基于渦動相關(guān)系統(tǒng)的水稻需水規(guī)律研究
——以云南省楚雄州蜻蛉河灌區(qū)為例

盧曉鵬，劉楊梅

(云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明 650228)

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基于渦動相關(guān)系統(tǒng)的水稻需水規(guī)律研究
——以云南省楚雄州蜻蛉河灌區(qū)為例

盧曉鵬，劉楊梅

(云南省水利水電科學(xué)研究院，云南昆明 650228)

以水稻為研究對象，利用渦動觀測設(shè)備采集數(shù)據(jù)，采用Eddypro軟件計算云南省楚雄州蜻蛉河灌區(qū)水稻各階段的需水量并擬定該灌區(qū)水稻灌溉制度。結(jié)果表明：用渦動觀測系統(tǒng)計算的水稻需水量與灌溉試驗站試驗資料接近，擬定的水稻灌溉定額與云南省《用水定額》標(biāo)準(zhǔn)十分接近。

渦動相關(guān)系統(tǒng)；水稻；需水量；規(guī)律

我國是全世界水資源極其短缺的國家之一，人均只有 2 100 m3，僅為世界平均水平的28%，水資源匱乏嚴(yán)重制約著我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。2009～2012年3 a連旱給云南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響，因此制定相應(yīng)的農(nóng)作物節(jié)水灌溉制度，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。但一直以來云南省在灌溉試驗研究方面工作基礎(chǔ)比較薄弱，特別是針對作物需水量的灌溉試驗研究甚少，由此引進(jìn)和推廣當(dāng)前國際上先進(jìn)的渦動觀測系統(tǒng)在云南省節(jié)水灌溉制度研究中進(jìn)行應(yīng)用。渦動觀測系統(tǒng)可自動觀測灌區(qū)主要糧食作物生育期各個階段的需水量及需水強(qiáng)度，具有較高的科學(xué)應(yīng)用價值。基于云南省持續(xù)干旱對水資源高效利用的要求以及研究作物需水量規(guī)律的重要性，筆者以云南省楚雄州蜻蛉河灌區(qū)為例，利用渦動觀測系統(tǒng)自動觀測灌區(qū)主要糧食作物——水稻生育期各個階段的需水量及需水強(qiáng)度，依據(jù)作物需水關(guān)鍵期制定蜻蛉河灌區(qū)水稻的節(jié)水灌溉制度，以期為該灌區(qū)用水管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　渦動系統(tǒng)觀測方法

渦動觀測系統(tǒng)依據(jù)物理機(jī)制，能快速測定風(fēng)速脈動與水汽通量的脈動值，輸出作物實際蒸散量[3]。

1.1試驗地概況蜻蛉河灌區(qū)地處云南省中西部，灌區(qū)海拔高程1 860～1930 m。灌區(qū)光熱資源豐富，耕地集中連片，是云南省糧食、經(jīng)濟(jì)作物主產(chǎn)區(qū)之一。項目區(qū)內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)作物有水稻、烤煙、玉米、小麥、蠶豆、油菜、桑樹、蔬菜等。通過調(diào)研，選擇云南省楚雄州蜻蛉河灌區(qū)姚安縣棟川鎮(zhèn)龍街村委會羅灣村作為渦動觀測系統(tǒng)研究項目實施地點。觀測試驗場地的地理坐標(biāo)為101°12′29.30″ E，25°32′52″ N；海拔1 819 m，土壤為砂質(zhì)紅壤。姚安縣多年平均氣溫15.3 ℃，多年平均最高氣溫20.9 ℃，多年平均最低氣溫8.6 ℃，年平均降雨量770.4 mm，年平均蒸發(fā)量2 453.4 mm，多年平均風(fēng)速3.5 m/s，主風(fēng)向為西南和偏南風(fēng)。觀測試驗地土壤基本理化性質(zhì)見表1。根據(jù)全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，試驗地全氮含量屬1級、全磷含量屬3級、速效鉀含量屬1級，土壤肥力較好。

表1　試驗地土壤基本理化性質(zhì)

1.2渦動觀測設(shè)備布置渦動傳感器安裝高度為2 m，傳感器接收到的信號大部分來自于距離傳感器200 m范圍內(nèi)上風(fēng)方向區(qū)域，傳感器朝安裝區(qū)域主風(fēng)向安裝，以保證在盡可能多的時間內(nèi)，氣流主要來自研究的下墊面類型。設(shè)備安裝點周圍盡量遠(yuǎn)離房屋、樹木及車流較多的公路、水塘，設(shè)備占地面積約20 m2。

1.3觀測設(shè)計將渦動觀測系統(tǒng)、波文比系統(tǒng)、雨量觀測系統(tǒng)組合，實現(xiàn)作物需水量的自動監(jiān)測。在姚安縣當(dāng)?shù)胤N植規(guī)模較大的水稻種植區(qū)域選取13.33 hm2種植地塊作渦動觀測項目的觀測對象。在項目區(qū)大田采集土壤樣品，分析農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，收集灌區(qū)現(xiàn)有地形地貌、水文氣象、現(xiàn)有灌溉制度、農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)業(yè)耕作制度等基礎(chǔ)資料。2015年5月20日～9月15日對水稻進(jìn)行渦動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集并對水稻生育期作物需水量進(jìn)行分析，最后對渦動觀測系統(tǒng)在水稻灌溉試驗中的應(yīng)用技術(shù)及經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)[4]。

1.4觀測項目與方法溫度、水氣壓、濕度、波文比、凈輻射、太陽總輻射、大氣壓力平均值等采用以CR1000為核心的數(shù)據(jù)采集器及存儲系統(tǒng)進(jìn)行觀測；顯熱通量、風(fēng)速協(xié)方差與平均值、CO2通量、潛熱通量等采用以CR3000為核心的數(shù)據(jù)采集器及存儲系統(tǒng)進(jìn)行觀測；水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速、超聲虛溫、CO2與H2O的質(zhì)量密度、氣體分析儀診斷值、大氣溫度壓力等渦動原始數(shù)據(jù)采用EC150傳感器進(jìn)行觀測。

1.4.1氣象資料。采用云南省水利水電科學(xué)研究院在田間安裝的渦動系統(tǒng)觀測試驗期內(nèi)的降雨及其他氣象指標(biāo)。

1.4.2通量數(shù)據(jù)測定。渦動系統(tǒng)實際運(yùn)行中，超聲風(fēng)速儀高頻響應(yīng)三維風(fēng)速和虛溫，CO2/H2O分析儀高頻響應(yīng)CO2和H2O，數(shù)據(jù)采集器實時采集這些變量數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行同步處理，之后在線計算得到感熱通量、潛熱(水汽)通量、CO2通量、動量通量及摩擦風(fēng)速，并將計算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)采集單元，與此同時各種高頻變量的原始數(shù)據(jù)也會保存在數(shù)據(jù)采集單元中，從而獲得理想通量數(shù)據(jù)。

1.4.3植株性狀指標(biāo)。以水稻為觀測對象，在觀測期內(nèi)，對其株高進(jìn)行觀測與記錄。研究灌溉條件下植株生長狀況。

1.4.4土壤含水率和土壤溫度。采用儀器直接測定土壤含水率及土壤溫度，觀測深度分別為0～10、10～20、20～30 cm。

1.5數(shù)據(jù)處理試驗數(shù)據(jù)采用Eddypro等軟件進(jìn)行計算、整理和統(tǒng)計分析[5]。

2　觀測結(jié)果分析

2.1降雨情況2015年1月1日～8月30日觀測期內(nèi)共計降雨74次，降雨771.7 mm。觀測期內(nèi)7～10月降雨量占總觀測期降雨量的81%，而其余月份降雨量明顯偏少，作物對灌溉需求迫切。

2.2能量平衡閉合分析根據(jù)水稻生理特性將水稻生育期劃分為6個階段[6]，即：移栽返青期、分蘗期、拔節(jié)期、孕育期、灌漿期、黃熟期，大田總生育天數(shù)118 d。采用能量平衡比率(Energy balance ratio，EBR)對渦動相關(guān)法通量觀測的稻田能量平衡閉合狀況進(jìn)行評價。計算公式：EBR=(H+LE)/(Rn-G)×100%；式中，Rn是凈輻射，G是土壤熱通量，H是顯熱通量，LE是潛熱通量。2015年水稻生育期能量平衡比率結(jié)果見表2。由表2可知，在稻田生態(tài)系統(tǒng)中存在能量不閉合現(xiàn)象，水稻全生育期(5～9月)能量平衡比率為83%，平均不閉合程度為17%；能量平衡比率在5～7月平均為76%，能量不閉合程度較高；8～9月平均為96%，不閉合程度較低。

表2　水稻生育期能量平衡比率

據(jù)相關(guān)研究資料，能量不閉合是通量觀測中較為普遍的現(xiàn)象，一般為10%～30%，該項目研究測得的水稻生育期能量平衡不閉合程度為17%，說明渦動相關(guān)法在稻田通量觀測中具有相對較高的可靠性[7-8]。

2.3作物需水量分析2015年水稻生育期需水量見表3。由表3可知，水稻全生育期需水量為376.89 mm。其中返青期需水量為49.11 mm，平均日需水量為4.09 mm；分蘗期需水量為103.95 mm，平均日需水量為4.33 mm；拔節(jié)期需水量為60.68 mm，平均日需水量為4.67 mm；孕育期需水量為76.81 mm，平均日需水量為2.84 mm；灌漿期需水量為54.34 mm，平均日需水量為2.09 mm；黃熟期需水量為32.00 mm，平均日需水量為2.00 mm。其中分蘗階段需水量為生育期需水量最大階段，是水稻生長需水關(guān)鍵期；而拔節(jié)期日需水量最大。水稻的需水量和需水強(qiáng)度均呈現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。

表3　水稻生育期需水量

3　水稻灌溉制度設(shè)計

3.1水稻生育期需水特性在調(diào)查、收集水稻需水特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB50288—99)來擬定水稻灌溉制度[9]。水稻各生育期天數(shù)及適宜水層深特征參數(shù)見表4。

3.2水稻灌溉制度計算通過項目區(qū)水稻各生育期需水特性、降雨資料及渦動觀測資料分析計算，得出項目區(qū)水稻田逐日耗水量(表5)。灌溉計算設(shè)計成果詳見表6。

表4　項目區(qū)水稻生育期特征參數(shù)

表5　水稻田逐日耗水量結(jié)果

注：階段需水量為渦動觀測計算值。

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

表6　水稻生育期設(shè)計灌溉制度

3.2.1泡田用水定額擬定。根據(jù)土壤調(diào)查資料，項目區(qū)灌溉耕地主要為壤土，結(jié)合灌區(qū)實際灌水經(jīng)驗，擬定泡田額定為2 700.0 m3/hm2。

3.2.2水稻灌溉制度計算成果。水稻全生育期需水量為秧田期和本田期需水量之和，按1 hm2秧田移栽10 hm2大田計算，分配至大田中為750.0 m3/hm2。因此，項目區(qū)水稻總灌溉定額為2 700.0+750.0+3 150.0=6 600.0 m3/hm2。

3.3項目區(qū)水稻需水量及灌溉制度分析

3.3.1水稻需水量分析。經(jīng)觀測計算，項目區(qū)水稻全生育期需水量為376.89 mm，其中水稻生長需水關(guān)鍵期為分蘗期，分蘗期作物需水量為103.95 mm，平均日需水量為4.33 mm。據(jù)西南地區(qū)38個站點水稻各生育階段需水量資料顯示：西南地區(qū)(云南)多年平均水稻全生育期需水量為304.70 mm，平均日需水量為3.10 mm。其中分蘗期需水量為107.00 mm，平均日需水量為3.10 mm[10-11]。該研究結(jié)果表明：用渦動系統(tǒng)觀測計算的水稻需水量與灌溉試驗站及站點計算取得的水稻需水量資料值是接近的；在種植條件相似的情況下，兩者差別不大。科學(xué)合理的灌溉制度更有利于水稻的生長和發(fā)育。作物需水量分析研究應(yīng)考慮氣象條件、地形地貌、土壤狀況及灌溉條件等對作物需水量的影響[12-13]。

3.3.2水稻灌溉制度分析。采用渦動系統(tǒng)觀測及相關(guān)資料計算得出的項目區(qū)水稻總灌溉定額為6 600.0 m3/hm2，而根據(jù)云南省地方標(biāo)準(zhǔn)《用水定額》(DB553/T 168—2013)得出的項目區(qū)水稻灌溉用水定額為6 900.0 m3/hm2[14]。可見采用渦動系統(tǒng)觀測及相關(guān)資料計算的水稻灌溉用水定額與云南省《用水定額》是十分接近的。

4　結(jié)論

(1)將渦動觀測系統(tǒng)、波文比系統(tǒng)、雨量觀測系統(tǒng)組合，實現(xiàn)作物需水量的自動監(jiān)測，可解決人工測坑耗時、費力以及數(shù)據(jù)代表性不足等問題。

(2)對項目區(qū)2015年水稻進(jìn)行渦動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，利用觀測資料可直接分析水稻生育期作物需水量[15-16]。

(3)項目區(qū)水稻生育期能量平衡比率為83%，平均不閉合程度為17%；能量平衡比率在5～7月平均為76%，能量不閉合程度較高；8～9月平均為96%，不閉合程度較低，說明渦動相關(guān)法在稻田通量觀測中具有相對較高的可靠性。

(4)項目區(qū)水稻全生育期需水量為376.89 mm，水稻生長需水關(guān)鍵期分蘗期作物需水量為103.95 mm。用渦動系統(tǒng)觀測計算的水稻需水量與灌溉試驗站及站點計算取得的水稻需水量資料接近。

(5)采用渦動系統(tǒng)觀測及相關(guān)資料計算的水稻灌溉用水定額6 600.0 m3/hm2，與云南省《用水定額》水稻為6 900.0 m3/hm2是十分接近的。

采用當(dāng)前國際上先進(jìn)的渦動觀測系統(tǒng)自動觀測云南省蜻蛉河灌區(qū)主要糧食作物(水稻)生育期各個階段的需水量及需水強(qiáng)度，總結(jié)渦動觀測系統(tǒng)的應(yīng)用方法和經(jīng)驗可為云南地區(qū)推廣應(yīng)用先進(jìn)、實用的灌溉試驗新技術(shù)提供借鑒及為云南灌區(qū)水利工程規(guī)劃設(shè)計與農(nóng)田用水管理提供科學(xué)依據(jù)。

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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

水利部引進(jìn)國際先進(jìn)水利科學(xué)技術(shù)計劃項目(“948”計劃)(201430)。

盧曉鵬(1966- )，男，云南昆明人，正高級工程師，碩士，從事水利水電勘測設(shè)計及科研工作。

2016-05-25

S 274

A

0517-6611(2016)19-265-03