基于新型超聲波稻田蒸散儀晚稻蒸散量的特征分析

鄧 梅，黃晚華，汪天穎，李 晶

（1.湖南省婁底市氣象局，湖南 婁底 417000；2.湖南省氣象科學(xué)研究所，湖南 長沙 410118；3.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410118）

【研究意義】作物蒸發(fā)蒸騰量的預(yù)測是灌溉預(yù)報的關(guān)鍵，為了能較準(zhǔn)確地預(yù)測農(nóng)田灌水周期，預(yù)估非充分灌溉引起的減產(chǎn)率，需預(yù)測農(nóng)田作物生長期內(nèi)的作物蒸發(fā)蒸騰量及其變化過程［1-2］。因此評估和提高現(xiàn)有農(nóng)田蒸散量測定儀的精度和適用性，對于作物產(chǎn)量的估算，優(yōu)化利用及科學(xué)管理有限水資源、提高水分利用率，和促進(jìn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展等均有十分重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】測定作物蒸散量的儀器和估算作物蒸散量的模型所基于的理論、方法和空間尺度等均有區(qū)別，直接導(dǎo)致測定和計算的作物蒸散量在數(shù)值和變化上均有一定的差異［3-5］；另外，測定作物蒸散量儀器的適用性也直接影響測定儀器的推廣和使用，這些問題也得到了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。目前，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用大型蒸滲儀測定作物蒸散量［6-8］，但大型蒸滲儀造價高、基礎(chǔ)質(zhì)量大，安裝、維修和管理復(fù)雜，難以進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，不適宜大面積應(yīng)用推廣［9-11］。蒸散（發(fā)）儀是基于“簡易蒸滲儀”原理進(jìn)行改造、用于測定蒸發(fā)蒸騰量的一種簡易裝置。國外已有研究表明，蒸散儀在測定高粱和冬小麥全生育期的蒸散量與大型蒸滲儀的測定結(jié)果無顯著差異［12-13］，簡易的農(nóng)田蒸散儀成本低、安裝方便，經(jīng)驗(yàn)證后可在水稻種植區(qū)廣泛應(yīng)用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】開展新型蒸散儀在測定田間水稻蒸散量特征值的研究，研討其適用性極為必要，可以為降低成本、大范圍推廣使用蒸散儀測定蒸散量提供重要參考?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以雙季晚稻為研究對象，利用新型蒸散儀測定2017—2019 年的晚稻蒸散量數(shù)據(jù)，對比分析晚稻蒸散量日變化、日平均蒸散量、累積蒸散量和典型天氣條件下蒸散量的特征量及需水量情況，探討新型稻田蒸散儀的實(shí)際可應(yīng)用性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

依托在江南丘陵雙季稻種植區(qū)衡陽市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)基地（26.96°N，112.57°E），地處湖南著名的“衡邵干旱走廊”區(qū)域，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫17.9 ℃，年平均降水量1 339.3 mm，年平均日照時數(shù)1 490.4 h，年平均蒸發(fā)量1 225.1 mm。試驗(yàn)區(qū)四周開闊平坦，下墊面為雙季稻種植區(qū)農(nóng)田。

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物為雙季晚稻，2017—2019 年供試晚稻品種及生育期見表1。移栽方式為人工栽插，株行距15 cm×21 cm，每穴2 苗，開展水稻生育期觀測。

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

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)有六要素自動氣象觀測站。蒸散儀通過試驗(yàn)定制：仿照小型蒸滲儀原理，采用大型的蒸發(fā)桶，將蒸發(fā)桶埋設(shè)在農(nóng)田中并種植水稻，管理措施與周邊水田環(huán)境保持完全一致；采取先進(jìn)的超聲波蒸發(fā)儀，在蒸發(fā)桶中間采取埋管法布設(shè)蒸發(fā)儀的水壓探頭，與采集器相連接［14-15］。本研究選取大尺寸高精度（超聲波）田間蒸散（發(fā)）儀（長180 cm× 寬180 cm×高100 cm），每套儀器設(shè)兩個點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)的可用性，定期向蒸發(fā)桶供水，水位與大田保持一致，并記錄加水量。

蒸散量測定和計算根據(jù)農(nóng)田水分平衡原理［16-17］：

E+T=ΔW+P+I-R-D-H

式中，E為田間蒸發(fā)量，T為作物蒸騰量，ΔW為田間水變化量，P為降水量，R為徑流量，I為灌溉量、D為滲漏量，H為地下水上升量。ΔW由田間水位（水深）儀測量，P通過自動氣象站雨量器測定，I由灌溉水量計測定；R在水田中影響小，但在多雨季節(jié)造成田間水流失，因此需在田間設(shè)立溢水池。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用Excel 2007 和SPSS 22.0 軟件。由于中雨量級以上的天氣蒸散儀數(shù)據(jù)誤差大，且出現(xiàn)較大負(fù)值，因此數(shù)據(jù)處理過程中剔除所有中雨量級以上的觀測數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型蒸散儀測定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性

從表2 可以看出，2017—2019 年新型超聲波蒸散儀儀實(shí)采率、有效數(shù)據(jù)獲取率均在93%以上，其中2018 年的實(shí)采率、有效數(shù)據(jù)獲取率高達(dá)100%；從獲取的有效數(shù)據(jù)穩(wěn)定率看，新型超聲波蒸散儀儀正常率（＜0.2 mm）均在92%以上，其中2017、2018 年的正常率均達(dá)96%，基本正常率（＜1 mm）都在98%以上，穩(wěn)定率（＜0.1 mm）達(dá)到86%以上，非常穩(wěn)定率（＜0.05 mm）也能達(dá)到67%以上。綜合說明新型稻田蒸散儀的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，其測定精度可達(dá)0.2 mm，從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面可以保證大田觀測數(shù)據(jù)的可用性。

表2 新型稻田蒸散儀2017—2019 年資料獲取情況Table 2 Data acquisition of the new paddy field evapotranspiration instrument from 2017 to 2019

2.2 不同時間尺度晚稻蒸散量的特征變化

2.2.1小時尺度 為了更好地比較蒸散量隨時間變化的情況，隨機(jī)挑選2018 年4 個晴天，得到晚稻實(shí)測蒸散量的逐小時變化。從圖1 可以看出，晚稻晴天蒸散量晝夜差異明顯，從早晨08:00 左右開始出現(xiàn)蒸散，隨著氣溫的升高和太陽輻射的增大，蒸散速率明顯增大，中午12:00～14:00 為0.98～1.35 mm/h，并達(dá)到最大值；在“秋分”后蒸散速率最大值出現(xiàn)在14:00～16:00 之間，由于“秋分”后太陽凈輻射減少，晚稻蒸散速率也相應(yīng)減小，為0.94 mm/h；此后，隨著氣溫降低和太陽輻射減小，晚稻的蒸散速率也相應(yīng)減小，到18:00后晚稻的蒸散速率接近0，甚至出現(xiàn)負(fù)值，因?yàn)橐归g常出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象。

圖1 晴天下晚稻蒸散量的逐小時變化Fig.1 Hour-by-hour variation of late rice evapotranspiration under sunny conditions

2.2.2日尺度 由2017—2019 年晚稻日蒸散量變化情況（圖2）可知，晚稻的日平均蒸散量約4.7 mm/d，且關(guān)鍵生育期內(nèi)其日蒸散量大都在4 mm/d以上；3 個年度的晚稻生長期內(nèi)逐日蒸散量變化有一定差異，一定程度上反映了農(nóng)田蒸散受外界環(huán)境的綜合影響，如雨后晚稻蒸散量會有明顯激增。

圖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況，由表3 可知，晚稻在拔節(jié)-抽穗期的平均蒸散量最大、為5.4 mm/d，抽穗-乳熟期的平均蒸散量次之、為5.2 mm/d，乳熟-成熟期的平均蒸散量最小，因后期灌漿需水量較小，田間一般保持濕潤促進(jìn)壯籽。

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)

由圖3 可知，新型蒸散儀測定2017—2019 年的晚稻全生育期累積蒸散量相近、在466 mm左右，其中分蘗期的累積蒸散量最大、約135 mm。抽穗-乳熟期次之、約113 mm，2019 年晚稻抽穗-乳熟期的蒸散量最大，可能是由于該時間段內(nèi)氣溫較常年偏高、田間蒸發(fā)明顯所致。表明晚稻生長期內(nèi)分蘗期和抽穗-乳熟期是需水關(guān)鍵期。

由圖3 可知，新型蒸散儀測定2017—2019 年的晚稻全生育期累積蒸散量相近、在466 mm左右，其中分蘗期的累積蒸散量最大、約135 mm。抽穗-乳熟期次之、約113 mm，2019 年晚稻抽穗-乳熟期的蒸散量最大，可能是由于該時間段內(nèi)氣溫較常年偏高、田間蒸發(fā)明顯所致。表明晚稻生長期內(nèi)分蘗期和抽穗-乳熟期是需水關(guān)鍵期。

圖3 晚稻各生育期累積蒸散量Fig.3 Cumulative evapotranspiration in various growth stages of late rice

2.3 典型天氣晚稻蒸散量的特征變化

參考太陽凈輻射值、日照時數(shù)和降水（10 min），隨機(jī)選定典型天氣晴天、多云、陰天和小雨，分析典型天氣新型蒸散儀測定晚稻蒸散量的特征變化。由圖4 可知，除雨天外，其他天氣晚稻蒸散量的日變化均表現(xiàn)為“Ω”型，其中晴天太陽輻射較強(qiáng)，氣溫較高，蒸散曲線峰值比其他天氣高、為1.3 mm/h，多云天氣次之、為1.0 mm/h，陰天為0.8 mm/h。分別對典型天氣晚稻蒸散量進(jìn)行六階曲線擬合，通過R2和P值發(fā)現(xiàn)，晴天、多云和陰天的晚稻蒸散量回歸模型均達(dá)顯著水平，其中晴天擬合達(dá)到極顯著水平，而雨天由于受云和雨水等干擾，蒸散量波動較大，擬合較差（R2=0.214）。

圖4 2017—2019 年典型天氣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 討論

3.1 新型超聲波蒸散儀精度

通常認(rèn)為非稱重式蒸滲儀會因?yàn)樗倪\(yùn)動和土的深層滲透，測量結(jié)果只能根據(jù)水的深度隨時間的變化來反映［18-19］，會導(dǎo)致結(jié)果缺乏精度。但事實(shí)證明，小型蒸滲儀的應(yīng)用同樣能滿足實(shí)驗(yàn)需要，甚至更好［20-21］。本研究2017—2019 年新型超聲波蒸散儀的實(shí)采率、有效數(shù)據(jù)獲取率均在93%以上，其中2018 年的實(shí)采率、有效數(shù)據(jù)獲取率高達(dá)100%，表明新型超聲波蒸散儀的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，其測定精度可達(dá)0.2 mm，從數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面可以保證大田觀測數(shù)據(jù)的可用性。由于在自然降雨（小雨以上量級）和灌溉時測量結(jié)果誤差較大因此，本研究剔除了所有中雨量級以上的觀測數(shù)據(jù)，后期將進(jìn)一步探索如何消除降水和灌溉對測量的誤差。

3.2 晚稻的蒸散量特征

晚稻的日蒸散量白天為正值，夜間部分出現(xiàn)負(fù)值，可能是由于植株夜間的露水凝結(jié)的原因。另外，溫度對晚稻的蒸散作用有滯后效應(yīng)［22］，從8: 00～10: 00 蒸散量緩慢增加，隨著溫度升高，葉片氣孔張開，植株的蒸騰作用和水分蒸發(fā)快速增強(qiáng)，12: 00～16: 00 為1～1.5 mm/h，期間達(dá)到最大值；晚稻的日平均蒸散量約4.7 mm/d，在其關(guān)鍵生育期內(nèi)，日蒸散量大都在4 mm/d 以上，以拔節(jié)-抽穗期的平均蒸散量最大、為5.4 mm/d。

晚稻全生育期內(nèi)，以拔節(jié)-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，這與晚稻的生理活動密切相關(guān)。拔節(jié)-抽穗期隨著氣溫升高和植株轉(zhuǎn)為生殖生長，葉面積指數(shù)達(dá)到最大，田間蒸散轉(zhuǎn)為以葉片蒸騰為主；抽穗-乳熟期葉面積指數(shù)依然較大，營養(yǎng)生長需水量大，蒸散量明顯；乳熟-成熟期葉片逐漸枯萎，蒸散量逐漸減少?？梢?，拔節(jié)至乳熟期為晚稻需水敏感期，確保該時段內(nèi)充足的水分供需是高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，這與丁加麗等［23］對水稻蒸發(fā)蒸騰量的研究結(jié)果基本一致。

3.3 典型天氣晚稻蒸散特征

一般情況下，晴天、多云和陰天為主要灌溉時段。本試驗(yàn)結(jié)果表明，除雨天外，其他天氣晚稻蒸散量的日變化均表現(xiàn)為“Ω”型，以晴天的蒸散曲線峰值最大、為1.3 mm/h；分別對典型天氣晚稻蒸散量進(jìn)行六階曲線擬合，通過R2和P值看，晴天、多云和陰天的晚稻蒸散量回歸模型均達(dá)顯著水平，其中晴天擬合達(dá)到極顯著水平，表明晴天、多云和陰天晚稻蒸散量均呈六階曲線分布，可根據(jù)蒸散特征科學(xué)制定灌溉計劃。由于蒸散儀隔斷了與農(nóng)田的水熱交換，導(dǎo)致蒸散儀內(nèi)土壤水分的供應(yīng)和熱量交換與大田不同，會造成蒸散量測量值與真實(shí)值間的誤差，因此后期要充分考慮這些方面對農(nóng)田蒸散的影響，分析各因素與蒸散量之間的相互關(guān)系及變化的規(guī)律。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，新型超聲波蒸散儀數(shù)據(jù)實(shí)采率、有效數(shù)據(jù)獲取率均在93%以上，其測定精度可達(dá)0.2 mm，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面可以保證大田觀測數(shù)據(jù)的可用性；晚稻全生育期內(nèi)的蒸散量約466 mm 左右，其中分蘗期的累積蒸散量最大、約135 mm，拔節(jié)-抽穗期的日平均蒸散量最大、為5.4 mm/d，表明晚稻在分蘗期和拔節(jié)-抽穗期需水量最大；典型天氣（雨天除外）晚稻蒸散量的日變化均表現(xiàn)為“Ω”型，通過擬合的R2和P值看，晴天、多云和陰天的蒸散量均呈六階曲線分布。