Chapter 1 - Introduction to evapotranspiration

本章解释了参考作物蒸发腾发量（ETo）和标准条件下的作物蒸发腾发量（ETc）以及各种管理和环境条件（ETc adj）的概念以及两者之间的差异。它还研究了影响蒸发腾发量的因素、蒸发腾发量的正常表达单位以及确定蒸发腾发量的方式。

EVAPOTRANSPIRATION PROCESS 蒸发腾发过程

水分一方面通过蒸发从土壤表面流失，另一方面通过蒸腾从作物中流失的两个独立过程的组合称为蒸散量（ET）。

译者注:ET 在农业水利行业也叫蒸发腾发量。在气象等专业叫作蒸散量。实际上都是从英文单词: Evapotranspiration 译来， 以下无必要说明的，两者可能会混用。

Evaporation 蒸发

蒸发是将液态水转化为水蒸汽（蒸发）并从蒸发表面上散去（蒸汽去除）的过程。水从各种表面蒸发，如湖泊、河流、路面、土壤和潮湿植被表面。
将水分子的状态从液体变为蒸汽需要能量。直接的太阳辐射，以及在一定程度上的空气环境温度，提供了这种能量。从蒸发表面去除水蒸气的驱动力是蒸发表面的水蒸气压力与周围大气的水蒸气压力之差。随着蒸发的进行，周围的空气逐渐饱和，过程将减慢，如果湿空气还没有转移到大气中，过程可能会停止。用干燥空气替换饱和空气在很大程度上取决于风速。因此，在评估蒸发过程时，太阳辐射、空气温度、空气湿度和风速都是要考虑的气候参数。
如果蒸发面是土壤表面，作物冠层的遮荫程度和蒸发面上的可用水量是影响蒸发过程的其它因素。频繁的降雨、灌溉和从浅水位向上输送的水湿润了土壤表面。如果土壤能够以足够快的速度供水以满足蒸发需求，那么土壤的蒸发量仅由气象条件决定。然而，如果降雨和灌溉之间的间隔变大，土壤将水分传导到土壤表面的能力变小，表层土壤中的水分含量就会下降，土壤表面就会变干。在这种情况下，有限的土壤内的水分对土壤蒸发有控制作用。在土壤没有任何水分来源的情况下表面蒸发迅速减少，几天内几乎会完全停止。

FIGURE 1. Schematic representation of a stoma 图1. 气孔的示意图

FIGURE 2. The partitioning of evapotranspiration into evaporation and transpiration over the growing period for an annual field crop 图2. 对一年生大田作物而言，在生长期间将蒸散分为蒸发和蒸腾

Transpiration 蒸腾

蒸腾作用包括植物组织中所含液态水的蒸发和蒸汽进入大气。作物主要通过气孔失水。这些是植物叶片上的小气孔，气体和水蒸气通过这些气孔开口散失的（图1）。水分和一些营养物质被根系吸收并通过植物茎叶运输。蒸发发生在叶片内部，即细胞间空隙间，与大气的蒸汽交换由气孔孔径开口控制。几乎所有被吸收的水分都会因蒸腾作用而流失，只有一小部分被用于植物器官内部。
蒸腾作用与直接蒸发一样，取决于能量供应、蒸气压梯度和风。因此，在评估蒸腾作用时，应考虑辐射、空气温度、空气湿度和风项。土壤含水量和土壤将水分传导至根系的能力也决定了蒸腾速率，同样也决定了淹水和土壤水分的盐分。蒸腾速率还受作物特性、环境因素和栽培方式的影响。不同种类的植物可能有不同的蒸腾速率。在评估蒸腾作用时，不仅要考虑作物类型，还要考虑作物发育期、环境和管理。

Evapotranspiration (ET) 蒸散量（ET）

蒸发和蒸腾同时发生，没有简单的方法来区分这两个过程。除了表层土壤中的水分可利用性外，种植土壤的蒸发主要取决于到达土壤表面的太阳辐射的比例。随着作物的生长和作物冠层遮住越来越多的土地面积，这一比例在生长期间会减少。当作物较小时，水分主要通过土壤蒸发流失，但一旦作物发育良好并完全覆盖土壤，蒸腾作用就成为主要过程。在图2中，蒸发蒸腾分为蒸发和蒸腾，其对应于其下方是每单位土壤表面的叶面积。在播种时，近100%的ET来自蒸发，而在全作物覆盖时，超过90%的ET来自蒸腾。

Units 单位

蒸散量通常以单位时间的毫米（mm）表示。该速率以水深为单位表示单位面积的表面损失的水量。时间单位可以是一小时、一天、十年、一个月，甚至是整个生长期或一年。
由于一公顷的地表面积为10000 m^2，1 mm等于0.001 m，因此每公顷损失1 mm的水相当于损失10 m^3的水。换句话说，1毫米1天相当于10立方米1公顷1天。
水深也可以用单位面积接收的能量来表示。能量是指蒸发自由水所需的能量或热量。这种被称为汽化潜热（l）的能量是水温的函数。例如，在20°C时，l 约为2.45 MJ kg-1。换句话说，蒸发1千克或0.001立方米的水需要2.45兆焦耳。因此，每平方米2.45 MJ的能量输入能够蒸发0.001 m或1 mm的水，因此1 mm的水相当于2.45 MJ m-2。以MJ m-2 day-1为单位表示的蒸散率用l ET表示，即潜热通量。
表1总结了用于表示蒸散率和转换系数的单位。

TABLE 1. Conversion factors for evapotranspiration 表1. 蒸散量换算系数

* For water with a density of 1000 kg m^-3 and at 20°C. 对于密度为1000 kg m^-3且温度为20°C的水。

EXAMPLE 1. Converting evaporation from one unit to another 例1. 将蒸发量单位之间的转换

FIGURE 3. Factors affecting evapotranspiration with reference to related ET concepts 图3 影响蒸散量的相关因素

Factors affecting evapotranspiration 影响蒸散的因素

天气参数、作物特性、管理和环境方面是影响蒸发和蒸腾的因素。图 3 中介绍的相关 ET 概念，在前面的蒸发蒸腾概念部分进行了论述。

Weather parameters 天气参数

影响蒸散的主要天气参数是辐射、气温、湿度和风速。已经开发了几种程序来评估这些参数的蒸发速率。大气的蒸发能力由参考作物蒸发量（ETo）表示。参考作物蒸散量代表标准化植被表面的蒸散量。本章稍后以及第 2 章和第 4 章将详细描述 ETo。

Crop factors 作物因素

在评估在管理良好的大田中种植的作物的蒸散量时，应考虑作物类型、品种和发育阶段。蒸腾阻力、作物高度、作物粗糙度、反射、地被和作物生根特性的差异导致相同环境条件下不同类型作物的ET水平不同。标准条件下的作物蒸散量（ETc）是指在适宜的土壤水分、优良的管理和环境条件下大面积种植的作物，并在给定的气候条件下实现充分生产的作物的蒸发需求。

Management and environmental conditions 管理和环境条件

土壤盐分、土地肥力差、有限的化肥施用、土壤坚硬或难以穿透、缺乏病虫害控制和土壤管理不善等因素可能会限制作物生长并减少蒸散。评估 ET 时要考虑的其它因素是地被、植物密度和土壤含水量。土壤含水量对 ET 的影响主要取决于水分亏缺程度和土壤类型。另一方面，过多的水会导致涝渍，这可能会损害根系并通过抑制呼吸作用限制根系对水分的吸收。

在评估 ET 率时，应额外考虑对影响 ET 过程的气候和作物因素起作用的管理实践范围。耕作方式和灌溉方法的类型会改变小气候，影响作物特性或影响土壤和作物表面的润湿。防风林会降低风速并降低直接超出屏障的场的 ET 率。尽管树木本身的蒸散量可能会抵消田间的任何减少，但这种影响尤其在有风、温暖和干燥的条件下尤为显著。通过使用精心设计的滴灌或滴灌系统，可以减少树木间距较大的年轻果园的土壤蒸发。滴头直接向树木附近的土壤浇水，从而使大部分土壤表面保持干燥，并限制蒸发损失。使用覆盖物，特别是在作物较小的情况下，是另一种显著减少土壤蒸发的方法。抗蒸腾剂，如气孔关闭、加膜或反射材料，可减少作物的水分损失，从而降低蒸腾速率。

FIGURE 4

Reference (ETo), crop evapotranspiration under standard (ETc) and non-standard conditions (ETc adj)

图 4 参考 (ETo)、标准条件下的作物蒸散量 (ETc) 和非标准条件 (ETc adj)

当现场条件与标准条件不同时，需要校正因子来调整 ETc。调整反映了田间环境和管理条件对作物蒸散的影响。

EVAPOTRANSPIRATION CONCEPTS 蒸散量概念

参考作物蒸散量 (ETo)、标准条件下的作物蒸散量 (ETc) 和非标准条件下的作物蒸散量 (ETc adj) 之间存在区别（图 4）。ETo 是表示大气蒸发能力的气候参数。ETc 是指在给定的气候条件下，管理良好、大面积、水分充足的田地的蒸散量。由于存在影响作物生长和限制蒸散的因素，次优作物管理和环境限制，非标准条件下的 ETc 通常需要校正。

Reference crop evapotranspiration 参考作物蒸散量 (ETo)

来自不缺水的参考地表的蒸散率称为参考作物蒸散量或参考蒸散量，记为 ETo。参考表面是具有特定特征的假设草参考作物。由于定义不明确，强烈建议不要使用其它名称，例如潜在的 ET。

引入参考蒸发量的概念来研究与作物类型、作物发育和管理实践无关的大气蒸发需求。由于参考蒸散面的水量充足，因此土壤因素不会影响 ET。将 ET 与特定表面相关联提供了一个参考，来自其他表面的 ET 可以与之相关。它消除了为每种作物和生长阶段定义单独的 ET 水平的需要。在不同地点或不同季节测量或计算的 ETo 值具有可比性，因为它们指的是来自同一参考表面的 ET。

影响 ETo 的唯一因素是气候参数。因此，ETo 是一个只与气候相关的参数，可以从天气数据中计算出来。ETo 表示一年中特定地点和时间的大气蒸发能力，不考虑作物特征和土壤因素。推荐使用粮农组织 Penman-Monteith 方法作为确定 ETo 的唯一方法。选择该方法是因为它在评估的位置非常接近草类作物 ETo，基于物理，并且明确地结合了生理和空气动力学参数。此外，已经开发了用于估计缺失的气候参数的程序。

表 2 给出了不同农业气候区域的 ETo 值的典型范围。这些值可以让没有经验的用户熟悉典型范围，而不是直接应用。本手册的 A 部分讨论了参考作物蒸散量的计算（Box 1 插文 1）。

Crop evapotranspiration under standard conditions 标准条件下的作物蒸散量 (ETc)

标准条件下的作物蒸散量，记作ETc，是指无病害、施肥良好、在大田中生长、在最佳土壤水分条件下，并在给定气候条件下实现充分生产的作物的蒸散量。

TABLE 2 Average ETo for different agroclimatic regions in mm/day

表 2 不同农业气候区的平均 ETo（毫米/天）