云南省典型區(qū)水稻作物系數(shù)及其變化規(guī)律

王樹鵬，段琪彩，韓煥豪，黃 英

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shù)-參考作物蒸發(fā)蒸騰量法[1]，其中參考作物蒸發(fā)蒸騰量可依據(jù)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到[2]，因此作物系數(shù)成為該方法中的關(guān)鍵參數(shù)[3]。而現(xiàn)采用的作物系數(shù)Kc多來自于FAO推薦，并非在云南實(shí)地觀測所得，且加之云南地處低緯高原，立體氣候突出，F(xiàn)AO推薦的Kc在該地區(qū)的適用性有待驗(yàn)證。雖然我們曾在建水和大理兩地進(jìn)行了水稻需水量試驗(yàn)并得到了這兩個(gè)地區(qū)的水稻Kc[4]，但這兩個(gè)地區(qū)的Kc并不能代表整個(gè)云南不同氣候區(qū)的水稻Kc。為此，本文在云南不同水稻種植和氣候典型區(qū)設(shè)立灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)，基于試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)建立田間水量平衡關(guān)系[5]，分析計(jì)算水稻需水量ETc[6]進(jìn)而推求各典型區(qū)水稻Kc[7]，并研究其在區(qū)域的時(shí)空變化規(guī)律，以期能為今后云南各地的水稻ETc計(jì)算提供重要參考和支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

根據(jù)云南農(nóng)業(yè)氣候條件和水稻種植情況，選擇大理、建水、硯山(平遠(yuǎn))、騰沖、勐海、麗江(古城區(qū))、陸良、盈江等8個(gè)縣市典型區(qū)，分別設(shè)置水稻灌溉試驗(yàn)觀測站點(diǎn)，開展水稻淹水灌溉試驗(yàn)觀測工作，歷時(shí)2016-2018年，共3年(部分站點(diǎn)不滿3年)。典型區(qū)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(qū)，不適宜種植水稻。金沙江、怒江、紅河河谷等北熱帶氣候區(qū)因干熱缺水也很少種植水稻，所選試驗(yàn)站點(diǎn)具有一定的代表性。站點(diǎn)基本情況如表1、表2及圖1所示。

表1 各灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)基本情況表Tab.1 The information of each irrigation test site

表2 各灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)縣市區(qū)域特征表Tab.2 The regional characteristics of each irrigation test site

注：糧食播種等數(shù)據(jù)來自2015年云南統(tǒng)計(jì)年鑒，降水量、氣溫均為多年平均。

圖1 試驗(yàn)站點(diǎn)布設(shè)區(qū)位圖Fig.1 The location map of test sites

1.2 試區(qū)建設(shè)及處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)選在當(dāng)?shù)亻L期種植水稻的田塊上建設(shè)且并行排列。每個(gè)小區(qū)面積60 m2(10 m×6 m)，外圍設(shè)置2.0 m寬保護(hù)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(dāng)調(diào)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(yàn)小區(qū)設(shè)置人工觀測直立式水尺、深層滲漏觀測筒及水位計(jì)井。具體布設(shè)如圖2所示。各站點(diǎn)均設(shè)置3個(gè)小區(qū)，均進(jìn)行傳統(tǒng)的淹水灌溉，淹水灌溉水層控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

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

圖2 試驗(yàn)站點(diǎn)小區(qū)布設(shè)圖(單位：m)Fig.2 The plot layout of test site

1.3 觀測內(nèi)容及方法

(1)水量平衡要素。田面水位：水位計(jì)井內(nèi)放置HOBO自記水位計(jì)[8]，水位計(jì)記錄頻率設(shè)置為1 h；同時(shí)記錄試驗(yàn)點(diǎn)空氣氣壓，通過空氣中水位計(jì)氣壓與水下水位計(jì)的壓力差計(jì)算各小區(qū)水深。為提高觀測精度輔以人工每天8∶00定時(shí)觀測水尺讀數(shù)，對自記水位計(jì)水深進(jìn)行校驗(yàn)。

田間滲漏：每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)安裝田間滲漏筒1個(gè)，人工8∶00定時(shí)觀測，時(shí)間間隔3～5 d。

灌水量：當(dāng)田面水層下降到適宜水層深度下限時(shí)，由供水系統(tǒng)向各小區(qū)灌水，至水位上限時(shí)停止，記錄灌水起止田間水深。灌水系統(tǒng)分為有水表和無水表兩種情況，有水表的試驗(yàn)點(diǎn)灌水量直接由水表讀取，未安裝水表的試驗(yàn)點(diǎn)灌水量通過灌水前后田間水層深度之差計(jì)算。

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

(2)氣象要素觀測。通過安裝在試驗(yàn)小區(qū)旁的智能氣象站自動記錄，記錄頻率設(shè)置為1 h，觀測項(xiàng)目包括降水、氣溫、氣壓、相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向。

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

1.4 計(jì)算方法

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

(1)

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

(2)水稻需水量ETc。當(dāng)?shù)咎飪?nèi)有水層時(shí)，小區(qū)的水稻ETc通過水量平衡方程計(jì)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(jì)。

當(dāng)?shù)咎锾锩鏌o水層時(shí)，此時(shí)滲漏量很小忽略不計(jì)，落干期間ETc采用補(bǔ)水法計(jì)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(jié)束后灌水達(dá)到水位穩(wěn)定時(shí)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(jì)。

(3)水稻作物系數(shù)Kc。水稻生育期作物系數(shù)Kc為水稻生育期ETc與對應(yīng)的ET0之比，計(jì)算公式為：

Kc=ETc/ET0

(4)

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

2 結(jié)果與分析

2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0

根據(jù)2016-2018年氣象觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合同期區(qū)域氣象有關(guān)資料，按式(1)分析計(jì)算各試驗(yàn)站點(diǎn)參考作物各生育期蒸發(fā)蒸騰量ET0，結(jié)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(yàn)站點(diǎn)不同生育期ET0 mm

續(xù)表4 各灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)不同生育期ET0 mm

表5 各灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)不同生育期水稻ETc mm

2.3 水稻作物系數(shù)Kc

根據(jù)各試驗(yàn)站點(diǎn)水稻生育期參考作物ET0和水稻各生育期ETc，按式(4)計(jì)算，推求得出各試驗(yàn)站點(diǎn)不同生育期的水稻作物系數(shù)Kc，結(jié)果見表6。

由各灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)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(qū)試驗(yàn)站點(diǎn)的水稻Kc值與FAO推薦的水稻初期、中期、末期基礎(chǔ)Kc(1.0、1.15、0.7～0.45)存在一定差異。表現(xiàn)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(jié)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(guī)律

各站點(diǎn)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(guī)律有如下幾個(gè)特點(diǎn)。(1)從時(shí)間變化來看，各灌溉試驗(yàn)站點(diǎn)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(guī)律性表現(xiàn)，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(dá)最大值、生育后期黃熟期逐漸減小。同時(shí)，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(dá)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(yàn)站點(diǎn)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(guān)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(guī)律性，主要受局部小氣候的影響，滇西南、滇東南濕潤氣候區(qū)的盈江、勐海、硯山偏大，滇中濕潤、半濕潤氣候區(qū)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(qū)的麗江、騰沖偏小。同時(shí)，各區(qū)Kc值隨海拔升高而減小，其中滇西和滇南地區(qū)降幅較快，滇中和滇東南降幅較緩，其他地區(qū)則表現(xiàn)為東部、北部Kc值較中部略偏大，呈交互錯(cuò)雜表現(xiàn)，與海拔之間的關(guān)系并不密切。

(3)從年際變化來看，試驗(yàn)幾年中云南省典型區(qū)淹水灌溉模式下，各試驗(yàn)點(diǎn)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(jié) 論

(1)云南省各典型區(qū)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(guī)律性表現(xiàn)；空間差異性沒有明顯規(guī)律，濕潤、半濕潤氣候區(qū)略偏大，溫涼氣候區(qū)稍偏小；隨海拔升高而減小，與海拔之間的關(guān)系并不密切；試驗(yàn)幾年同區(qū)Kc值較接近，年際變化不大。

(2)各區(qū)水稻Kc值實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可按云南省六個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)13個(gè)亞區(qū)對應(yīng)的本次試驗(yàn)站點(diǎn)分布區(qū)域參考取值，如滇中區(qū)Ⅰ-2區(qū)1.06～1.08、Ⅰ-3區(qū)1.11～1.13、Ⅰ-4區(qū)1.16，滇東南區(qū)Ⅱ-2區(qū)1.14～1.16，滇西南區(qū)Ⅲ-2區(qū)1.17～1.18，滇西北區(qū)Ⅳ區(qū)1.13；其余未涉及分區(qū)范圍應(yīng)用可暫時(shí)參考相近氣候條件試驗(yàn)站點(diǎn)取值。