基于涡动观测系统的云南高原农作物观测分析研究

卢晓鹏　刘杨梅　马显莹

(云南省水利水电科学研究院， 云南 昆明　650032)



基于涡动观测系统的云南高原农作物观测分析研究

卢晓鹏刘杨梅马显莹

(云南省水利水电科学研究院， 云南 昆明650032)

本研究基于云南省持续干旱对水资源高效利用的要求以及研究作物需水量规律的重要性，利用当前国际上先进的涡动观测系统，自动观测灌区主要粮食作物生育期各个阶段的需水量及需水强度。以油菜和水稻为研究对象，通过涡动观测设备采集的数据，采用Eddypro软件，计算了油菜和水稻各阶段的需水量，并与灌溉试验站取得的作物需水量资料进行了对比，结果表明：用涡动观测系统计算的油菜和水稻需水量与灌溉试验站试验值十分接近。本研究采用涡动观测系统对云南高原农作物进行的观测分析效果明显，极具应用前景，可为云南省推广应用先进、实用的灌溉试验新技术提供借鉴。

需水量； 涡动观测系统； 油菜； 水稻

我国是世界上水资源极其短缺的国家之一，人均只有 2100m3，仅为世界平均水平的28%，水资源匮乏严重制约着我国经济社会的可持续发展[1]。2009—2012年三年连旱给云南农业生产造成了严重影响。制定相应农作物的节水灌溉制度，对强化用水需求和用水过程管理、严格农田用水总量控制、发展节水农业将具有重要的战略意义。但一直以来云南省在灌溉试验研究方面工作基础薄弱，特别是针对作物需水量的灌溉试验研究甚少，由此引进和推广当前国际上先进的涡动观测系统在云南节水灌溉制度研究中的应用，具有较高的科学应用价值。本研究采用当前国际上先进的涡动观测系统，自动观测灌区主要粮食作物(油菜和水稻)生育期各个阶段的需水量及需水强度[2]。依据作物需水关键期制定楚雄蜻蛉河大型灌区油菜和水稻的节水灌溉制度，为灌区用水管理提供依据。

1　涡动系统观测方法

涡动观测系统依据物理机制，能快速测定风速脉动与水汽通量的脉动值，输出作物实际蒸散量[3]。

1.1观测试验场地概述

通过调研，根据灌区地形、气象条件、农作物种植状况等，布设涡动系统观测点，选择楚雄州的姚安县蜻蛉河大型灌区姚安县栋川镇龙街村委会罗湾村作为涡动观测系统研究项目实施地点。观测试验场地的地理坐标为东经101°12′29.30″，北纬25°32′52″；海拔1819m；土壤为砂质红壤。姚安县多年平均气温15.3℃，多年平均最高气温20.9℃，多年平均最低气温8.6℃，多年平均降雨量770.4mm，多年平均蒸发量2453.4mm，多年平均风速3.5m/s，主风向为西南和偏南。观测试验地土壤基本物理性质及理化性质见表1和表2。

表1　栋川镇龙街村委会土壤基本物理性质

根据全国第二次土壤普查养分级标准，全氮含量较高，属一级；全磷含量属三级；速效钾含量属一级。土壤肥力较好。

表2　栋川镇龙街村委会土壤基本理化性质

1.2涡动观测设备布置

根据灌区地形、气象条件、农作物种植状况等，在云南姚安栋川镇划定试验区域，涡动传感器安装高度2m，传感器接收到的信号大部分来自于距离传感器200m范围内上风方向区域, 传感器一般朝安装区域主风向安装，使在尽可能多的时间内，气流能反映研究区下垫面类型。选择区域的下垫面植被均匀，根据所要监测的源区确定传感器安装地点。安装点尽量远离房屋、树木及车流较多的公路、水塘。设备占地约20m2。

1.3观测设计

将涡动观测系统、波文比系统、雨量观测系统组合，实现作物需水量的自动监测。

对姚安县当地种植规模较大的两种农作物类型(油菜和水稻)进行观测。在种植农作物区域，选取13.33hm2(200亩)种植地块作为涡动观测项目的观测对象。在楚雄蜻蛉河灌区实施点大田采集土壤样品，分析农田土壤理化性质，收集灌区现有地形、水文气象、灌溉制度、农业气象、农业耕作制度等基础资料。

对油菜及水稻进行涡动观测系统数据采集。通过观测资料，分析油菜、水稻生育期作物需水量，总结涡动观测系统在油菜、水稻灌溉试验中的应用技术及经验[4]。

1.4观测项目

本项目引进了以CR1000为核心的数据采集器及存储系统。用以观测温度、水汽压、湿度、波文比，净辐射、太阳总辐射、大气压力平均值，显热通量、风速协方差、平均值、CO2通量、潜热通量等；用EC150传感器观测水平风速、垂直风速、超声虚温、CO2质量密度、H2O质量密度、气体分析仪诊断值、大气温度压力等涡动原始数据。

1.4.1气象资料

采用云南省水利水电科学研究院在田间安装的涡动系统观测试验期内的降雨及其他气象指标。

1.4.2通量数据测定

涡动系统实际运行中，超声风速仪高频响应三维风速(ux、uy、uz)和虚温(Ts)，CO2/H2O分析仪高频响应CO2和H2O，数据采集器实时采集这些变量数据，并对其做同步处理，之后在线计算得到显热通量、潜热(水汽)通量、CO2通量、动量通量及摩擦风速，以及这些数据所需的协方差/均值等，并将计算结果保存在数据采集单元，与此同时，各种高频变量的原始数据也会保存在数据采集单元中，从而获得理想的通量数据。

1.4.3植株性状指标

以油菜和水稻为观测对象，在观测期内，对株高进行观测与记录。研究灌溉条件下植株生长状况。对油菜和水稻收获前，晾干后称其重量。2015年油菜产量每亩310kg，水稻产量每亩730kg。

1.4.4土壤含水率和土壤温度

采用仪器直接测定土壤含水率和土壤温度。观测深度为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm。

1.5数据处理

试验所得数据用Eddypro等软件进行计算、整理和统计分析。

人民一直是社会主义事业建设的主体力量，习总书记在十九大报告中强调要依靠人民群众创造历史伟业。这一人民群众的范畴内蕴含着为社会主义建设贡献力量的所有集体，即依靠他们进行社会主义政治、经济、文化、生态、社会建设。新时代下，社会主义现代化经济体系的建立、社会主义民主政治的发展、社会主义文化的繁荣兴盛、社会治理的创新以及美丽中国的建设，都离不开人民群众主体性和能动性的发挥。因而，重视并坚持人民主体地位是中国特色社会主义事业持续推进的应有之义。

2　观测结果分析

2.1降雨情况

2015年1月1日至12月30日观测期内共计降雨74次，降雨771.7mm。观测期内7—10月降雨量占总观测期降雨量的81%，其余月份降雨量则明显偏少，植株对灌溉要求迫切。

2.2涡动观测数据分析

2015年1月31日—5月10日对油菜进行涡动观测系统数据采集；2015年5月20日至9月21日对水稻进行涡动观测系统数据采集。试验所得数据用Eddypro软件进行计算、整理，得出相关成果资料[5]。

2.2.1油菜观测数据分析

油菜蕾薹期1月12日—2月6日，观测期内日平均气温为277.2～285.9K(4.1～12.8℃)，气压日平均值为80957.57～81703.5Pa，风速为0.8～3.1m/s，太阳总辐射平均值为29.3～217.8W/m2。

油菜开花期2月6日—3月12日，观测期内日平均气温为281.9～292.4K(8.8～19.3℃)，气压平均值为80740.1～81387.7Pa，风速为1.3～4.3m/s，太阳总辐射平均值为170.7～264W/m2。

油菜成熟期3月12日—4月20日，观测期内日平均气温为284.9～294.5K(11.8～21.4℃)，气压平均值为80957.57～82049.99Pa，风速为0.83～3.91m/s，太阳总辐射平均值为134.4～292.3W/m2[6]。

2.2.2水稻观测数据分析

水稻分蘖期6月1—25日，观测期内日平均气温为292.5～298.8K(19.4～25.7℃)，气压平均值为80446.6～81185.3Pa，风速为1.53～3.76m/s，太阳总辐射平均值为95.2～320.6W/m2。

水稻拔节期6月25日—7月8日，观测期内日平均气温为291.1～297.5K(18.0～24.4℃)，气压平均值为80455.9～80968.5Pa，风速为0.98～3.66m/s，太阳总辐射平均值为77.6～304.3W/m2。

水稻孕育期7月8日—8月4日，观测期内日平均气温为290.1～296.7K(17.0～23.6℃)，气压平均值为80642.1～81222.5Pa，风速为0.57～2.44m/s，太阳总辐射平均值为53.2～289.5W/m2。

水稻灌浆期8月4—30日，观测期内日平均气温为290.9～295.4K(17.8～22.3℃)，气压平均值为80866.6～81499.5Pa，风速为0.45～2.44m/s，太阳总辐射平均值为70.2～218.8W/m2。

2.3作物需水量分析

通过观测资料，分析油菜及水稻生育期作物需水量，总结涡动观测系统在油菜、水稻灌溉试验中的自动观测应用技术和经验[7]。

2.3.1油菜开花期需水量分析

涡动系统观测所得数据用Eddypro软件进行计算、整理和统计分析，得出2015年油菜开花期2月6日至3月12日作物日需水量(日蒸散ET值)，见表3。

表3　油菜开花期需水量

数据表明：油菜开花期作物日需水量为1.76～3.38mm，开花期作物日平均需水量为2.48mm，开花期需水量为86.87mm。据《中国主要作物需水量与灌溉》灌溉试验站资料汇总分析，油菜需水量高峰发生在开花期，在开花期作物日需水量为1.8～3.4mm，平均日需水量为3.14mm[8]。结果表明：用涡动系统观测计算的油菜需水量与灌溉试验站取得的油菜需水量是十分接近的，在种植条件相似的情况下，两者差别不大。油菜在科学合理的灌溉制度指导下，更有利于生长和发育。

2.3.2水稻需水量分析

涡动系统观测所得数据用Eddypro软件进行计算、整理和统计分析，得出2015年水稻分蘖期6月1—25日作物日需水量(日蒸散ET值)，见表4。

表4　水稻分蘖期需水量

数据表明：水稻分蘖期作物日需水量为3.05～6.41mm，分蘖期作物日平均需水量为4.16mm，分蘖期需水量为103.95mm。据《中国主要作物需水量与灌溉》灌溉试验站资料汇总分析，并按水稻生育期分别计算西南地区38个站点水稻各生育阶段需水量，云南地区水稻分蘖期需水量为107mm[9]。结果表明：用涡动系统观测计算的水稻需水量与灌溉试验站及站点计算取得的水稻需水量是十分接近的，在种植条件相似的情况下，两者差别不大。水稻在科学合理的灌溉制度指导下，更有利于生长和发育。

3　结　论

采用当前国际上先进的涡动观测系统，自动观测云南省蜻蛉河大型灌区主要粮食作物(油菜和水稻)生育期各个阶段的需水量及需水强度，总结涡动观测系统的应用方法和经验，为云南省推广应用先进实用的灌溉试验新技术提供借鉴，为云南省灌区水利工程规划设计及农田用水管理提供科学依据[10]。

a.将涡动观测系统、波文比系统、雨量观测系统组合，实现作物需水量的自动监测，解决人工测坑耗时费力以及数据代表性不足的缺点。

b.对项目区2015年油菜和水稻进行涡动观测系统数据采集，通过观测资料，可直接计算油菜和水稻生育期作物需水量。

c.油菜开花期作物日需水量为1.76～3.38mm，开花期作物日平均需水量为2.48mm，开花期需水量为86.87mm。用涡动系统观测计算的油菜需水量与灌溉试验站取得的油菜需水量是十分接近的[11-12]。

d.水稻分蘖期作物日需水量为3.05～6.41mm，分蘖期作物日平均需水量为4.16mm，分蘖期需水量为103.95mm。用涡动系统观测计算的水稻需水量与灌溉试验站及站点计算取得的水稻需水量是十分接近的。

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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

水利部引进国际先进水利科学技术计划项目“基于涡动观测系统的云南高原农作物节水灌溉制度研究”(201430)。

S-3

A

2096- 0131(2016)03- 0068- 04