抽穗期灌溉缓解水稻高温热害的微气象学分析

江晓东，华梦飞，胡 凝，杨沈斌，郭建茂

(南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)

在全球变暖背景下，近100年来中国年平均地表气温升高0.5～0.8 ℃，高于全球平均水平[1]，气候变化导致高温热害事件发生频率增强，对作物生产造成严重影响[2]。当日平均气温≥30 ℃或日最高气温≥35 ℃的天气持续3 d以上，水稻的就会发生高温热害[3]。研究表明，高温胁迫下，水稻叶片气孔关闭，光合能力下降[4,5]，灌浆有效时间和同化产物的累积量减少，空粒、秕粒数增加，千粒重降低[6]，花粉形成数量及花粉的活力降低，水稻结实率下降，最终导致水稻减产[7,8]。高温热害是我国长江中下游水稻生产常见的农业气象灾害[9-11]，严重制约水稻高产稳产。2003年高温热害导致安徽旌德县水稻空壳率高达27.2%～52.8%[12]；2006年高温热害导致安徽江淮地区水稻结实率低于72%[13]；2013年高温热害使淮安市水稻受害面积达37 300 hm2，16 700 hm2以上田块减产40%，7 650 hm2田块几乎绝收[14]。

灌溉是抵御水稻高温热害的有效措施，宋忠华等[15]研究表明，高温天气期间灌水能减少稻田日平均温度≥30℃或最高温度≥35℃的天数，减少高温对水稻的危害；张彬等[16]研究表明，灌溉深度越大，冠层降温越显著；段骅等[17]研究却表明，抽穗灌浆期高温胁迫下，轻干湿交替灌溉处理的水稻冠层温度与水层灌溉处理无显著差异。可见不同的灌溉措施对稻田高温热害的缓解效果存在争议。近年来，水稻节水灌溉技术由于节水和增产明显而在全国大范围推广，稻田的“浅、湿、晒结合”、“间歇淹水”是主要的技术环节[17～19]，但在高温热害发生过程中节水灌溉是否能够缓解水稻的高温热害，有待于进一步研究。

植被冠层能量平衡是耦合土壤-植被-大气的基本物理过程。植被冠层所截获的太阳辐射，除了极小部分用于光合作用以外，其余都消耗于潜热、显热和土壤热通量等。能量平衡方程中各分量的分配特征可以为稻田中的热量流动提供可靠的理论依据[20,21]。研究表明，温度变化会影响稻田中的水热环境和蒸散[22]，随着气温和净辐射的增加，潜热通量、显热通量和土壤热通量都呈上升趋势[23]，其中潜热所占的比例最大[24,25]。潜热为稻田的主要耗散项[26]，主要由水稻蒸腾和稻田水面蒸发两部分组成，与水稻的冠层温度和生理过程密切相关，也和稻田灌溉方式密切相关，因此研究不同灌溉方式对能量分配的影响就显得尤为重要。

虽然众多学者对灌溉抵御高温的效果做了广泛研究，但从能量平衡的角度揭示灌溉抵御高温机理的研究鲜有报道。为此，我们在水稻抽穗期水稻高温热害发生过程中，对稻田进行水层覆盖和无水层覆盖处理，以期通过能量平衡的角度揭示灌溉对水稻高温热害影响的机理，为预防水稻高温热害、提高农业生产水平提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2016年在江苏省南京市南京信息工程大学农业气象试验站(32.2°N，118.7°E)进行。供试水稻品种为“两优培九”(杂交籼稻)。播种期为4月15日，大田湿润育秧，秧龄30 d，5月15日移栽，9月28日成熟收获。水稻移栽密度为23 穴/m2，每穴1苗，株距17 cm，行距26 cm。

为研究不同灌溉方式对水稻高温热害的缓解效果，在2016年8月12-20日高温热害发生期间(图1)开展了田间试验，此时期正值水稻抽穗开花期。试验共设置2个处理：T1为在高温热害发生时将田间水层排干，当0～10 cm土层含水量到达至田间持水量的70%时，在当天18:00进行灌溉，至土壤田间持水量的100%时停止，再落干，如此循环，高温热害过程结束后恢复高产田的水分管理措施；T2为田间保持10 cm水层。每个处理3个重复，小区面积为5 m×5 m。除了进行灌溉处理的时段，稻田在其他时间的水肥和病虫害管理按照高产田进行。

图1 实验期间气象数据

灌溉期间，气温和相对湿度由温湿度记录仪(HOBO U23-001，Onset，USA)记录，观测高度为水稻冠层内40 cm(水稻植株高度1/3处)、80 cm(水稻植株高度2/3处)和120 cm(水稻植株高度顶端)。水层温度和土壤温度由温度记录仪(HOBO U23-003，Onset，USA)记录，观测高度为水深5 cm和土层深度0、5、10和20 cm。风速和环境温度由自动气象站(U30-NRC，Onset，USA)记录。冠层上方的太阳总辐射及净辐射由四分量净辐射传感器(CNR4，Kipp&Zonen，NED)获取，观测高度为150 cm，土壤热通量(-5.0 cm)由热通量板(HFT03，Campbell Scientific，USA )获取。观测数据由数据采集器(CR3000，Campbell Scientific，USA)自动采集，采集频率为1 Hz，输出为半小时平均值。试验期间的气象数据见图1，从图1中可以看出，在8月12日-20日期间，试验田环境日最高气温在35.9～37.3 ℃之间变动，日平均气温在31.4～33.0 ℃之间变动，水稻遭受严重的高温热害[3]。

1.2 能量平衡的计算方法

能量平衡通过收入能量与支出能量的差值计算得出，即[27]

Rn=H+LE+Q+G

(1)

式中：Rn为水稻冠层所接收的净辐射，W/m2，由净辐射传感器直接测量；LE为水稻冠层和空气之间的潜热交换，W/m2；H为水稻冠层和空气之间的显热交换，W/m2；Q为水体含热量的变化，W/m2；G为土壤热通量，W/m2。

显热通量和潜热通量可以根据波文比法求出[28]：

(2)

式中：β为波文比；γ为干湿表常数，取值0.667 hPa/℃；ΔT是两个高度的温度差，℃；Δe是两个高度的水汽压差，hPa。

由式(1)、(2)得出：

H=(Rn-Q-G)·β/(1+β)

(3)

LE=(Rn-Q-G)/(1+β)

(4)

水体含热量的变化可由下式得出[29]：

(5)

式中：Cw为水的比热，J/(kg·K)；ρw为水的密度，kg/m3；Dw为灌水深度，m;Tw为平均水温，℃。

1.3 数据分析

采用Matlab进行数据处理，Excel绘制图表。由于每天的气温变化趋势相同，因此本论文中的气温、土温及能量平衡分量图均为试验期间(8月12-20日)的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉处理对水稻冠层气温的影响

由图2实验期间各层次冠层气温日变化平均值可知，不同处理各层次冠层气温具有相同的日变化特征，且自冠层顶部往下气温逐渐降低。受水层的影响，不同处理稻田各层次冠层气温有明显差异，白天(8∶00-18∶00)各层次冠层气温皆为T1>T2，随高度的降低处理间的差异逐渐增大，冠层各层次不同处理均在13∶00达到日最高气温，在此时差异最明显。在冠层顶部，T1和T2处理的日最高气温分别为36.5 ℃和36.2 ℃，白天平均气温分别为34.6 ℃和34.4 ℃；在植株高度2/3处，T1和T2处理日最高气温分别为34.6 ℃和34.1 ℃，白天平均气温分别为32.2 ℃和31.9 ℃；植株高度1/3处，T1和T2处理日最高气温分别为33.3 ℃和32.7 ℃，白天平均气温分别为31.3 ℃和30.7 ℃。由此可见，在白天T2处理对水稻冠层的降温效果优于T1处理，整个冠层日最高气温和白天平均温度分别比T1处理降低0.5 ℃和0.4 ℃。

图2 不同处理冠层不同高度处气温日变化平均值

2.2 不同灌溉处理对稻田土温的影响

受灌溉处理的影响，不同处理稻田各层次土温有明显差异，随深度的增加，处理间的差异逐渐减小(图3)。0 cm地表温度，T1处理在7∶00达到日最低温度27.4 ℃，T2在8∶00达到日最低温度27.8 ℃，T1处理在14∶00达到日最高温度30.4 ℃，T2处理在15∶00达到日最高温度29.8 ℃；5 cm土温，T1处理在9∶00达到日最低温度27.8 ℃，T2处理在10∶00达到日最低温度27.7 ℃，T1处理在16∶00达到日最高温度29.1 ℃，T2处理在17∶00达到日最高温度28.8 ℃；10 cm土温，T1处理在9∶00达到日最低温度27.5 ℃，T2在10∶00达到日最低温度27.5 ℃，T1处理在17∶00达到日最高温度28.8 ℃，T2在18∶00达到日最高温度28.6 ℃；20 cm土温，T1处理在10∶00达到日最低温度27.4 ℃，T2处理在11∶00达到日最低温度27.4 ℃，T1处理在19∶00达到日最高温度28.0 ℃，T2处理在20∶00达到日最高温度27.8 ℃。可见，各层次T2处理的土壤温度相位上均比T1落后1 h，水层延缓了热量的传递过程，而T2处理在白天可以维持相对较低的土温，有利于水稻根系的生理活动。

2.3 不同灌溉处理对稻田能量平衡分量日变化的影响

不同处理对能量平衡各分量有不同程度的影响。T1和T2处理对稻田的净辐射通量(Rn)无明显影响[图4(a)]，但显著改变的稻田的显热通量(H)、潜热通量(LE)、水体含热量(Q)和土壤热通量(G)。

T1和T2处理的H最高值分别为136.59和65.38 W/m2[图4(b)]，T1比T2处理高108.92%，全天总量分别为2.66和1.85 MJ/m2，T1比T2处理高43.78%；T1和T2处理的LE最大值分别为323.62和346.03 W/m2[图4(c)]，T1比T2处理低6.47%，全天总量分别为7.02和7.87 MJ/m2，T1比T2处理低10.80%；图4(d)为Q日变化，T1处理因为田面无水层，故没有Q值，T2的Q值在6∶00由负值转为正值，13∶00达到日最大值60.97 W/m2，在16∶00由正值转为负值。由图4(e)G日变化可知，T1和T2处理日最大值分别为31.05和26.45 W/m2，T1比T2高17.39%，全天总量分别为0.75和0.68 MJ/m2，T1比T2高10.29%。可见，水层覆盖显著降低了稻田的显热通量和土壤热通量，而增加了稻田的潜热通量。

图3 不同处理不同层次土温日变化平均值

图4 不同处理能量平衡分量日变化均值

对能量各组分于净辐射的关系进行分析可知(表1)，各处理LE/Rn的比例最大，这表明稻田中净辐射的消耗以潜热交换为主，这与Gutiérrez、Ham和刘笑吟等的研究结果一致[24-26]。田间水层覆盖主要影响了稻田显热和潜热交换从而使冠层气温出现显著差异。各处理中，T2处理LE/Rn比T1高9.71%，说明水层覆盖下稻田水汽交换显著增加，有利于田间蒸散散热。H为稻田能量平衡系统中第二大能量消耗项，T2处理H/Rn比T1低31.87%，G/Rn比T1低10.17%，这表明有水层缓冲的情况下，冠层气温和土壤温度上升较慢。

表1 能量各组分日总量占净辐射的比例均值 %

3 讨 论

稻田有无水层覆盖，显著改变的稻田的能量分配。本试验结果表明，由于缺少水层的缓冲作用，T1处理在白天土壤直接受太阳辐射加热而使G急速上升，温度上升，而T2处理的水层吸收了太阳辐射，并转化为Q储存在水体中，使T2处理各层次土温日最大值出现的时间均比T1处理落后1 h，缓冲延缓并削弱了进入土壤的热量，使得G总量和土壤温度低于T1处理。在冠层，由于田面缺乏水层，T1处理水稻冠层在白天与外界环境发生了大量的显热交换，使其H显著高于T2，LE显著低于T2处理，导致水稻冠层在白天升温速度快于T2处理，冠层各层次日最高气温和日平均气温均高于T2处理。

本试验结果表明，稻田灌水可降低水稻冠层的日最高温度、平均温度和土壤温度，缓解高温热害对水稻的影响，与宋忠华等[15]和张彬等[16]研究结果相同。段骅等[17]指出，高温胁迫下，轻干湿交替灌溉与水层灌溉处理对水稻冠层温度无显著影响，与本研究结果有所不同，这主要是因为其试验是采用盆钵在玻璃温室内进行，试验条件与大田试验有差异造成的。高温热害发生时稻田灌溉改善了田间小气候，有利于提高水稻产量。汪寿康等[12]的田间调查数据明确指出，高温热害发生时，无水层灌溉的田块的水稻空壳率高于灌溉稻田24.3%，这主要是因为，灌溉后相对较低的冠层温度有利于提高水稻的花粉活力，提高水稻的受精结实率[7,8]，较低的冠层温度和充足的水分有利于水稻叶片蒸腾作用，减轻高温对光系统的损伤，提高光合能力[4-6]，较低的土壤温度可以也可以提高水稻根系的吸收能力，促进水稻产量的提高，水稻节水灌溉技术因其可以提高水稻的水分利用效率、产量，节约农业用水而在全国大面积推广应用，抽穗结实期间歇灌溉是该技术的重要组成部分[17-19]。从本试验结果看，在高温热害发生期间稻田保持水层覆盖，可避免高温对水稻产量的不利影响，促进水稻高产稳产。

4 结 论

(1)田间有水层覆盖可使冠层及土壤各层次日平均气温有不同程度的降低并使土壤最高温度出现时间延后1 h，可以有效缓解稻田的高温热害伤害。

(2)水层覆盖显著降低了稻田的显热通量和土壤热通量，增加了稻田的潜热通量。