云南省典型区水稻作物系数及其变化规律

王树鹏，段琪彩，韩焕豪，黄 英

(1.云南省水利水电科学研究院，昆明 650228；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

云南是我国水稻种植大省，水稻需水量的测定对灌区规划设计及水资源考核管理等具有重要作用。前人对云南水稻需水量的测定多采用作物系数-参考作物蒸发蒸腾量法[1]，其中参考作物蒸发蒸腾量可依据气象数据计算得到[2]，因此作物系数成为该方法中的关键参数[3]。而现采用的作物系数Kc多来自于FAO推荐，并非在云南实地观测所得，且加之云南地处低纬高原，立体气候突出，FAO推荐的Kc在该地区的适用性有待验证。虽然我们曾在建水和大理两地进行了水稻需水量试验并得到了这两个地区的水稻Kc[4]，但这两个地区的Kc并不能代表整个云南不同气候区的水稻Kc。为此，本文在云南不同水稻种植和气候典型区设立灌溉试验站点，基于试验实测数据建立田间水量平衡关系[5]，分析计算水稻需水量ETc[6]进而推求各典型区水稻Kc[7]，并研究其在区域的时空变化规律，以期能为今后云南各地的水稻ETc计算提供重要参考和支撑。

1 数据与方法

1.1 试验点概况

根据云南农业气候条件和水稻种植情况，选择大理、建水、砚山(平远)、腾冲、勐海、丽江(古城区)、陆良、盈江等8个县市典型区，分别设置水稻灌溉试验观测站点，开展水稻淹水灌溉试验观测工作，历时2016-2018年，共3年(部分站点不满3年)。典型区主要分布于云南中部、南部和西南部，东北部和西北部属高原寒区，不适宜种植水稻。金沙江、怒江、红河河谷等北热带气候区因干热缺水也很少种植水稻，所选试验站点具有一定的代表性。站点基本情况如表1、表2及图1所示。

表1 各灌溉试验站点基本情况表Tab.1 The information of each irrigation test site

表2 各灌溉试验站点县市区域特征表Tab.2 The regional characteristics of each irrigation test site

注：粮食播种等数据来自2015年云南统计年鉴，降水量、气温均为多年平均。

图1 试验站点布设区位图Fig.1 The location map of test sites

1.2 试区建设及处理设计

试验小区选在当地长期种植水稻的田块上建设且并行排列。每个小区面积60 m2(10 m×6 m)，外围设置2.0 m宽保护带。田埂采用横截面接近梯形的土埂，底宽0.5 m，顶宽0.3 m，地面以上高0.4 m，具体视土壤的隔水效果适当调整，并采用塑料薄膜覆膜防水处理，塑料薄膜埋深至耕作层底部。各试验小区设置人工观测直立式水尺、深层渗漏观测筒及水位计井。具体布设如图2所示。各站点均设置3个小区，均进行传统的淹水灌溉，淹水灌溉水层控制标准见表3。

表3 淹水灌溉模式水层控制标准Tab.3 The water-layer control standard of flooding irrigation mode

图2 试验站点小区布设图(单位：m)Fig.2 The plot layout of test site

1.3 观测内容及方法

(1)水量平衡要素。田面水位：水位计井内放置HOBO自记水位计[8]，水位计记录频率设置为1 h；同时记录试验点空气气压，通过空气中水位计气压与水下水位计的压力差计算各小区水深。为提高观测精度辅以人工每天8∶00定时观测水尺读数，对自记水位计水深进行校验。

田间渗漏：每个试验点安装田间渗漏筒1个，人工8∶00定时观测，时间间隔3～5 d。

灌水量：当田面水层下降到适宜水层深度下限时，由供水系统向各小区灌水，至水位上限时停止，记录灌水起止田间水深。灌水系统分为有水表和无水表两种情况，有水表的试验点灌水量直接由水表读取，未安装水表的试验点灌水量通过灌水前后田间水层深度之差计算。

排水量：暴雨期当田面水层上升到极限水深时，由排水系统向外排水，至水位上限时停止排水，记录排水起止时间田间水深，通过田间水层深度之差计算排水量。

(2)气象要素观测。通过安装在试验小区旁的智能气象站自动记录，记录频率设置为1 h，观测项目包括降水、气温、气压、相对湿度、太阳辐射、风速、风向。

(3)作物生育期观测。根据水稻生长变化观测，记录水稻各生育期起止时间，分为返青期、分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期。

1.4 计算方法

(1)参考作物蒸发蒸腾量ET0。ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith公式[4]计算，公式为：

(1)

式中：Δ为平均气温时饱和水汽压对温度的导数，kPa/℃；Rn为作物冠层表面的净辐射，可用经验公式计算，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为干湿表常数，kPa/℃；T为日平均气温，℃；u2为地表2 m高处的风速，m/s；ea为饱和水汽压，kPa；ed为空气实际水汽压，kPa。

(2)水稻需水量ETc。当稻田内有水层时，小区的水稻ETc通过水量平衡方程计算，公式为：

ETdi=hi-hi+1+Pi+mi-ci-fi

(2)

式中：ETdi为第i日ETc；hi为第i日平均田面水层深度；hi+1为第i+1日平均田面水层深度；Pi为第i日降水量；mi为第i日灌水量；ci为第i日排水量；fi为第i日渗漏量，单位均以mm计。

当稻田田面无水层时，此时渗漏量很小忽略不计，落干期间ETc采用补水法计算，公式为：

ETg=hbg-hag+Pg+m

(3)

式中：ETg为落干期ETc；hgb为落干前田面水层深度；hag为落干结束后灌水达到水位稳定时田面水层深度；Pg为落干期间的降水量；m为落干结束后灌水量，单位均以mm计。

(3)水稻作物系数Kc。水稻生育期作物系数Kc为水稻生育期ETc与对应的ET0之比，计算公式为：

Kc=ETc/ET0

(4)

式中：Kc为水稻某生育期作物系数；ETc为水稻某生育期ETc，mm；ET0为参考作物某生育期对应的参考作物ETc，mm。

2 结果与分析

2.1 参考作物蒸发蒸腾量ET0

根据2016-2018年气象观测数据，结合同期区域气象有关资料，按式(1)分析计算各试验站点参考作物各生育期蒸发蒸腾量ET0，结果见表4。

2.2 水稻需水量ETc

各年度水稻各生育期ETc如表5所示。

表4 各灌溉试验站点不同生育期ET0 mm

续表4 各灌溉试验站点不同生育期ET0 mm

表5 各灌溉试验站点不同生育期水稻ETc mm

2.3 水稻作物系数Kc

根据各试验站点水稻生育期参考作物ET0和水稻各生育期ETc，按式(4)计算，推求得出各试验站点不同生育期的水稻作物系数Kc，结果见表6。

由各灌溉试验站点不同生育期水稻Kc值成果表6显示，淹水灌溉模式下云南各典型区试验站点的水稻Kc值与FAO推荐的水稻初期、中期、末期基础Kc(1.0、1.15、0.7～0.45)存在一定差异。表现为：生育初期略偏小，返青期为FAO推荐初期值的0.79～1.06倍，分蘖期与FAO推荐初期值接近，相差0.93～1.16倍；中期与FAO推荐值较为接近，拔节孕穗至乳熟期相差0.90～1.15倍；末期较FAO推荐值偏大，黄熟期与FAO推荐上限值相差1.58～1.88倍。

2.4 Kc变化规律

各站点水稻不同生育期Kc变化如图3、图4所示。由图可知，其变化规律有如下几个特点。(1)从时间变化来看，各灌溉试验站点水稻各生育期Kc值，呈初期和末期两头较小、中期中间偏大的单峰型规律性表现，变化基本一致，均生育前期返青期逐渐增大、中期抽穗开花期达最大值、生育后期黄熟期逐渐减小。同时，各生育期同期Kc值存在一定差异，位于滇西南的盈江、勐海和滇东南的砚山偏大，位于滇中的大理、建水居中，位于滇西的腾冲偏小，滇中东部的陆良生育前期居中、中后期偏大，位于滇西北的丽江水稻生育初期和末期略偏小、生育中期处于居中位置。总体返青期一般小于1.0(除盈江外)，之后逐渐增大至抽穗开花期达最大值1.12～1.32，后期逐渐减小至黄熟期的1.0左右。

表6 各灌溉试验站点不同生育期水稻KcTab.6 Rcie Kc at different growth stages of each test site

图3 淹水灌溉水稻不同生育期Kc变化Fig.3 Rice Kc at different growth stages under flooding irrigation mode

图4 水稻Kc与高程关系拟合曲线Fig.4 The relation curve between rice Kc and elevation

(2)从空间变化来看，云南省水稻Kc值空间差异性并没有明显规律性，主要受局部小气候的影响，滇西南、滇东南湿润气候区的盈江、勐海、砚山偏大，滇中湿润、半湿润气候区的大理、建水、陆良居中，滇西北、滇西局部较为温凉湿润、半湿润气候区的丽江、腾冲偏小。同时，各区Kc值随海拔升高而减小，其中滇西和滇南地区降幅较快，滇中和滇东南降幅较缓，其他地区则表现为东部、北部Kc值较中部略偏大，呈交互错杂表现，与海拔之间的关系并不密切。

(3)从年际变化来看，试验几年中云南省典型区淹水灌溉模式下，各试验点自身的水稻各生育期Kc值较接近，年际变化不大。水稻本田全生育期Kc值，2016-2017年大理为1.08、1.06，砚山为1.16、1.14，腾冲为0.99、1.01；2016-2018年建水为1.13、1.11、1.11，勐海1.17、1.17、1.16；2017-2018年盈江均为1.18。

3 结 论

(1)云南省各典型区水稻Kc值，全生育期在0.99～1.18之间；各生育期呈初期和末期两头较小、中期中间偏大的单峰型规律性表现；空间差异性没有明显规律，湿润、半湿润气候区略偏大，温凉气候区稍偏小；随海拔升高而减小，与海拔之间的关系并不密切；试验几年同区Kc值较接近，年际变化不大。

(2)各区水稻Kc值实际应用时，可按云南省六个农业灌溉分区13个亚区对应的本次试验站点分布区域参考取值，如滇中区Ⅰ-2区1.06～1.08、Ⅰ-3区1.11～1.13、Ⅰ-4区1.16，滇东南区Ⅱ-2区1.14～1.16，滇西南区Ⅲ-2区1.17～1.18，滇西北区Ⅳ区1.13；其余未涉及分区范围应用可暂时参考相近气候条件试验站点取值。