云南半湿润区水稻需水规律试验研究

段琪彩，黄 英，韩焕豪，王树鹏，张 雷

(1.云南省水利水电科学研究院，昆明 650228；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 4030072)

0 引 言

云南是我国水稻种植大省，种植历史悠久，分布广泛。水稻种植一般采取传统的淹水灌溉模式，用水量、退水量均较大，与目前加强环境保护、节水减排的时代发展要求不相适应。近年来，随着水稻节水灌溉技术研究不断深入，我国主要水稻种植区开展了大量的水稻需水规律研究[1-5]，为当地水资源有效管理提供了基础依据。云南省水稻需水研究起步较晚，目前仍以经验公式计算或调查分析为主，通过灌溉试验深入研究的成果相对较少[6-12]，加之云南独特的低纬度高原立体气候特征，水稻需水规律与平原地区的差异也有待进一步验证。云南地形地貌复杂，气候类型多样，水分分区包括湿润区、半湿润区和半干旱区三类[13]，其中半湿润区水稻种植面积大、分布广，本文在该区域内的大理、建水、砚山开展水稻需水规律试验研究，以期为本地区农业节水减排和水资源优化配置、高效利用提供借鉴。

1 研究区概况

云南半湿润区包括滇中的大理、丽江、楚雄、昆明、玉溪、红河和滇东曲靖以及滇东南文山、滇东北昭通、滇西保山的局部地区[13]，该区域是云南省主要经济区，人口集中，耕地连片，农作物以水稻、玉米、烤烟、蔬菜等为主。研究区属半湿润亚热带季风气候，寒暑适中，气候温和，可分为干湿两季，降水主要集中于7-9月，多年平均降水量在800～1 100 mm之间，多年平均气温在15～18 ℃之间，气温年差较小、日差较大。研究区种植一季中稻，5月下旬插秧，9月底至10月上旬收割，生长期正直降水丰沛期，可充分利用天然降水作为水稻耗水。

大理试验点(100°07′E、25°53′N)位于大理市喜洲镇仁里邑村，属澜沧江流域，海拔1 971 m 。建水试验点(102°50′E、23°56′N)位于建水县曲江镇小山村，属南盘江流域，海拔1 344 m。砚山试验点(103°45′E、23°37′N)位于砚山县阿舍乡阿舍村，属南盘江流域，海拔1 400 m。试验时间为2016年和2017年两个水稻全生育期。大理水稻品种为楚粳28，属粳稻；建水为宜香3003，砚山为宜香4245，属籼稻。

2 研究方法

2.1 试验设计

每个试验点均为传统的淹水灌溉模式，分别设置3个重复。所选试验点周边大面积种植水稻，试验小区设于田间，小区并行排列，面积60 m2(10 m×6 m)，田埂采取深埋塑料薄膜包裹方式隔水，外围设置2.0 m保护带。各试验点田间长期有水，水层控制标准相同(表1)。

表1 试验点田间水层控制标准

小区水层深度采用HOBO自记水位计记录，并辅以人工8∶00定时观测进行校验，灌水和排水开始及结束时刻增加人工观测。田间渗漏安装测渗筒，采用人工8∶00定时观测。各试验点安装INSENTEK云智能气象站，用以观测降水、太阳辐射、气温、气压、相对湿度、风速、风向等气象要素。

各试验点所采用的农艺措施为当地农民常用的方式，一般插秧时施基肥，分蘖前期和拔节孕穗期各追肥1次。

2.2 数据处理

试验小区有水期间水层深度按24段整点摘录，以8：00为日分界统计日平均水层深度；黄熟期通过落干起止时刻水层深度和落干结束时补充的水量计算土壤含水变化量。各次灌水量和排水量通过灌(排)水起止时刻水层深度计算。气象要素按24段整点摘录，以8：00为日分界，统计日降水量、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日平均风速、日照时数。

2.3 蒸发蒸腾量计算

2.3.1 实际蒸发蒸腾量计算

各试验点的水稻蒸发蒸腾量(ETc)取3个小区的平均值，各生育阶段逐日蒸发蒸腾量之和即为该生育期的蒸发蒸腾量，各生育期蒸发蒸腾量之和即为该年度水稻的总蒸发蒸腾量。有水层时，小区的水稻蒸发蒸腾量通过水量平衡方程计算，公式为：

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

(1)

式中：ETdi为第i日蒸发蒸腾量；hi为第i日平均田面水层深度；hi+1为第i+1日平均田面水层深度；Pi为第i日降水量；mi为第i日灌水量；ci为第i日排水量；fi为第i日渗漏量。单位均以mm计。

落干期田面无水层，此时渗漏量很小忽略不计，落干期间蒸发蒸腾量采用补水法计算，公式为：

ETg=hbg-hag+Pg+m

(2)

式中：ETg为落干期蒸发蒸腾量；hgb为落干前田面水层深度；hag为落干结束后灌水达到水位稳定时田面水层深度；Pg为落干期间的降水量；m为落干结束后灌水量。单位均以mm计。

2.3.2 参考作物蒸发蒸腾量计算

参考作物蒸发蒸腾量(ET0)按FAO推荐的Penman-Monteith公式计算[14]。水稻某生育期作物系数Kc为水稻蒸发蒸腾量ETc与水稻某生育期对应的参考作物蒸发蒸腾量ET0之比，计算公式为：

(3)

式中：Kc为水稻某生育期作物系数；ETc为水稻某生育期蒸发蒸腾量，mm；ET0为水稻某生育期对应的参考作物蒸发蒸腾量，mm。

3 结果与分析

3.1 参考作物蒸发蒸腾量

依据气象资料，利用Penman-Monteith公式[14]计算大理、建水、砚山试验点2016年和2017年水稻各生育期对应的ET0，如表2所示。

由表2可见，各试验点水稻本田全生育期参考作物日均ET0在3.6～4.6 mm之间，各生育期中最大值为建水2016年返青期5.1 mm，最小值为砚山2016年黄熟期2.9 mm，极值比为1.8。各生育期日均ET0一般表现为返青期最大，黄熟期最小，总体随生育期呈逐渐减小的变化过程。大理2016年抽穗开花期和乳熟期日均ET0出现反弹，系因当年8月出现连续高温天气所致。

表2 水稻生育期日均ET0

绘制大理、建水水稻全生育期降水量、平均气温、平均风速、平均相对湿度过程线(如图1)。由图1可见，试验区5月雨季尚未到来，降水量小、风速大、相对湿度小，6月起随着雨季来临，降水量增大、风速减小、湿度逐渐增大，从而导致水稻全生育期ET0随生育期呈逐渐减小的过程，这一规律与试验区的高原季风气候特点相符。由图1还可看出，大理和建水水稻生育期主要气象要素中的降水量、平均气温、平均风速、平均相对湿度变化过程基本一致，降水主要集中于8-9月；平均气温6月最高，之后逐渐降低；平均风速5月最大，之后逐渐减小；相对湿度5月最小，之后逐渐增大。虽然大理和建水同属半湿润区，降水量接近，但建水位置偏南、海拔偏低，气温较大理明显偏高，平均风速较大理偏小，相对湿度较大理略偏大，表明两地水稻生育期影响ET0的主要气象要素存在一定差异，建水ET0较大理略偏大符合实际。

图1 水稻生长期气象要素变化

3.2 水稻实际蒸发蒸腾量

按式(1)～式(2)计算大理、建水、砚山试验点2016年和2017年度水稻各生育期ETc，如表3所示。由表3可见，试验点两年水稻全生育期日均ETc在4.1～5.1 mm之间，各生育期中最大值为建水2017年抽穗开花期5.7 mm，最小为砚山2016年黄熟期3.0 mm，极值比为1.9。各生育期中，建水和砚山抽穗开花期最大，黄熟期最小；大理2016年最大值出现在乳熟期，2017年最大值出现在抽穗开花期，2015年最大值出现在分蘖期[12]，即水稻本田期日均蒸发蒸腾量一般表现为前期逐渐增大，至抽穗开花期达最大值，之后逐渐减小，黄熟期最小，但大理水稻日均蒸发蒸腾量最大值分蘖期、抽穗开花期、乳熟期均可能出现。水稻移栽后根系逐渐发育、分蘖增加、叶片增多，至抽穗开花期生长速度呈加快的态势，之后籽粒结实、茎叶生长缓慢直至枯黄，生长速度逐渐减慢，日均蒸发蒸腾量变化与水稻各生育期的生长规律相符，即生长旺盛期的蒸发蒸腾量大，至黄熟期已基本停止生长，蒸发蒸腾量最小。

表3 水稻生育期日均ETc

由大理气象站和建水气象站长系列(50年以上)降水量数据，计算得不同保证率6-9月降水量，与试验点降水量进行比较，成果见表4。由表4可见，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%)，建水接近偏丰水年(P=25%)，两年的降水量接近，但ETc的变化并不完全一致，建水的日均ETc值两年较接近，大理的日均ETc值2017年略偏大，即降水量与日均ETc的变化并不完全对应。

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 水稻作物系数

按式(3)计算大理、建水、砚山试验点2016年和2017年水稻本田全生育期Kc，试验点各生育期水稻Kc在1.06～1.16之间，平均值返青期为0.93，分蘖期为1.04，拔节孕穗期为1.17，抽穗开花期为1.24，乳熟期为1.18，黄熟期为1.02，其变化过程如图2所示。由图2可见，各试验点水稻Kc随生育期呈单峰型带状分布，相同气候区的水稻Kc变化基本一致，生育前期逐渐增大，抽穗开花期最大，生育后期逐渐减小。水稻本田各生育期中，返青期均小于1.0，之后逐渐增大至抽穗开花期达最大值1.2～1.28，生育后期逐渐减小至黄熟期在1.0左右。Kc变化规律与大理2015年一致[12]，与贵州省修文县中心试验站常规灌溉模式和江西省试验中心站的峰型相同，均为抽穗开花期最大，但各生育期数值存在较大差异，除返青期较接近外，分蘖期之后明显偏小[15]。与FAO推荐的水稻初期、中期、末期基础Kc(1.05、1.2、0.6～0.9)也存在一定出入，表现为生育初期略偏小，中期接近，末期略偏大[15]。试验点水稻本田全生育期Kc位置偏南的砚山最大，偏北的大理最小，表现为从南向北减小的态势。另外，大理水稻品种为茎秆较矮、叶片较窄的粳稻，建水和砚山为植株较高、剑叶长而宽的籼稻，建水与砚山Kc较接近，且较大理略偏大，说明水稻Kc不仅与地理位置有关，与水稻品种也有关系。

图2 试验点水稻作物系数变化

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。从表5可见，2016年和2017年大理灌水量分别为140.0、160.0 mm，建水灌水量分别为445.3、268.2 mm，大理两年的灌水量接近，建水2016年灌水量较2017年明显偏大。各生育期中，返青期和分蘖期需保证各灌水1～3次，灌水量30.0～132.7 mm，灌水定额30.0～50.0 mm；拔节孕穗期至乳熟期降水充沛年份(如大理2017年)可不灌水，降水较少年份(如建水2016年)则需各灌水1～2次，灌水量40.0～105.0 mm，灌水定额40.0～52.5 mm；黄熟期不需灌水。受高原季风气候的影响，试验区灌水高峰并不是水稻生育水分敏感期的抽穗开花期，而是出现在生育前期的返青期至分蘖期，系因为了充分利用光热资源，本地区一般5月下旬插秧，此时雨季尚未到来，降水少，气温高，故灌水量明显增大。

试验的两年中，大理水稻主要生育期6-9月降水量接近偏枯水年(P=75%)，两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异也不大；建水水稻主要生育期6-9月降水量接近偏丰水年(P=25%)，虽然两年的降水年型接近，但全生育期的灌水量差异却较大。虽然两试验点同属半润湿气候，但降水量年际间的差异却较大，从而导致两试验点水稻主要生育期6-9月的降水年型并不相同。另外，大理两年的降水分布较均匀，而建水2016年7-8月降水分布不均匀，7月1日降水量104.6 mm，占当月降水量的51%，可见同一试验点的降水年内分布差异也较大。表明研究区地形地貌复杂，降水时空分布不均匀，水稻灌水量受降水影响明显，时空差异较大。

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

统计2016年和2017年两试验点水稻本田全生育期降水量、灌水量、排水量、蒸发蒸腾量等水量平衡要素，结果见表6。从表6可见，2016年和2017年大理试验点水稻全生育期ETc分别为488.1、558.7 mm，建水分别为637.7、606.8 mm，大理ETc较建水偏小，这与建水位置偏南、海拔较低、气候炎热的实际相符。两试验点水稻本田期降水量2017年较2016年丰沛，大理2017年ETc也随之加大，但建水的ETc却略减小，即降水总量对水稻ETc的影响并不明显。灌排水量方面，大理2016年和2017年的灌水量、排水量均较接近。建水则不同，2016年因降水量偏少且分布不均匀，灌水量、排水量较大；2017年因降水充沛且分布相对均匀，灌水量、排水量均明显减小，即降水量对灌水量和排水量的影响显著。研究区地处低纬度高原季风气候区，一般6月上旬进入雨季，水稻一般5月下旬插秧9月底至10初收割，水稻分蘖后期开始进入雨季，生长旺盛期降水丰沛，天然降水可以得到充分利用，研究区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，水稻种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 结 语

本文通过对云南半湿润区的大理、建水和砚山水稻需水规律进行试验研究，得到以下结论。

(1)水稻生育期日均ET0在3.6～4.6mm之间，返青期最大，黄熟期最小，总体随生育期呈线性减小趋势。受低纬度高原复杂地形地貌的影响，水稻生育期参考作物日均蒸发蒸腾量存在一定差异，建水最大，砚山最小。

(2)水稻全生育期日均ETc在4.1～5.1 mm之间，同属半湿润区的三个试验点水稻本田期日均ETc存在一定的空间差异，建水和砚山抽穗开花期最大，大理最大值分蘖期、抽穗开花期、乳熟期均可能出现。

(3)水稻全生育期作物系数在1.06～1.16之间，过程随生育期呈单峰型变化。水稻作物系数与气象因素、水稻品种有关，大理粳稻的作物系数较建水、砚山籼稻的作物系数小。

(4)试验区降水量对水稻蒸发蒸腾量的影响并不明显，但对灌水量、排水量的影响显著，相近降水年型的灌排水量差异较大。水稻生育期降水利用率在80%以上，占耗水量的70%左右，水稻生育期应尽量与雨季同步，可充分利用降水灌溉，节约水资源。

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