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题目 从液流流量计和Penman-Monteith方程推导蒸腾控制

从液流流量计和Penman-Monteith方程推导蒸腾控制

R. M. Aiken, N. L. Klocke

摘要:原位蒸腾的测量可以提高作物水分利用和生产力的实地研究。我们的目标是开发和评估华盖阻力模型，以评估液流的操作特性

热计（SFHG）为大田玉米（玉米属），并比较由SFHG与evapotran-计算蒸腾磁通spiration（ET）由彭曼 - 蒙特斯（P-M）算法进行计算。五液流计的热量，通过自动化控制数据采集​​系统，被部署在每个玉米四个复制田间小区灌溉水赤字限制到50％通过估计为每干在花园城市，堪萨斯州，可供水量在2004年和2006年的水通量剩余的热平衡方程。仪表被转移到相邻的植物后13〜21天，以评估和MITI门功能系统的损害。技术的损失主要是由于阀杆损坏，通常发生在大约

一到两周之后安装。使用运营指标被用来评估一个缩放数据筛选关系

计算流量ET计算继P-M个形式之间的船。从prin-衍生出的林冠阻力模型辐射使用ciples。蒸腾从中线性相关的ET从P-M的计算值计的数据计算，用R2 超过0.79。更高的精确度有什么用假设恒定的林冠阻力（RC）获得，但预测偏差什么通过假设减少所做的rc什么成正比太阳辐射。液流仪表提供calibrat-有用的信息ING以RC型号为P-M个计算ET的蒸腾组成部分;模型林冠阻力链接到吸收辐射有应用双源和作物ET基于热能量平衡模型。

关键词： 冠层阻力，蒸发，Penman-Monteith，辐射使用，Sap流量计，蒸腾。

蒸腾可以被认为是从农业角度来看的蒸散量（ET）的生产部分。将蒸散量（ET）分成蒸发（E）和蒸腾（T）组分允许评估水管理作物生产力和节水。 Lascano等（1994）表明，作物残留管理，将水的使用从E改变为T，导致棉花（Gossypium hirsutum L.）棉绒产量相应增加。如何量化ET的单独的E和T组分被混杂的（1）作物冠层效应对冠层子层内的对流和辐射交换，（2）近地表根水提取，和（3）测量方法整合E和T过程的影响（例如，土壤水平衡，微气象学，测量）。控制T的因素的二维知识可以支持冠层功能，生产力和转动效率的清晰解释。这种推断可以支持使用温度效应的冠层过程的遥感。

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相关作者

提交于2011年8月审查，作为手稿编号SW 9324; 批准由2012年3月由ASABE的土壤和水分部出版。在第五届国家十年灌溉会议上作为第IRR1010030号文件提交。

作者是Robert M. Aiken，堪萨斯州立大学，西北研究推广中心（NWREC），堪萨斯州科尔比的副教授; 和Norman L. Klocke，ASABE会员，堪萨斯州立大学教授，西南研究推广中心（SWREC），花园城市，堪萨斯州。 通讯作者：Robert M. Aiken，堪萨斯州立大学，NWREC，105 Experiment Farm Road，Colby，KS 67701;电话：785-462-6281; 电子邮件：raiken@ksu.edu。（Norman等人，1995; Bastiaanssen等人，1998）。

T的原位测量可以支持植物和环境影响的现场分析。 Baker和van Bavel（1987）表明，对于应用于茎段（使用径向几何构型）的绝热热源，树汁流量可以计算为来自能量平衡的残差。 Ham et al。 （1991）利用这种方法用液流热量计（SFHG）来量化棉花中的T. Zeggaf et al。 （2008）报道，从SFHG计算的玉米（Zea mays L.）中的T对应于从Bowen比率法得到的; Sauer等人（2007）报道了由SFHG计算的大豆（大豆（Glycine max（L.）Merr。）T占ET的88％至92％，通过涡流协方差系统测量，在晴朗的窄行，不确定大豆冠层天。 SFHG的操作效用可能由于茎干损伤而变化，随着相关传感器热传递特性和植物对波动环境条件的响应而变化。关于SFHG的操作性能的信息可以指导这种技术的现场应用。

Penman（1948）的组合方程为驱动E. Monteith（1965）引入植物冠层对Penman方程的对流和辐射过程的分析提供了热力学基础，增强了对蒸发通量的营养冠层效应的分析。 Penman-Monteith方程（P-M; Monteith，1973; Allen等人，1998）提供了定量作物水利用的几种方法之一，其可以指导灌溉调度。 McArthur（1990）以及Lascano和van Bavel（2007）分析了P-M等位基因固有的负偏差，（Monteith，1973），这是由假设蒸发源和环境水槽的热和蒸汽压力条件相似的结果。 Lascano et al。 （2010）证明了递归组合方法（RCM），求解表面温度以及蒸发通量，模拟每日ET，均方根差为0.05mm，相对于来自0.05mm精度的场测定器的测量。冠层电阻（rc）（在PM和RCM中使用的传递系数）的不正确参数化可以将实质误差传播到ET的计算值（Monteith，1965; Shuttleworth和Wallace，1985，Hay和Irmak，2010; Lascano等。，2010）。 ET的蒸腾分量的独立计算可以支持使用能量平衡模型，如P-M或RCM来评估替代水管理实践。我们的研究目标是开发和评价冠层抗性模型，评估SFHG的田间玉米的操作特性，并比较由SFHG计算的蒸腾通量与由P-M算法计算的E。

方法和材料

充分浇水的玉米作物的蒸腾从在开花和谷物填充生长阶段期间收集的SFHG测量推断。 使用P-M算法从现场天气数据计算预期ET; 冠层电阻（rc）被假定为是恒定的或是吸收的光合有效辐射（APAR）和有效叶面积的非线性函数。rc函数来自光合作用和辐射使用的原理。 使用线性回归来评估从SFHG测量计算的T与从ET计算的ET的关系

P-M，考虑rc的替代假设。

作物栽培

在2004年和2006年5月的最后一周，玉米直接播种（71,600株植物），将免耕管理作为种植顺序和灌溉的一部分在堪萨斯州立大学附近的堪萨斯州花园城附近的研究扩展中心（37.97°N，100.83°W）。土壤形成于高原平原的钙质黄土，深层和排水良好。土壤类型是尤利西斯粉砂壤土（细粉砂，混合，中间的Aridic

Haplustoll），其在现场容量（34％体积）和永久萎凋（16％容积）之间的可用水容量为180mm m -1，pH为8.1，有机物含量为1.5％。花园城市长期平均气候数据为年降水量454毫米，平均气温12℃，pan蒸发量（4〜9月）1810毫米，无霜期170天。包括杂种选择，免耕种植技术，化肥应用和杂草控制等文化实践不限于作物生产。 作物在半周频率下使用喷洒器在线性移动系统上灌溉，以满足蒸发需求，不超过50％的可用土壤水消耗。

实验处理在四个区域中重复（该研究是较大研究的一个子集，Klocke等人，2011）。 树汁流量计只安装在每个重复块中接受完全灌溉的地块（13.7米times;28.0米）。

液流流量计测量仪器

根据制造商的说明书，在四个重复试验的每一个上，将树汁流量计（SF19，Dynamax，Houston，Tex。）安装在第三节间处的五个植物的茎上，在试探发育阶段（流苏可见）。在安装之前，记录节间中点处的茎直径（最大和最小）。除去叶鞘，并将硅喷雾润滑剂施加到茎上，以确保与茎适当规模接触。闭孔泡沫绝缘和铝反射屏蔽，用电带密封，尽量减少与环境的能量交换，并屏蔽雨水和灌溉水。两周后，将来自重复1和3的两个计量器和来自重复2和4的三个计量器移动到相邻的植物，按照相同的安装程序。第三周后，将剩余的量规移至相邻的植物。在初始安装后五周，将计量器移至第三组植物。在2006年遵循相同的程序，除了每个地块的三个仪表是发电机，其余两个仪表由实验家按照Bremer和Tarara（1994）记录的类似设计制造。

延长电缆（10米）（Belden9450,24 AWG，屏蔽）将来自计量器的热电偶信号传送到在位于场地图中的绝缘外壳内屏蔽的多路复用器（AM416，Campbell Scientific，Logan，Utah） 保持四个多路复用器与在现场图中心位置的数据记录器（23X，Campbell Scientific，Logan，Utah）之间的通信。商用12规格绝缘铜线向每个外壳中的端子条传导电力， 液流计连接。 连接到端子条的正极和负极引线的衰减精密电阻（5kOmega;/ 20kOmega;，0.1％精度）的电压读数提供了提供给每组测量仪的功率的成比例的测量。

为了最小化在低流量期间由加热引起的茎损伤，通过数据记录器，继电器驱动器（A6REL-12，Campbell Scientific，Logan，Utah）和受控双可调节电压调节器（AVRDC，Dynamax，Houston，Tex 。）。 当预期蒸腾通量小于200W m-2（0.3mm h-1）时，从18:00 h至5:00 h对计量表施加降低的电压（1V）输入。 当蒸腾通量预计超过200W m-2（0.3mm h-1）和黎明前（5:00）时，正常电压输入（4V）从9:00至18:00 h至6:00 h），以计算计量常数（量化径向几何形状的热损失）。 以10秒的间隔接收热电偶信号，并以12分钟间隔积分为平均值。 该系统由通过1.1m 2太阳能电池板（SG105，Carizzo Solar Corp.）再充电的深循环电池（L16G，Trojan，Sante Fe Springs，Cal。）供电。

树汁流动的分析遵循Baker和van Bavel（1987）和Ham和Heilman（1990）的分析。通过缠绕在茎（Q）上的电阻加热器施加的功率被分成包括远离测量仪（Qv）的杆轴向热传导，绝缘测量仪（Qr）的径向损失和通过液流（Qf）的对流传递的部件：

Q= Qv Qr Qf (1)

其中所有项的单位为瓦特（W）。 嵌入在电阻加热器上方和下方的一组热电偶温度传感器提供量化这些流动分量所需的信息。 在稳态下，通过以下方式计算液流作为能量平衡的残差：

其中F为蒸腾流量（kg s-1）; To和T i分别是热源上方和下方的蒸腾流的表观温度（K）; cw是水的比热（J kg-1K-1）; 并且其它术语是预先定义的。 使用支架密度（这里为7.4个植物m2），从植物到土地面积的膨胀流量，并通过将F乘以蒸发潜热从质量通量（kg s -1）的单位转换成能量通量（W m-2） 和支架密度。

方程式2的解需要知道与传导热传输有关的计量常数，其从当Qfasymp;0时的黎明前观察确定。未确定的接地故障混淆了该分析。 对于每个规格的每个安装，识别和去除与计量常数相关的信号偏差（参见附录）。 当液温升高约为2℃时，预计计量精度最大（van Bavel等人，2000; Bremer和Tarrara，1994）。 制造商推荐的数据过滤器，对应于低和高液位流速，其中对于计量读数的假设无效。 低流动的标准是Qf lt;0.2Q和（To-Ti）lt;0.75℃; 高流量的标准是Qfgt; 0.8Q。 将满足低流量或高流量标准的观察结果从进一步分析中排除。

气象仪器和p-m计算

气象仪器包括在2米高度用于全球太阳辐射的太阳辐射计（Li-200，Li-Cor，Lincoln，Neb。），在2米高处的净辐射计（Q * 7.1，REBS，Bellevue， 和2m高度的湿度传感器（HMP45C，Vaisala，Inc.Woburn，Mass。）和3m高度的风速传感器（014A，Met-One，Grants Pass，Ore。 土壤热通量通过在0.1m土壤深度的热流板（HFT3.1，REBS，Bellevue，Wash。）测量，并调节热流板上方的瞬时热存储效应。 通过在10s频率下操作的数据记录器（21X，Campbell Scientific，Logan，Utah）记录传感器信号，并且在1小时间隔内积分值。 仪器安装在本研究中包括的一个充分浇水的地块之一。

通过Penman-Monteith方程（Monteith，1973，Allen等人，1998）从土壤和天气仪器计算与ET相关的期望潜热（lambda;ETPM，W m）:

其中Delta;是在环境温度（kPa℃-1）下评估的温度的饱和蒸气压函数的斜率，R n是净辐射（W m-2），G是土壤热通量（W m-2），rho;Cp 是空气的体积热容（J K-1m-3），ra是冠层源高度和参考水平（s m-1）之间的空气动力学阻力，gamma;是空气湿度常数（kPa℃-1），rc是体积 冠层的气孔阻力（s m-1）。 从中性条件的风廓线法（没有对稳定性条件的调整，Allen等人，1998）计算空气动力学阻力，测量高度为2.0m，位移高度为0.95m，粗糙度长度为0.05m。 体积冠层电阻（rc）是方程3的边界条件，并且通过在个体叶尺度上缩放rs或其逆，气孔导度（gs，m s-1）直到冠层尺度计算

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