基于渦動觀測系統(tǒng)的云南高原農(nóng)作物觀測分析研究

盧曉鵬　劉楊梅　馬顯瑩

(云南省水利水電科學(xué)研究院， 云南 昆明　650032)

?

基于渦動觀測系統(tǒng)的云南高原農(nóng)作物觀測分析研究

盧曉鵬劉楊梅馬顯瑩

(云南省水利水電科學(xué)研究院， 云南 昆明650032)

本研究基于云南省持續(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，利用當(dāng)前國際上先進(jìn)的渦動觀測系統(tǒng)，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。以油菜和水稻為研究對象，通過渦動觀測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，采用Eddypro軟件，計算了油菜和水稻各階段的需水量，并與灌溉試驗站取得的作物需水量資料進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：用渦動觀測系統(tǒng)計算的油菜和水稻需水量與灌溉試驗站試驗值十分接近。本研究采用渦動觀測系統(tǒng)對云南高原農(nóng)作物進(jìn)行的觀測分析效果明顯，極具應(yīng)用前景，可為云南省推廣應(yīng)用先進(jìn)、實用的灌溉試驗新技術(shù)提供借鑒。

需水量； 渦動觀測系統(tǒng)； 油菜； 水稻

我國是世界上水資源極其短缺的國家之一，人均只有 2100m3，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年三年連旱給云南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。制定相應(yīng)農(nóng)作物的節(jié)水灌溉制度，對強(qiáng)化用水需求和用水過程管理、嚴(yán)格農(nóng)田用水總量控制、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)將具有重要的戰(zhàn)略意義。但一直以來云南省在灌溉試驗研究方面工作基礎(chǔ)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)在云南節(jié)水灌溉制度研究中的應(yīng)用，具有較高的科學(xué)應(yīng)用價值。本研究采用當(dāng)前國際上先進(jìn)的渦動觀測系統(tǒng)，自動觀測灌區(qū)主要糧食作物(油菜和水稻)生育期各個階段的需水量及需水強(qiáng)度[2]。依據(jù)作物需水關(guān)鍵期制定楚雄蜻蛉河大型灌區(qū)油菜和水稻的節(jié)水灌溉制度，為灌區(qū)用水管理提供依據(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觀測試驗場地概述

通過調(diào)研，根據(jù)灌區(qū)地形、氣象條件、農(nóng)作物種植狀況等，布設(shè)渦動系統(tǒng)觀測點，選擇楚雄州的姚安縣蜻蛉河大型灌區(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)為東經(jīng)101°12′29.30″，北緯25°32′52″；海拔1819m；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℃，多年平均降雨量770.4mm，多年平均蒸發(fā)量2453.4mm，多年平均風(fēng)速3.5m/s，主風(fēng)向為西南和偏南。觀測試驗地土壤基本物理性質(zhì)及理化性質(zhì)見表1和表2。

表1　棟川鎮(zhèn)龍街村委會土壤基本物理性質(zhì)

根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分級標(biāo)準(zhǔn)，全氮含量較高，屬一級；全磷含量屬三級；速效鉀含量屬一級。土壤肥力較好。

表2　棟川鎮(zhèn)龍街村委會土壤基本理化性質(zhì)

1.2渦動觀測設(shè)備布置

根據(jù)灌區(qū)地形、氣象條件、農(nóng)作物種植狀況等，在云南姚安棟川鎮(zhèn)劃定試驗區(qū)域，渦動傳感器安裝高度2m，傳感器接收到的信號大部分來自于距離傳感器200m范圍內(nèi)上風(fēng)方向區(qū)域, 傳感器一般朝安裝區(qū)域主風(fēng)向安裝，使在盡可能多的時間內(nèi)，氣流能反映研究區(qū)下墊面類型。選擇區(qū)域的下墊面植被均勻，根據(jù)所要監(jiān)測的源區(qū)確定傳感器安裝地點。安裝點盡量遠(yuǎn)離房屋、樹木及車流較多的公路、水塘。設(shè)備占地約20m2。

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。

對姚安縣當(dāng)?shù)胤N植規(guī)模較大的兩種農(nóng)作物類型(油菜和水稻)進(jìn)行觀測。在種植農(nóng)作物區(qū)域，選取13.33hm2(200畝)種植地塊作為渦動觀測項目的觀測對象。在楚雄蜻蛉河灌區(qū)實施點大田采集土壤樣品，分析農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，收集灌區(qū)現(xiàn)有地形、水文氣象、灌溉制度、農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)業(yè)耕作制度等基礎(chǔ)資料。

對油菜及水稻進(jìn)行渦動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。通過觀測資料，分析油菜、水稻生育期作物需水量，總結(jié)渦動觀測系統(tǒng)在油菜、水稻灌溉試驗中的應(yīng)用技術(shù)及經(jīng)驗[4]。

1.4觀測項目

本項目引進(jìn)了以CR1000為核心的數(shù)據(jù)采集器及存儲系統(tǒng)。用以觀測溫度、水汽壓、濕度、波文比，凈輻射、太陽總輻射、大氣壓力平均值，顯熱通量、風(fēng)速協(xié)方差、平均值、CO2通量、潛熱通量等；用EC150傳感器觀測水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速、超聲虛溫、CO2質(zhì)量密度、H2O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)。

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(ux、uy、uz)和虛溫(Ts)，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)，并對其做同步處理，之后在線計算得到顯熱通量、潛熱(水汽)通量、CO2通量、動量通量及摩擦風(fēng)速，以及這些數(shù)據(jù)所需的協(xié)方差/均值等，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，從而獲得理想的通量數(shù)據(jù)。

1.4.3植株性狀指標(biāo)

以油菜和水稻為觀測對象，在觀測期內(nèi)，對株高進(jìn)行觀測與記錄。研究灌溉條件下植株生長狀況。對油菜和水稻收獲前，晾干后稱其重量。2015年油菜產(chǎn)量每畝310kg，水稻產(chǎn)量每畝730kg。

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和土壤溫度。觀測深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm。

1.5數(shù)據(jù)處理

試驗所得數(shù)據(jù)用Eddypro等軟件進(jìn)行計算、整理和統(tǒng)計分析。

人民一直是社會主義事業(yè)建設(shè)的主體力量，習(xí)總書記在十九大報告中強(qiáng)調(diào)要依靠人民群眾創(chuàng)造歷史偉業(yè)。這一人民群眾的范疇內(nèi)蘊(yùn)含著為社會主義建設(shè)貢獻(xiàn)力量的所有集體，即依靠他們進(jìn)行社會主義政治、經(jīng)濟(jì)、文化、生態(tài)、社會建設(shè)。新時代下，社會主義現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的建立、社會主義民主政治的發(fā)展、社會主義文化的繁榮興盛、社會治理的創(chuàng)新以及美麗中國的建設(shè)，都離不開人民群眾主體性和能動性的發(fā)揮。因而，重視并堅持人民主體地位是中國特色社會主義事業(yè)持續(xù)推進(jìn)的應(yīng)有之義。

2　觀測結(jié)果分析

2.1降雨情況

2015年1月1日至12月30日觀測期內(nèi)共計降雨74次，降雨771.7mm。觀測期內(nèi)7—10月降雨量占總觀測期降雨量的81%，其余月份降雨量則明顯偏少，植株對灌溉要求迫切。

2.2渦動觀測數(shù)據(jù)分析

2015年1月31日—5月10日對油菜進(jìn)行渦動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集；2015年5月20日至9月21日對水稻進(jìn)行渦動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。試驗所得數(shù)據(jù)用Eddypro軟件進(jìn)行計算、整理，得出相關(guān)成果資料[5]。

2.2.1油菜觀測數(shù)據(jù)分析

油菜蕾薹期1月12日—2月6日，觀測期內(nèi)日平均氣溫為277.2～285.9K(4.1～12.8℃)，氣壓日平均值為80957.57～81703.5Pa，風(fēng)速為0.8～3.1m/s，太陽總輻射平均值為29.3～217.8W/m2。

油菜開花期2月6日—3月12日，觀測期內(nèi)日平均氣溫為281.9～292.4K(8.8～19.3℃)，氣壓平均值為80740.1～81387.7Pa，風(fēng)速為1.3～4.3m/s，太陽總輻射平均值為170.7～264W/m2。

油菜成熟期3月12日—4月20日，觀測期內(nèi)日平均氣溫為284.9～294.5K(11.8～21.4℃)，氣壓平均值為80957.57～82049.99Pa，風(fēng)速為0.83～3.91m/s，太陽總輻射平均值為134.4～292.3W/m2[6]。

2.2.2水稻觀測數(shù)據(jù)分析

水稻分蘗期6月1—25日，觀測期內(nèi)日平均氣溫為292.5～298.8K(19.4～25.7℃)，氣壓平均值為80446.6～81185.3Pa，風(fēng)速為1.53～3.76m/s，太陽總輻射平均值為95.2～320.6W/m2。

水稻拔節(jié)期6月25日—7月8日，觀測期內(nèi)日平均氣溫為291.1～297.5K(18.0～24.4℃)，氣壓平均值為80455.9～80968.5Pa，風(fēng)速為0.98～3.66m/s，太陽總輻射平均值為77.6～304.3W/m2。

水稻孕育期7月8日—8月4日，觀測期內(nèi)日平均氣溫為290.1～296.7K(17.0～23.6℃)，氣壓平均值為80642.1～81222.5Pa，風(fēng)速為0.57～2.44m/s，太陽總輻射平均值為53.2～289.5W/m2。

水稻灌漿期8月4—30日，觀測期內(nèi)日平均氣溫為290.9～295.4K(17.8～22.3℃)，氣壓平均值為80866.6～81499.5Pa，風(fēng)速為0.45～2.44m/s，太陽總輻射平均值為70.2～218.8W/m2。

2.3作物需水量分析

通過觀測資料，分析油菜及水稻生育期作物需水量，總結(jié)渦動觀測系統(tǒng)在油菜、水稻灌溉試驗中的自動觀測應(yīng)用技術(shù)和經(jīng)驗[7]。

2.3.1油菜開花期需水量分析

渦動系統(tǒng)觀測所得數(shù)據(jù)用Eddypro軟件進(jìn)行計算、整理和統(tǒng)計分析，得出2015年油菜開花期2月6日至3月12日作物日需水量(日蒸散ET值)，見表3。

表3　油菜開花期需水量

數(shù)據(jù)表明：油菜開花期作物日需水量為1.76～3.38mm，開花期作物日平均需水量為2.48mm，開花期需水量為86.87mm。據(jù)《中國主要作物需水量與灌溉》灌溉試驗站資料匯總分析，油菜需水量高峰發(fā)生在開花期，在開花期作物日需水量為1.8～3.4mm，平均日需水量為3.14mm[8]。結(jié)果表明：用渦動系統(tǒng)觀測計算的油菜需水量與灌溉試驗站取得的油菜需水量是十分接近的，在種植條件相似的情況下，兩者差別不大。油菜在科學(xué)合理的灌溉制度指導(dǎo)下，更有利于生長和發(fā)育。

2.3.2水稻需水量分析

渦動系統(tǒng)觀測所得數(shù)據(jù)用Eddypro軟件進(jìn)行計算、整理和統(tǒng)計分析，得出2015年水稻分蘗期6月1—25日作物日需水量(日蒸散ET值)，見表4。

表4　水稻分蘗期需水量

數(shù)據(jù)表明：水稻分蘗期作物日需水量為3.05～6.41mm，分蘗期作物日平均需水量為4.16mm，分蘗期需水量為103.95mm。據(jù)《中國主要作物需水量與灌溉》灌溉試驗站資料匯總分析，并按水稻生育期分別計算西南地區(qū)38個站點水稻各生育階段需水量，云南地區(qū)水稻分蘗期需水量為107mm[9]。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是十分接近的，在種植條件相似的情況下，兩者差別不大。水稻在科學(xué)合理的灌溉制度指導(dǎo)下，更有利于生長和發(fā)育。

3　結(jié)　論

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大型灌區(qū)主要糧食作物(油菜和水稻)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，為云南省推廣應(yīng)用先進(jìn)實用的灌溉試驗新技術(shù)提供借鑒，為云南省灌區(qū)水利工程規(guī)劃設(shè)計及農(nóng)田用水管理提供科學(xué)依據(jù)[10]。

a.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，解決人工測坑耗時費力以及數(shù)據(jù)代表性不足的缺點。

b.對項目區(qū)2015年油菜和水稻進(jìn)行渦動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，通過觀測資料，可直接計算油菜和水稻生育期作物需水量。

c.油菜開花期作物日需水量為1.76～3.38mm，開花期作物日平均需水量為2.48mm，開花期需水量為86.87mm。用渦動系統(tǒng)觀測計算的油菜需水量與灌溉試驗站取得的油菜需水量是十分接近的[11-12]。

d.水稻分蘗期作物日需水量為3.05～6.41mm，分蘗期作物日平均需水量為4.16mm，分蘗期需水量為103.95mm。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是十分接近的。

[1]許晴.大力推進(jìn)節(jié)水灌溉產(chǎn)品創(chuàng)新和深度研發(fā)[J].中國農(nóng)村科技，2014(11)：25-26.

[2]馬朝陽.閆潭灌區(qū)自動化計量與監(jiān)控應(yīng)用研究[J].水利建設(shè)與管理，2014，30(10)：53-55.[3]徐自為，劉紹民，宮麗娟，等.渦動相關(guān)儀觀測數(shù)據(jù)的處理與質(zhì)量評價研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2008，23(4)：357-369.

[4]郝樹榮，俞方易，張展羽，等.氣候變化對南京主要作物需水量的影響[J].水利水電科技進(jìn)展，2015，35(3)：25-29.

[5]莊金鑫，王維真，王介民.渦動相關(guān)通量計算及三種主要軟件的比較分析[J].高原氣象，2013,32(1)：78-81.

[6]張順謙,鄧彪,楊云潔.四川旱地作物水分盈虧變化及其與氣候變化的關(guān)系[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012(10)：1-9.

[7]王海軍.針對新疆農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計與灌溉技術(shù)的探討[J].水利建設(shè)與管理，2015，35(7)：28-30.

[8]陳玉民，郭國雙，王廣興，等.中國主要作物需水量與灌溉[M].北京：水利電力出版社，1995.

[9]劉鈺，汪林，倪廣恒，等.中國主要作物灌溉需水量空間分布特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(12)：6-12.

[10]開賽爾·斯依提,朱衛(wèi)東,吐爾洪·亞生.新疆葉爾羌河灌區(qū)典型作物棉花灌溉試驗[J].水利建設(shè)與管理，2010，30(7)：81-82.

[11]高曉麗，徐俊增，楊士紅，等.貴州地區(qū)主要作物需水規(guī)律與作物系數(shù)的研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2015(1)：11-14.

[12]Allen R G.Using the FAO-56 dual crop coefficient method over an irrigatedregion as part of an evapotranspiration intercomparison study[J].Hydrol,2000,16(5)：26-30.

Analysis and research on plateau crops observation in Yunnan based on vortex observation system

LU Xiaopeng, LIU Yangmei, MA Xianying

(YunnanWaterResourcesandHydropowerScientificResearchInstitute,Kunming650032,China)

Current international advanced vortex observation system is utilized based on the requirements of continued drought on water resources efficient utilization in Yunnan and importance of studying crop water demand rule. Water demand and water demand strength of main grain crops at all stages of growth period in irrigation district are observed automatically. Rape and rice are adopted as research objects. Data collected by equipment can be observed through vortex. Eddypro software is adopted for calculating water demand of rape and rice at all stages. The water demand is compared with crop water demand data obtained from irrigation test station. In the study, vortex observation system is adopted for observing and analyzing plateau crops in Yunnan with prominent effect. Application prospect is prominent. Reference can be provided for Yunnan to promote and apply advanced and practical irrigation test new technology.

water demand; vortex observation system; rape; rice

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.03.019

水利部引進(jìn)國際先進(jìn)水利科學(xué)技術(shù)計劃項目“基于渦動觀測系統(tǒng)的云南高原農(nóng)作物節(jié)水灌溉制度研究”(201430)。

S-3

A

2096- 0131(2016)03- 0068- 04