水层对稻田小气候影响及水稻高温防御

韩 路，刘可群，曾 凯

（1襄阳市襄州区气象局，湖北襄阳 441100；2武汉区域气候中心，武汉 430074；3江西省农业气象试验站，南昌 330200）

0 引言

水稻是中国最主要的粮食作物之一，2/3的人口以稻米为主食，因此水稻在保障中国粮食安全的重大战略需求中具有举足轻重的地位[1-3]。长江中下游地区是中国水稻重要种植区，其产量占全国总产量的2/3 左右，由于其复杂的地理环境和气候特点，气象灾害时常发生[4-6]。大量研究表明，高温热害是影响中国长江流域及其以南稻区的主要农业气象灾害[7-10]；抽穗开花期高温对水稻产量影响最大[7,11]。长江中下游地区中稻抽穗开花期正值盛夏高温频发时段，亦即西太平洋副高稳定控制之下[12]，持续高温天气，易造成水稻花粉活力下降，结实率不高，导致水稻减产。因此寻求合理的防御措施，减轻高温热害对水稻生长发育的影响，对水稻优质高产至关重要。

目前，国内外学者就高温胁迫对水稻生长发育及产量和品质形成的影响及其机理研究很多[13-15]，对减轻水稻高温胁迫的调控措施研究较少[13]，其中更多的集中于品种的耐高温性以及对播期的调整[16-17]来调节水稻抵抗高温能力等方面。而在生产实际中，当高温热害发生时，人们普遍认为水分调节是有效的避灾措施。有研究认为[18-20]，稻田水层的存在某种程度上能使冠层内气温日较差缩小，相对湿度提高，稻田表层土壤温度降低。对于通过灌溉来改善稻田小气候，有部分研究认为[21-22]，在水稻灌浆结实期遇到高温，稻田需要灌深层水，降低水稻冠层温度，以减轻高温对水稻的伤害。这些研究多以定性描述为主，缺乏具体的观测数据及理论依据。弄清楚稻田水层小气候温度变化特征及其稻田系统的水热能量交换，对于科学防御水稻高温热害、提高粮食安全生产保障能力具有重大意义。

1 资料与方法

本研究中稻田小气候试验观测资料来源于江西省农业气象试验站，位于江西省南昌市南昌县泾口乡（28°38′ N，116°12′ E，海拔15 m），2014 年3 月—2015年7月及2019年4—7月早稻田小气候试验观测，包括早稻不同生育期稻田150 cm气温、0 cm水温、10 cm泥温；与之相距约5 km的南昌县国家基本气象站地面气象资料来自于国家气象信息中心网站。

水体对自身生态小气候的影响以武汉金银湖为参照，金银湖位于武汉市西北部的东西湖区内，水面面积约800 hm2。2018—2020 年夏季（6—8 月）武汉金银湖水温及水面1.5～2.0 m 高处（金银湖水面随月季而变化，夏季最高，温度观测点距水面最低）气温资料来自于武汉农业气象试验站；与金银湖相距9 km左右的武汉观象台地面气象资料来自于湖北省气象档案室。

稻田、水面小气候环境及气象台站的日平均气温均为24 h正点平均值；日最高气温、日最低气温均为当天中极端最大、最小值。

2 结果与分析

2.1 不同生育期稻田小气候特征

图1 是2014 年3 月—2015 年7 月早稻三叶期（秧田期）、分蘖期（移栽后）、抽穗期气温、水温、泥温日变化图[23]。三叶期、分蘖期、抽穗期的叶面积指数分别为1.79、0.86、4.56；灌水深15 cm。从图中可以看出，三叶期、分蘖期水稻植株叶片的遮盖度小，大部分地表、水面直接暴露在阳光下，太阳辐射直接作用浅水，中午前后水温升温加快，下午15:00—16:00 时水温较气温明显偏高2.0～3.0℃。进入抽穗期后叶面积指数达到最高，且水稻植株叶片对地表完全遮盖，太阳辐射进入植株冠层后衰减很大，到达稻田水面辐射很小；稻田气温9:00 前后超越稻田水温，15:00—17:00 时稻田气温较水温高2.0～3.0℃。夜间稻田水温均高于气温，三叶期、分蘖期夜间水温较气温高1.0～3.0℃，而抽穗期夜间水温较气温高0.5～1.0℃。

图1 2014年3月—2015年7月早稻三叶期、分蘖期、抽穗期稻田气温、水温、泥温日变化

2.2 稻田及水体小气候对天气的响应

当大气流动小、风速低时，2个相邻的不同下垫面局地小气候地表温度之差主要由太阳净辐射所决定，日照时数多、辐射强，地表温度差异大，夏季高温尤其如此。图2 是2019 年5 月中旬后稻田日平均气温、日最高气温、日最低气温与地面大气对应气温之差与日照时数的相关分析图；图3 是2019—2020 年夏季金银湖湖面日平均气温、日最高气温、日最低气温与地面大气对应气温之差与日照时数的相关分析图。从图2中可以看出，相对于正常情况下大气气温而言，稻田日平均气温、日最高气温随日照时数的增加而降低，即当日照时数达到10 h时，稻田日平均气温和日最高气温分别降低1.11、0.65℃；其相关性达到极显著水平(P＜0.001)；而田间日最低气温则相反。从图3中可以明显看出，湖面上日平均气温、日最高气温、日最低气温均随日照时数的增加而增加，即当日照时数达到10 h时，水面日平均气温、日最高气温、日最低气温分别升高0.56、1.05、1.68℃；且其相关性极为显著(P＜0.001)。由此可见，对稻田环境和完全水面生态环境而言，日平均气温、日最高气温随日照时数的变化完全相反。亦即稻田降低了环境气温，纯水面并没有降低其小气候生态环境的气温，而是使其日平均气温、日最高气温以及日最低气温皆升高。

图2 2019年水稻分蘖后期—成熟期稻田气温与大气温度之差与日照时数相关图

图3 2019—2020年夏季金银湖气温与大气温度之差与日照时数相关图

与水体对局地小气候影响不同，稻田植株具有降低小气候环境内日平均气温、日最高气温的作用。这可能与以下2个因素有关。

（1）水稻冠层对太阳辐射的光谱反射率远大于水面反射率。图4是水稻不同生育期及水面光谱反射率监测变化图。由图4 可以看出，水稻三叶期叶片对可见光波段350～760 nm 反射率为10%～25%，对红光和近红外波段760～1350 nm反射率为11%～27%；水稻孕穗-抽穗期对可见光波段的反射率为20%～50%，对红光和近红外波段反射率为40%～95%，与黎瑞君等[24]的研究有相似结果；而水体对太阳辐射反射率则较低，350～1350 nm 反射率为2%～15%[25]。即水稻整个生育期内，叶片对太阳辐射的光谱反射率均高于水体的反射率，且随着叶面积指数的增大而显著增加，从而大大减少对太阳辐射的吸收，降低水稻冠层温度。由于水体的低反射率，大量进入水体的太阳辐射被水体所吸收，据姚宏禄[26]研究发现，30 cm 深水层吸收了85%进入水体的太阳辐射量，40 cm 水层吸收了92%。水体吸收太阳辐射使水温升高，并对外发射长波辐射加热大气，不能起到降低小气候环境温度的作用。

图4 水稻三叶期、孕穗—抽穗期与水面对太阳辐射的光谱反射率

（2）稻田蒸腾蒸发大。稻田生态系统中，作为能量平衡重要分量的净辐射项，是田间生态系统的驱动因子，它促进了作物蒸腾及田间水分蒸发，加速了田间小气候空气的热力交换。根据农田生态能量平衡原理：下垫面接收到的净辐射能=潜热通量+感热通量+土壤热通量。潜热通量是作物蒸腾和田间水分蒸发带来的热量交换。据世界粮农组织(FAO)估算，正常情况下稻田蒸腾蒸发量是纯水面蒸发量的1.2倍，可见稻田潜热通量明显多于水体水面。据庞渤[27]研究发现，稻田潜热通量最主要的影响因子是太阳净辐射，它们呈现为极显著正相关关系，亦即天气越晴好，日照时数越大，太阳辐射越强，太阳净辐射越大，稻田的潜热通量越大，对局地环境温度的影响力越大。而夜间随着气温的降低，无论是水体生态环境，还是稻田生态环境，白天大量蒸腾蒸发的水汽，因饱和而凝结释放潜热影响局地气温，2 种生态环境的日最低温度均高于气象台站观测值。从图2、3 中可以看出，稻田和水体生态环境的日最低温度与气象台站观测的日最低温度的差值受日照时数影响系数分别为0.165、0.168，两者十分接近，且它们的差值随日照时数的增多而增加。因此，稻田蒸腾蒸发量远大于水体蒸发量，能有效改善田间小气候环境温度。

3 结论与讨论

（1）水稻叶片对太阳辐射反射大；而水体反射率小，吸收大。水稻三叶期、分蘖期水浅苗小，叶面积指数低，植被对下垫面的遮蔽少，稻田内的水体吸收大量太阳辐射，水稻叶片对太阳辐射反射弱，透射进入水体多，水温普遍高于气温。抽穗期前后水稻植株高叶片多，叶面积指数达最大，植被对下垫面全面遮蔽，太阳辐射到达稻田水面极少，稻田日最高气温较水温平均高2～3℃。夜间稻田水温均高于气温，三叶期、分蘖期夜间水温较气温高出更多。

（2）稻田蒸腾蒸发大，加之水稻叶片对太阳辐射的反射作用，形成了稻田生态环境小气候日最高气温、日平均温度低于正常环境（如气象台站观测场）内的大气温度；更低于水体生态环境内的大气温度。且日照时数越多，辐射越强，稻田日最高气温、日平均温度与大气日最高气温、日平均温度之差越大；表明稻田有一定的自我缓解高温、调节小气候的能力。而纯水面则不然，有增强高温效果。与海洋调节气候有很大的不一样，这可能与海洋内水体较大的水平、上下流动有关，夏季通过上下对流将热量储存海洋深处。

（3）防御水稻高温热害，浅水灌溉即可，无需昼灌夜排。对稻田、水体以及气象台站对比观测数据分析知道，太阳辐射越强，水稻叶片的反射越多，蒸散发越大，对环境温度的调节作用越明显；在晴热高温天气下，保证水稻有足够水量用于蒸散蒸发，即可在一定程度上缓解温度升高。王帅[28]对不同灌溉处理下稻田小气候特征研究发现，稻田水层深浅的差异仅对田间表层土温和水温有影响，即随灌溉水深的增加，土温和水温日最高值降低，日最低值升高，昼夜温差减小，而对稻田生态环境的气温基本没有影响。段骅等[29]对灌溉方式减轻水稻高温危害进行了相关研究，研究认为抽穗结实期遭受高温胁迫时，采用轻干湿交替灌溉方式可以获得较高的产量和较好的稻米品质。由此可见传统的深水灌溉、昼灌夜排模式科学依据不足，经济上还存在人财物大量浪费。