云南省典型區水稻作物系數及其變化規律

王樹鵬，段琪彩，韓煥豪，黃 英

(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 430072)

0 引 言

云南是我國水稻種植大省，水稻需水量的測定對灌區規劃設計及水資源考核管理等具有重要作用。前人對云南水稻需水量的測定多采用作物系數-參考作物蒸發蒸騰量法[1]，其中參考作物蒸發蒸騰量可依據氣象數據計算得到[2]，因此作物系數成為該方法中的關鍵參數[3]。而現采用的作物系數Kc多來自于FAO推薦，并非在云南實地觀測所得，且加之云南地處低緯高原，立體氣候突出，FAO推薦的Kc在該地區的適用性有待驗證。雖然我們曾在建水和大理兩地進行了水稻需水量試驗并得到了這兩個地區的水稻Kc[4]，但這兩個地區的Kc并不能代表整個云南不同氣候區的水稻Kc。為此，本文在云南不同水稻種植和氣候典型區設立灌溉試驗站點，基于試驗實測數據建立田間水量平衡關系[5]，分析計算水稻需水量ETc[6]進而推求各典型區水稻Kc[7]，并研究其在區域的時空變化規律，以期能為今后云南各地的水稻ETc計算提供重要參考和支撐。

1 數據與方法

1.1 試驗點概況

根據云南農業氣候條件和水稻種植情況，選擇大理、建水、硯山(平遠)、騰沖、勐海、麗江(古城區)、陸良、盈江等8個縣市典型區，分別設置水稻灌溉試驗觀測站點，開展水稻淹水灌溉試驗觀測工作，歷時2016-2018年，共3年(部分站點不滿3年)。典型區主要分布于云南中部、南部和西南部，東北部和西北部屬高原寒區，不適宜種植水稻。金沙江、怒江、紅河河谷等北熱帶氣候區因干熱缺水也很少種植水稻，所選試驗站點具有一定的代表性。站點基本情況如表1、表2及圖1所示。

表1 各灌溉試驗站點基本情況表Tab.1 The information of each irrigation test site

表2 各灌溉試驗站點縣市區域特征表Tab.2 The regional characteristics of each irrigation test site

注：糧食播種等數據來自2015年云南統計年鑒，降水量、氣溫均為多年平均。

圖1 試驗站點布設區位圖Fig.1 The location map of test sites

1.2 試區建設及處理設計

試驗小區選在當地長期種植水稻的田塊上建設且并行排列。每個小區面積60 m2(10 m×6 m)，外圍設置2.0 m寬保護帶。田埂采用橫截面接近梯形的土埂，底寬0.5 m，頂寬0.3 m，地面以上高0.4 m，具體視土壤的隔水效果適當調整，并采用塑料薄膜覆膜防水處理，塑料薄膜埋深至耕作層底部。各試驗小區設置人工觀測直立式水尺、深層滲漏觀測筒及水位計井。具體布設如圖2所示。各站點均設置3個小區，均進行傳統的淹水灌溉，淹水灌溉水層控制標準見表3。

表3 淹水灌溉模式水層控制標準Tab.3 The water-layer control standard of flooding irrigation mode

圖2 試驗站點小區布設圖(單位：m)Fig.2 The plot layout of test site

1.3 觀測內容及方法

(1)水量平衡要素。田面水位：水位計井內放置HOBO自記水位計[8]，水位計記錄頻率設置為1 h；同時記錄試驗點空氣氣壓，通過空氣中水位計氣壓與水下水位計的壓力差計算各小區水深。為提高觀測精度輔以人工每天8∶00定時觀測水尺讀數，對自記水位計水深進行校驗。

田間滲漏：每個試驗點安裝田間滲漏筒1個，人工8∶00定時觀測，時間間隔3～5 d。

灌水量：當田面水層下降到適宜水層深度下限時，由供水系統向各小區灌水，至水位上限時停止，記錄灌水起止田間水深。灌水系統分為有水表和無水表兩種情況，有水表的試驗點灌水量直接由水表讀取，未安裝水表的試驗點灌水量通過灌水前后田間水層深度之差計算。

排水量：暴雨期當田面水層上升到極限水深時，由排水系統向外排水，至水位上限時停止排水，記錄排水起止時間田間水深，通過田間水層深度之差計算排水量。

(2)氣象要素觀測。通過安裝在試驗小區旁的智能氣象站自動記錄，記錄頻率設置為1 h，觀測項目包括降水、氣溫、氣壓、相對濕度、太陽輻射、風速、風向。

(3)作物生育期觀測。根據水稻生長變化觀測，記錄水稻各生育期起止時間，分為返青期、分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟期、黃熟期。

1.4 計算方法

(1)參考作物蒸發蒸騰量ET0。ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith公式[4]計算，公式為：

(1)

式中：Δ為平均氣溫時飽和水汽壓對溫度的導數，kPa/℃；Rn為作物冠層表面的凈輻射，可用經驗公式計算，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕表常數，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；u2為地表2 m高處的風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為空氣實際水汽壓，kPa。

(2)水稻需水量ETc。當稻田內有水層時，小區的水稻ETc通過水量平衡方程計算，公式為：

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

(2)

式中：ETdi為第i日ETc；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。

當稻田田面無水層時，此時滲漏量很小忽略不計，落干期間ETc采用補水法計算，公式為：

ETg=hbg-hag+Pg+m

(3)

式中：ETg為落干期ETc；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。

(3)水稻作物系數Kc。水稻生育期作物系數Kc為水稻生育期ETc與對應的ET0之比，計算公式為：

Kc=ETc/ET0

(4)

式中：Kc為水稻某生育期作物系數；ETc為水稻某生育期ETc，mm；ET0為參考作物某生育期對應的參考作物ETc，mm。

2 結果與分析

2.1 參考作物蒸發蒸騰量ET0

根據2016-2018年氣象觀測數據，結合同期區域氣象有關資料，按式(1)分析計算各試驗站點參考作物各生育期蒸發蒸騰量ET0，結果見表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 各灌溉試驗站點不同生育期ET0 mm

續表4 各灌溉試驗站點不同生育期ET0 mm

表5 各灌溉試驗站點不同生育期水稻ETc mm

2.3 水稻作物系數Kc

根據各試驗站點水稻生育期參考作物ET0和水稻各生育期ETc，按式(4)計算，推求得出各試驗站點不同生育期的水稻作物系數Kc，結果見表6。

由各灌溉試驗站點不同生育期水稻Kc值成果表6顯示，淹水灌溉模式下云南各典型區試驗站點的水稻Kc值與FAO推薦的水稻初期、中期、末期基礎Kc(1.0、1.15、0.7～0.45)存在一定差異。表現為：生育初期略偏小，返青期為FAO推薦初期值的0.79～1.06倍，分蘗期與FAO推薦初期值接近，相差0.93～1.16倍；中期與FAO推薦值較為接近，拔節孕穗至乳熟期相差0.90～1.15倍；末期較FAO推薦值偏大，黃熟期與FAO推薦上限值相差1.58～1.88倍。

2.4 Kc變化規律

各站點水稻不同生育期Kc變化如圖3、圖4所示。由圖可知，其變化規律有如下幾個特點。(1)從時間變化來看，各灌溉試驗站點水稻各生育期Kc值，呈初期和末期兩頭較小、中期中間偏大的單峰型規律性表現，變化基本一致，均生育前期返青期逐漸增大、中期抽穗開花期達最大值、生育后期黃熟期逐漸減小。同時，各生育期同期Kc值存在一定差異，位于滇西南的盈江、勐海和滇東南的硯山偏大，位于滇中的大理、建水居中，位于滇西的騰沖偏小，滇中東部的陸良生育前期居中、中后期偏大，位于滇西北的麗江水稻生育初期和末期略偏小、生育中期處于居中位置。總體返青期一般小于1.0(除盈江外)，之后逐漸增大至抽穗開花期達最大值1.12～1.32，后期逐漸減小至黃熟期的1.0左右。

表6 各灌溉試驗站點不同生育期水稻KcTab.6 Rcie Kc at different growth stages of each test site

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

圖4 水稻Kc與高程關系擬合曲線Fig.4 The relation curve between rice Kc and elevation

(2)從空間變化來看，云南省水稻Kc值空間差異性并沒有明顯規律性，主要受局部小氣候的影響，滇西南、滇東南濕潤氣候區的盈江、勐海、硯山偏大，滇中濕潤、半濕潤氣候區的大理、建水、陸良居中，滇西北、滇西局部較為溫涼濕潤、半濕潤氣候區的麗江、騰沖偏小。同時，各區Kc值隨海拔升高而減小，其中滇西和滇南地區降幅較快，滇中和滇東南降幅較緩，其他地區則表現為東部、北部Kc值較中部略偏大，呈交互錯雜表現，與海拔之間的關系并不密切。

(3)從年際變化來看，試驗幾年中云南省典型區淹水灌溉模式下，各試驗點自身的水稻各生育期Kc值較接近，年際變化不大。水稻本田全生育期Kc值，2016-2017年大理為1.08、1.06，硯山為1.16、1.14，騰沖為0.99、1.01；2016-2018年建水為1.13、1.11、1.11，勐海1.17、1.17、1.16；2017-2018年盈江均為1.18。

3 結 論

(1)云南省各典型區水稻Kc值，全生育期在0.99～1.18之間；各生育期呈初期和末期兩頭較小、中期中間偏大的單峰型規律性表現；空間差異性沒有明顯規律，濕潤、半濕潤氣候區略偏大，溫涼氣候區稍偏小；隨海拔升高而減小，與海拔之間的關系并不密切；試驗幾年同區Kc值較接近，年際變化不大。

(2)各區水稻Kc值實際應用時，可按云南省六個農業灌溉分區13個亞區對應的本次試驗站點分布區域參考取值，如滇中區Ⅰ-2區1.06～1.08、Ⅰ-3區1.11～1.13、Ⅰ-4區1.16，滇東南區Ⅱ-2區1.14～1.16，滇西南區Ⅲ-2區1.17～1.18，滇西北區Ⅳ區1.13；其余未涉及分區范圍應用可暫時參考相近氣候條件試驗站點取值。