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参考作物蒸发蒸腾量(ET0)是国际通用的评价水资源和计算作物需水量的基础,也是制定水法和国际河流水资源分配的依据。ET0值的计算研究目前已进入标准化和普适性阶段,由于我国缺乏ET0的实验研究,现阶段我国ET0值的计算仅单纯地停留在利用联合国粮农组织(FAO)主要推荐的修正Penman(MP)、Penman-Motheith(PM)公式进行计算或对比,结果给ET0的计算值带来许多不确定性,成为我国引进中薄弱环节,本文分析了国外ET0研究最新进展的基础上,以半干旱地区-杨凌(偏湿润),参考作物(修剪苜蓿)为试验材料,于2005年,实施ET0实验率定及其相关的应用实验研究,并以半干旱地区-呼和浩特(偏干旱),1961~2003,43年长系列气象数据,对ET0值进行长系列的输入因子的响应基础分析研究。获得以下结论:
本文系统、引进国外先进成果,根据人工称重lysimeter实验,对半干旱杨凌气候区各种ET0计算公式的适应性进行了最新、系统地率定研究,并在实验率定中首次引用美国工程师协会-环境与水资源机构(ASCE-EWRI)(2005)推荐的最新ET0计算公式-标准ASCE-PM及其它计算公式,确认在半干旱杨凌气候条件下:初步确认,以天为计算尺度时标准ASCE-PM公式优于PM,PM公式优于其他代表性公式;并探讨以小时为计算尺度的应用条件,做了较好的吸收消化,填补了我国在此方面的研究空白。
首次按PM及标准ASCE-PM公式的设定条件对参考作物(苜蓿)冠层阻力进行深入、重点的率定研究,揭示了参考作物冠层阻力值在全生育期的变化数值,指出生育中期实验条件及结果比较接近国外参考作物ET0值的设定条件(70s/m),生长前期与后期的rc值与设定值差异较大,并对同变化过程进行了量化估算,并揭示了影响冠层阻力的主要因子是ET0值和空气动力阻力ra,确认经过使用新的rc值计算结果更接近实测值。
对MP、PM及标准ASCE-PM公式做了简要的推证,指出三个公式的理论基础均基于同一种原理,即:都是能量平衡和水汽扩散原理,只是使用条件的严格性及考虑因素有所不同。ET0计算公式的主要设定参数(如反射率、Angstrom公式中a、b值、两种参考作物蒸发蒸腾量的转换系数Kr值)进行了研究计算,实验条件发现:生育中后期反射率变化比较平稳,此期间计算值仍接近PM公式的设定值(0.23),平均为0.237;作物生长季节的不同,Angstrom公式中a、b值与国内规范推荐的FAO值有所不同,应专门计算作物生长季节对应时段的a、b值,不能简单地使用国际气象组织推荐图表内的年均值。由于国际上常用的参考作物有两种:牧草和紫花苜蓿,为便于标准化,本文求得两种参考作物蒸发蒸腾量的转换系数Kr值,可进行不同参考作物间的转换计算。
文中分别对半干旱杨凌气候区和呼和浩特气候区的ET0计算公式中各输入因子对ET0值的影响及程度进行了深入地研究,认为杨凌气候区影响ET0计算值的主要因子是日照时数,其次为风速、平均气温、相对湿度;呼和浩特气候区,年平均气温增加2.1℃时,4~10月份ET0值增加3.9~5.2(%),当风速增加20%时,作物生育期内(4~10月份)ET0,增加3.9~8.O(%),春夏之交4~6月份ET0增加值占全生育期的61.9%,而相对湿度的改变对ET0值影响很小。呼和浩特地区平均年递增的速率为0.049℃/年,长期规划与近期实时灌溉管理中,应考虑升温对ET0的敏感反应,根据不同的规划设计水平年的要求,制定相对应的灌溉制度。
为了从生理、生化机理上对参考作物蒸发蒸腾量影响研究,对应于不同阶段的水分亏缺处理,修剪苜蓿的累计产量和累计蒸发蒸腾量均呈线性相关,相关系数在O.979~0.987之间,采用多元线性回归计算结果显示:在8、9、10(含11)月份里,10(11)月份参考作物水分敏感程度最高,其次是9月、8月。参考作物(苜蓿)生育阶段ET0值的变化趋势与其大气上界光合有效辐射(PAR)值的变化趋势基本相反,实测ET苜蓿值的图形与计算冠层顶部光合有效辐射(PARCAN)值的图形十分相近,参考作物生育术期二者数值变化趋势相反。采用多元线性回归及因子分析对参比CO2、湿度差、气孔导度、光合速率与蒸腾速率的相互影响进行计算,结果显示:几项因子对蒸腾速率影响的顺序是一致的,最敏感的因子是湿度差,其次为气孔导度、光合速率、参比C02。参考作物(苜蓿)生育期内,每棵收获量与其实测ET苜蓿的变化过程基本相近。这些研究均有利于从生理生态方面对ET0值的影响进行初步地揭示。
本文有助于加强我国半干旱地区ET0值的应用研究,并在率定研究方面有所创新,有助于引进国外先进方法在我国消化吸收和推广,并对学术前沿某些问题进行了一定的创新性探索研究。