基于渦動相關(guān)儀的蜻蛉河灌區(qū)油菜需水規(guī)律探究

劉楊梅+盧曉鵬

摘 要 云南農(nóng)業(yè)用水占總用水量的72.2%，近年來農(nóng)業(yè)用水被擠占的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)水資源的供需矛盾也變得更加突出。以油菜研究對象，采用EddyPro軟件，通過渦動觀測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，計算了油菜各階段的需水量。本研究采用的渦動觀測系統(tǒng)對云南高原農(nóng)作物進(jìn)行觀測分析研究具有效果明顯的應(yīng)用前景，制定相應(yīng)農(nóng)作物的節(jié)水灌溉制度，對發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)將具有重要的戰(zhàn)略意義，并為云南推廣應(yīng)用先進(jìn)、實用的灌溉試驗新技術(shù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 需水量；渦動觀測系統(tǒng)；油菜

中圖分類號：S274；S565.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.36.063

云南省水資源的時空分布不均，部分地區(qū)水資源供需矛盾突出，特別是實施節(jié)水增糧行動的項目區(qū)，大部分集中在干旱缺水地區(qū)，水資源供需矛盾尤為突出。如何用好、管好水資源，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，是節(jié)水增糧行動項目的關(guān)鍵，也關(guān)系到子孫后代的長遠(yuǎn)發(fā)展。

渦動觀測系統(tǒng)可連續(xù)自動觀測油菜生育期各階段的作物需水量以及灌水量，相對傳統(tǒng)的蒸滲儀，其既不擾動作物下墊面的現(xiàn)狀，又觀測到的是儀器安裝高度100倍范圍內(nèi)的值，極大地增強(qiáng)了觀測試驗的范圍、觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且更具有代表性。

1 渦動系統(tǒng)觀測方法

渦動觀測系統(tǒng)可連續(xù)自動觀測CO2、H2O通量和環(huán)境要素，經(jīng)軟件計算分析出作物ET。

1.1 觀測試驗場地概述

蜻蛉河大型灌區(qū)位于云南省楚雄州姚安縣、大姚縣境內(nèi)，地處云南省中西部，灌區(qū)海拔1860.0～1930.0 m。灌區(qū)屬南亞熱帶干燥季風(fēng)氣候區(qū)，氣候適宜、光熱資源豐富，耕地集中連片，是云南省糧食、經(jīng)濟(jì)作物主產(chǎn)區(qū)之一。

1.2 渦動觀測設(shè)備布置

觀測儀器包括渦動相關(guān)儀和自動氣象站。其中，渦動相關(guān)儀（CSAT-3，氣體分析儀EC150）安裝朝西南方向，架高為3 m；自動氣象站的觀測項目包括三維風(fēng)、空氣溫度、濕度、降水量、氣壓、四分量輻射以及地表輻射溫度、3層土壤熱通量（0.1、0.2、0.3 m）和3層土壤濕度（0.1、0.2、0.3 m）。

1.3 觀測設(shè)計

將渦動觀測系統(tǒng)、波文比系統(tǒng)、雨量觀測系統(tǒng)組合，實現(xiàn)作物需水量的自動監(jiān)測。對油菜進(jìn)行渦動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，通過觀測資料，分析油菜生育期作物需水量，總結(jié)渦動觀測系統(tǒng)在油菜灌溉試驗中的應(yīng)用技術(shù)及經(jīng)驗。

1.4 觀測項目

CR1000數(shù)采器可采集凈輻射、太陽總輻射、波紋比、大氣壓力和溫度平均值等；CR3000可采集動量通量、感熱通量、潛熱通量、CO2通量、CO2/H2O摩爾密度和摩爾分?jǐn)?shù)等；EC150傳感器可觀測到空氣溫度、空氣壓力、空氣密度、空氣比熱容、水汽壓、飽和水汽壓、比濕、相對濕度和露點等原始數(shù)據(jù)。

1.4.1 氣象資料

采用在田間安置的IGRASON及當(dāng)?shù)厮畡?wù)局、氣象局所提供的部分氣象數(shù)據(jù)。

1.4.2 系統(tǒng)工作原理

渦動系統(tǒng)實際運行中，超聲風(fēng)速儀高頻響應(yīng)三維風(fēng)速和虛溫，CO2/H2O分析儀高頻響應(yīng)CO2和H2O，數(shù)據(jù)采集器實時采集這些變量數(shù)據(jù)，并對其做同步處理，之后在線計算得到感熱通量、潛熱（水汽）通量、CO2通量、動量通量及摩擦風(fēng)速，并將計算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)采集單元，以此同時各種高頻變量的原始數(shù)據(jù)也會保存在數(shù)據(jù)采集單元中，從而獲得理想通量數(shù)據(jù)。

1.4.3 植株性狀指標(biāo)

在油菜生育期內(nèi)，每旬對油菜株高進(jìn)行測量記錄。

1.4.4 土壤墑情及熱通量

采用埋設(shè)在地塊中的儀器直接測定土壤墑情和土壤熱通量。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

采用國際上先進(jìn)的EddyPro軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

2 觀測結(jié)果分析

2.1 渦動觀測數(shù)據(jù)分析

油菜生育期2015年1月12日至2015年4月20日，試驗所得數(shù)據(jù)用EddyPro軟件進(jìn)行后處理，得出ET等成果資料。

表1～表4為2015年不同月份數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價結(jié)果。其中感熱通量質(zhì)量好的數(shù)據(jù)占比90%以上的月份為4-6月及8月，分別為92.7%、93.7%、93.2%、90.3%。其余月份感熱通量數(shù)據(jù)質(zhì)量好的數(shù)據(jù)分別占采集總數(shù)據(jù)樣本的88%以上，數(shù)據(jù)可信度較高。Qc=0，1表示質(zhì)量好的數(shù)據(jù)，Qc=2代表質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)。

潛熱通量質(zhì)量好的數(shù)據(jù)占比90%以上的月份為4-8月，其中7月份質(zhì)量好的數(shù)據(jù)占比達(dá)到97%，其余月份感熱通量數(shù)據(jù)質(zhì)量好的數(shù)據(jù)分別占采集總數(shù)據(jù)樣本的85%以上，數(shù)據(jù)可信度較高。

CO2通量質(zhì)量好的數(shù)據(jù)占比90%以上的月份為4-8月，分別為91.0%、94.6%、96.9%、94.0%、91.1%。其中7月份質(zhì)量好的數(shù)據(jù)占比達(dá)到97%，其余月份感熱通量數(shù)據(jù)質(zhì)量好的數(shù)據(jù)分別占采集總數(shù)據(jù)樣本的85%以上，10月份稍差，為81.7%。

2.2 渦度觀測數(shù)據(jù)能量閉合分析

通過采用能量平衡比率（EBR）對渦動相關(guān)法通量觀測的稻田能量平衡閉合狀況進(jìn)行評價，能量平衡比EBR（energy balance ratio）=（H+LE）/（Rn-G）；其中Rn-凈輻射，G-土壤熱通量，S-土壤熱儲量，H-顯熱通量，LE-潛熱通量。結(jié)果表明，在油菜生態(tài)系統(tǒng)中存在能量不閉合現(xiàn)象，但不閉合程度較低。

2.3 作物需水量分析

渦動觀測系統(tǒng)對實時采集的渦動數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)采集單元。將渦動原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理軟件直接得到ET，其中作物需水量ET是由H2O通量換算得到的。

項目區(qū)油菜生育期不同時間ET值（需水量）變化情況：油菜全生育期需水量為304.89 mm。其中苗期需水量為49.11 mm，平均日需水量為1.3 mm/d；蕾薹期需水量為47.83 mm，平均日需水量為1.91 mm/d；開花期需水量為87.06 mm，平均日需水量為2.49 mm/d；成熟期需水量為66 mm，油菜的需水強(qiáng)度在整個生育期間表現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

采用當(dāng)前國際上先進(jìn)的渦動觀測設(shè)備，自動實時采集云南省蜻蛉河灌區(qū)主要糧食作物（油菜）生育期各個階段的需水量及需水強(qiáng)度，為云南制定相應(yīng)農(nóng)作物的節(jié)水灌溉制度，對發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)將具有重要的戰(zhàn)略意義，并為云南推廣應(yīng)用先進(jìn)、實用的灌溉試驗新技術(shù)提供借鑒。

第一，將渦動觀測系統(tǒng)、波文比系統(tǒng)、雨量觀測系統(tǒng)組合，實現(xiàn)作物需水量的自動觀測，解決傳統(tǒng)坑測費時費力以及數(shù)據(jù)代表性不足的缺點。第二，對項目區(qū)油菜生育期2015年1-4月進(jìn)行渦動觀測原始數(shù)據(jù)采集，通過軟件后處理直接分析油菜生育期作物需水量。第三，在油菜生態(tài)系統(tǒng)中存在能量不閉合現(xiàn)象，但不閉合程度較低。項目區(qū)油菜生育期能量平衡比率為0.92，平均不閉合程度為8%；渦動相關(guān)法在油菜通量觀測中具有相對較高可靠性。第四，項目區(qū)油菜全生育期需水量為304.89 mm，與灌溉試驗站及站點計算取得的油菜需水量資料接近。

（責(zé)任編輯：趙中正）