1.2 植被(作物)蒸散量(需水量)的研究动态
将补偿作物蒸腾蒸发(蒸散)耗散掉的农田水分损失需要的水量定义为作物需水量。虽然作物需水量与作物蒸腾蒸发量(蒸散量)在数量上相等,但作物需水量对应的是需要供给的水量,而作物蒸腾蒸发量对应的是作物通过蒸腾蒸发损失的水量。基于FAO-56文本的表达,本书所指的植被(作物)需水量与植被(作物)蒸散量在数量上相等,根据问题表述的着眼点与要求,有的用需水量,有的用蒸散量。
作物蒸散是一定时段内作物蒸腾和棵间土壤蒸发之和,它与气象因素、土壤的供水状况以及作物种类和长势有关。关于蒸散的研究最早可以追溯到1802年,Dalton综合了风及空气温湿度对农田蒸散的影响而提出了著名的道尔顿蒸散定律,从而为近代蒸散理论的创立奠定了坚实基础。随着技术水平、实验设备和观测手段的提高,人们相继提出一系列估算的理论方法和经验公式。这些方法在模拟计算精度上均得到了一定程度的提高,但由于蒸散发所包括的基础过程多而复杂,限于对这些过程理解上的局限性,所以模拟计算精度有待进一步提高。
到目前为止,关于蒸散的研究主要从以下三个方面进行。
1.2.1 气孔导度-光合作用-蒸腾耦合模型
自20世纪70年代以来,随着红外气体分析技术的发展,叶片的CO2和水汽交换可以直接进行测量,因而叶片水平生理变化及其对环境因子响应的研究不断深入,这些研究结果推动了植物光合特性及叶片水平生理模型研究的发展。到目前为止,叶片尺度模型的发展也更加趋于完善,从而又推动了植物光合作用日变化及其对环境响应特征的研究。在生态系统生产力过程模型中,可将叶片水平作为生理生态学研究的基本单元,其余较大尺度的模型是在叶片模型基础上的扩展和推广(Farquhar,1978)。
环境因子通过能量传输、物质交换以及生理调节等诸多方面对叶片水平的生理过程施加影响(于强,1998)。其中太阳辐射既是叶片光合作用的能量来源,也是叶片热量平衡的输入项,叶片接受到的太阳辐射能,以显热和潜热两种形式向大气输送。作为叶片能量平衡结果的叶温,影响光合系统中酶的活性,从而影响光合作用速率,同时叶温又决定气孔下腔的饱和水汽压,进而影响蒸腾以及气孔导度。CO2通过气孔进入植物体,同时植物体内的水分通过气孔散失于空气中,CO2和水汽输送的通量取决于气孔导度、边界层导度以及气孔下腔与大气中的CO2和水汽的浓度差。在这些过程中,光合作用、气孔导度和细胞间隙CO2浓度之间有复杂的相互作用,气孔导度通过影响CO2向叶绿体的输送而影响光合作用的同时,光合作用也通过合成ATP,推动保卫细胞中的离子的运移,从而影响保卫细胞的含水量和水势,影响气孔导度,而且气孔导度控制着蒸腾作用以及热量平衡。
各个环境因子在上述过程中有以下作用(于强等,1998):光照作为叶片能量的主要来源,决定叶温,进而影响叶片的饱和水汽压;空气温度在一定程度上影响叶温水平,从而决定了光合作用的生化反应速度和饱和水汽压差,所以光合作用对温度的响应是以Arrhenus型曲线变化的;光合、蒸腾作用过程中空气的实际水汽压起直接作用,其通过决定叶片与空气之间的饱和水气压差,从而影响蒸腾和叶片失水、气孔张缩以至影响CO2和水汽的进出;风速控制边界层导度来改变叶面、环境的CO2浓度和水汽压差,影响叶片的实际水汽压和CO2环境,而CO2浓度通过影响叶肉细胞间的CO2浓度,以至于影响蒸腾作用。因此,光合作用与气孔导度的相关关系直接影响气孔导度,以至于影响蒸腾作用。由于光合作用和蒸腾作用是在植物叶片气孔内同时发生的两个过程,因此对于叶片水平的光合与蒸腾来说,气孔是关键的控制因素。
1.2.1.1 气孔导度模型
(1)气孔导度对环境变量的响应模型。关于气孔导度的模拟,依据观测结果以及植物生理学知识,各国研究人员从不同方向广泛开展了大量的研究工作,提出了多种多样的模拟模型。其中,Jarvis提出的多变量的乘合模型(Jarvis,1976),见式(1),应用最为广泛,成为很多蒸散发或者光合作用模型的气孔导度子模型的原型:
式(1)中gs和gmax为气孔导度和它的最大值。f(PAR)表示其他环境因子处于最适条件下的辐射和气孔导度的关系。f(Tl)、f(ψ)和f(D)为气孔对叶温、叶水势、饱和水汽压等环境变量的响应函数,他们表示这些变量与无量纲化气孔导度(取值在0～1间变化)的关系。但在Jarvis型模型中,所涉及的环境变量越多,模拟精度越高,其参数的确定越困难。为了解决这一问题,于贵瑞等(1998)对上述模型进行了优化,其方程是将气孔导度(gs)表达为最大气孔导度(gman,PSC)与相对气孔导度(RDO)的乘积形式,见式(2)。通过优化简化了方程并取得了很好的模拟效果。
(2)气孔导度对主要环境变量的响应模型。Jarvis(1976)对环境变量的研究表明,气孔导度主要是由辐射(PAR)、湿度(D)、水势(ψ)、温度(T)和CO2浓度(Ca)等环境条件所决定的,气孔导度对上述环境变量响应模型迄今提出了很多函数的表达形式。
气孔导度对辐射的响应模型包括:Chen和Lieth(1992)所提出的线性函数模型;Horie等(1987)和Olioso等(1995)的指数函数表现形式;由于气孔的开闭与光合作用的光反应相似,所以表示光合作用对光响应模型的直角双曲线形式得到了最为广泛的应用(Turner,1973;Shuttleworth,1990;Saugier,1991;Mascart,1991;Massman,1991),通过对上述方程的简化(Sellers,1986;Avissar,1991;Schelde,1997)与变形(Dickinson,1984;Pinty,1989;Noilhan,1989;Dickinson,1991;Pinty,1992;Seen,1997)得到具有角质层导度(gct)显式形式的气孔导度模型。
大气湿度除影响气孔及表皮的蒸腾从而改变叶片内部的水分条件之外,还可以直接影响气孔开度(Lange,1971;Schulze,1972)。在讨论气孔导度对湿度环境的响应时,最为常用的表达方式涉及叶面相对湿度(hs)、饱和差(VPD)和叶与大气间的水蒸气压差(Dv)等,将这些参数记作D∈{Dh,De,Dv,…}。关于气孔导度对湿度的响应,Chen和Lieth、Dolman和Wright等(Chen,1992;Zeiger,1983;Dolman,1993)使用了指数方程形式,但现在应用最为广泛的是线性函数(Jarvis,1976;Stewart,1988;Grantz,1991;Massman,1991;Dickinson,1984;Ogink-Hendiks,1995;Olioso,1996;Brenner,1997;Seen,1997)。Farquhar等(Farquhar,1978;Massman,1991)、Massman和Kaufmann等(Massman,1991;Schelde,1997)分别提出更为复杂的米氏双曲线形式。
温度与气孔开度的相关性很强,它主要通过改变饱和差等湿度环境而影响气孔导度。Raschke(1970)研究表明多数植物其最大气孔开度出现在约30～35℃范围内,低于或者高于这个温度气孔开度就会逐渐减小。因此,用二次曲线来描述气孔导度(gs)与温度(Tl)关系被一些研究者所采用,但目前用最高、最低和最适叶温来表示gs与Tl的关系也很多(Jarvis,1976;Sellers,1986;Shuttleworth,1989;Massman,1991)。
关于CO2浓度(Ca)对气孔导度的影响,Rachke、Zeiger(Raschke,1970;Zeiger,1983)等研究表明气孔对大气CO2浓度(Ca)反应敏感,但由于气孔对于CO2浓度变化的响应机制较为复杂,目前还难以取得一致的认识。由于自然环境中CO2浓度变化幅度不大,所以在气孔导度模型中一般不考虑该环境变量的影响,因此关于气孔导度对CO2浓度变化的响应函数研究也很少。描述气孔导度和冠层内空气CO2浓度关系,较为常见的仅为Jarvis(Jarvis,1976)的分段函数。
1.2.1.2 气孔导度与光合作用耦合模型
气孔是植物进行体内外气体交换的重要门户,水蒸气、CO2、O2都要共用这个通道,因此它控制着植物的蒸腾、光合、呼吸等生理过程。气孔导度对环境变化非常敏感,可是到目前为止对气孔行为的生理机制还不完全清楚,半经验模型常常用于描述气孔对环境变量和生理因子的响应(Nunes,1993)。Ball等(Ball,1987)综合了常见的净光合速率(Pn)和气孔导度(gs)的相互关系,同时包括湿度和环境CO2浓度对传导率的影响,首先提出了一个经验模型(即Ball-Berry模型)。该模型认为在植物体水分不亏缺的条件下,气孔导度是叶面相对湿度(hs)、CO2浓度(Ca)和净光合速率(Pn)的函数。该模型后经Leuning(1990、1995)等修正,已被许多建模者所采用(模型描述见3.2节)。
1.2.1.3 气孔导度与蒸腾作用耦合模型
由于植物的种类不同,气孔在其叶片上的分布也有所差异。有些气孔仅分布于植物叶片的单面(通常分布在背轴面),而另一些叶片的两面都有气孔分布(Brenner,1997;Harley,1992),且叶的两面气孔密度比例也不尽相同。
根据电学类比原理,对于气孔分布于叶片单面的植物,叶片的蒸腾速率(Em)可用式(3)加以描述,其中Wi、Wa分别为气孔下腔和空气的绝对湿度,rL定义为对于水蒸气扩散的叶片阻力。由于叶片阻力(rL)约为气孔阻力(rs)与叶面边界层阻力(rb)之和,所以叶片的蒸腾速率模型又可表达为式(4)的形式,其中gs、gb分别为气孔导度和叶面边界层导度。另外根据绝对湿度(W:kg/m3)、空气比湿(q:kg/kg)和水汽压(e:Pa)三者间关系[W=MWe/RT、q=(MWe/Ma)/[P-(1-MW/Ma)e]≈0.662e/P],Mw、R、T、Ma和P分别是水的摩尔质量、气体常数、绝对温度、干燥空气摩尔质量、大气压,T和P单位分别是K和Pa,蒸腾速率模型可变形为式(5),ρ为空气密度(kg/m3),eW(TL)为叶温TL条件下的叶内的饱和水蒸气压。使用干湿表常数(γ:Pa/K)、空气定压比热[Cp:J/(kg·K)]、蒸发潜热(λ:J/kg),经转换得到气孔导度(gs:gs=1/rs)与蒸腾速率耦合模型。
1.2.1.4 气孔导度-光合作用-蒸腾耦合模型
在根据电学类比原理建立的气孔CO2和H2O扩散模型中,于贵瑞等(2001)又引入了CO2同化的内部导度(gic),结合Leuning的H2O扩散气孔导度(1995),从而提出一个实用简单的光合作用与蒸腾作用及气孔导度耦合模型(详见3.2节)。
近年来,随着对植物叶片水平生理模型研究的不断深入,也相应地推动了植物光合特性的研究向数值分析方向发展。光是光合作用的动力,也是形成叶绿素、叶绿体以及叶片正常生长发育的必要条件,光还显著地调节光合酶的活性与气孔的开度,它直接制约着光合速率的高低。因此,光强-光合速率关系的直角双曲线方程被许多研究者应用于不同植物光合特性的研究。光合速率与CO2关系的研究表明(王文章,1994),在一定CO2浓度范围内,植物叶片的光合速率对CO2的响应与对光强的响应相似,也符合上述直角双曲线方程。关于植物光合作用日变化,于强等(1998)还通过建立包括叶片上主要物理及生理过程的相互关系的数学模型,研究了不同环境因子对光合作用、蒸腾作用和气孔导度的日变化的影响。
1.2.2 能量平衡模型
国际上对蒸散量的测定和研究已经有200多年的历史,取得了一系列研究成果(Brutsaert W,1982)。1802年Daltonl首先综合了空气温度、湿度、风速对蒸发的影响,提出了著名的道尔顿蒸发定律,对近代蒸发理论的创立有决定性的作用。1926年Bowen通过地表能量平衡方程提出了计算蒸发的波文比-能量平衡法,1939年Thornthwatie和Holzman根据近地边界层相似理论提出了计算蒸发的空气动力学方法。蒸散的能量平衡模型主要有以下几种。
1.2.2.1 涡度相关法
涡度相关法基于质量传递原理,考虑位于蒸发面以上的大而均匀呈垂向运动的空气涡流,这个涡流从蒸发面或向蒸发面传输物质(水汽)、能量(热、热势)。Scrace在1930年记录了垂直方向风速分量和水平分量成正比的信号,并用于计算了水平动量垂直涡度通量的涡度能量。Swinbank(1955)利用涡度相关技术测量温度、湿度、风速的脉动值,从而计算显热和潜热通量。其潜热通量的计算公式为
式中 LE——潜热通量;
ρ——空气密度;
L——水汽化潜热;
w'、q'——垂直风速和湿度的脉动值。
涡度相关法要求精确测量蒸发面以上不同水平的水汽压、气温、风速。因用于涡度相关技术测量的各种传感器的设计制造极为复杂,价格极其昂贵,某种程度上限制了该方法的广泛应用。
1.2.2.2 波文比-能量平衡法
依据表面能量平衡方程,Bowen(1926)提出,在一给定表面分配给显热的能量(H)与分配给蒸发的(λE)能量的比值相对是常数,波文比β的定义为
上式可简化为
波文比方法是常规观测中精度较好的方法,长期以来得到了广泛的应用。但在下垫面很潮湿或空气逆温条件下,由于空气温度和湿度的垂直轮廓线不一致,常导致热量与水汽湍流交换系数的不等同性,计算结果往往偏低,精度下降。早晚时刻或很干燥的天气条件下误差可能更大。
1.2.2.3 空气动力学法
空气动力学法是Thornthwaite和Holzman于1939年利用近地边界层相似理论首次提出的,它通过测定作物冠层上方的水汽运动速率以测定蒸发蒸腾量。在一个均匀的植物冠层上方,从几个不同的水平上分别测定空气的水汽压和流动速度,然后将有关的测定值联合起来即可确定瞬时蒸发蒸腾速率,将这些频繁的瞬时数值累积起来,可以计算出一天的蒸发蒸腾量。
基于Monin Obukhov(MO)相似理论,根据近地层气象要素梯度和湍流扩散系数求出某一点的潜热通量。应用紊流传导方程推导出蒸散强度的近似为
空气动力学方法假定近地边界层内动量、热量和水汽传输系数相等,但用该法计算粗糙下垫面的蒸发时,由于粗糙下垫面对湍流场的影响复杂,一般会产生较大误差。故而该方法仅用于较短期内的蒸发蒸腾速率计算。
根据空气动力学法的基本原理,W.James、Shouttleworth和J.S.Wallance(1985)提出的双涌源模型以及A.J.Brenner和L.D.Incoll(1997)、A.J.Dolman(1993)提出的多涌源模型在气象学界得到广泛的应用。
1.2.3 空气动力学与能量平衡联立法
联立法是利用空气动力学方法得到显热交换,利用观测资料或计算公式求出净辐射,然后求出热量平衡方程式的余项——潜热交换,进而求出蒸散量。在联立法中,仅需单一高度的测定,不必像建立梯度测定那样精确,所以根据单一高度的测定值计算蒸散有极大的优点。FAO Penman公式和Penman-Monteith公式是联立法中最著名的两个公式。
(1)FAO Penman公式。Penman综合了能量平衡与空气动力学方程,对于广阔的湿润表面,用比较容易测得的参数给出计算潜在蒸散的方程。国际粮农组织(FAO)于1977年对原始的Penman公式进行了调整。调整后的公式为
(2)FAO Penman Monteith(PM)公式。Monteith在Penman等人工作基础上提出的计算作物蒸散的阻力模式,是以能量平衡和水汽扩散为基础,既考虑空气动力学和辐射项的作用,又涉及作物的生理特征。FAO于1998年将Penman Monteith公式进一步改进得到估算蒸散的公式:
Monteith认为即使在充分供水条件下,下垫面的作物冠层表面也不能视为饱和层,式中引入表面阻力参数来表征作物生理过程中叶面气孔及表层土壤对水汽传输的阻力作用。表面阻力在有植被情况下包括冠层叶面阻力和表层土壤阻力,主要受气候因素和土壤水分状况的影响并随作物种类而变化,当作物缺水受旱或水汽压差值增加时,都将导致表面阻力增大。Penman公式、Penman-Monteith模型、Shuttleworth-Wallace模型均是基于能量平衡和微气象学方法建立起来的,但是不论哪种模型,预报精度均取决于正确确定系统内的各种阻力。
1.2.4 水量均衡模型
1.2.4.1 蒸渗仪法
蒸渗仪(lysimeter)是根据水量平衡原理设计的用于直接测定农田土壤水分蒸散与渗漏的装置。自从1937年美国俄亥俄州的肖克顿安装了带有自动记录设备的著名整体水文循环测渗仪以后,该仪器的发展非常快,实现了农田蒸发蒸腾量的精确测量。蒸渗仪主要有三种类型:第一种是非称重式蒸渗仪,它通过各种土壤测量技术测定土壤水分变化,用可控制的排水系统来定期测定排水量。第二种是飘浮式蒸渗仪,它是以静水浮力称重原理为基础,将装有土柱的容器安装在漂浮于水池中的浮船上,组成漂浮系统。当土柱中的水分增减引起重量变化时,装有土柱的容器在水池中的沉没深度也将发生变化,故测出土柱容器的沉没值,便可计算土柱的蒸发蒸腾量。第三种是称重式蒸渗仪,其下部安装有称重装置测定失水量,先进的蒸渗仪具有很高的精度,可以测定微小的重量变化,可以得到短时段内的蒸发蒸腾量。经过多年使用、验证,蒸渗仪已成为一种准确测定蒸发蒸腾量的有效方法,被广泛应用。大型蒸渗仪与同类仪器相比虽然有很多优点,但建设费用高,安装复杂,平时管理要求十分严格,因此它的应用受到一定的限制。
桶测法、盆测法均是基于水量平衡原理测定计算蒸散发与渗漏的简易装置,但大多填装的是扰动土,与自然状态有一定差距。微型蒸渗仪(Microlysimeter)是一种用于直接测定裸露土壤及作物冠层下土壤蒸发的既方便又可靠的测定技术。
1.2.4.2 土壤水量均衡法
采用水量均衡法测定蒸散量仍是当前普遍应用的方法。水量均衡法基于水量守衡原理,这种方法是通过评价某个时段内流入流出植被根系带的水量来实现,蒸散量由下式计算:
式中 I——灌溉量;
P——降雨量;
RO——地表径流损失;
ΔSF——土体下边界净通量;
ΔSW——计划层土体贮水量变化。
当土体发生深层渗漏时(通量向下)ΔSF取正值,地下水通过毛细作用向上顶托补给根系带时(通量向上)ΔSF取负值。在农田或较平缓地区RO一般可以忽略。
1.2.5 估算农田蒸散的经验方法
为估算蒸散发,发展了许多经验公式。这些经验公式是根据一给定作物在一给定地区内的情况校定的。由于经验公式几乎都以物理因素为基础,因此公式中的参数比较容易获得。用气象数据估算的蒸散发量可以对不同地区的农田蒸散发值进行比较,同时预测某一地区的农田蒸散值。吴凯等人根据冬小麦蒸散发与环境因子的相关关系,建立蒸散发量与生长期、净辐射、土壤热通量和红外冠层温度的经验关系式。Friesland等人在其文章中列出大量估算蒸散发的经验公式。Jennifer等人给出14种估算参考作物蒸散量的经验模型,这些模型基本上是以温度、太阳辐射为基础的。Eitzinger等人给出了估算农田蒸散发量的经验公式,并将估算结果与蒸渗仪实测数据相比较,取得了良好的效果。利用气象观测数据通过经验公式估算农田蒸散量虽然会取得较好的效果,但估值的时间精度限制和较强的区域局限性,制约了其自身的普遍应用。
1.2.6 遥感方法
遥感方法主要是根据热量平衡余项模式求取蒸散发量。利用热红外遥感的多时信息获取不同时刻的地表温度,从而求得土壤热通量,以此表达土壤湿度状况,并结合净辐射资料,推算大面积潜热通量与蒸散发值。Caselles和裴浩等人利用极轨气象卫星NOAA/AVHRR资料遥感监测土壤水土的表观热惯流量。Manuel等人以遥感获取的冠层温度为基础,利用空气动力学公式和波文比-能量平衡法对汽化潜热进行很好的估算。卫星遥感的应用,使得每天同步监测估算汽化潜热成为可能。Brown和Rosenberg(1985)根据能量平衡、作物阻抗原理建立的作物阻抗——蒸散发模型,成为热红外遥感温度应用到作物蒸散模型的理论基础。谢贤群和张仁华(1991)等人在上述模型的基础上,对不同气象和空气层结构条件下,空气动力阻抗的计算方式进行了修正。陈镜明(1988)根据植被小气候原理,提出“剩余阻抗”概念对空气动力阻抗进行补充,提高了植被覆盖条件下的计算精度。近年来,应用高分辨率光谱辐射计研究植被光谱的动态变化、植被光谱与覆盖率及叶面指数的关系,为建立遥感农田蒸散模型提供了基本依据。
1.2.7 拉格朗日逆分析法
该方法根据Raupach提出的LNF(Localized Near Field)理论,耦合垂直速度标准差σw(z)和拉格朗日时间尺度TL(z),建立冠层内水汽压强度和平均浓度轮廓线之间的关系,利用拉格朗日逆分析法用冠层内水汽浓度梯度计算冠层内水汽源、汇强度,进而根据此计算冠层蒸散量。这种方法在森林蒸散量的模拟计算方面得到大量的应用。