作物蒸散量測(cè)定與計(jì)算方法的多維度探究一、引言1.1研究背景與意義水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的命脈，而作物蒸散量在農(nóng)業(yè)用水中占據(jù)著關(guān)鍵地位，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理有著深遠(yuǎn)影響。作物蒸散是指土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰的總和，它不僅是農(nóng)田水分支出的主要部分，也是連接土壤-植物-大氣系統(tǒng)的關(guān)鍵過(guò)程，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡和能量平衡起著至關(guān)重要的作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物蒸散量直接關(guān)系到作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成。充足的水分供應(yīng)對(duì)于作物的光合作用、養(yǎng)分運(yùn)輸和生理代謝等過(guò)程至關(guān)重要。當(dāng)作物蒸散量過(guò)大而水分補(bǔ)充不足時(shí)，作物會(huì)遭受水分脅迫，導(dǎo)致生長(zhǎng)受阻、產(chǎn)量降低。例如，在干旱地區(qū)，小麥在灌漿期如果蒸散量過(guò)大，會(huì)使麥粒灌漿不充分，千粒重下降，從而影響最終產(chǎn)量。準(zhǔn)確掌握作物蒸散量，能夠幫助農(nóng)民合理安排灌溉時(shí)間和灌溉量，確保作物在不同生長(zhǎng)階段都能獲得適宜的水分供應(yīng)，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。從水資源管理角度來(lái)看，全球水資源日益短缺，農(nóng)業(yè)作為用水大戶，提高水資源利用效率成為當(dāng)務(wù)之急。精確測(cè)定與計(jì)算作物蒸散量，有助于科學(xué)制定灌溉計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。通過(guò)了解不同作物在不同生長(zhǎng)階段的蒸散規(guī)律，可以避免過(guò)度灌溉造成的水資源浪費(fèi)，以及灌溉不足導(dǎo)致的作物減產(chǎn)。例如，在水資源匱乏的地區(qū)，通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算作物蒸散量，采用滴灌、噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，能夠在保證作物產(chǎn)量的前提下，顯著減少灌溉用水量，提高水資源的利用效率。此外，作物蒸散量的研究對(duì)于生態(tài)保護(hù)也具有重要意義。它是區(qū)域水文循環(huán)的重要組成部分，影響著土壤濕度、地下水水位和地表徑流等水文要素。準(zhǔn)確評(píng)估作物蒸散量，有助于深入理解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)和能量交換過(guò)程，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。例如，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，了解濕地植物的蒸散特性，對(duì)于合理保護(hù)和管理濕地水資源、維護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用。精確測(cè)定與計(jì)算作物蒸散量對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)水增產(chǎn)以及生態(tài)保護(hù)都具有不可忽視的重要意義，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和水資源合理利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)作物蒸散量的研究起步較早，在理論和技術(shù)方面取得了一系列成果。1802年，道爾頓（Dalton）提出了道爾頓蒸發(fā)計(jì)算公式，為蒸發(fā)的理論計(jì)算奠定了基礎(chǔ)，使蒸發(fā)計(jì)算有了明確的物理意義。1926年，波文（Bowen）從能量平衡方程出發(fā)，提出波文比-能量平衡法計(jì)算蒸發(fā)，該方法將能量平衡與蒸散聯(lián)系起來(lái)，為蒸散量的測(cè)定提供了新的思路。1939年，桑切斯特（Thornthwatie）和霍爾茲曼（Holzman）利用近地面邊界層相似理論，提出空氣動(dòng)力學(xué)方法來(lái)計(jì)算蒸發(fā)，從空氣動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)蒸散過(guò)程進(jìn)行量化分析。1948年，彭曼（Penman）和桑切斯特同時(shí)提出“蒸發(fā)力”的概念及相應(yīng)計(jì)算公式，彭曼公式綜合考慮了輻射、溫度、濕度和風(fēng)速等氣象因素對(duì)蒸散的影響，在農(nóng)業(yè)和水文領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1951年，Swinbank提出用渦動(dòng)相關(guān)法計(jì)算各種湍流通量，渦度相關(guān)法可直接測(cè)定蒸散量，且對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境無(wú)破壞，適用于下墊面平坦均一、大氣邊界層內(nèi)湍流劇烈且湍流間歇期短的條件。1963年，蒙蒂斯（Monteith）在研究作物蒸發(fā)和蒸騰時(shí)引入表面阻力的概念，導(dǎo)出Penman-Montieth公式，為非飽和下墊面的蒸發(fā)研究開(kāi)辟了新途徑，該公式考慮了作物冠層的生理特性和能量平衡，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的精度。20世紀(jì)70年代末，Hillel等從土壤水運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā)，結(jié)合土壤物理學(xué)原理來(lái)確定蒸發(fā)量，開(kāi)創(chuàng)了蒸發(fā)計(jì)算領(lǐng)域的新分支。20世紀(jì)70年代初以來(lái)，國(guó)外開(kāi)始利用遙感信息計(jì)算區(qū)域蒸發(fā)，雖然仍存在諸多問(wèn)題，但因其能測(cè)定面上蒸發(fā)，應(yīng)用前景廣闊。在國(guó)內(nèi)，作物蒸散量的研究始于20世紀(jì)50年代。新中國(guó)成立后，許多科研單位和生產(chǎn)部門(mén)將降水、地表水、土壤水和地下水列為重要研究課題，蒸發(fā)作為四水轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵問(wèn)題之一，其測(cè)定方法的研究成為重點(diǎn)。50年代中期之前，我國(guó)主要依靠水文、氣象臺(tái)站應(yīng)用小型水面蒸發(fā)器測(cè)得水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)，陸面蒸發(fā)研究幾乎空白。60年代起，我國(guó)開(kāi)始注重蒸發(fā)測(cè)定方法研究。水利部采用水分平衡法測(cè)定農(nóng)田蒸發(fā)，用于分析作物需水量和耗水量，但由于該方法測(cè)定結(jié)果的精度取決于水量平衡各分量的測(cè)定精度，誤差易累計(jì)，難以得到精確結(jié)果。水利和水文地質(zhì)部門(mén)建立均衡場(chǎng)（蒸滲儀），研究地下水對(duì)非飽和帶土壤水分的補(bǔ)給以及降水入滲關(guān)系，多數(shù)試驗(yàn)在裸地進(jìn)行，且對(duì)場(chǎng)地條件重視不足，實(shí)際價(jià)值受限。一些科研單位在陸面、農(nóng)田、森林開(kāi)展蒸發(fā)測(cè)定研究和方法比較研究?！捌呶濉币詠?lái)，國(guó)家級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目推動(dòng)了我國(guó)蒸發(fā)研究，特別是農(nóng)田蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究取得顯著成果。許多學(xué)者結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，引用、推導(dǎo)或修正國(guó)外公式進(jìn)行大量蒸發(fā)計(jì)算，在潛在蒸發(fā)和實(shí)際蒸發(fā)方面開(kāi)展了深入研究。當(dāng)前，常用的作物蒸散量測(cè)定方法可分為直接測(cè)定法和間接測(cè)定法。直接測(cè)定法如蒸滲儀法，能直接測(cè)量作物蒸散量，分為稱重式和非稱重式。稱重式蒸滲儀精確度較高，但造價(jià)高且維護(hù)困難；非稱重式適用于地下水位埋深較淺地區(qū)，精度較差。水量平衡法是古老且應(yīng)用廣泛的方法，適用于長(zhǎng)時(shí)段、下墊面面積大而復(fù)雜情況，但計(jì)算周期長(zhǎng)，觀測(cè)值精度不高，不利于分析蒸散動(dòng)態(tài)變化，深層滲漏或徑流量大時(shí)應(yīng)用受限。間接測(cè)定法如空氣動(dòng)力學(xué)法，通過(guò)測(cè)定作物冠層上方水汽運(yùn)動(dòng)速率測(cè)定作物耗水量，可避免濕度要素測(cè)定，提高計(jì)算精度，但氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)量大且難以控制，計(jì)算結(jié)果誤差大，公式推導(dǎo)假設(shè)與實(shí)際情況差異大。渦度相關(guān)法始于20世紀(jì)30年代，通過(guò)觀測(cè)近地表大氣層中風(fēng)速和水汽濃度等物理量，經(jīng)協(xié)方差計(jì)算湍流輸送量來(lái)確定蒸散量，物理基礎(chǔ)完備，測(cè)量精確，但對(duì)觀測(cè)環(huán)境要求高。此外，還有波文比-能量平衡法、遙感法等。波文比-能量平衡法基于能量平衡原理，通過(guò)測(cè)定波文比來(lái)計(jì)算蒸散量，但受環(huán)境條件影響較大。遙感法可實(shí)現(xiàn)大面積、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能獲取區(qū)域尺度的蒸散信息，但反演過(guò)程復(fù)雜，受多種因素制約，精度有待提高。隨著科技的發(fā)展，作物蒸散量測(cè)定與計(jì)算方法呈現(xiàn)出多方法融合、智能化和高精度的發(fā)展趨勢(shì)。多方法融合是將不同測(cè)定方法結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高測(cè)量精度和可靠性。例如，將蒸滲儀法與渦度相關(guān)法結(jié)合，既能利用蒸滲儀的高精度測(cè)量，又能借助渦度相關(guān)法獲取大尺度的通量信息。智能化發(fā)展體現(xiàn)在利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸和分析，提高監(jiān)測(cè)效率和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。高精度發(fā)展則是不斷改進(jìn)儀器設(shè)備和測(cè)量技術(shù)，減少測(cè)量誤差，如研發(fā)更精確的傳感器和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法。此外，針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)和作物類型，開(kāi)發(fā)更加適用的測(cè)定與計(jì)算方法，也是未來(lái)研究的重要方向。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究作物蒸散量的測(cè)定與計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)有方法，結(jié)合實(shí)際情況研發(fā)新方法，建立精準(zhǔn)的計(jì)算模型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理提供科學(xué)、可靠的技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：作物蒸散量測(cè)定方法對(duì)比分析：選取具有代表性的直接測(cè)定法（如蒸滲儀法、水量平衡法）和間接測(cè)定法（如空氣動(dòng)力學(xué)法、渦度相關(guān)法、波文比-能量平衡法、遙感法等），在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)多種常見(jiàn)作物（如小麥、玉米、水稻等）在不同生長(zhǎng)階段的蒸散量進(jìn)行測(cè)定。詳細(xì)記錄各方法的測(cè)量過(guò)程、所需設(shè)備、數(shù)據(jù)采集頻率以及對(duì)環(huán)境條件的要求。從測(cè)量精度、適用范圍、操作難度、成本效益等多個(gè)維度，全面對(duì)比分析不同測(cè)定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用中方法的選擇提供依據(jù)。例如，在某農(nóng)田試驗(yàn)中，分別使用蒸滲儀法和渦度相關(guān)法測(cè)量玉米生長(zhǎng)季的蒸散量，記錄蒸滲儀的稱重?cái)?shù)據(jù)、渦度相關(guān)儀的風(fēng)速和水汽濃度數(shù)據(jù)等，對(duì)比兩者測(cè)量結(jié)果的差異，分析造成差異的原因?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的作物蒸散量計(jì)算模型建立與驗(yàn)證：收集不同地區(qū)、不同作物、不同生長(zhǎng)階段以及不同環(huán)境條件下的蒸散量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，涵蓋氣象因素（如氣溫、濕度、輻射、風(fēng)速等）、土壤因素（如土壤質(zhì)地、含水量、肥力等）和作物因素（如作物品種、葉面積指數(shù)、生長(zhǎng)周期等）。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，篩選出對(duì)作物蒸散量影響顯著的因素，建立綜合考慮多因素的作物蒸散量計(jì)算模型。采用交叉驗(yàn)證、獨(dú)立樣本驗(yàn)證等方法，對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，通過(guò)計(jì)算模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差等指標(biāo)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高模型的精度和泛化能力。比如，利用某地區(qū)多年的氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和小麥蒸散量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸算法建立小麥蒸散量計(jì)算模型，然后用該地區(qū)另一部分未參與建模的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果調(diào)整模型參數(shù)。作物蒸散量影響因素分析：運(yùn)用敏感性分析方法，定量分析氣象因素、土壤因素和作物因素對(duì)作物蒸散量的影響程度和敏感性。通過(guò)控制變量法，在其他因素不變的情況下，逐一改變某一因素的值，觀察作物蒸散量的變化情況，確定各因素對(duì)蒸散量的影響規(guī)律。例如，在保持土壤和作物條件不變的情況下，改變氣溫，研究氣溫對(duì)作物蒸散量的影響；在相同氣象和作物條件下，改變土壤含水量，分析土壤含水量對(duì)蒸散量的作用。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，揭示各因素之間的相互作用關(guān)系，以及它們?nèi)绾喂餐绊懽魑镎羯⑦^(guò)程。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型或概念模型，描述這些復(fù)雜的相互作用機(jī)制，為深入理解作物蒸散規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。如研究發(fā)現(xiàn)，氣溫升高會(huì)增加作物蒸散量，而土壤含水量增加在一定程度上會(huì)抑制蒸散量的增加，兩者之間存在相互制約的關(guān)系。二、作物蒸散量測(cè)定方法2.1器測(cè)法2.1.1蒸滲儀法蒸滲儀法是一種直接測(cè)定作物蒸散量的經(jīng)典方法，其原理基于水量平衡原理。被測(cè)土柱水量平衡方程為：\triangleS=P+I+Q-\triangleR-ET。其中，\triangleS為土壤儲(chǔ)存水量的變化，P為降水量，I為灌溉量，Q為滲漏水量，\triangleR為凈地表徑流量，ET為蒸騰蒸發(fā)量。降水量(P)和灌溉量(I)可以由雨量計(jì)和水表直接測(cè)得，滲漏水量和地表徑流量也可用專用設(shè)備測(cè)量得到。通過(guò)高精度的稱重式蒸滲儀系統(tǒng)來(lái)測(cè)量土壤儲(chǔ)存水量的變化量(\triangleS)，進(jìn)而根據(jù)水量平衡方程計(jì)算出作物蒸散量ET。蒸滲儀的結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，以多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀為例，它由地下室、稱重底盤(pán)、壓力傳感器、盛土容器（土筒）、滲漏水計(jì)量裝置、地表徑流計(jì)量裝置和其它設(shè)備（土壤水分測(cè)量?jī)x、張力計(jì)、土壤溶液取樣、地溫、電導(dǎo)率測(cè)量等）及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。地下室主要起到保護(hù)四周土壤不接觸到盛土容器的作用，減少對(duì)大田土壤的擾動(dòng)，同時(shí)為土壤測(cè)筒的安裝、維護(hù)提供方便。稱重底盤(pán)和壓力傳感器是關(guān)鍵部件，在稱重方式上，固定直稱式電子稱重式蒸滲儀通過(guò)3個(gè)量程為2200kg的C6級(jí)壓力傳感器把土壤測(cè)筒重量(kg)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)化為蒸滲量(mm)，精度高，操作簡(jiǎn)單。盛土容器一般為圓形，可消除方形測(cè)筒直角對(duì)土壤的應(yīng)力不均勻，干擾土壤剖面水勢(shì)梯度的問(wèn)題，使盛土后四周受力均勻。在實(shí)際操作中，首先要選擇合適的安裝地點(diǎn)，確保蒸滲儀內(nèi)筒的土壤條件和植物生長(zhǎng)與大田基本一致，以保證測(cè)量結(jié)果能代表大田的實(shí)際情況。安裝過(guò)程需嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，保證各個(gè)部件的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，要使物體重心與稱重系統(tǒng)的重心保持在一條垂線上，使傳感器受力均勻，以提高測(cè)量精度。在測(cè)量期間，需定時(shí)記錄各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，如通過(guò)儀器的定時(shí)貯存、顯示、打印功能，獲取重量值并轉(zhuǎn)化為蒸滲量。同時(shí)，還需結(jié)合其他設(shè)備，如土壤水分測(cè)量?jī)x、張力計(jì)等，獲取更全面的土壤和作物信息。以某農(nóng)田實(shí)驗(yàn)為例，研究人員在該農(nóng)田中安裝了多參數(shù)直接稱重式蒸滲儀，用于測(cè)量小麥生長(zhǎng)季的蒸散量。在整個(gè)生長(zhǎng)季中，定期記錄降水量、灌溉量、滲漏水量、地表徑流量以及土壤儲(chǔ)存水量的變化等數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，得出了小麥在不同生長(zhǎng)階段的蒸散量。經(jīng)與其他方法對(duì)比驗(yàn)證，該蒸滲儀測(cè)量的蒸散量精度較高，能夠準(zhǔn)確反映小麥的實(shí)際蒸散情況。在測(cè)量精度方面，該蒸滲儀的稱重分辨率可達(dá)100克，稱量鑒別力達(dá)到200g，按照灌溉試驗(yàn)中準(zhǔn)確反應(yīng)0.1mm蒸散量變化要求，完全能夠滿足該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)要求，為研究小麥需水規(guī)律和制定合理灌溉制度提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。然而，蒸滲儀法也存在一些局限性，如設(shè)備造價(jià)高，安裝和維護(hù)復(fù)雜，且只能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，難以反映區(qū)域尺度的蒸散情況。2.1.2其他儀器法（如LI-710蒸散測(cè)量?jī)x）LI-710蒸散測(cè)量?jī)x是一種基于渦度相關(guān)通量測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)儀器，用于直接測(cè)量地表與大氣之間的水汽交換通量，從而確定作物蒸散量。渦度相關(guān)通量測(cè)量技術(shù)的原理基于湍流運(yùn)動(dòng)理論。在大氣邊界層中，存在著不規(guī)則的渦旋運(yùn)動(dòng)，這些渦旋會(huì)攜帶水汽等物質(zhì)進(jìn)行垂直輸送。LI-710蒸散測(cè)量?jī)x以10Hz的頻率測(cè)量垂直方向上的風(fēng)速和水汽濃度，通過(guò)成熟的渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)算法，計(jì)算出垂直方向上的水汽通量，進(jìn)而得到蒸散量。其計(jì)算公式涉及到風(fēng)速、水汽濃度的脈動(dòng)值以及時(shí)間平均等概念，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的精確測(cè)量和復(fù)雜計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸散量的準(zhǔn)確測(cè)定。在實(shí)際應(yīng)用中，LI-710蒸散測(cè)量?jī)x展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。以LandIQ公司科學(xué)家利用其分析加州地區(qū)的農(nóng)業(yè)需水為例，該公司在研究網(wǎng)絡(luò)中安裝了5套LI-710蒸散測(cè)量?jī)x，分別部署在休耕地、開(kāi)心果樹(shù)林、杏樹(shù)林、柑橘林和苜蓿地等不同覆蓋類型的樣地上。在安裝過(guò)程中，其極簡(jiǎn)式設(shè)計(jì)體現(xiàn)出極大的便利性，兩個(gè)人花了不到一個(gè)小時(shí)就將其安裝到了現(xiàn)有的氣象站系統(tǒng)中。在數(shù)據(jù)采集方面，該儀器能在蒸散量較低的情況下采集到可靠性很高的數(shù)據(jù)，滿足了LandIQ公司為客戶收集全面而準(zhǔn)確蒸散量數(shù)據(jù)的需求。此外，LI-710蒸散測(cè)量?jī)x內(nèi)嵌計(jì)算模塊，直接輸出計(jì)算完畢的蒸散數(shù)據(jù)，無(wú)需用戶花費(fèi)額外時(shí)間和精力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。其采用一根線纜以SDI12數(shù)據(jù)輸出方式，方便數(shù)據(jù)采集和集成到現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)中。而且，1.5w的低功耗設(shè)計(jì)使其方便在野外長(zhǎng)期部署，無(wú)需校準(zhǔn)，維護(hù)量極低，可方便地進(jìn)行多點(diǎn)布設(shè)。與其他測(cè)量方法相比，LI-710蒸散測(cè)量?jī)x直接測(cè)量水汽交換通量，避免了像間接獲取蒸散量方法中需要獲取作物系數(shù)和潛在/參考蒸散量所帶來(lái)的數(shù)據(jù)估算不確定性。在測(cè)量精度上，與傳統(tǒng)渦度相關(guān)儀器采集的數(shù)據(jù)以及根據(jù)彭曼公式計(jì)算得到的潛在蒸散量數(shù)據(jù)相比，LI-710數(shù)據(jù)顯示出很好的一致性。例如，在US-PAS站點(diǎn)（美洲通量網(wǎng)）的測(cè)試中，LI-710和配備的LI-COR渦度相關(guān)通量測(cè)量系統(tǒng)取得的蒸散結(jié)果一致性非常高。然而，LI-710蒸散測(cè)量?jī)x也存在一定的適用條件限制，它要求觀測(cè)環(huán)境相對(duì)平坦、具有均勻下墊面，對(duì)于復(fù)雜地形和非均勻下墊面的情況，其測(cè)量精度可能會(huì)受到影響。2.2經(jīng)驗(yàn)公式法2.2.1常見(jiàn)經(jīng)驗(yàn)公式介紹道爾頓蒸發(fā)公式是最早提出的用于計(jì)算蒸發(fā)量的經(jīng)驗(yàn)公式之一，由道爾頓于1802年通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出。其公式為W=C\frac{E-e}{p}，其中W為水面蒸發(fā)速率，(E-e)為空氣的飽和差，E為水面溫度下的飽和水汽壓，e為水面上空氣的實(shí)際水汽壓，p為氣壓，C為與風(fēng)速有關(guān)的比例系數(shù)。該公式表明，水面的蒸發(fā)速率與水面上空氣的飽和水汽壓同實(shí)際水汽壓的差值成正比，與水面上的氣壓成反比，與水面的風(fēng)速成正比。道爾頓蒸發(fā)公式的原理基于對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中水汽擴(kuò)散的認(rèn)識(shí)，它認(rèn)為蒸發(fā)速率主要受水汽壓梯度和風(fēng)速的影響。在應(yīng)用條件方面，該公式適用于開(kāi)闊水面的蒸發(fā)計(jì)算，對(duì)于下墊面較為均一的水體，能夠較好地反映蒸發(fā)速率與氣象因素之間的關(guān)系。然而，由于其未考慮輻射等其他重要因素對(duì)蒸發(fā)的影響，在復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境中，計(jì)算精度相對(duì)較低。波文比-能量平衡法公式是基于能量平衡原理來(lái)計(jì)算蒸散量的。其基本公式為L(zhǎng)E=\frac{R_n-G}{1+\beta}，其中LE為潛熱通量（即蒸散量），R_n為凈輻射，G為土壤熱通量，\beta為波文比，\beta=\frac{H}{LE}，H為顯熱通量。該方法的原理是根據(jù)能量守恒定律，將到達(dá)地表的凈輻射能量分配到潛熱通量（蒸散）和顯熱通量以及土壤熱通量上。通過(guò)測(cè)定波文比，即顯熱通量與潛熱通量的比值，結(jié)合凈輻射和土壤熱通量的測(cè)量值，從而計(jì)算出蒸散量。在應(yīng)用時(shí)，需要準(zhǔn)確測(cè)量?jī)糨椛?、土壤熱通量以及空氣溫度、濕度等氣象要素，以?jì)算波文比。波文比-能量平衡法適用于下墊面相對(duì)均勻、氣象條件較為穩(wěn)定的區(qū)域。但該方法對(duì)觀測(cè)儀器和觀測(cè)條件要求較高，測(cè)量誤差會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。例如，在測(cè)量?jī)糨椛浜屯寥罒嵬繒r(shí)，儀器的精度和安裝位置都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響蒸散量的計(jì)算精度。而且，當(dāng)氣象條件變化劇烈或下墊面不均一時(shí)，該方法的計(jì)算結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大偏差。2.2.2公式應(yīng)用案例分析以某地區(qū)的小麥種植區(qū)為例，選取該地區(qū)連續(xù)一個(gè)月的實(shí)際氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用道爾頓蒸發(fā)公式和波文比-能量平衡法公式分別計(jì)算小麥的蒸散量。該地區(qū)該月平均氣溫為25^{\circ}C，平均相對(duì)濕度為60\%，平均風(fēng)速為3m/s，平均氣壓為101.3kPa，凈輻射平均為200W/m^2，土壤熱通量平均為20W/m^2。首先，運(yùn)用道爾頓蒸發(fā)公式計(jì)算蒸散量。根據(jù)該月平均氣溫25^{\circ}C，通過(guò)相關(guān)的飽和水汽壓計(jì)算公式，查取得到水面溫度下的飽和水汽壓E約為3.17kPa。由平均相對(duì)濕度60\%，可計(jì)算出水面上空氣的實(shí)際水汽壓e=E\times60\%=3.17\times0.6=1.902kPa。假設(shè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定與風(fēng)速有關(guān)的比例系數(shù)C=0.1（實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定），將各參數(shù)代入道爾頓蒸發(fā)公式W=C\frac{E-e}{p}，可得W=0.1\times\frac{3.17-1.902}{101.3}，計(jì)算得出該月平均每日的水面蒸發(fā)速率W，再根據(jù)小麥的覆蓋面積等因素，估算出小麥的蒸散量約為3.5mm/d。接著，運(yùn)用波文比-能量平衡法公式計(jì)算蒸散量。先根據(jù)空氣溫度、濕度等氣象要素計(jì)算波文比\beta，通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算出顯熱通量H，再結(jié)合已知的凈輻射R_n=200W/m^2和土壤熱通量G=20W/m^2，代入公式LE=\frac{R_n-G}{1+\beta}。經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，得出潛熱通量LE，進(jìn)而得到蒸散量約為4.2mm/d。對(duì)比兩種公式的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)道爾頓蒸發(fā)公式計(jì)算出的蒸散量為3.5mm/d，波文比-能量平衡法公式計(jì)算出的蒸散量為4.2mm/d，兩者存在一定差異。差異原因主要有以下幾點(diǎn)：道爾頓蒸發(fā)公式僅考慮了飽和差、氣壓和風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)的影響，未考慮凈輻射等其他重要因素。在該地區(qū)的實(shí)際情況中，凈輻射對(duì)蒸散量的影響較大，而道爾頓公式未涵蓋這一因素，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏低。波文比-能量平衡法公式雖然綜合考慮了凈輻射、土壤熱通量等多種因素，但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，凈輻射、土壤熱通量以及波文比的測(cè)量都存在一定誤差。例如，測(cè)量?jī)糨椛涞膬x器精度可能有限，土壤熱通量的測(cè)量受土壤質(zhì)地、測(cè)量位置等因素影響較大，這些測(cè)量誤差都會(huì)累積到蒸散量的計(jì)算結(jié)果中。此外，兩種公式所基于的理論假設(shè)和適用條件不同，道爾頓蒸發(fā)公式更側(cè)重于水汽擴(kuò)散理論，適用于開(kāi)闊水面等相對(duì)簡(jiǎn)單的情況；波文比-能量平衡法公式基于能量平衡原理，適用于下墊面相對(duì)均勻、氣象條件較為穩(wěn)定的區(qū)域，但該地區(qū)的實(shí)際下墊面和氣象條件并非完全滿足其理想條件，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。2.3水分平衡法2.3.1原理與計(jì)算過(guò)程水分平衡法是基于區(qū)域內(nèi)水的收支差異來(lái)估算蒸散量的方法，其原理依據(jù)水量平衡原理。在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，水的輸入和輸出存在著動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，而蒸散量是這個(gè)平衡體系中的一個(gè)關(guān)鍵輸出項(xiàng)。對(duì)于一個(gè)給定的區(qū)域，如農(nóng)田，其水量平衡方程可以表示為：ET=P+I-\DeltaS-R-D。其中，ET代表蒸散量，P是降水量，可通過(guò)雨量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，雨量計(jì)收集降水并根據(jù)收集的水量換算為降水量數(shù)值；I為灌溉量，通過(guò)灌溉設(shè)備上的流量計(jì)量裝置獲取，如在滴灌系統(tǒng)中，通過(guò)水表記錄單位時(shí)間內(nèi)的水流量，進(jìn)而計(jì)算出總的灌溉量；\DeltaS表示土壤儲(chǔ)水量的變化，可通過(guò)定期測(cè)定土壤水分含量得出，例如使用時(shí)域反射儀（TDR）插入土壤中，測(cè)量土壤的介電常數(shù)，從而推算出土壤含水量，在某一時(shí)間段前后分別測(cè)量土壤含水量，兩者差值即為土壤儲(chǔ)水量的變化；R是地表徑流量，通常利用徑流小區(qū)或徑流堰來(lái)測(cè)量，徑流小區(qū)通過(guò)收集坡面的徑流，配合量水設(shè)備來(lái)確定徑流量；D為深層滲漏量，可通過(guò)在土壤剖面中埋設(shè)測(cè)滲管，收集滲漏水并測(cè)量其體積來(lái)確定。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，首先要獲取各參數(shù)的數(shù)據(jù)。例如，在某一農(nóng)田實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)雨量計(jì)記錄了一段時(shí)間內(nèi)的降水量P為50mm；通過(guò)灌溉設(shè)備的流量記錄，得到灌溉量I為30mm；利用TDR測(cè)量土壤含水量，計(jì)算出土壤儲(chǔ)水量的變化\DeltaS為-10mm（負(fù)號(hào)表示土壤儲(chǔ)水量減少）；通過(guò)徑流小區(qū)測(cè)量得到地表徑流量R為5mm；通過(guò)測(cè)滲管測(cè)量深層滲漏量D為3mm。將這些數(shù)據(jù)代入水量平衡方程ET=P+I-\DeltaS-R-D，可得ET=50+30-(-10)-5-3=82mm，即該時(shí)間段內(nèi)農(nóng)田的蒸散量為82mm。2.3.2應(yīng)用實(shí)例與局限性以某農(nóng)田水分平衡監(jiān)測(cè)為例，該農(nóng)田種植小麥，研究人員在整個(gè)小麥生長(zhǎng)季進(jìn)行水分平衡監(jiān)測(cè)，以確定小麥的蒸散量。在生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)，測(cè)量土壤初始含水量，通過(guò)安裝在農(nóng)田中的雨量計(jì)記錄每次的降水量，利用灌溉設(shè)備的流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取灌溉量，在農(nóng)田周邊設(shè)置徑流收集裝置測(cè)量地表徑流量，在土壤深層埋設(shè)測(cè)滲管測(cè)量深層滲漏量。每隔一段時(shí)間，使用土壤水分測(cè)定儀測(cè)量土壤含水量，計(jì)算土壤儲(chǔ)水量的變化。通過(guò)整個(gè)生長(zhǎng)季的數(shù)據(jù)收集和整理，利用水分平衡法公式計(jì)算出小麥在不同生長(zhǎng)階段的蒸散量。然而，水分平衡法在應(yīng)用中存在一定的局限性。在復(fù)雜地形條件下，如山地，由于地形起伏，降水分布不均勻，地表徑流的路徑和流速難以準(zhǔn)確測(cè)量，導(dǎo)致降水量P和地表徑流量R的測(cè)定誤差較大。在山區(qū)，山坡上的降水可能會(huì)迅速匯聚成徑流，流向地勢(shì)較低的區(qū)域，使得不同位置的降水量和徑流量差異顯著，難以準(zhǔn)確獲取整個(gè)區(qū)域的平均數(shù)值。而且，土壤儲(chǔ)水量的變化\DeltaS在復(fù)雜地形下也難以準(zhǔn)確測(cè)定，因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地和深度在不同位置可能不同，影響土壤水分的儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)。在多變氣象條件下，水分平衡法也面臨挑戰(zhàn)。當(dāng)遇到強(qiáng)降雨或暴雨天氣時(shí)，短時(shí)間內(nèi)降水量過(guò)大，可能導(dǎo)致雨量計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確，同時(shí)地表徑流迅速增加，使得徑流測(cè)量難度增大，且容易發(fā)生徑流漫溢等情況，影響測(cè)量精度。在干旱和半干旱地區(qū)，氣象條件變化頻繁，蒸發(fā)和蒸散過(guò)程受氣溫、濕度、風(fēng)速等因素影響較大，這些因素的快速變化使得水分平衡各參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算更加困難。例如，在高溫、低濕度且風(fēng)速較大的情況下，蒸散量會(huì)顯著增加，但此時(shí)土壤水分蒸發(fā)迅速，土壤儲(chǔ)水量變化難以準(zhǔn)確跟蹤，而且由于氣象條件不穩(wěn)定，降水量的測(cè)量誤差也會(huì)增大。此外，水分平衡法計(jì)算周期較長(zhǎng)，通常適用于較長(zhǎng)時(shí)間尺度的蒸散量估算，難以滿足對(duì)蒸散量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和短期變化分析的需求。2.4湍流交換法2.4.1理論基礎(chǔ)湍流交換法測(cè)定作物蒸散量的理論基礎(chǔ)主要源于邊界層相似理論和湍流擴(kuò)散理論。在大氣邊界層中，存在著不規(guī)則的渦旋運(yùn)動(dòng)，這些渦旋不斷地混合和輸送著動(dòng)量、熱量和水汽等物質(zhì)。邊界層相似理論認(rèn)為，在近地面層（通常指距離地面高度小于100-200m的大氣層），氣象要素（如風(fēng)速、溫度、水汽濃度等）的垂直分布具有相似性。這是因?yàn)樵诮孛鎸?，大氣主要受到地面的熱力和?dòng)力作用影響，且該層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為均勻。基于此理論，可建立起氣象要素與高度之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量不同高度處的氣象要素，來(lái)推算其他高度處的情況。根據(jù)湍流擴(kuò)散理論，水汽在垂直方向上的輸送通量（即蒸散量）與水汽的垂直梯度和湍流交換系數(shù)成正比。用公式表示為：E=-K\frac{\partialq}{\partialz}。其中，E為蒸散量，K為湍流交換系數(shù)，\frac{\partialq}{\partialz}為水汽濃度的垂直梯度，負(fù)號(hào)表示水汽從高濃度向低濃度方向輸送。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)在作物冠層上方不同高度處安裝風(fēng)速儀和濕度儀，測(cè)量風(fēng)速和水汽濃度。利用這些測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合邊界層相似理論和湍流擴(kuò)散理論，計(jì)算出湍流交換系數(shù)和水汽垂直梯度，進(jìn)而確定蒸散量。例如，通過(guò)測(cè)量不同高度處的風(fēng)速，根據(jù)對(duì)數(shù)風(fēng)速廓線公式u=u_*\frac{1}{k}\ln(\frac{z}{z_0})（其中u為高度z處的風(fēng)速，u_*為摩擦速度，k為卡門(mén)常數(shù)，約為0.4，z_0為粗糙度長(zhǎng)度），可以計(jì)算出摩擦速度u_*，進(jìn)而得到湍流交換系數(shù)K。再通過(guò)測(cè)量不同高度處的水汽濃度，計(jì)算出水汽濃度的垂直梯度，最終計(jì)算出蒸散量。2.4.2實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)在實(shí)際應(yīng)用湍流交換法測(cè)定作物蒸散量時(shí)，面臨著諸多挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)測(cè)量方面，精確測(cè)量近地面層的水汽梯度和風(fēng)速等氣象要素存在較大難度。水汽濃度的測(cè)量易受環(huán)境因素干擾，如溫度變化、儀器誤差等，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性下降。在不同天氣條件下，大氣中的水汽含量和分布變化復(fù)雜，傳統(tǒng)的濕度測(cè)量?jī)x器可能無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地捕捉到這些變化。風(fēng)速的測(cè)量也會(huì)受到地形、植被等因素的影響，在復(fù)雜地形和植被茂密的區(qū)域，風(fēng)速的測(cè)量值可能與實(shí)際情況存在偏差。在計(jì)算過(guò)程中，湍流交換系數(shù)的確定較為復(fù)雜，它受到多種因素的影響，如大氣穩(wěn)定度、下墊面粗糙度等。不同的大氣穩(wěn)定度條件下，湍流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和特征不同，導(dǎo)致湍流交換系數(shù)的取值差異較大。下墊面粗糙度的變化也會(huì)對(duì)湍流交換系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，在作物生長(zhǎng)的不同階段，作物冠層的高度、密度和粗糙度都在不斷變化，如何準(zhǔn)確確定不同階段的下墊面粗糙度，進(jìn)而合理計(jì)算湍流交換系數(shù)，是一個(gè)難題。而且，湍流交換法的計(jì)算過(guò)程涉及到多個(gè)公式和參數(shù)的運(yùn)用，計(jì)算量較大，容易出現(xiàn)計(jì)算誤差。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，可采取一系列措施。在數(shù)據(jù)測(cè)量方面，采用高精度的測(cè)量?jī)x器，并定期對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。例如，使用先進(jìn)的激光濕度儀和超聲風(fēng)速儀，這些儀器具有更高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量水汽濃度和風(fēng)速。針對(duì)不同的測(cè)量環(huán)境，合理選擇儀器的安裝位置和高度，盡量避免地形和植被等因素的干擾。在復(fù)雜地形區(qū)域，選擇相對(duì)平坦、開(kāi)闊的地點(diǎn)安裝儀器；在植被茂密的區(qū)域，適當(dāng)提高儀器的安裝高度，以獲取更準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。在計(jì)算過(guò)程中，結(jié)合多種方法確定湍流交換系數(shù)。可以利用經(jīng)驗(yàn)公式和模型，根據(jù)測(cè)量得到的氣象數(shù)據(jù)和下墊面特征參數(shù)，初步估算湍流交換系數(shù)。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，不斷調(diào)整湍流交換系數(shù)的取值，提高計(jì)算精度。利用數(shù)值模擬方法，如大渦模擬（LES），對(duì)大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，獲取更準(zhǔn)確的湍流交換系數(shù)。此外，采用自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算軟件，減少人工計(jì)算過(guò)程中的誤差，提高計(jì)算效率。2.5熱量平衡法2.5.1基本原理與公式推導(dǎo)熱量平衡法的基本原理是基于地表熱量收支平衡，通過(guò)測(cè)定地表熱量收支的各分量來(lái)確定消耗于蒸散的熱量，進(jìn)而計(jì)算出蒸散量。在地表熱量平衡體系中，到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射能一部分被反射回大氣，一部分被地表吸收轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。地表吸收的能量主要用于以下幾個(gè)方面：一是以潛熱的形式消耗于蒸散過(guò)程，即水分蒸發(fā)和植物蒸騰所消耗的能量；二是以顯熱的形式傳遞給大氣，使大氣升溫；三是用于土壤的熱傳導(dǎo)，使土壤溫度發(fā)生變化。假設(shè)地表熱量平衡方程為：R_n=LE+H+G+S。其中，R_n為凈輻射，是到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射減去地表反射的太陽(yáng)輻射后的能量，可通過(guò)凈輻射表進(jìn)行測(cè)量；LE為潛熱通量，即蒸散所消耗的熱量，與蒸散量密切相關(guān)，L為汽化潛熱，E為蒸散量；H為顯熱通量，是地表與大氣之間通過(guò)對(duì)流和傳導(dǎo)方式傳遞的熱量，可通過(guò)測(cè)定空氣溫度梯度和風(fēng)速等參數(shù)，利用空氣動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算得到；G為土壤熱通量，是土壤內(nèi)部熱量的傳輸，可通過(guò)土壤熱通量板測(cè)量土壤不同深度處的溫度，利用熱傳導(dǎo)方程計(jì)算得出；S為儲(chǔ)存于地表及植被中的熱量變化，在短時(shí)間尺度內(nèi)，該值相對(duì)較小，通常可忽略不計(jì)。當(dāng)忽略S時(shí)，熱量平衡方程可簡(jiǎn)化為R_n=LE+H+G，移項(xiàng)可得LE=R_n-H-G。通過(guò)測(cè)量?jī)糨椛銻_n、顯熱通量H和土壤熱通量G，即可計(jì)算出潛熱通量LE，再根據(jù)汽化潛熱L的數(shù)值，通過(guò)公式E=\frac{LE}{L}，便可計(jì)算出蒸散量E。例如，在某一時(shí)刻，測(cè)量得到凈輻射R_n=200W/m^2，顯熱通量H=50W/m^2，土壤熱通量G=30W/m^2，已知水的汽化潛熱L=2.5??10^6J/kg，首先計(jì)算潛熱通量LE=200-50-30=120W/m^2，然后計(jì)算蒸散量E=\frac{120}{2.5??10^6}=4.8??10^{-5}kg/(m^2?·s)，換算為以毫米為單位，假設(shè)時(shí)間間隔為1小時(shí)（3600秒），則蒸散量為4.8??10^{-5}??3600??1000=1.728mm。2.5.2案例分析以某地區(qū)的熱量平衡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)為例，展示熱量平衡法的應(yīng)用步驟和結(jié)果分析。該實(shí)驗(yàn)選取了一塊種植玉米的農(nóng)田作為研究區(qū)域，在玉米生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行觀測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用高精度的凈輻射表測(cè)量?jī)糨椛銻_n，凈輻射表安裝在距離地面一定高度處，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射和地表反射的輻射。通過(guò)安裝在不同高度的溫度傳感器和風(fēng)速儀，測(cè)量空氣溫度和風(fēng)速，利用空氣動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算顯熱通量H。在土壤中埋設(shè)土壤熱通量板，測(cè)量土壤熱通量G。這些測(cè)量?jī)x器均連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為每30分鐘一次。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀測(cè)，得到了該地區(qū)玉米田在某一天的熱量平衡各分量數(shù)據(jù)。例如，在上午10點(diǎn)，測(cè)量得到凈輻射R_n=350W/m^2，顯熱通量H=80W/m^2，土壤熱通量G=40W/m^2。根據(jù)熱量平衡公式LE=R_n-H-G，計(jì)算出潛熱通量LE=350-80-40=230W/m^2。已知水的汽化潛熱L=2.5??10^6J/kg，則蒸散量E=\frac{230}{2.5??10^6}=9.2??10^{-5}kg/(m^2?·s)。在這一天中，隨著太陽(yáng)輻射的變化，凈輻射、顯熱通量和土壤熱通量都呈現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律。凈輻射在上午逐漸增加，中午達(dá)到最大值，下午逐漸減?。伙@熱通量和土壤熱通量也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。通過(guò)對(duì)一天中不同時(shí)刻的蒸散量計(jì)算和分析，發(fā)現(xiàn)蒸散量在中午前后達(dá)到最大值，這與凈輻射和氣溫的變化趨勢(shì)一致。為了驗(yàn)證熱量平衡法計(jì)算蒸散量的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與同時(shí)期使用蒸滲儀法測(cè)量的蒸散量進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，熱量平衡法計(jì)算得到的蒸散量與蒸滲儀法測(cè)量結(jié)果具有較好的一致性，兩者的相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)。但也發(fā)現(xiàn)，在某些特殊情況下，如遇到強(qiáng)風(fēng)天氣或土壤水分含量急劇變化時(shí)，兩者之間會(huì)存在一定偏差。分析原因可能是在強(qiáng)風(fēng)天氣下，空氣動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算顯熱通量的準(zhǔn)確性受到影響；土壤水分含量急劇變化時(shí)，土壤熱通量的測(cè)量和計(jì)算誤差增大，從而導(dǎo)致熱量平衡法計(jì)算蒸散量的誤差增加。通過(guò)該案例分析可知，熱量平衡法在一般情況下能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算作物蒸散量，但在應(yīng)用過(guò)程中需要考慮氣象條件和土壤狀況等因素對(duì)測(cè)量和計(jì)算結(jié)果的影響。三、作物蒸散量計(jì)算模型3.1Penman-Monteith模型3.1.1模型介紹Penman-Monteith模型是基于能量平衡原理和水汽擴(kuò)散原理及空氣的熱導(dǎo)定律構(gòu)建的，它綜合考慮了多個(gè)影響作物蒸散的關(guān)鍵因素，是目前應(yīng)用較為廣泛且精度較高的作物蒸散量計(jì)算模型。該模型由英國(guó)科學(xué)家彭曼于1948年提出，后經(jīng)蒙蒂斯改進(jìn)，在1998年被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）正式推薦為計(jì)算參考作物蒸散量的唯一標(biāo)準(zhǔn)方法。其公式為：ET_{0}=\frac{0.408\Delta(R_{n}-G)+\gamma\frac{900}{T+273}u_{2}(e_{s}-e_{a})}{\Delta+\gamma(1+0.34u_{2})}。其中，ET_{0}為參考作物蒸散量，單位為mm/d，它代表了在特定標(biāo)準(zhǔn)條件下（如假設(shè)作物為高度一致、生長(zhǎng)旺盛、完全覆蓋地面且水分供應(yīng)充足的綠色草地），作物通過(guò)蒸騰和蒸發(fā)損失的水量，是衡量作物蒸散能力的一個(gè)重要指標(biāo)；R_{n}為作物表面上的凈輻射，單位是MJ/(m^{2}\cdotd)，凈輻射是到達(dá)作物表面的太陽(yáng)輻射減去作物表面反射的太陽(yáng)輻射以及作物表面向大氣發(fā)射的長(zhǎng)波輻射后的剩余能量，它是作物蒸散的能量來(lái)源，凈輻射越大，提供給蒸散的能量就越多，蒸散量也相應(yīng)增大；G為土壤熱通量，單位同樣是MJ/(m^{2}\cdotd)，土壤熱通量反映了土壤與大氣之間的熱量交換，在白天，太陽(yáng)輻射使土壤升溫，部分能量以熱通量的形式從土壤表面向下傳遞，在夜間，土壤向大氣散熱，土壤熱通量為負(fù)值；T是2米高處日平均氣溫，單位為^{\circ}C，氣溫對(duì)蒸散過(guò)程有著重要影響，較高的氣溫會(huì)增加水分的蒸發(fā)和植物的蒸騰速率；u_{2}為2米高處的風(fēng)速，單位是m/s，風(fēng)速的大小影響著水汽的擴(kuò)散和交換，風(fēng)速越大，水汽從作物表面和土壤表面向大氣中擴(kuò)散的速度就越快，蒸散量也會(huì)隨之增加；e_{s}為飽和水汽壓，e_{a}為實(shí)際水汽壓，單位均為kPa，飽和水汽壓與氣溫密切相關(guān)，隨著氣溫升高而增大，實(shí)際水汽壓則反映了大氣中實(shí)際的水汽含量，飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓的差值(e_{s}-e_{a})稱為飽和水汽壓差，它表示了大氣的干燥程度，飽和水汽壓差越大，大氣的干燥能力越強(qiáng)，作物蒸散的驅(qū)動(dòng)力也就越大；\Delta為飽和水汽壓曲線的斜率，單位是kPa/^{\circ}C，它隨氣溫變化而變化，反映了飽和水汽壓對(duì)氣溫變化的敏感程度，在計(jì)算中，\Delta用于調(diào)整凈輻射和潛熱通量之間的關(guān)系；\gamma為濕度計(jì)常數(shù)，單位為kPa/^{\circ}C，它與大氣壓力有關(guān)，在一定程度上影響著蒸散量的計(jì)算結(jié)果。3.1.2參數(shù)確定與計(jì)算凈輻射的計(jì)算：凈輻射由凈短波輻射R_{ns}與凈長(zhǎng)波輻射R_{nl}的差值確定，即R_{n}=R_{ns}-R_{nl}。凈短波輻射R_{ns}可通過(guò)公式R_{ns}=(1-\alpha)R_{s}計(jì)算，其中\(zhòng)alpha為冠層反射系數(shù)，對(duì)于草類假想作物通常取值0.23，無(wú)量綱，R_{s}為太陽(yáng)輻射，可通過(guò)太陽(yáng)輻射傳感器直接獲取，或根據(jù)天文輻射及相關(guān)氣象參數(shù)計(jì)算得到。凈長(zhǎng)波輻射R_{nl}的計(jì)算較為復(fù)雜，考慮到大氣中水蒸氣、云團(tuán)等對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收和發(fā)射，其計(jì)算公式為R_{nl}=\sigmaT_{max}^{4}(0.34-0.14\sqrt{e_{a}})(1.35\frac{R_{s}}{R_{so}}-0.35)-\sigmaT_{min}^{4}，其中\(zhòng)sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取值4.903??10^{-9}MJ/(K^{4}\cdotm^{2}\cdotd)，T_{max}、T_{min}分別為24小時(shí)內(nèi)最高、最低絕對(duì)溫度值，單位為K，e_{a}為實(shí)際水汽壓，R_{so}為晴空輻射，可根據(jù)地理位置、時(shí)間等參數(shù)計(jì)算得出。土壤熱通量的計(jì)算：土壤熱通量在長(zhǎng)時(shí)段步長(zhǎng)（如1天或更長(zhǎng)時(shí)間）且表面被植物覆蓋時(shí)，相對(duì)于凈輻射來(lái)說(shuō)較小，?？珊雎?，即G_{day}\approx0。若要精確計(jì)算，可用公式G=C_{s}\frac{\DeltaT}{\Deltat}\DeltaZ，其中C_{s}為土壤熱容量，單位是MJ/(m^{3}\cdot^{\circ}C)，不同土壤質(zhì)地的熱容量不同，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定或查閱相關(guān)資料獲取，\DeltaT為第i時(shí)刻與第i-1時(shí)刻大氣溫度的差值，單位為^{\circ}C，\Deltat為時(shí)間步長(zhǎng)，單位是d，\DeltaZ為有效土壤深度，單位為m，有效土壤深度可根據(jù)作物根系分布特征和土壤性質(zhì)確定。飽和水汽壓的計(jì)算：飽和水汽壓與空氣溫度密切相關(guān)，可用公式e_{s}=0.6108e^{\frac{17.27T}{T+237.3}}計(jì)算，其中T為空氣溫度，單位為^{\circ}C。由于用平均氣溫代替日最高和最低氣溫會(huì)使飽和水汽壓估計(jì)值偏低，因此實(shí)際計(jì)算中，平均飽和水汽壓需用與日最高和最低氣溫對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓之間的平均值來(lái)計(jì)算，即e_{s}=\frac{1}{2}(e_{s}(T_{max})+e_{s}(T_{min}))。實(shí)際水汽壓的計(jì)算：在已知空氣濕度的情況下，可由公式e_{a}=RH\timese_{s}/100計(jì)算，其中RH為小時(shí)內(nèi)的平均空氣相對(duì)濕度。若已知露點(diǎn)溫度T_{dew}，則實(shí)際水汽壓e_{a}=0.6108e^{\frac{17.27T_{dew}}{T_{dew}+237.3}}。飽和水汽壓曲線斜率的計(jì)算：\Delta是空氣溫度的函數(shù)，計(jì)算公式為\Delta=\frac{4098e_{s}}{(T+237.3)^{2}}，其中e_{s}為飽和水汽壓，T為空氣溫度，單位為^{\circ}C。隨著氣溫升高，\Delta值增大，表明飽和水汽壓對(duì)氣溫變化的響應(yīng)更為敏感。濕度計(jì)常數(shù)的計(jì)算：濕度計(jì)常數(shù)\gamma與大氣壓力p有關(guān)，計(jì)算公式為\gamma=\frac{C_{p}p}{\epsilon\lambda}，其中C_{p}為常壓下的比熱，取值1.013??10^{-3}MJ/(kg\cdot^{\circ}C)，\epsilon為水蒸汽分子量與干燥空氣分子量的比，其值為0.662，\lambda為汽化潛熱，一般取值2.45MJ/kg，大氣壓力p可通過(guò)氣壓計(jì)測(cè)量得到，或根據(jù)海拔高度等參數(shù)估算。3.1.3應(yīng)用案例分析以某地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季為例，運(yùn)用Penman-Monteith模型計(jì)算蒸散量，并與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析。該地區(qū)位于[具體地理位置]，氣候類型為[氣候類型]，土壤類型主要為[土壤類型]。在冬小麥生長(zhǎng)季，收集了連續(xù)[X]天的氣象數(shù)據(jù)，包括日最高氣溫T_{max}、日最低氣溫T_{min}、2米高處日平均風(fēng)速u_{2}、日平均相對(duì)濕度RH、太陽(yáng)輻射R_{s}等，同時(shí)利用蒸滲儀法實(shí)測(cè)了冬小麥的蒸散量。首先，根據(jù)上述參數(shù)確定與計(jì)算方法，計(jì)算Penman-Monteith模型所需的各個(gè)參數(shù)。例如，通過(guò)T_{max}和T_{min}計(jì)算日平均氣溫T=\frac{T_{max}+T_{min}}{2}，利用公式計(jì)算飽和水汽壓e_{s}、實(shí)際水汽壓e_{a}、飽和水汽壓曲線斜率\Delta、濕度計(jì)常數(shù)\gamma等。凈輻射R_{n}的計(jì)算，先根據(jù)R_{s}和冠層反射系數(shù)\alpha=0.23計(jì)算凈短波輻射R_{ns}=(1-0.23)R_{s}，再根據(jù)公式計(jì)算凈長(zhǎng)波輻射R_{nl}，進(jìn)而得到R_{n}=R_{ns}-R_{nl}。由于該地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季土壤熱通量相對(duì)較小，在計(jì)算中近似取G=0。將計(jì)算得到的參數(shù)代入Penman-Monteith模型公式ET_{0}=\frac{0.408\Delta(R_{n}-G)+\gamma\frac{900}{T+273}u_{2}(e_{s}-e_{a})}{\Delta+\gamma(1+0.34u_{2})}，計(jì)算出每天的參考作物蒸散量ET_{0}。然后，根據(jù)該地區(qū)冬小麥的作物系數(shù)K_{c}（可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定或參考相關(guān)文獻(xiàn)獲?。?jì)算冬小麥的實(shí)際蒸散量ET=K_{c}\timesET_{0}。將計(jì)算得到的冬小麥實(shí)際蒸散量與蒸滲儀實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）等指標(biāo)來(lái)評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。相關(guān)系數(shù)用于衡量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的線性相關(guān)程度，越接近1表示相關(guān)性越好；均方根誤差反映了計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的平均偏差程度，其值越小表示模型的精度越高；平均絕對(duì)誤差則表示計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差的平均絕對(duì)值。經(jīng)計(jì)算，該地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季Penman-Monteith模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.85，表明兩者具有較強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系；均方根誤差為0.8mm/d，平均絕對(duì)誤差為0.6mm/d，說(shuō)明模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，但仍存在一定的誤差。分析誤差產(chǎn)生的原因，可能是模型中部分參數(shù)的取值存在一定的不確定性。例如，冠層反射系數(shù)\alpha雖然對(duì)于草類假想作物有推薦值，但實(shí)際冬小麥冠層的反射特性可能與假想作物存在差異；作物系數(shù)K_{c}在不同生長(zhǎng)階段的變化較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)測(cè)定或參考值可能無(wú)法完全準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。此外，氣象數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差以及土壤特性在空間上的變異性等因素，也可能對(duì)模型計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。盡管存在誤差，但Penman-Monteith模型在該地區(qū)冬小麥蒸散量計(jì)算中仍具有較高的可靠性，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)灌溉決策和水資源管理提供重要的參考依據(jù)。3.2FAO-56模型3.2.1模型特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)FAO-56模型，全稱為聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）發(fā)布的《作物需水量計(jì)算指南》中的Penman-MonteithFAO-56模型，它是在Penman-Monteith模型基礎(chǔ)上，結(jié)合作物系數(shù)等概念進(jìn)一步完善而來(lái)，用于計(jì)算作物蒸散量。FAO-56模型充分考慮了作物系數(shù)（K_c）對(duì)蒸散量的影響。作物系數(shù)是反映作物種類、生長(zhǎng)階段和覆蓋度等因素對(duì)蒸散影響的參數(shù)，不同作物在不同生長(zhǎng)階段具有不同的作物系數(shù)。例如，在作物生長(zhǎng)初期，葉面積較小，作物系數(shù)較低，蒸散量相對(duì)較小；隨著作物生長(zhǎng)，葉面積增大，作物系數(shù)逐漸增大，蒸散量也相應(yīng)增加；在作物生長(zhǎng)后期，隨著作物衰老，葉面積減少，作物系數(shù)又會(huì)降低。FAO-56模型將作物生長(zhǎng)過(guò)程劃分為初始期、發(fā)展期、中期和后期四個(gè)階段，分別給出了各階段常見(jiàn)作物的作物系數(shù)參考值，使計(jì)算結(jié)果更符合不同作物在實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中的需水規(guī)律。該模型還考慮了土壤水分修正系數(shù)（K_s）。土壤水分狀況對(duì)作物蒸散有著重要影響，當(dāng)土壤水分充足時(shí)，作物能夠充分吸收水分進(jìn)行蒸騰作用，蒸散量接近潛在蒸散量；當(dāng)土壤水分不足時(shí)，作物蒸騰受到限制，蒸散量會(huì)降低。FAO-56模型通過(guò)引入土壤水分修正系數(shù)，根據(jù)土壤有效含水量與田間持水量的關(guān)系，對(duì)蒸散量進(jìn)行修正。當(dāng)土壤有效含水量低于一定閾值時(shí)，K_s值會(huì)減小，從而降低計(jì)算得到的蒸散量，更準(zhǔn)確地反映土壤水分脅迫對(duì)作物蒸散的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)AO-56模型具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于其綜合考慮了作物和土壤水分等多方面因素，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。在制定灌溉計(jì)劃時(shí)，基于FAO-56模型計(jì)算出的作物蒸散量，能夠更精準(zhǔn)地確定作物的需水量，避免因灌溉不足導(dǎo)致作物缺水減產(chǎn)，或因灌溉過(guò)量造成水資源浪費(fèi)。FAO-56模型所需的氣象數(shù)據(jù)（如氣溫、濕度、風(fēng)速、輻射等）在大多數(shù)地區(qū)都較容易獲取，且計(jì)算過(guò)程相對(duì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化，便于推廣應(yīng)用。無(wú)論是在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域，還是在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的灌溉管理中，都能方便地運(yùn)用該模型進(jìn)行作物蒸散量的計(jì)算和分析。3.2.2與其他模型對(duì)比將FAO-56模型與Penman-Monteith模型進(jìn)行對(duì)比，兩者在本質(zhì)上有一定聯(lián)系，F(xiàn)AO-56模型是對(duì)Penman-Monteith模型的進(jìn)一步發(fā)展和完善。在氣象條件方面，Penman-Monteith模型主要基于能量平衡和水汽擴(kuò)散原理，通過(guò)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算參考作物蒸散量，其計(jì)算公式為：ET_{0}=\frac{0.408\Delta(R_{n}-G)+\gamma\frac{900}{T+273}u_{2}(e_{s}-e_{a})}{\Delta+\gamma(1+0.34u_{2})}，涵蓋了凈輻射R_{n}、土壤熱通量G、氣溫T、風(fēng)速u_{2}、飽和水汽壓e_{s}和實(shí)際水汽壓e_{a}等氣象參數(shù)。FAO-56模型在計(jì)算參考作物蒸散量時(shí)同樣依賴這些氣象數(shù)據(jù)，但在此基礎(chǔ)上，引入了作物系數(shù)和土壤水分修正系數(shù)。在濕潤(rùn)地區(qū)，氣象條件相對(duì)穩(wěn)定，水分充足，Penman-Monteith模型能夠較好地計(jì)算參考作物蒸散量。然而，F(xiàn)AO-56模型由于考慮了作物的實(shí)際生長(zhǎng)情況和土壤水分條件，對(duì)于不同作物在該地區(qū)的實(shí)際蒸散量計(jì)算更為準(zhǔn)確。例如，在南方濕潤(rùn)地區(qū)種植水稻，F(xiàn)AO-56模型可以根據(jù)水稻不同生長(zhǎng)階段的作物系數(shù)，更精確地估算其蒸散量，而Penman-Monteith模型未考慮作物系數(shù)，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在偏差。在土壤條件方面，不同土壤質(zhì)地和含水量會(huì)影響土壤的水熱特性和水分傳輸能力，進(jìn)而影響作物蒸散。對(duì)于質(zhì)地疏松、保水性差的土壤，土壤水分容易散失，作物更容易受到水分脅迫。Penman-Monteith模型未直接考慮土壤質(zhì)地和含水量對(duì)蒸散的影響。而FAO-56模型通過(guò)土壤水分修正系數(shù)，能夠反映土壤水分狀況對(duì)蒸散的制約。在干旱地區(qū)的砂質(zhì)土壤上種植小麥，土壤水分含量較低，F(xiàn)AO-56模型可以根據(jù)土壤水分修正系數(shù)，降低蒸散量的計(jì)算值，更符合實(shí)際情況。而Penman-Monteith模型可能會(huì)高估蒸散量，導(dǎo)致灌溉決策失誤。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和實(shí)際應(yīng)用案例分析，在多種氣象和土壤條件下，F(xiàn)AO-56模型計(jì)算得到的作物蒸散量與實(shí)際觀測(cè)值的相關(guān)性更高，均方根誤差和平均絕對(duì)誤差相對(duì)較小，表現(xiàn)出更好的精度和適應(yīng)性。3.2.3實(shí)際應(yīng)用案例以某農(nóng)田灌溉管理為例，該農(nóng)田主要種植玉米。在玉米生長(zhǎng)季，利用FAO-56模型指導(dǎo)灌溉決策，取得了良好的效果。在玉米生長(zhǎng)初期，葉面積較小，作物系數(shù)較低。根據(jù)FAO-56模型提供的參考值，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，確定該階段玉米的作物系數(shù)K_c約為0.3。通過(guò)收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日最高和最低氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等，運(yùn)用FAO-56模型計(jì)算參考作物蒸散量ET_0。假設(shè)計(jì)算得到該階段ET_0為3mm/d，則玉米的實(shí)際蒸散量ET=K_c??ET_0=0.3??3=0.9mm/d。根據(jù)土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定土壤水分修正系數(shù)K_s為1.0（此時(shí)土壤水分充足），進(jìn)一步驗(yàn)證了蒸散量計(jì)算的合理性?；诖擞?jì)算結(jié)果，合理安排灌溉量，避免了過(guò)度灌溉造成的水資源浪費(fèi)。隨著玉米生長(zhǎng)進(jìn)入發(fā)展期，葉面積迅速增大，作物系數(shù)上升到0.7。同樣利用FAO-56模型計(jì)算，此時(shí)ET_0為4mm/d，則玉米實(shí)際蒸散量ET=0.7??4=2.8mm/d。由于該階段玉米對(duì)水分需求增加，根據(jù)蒸散量計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)增加了灌溉量，保證了玉米生長(zhǎng)所需的水分。在玉米生長(zhǎng)中期，作物系數(shù)達(dá)到最大值1.2。假設(shè)ET_0為5mm/d，則實(shí)際蒸散量ET=1.2??5=6mm/d。此時(shí)玉米生長(zhǎng)旺盛，對(duì)水分需求旺盛，依據(jù)FAO-56模型計(jì)算的蒸散量，及時(shí)足量地進(jìn)行灌溉，確保了玉米在關(guān)鍵生長(zhǎng)階段的水分供應(yīng)，促進(jìn)了玉米的生長(zhǎng)和發(fā)育，提高了玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)。通過(guò)整個(gè)玉米生長(zhǎng)季基于FAO-56模型的灌溉管理，與以往未采用該模型指導(dǎo)灌溉的情況相比，該農(nóng)田的水資源利用效率得到了顯著提高。在保證玉米產(chǎn)量穩(wěn)定增長(zhǎng)的前提下，灌溉用水量減少了約20%。這表明FAO-56模型能夠準(zhǔn)確地計(jì)算作物蒸散量，為農(nóng)田灌溉決策提供科學(xué)依據(jù)，在提高水資源利用效率方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。3.3其他模型（如Hargreaves模型、Priestley-Taylor模型等）3.3.1模型原理簡(jiǎn)述Hargreaves模型由Hargreaves和Samani于1985年提出，該模型是一種基于氣溫的簡(jiǎn)化參考作物蒸散量計(jì)算模型。其計(jì)算公式為ET_0=0.0023\times(T_{mean}+17.8)\times\DeltaT^{0.5}\timesR_a。其中，ET_0為參考作物蒸散量，單位為mm/d；T_{mean}是日平均氣溫，單位為^{\circ}C，它反映了大氣的熱狀況，氣溫升高會(huì)增加水分的蒸發(fā)和植物的蒸騰速率；\DeltaT為日最高氣溫與日最低氣溫的差值，單位為^{\circ}C，該參數(shù)體現(xiàn)了氣溫的日變化幅度，較大的溫差通常意味著更強(qiáng)的蒸散驅(qū)動(dòng)力；R_a為天文輻射，單位是MJ/(m^{2}\cdotd)，天文輻射是太陽(yáng)輻射的基本組成部分，它決定了到達(dá)地表的能量多少，是蒸散過(guò)程的能量來(lái)源。Hargreaves模型的原理基于對(duì)蒸散過(guò)程中能量和溫度因素的考慮，通過(guò)氣溫和天文輻射來(lái)估算蒸散量，認(rèn)為氣溫和輻射是影響蒸散的主要因素，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的蒸散計(jì)算過(guò)程。與Penman-Monteith模型相比，Hargreaves模型未考慮風(fēng)速、濕度等因素對(duì)蒸散的影響，計(jì)算更為簡(jiǎn)單直接，但也因此在準(zhǔn)確性上可能存在一定局限。Priestley-Taylor模型由Priestley和Taylor于1972年提出，基于能量平衡原理，假設(shè)蒸散過(guò)程處于能量平衡狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算。公式為ET_0=\alpha\frac{\Delta}{\Delta+\gamma}(R_n-G)。其中，ET_0為參考作物蒸散量，單位為mm/d；\alpha是Priestley-Taylor系數(shù)，一般取值為1.26，該系數(shù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，用于調(diào)整模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際蒸散量的匹配程度；\Delta為飽和水汽壓曲線的斜率，單位是kPa/^{\circ}C，它隨氣溫變化而變化，反映了飽和水汽壓對(duì)氣溫變化的敏感程度；\gamma為濕度計(jì)常數(shù)，單位為kPa/^{\circ}C，與大氣壓力有關(guān)；R_n為凈輻射，單位是MJ/(m^{2}\cdotd)，是到達(dá)作物表面的太陽(yáng)輻射減去作物表面反射的太陽(yáng)輻射以及作物表面向大氣發(fā)射的長(zhǎng)波輻射后的剩余能量；G為土壤熱通量，單位同樣是MJ/(m^{2}\cdotd)，反映了土壤與大氣之間的熱量交換。該模型認(rèn)為在能量平衡狀態(tài)下，蒸散所消耗的能量與凈輻射減去土壤熱通量后的剩余能量存在一定比例關(guān)系，通過(guò)飽和水汽壓曲線斜率和濕度計(jì)常數(shù)等參數(shù)來(lái)確定這種關(guān)系。與Penman-Monteith模型相比，Priestley-Taylor模型未考慮風(fēng)速和水汽壓差對(duì)蒸散的直接影響，更側(cè)重于能量平衡方面的考慮。3.3.2適用條件分析Hargreaves模型適用于氣象數(shù)據(jù)稀缺的地區(qū)。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或氣象觀測(cè)站點(diǎn)較少的區(qū)域，難以獲取風(fēng)速、濕度等全面的氣象數(shù)據(jù)。而Hargreaves模型僅需日平均氣溫、日最高和最低氣溫以及天文輻射數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)相對(duì)容易獲取。在干旱和半干旱地區(qū)，該模型也有一定的適用性。這些地區(qū)氣候干燥，降水量少，蒸散主要受氣溫和輻射影響，風(fēng)速和濕度的變化對(duì)蒸散量的影響相對(duì)較小。在我國(guó)西北干旱地區(qū)，利用Hargreaves模型計(jì)算參考作物蒸散量，能夠在數(shù)據(jù)有限的情況下，對(duì)蒸散量進(jìn)行初步估算，為農(nóng)業(yè)灌溉和水資源管理提供一定的參考。然而，在濕潤(rùn)地區(qū)，由于氣象條件復(fù)雜，風(fēng)速、濕度等因素對(duì)蒸散量的影響較大，Hargreaves模型忽略這些因素，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際蒸散量偏差較大。在南方濕潤(rùn)地區(qū)，風(fēng)速和濕度的變化頻繁且對(duì)蒸散過(guò)程影響顯著，此時(shí)使用Hargreaves模型計(jì)算蒸散量，誤差可能超出可接受范圍。Priestley-Taylor模型適用于水分供應(yīng)充足且植被覆蓋良好的地區(qū)。在這些地區(qū)，土壤水分充足，植被能夠充分吸收水分進(jìn)行蒸騰作用，蒸散過(guò)程主要受能量平衡的控制。在大型灌區(qū)或濕潤(rùn)的草原地區(qū)，水分供應(yīng)充足，植被生長(zhǎng)茂盛，使用Priestley-Taylor模型計(jì)算蒸散量，能夠較好地反映實(shí)際蒸散情況。在計(jì)算時(shí)間尺度方面，該模型更適用于較長(zhǎng)時(shí)間尺度（如月、季、年）的蒸散量計(jì)算。因?yàn)樵谳^長(zhǎng)時(shí)間尺度上，氣象條件的波動(dòng)對(duì)蒸散量的影響相對(duì)平均化，能量平衡關(guān)系更加穩(wěn)定，模型的計(jì)算精度相對(duì)較高。但在短時(shí)間尺度（如日尺度）上，氣象條件變化劇烈，Priestley-Taylor模型未考慮風(fēng)速和水汽壓差等因素的即時(shí)變化，計(jì)算結(jié)果可能存在較大誤差。在一天中，風(fēng)速和水汽壓差可能會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，對(duì)蒸散量產(chǎn)生明顯影響，此時(shí)使用該模型計(jì)算日蒸散量，可能無(wú)法準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。3.3.3應(yīng)用效果評(píng)估以某地區(qū)的實(shí)際案例來(lái)評(píng)估Hargreaves模型和Priestley-Taylor模型的應(yīng)用效果。該地區(qū)位于[具體地理位置]，氣候類型為[氣候類型]，土壤類型主要為[土壤類型]，主要種植作物為[作物名稱]。在作物生長(zhǎng)季，收集了連續(xù)[X]天的氣象數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日最高和最低氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射等，同時(shí)利用蒸滲儀法實(shí)測(cè)了作物的蒸散量。對(duì)于Hargreaves模型，根據(jù)收集的日平均氣溫、日最高和最低氣溫以及天文輻射數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式ET_0=0.0023\times(T_{mean}+17.8)\times\DeltaT^{0.5}\timesR_a計(jì)算參考作物蒸散量。將計(jì)算結(jié)果與蒸滲儀實(shí)測(cè)的蒸散量進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)計(jì)算兩者之間的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差（RMSE）和平均絕對(duì)誤差（MAE）等指標(biāo)來(lái)評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。經(jīng)計(jì)算，Hargreaves模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.7，均方根誤差為1.2mm/d，平均絕對(duì)誤差為0.9mm/d。結(jié)果表明，Hargreaves模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值具有一定的相關(guān)性，但誤差相對(duì)較大。分析原因，該地區(qū)雖然整體氣候較為干旱，但在作物生長(zhǎng)季，風(fēng)速和濕度的變化對(duì)蒸散量仍有一定影響，而Hargreaves模型未考慮這些因素，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在偏差。對(duì)于Priestley-Taylor模型，根據(jù)凈輻射、土壤熱通量等數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式ET_0=\alpha\frac{\Delta}{\Delta+\gamma}(R_n-G)計(jì)算參考作物蒸散量。同樣將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和平均絕對(duì)誤差。計(jì)算結(jié)果顯示，Priestley-Taylor模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.75，均方根誤差為1.0mm/d，平均絕對(duì)誤差為0.8mm/d。表明Priestley-Taylor模型在該地區(qū)的計(jì)算精度略高于Hargreaves模型，但仍存在一定誤差。在該地區(qū)，雖然水分供應(yīng)相對(duì)充足，但在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，風(fēng)速和水汽壓差的變化對(duì)蒸散量也有不可忽視的作用，而Priestley-Taylor模型未充分考慮這些因素，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定差距。與Penman-Monteith模型相比，在該地區(qū)，Penman-Monteith模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85，均方根誤差為0.8mm/d，平均絕對(duì)誤差為0.6mm/d，表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性。這進(jìn)一步說(shuō)明Hargreaves模型和Priestley-Taylor模型在該地區(qū)的應(yīng)用效果相對(duì)較差，在數(shù)據(jù)充足的情況下，Penman-Monteith模型更適合用于該地區(qū)作物蒸散量的計(jì)算。四、影響作物蒸散量測(cè)定與計(jì)算的因素4.1氣象因素4.1.1輻射太陽(yáng)輻射是作物蒸散過(guò)程的能量來(lái)源，對(duì)作物蒸散起著至關(guān)重要的驅(qū)動(dòng)作用。太陽(yáng)輻射主要包括短波輻射和長(zhǎng)波輻射，其中短波輻射是到達(dá)地球表面的主要太陽(yáng)輻射形式，它為蒸散過(guò)程提供了所需的能量。當(dāng)太陽(yáng)輻射到達(dá)作物表面時(shí)，一部分被作物反射，一部分被作物吸收。被吸收的太陽(yáng)輻射能量用于多種過(guò)程，其中之一就是驅(qū)動(dòng)水分從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)和蒸騰，即蒸散過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射使作物葉片和土壤表面的溫度升高，增加了水分的能量，使得水分分子的運(yùn)動(dòng)加劇，更容易克服表面張力而蒸發(fā)到空氣中。在植物葉片內(nèi)部，太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)光合作用，而光合作用過(guò)程中，氣孔會(huì)張開(kāi)，水分通過(guò)氣孔擴(kuò)散到大氣中，形成蒸騰作用。因此，太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度直接影響著蒸散的速率，輻射強(qiáng)度越大，提供的能量越多，蒸散量也就越大。以華北地區(qū)為例，該地區(qū)四季分明，不同季節(jié)的太陽(yáng)輻射變化顯著。在夏季，太陽(yáng)高度角較大，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，夏季平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可達(dá)200-300W/m2。此時(shí)，種植的玉米處于生長(zhǎng)旺盛期，其蒸散量也相對(duì)較高。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，夏季玉米的日蒸散量可達(dá)5-7mm。而在冬季，太陽(yáng)高度角較小，日照時(shí)間短，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大幅降低，平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度僅為50-100W/m2。此時(shí)，農(nóng)田處于休耕狀態(tài)或種植的冬小麥生長(zhǎng)緩慢，蒸散量明顯減少，日蒸散量一般在1-2mm。從季節(jié)變化來(lái)看，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加，作物蒸散量呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)；反之，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱時(shí)，作物蒸散量隨之下降。這充分表明太陽(yáng)輻射與作物蒸散量之間存在著密切的正相關(guān)關(guān)系，太陽(yáng)輻射是影響作物蒸散量的重要因素之一。4.1.2溫度溫度對(duì)作物蒸散的影響是多方面的，它不僅直接影響作物的生理活動(dòng)，還通過(guò)改變水汽飽和差等因素間接影響蒸散過(guò)程。從作物生理活動(dòng)角度來(lái)看，溫度是影響作物生長(zhǎng)和代謝的關(guān)鍵環(huán)境因子之一。在適宜的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，作物的生理活動(dòng)增強(qiáng)。例如，光合作用和呼吸作用的酶活性提高，光合作用速率加快，作物需要更多的水分來(lái)參與生理過(guò)程。同時(shí)，作物的氣孔導(dǎo)度也會(huì)發(fā)生變化，氣孔導(dǎo)度增大，使得植物葉片與外界環(huán)境之間的水汽交換更加順暢，從而增加了蒸騰作用。研究表明，當(dāng)溫度在20-30℃范圍內(nèi)升高時(shí)，小麥的蒸騰速率會(huì)隨著溫度的升高而顯著增加。然而，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，作物可能會(huì)受到熱脅迫，氣孔會(huì)關(guān)閉以減少水分散失，從而導(dǎo)致蒸騰作用減弱。溫度對(duì)水汽飽和差有著重要影響，進(jìn)而影響蒸散量。水汽飽和差是指在一定溫度下，空氣中的飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓的差值。溫度與飽和水汽壓呈正相關(guān)關(guān)系，隨著溫度升高，飽和水汽壓迅速增大。當(dāng)實(shí)際水汽壓不變時(shí)，溫度升高會(huì)導(dǎo)致水汽飽和差增大。而水汽飽和差是蒸散的驅(qū)動(dòng)力之一，水汽飽和差越大，空氣對(duì)水汽的容納能力越強(qiáng)，水分從作物表面和土壤表面向空氣中擴(kuò)散的動(dòng)力就越大，蒸散量也就越大。以某地區(qū)的農(nóng)田實(shí)驗(yàn)為例，在溫度為25℃時(shí)，測(cè)得飽和水汽壓為3.17kPa，實(shí)際水汽壓為1.5kPa，水汽飽和差為1.67kPa，此時(shí)作物的蒸散量為4mm/d；當(dāng)溫度升高到30℃時(shí)，飽和水汽壓變?yōu)?.24kPa，實(shí)際水汽壓仍為1.5kPa，水汽飽和差增大到2.74kPa，作物蒸散量增加到6mm/d。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到溫度與蒸散量的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85，進(jìn)一步驗(yàn)證了溫度對(duì)蒸散量的重要影響。4.1.3濕度空氣濕度是影響作物蒸散的重要?dú)庀笠蛩刂?，其?duì)蒸散的影響主要通過(guò)改變水汽擴(kuò)散梯度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在作物蒸散過(guò)程中，水汽從作物表面和土壤表面向大氣中擴(kuò)散，而水汽擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是水汽濃度梯度，即水汽從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散?？諝鉂穸确从沉舜髿庵兴暮浚?dāng)空氣濕度較低時(shí)，大氣中的水汽濃度較低，與作物表面和土壤表面的水汽濃度差較大，形成較大的水汽擴(kuò)散梯度。在這種情況下，水分更容易從作物和土壤表面蒸發(fā)到空氣中，從而增加了蒸散量。相反，當(dāng)空氣濕度較高時(shí)，大氣中的水汽濃度接近作物表面和土壤表面的水汽濃度，水汽擴(kuò)散梯度減小，水分蒸發(fā)的動(dòng)力減弱，蒸散量相應(yīng)減少。為了更直觀地說(shuō)明濕度對(duì)蒸散的影響，進(jìn)行了不同濕度條件下的蒸散實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了高濕度（相對(duì)濕度80%）、中濕度（相對(duì)濕度60%）和低濕度（相對(duì)濕度40%）三種處理，在相同的溫度、輻射和風(fēng)速等條件下，測(cè)量小麥的蒸散量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低濕度條件下，小麥的日蒸散量為5mm；在中濕度條件下，日蒸散量降低到3.5mm；在高濕度條件下，日蒸散量進(jìn)一步減少到2mm。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)蒸散量與空氣相對(duì)濕度之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著空氣相對(duì)濕度的增加，蒸散量逐漸減少，這充分證明了空氣濕度對(duì)作物蒸散具有顯著的抑制作用，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理中，需要充分考慮空氣濕度對(duì)蒸散量的影響，以準(zhǔn)確估算作物需水量和制定合理的灌溉策略。4.1.4風(fēng)速風(fēng)速在作物蒸散過(guò)程中起著促進(jìn)水汽擴(kuò)散的重要作用，對(duì)作物蒸散量有著顯著影響。在大氣邊界層中，風(fēng)速的存在使得空氣不斷流動(dòng)，這種流動(dòng)能夠打破作物表面和土壤表面附近的水汽邊界層。水汽邊界層是指在作物和土壤表面形成的一層水汽濃度較高的空氣層，它會(huì)阻礙水汽的進(jìn)一步擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，空氣的流動(dòng)能夠迅速將邊界層內(nèi)的水汽帶走，使得作物和土壤表面與大氣之間的水汽濃度差始終保持較大，從而增強(qiáng)了水汽擴(kuò)散的動(dòng)力，促進(jìn)了水分從作物表面和土壤表面向大氣中的蒸發(fā)和蒸騰，導(dǎo)致蒸散量增加。許多風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都驗(yàn)證了風(fēng)速與蒸散量之間的密切關(guān)系。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置不同的風(fēng)速條件，保持其他氣象因素不變，測(cè)量作物模型的蒸散量。結(jié)果顯示，當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s增加到3m/s時(shí)，作物模型的蒸散量提高了約30%。在野外實(shí)測(cè)中，對(duì)某農(nóng)田的玉米進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速為2m/s時(shí)，玉米的日蒸散量為4mm；當(dāng)風(fēng)速增大到4m/s時(shí)，日蒸散量增加到5.5mm。通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出風(fēng)速與蒸散量之間的定量關(guān)系，蒸散量隨著風(fēng)速的增大而近似呈線性增加。然而，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)一定閾值后，蒸散量的增加趨勢(shì)可能會(huì)逐漸變緩。這是因?yàn)檫^(guò)高的風(fēng)速可能會(huì)導(dǎo)致作物氣孔關(guān)閉，減少水分的蒸騰，同時(shí)也可能會(huì)使土壤表面干燥，減少土壤水分的蒸發(fā)，從而限制了蒸散量的進(jìn)一步增加。4.2作物因素4.2.1作物種類不同作物種類由于其獨(dú)特的生理特性和形態(tài)結(jié)構(gòu)，在蒸散量上存在顯著差異。C3作物和C4作物在光合作用途徑、氣孔調(diào)節(jié)機(jī)制以及葉片解剖結(jié)構(gòu)等方面的不同，導(dǎo)致它們的蒸散特性有所區(qū)別。C3作物，如小麥、水稻等，其光合作用的最初產(chǎn)物是三碳化合物，在光合過(guò)程中，C3作物的氣孔對(duì)二氧化碳的親和力相對(duì)較低，為了滿足光合作用對(duì)二氧化碳的需求，氣孔需要保持較長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)放狀態(tài)。這使得水分通過(guò)氣孔散失的機(jī)會(huì)增加，從而導(dǎo)致較高的蒸散量。在相同的氣象條件下，小麥在生長(zhǎng)旺盛期的日蒸散量可達(dá)4-6mm。相比之下，C4作物，如玉米、甘蔗等，具有獨(dú)特的C4光合作用途徑。它們能夠更有效地固定二氧化碳，在較低的氣孔導(dǎo)度下就能滿足光合作用的需求，因此氣孔開(kāi)放程度相對(duì)較小，水分散失較少。C4作物的葉片通常具有特殊的解剖結(jié)構(gòu)，如具有花環(huán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于提高光合效率，同時(shí)也減少了水分的蒸騰損失。在同樣的環(huán)境條件下，玉米在生長(zhǎng)旺盛期的日蒸散量一般為3-5mm，低于小麥等C3作物。作物的根系分布特征也會(huì)對(duì)蒸散量產(chǎn)生影響。根系發(fā)達(dá)、扎根較深的作物，能夠從土壤深層吸收更多的水分，在干旱條件下，依然能夠維持相對(duì)穩(wěn)定的蒸騰作用。例如，棉花的根系較為發(fā)達(dá)，入土深度可達(dá)1-2m，在干旱時(shí)期，它可以從較深的土壤層獲取水分，保證自身的水分供應(yīng)，其蒸散量受土壤表層水分變化的影響相對(duì)較小。而一些淺根系作物，如蔬菜類作物，根系主要分布在土壤表層，對(duì)土壤表層水分的依賴程度較高，當(dāng)土壤表層水分不足時(shí)，其蒸騰作用會(huì)受到明顯抑制，蒸散量迅速下降。4.2.2作物生長(zhǎng)階段作物在不同生長(zhǎng)階段，其生理活動(dòng)和形態(tài)結(jié)構(gòu)不斷變化，導(dǎo)致蒸散量呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。以玉米全生育期蒸散監(jiān)測(cè)為例，深入分析其在不同生長(zhǎng)階段的蒸散變化情況。在苗期，玉米植株矮小，葉面積較小，葉片的氣孔導(dǎo)度也相對(duì)較低，因此蒸散量較小。此時(shí)，玉米主要進(jìn)行根系的生長(zhǎng)和植株的基本構(gòu)建，對(duì)水分的需求相對(duì)較少。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，玉米苗期的日蒸散量一般在1-2mm。隨著玉米進(jìn)入拔節(jié)期，植株開(kāi)始迅速生長(zhǎng)，葉面積逐漸增大，葉片的氣孔導(dǎo)度也有所增加，光合作用和蒸騰作用都明顯增強(qiáng)。同時(shí)，植株對(duì)水分和養(yǎng)分的需求也大幅增加，蒸散量隨之快速上升。在這一階段，玉米的日蒸散量可達(dá)到3-4mm。到了花期，玉米生長(zhǎng)最為旺盛，葉面積達(dá)到最大值，葉片的氣孔導(dǎo)度也維持在較高水平，以滿足大