基于新型超声波稻田蒸散仪晚稻蒸散量的特征分析

邓 梅，黄晚华，汪天颖，李 晶

（1.湖南省娄底市气象局，湖南 娄底 417000；2.湖南省气象科学研究所，湖南 长沙 410118；3.气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118）

【研究意义】作物蒸发蒸腾量的预测是灌溉预报的关键，为了能较准确地预测农田灌水周期，预估非充分灌溉引起的减产率，需预测农田作物生长期内的作物蒸发蒸腾量及其变化过程［1-2］。因此评估和提高现有农田蒸散量测定仪的精度和适用性，对于作物产量的估算，优化利用及科学管理有限水资源、提高水分利用率，和促进节水型农业的发展等均有十分重要的意义。【前人研究进展】测定作物蒸散量的仪器和估算作物蒸散量的模型所基于的理论、方法和空间尺度等均有区别，直接导致测定和计算的作物蒸散量在数值和变化上均有一定的差异［3-5］；另外，测定作物蒸散量仪器的适用性也直接影响测定仪器的推广和使用，这些问题也得到了相关领域学者的关注。目前，国内外学者普遍采用大型蒸渗仪测定作物蒸散量［6-8］，但大型蒸渗仪造价高、基础质量大，安装、维修和管理复杂，难以进行重复试验，不适宜大面积应用推广［9-11］。蒸散（发）仪是基于“简易蒸渗仪”原理进行改造、用于测定蒸发蒸腾量的一种简易装置。国外已有研究表明，蒸散仪在测定高粱和冬小麦全生育期的蒸散量与大型蒸渗仪的测定结果无显著差异［12-13］，简易的农田蒸散仪成本低、安装方便，经验证后可在水稻种植区广泛应用。【本研究切入点】开展新型蒸散仪在测定田间水稻蒸散量特征值的研究，研讨其适用性极为必要，可以为降低成本、大范围推广使用蒸散仪测定蒸散量提供重要参考。【拟解决的关键问题】本研究以双季晚稻为研究对象，利用新型蒸散仪测定2017—2019 年的晚稻蒸散量数据，对比分析晚稻蒸散量日变化、日平均蒸散量、累积蒸散量和典型天气条件下蒸散量的特征量及需水量情况，探讨新型稻田蒸散仪的实际可应用性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

依托在江南丘陵双季稻种植区衡阳市农业气象试验基地（26.96°N，112.57°E），地处湖南著名的“衡邵干旱走廊”区域，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温17.9 ℃，年平均降水量1 339.3 mm，年平均日照时数1 490.4 h，年平均蒸发量1 225.1 mm。试验区四周开阔平坦，下垫面为双季稻种植区农田。

1.2 试验材料

供试作物为双季晚稻，2017—2019 年供试晚稻品种及生育期见表1。移栽方式为人工栽插，株行距15 cm×21 cm，每穴2 苗，开展水稻生育期观测。

表1 2017—2019 年晚稻品种及生育期Table 1 Late rice varieties and growth stages in 2017—2019

1.3 试验方法

试验区内设有六要素自动气象观测站。蒸散仪通过试验定制：仿照小型蒸渗仪原理，采用大型的蒸发桶，将蒸发桶埋设在农田中并种植水稻，管理措施与周边水田环境保持完全一致；采取先进的超声波蒸发仪，在蒸发桶中间采取埋管法布设蒸发仪的水压探头，与采集器相连接［14-15］。本研究选取大尺寸高精度（超声波）田间蒸散（发）仪（长180 cm× 宽180 cm×高100 cm），每套仪器设两个点，以保证数据的可用性，定期向蒸发桶供水，水位与大田保持一致，并记录加水量。

蒸散量测定和计算根据农田水分平衡原理［16-17］：

E+T=ΔW+P+I-R-D-H

式中，E为田间蒸发量，T为作物蒸腾量，ΔW为田间水变化量，P为降水量，R为径流量，I为灌溉量、D为渗漏量，H为地下水上升量。ΔW由田间水位（水深）仪测量，P通过自动气象站雨量器测定，I由灌溉水量计测定；R在水田中影响小，但在多雨季节造成田间水流失，因此需在田间设立溢水池。

试验数据的统计分析采用Excel 2007 和SPSS 22.0 软件。由于中雨量级以上的天气蒸散仪数据误差大，且出现较大负值，因此数据处理过程中剔除所有中雨量级以上的观测数据。

2 结果与分析

2.1 新型蒸散仪测定数据的稳定性

从表2 可以看出，2017—2019 年新型超声波蒸散仪仪实采率、有效数据获取率均在93%以上，其中2018 年的实采率、有效数据获取率高达100%；从获取的有效数据稳定率看，新型超声波蒸散仪仪正常率（＜0.2 mm）均在92%以上，其中2017、2018 年的正常率均达96%，基本正常率（＜1 mm）都在98%以上，稳定率（＜0.1 mm）达到86%以上，非常稳定率（＜0.05 mm）也能达到67%以上。综合说明新型稻田蒸散仪的数据稳定性高，其测定精度可达0.2 mm，从数据稳定性方面可以保证大田观测数据的可用性。

表2 新型稻田蒸散仪2017—2019 年资料获取情况Table 2 Data acquisition of the new paddy field evapotranspiration instrument from 2017 to 2019

2.2 不同时间尺度晚稻蒸散量的特征变化

2.2.1小时尺度 为了更好地比较蒸散量随时间变化的情况，随机挑选2018 年4 个晴天，得到晚稻实测蒸散量的逐小时变化。从图1 可以看出，晚稻晴天蒸散量昼夜差异明显，从早晨08:00 左右开始出现蒸散，随着气温的升高和太阳辐射的增大，蒸散速率明显增大，中午12:00～14:00 为0.98～1.35 mm/h，并达到最大值；在“秋分”后蒸散速率最大值出现在14:00～16:00 之间，由于“秋分”后太阳净辐射减少，晚稻蒸散速率也相应减小，为0.94 mm/h；此后，随着气温降低和太阳辐射减小，晚稻的蒸散速率也相应减小，到18:00后晚稻的蒸散速率接近0，甚至出现负值，因为夜间常出现凝结现象。

图1 晴天下晚稻蒸散量的逐小时变化Fig.1 Hour-by-hour variation of late rice evapotranspiration under sunny conditions

2.2.2日尺度 由2017—2019 年晚稻日蒸散量变化情况（图2）可知，晚稻的日平均蒸散量约4.7 mm/d，且关键生育期内其日蒸散量大都在4 mm/d以上；3 个年度的晚稻生长期内逐日蒸散量变化有一定差异，一定程度上反映了农田蒸散受外界环境的综合影响，如雨后晚稻蒸散量会有明显激增。

图2 2017—2019 年晚稻的日蒸散量Fig.2 Daily evapotranspiration of late rice from 2017 to 2019

2.2.3生育期尺度 分析2017—2019 年晚稻各生育期的蒸散量情况，由表3 可知，晚稻在拔节-抽穗期的平均蒸散量最大、为5.4 mm/d，抽穗-乳熟期的平均蒸散量次之、为5.2 mm/d，乳熟-成熟期的平均蒸散量最小，因后期灌浆需水量较小，田间一般保持湿润促进壮籽。

表3 2017—2019 年晚稻各生育期平均蒸散量Table 3 Average evapotranspiration of late rice in various growth periods from 2017 to 2019 (mm/d)

由图3 可知，新型蒸散仪测定2017—2019 年的晚稻全生育期累积蒸散量相近、在466 mm左右，其中分蘖期的累积蒸散量最大、约135 mm。抽穗-乳熟期次之、约113 mm，2019 年晚稻抽穗-乳熟期的蒸散量最大，可能是由于该时间段内气温较常年偏高、田间蒸发明显所致。表明晚稻生长期内分蘖期和抽穗-乳熟期是需水关键期。

由图3 可知，新型蒸散仪测定2017—2019 年的晚稻全生育期累积蒸散量相近、在466 mm左右，其中分蘖期的累积蒸散量最大、约135 mm。抽穗-乳熟期次之、约113 mm，2019 年晚稻抽穗-乳熟期的蒸散量最大，可能是由于该时间段内气温较常年偏高、田间蒸发明显所致。表明晚稻生长期内分蘖期和抽穗-乳熟期是需水关键期。

图3 晚稻各生育期累积蒸散量Fig.3 Cumulative evapotranspiration in various growth stages of late rice

2.3 典型天气晚稻蒸散量的特征变化

参考太阳净辐射值、日照时数和降水（10 min），随机选定典型天气晴天、多云、阴天和小雨，分析典型天气新型蒸散仪测定晚稻蒸散量的特征变化。由图4 可知，除雨天外，其他天气晚稻蒸散量的日变化均表现为“Ω”型，其中晴天太阳辐射较强，气温较高，蒸散曲线峰值比其他天气高、为1.3 mm/h，多云天气次之、为1.0 mm/h，阴天为0.8 mm/h。分别对典型天气晚稻蒸散量进行六阶曲线拟合，通过R2和P值发现，晴天、多云和阴天的晚稻蒸散量回归模型均达显著水平，其中晴天拟合达到极显著水平，而雨天由于受云和雨水等干扰，蒸散量波动较大，拟合较差（R2=0.214）。

图4 2017—2019 年典型天气下晚稻蒸散量特征分析Fig.4 Analysis of characteristics of late rice evapotranspiration under typical weather conditions from 2017 to 2019

3 讨论

3.1 新型超声波蒸散仪精度

通常认为非称重式蒸渗仪会因为水的运动和土的深层渗透，测量结果只能根据水的深度随时间的变化来反映［18-19］，会导致结果缺乏精度。但事实证明，小型蒸渗仪的应用同样能满足实验需要，甚至更好［20-21］。本研究2017—2019 年新型超声波蒸散仪的实采率、有效数据获取率均在93%以上，其中2018 年的实采率、有效数据获取率高达100%，表明新型超声波蒸散仪的数据稳定性高，其测定精度可达0.2 mm，从数据稳定性方面可以保证大田观测数据的可用性。由于在自然降雨（小雨以上量级）和灌溉时测量结果误差较大因此，本研究剔除了所有中雨量级以上的观测数据，后期将进一步探索如何消除降水和灌溉对测量的误差。

3.2 晚稻的蒸散量特征

晚稻的日蒸散量白天为正值，夜间部分出现负值，可能是由于植株夜间的露水凝结的原因。另外，温度对晚稻的蒸散作用有滞后效应［22］，从8: 00～10: 00 蒸散量缓慢增加，随着温度升高，叶片气孔张开，植株的蒸腾作用和水分蒸发快速增强，12: 00～16: 00 为1～1.5 mm/h，期间达到最大值；晚稻的日平均蒸散量约4.7 mm/d，在其关键生育期内，日蒸散量大都在4 mm/d 以上，以拔节-抽穗期的平均蒸散量最大、为5.4 mm/d。

晚稻全生育期内，以拔节-抽穗期的平均蒸散量最大，抽穗-乳熟期的平均蒸散量次之，乳熟-成熟期的平均蒸散量最小，这与晚稻的生理活动密切相关。拔节-抽穗期随着气温升高和植株转为生殖生长，叶面积指数达到最大，田间蒸散转为以叶片蒸腾为主；抽穗-乳熟期叶面积指数依然较大，营养生长需水量大，蒸散量明显；乳熟-成熟期叶片逐渐枯萎，蒸散量逐渐减少。可见，拔节至乳熟期为晚稻需水敏感期，确保该时段内充足的水分供需是高产、稳产的基础，这与丁加丽等［23］对水稻蒸发蒸腾量的研究结果基本一致。

3.3 典型天气晚稻蒸散特征

一般情况下，晴天、多云和阴天为主要灌溉时段。本试验结果表明，除雨天外，其他天气晚稻蒸散量的日变化均表现为“Ω”型，以晴天的蒸散曲线峰值最大、为1.3 mm/h；分别对典型天气晚稻蒸散量进行六阶曲线拟合，通过R2和P值看，晴天、多云和阴天的晚稻蒸散量回归模型均达显著水平，其中晴天拟合达到极显著水平，表明晴天、多云和阴天晚稻蒸散量均呈六阶曲线分布，可根据蒸散特征科学制定灌溉计划。由于蒸散仪隔断了与农田的水热交换，导致蒸散仪内土壤水分的供应和热量交换与大田不同，会造成蒸散量测量值与真实值间的误差，因此后期要充分考虑这些方面对农田蒸散的影响，分析各因素与蒸散量之间的相互关系及变化的规律。

4 结论

本研究结果表明，新型超声波蒸散仪数据实采率、有效数据获取率均在93%以上，其测定精度可达0.2 mm，数据稳定性方面可以保证大田观测数据的可用性；晚稻全生育期内的蒸散量约466 mm 左右，其中分蘖期的累积蒸散量最大、约135 mm，拔节-抽穗期的日平均蒸散量最大、为5.4 mm/d，表明晚稻在分蘖期和拔节-抽穗期需水量最大；典型天气（雨天除外）晚稻蒸散量的日变化均表现为“Ω”型，通过拟合的R2和P值看，晴天、多云和阴天的蒸散量均呈六阶曲线分布。