基于涡动相关系统的水稻需水规律研究——以云南省楚雄州蜻蛉河灌区为例

卢晓鹏，刘杨梅

(云南省水利水电科学研究院，云南昆明 650228)



基于涡动相关系统的水稻需水规律研究
——以云南省楚雄州蜻蛉河灌区为例

卢晓鹏，刘杨梅

(云南省水利水电科学研究院，云南昆明 650228)

以水稻为研究对象，利用涡动观测设备采集数据，采用Eddypro软件计算云南省楚雄州蜻蛉河灌区水稻各阶段的需水量并拟定该灌区水稻灌溉制度。结果表明：用涡动观测系统计算的水稻需水量与灌溉试验站试验资料接近，拟定的水稻灌溉定额与云南省《用水定额》标准十分接近。

涡动相关系统；水稻；需水量；规律

我国是全世界水资源极其短缺的国家之一，人均只有 2 100 m3，仅为世界平均水平的28%，水资源匮乏严重制约着我国经济社会的可持续发展[1]。2009～2012年3 a连旱给云南省农业生产造成严重的影响，因此制定相应的农作物节水灌溉制度，发展节水农业具有重要的战略意义[2]。但一直以来云南省在灌溉试验研究方面工作基础比较薄弱，特别是针对作物需水量的灌溉试验研究甚少，由此引进和推广当前国际上先进的涡动观测系统在云南省节水灌溉制度研究中进行应用。涡动观测系统可自动观测灌区主要粮食作物生育期各个阶段的需水量及需水强度，具有较高的科学应用价值。基于云南省持续干旱对水资源高效利用的要求以及研究作物需水量规律的重要性，笔者以云南省楚雄州蜻蛉河灌区为例，利用涡动观测系统自动观测灌区主要粮食作物——水稻生育期各个阶段的需水量及需水强度，依据作物需水关键期制定蜻蛉河灌区水稻的节水灌溉制度，以期为该灌区用水管理提供科学依据。

1　涡动系统观测方法

涡动观测系统依据物理机制，能快速测定风速脉动与水汽通量的脉动值，输出作物实际蒸散量[3]。

1.1试验地概况蜻蛉河灌区地处云南省中西部，灌区海拔高程1 860～1930 m。灌区光热资源丰富，耕地集中连片，是云南省粮食、经济作物主产区之一。项目区内主要经济作物有水稻、烤烟、玉米、小麦、蚕豆、油菜、桑树、蔬菜等。通过调研，选择云南省楚雄州蜻蛉河灌区姚安县栋川镇龙街村委会罗湾村作为涡动观测系统研究项目实施地点。观测试验场地的地理坐标为101°12′29.30″ E，25°32′52″ N；海拔1 819 m，土壤为砂质红壤。姚安县多年平均气温15.3 ℃，多年平均最高气温20.9 ℃，多年平均最低气温8.6 ℃，年平均降雨量770.4 mm，年平均蒸发量2 453.4 mm，多年平均风速3.5 m/s，主风向为西南和偏南风。观测试验地土壤基本理化性质见表1。根据全国第2次土壤普查养分分级标准，试验地全氮含量属1级、全磷含量属3级、速效钾含量属1级，土壤肥力较好。

表1　试验地土壤基本理化性质

1.2涡动观测设备布置涡动传感器安装高度为2 m，传感器接收到的信号大部分来自于距离传感器200 m范围内上风方向区域，传感器朝安装区域主风向安装，以保证在尽可能多的时间内，气流主要来自研究的下垫面类型。设备安装点周围尽量远离房屋、树木及车流较多的公路、水塘，设备占地面积约20 m2。

1.3观测设计将涡动观测系统、波文比系统、雨量观测系统组合，实现作物需水量的自动监测。在姚安县当地种植规模较大的水稻种植区域选取13.33 hm2种植地块作涡动观测项目的观测对象。在项目区大田采集土壤样品，分析农田土壤理化性质，收集灌区现有地形地貌、水文气象、现有灌溉制度、农业气象、农业耕作制度等基础资料。2015年5月20日～9月15日对水稻进行涡动观测系统数据采集并对水稻生育期作物需水量进行分析，最后对涡动观测系统在水稻灌溉试验中的应用技术及经验进行总结[4]。

1.4观测项目与方法温度、水气压、湿度、波文比、净辐射、太阳总辐射、大气压力平均值等采用以CR1000为核心的数据采集器及存储系统进行观测；显热通量、风速协方差与平均值、CO2通量、潜热通量等采用以CR3000为核心的数据采集器及存储系统进行观测；水平风速、垂直风速、超声虚温、CO2与H2O的质量密度、气体分析仪诊断值、大气温度压力等涡动原始数据采用EC150传感器进行观测。

1.4.1气象资料。采用云南省水利水电科学研究院在田间安装的涡动系统观测试验期内的降雨及其他气象指标。

1.4.2通量数据测定。涡动系统实际运行中，超声风速仪高频响应三维风速和虚温，CO2/H2O分析仪高频响应CO2和H2O，数据采集器实时采集这些变量数据，并对其进行同步处理，之后在线计算得到感热通量、潜热(水汽)通量、CO2通量、动量通量及摩擦风速，并将计算结果保存在数据采集单元，与此同时各种高频变量的原始数据也会保存在数据采集单元中，从而获得理想通量数据。

1.4.3植株性状指标。以水稻为观测对象，在观测期内，对其株高进行观测与记录。研究灌溉条件下植株生长状况。

1.4.4土壤含水率和土壤温度。采用仪器直接测定土壤含水率及土壤温度，观测深度分别为0～10、10～20、20～30 cm。

1.5数据处理试验数据采用Eddypro等软件进行计算、整理和统计分析[5]。

2　观测结果分析

2.1降雨情况2015年1月1日～8月30日观测期内共计降雨74次，降雨771.7 mm。观测期内7～10月降雨量占总观测期降雨量的81%，而其余月份降雨量明显偏少，作物对灌溉需求迫切。

2.2能量平衡闭合分析根据水稻生理特性将水稻生育期划分为6个阶段[6]，即：移栽返青期、分蘖期、拔节期、孕育期、灌浆期、黄熟期，大田总生育天数118 d。采用能量平衡比率(Energy balance ratio，EBR)对涡动相关法通量观测的稻田能量平衡闭合状况进行评价。计算公式：EBR=(H+LE)/(Rn-G)×100%；式中，Rn是净辐射，G是土壤热通量，H是显热通量，LE是潜热通量。2015年水稻生育期能量平衡比率结果见表2。由表2可知，在稻田生态系统中存在能量不闭合现象，水稻全生育期(5～9月)能量平衡比率为83%，平均不闭合程度为17%；能量平衡比率在5～7月平均为76%，能量不闭合程度较高；8～9月平均为96%，不闭合程度较低。

表2　水稻生育期能量平衡比率

据相关研究资料，能量不闭合是通量观测中较为普遍的现象，一般为10%～30%，该项目研究测得的水稻生育期能量平衡不闭合程度为17%，说明涡动相关法在稻田通量观测中具有相对较高的可靠性[7-8]。

2.3作物需水量分析2015年水稻生育期需水量见表3。由表3可知，水稻全生育期需水量为376.89 mm。其中返青期需水量为49.11 mm，平均日需水量为4.09 mm；分蘖期需水量为103.95 mm，平均日需水量为4.33 mm；拔节期需水量为60.68 mm，平均日需水量为4.67 mm；孕育期需水量为76.81 mm，平均日需水量为2.84 mm；灌浆期需水量为54.34 mm，平均日需水量为2.09 mm；黄熟期需水量为32.00 mm，平均日需水量为2.00 mm。其中分蘖阶段需水量为生育期需水量最大阶段，是水稻生长需水关键期；而拔节期日需水量最大。水稻的需水量和需水强度均呈现为先增大后减小的趋势。

表3　水稻生育期需水量

3　水稻灌溉制度设计

3.1水稻生育期需水特性在调查、收集水稻需水特性的基础上，根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288—99)来拟定水稻灌溉制度[9]。水稻各生育期天数及适宜水层深特征参数见表4。

3.2水稻灌溉制度计算通过项目区水稻各生育期需水特性、降雨资料及涡动观测资料分析计算，得出项目区水稻田逐日耗水量(表5)。灌溉计算设计成果详见表6。

表4　项目区水稻生育期特征参数

表5　水稻田逐日耗水量结果

注：阶段需水量为涡动观测计算值。

Note：stage water demand is the value calculated by eddy observation.

表6　水稻生育期设计灌溉制度

3.2.1泡田用水定额拟定。根据土壤调查资料，项目区灌溉耕地主要为壤土，结合灌区实际灌水经验，拟定泡田额定为2 700.0 m3/hm2。

3.2.2水稻灌溉制度计算成果。水稻全生育期需水量为秧田期和本田期需水量之和，按1 hm2秧田移栽10 hm2大田计算，分配至大田中为750.0 m3/hm2。因此，项目区水稻总灌溉定额为2 700.0+750.0+3 150.0=6 600.0 m3/hm2。

3.3项目区水稻需水量及灌溉制度分析

3.3.1水稻需水量分析。经观测计算，项目区水稻全生育期需水量为376.89 mm，其中水稻生长需水关键期为分蘖期，分蘖期作物需水量为103.95 mm，平均日需水量为4.33 mm。据西南地区38个站点水稻各生育阶段需水量资料显示：西南地区(云南)多年平均水稻全生育期需水量为304.70 mm，平均日需水量为3.10 mm。其中分蘖期需水量为107.00 mm，平均日需水量为3.10 mm[10-11]。该研究结果表明：用涡动系统观测计算的水稻需水量与灌溉试验站及站点计算取得的水稻需水量资料值是接近的；在种植条件相似的情况下，两者差别不大。科学合理的灌溉制度更有利于水稻的生长和发育。作物需水量分析研究应考虑气象条件、地形地貌、土壤状况及灌溉条件等对作物需水量的影响[12-13]。

3.3.2水稻灌溉制度分析。采用涡动系统观测及相关资料计算得出的项目区水稻总灌溉定额为6 600.0 m3/hm2，而根据云南省地方标准《用水定额》(DB553/T 168—2013)得出的项目区水稻灌溉用水定额为6 900.0 m3/hm2[14]。可见采用涡动系统观测及相关资料计算的水稻灌溉用水定额与云南省《用水定额》是十分接近的。

4　结论

(1)将涡动观测系统、波文比系统、雨量观测系统组合，实现作物需水量的自动监测，可解决人工测坑耗时、费力以及数据代表性不足等问题。

(2)对项目区2015年水稻进行涡动观测系统数据采集，利用观测资料可直接分析水稻生育期作物需水量[15-16]。

(3)项目区水稻生育期能量平衡比率为83%，平均不闭合程度为17%；能量平衡比率在5～7月平均为76%，能量不闭合程度较高；8～9月平均为96%，不闭合程度较低，说明涡动相关法在稻田通量观测中具有相对较高的可靠性。

(4)项目区水稻全生育期需水量为376.89 mm，水稻生长需水关键期分蘖期作物需水量为103.95 mm。用涡动系统观测计算的水稻需水量与灌溉试验站及站点计算取得的水稻需水量资料接近。

(5)采用涡动系统观测及相关资料计算的水稻灌溉用水定额6 600.0 m3/hm2，与云南省《用水定额》水稻为6 900.0 m3/hm2是十分接近的。

采用当前国际上先进的涡动观测系统自动观测云南省蜻蛉河灌区主要粮食作物(水稻)生育期各个阶段的需水量及需水强度，总结涡动观测系统的应用方法和经验可为云南地区推广应用先进、实用的灌溉试验新技术提供借鉴及为云南灌区水利工程规划设计与农田用水管理提供科学依据。

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Water Demand Rules of Rice Based on the Eddy Correlation System—A Case Study of Qingling River Irrigation Area of Chuxiong Prefecture in Yunnan Province

LU Xiao-peng, LIU Yang-mei

(Research Institute of Water Resources and Hydropower, Kunming, Yunnan 650228)

Taking rice as the research object, using the data collected by the eddy observation equipment, water demand was calculated for Qingling River irrigation area of Chuxiong Prefecture in Yunnan Province with the aid of Eddypro software. And rice irrigation system was proposed for this irrigation area. Results indicate that water demand calculated by eddy observation equipment is close to the data of experiment station in this irrigation area, and the proposed irrigation quota is also very close to the water quota standard.

Eddy correlation system; Rice; Water demand; Rules

水利部引进国际先进水利科学技术计划项目(“948”计划)(201430)。

卢晓鹏(1966- )，男，云南昆明人，正高级工程师，硕士，从事水利水电勘测设计及科研工作。

2016-05-25

S 274

A

0517-6611(2016)19-265-03