(guò) 實(shí) 測(cè) 溫 室 內(nèi) 氣 象 數(shù) 據(jù) ， 對(duì)FAO-56P-M 方 法 中 隱 含 的 空 氣 動(dòng) 力 阻 力 項(xiàng) 重 新 修 正 ， 得 到 更 接 近 溫 室 環(huán) 境 下 計(jì) 算ET0 的Penman-Monteith （P-M ） 修 正 法 ， 以 該 方 法 計(jì) 算 結(jié) 果 為 標(biāo) 準(zhǔn) ， 對(duì) 其 他4 種 應(yīng) 用 廣 泛 的ET0 計(jì) 算 方 法 ： FAO-56P-M 法 、 FAO-24Penman 法 、 Priestley-Taylor （P-T ） 法 和Irmak-Allen （I-A ） 法 進(jìn) 行 分 析 評(píng) 價(jià) ， 以 期 為該地區(qū)Venlo 型溫室作物需水量的計(jì)算及灌溉制度的確定提供一定理論依據(jù) 。 收稿日期 ： 2017-08-21 基金項(xiàng)目 ： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51509107 ,51609103 ） ； 江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （BK20150509 ， BK20140546 ） 作者簡(jiǎn)介 ： 趙寶山 （1995- ） ， 男 ， 甘肅平?jīng)鋈?。 碩士研究生 ， 主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水與生態(tài)水文過(guò)程研究 。E-mail ： zhao_baoshanoutlook.com 通信作者 ： 閆浩芳 （1983- ） ， 女 ， 內(nèi)蒙古呼和浩特人 。 副研究員 ， 碩士生導(dǎo)師 ， 主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉與水分高效利用方面的研究 。 E-mail ： yanhaofangyahoo.com 611 材料與方法 1.1 基于Penman-Monteith 模型的ET0 計(jì)算方法描述 Penman-Monteith 模 型 結(jié) 合 了 植 被 表 面 水 汽 蒸 發(fā) 過(guò) 程 中 的 物 理 和 作 物 生 理 特 征 ， 該 單 層 模 型 被 廣 泛 用 于 計(jì)算作物蒸散 13-14 。FAO 小組專家推薦基于該模型計(jì)算ET0 ， 該模型表達(dá)式為 15 ： E T 0 = 1 ( ) R n - G + a C p e s - e a r * a + ( 1 + r * c r * a ) ， （1 ） 式 中 ： 為 水 的 汽 化 潛 熱 （MJ/kg ） ； ET0 為 參 考 作 物 蒸 散 量 （mm/d ） ； 為 飽 和 水 汽 壓 曲 線 斜 率 （kPa/ ） ； Rn 為 凈 輻 射 （MJ/ （m 2 ·d ） ） ； G 為 土 壤 熱 通 量 （MJ/ （m 2 ·d ） ） ； a 為 空 氣 密 度 （kg/m 3 ） ； Cp 為 空 氣 常 壓 下 比 熱 ， 其 值 為 1.013×10 -3 MJ/ （kg· ） ； es 為 飽 和 水 汽 壓 （kPa ） ； ea 為 實(shí) 際 水 汽 壓 （kPa ） ； 為 濕 度 計(jì) 常 數(shù) ， 其 值 為0.067 kPa/ ； r * a 為 參 考 作 物 至2 m 參 考 高 度 處 的 日 平 均 空 氣 動(dòng) 力 阻 力 （s/m ） ； r * c 為 參 考 作 物 日 平 均 冠 層 阻 力 ， 其 值 為70s/m 5 。 r * a 計(jì) 算 方 法 受 空 氣 對(duì) 流 類 型 和 冠 層 氣 溫 差 異 的 影 響 可 能 不 同 16 ， 選 擇 不 同r * a 計(jì) 算 方 法 又 會(huì) 影 響 計(jì) 算ET0 的準(zhǔn)確度 。FAO-56 中推薦的r * a 計(jì)算方法為 ： r * a = 208 U 2 ， （2 ） 式中 ： U2 為2m 高處日平均風(fēng)速 ， 進(jìn)而得出了被廣泛應(yīng)用于大田條件下計(jì)算ET0 的FAO-56P-M 方法 。 在U2 為0 或 微 小 的 溫 室 環(huán) 境 下 ， 用 式 （2 ） 計(jì) 算r * a 將 趨 于 無(wú) 窮 大 或 嚴(yán) 重 高 估 其 實(shí) 際 值 ， 因 為 在 溫 室 內(nèi) 即 使 無(wú) 可 測(cè) 量 的 水 平 風(fēng) ， 自 由 對(duì) 流 條 件 仍 然 存 在 ， 水 汽 傳 輸 在 作 物 冠 層 內(nèi) 仍 在 進(jìn) 行 17 。Thom 等 18 提 出 的 計(jì) 算 模 型 可 彌 補(bǔ) 低 風(fēng) 速 條 件 下 應(yīng) 用 式 （2 ） 的 不 足 ， Jackon 等 17 認(rèn) 為 該 方 法 在 高 或 低 風(fēng) 速 條 件 下 均 有 較 高 的 準(zhǔn) 確 性 ， 參考作物的r * a 計(jì)算式可如式 （3 ） 所示 ： r * a = 4. 72 é ë ê ê ù û ú ú l n ( ) 2 - d Z 0 2 / ( 1 + 0. 54 U 2 ) ， （3 ） 式 中 ： d 為 零 面 位 移 高 度 （m ） ； Z0 為 粗 糙 長(zhǎng) 度 （m ） ； Allen 等 5 指 出 參 考 作 物 高 度h0= 0.12 m 且d = 0.67h0 ， Z0= 0.123h0 。 將 式 （3 ） 代 入 式 （1 ） 即 可 得 到P-M 修 正 法 19-20 。 已 有 大 量 學(xué) 者 將 該 方 法 作 為 溫 室 環(huán) 境 下ET0 的 計(jì) 算 方法 21-23 。 1.2 其他ET0 計(jì)算方法描述 1977 年 由Doorenbos 和Pruitt 等 推 薦 的FAO-24 Penman 方 法 以 能 量 平 衡 和 紊 流 擴(kuò) 散 原 理 為 理 論 基 礎(chǔ) ， FAO-24Penman 公式 由輻 射項(xiàng) 和空 氣動(dòng) 力學(xué) 項(xiàng)組 成 ， 并在 空氣 動(dòng)力 學(xué)項(xiàng) 中引 入了 更為 敏感 的風(fēng) 函數(shù) ， 該方 法 仍為濕潤(rùn)下墊面條件下計(jì)算ET0 的主要方法 24-25 。 1972 年P(guān)riestley 和Taylor 以 平 衡 蒸 發(fā) 為 基 礎(chǔ) ， 通 過(guò) 對(duì) 大 區(qū) 域 飽 和 陸 面 和 海 洋 的 氣 象 數(shù) 據(jù) 觀 測(cè) 提 出 了 假 設(shè) 無(wú) 平 流 條 件 下 估 算 蒸 散 發(fā) 的P-T 法 ， 該 方 法 將1948 年 提 出 的Penman 模 型 中 空 氣 動(dòng) 力 學(xué) 項(xiàng) 整 合 進(jìn)P-T 系 數(shù) ， 并推薦 取值1.26 26 ， P-T 法成為計(jì)算ET0 的應(yīng)用較簡(jiǎn)單的方法得到廣泛應(yīng)用 。 2003 年Irmak 和Allen 通 過(guò) 實(shí) 測(cè) 美 國(guó) 東 南 部 濕 潤(rùn) 地 區(qū) 多 年 氣 象 數(shù) 據(jù) ， 以FAO-56P-M 法 為 標(biāo) 準(zhǔn) ， 對(duì) 主 要 影 響ET0 的 氣 象 因 子 輻 射 和 氣 溫 進(jìn) 行 多 元 線 性 回 歸 后 得 出 了 計(jì) 算ET0 的 簡(jiǎn) 化 經(jīng) 驗(yàn) 方 法 ， 并 推 薦 在 氣 象 資 料 短 缺 時(shí)作為該地區(qū)計(jì)算ET0 的首選方法 27 。 各ET0 計(jì)算方法公式如表1 所示 。 1.3 試驗(yàn)區(qū)概況與數(shù)據(jù)采集 試 驗(yàn) 于 江 蘇 大 學(xué) 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 裝 備 與 技 術(shù) 省 部 共 建 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室Venlo 型 溫 室 內(nèi) 進(jìn) 行 。 試 驗(yàn) 地 位 于 江 蘇 省 鎮(zhèn) 江 市 （32°11 N 、 119°25 E ， 海 拔23m ） ， 屬 亞 熱 帶 季 風(fēng) 氣 候 區(qū) 。 溫 室 覆 蓋 材 料 為 厚4mm 的 浮 法 玻 璃 ， 溫 室 屋 脊 南 北 走 向 ， 長(zhǎng)20m ， 占 地 面 積640m 2 （32m×20m ） 。 溫 室 天 溝 高3.8m ， 檐 高4.4m ， 跨 度6.4m ， 共5 跨 ， 每 跨 有2 個(gè) 小 屋 頂 。 溫 室 由 東 中 西3 個(gè) 開 間 組 成 ， 東 西 開 間 各2 跨 ， 中 開 間1 跨 。 本 試 驗(yàn) 在 東 開 間 內(nèi) 進(jìn) 行 ， 觀 測(cè) 時(shí) 段 為2016 年5 月10 日 7 月20 日 ， 試 驗(yàn) 期 溫 室 內(nèi) 種 植 作 物 為 番 茄 ， 均 采 用 自 動(dòng) 滴 灌 系 統(tǒng) 灌 水 。 試 驗(yàn) 期 間 中 午氣溫較高時(shí)手動(dòng)開啟溫室風(fēng)機(jī) 。 62表1 各ET0 計(jì)算方法及所需參數(shù) 方法 P-M 修正 FAO-56P-M 5 FAO-24Penman 25 P-T 26 I-A 27 注 Tmax 、 Tmin 分別為日最高氣溫和日最低氣溫 （ ） ； RHmax 、 RHmin 分別為日最高相對(duì)濕度和日最低相對(duì)濕度 （% ） ； c 為調(diào)整系數(shù) ， 無(wú)量綱 ； 表 中其余變量含義同前 。 公式 E T 0 = 0. 40 8 ( ) R n - G + 1658 ( ) e s - e a T + 273 + 1. 6 3 E T 0 = 0. 40 8 ( ) R n - G + 900 T + 2 73 U 2 ( e s - e a ) + ( 1 + 0 . 3 4U 2 ) E T 0 = c é ë ê ù û ú + R n - G + 2. 7 + f ( U ) ( e s - e a ) f ( U ) = 1 + 0 . 8 64U 2 ; c = 1 E T 0 = 1. 26 + ( ) R n - G E T 0 = 0. 4 89 + 0 . 289R n + 0. 023 T 所需參數(shù) Tmax ， Tmin ， Rn ， G ， RHmax ， RHmin Tmax ， Tmin ， Rn ， G ， RHmax ， RHmin ， U2 Tmax ， Tmin ， Rn ， G ， RHmax ， RHmin ， U2 Tmax ， Tmin ， Rn ， G Tmax ， Tmin ， Rn 編號(hào) （4 ） （5 ） （6 ） （7 ） （8 ） 溫 室 內(nèi) 安 裝 有 自 動(dòng) 氣 象 觀 測(cè) 系 統(tǒng) ， 2m 高 處 氣 溫 和 相 對(duì) 濕 度 由HOBO 氣 象 站 測(cè) 定 ， 風(fēng) 速 由 三 杯 風(fēng) 速 計(jì) S-WSET-B （Onset HOBO ， 美 國(guó) ） 測(cè) 量 ， 啟 動(dòng) 風(fēng) 速 為0.5 m/s 。2.5 m 高 處 太 陽(yáng) 凈 輻 射 由NR Lite2 （Kipp b.InstituteofAgriculturalEngineering,Zhenjiang212013,China) Abstract: 【Objective 】Differentmethodsareavailableforcalculatingthereferencecropevapotranspiration(ET0), and the purpose of this paper is to compare their applications in irrigated greenhouses. 【Method 】Experiment was carried out in a Venlo-type greenhouse with the meteorological factors in the house measured. The FAO-56 Pen- man-Monteithformulawasmodifiedusingafixedaerodynamicresistancer * a.Wecomparedfourcommonly-used modelstocalculatetheevapotranspiration:theFAO-56Penman-Monteith,theFAO-24Penman-Monteithmethod, thePriestley-TaylorandtheIrmak-Allen,withthePenman-Monteithmodified(P-MM)asthecontrol. 【Result 】 Dur- ingtheexperimentalperiod,thedailyET0variedfrom0.49to6.04mm/dwithanaverageof2.43mm/d.Theevapo- transpirationcalculatedusingallmodelswaslinearlycorrelated(R 2 >0.9)tothevaluescalculatedfromtheP-MM, withtheFAO-24havingRMSE=0.40mm/dandNSE=0.93,theIrmak-AllenhavingRMSE=0.67mm/dandNSE= 0.81, and the Priestley-Taylor having RMSE=0.76 mm/d and NSE=0.76. The FAO-56 Penman-Monteith model waswidelyusedinthefield,butitsapplicationtothegreenhousewasunsatisfactorywith RMSE=1.18mm/dand NSE=0.41. 【Conclusion 】ComparingallavailablemodelsshowedthattheIrmak-Allenmodelismostsuitablefor calculatingET0inthegreenhouses. Keywords:greenhouse;meteorologicaldata;evapotranspiration;ET0;Penman-Monteithmodel;cropwater requirement 責(zé)任編輯 ： 趙宇龍 66