云南半濕潤區(qū)水稻需水規(guī)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(xué)研究院，昆明 650228；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)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(tǒng)的淹水灌溉模式，用水量、退水量均較大，與目前加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、節(jié)水減排的時代發(fā)展要求不相適應(yīng)。近年來，隨著水稻節(jié)水灌溉技術(shù)研究不斷深入，我國主要水稻種植區(qū)開展了大量的水稻需水規(guī)律研究[1-5]，為當(dāng)?shù)厮Y源有效管理提供了基礎(chǔ)依據(jù)。云南省水稻需水研究起步較晚，目前仍以經(jīng)驗公式計算或調(diào)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(guī)律與平原地區(qū)的差異也有待進(jìn)一步驗證。云南地形地貌復(fù)雜，氣候類型多樣，水分分區(qū)包括濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)三類[13]，其中半濕潤區(qū)水稻種植面積大、分布廣，本文在該區(qū)域內(nèi)的大理、建水、硯山開展水稻需水規(guī)律試驗研究，以期為本地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水減排和水資源優(yōu)化配置、高效利用提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

云南半濕潤區(qū)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(qū)[13]，該區(qū)域是云南省主要經(jīng)濟(jì)區(qū)，人口集中，耕地連片，農(nóng)作物以水稻、玉米、烤煙、蔬菜等為主。研究區(qū)屬半濕潤亞熱帶季風(fēng)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(qū)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(zhèn)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(zhèn)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(xiāng)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(shè)計

每個試驗點均為傳統(tǒng)的淹水灌溉模式，分別設(shè)置3個重復(fù)。所選試驗點周邊大面積種植水稻，試驗小區(qū)設(shè)于田間，小區(qū)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(shè)置2.0 m保護(hù)帶。各試驗點田間長期有水，水層控制標(biāo)準(zhǔn)相同(表1)。

表1 試驗點田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)

小區(qū)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(jìn)行校驗，灌水和排水開始及結(jié)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(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素。

各試驗點所采用的農(nóng)藝措施為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常用的方式，一般插秧時施基肥，分蘗前期和拔節(jié)孕穗期各追肥1次。

2.2 數(shù)據(jù)處理

試驗小區(qū)有水期間水層深度按24段整點摘錄，以8：00為日分界統(tǒng)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(jié)束時補(bǔ)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(tǒng)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(fēng)速、日照時數(shù)。

2.3 蒸發(fā)蒸騰量計算

2.3.1 實際蒸發(fā)蒸騰量計算

各試驗點的水稻蒸發(fā)蒸騰量(ETc)取3個小區(qū)的平均值，各生育階段逐日蒸發(fā)蒸騰量之和即為該生育期的蒸發(fā)蒸騰量，各生育期蒸發(fā)蒸騰量之和即為該年度水稻的總蒸發(fā)蒸騰量。有水層時，小區(qū)的水稻蒸發(fā)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(fā)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(fā)蒸騰量采用補(bǔ)水法計算，公式為：

ETg=hbg-hag+Pg+m

(2)

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

2.3.2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算

參考作物蒸發(fā)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(shù)Kc為水稻蒸發(fā)蒸騰量ETc與水稻某生育期對應(yīng)的參考作物蒸發(fā)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(shù)；ETc為水稻某生育期蒸發(fā)蒸騰量，mm；ET0為水稻某生育期對應(yīng)的參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量

依據(jù)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(yīng)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(xiàn)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(xiàn)反彈，系因當(dāng)年8月出現(xiàn)連續(xù)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(fēng)速、平均相對濕度過程線(如圖1)。由圖1可見，試驗區(qū)5月雨季尚未到來，降水量小、風(fēng)速大、相對濕度小，6月起隨著雨季來臨，降水量增大、風(fēng)速減小、濕度逐漸增大，從而導(dǎo)致水稻全生育期ET0隨生育期呈逐漸減小的過程，這一規(guī)律與試驗區(qū)的高原季風(fēng)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(fēng)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(fēng)速5月最大，之后逐漸減??；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(qū)，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(fēng)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(fā)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??；大理2016年最大值出現(xiàn)在乳熟期，2017年最大值出現(xiàn)在抽穗開花期，2015年最大值出現(xiàn)在分蘗期[12]，即水稻本田期日均蒸發(fā)蒸騰量一般表現(xiàn)為前期逐漸增大，至抽穗開花期達(dá)最大值，之后逐漸減小，黃熟期最小，但大理水稻日均蒸發(fā)蒸騰量最大值分蘗期、抽穗開花期、乳熟期均可能出現(xiàn)。水稻移栽后根系逐漸發(fā)育、分蘗增加、葉片增多，至抽穗開花期生長速度呈加快的態(tài)勢，之后籽粒結(jié)實、莖葉生長緩慢直至枯黃，生長速度逐漸減慢，日均蒸發(fā)蒸騰量變化與水稻各生育期的生長規(guī)律相符，即生長旺盛期的蒸發(fā)蒸騰量大，至黃熟期已基本停止生長，蒸發(fā)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(shù)據(jù)，計算得不同保證率6-9月降水量，與試驗點降水量進(jìn)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(yīng)。

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(shù)

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(jié)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(qū)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(dá)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(guī)律與大理2015年一致[12]，與貴州省修文縣中心試驗站常規(guī)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(shù)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(chǔ)Kc(1.05、1.2、0.6～0.9)也存在一定出入，表現(xiàn)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(xiàn)為從南向北減小的態(tài)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(guān)，與水稻品種也有關(guān)系。

圖2 試驗點水稻作物系數(shù)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(jié)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(fēng)氣候的影響，試驗區(qū)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(xiàn)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(qū)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(dǎo)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(dāng)月降水量的51%，可見同一試驗點的降水年內(nèi)分布差異也較大。表明研究區(qū)地形地貌復(fù)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(tǒng)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(fā)蒸騰量等水量平衡要素，結(jié)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(qū)地處低緯度高原季風(fēng)氣候區(qū)，一般6月上旬進(jìn)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(jìn)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(qū)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(jié) 語

本文通過對云南半濕潤區(qū)的大理、建水和硯山水稻需水規(guī)律進(jìn)行試驗研究，得到以下結(jié)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(fù)雜地形地貌的影響，水稻生育期參考作物日均蒸發(fā)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(qū)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(xiàn)。

(3)水稻全生育期作物系數(shù)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(shù)與氣象因素、水稻品種有關(guān)，大理粳稻的作物系數(shù)較建水、硯山秈稻的作物系數(shù)小。

(4)試驗區(qū)降水量對水稻蒸發(fā)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(yīng)盡量與雨季同步，可充分利用降水灌溉，節(jié)約水資源。

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