云南半濕潤區水稻需水規律試驗研究

段琪彩，黃 英，韓煥豪，王樹鵬，張 雷

(1.云南省水利水電科學研究院，昆明 650228；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 4030072)

0 引 言

云南是我國水稻種植大省，種植歷史悠久，分布廣泛。水稻種植一般采取傳統的淹水灌溉模式，用水量、退水量均較大，與目前加強環境保護、節水減排的時代發展要求不相適應。近年來，隨著水稻節水灌溉技術研究不斷深入，我國主要水稻種植區開展了大量的水稻需水規律研究[1-5]，為當地水資源有效管理提供了基礎依據。云南省水稻需水研究起步較晚，目前仍以經驗公式計算或調查分析為主，通過灌溉試驗深入研究的成果相對較少[6-12]，加之云南獨特的低緯度高原立體氣候特征，水稻需水規律與平原地區的差異也有待進一步驗證。云南地形地貌復雜，氣候類型多樣，水分分區包括濕潤區、半濕潤區和半干旱區三類[13]，其中半濕潤區水稻種植面積大、分布廣，本文在該區域內的大理、建水、硯山開展水稻需水規律試驗研究，以期為本地區農業節水減排和水資源優化配置、高效利用提供借鑒。

1 研究區概況

云南半濕潤區包括滇中的大理、麗江、楚雄、昆明、玉溪、紅河和滇東曲靖以及滇東南文山、滇東北昭通、滇西保山的局部地區[13]，該區域是云南省主要經濟區，人口集中，耕地連片，農作物以水稻、玉米、烤煙、蔬菜等為主。研究區屬半濕潤亞熱帶季風氣候，寒暑適中，氣候溫和，可分為干濕兩季，降水主要集中于7-9月，多年平均降水量在800～1 100 mm之間，多年平均氣溫在15～18 ℃之間，氣溫年差較小、日差較大。研究區種植一季中稻，5月下旬插秧，9月底至10月上旬收割，生長期正直降水豐沛期，可充分利用天然降水作為水稻耗水。

大理試驗點(100°07′E、25°53′N)位于大理市喜洲鎮仁里邑村，屬瀾滄江流域，海拔1 971 m 。建水試驗點(102°50′E、23°56′N)位于建水縣曲江鎮小山村，屬南盤江流域，海拔1 344 m。硯山試驗點(103°45′E、23°37′N)位于硯山縣阿舍鄉阿舍村，屬南盤江流域，海拔1 400 m。試驗時間為2016年和2017年兩個水稻全生育期。大理水稻品種為楚粳28，屬粳稻；建水為宜香3003，硯山為宜香4245，屬秈稻。

2 研究方法

2.1 試驗設計

每個試驗點均為傳統的淹水灌溉模式，分別設置3個重復。所選試驗點周邊大面積種植水稻，試驗小區設于田間，小區并行排列，面積60 m2(10 m×6 m)，田埂采取深埋塑料薄膜包裹方式隔水，外圍設置2.0 m保護帶。各試驗點田間長期有水，水層控制標準相同(表1)。

表1 試驗點田間水層控制標準

小區水層深度采用HOBO自記水位計記錄，并輔以人工8∶00定時觀測進行校驗，灌水和排水開始及結束時刻增加人工觀測。田間滲漏安裝測滲筒，采用人工8∶00定時觀測。各試驗點安裝INSENTEK云智能氣象站，用以觀測降水、太陽輻射、氣溫、氣壓、相對濕度、風速、風向等氣象要素。

各試驗點所采用的農藝措施為當地農民常用的方式，一般插秧時施基肥，分蘗前期和拔節孕穗期各追肥1次。

2.2 數據處理

試驗小區有水期間水層深度按24段整點摘錄，以8：00為日分界統計日平均水層深度；黃熟期通過落干起止時刻水層深度和落干結束時補充的水量計算土壤含水變化量。各次灌水量和排水量通過灌(排)水起止時刻水層深度計算。氣象要素按24段整點摘錄，以8：00為日分界，統計日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風速、日照時數。

2.3 蒸發蒸騰量計算

2.3.1 實際蒸發蒸騰量計算

各試驗點的水稻蒸發蒸騰量(ETc)取3個小區的平均值，各生育階段逐日蒸發蒸騰量之和即為該生育期的蒸發蒸騰量，各生育期蒸發蒸騰量之和即為該年度水稻的總蒸發蒸騰量。有水層時，小區的水稻蒸發蒸騰量通過水量平衡方程計算，公式為：

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

(1)

式中：ETdi為第i日蒸發蒸騰量；hi為第i日平均田面水層深度；hi+1為第i+1日平均田面水層深度；Pi為第i日降水量；mi為第i日灌水量；ci為第i日排水量；fi為第i日滲漏量。單位均以mm計。

落干期田面無水層，此時滲漏量很小忽略不計，落干期間蒸發蒸騰量采用補水法計算，公式為：

ETg=hbg-hag+Pg+m

(2)

式中：ETg為落干期蒸發蒸騰量；hgb為落干前田面水層深度；hag為落干結束后灌水達到水位穩定時田面水層深度；Pg為落干期間的降水量；m為落干結束后灌水量。單位均以mm計。

2.3.2 參考作物蒸發蒸騰量計算

參考作物蒸發蒸騰量(ET0)按FAO推薦的Penman-Monteith公式計算[14]。水稻某生育期作物系數Kc為水稻蒸發蒸騰量ETc與水稻某生育期對應的參考作物蒸發蒸騰量ET0之比，計算公式為：

(3)

式中：Kc為水稻某生育期作物系數；ETc為水稻某生育期蒸發蒸騰量，mm；ET0為水稻某生育期對應的參考作物蒸發蒸騰量，mm。

3 結果與分析

3.1 參考作物蒸發蒸騰量

依據氣象資料，利用Penman-Monteith公式[14]計算大理、建水、硯山試驗點2016年和2017年水稻各生育期對應的ET0，如表2所示。

由表2可見，各試驗點水稻本田全生育期參考作物日均ET0在3.6～4.6 mm之間，各生育期中最大值為建水2016年返青期5.1 mm，最小值為硯山2016年黃熟期2.9 mm，極值比為1.8。各生育期日均ET0一般表現為返青期最大，黃熟期最小，總體隨生育期呈逐漸減小的變化過程。大理2016年抽穗開花期和乳熟期日均ET0出現反彈，系因當年8月出現連續高溫天氣所致。

表2 水稻生育期日均ET0

繪制大理、建水水稻全生育期降水量、平均氣溫、平均風速、平均相對濕度過程線(如圖1)。由圖1可見，試驗區5月雨季尚未到來，降水量小、風速大、相對濕度小，6月起隨著雨季來臨，降水量增大、風速減小、濕度逐漸增大，從而導致水稻全生育期ET0隨生育期呈逐漸減小的過程，這一規律與試驗區的高原季風氣候特點相符。由圖1還可看出，大理和建水水稻生育期主要氣象要素中的降水量、平均氣溫、平均風速、平均相對濕度變化過程基本一致，降水主要集中于8-9月；平均氣溫6月最高，之后逐漸降低；平均風速5月最大，之后逐漸減小；相對濕度5月最小，之后逐漸增大。雖然大理和建水同屬半濕潤區，降水量接近，但建水位置偏南、海拔偏低，氣溫較大理明顯偏高，平均風速較大理偏小，相對濕度較大理略偏大，表明兩地水稻生育期影響ET0的主要氣象要素存在一定差異，建水ET0較大理略偏大符合實際。

圖1 水稻生長期氣象要素變化

3.2 水稻實際蒸發蒸騰量

按式(1)～式(2)計算大理、建水、硯山試驗點2016年和2017年度水稻各生育期ETc，如表3所示。由表3可見，試驗點兩年水稻全生育期日均ETc在4.1～5.1 mm之間，各生育期中最大值為建水2017年抽穗開花期5.7 mm，最小為硯山2016年黃熟期3.0 mm，極值比為1.9。各生育期中，建水和硯山抽穗開花期最大，黃熟期最小；大理2016年最大值出現在乳熟期，2017年最大值出現在抽穗開花期，2015年最大值出現在分蘗期[12]，即水稻本田期日均蒸發蒸騰量一般表現為前期逐漸增大，至抽穗開花期達最大值，之后逐漸減小，黃熟期最小，但大理水稻日均蒸發蒸騰量最大值分蘗期、抽穗開花期、乳熟期均可能出現。水稻移栽后根系逐漸發育、分蘗增加、葉片增多，至抽穗開花期生長速度呈加快的態勢，之后籽粒結實、莖葉生長緩慢直至枯黃，生長速度逐漸減慢，日均蒸發蒸騰量變化與水稻各生育期的生長規律相符，即生長旺盛期的蒸發蒸騰量大，至黃熟期已基本停止生長，蒸發蒸騰量最小。

表3 水稻生育期日均ETc

由大理氣象站和建水氣象站長系列(50年以上)降水量數據，計算得不同保證率6-9月降水量，與試驗點降水量進行比較，成果見表4。由表4可見，2017年和2016年水稻生育期6-9月降水量大理接近偏枯水年(P=75%)，建水接近偏豐水年(P=25%)，兩年的降水量接近，但ETc的變化并不完全一致，建水的日均ETc值兩年較接近，大理的日均ETc值2017年略偏大，即降水量與日均ETc的變化并不完全對應。

表4 大理和建水水稻主要生育期6-9月降水量成果表

3.3 水稻作物系數

按式(3)計算大理、建水、硯山試驗點2016年和2017年水稻本田全生育期Kc，試驗點各生育期水稻Kc在1.06～1.16之間，平均值返青期為0.93，分蘗期為1.04，拔節孕穗期為1.17，抽穗開花期為1.24，乳熟期為1.18，黃熟期為1.02，其變化過程如圖2所示。由圖2可見，各試驗點水稻Kc隨生育期呈單峰型帶狀分布，相同氣候區的水稻Kc變化基本一致，生育前期逐漸增大，抽穗開花期最大，生育后期逐漸減小。水稻本田各生育期中，返青期均小于1.0，之后逐漸增大至抽穗開花期達最大值1.2～1.28，生育后期逐漸減小至黃熟期在1.0左右。Kc變化規律與大理2015年一致[12]，與貴州省修文縣中心試驗站常規灌溉模式和江西省試驗中心站的峰型相同，均為抽穗開花期最大，但各生育期數值存在較大差異，除返青期較接近外，分蘗期之后明顯偏小[15]。與FAO推薦的水稻初期、中期、末期基礎Kc(1.05、1.2、0.6～0.9)也存在一定出入，表現為生育初期略偏小，中期接近，末期略偏大[15]。試驗點水稻本田全生育期Kc位置偏南的硯山最大，偏北的大理最小，表現為從南向北減小的態勢。另外，大理水稻品種為莖稈較矮、葉片較窄的粳稻，建水和硯山為植株較高、劍葉長而寬的秈稻，建水與硯山Kc較接近，且較大理略偏大，說明水稻Kc不僅與地理位置有關，與水稻品種也有關系。

圖2 試驗點水稻作物系數變化

3.4 水稻灌水量

2016年和2017年大理、建水水稻各生育期灌水量如表5所示。從表5可見，2016年和2017年大理灌水量分別為140.0、160.0 mm，建水灌水量分別為445.3、268.2 mm，大理兩年的灌水量接近，建水2016年灌水量較2017年明顯偏大。各生育期中，返青期和分蘗期需保證各灌水1～3次，灌水量30.0～132.7 mm，灌水定額30.0～50.0 mm；拔節孕穗期至乳熟期降水充沛年份(如大理2017年)可不灌水，降水較少年份(如建水2016年)則需各灌水1～2次，灌水量40.0～105.0 mm，灌水定額40.0～52.5 mm；黃熟期不需灌水。受高原季風氣候的影響，試驗區灌水高峰并不是水稻生育水分敏感期的抽穗開花期，而是出現在生育前期的返青期至分蘗期，系因為了充分利用光熱資源，本地區一般5月下旬插秧，此時雨季尚未到來，降水少，氣溫高，故灌水量明顯增大。

試驗的兩年中，大理水稻主要生育期6-9月降水量接近偏枯水年(P=75%)，兩年的水稻主要生育期降水年型接近，全生育期的灌水量的差異也不大；建水水稻主要生育期6-9月降水量接近偏豐水年(P=25%)，雖然兩年的降水年型接近，但全生育期的灌水量差異卻較大。雖然兩試驗點同屬半潤濕氣候，但降水量年際間的差異卻較大，從而導致兩試驗點水稻主要生育期6-9月的降水年型并不相同。另外，大理兩年的降水分布較均勻，而建水2016年7-8月降水分布不均勻，7月1日降水量104.6 mm，占當月降水量的51%，可見同一試驗點的降水年內分布差異也較大。表明研究區地形地貌復雜，降水時空分布不均勻，水稻灌水量受降水影響明顯，時空差異較大。

表5 大理和建水水稻各生育期灌水量

3.5 水稻生育期水量平衡要素

統計2016年和2017年兩試驗點水稻本田全生育期降水量、灌水量、排水量、蒸發蒸騰量等水量平衡要素，結果見表6。從表6可見，2016年和2017年大理試驗點水稻全生育期ETc分別為488.1、558.7 mm，建水分別為637.7、606.8 mm，大理ETc較建水偏小，這與建水位置偏南、海拔較低、氣候炎熱的實際相符。兩試驗點水稻本田期降水量2017年較2016年豐沛，大理2017年ETc也隨之加大，但建水的ETc卻略減小，即降水總量對水稻ETc的影響并不明顯。灌排水量方面，大理2016年和2017年的灌水量、排水量均較接近。建水則不同，2016年因降水量偏少且分布不均勻，灌水量、排水量較大；2017年因降水充沛且分布相對均勻，灌水量、排水量均明顯減小，即降水量對灌水量和排水量的影響顯著。研究區地處低緯度高原季風氣候區，一般6月上旬進入雨季，水稻一般5月下旬插秧9月底至10初收割，水稻分蘗后期開始進入雨季，生長旺盛期降水豐沛，天然降水可以得到充分利用，研究區水稻本田期降水量利用率一般在80%以上，占耗水量的70%左右，水稻種植可充分利用降水灌溉。

表6 大理和建水水稻全生育期水量平衡要素

4 結 語

本文通過對云南半濕潤區的大理、建水和硯山水稻需水規律進行試驗研究，得到以下結論。

(1)水稻生育期日均ET0在3.6～4.6mm之間，返青期最大，黃熟期最小，總體隨生育期呈線性減小趨勢。受低緯度高原復雜地形地貌的影響，水稻生育期參考作物日均蒸發蒸騰量存在一定差異，建水最大，硯山最小。

(2)水稻全生育期日均ETc在4.1～5.1 mm之間，同屬半濕潤區的三個試驗點水稻本田期日均ETc存在一定的空間差異，建水和硯山抽穗開花期最大，大理最大值分蘗期、抽穗開花期、乳熟期均可能出現。

(3)水稻全生育期作物系數在1.06～1.16之間，過程隨生育期呈單峰型變化。水稻作物系數與氣象因素、水稻品種有關，大理粳稻的作物系數較建水、硯山秈稻的作物系數小。

(4)試驗區降水量對水稻蒸發蒸騰量的影響并不明顯，但對灌水量、排水量的影響顯著，相近降水年型的灌排水量差異較大。水稻生育期降水利用率在80%以上，占耗水量的70%左右，水稻生育期應盡量與雨季同步，可充分利用降水灌溉，節約水資源。

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