第4章　作物需水量与耗水量估算方法及应用

准确地估算作物需水量与耗水量，是预测和模拟农田水分转换与消耗过程，优化农田水管理与科学利用水资源的前提。对作物需水量与耗水量的研究已有200多年历史，取得了一系列成果。关于作物需水量与耗水量估算的研究，最早可追溯到1802年的道尔顿定律[1]。随着科学技术水平、实验设备和观测手段的提高，人们相继提出了一系列估算的理论和经验模型。1926年，Bowen从能量平衡方程出发，提出了估算作物耗水量的波文比-能量平衡法[2]。1939年，Thornthwaite和Holzman利用近地面边界层相似理论，提出了估算作物耗水量的空气动力学方法[3]。1948年，Penman和Thornthwaite同时提出了“大气蒸发力”的概念及相应的估算公式[4]。基于能量平衡方程和物质传输方程，通过引入饱和水汽压-温度方程，避开了复杂的湍流传输过程，Penman提出了估算自由水面蒸发的计算公式，即知名的Penman综合法[5]。Monteith在Penman工作的基础上，于1965年引入冠层阻力的概念，提出了著名的Penman-Monteith模型[6]。该模型全面考虑影响作物需水与耗水的大气物理特性和植被生理特性，具有坚实的物理基础，能清楚地了解作物需水与耗水变化过程及其影响机制，计算相对简单，在实际中得到了广泛应用。

由于Penman-Monteith模型将下垫面概化为一个均一整体，只能得出作物耗水总量，不能区分作物植株蒸腾与棵间土壤蒸发两个不同的物理过程，1985年，Shuttleworth和Wallace将植被冠层、土壤表面看成两个既相互独立、又相互作用的水汽源，建立了适于稀疏冠层的双源Shuttleworth-Wallace作物耗水量模型[7]。由于该模型较好地考虑了棵间土壤蒸发，有效地提高了作物叶面积指数较小时的耗水估算精度，因而被广泛应用于稀疏冠层的作物耗水量估算。但该模型在计算时，需要5个阻力参数，计算过程较为复杂，特别是不同的冠层阻力公式，对估算结果的影响还较大，因而这些问题也限制了该模型的应用。20世纪60年代以来，出现了模拟土壤—植物—大气连续体（SPAC）中能量与物质交换过程的研究，以克服传统方法所存在的缺陷。虽然其中一些参数目前还难以精确估计而未能达到应用的程度，但在理论上是继1965年Monteith后作物耗水量估算领域的又一大突破。

除了以上估算作物需水量与耗水量的直接法外，作物系数法是一种计算简单、适用性强的间接估算法。由于Penman-Monteith方程中冠层阻力较难获得，因此FAO对模型的冠层阻力进行标准化后计算参考作物的需水量，然后乘以代表不同条件的特定作物的作物系数获得作物需水量。参考作物需水量是指一个生长良好和供水充足的绿色矮秆牧草的耗水量。FAO-56分册对参考作物需水量给出了明确定义和标准化计算方法，作物系数Kc代表了各种作物实际耗水量与参考作物耗水量的比值[8]。作物系数法是一种简单、方便和可复制的估算各种作物和气候条件的作物耗水量方法，已经被广泛地应用在农业生产中，且被证明是一种估算作物耗水量和需水量的成功可靠方法。但该方法一般用于一天或更长时段，不太适合估算小时尺度的作物需水量与耗水量[8]。