不同发育阶段玉米蒸发蒸腾量的模拟及其影响因素外文翻译资料

 2022-11-26 19:51:06

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科罗拉多东南部ASCE-EWRI(美国土木工程学会环境与水资源分会)标准化Penman-Monteith(彭曼-蒙蒂斯)蒸散量（ET）方程式的表现

阿纳亚苏贝迪（博士生）a，乔斯·L·查维斯（副教授）a,*，阿伦·A·安达莱斯（副教授）b

a美国科罗拉多州立大学土木与环境工程系

b美国科罗拉多州立大学土壤与作物科学系

关键词：苜蓿水使用，蒸渗仪，大气稳定性。

作物用水量或蒸发量（ETc）的量化，对于高效的灌溉水管理是非常重要的。ASCE-EWRI标准化的彭曼-蒙蒂斯模型(PM)蒸散发方程(ETsz)一直以来被美国土木工程师协会(ASCE)所推崇，用来估算参考ET值。通过标准化ET方程（ETrs）以及苜蓿作物系数（Kcr）获得的参考苜蓿ET值，可用于估算给定的作物ETc值。在本研究中，我们通过使用2009年至2012年位于美国科罗拉多州洛基福克斯附近的大型单片精密称重蒸渗仪的苜蓿ET（ETr）测量数据，评估了ETsz方程式。

针对个别年份和所有年份的不同大气稳定性条件，PM ETsz方程的性能评估已经完成。同时，对多个苜蓿切割周期的评估也完成了。结果表明，在稳定的大气条件下，该方程式低估了ETr（-0.04 mm / h（-14％））的测量值。尽管如此，ETsz值与不稳定大气条件下的蒸渗仪相匹配。此外，在中性大气条件下，一些较大散射ETrs值(RMSE为0.11 mm / h(25.5%))得到了观测。 ETrs值的对比结果，为2009 - 2011年的日常时间步长提供了可接受的结果。然而，对于2012年的数据，每日的ETrs对比结果是不可接受的，其中包括了严重的热平流的影响。再者，我们发现ETsz方程式高估了ETr值，第一次苜蓿切割周期的MBE为0.05mm / h（18.1％），第二次以及第三第四次紫外线切割周期的ETE略低于（0.02％/ h（-5.7％））ETr值。因此，我们建议在稳定大气条件下调整（降低）ASCE标准化ETrs方程中常数Cd的值；或者调整（增加）镉价值或开发苜蓿第一次切割周期的不同套作物系数，这最终有助于提高农业用水效率。

1 引 言

灌溉是最大的水资源消耗者。随着人口的增加和生活水平的提高，淡水资源的争夺日益加剧，灌溉用水也日益受到限制。准确计算作物对水的需求是至关重要的，这有助于确定在某一领域的灌溉用水量。蒸散量（ET）是实际用于作物代谢活动的水（Subedi等，2013）。因此，ET值的量化在确定灌溉用水需求方面发挥了重要的作用。自Penman（1948）开发了蒸发和蒸散蒸腾方程，原有的方程式已经得到了多方面的提升。一些与彭曼相关的公式是：美国土木工程师学会（ASCE）PMFAO-56 PM，金伯利·彭曼，彭曼，CIMIS彭曼和完整版的Penman蒙特斯方程。此外，哈格里夫斯方程，普里斯特利泰勒公式，布拉尼·克里德尔和Thornthwaite公式已被发展到并用于估计可能的ET值（苏贝迪和查韦斯，2015年）。

在PM方程的许多形式中，对于高参考作物（紫花苜蓿），使用最广泛的方程是Penman-Monteith方程（Monteith，1965）和ASCE-EWRI（2005）标准化参考ET方程式。完整版的PM(1965)方程包括以下各项: 净太阳短波入射辐射、土壤热通量、饱和水气压和温度曲线的斜率、水汽压差、空气密度、恒压下的比热、热、水汽传递和表面阻力的气动阻力。然而，在ASCE-EWRI（2005）标准化参考ET方程中，完整版Penman-Monteith方程中的后四个变量对于两个参考作物（苜蓿或草）是标准化的，并且为了简化而包括常数。如果给定的作物空气动力学和表面电阻是已知的，完整版本的PM方程来可被用于计算任何作物，任何高度和任何时间步长的ET值。PM标准化参考ET方程基本上是为了通过用常数（从标准“设定”作物高度和表面均匀性/粗糙度导出的标准电阻值）代替电阻项来简化完整版PM方程，并且可以用于计算参考作物ET 从草或苜蓿每小时或每日时间步骤参考（标准）条件。然后，可用参考作物ET（ETref）值乘以作物系数（Kc），来获得作物用水或ET的估计值。

参考ET的定义是，来自密度和表面阻力的均匀表面上，在不缺乏土壤水份的情况下积极生长的拥有特定高度和表面阻力的植被的ET率，并代表着相似或相同植被在至少100米的扩张范围(ASCE-EWRI,2005)。两个ETref表面，短(剪草)和高(苜蓿)作物被使用；这里ETos被定义为短作物的蒸散蒸发，其高度为12厘米，每日表面阻力为70 s / m，而ETrs则被定义为高作物的蒸散蒸发，其高度为50厘米，每日表面阻力45 s / m(ASCE-EWRI，2005)。作物系数（Kc）还有ETref值需要被用于计算给定的作物ET(ETc)值，而对于草和苜蓿的优化水资源管理则不需要此系数。

许多研究表明，PM ETref方程低估了具有高蒸发需求的半干旱和有风区域的测量ETref值（ETo，即参考草ET或ETr）（Ranaet al.，1994; Steduto et al.，1996; Pereira等，1999；Todorovic，1999; Ventura等，1999; Sellers，1965；Lecina等，2002）。一些作者声称，恒定表面电阻的假设是低估ETref的主要原因，而其他人则表示在PM方程中对表面温度的排除以及对饱和蒸气压与温度（曲线）的线性关系的假设是低估ETref的主要原因。因此，本研究的目的是为了评估美国科罗拉多州东南部参考条件下苜蓿ET的量化方法，使用大型称重蒸渗仪对PM ETsz方程的性能进行评估。

2 材料和方法

2.1 ASCE-EWRI标准化蒸散发方程

ASCE标准参考蒸散量方程是建立在Penman-Monteith方程之上的，具有空气动力学和表面电阻的一些简化和标准化。方程式如下：

其中：ETsz =短作物（草）（ETos）或高作物（苜蓿）（ETrs）的表面标准参考作物蒸散量（日间时间步长：mm / d或小时时间步长：mm / h）；Rn =计算作物表面的净辐射量（MJ / m2 / d，日间时间步长或MJ / m2 / h）；G =土壤表面的土壤热通量密度（MJ / m2 / d，日间时间步长，MJ / m2 / h）；T =在地面以上1.5-2.5米高度测得的平均日平均气温或小时空气温度（℃）；U2 =在2米（m / s）高度处的日平均或小时平均风速测量值；es =在1.5-2.5米（kPa）的高度处的饱和蒸气压测量值，以日常时间步长计算，作为饱和蒸汽压力在最高和最低气温下的平均值；ea =在1.5-2.5米（kPa）的高度处的平均实际水气压力测量值=饱和蒸汽压力-温度曲线斜率（kPa /℃）；gamma;=湿度常数（kPa /℃）；Cn =随参考类型和计算时间步长（K mm s3 / Mg / d或K mm s3 / Mg / h）变化的分子常数；Cd =随参考类型和计算时间步长（s / m）变化的分母常数 ；0.408系数单位为m2 mm / MJ

对于每日时间步长，短而高参考表面的Cn值分别为900和1600，而对于小时时间步长则分别为37和66。类似地，对于每日时间步长，短而高参考表面的Cd值分别为0.34和0.38，而对于短日和短夜分别为0.24和0.96；对于长日和长夜则分别为的0.25和1.7（ASCE-EWRI，2005）。

实际上有3种类型的大气稳定条件，即稳定，不稳定和中性。如果表面比其上层的空气温暖，热量将从表面传向空气，这被称为不稳定的大气条件。同样，如果表面比其上层的空气寒冷，则热量将从空气传到表面，这被称为稳定的大气条件。然而，当上述表面和其上层空气具有相似的温度时，则称为中性大气条件。本研究目的是评估ASCE-EWRI ETrs方程在这3种不同大气稳定条件下的性能。

随着谢长廷等人的研究(1999)，大气稳定性随之被确定。他们建议如果| z / L | lt;0.02，则为中性；如果Monin-Obukhov稳定性长度大于零，并且| z / L | gt; 0.02，则稳定；如果Monin-Obukhov稳定性长度小于零，并且| z / L | lt;0.02，则大气处于不稳定状态（其中z为风速测量的高度，L为Monin-Obukhov长度）。为了确定L，需已知显热通量（H）。H的通量被作为从溶度计测量的潜热通量（LE），溶度仪站测量的净辐射（Rn）和土壤热通量（G）的残留量来计算。Monin-Obukhov长度（L）可通过利用Arya（2001）给出的方程计算：

其中u*为摩擦速度（m / s），k为von-Karman常数（0.41），g为重力加速度（9.81 m / s2），T0为空气温度（K），H0为 显热通量（W / m2），rho;是空气密度（kg / m3），Cp是空气在恒定压力（J / kg / K）下的比热。

摩擦速度（u*）则由Campbell和Norman（1998）定义的方程来计算：

其中u是在表面上方2 m高度处测得的水平风速（m / s），z为风速测量的高度，为2 m，d为零平面位移高度（m）和z0是动量传递的粗糙度长度（m）。“d”的计算值为作物冠层高度的0.67倍；而z0计算值为作物冠层高度的0.123倍。

图1. 此图显示了蒸渗仪场和大蒸渗仪以及位于场中心附近的气象站

2.2 研究位置与管理

此项研究在科罗拉多州立大学阿肯色山谷研究中心(CSU,AVRC)开展。站点的地理坐标是38◦2rsquo; N和103◦41rsquo;W，平均海拔位于海平面1274米(实验室)。研究场地的面积为160m x 250m，在2009年至2012年间该地区植被被苜蓿所覆盖。在紫花苜蓿地的中部附近有一个巨大的单块蒸渗仪。2007年8月9日，蒸渗仪以及周边地区被苜蓿（热那亚品种）所覆盖，并在整个研究期间保持相同的苜蓿植物。图1显示了2012年苜蓿覆盖的称重蒸渗仪的图片。作为仪器仪表的一部分，有一个净辐射计（Q 7.1净辐射计，REBS，CSI，洛根，美国犹他州），两个红外温度计（IRT，SI-111 Apogee，Logan，美国犹他州），一个看起来是最低点，另一个倾斜，来测量作物辐射表面温度。此外，将四个土壤热通量板（REBS模型HFT3，CSI，洛根，犹他州，美国）埋在土壤中，土壤温度和土壤含水量传感器的深度10厘米的位置，用于估计土壤地面上的热通量（G）。土壤热通量计算为白天的Rn为4％和夜间的Rn为20％（ASCEEWRI，2005）。风速和风向分别由位于地面2米处的RM Young 03101 Wind Sentry杯风速计和RM Young Wind Monitor（风速计）测量。空气温度和湿度由位于地面以上1.5米处的维萨拉HMP45传感器测量（Berrada等，2008; AlWahaibi，2011）。

用沟灌系统对蒸渗仪场进行灌溉。虹吸管用于将水从混凝土渠（沟）输送到区域中。将两个38毫米直径（1.5英寸）的机电钢管（EMT）用于中子型土壤水分计测量，安装在蒸渗仪土壤整料中，四个安装在裂解仪外面（每个罗盘方向一个）至2米深。中子探针（503 DR Hydroprobe，尼共国际有限公司。）用于测量土壤水分含量 （体积％）在土壤剖面中的10，30，50，70，80，110，130，150，170和190cm深度。灌溉池和周围田地以保持土壤含水量，土壤根系中土壤有效水分的50％以上。2009年苜蓿季节的灌溉事件数量为2009年7此，2010年为7次，2011年为6次，2012年为4次。在2009年，2010年和2011年，可能会有四次收成，然而2012年只有3次收成。

每小时ETsz，即ASCE 标准参考蒸发方程，按照ASCE-EWRI任务委员会报告（2005）的建议而使用。由于风速在苜蓿田（溶度仪场）测量，所以测量的风速调整在海拔2米的草地表面上模拟风速(0.12米高)。根据ley等人(2009)提出的建议，本程序采用了艾伦和赖特(1997)提出的建议。对于每天的比较，从方程式计算的24小时ET值的总和。

苜蓿ET率由大型称重单片式蒸渗仪测量。在每个生长季节每2秒和15分钟平均记录得到蒸渗仪称重传感器输出。校准过程将称重传感器输出（mV / V）转换为蒸渗仪箱（Berrada，2011; Andales等人，2010）上的等效水位（mm）。称重传感器的重量测量（精度）的标准偏差小于0.02％。蒸渗仪的分辨率为0.05mm / h，这被认为是蒸渗仪的可接受的设计目标（Marek等人，1988）。加载输出模块的十五分钟平均值被与作溶度计测量ETr。受灌溉和降水事件影响的测深仪数据从分析中排除。对于标准化方程的评估，当作物在参考高度（接近50厘米）时和没有土壤水分胁迫时进行比较。 蒸渗仪整体箱的尺寸为3mtimes;3mtimes;2.4m（Berrada，2011）。

2.3 评价标准

使用2009年至2012年苜蓿生长季节收集的稳定，不稳定和中性大气条件下的数据，将ASCE标准Penman Monteith ETrs方程与蒸渗仪测量的ETr进行比较。此外，该方程与2010年

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