【doc】华北平原旱稻作物系数试验研究

【doc】华北平原旱稻作物系数试验研究 华北平原旱稻作物系数试验研究 第22卷第2期 2006年2月 农业工程 TransactionsoftheCSAE Vo1.22No.2 Feb.200637 华北平原旱稻作物系数试验研究 杨晓光,B.A.M.Bouman,张秋平,薛昌颖, 张天一,许剑勇,王璞.,王化琪. (1.中国农业大学资源与环境学院,北京100094;2.国际水稻研究所,菲律宾马尼拉; 3.中国农业大学农学与生物技术学院,北京10094) 摘要:该文依据2001,2004年4年田问试验资料,利用Penman—Monteith公式计算了北京地区早稻出苗,成熟期问参 考作物蒸散量,并利用农田水量平衡方程及土壤水分胁迫系数计算了作物实际蒸发蒸腾量,由此计算了早稻各生育阶段的 作物系数,并了旱稻作物系数变化规律结果明;北京地区早稻出苗,成熟期间参考作物蒸散量平均为560.1mm; 日平均孕穗,开花期最高为6.8mm/d,年际变化幅度很小.早稻作物系数全生育期平均为1.07,在孕穗,开花期最大,为 1.49,其次为开花,成熟阶段,平均为1.20,拔节,孕穗最小为0.87}在北京气候背景下,早稻作物系数与出苗后天数和大 干O?积温具有较好的三次多项式关系. 关键词;旱稻;作物系数;参考作物蒸发蒸腾量 中图分类号:$274.11$513.01文献标识码:A文章编号:1002—6819(2006)02—0037-05 杨晓光,B.A.M.Bouman,张秋平,等.华北平原旱稻作物系数试验研究[J].农业工 程,2006,22(2):37—41. YangXiaoguang.B.A.M.Bouman,ZhangQiuping,eta1.CropcoefficientofaerobicriceinN orthChinaEJ]+Transac— tionsoftheCSAE,2006,22(2):37--41.(inChinesewithEnglishabstract) 0引言1试验区概况及试验与方法 作物系数(K)定义为作物的实际蒸发蒸腾量 (ET)与实测的或估算的参考作物蒸发蒸腾量(ET.) 的比值,是计算作物需水量必要的参数_】].联合国粮农 组织(FAO)推荐了作物系数的计算方法和标准状态下 (白天平均最低相对湿度459,6,平均风速2m/s,半湿润 气候条件下)各类作物的作物系数参考数值.但由于作 物系数受土壤,气候,作物生长状况和栽培管理方式等 诸多因素影响,确定各地区],各类作物的实际值], 应利用实地的试验资料计算.前人对中国不同地区,不 同作物的作物系数确定方法和数值进行大量的研究,并 取得了许多研究成果],但对旱稻作物系数的研究至 今未见报道. 旱稻亦称陆稻,为水稻的变种,类似小麦,玉米一样 直播种植,无需淹水层,因其具有抗旱,节水,省工,省肥 等优势,在水资源短缺的严峻形势下,旱稻成为解决稻 米安全的新途径_9].现阶段,中国对早稻在灌溉管理等 方面的研究刚刚起步,缺乏有关节水灌溉方面的基础研 究数据.目前国内外尚未见旱稻作物系数的研究报导. 本研究以4年田间试验资料为基础,求算作物的实际蒸 发蒸腾量,利用FAO最新推荐的Penman—Monteith公 式计算参考作物蒸发蒸腾量_1],首次得到旱稻不同时期 的作物系数,以期为旱稻需水量的计算提供科学依据. 01—18修订日期{2006—01—13 收稿日期:2005— 基金项目国际合作项目IRRI—CAU(2001—2004);"863"重大专 项(2002AA2Z4021)部分研究内容 作者简介:杨晓光(1967一),女,博士,副教授,博士生导师.主要从 事农业气候资源和水资源利用方向研究.北京中国农业大学资源 与环境学院,10094 1.1试验区概况 试验于2001~2004年在北京中国农业大学昌平试 验站进行.试验站(40.02N,116.lOE,海拔43m)属暖 温带半湿润半干旱季风气候区.l近30a气候资料表明, 12?,0C积温为4606C,日照时数 年平均气温11, 为2600~2700h,无霜期为19o,197d,年平均降水量 为638.3mm,年蒸发量为2002mm,地下水埋深为25 , 26m. 试验地块0h100cm土壤质地为壤土,容重为1.39 , 1.62g/cm.,田间持水量为26(质量含水率),凋萎 系数为9.59,6(质量含水率). 供试作物为中国农业大学早稻研究中心培育改良 新品种旱稻297.该品种在国内推广面积较大,产量水 平为5,6t/hm.旱稻采取条播方式,行距为30cm,播 种量为120kg/hm.播种日期为5月14,18日,成熟 日期为1O月5,11日. 1.2试验设计 根据旱稻生长发育特征将旱稻全生育期划分为苗 期,拔节,拔节,孕穗,孕穗,开花,开花,灌浆4个阶 段.每个生育阶段设计适宜灌溉的水分处理,即根区土 壤水分为田间持水量的8O,出苗,拔节考虑0,3O cm土层,拔节,开花O,50cm土层,开花,成熟考虑 O,80cm土层当土壤水分下降到田间持水量的759/5 时开始灌溉,灌溉至田问持水量的85.已有研究结果 表明,早稻适宜土壤水分为田间持水量的8o%-1;旱稻 8O根系在出苗,拔节阶段集中在0"--3Ocm,拔节, 开花阶段集中在0h5Ocm土层,开花,成熟阶段集中 在O,8Ocm[?],因此,设计水分处理的深度依据根系分 农业工程 布的深度变化.每个处理为一个小区,小区面积为6m ×9m一54m,4次重复.各处理间设1m隔离带,防止 水分的侧向运移.每个处理除水分管理外,其他管理方 式完全一致.全生育期纯N,PO,KO施入量分别为 225,120,60kg/hm,除N肥外,其他均为基肥一次性 施人.N肥分基肥,最大分蘖期,孕穗期3次施人,各次 比例为4O,3O,3O9,6. 利用北京超能科技公司生产的CNc5O3B新型智 能中子水分仪,每隔7d测定o,l60cm土壤含水率, 每隔20cm测定一次,用土钻法测定O,30cm土壤水 分,各生育阶段初末,灌溉前后,降水前后加测. 作物出苗后,记录作物发育期(以5O9/5为标准),每 隔15d进行作物农艺性状测定,包括植株密度,株高, 叶面积和各器官的干物重. 利用低压管道灌溉,以水表计量灌溉量,在田间利 用雨量筒测定降水量.气象资料来源于昌平气象站. 田间管理保证早稻正常生长发育,没有病虫害影 响,为当地气候,土壤背景条件下最佳产量. 1.3研究方法 作物系数(K)可由(1)式求得 K:? 式中K——作物系数(比值,无量纲);ET<——作物 实际蒸发蒸腾量,mm,指在适宜的土壤水分条件下,作 物正常生长发育,获得较高产量作物的蒸腾和棵间蒸发 量之和;ET.——时段内参考作物蒸发蒸腾量,mm,可 通过Penman—Monteith公式计算参考蒸散量__1],见公式 (2) 7——干湿表常数,kPa?C,. 公式(2)中2m高处风速可利用气象站测定的 10m处风速,见公式(3)? A07 uz一U(3) 式中——米高处风速,m/s,本文中2—10. 利用气象站逐日气象资料计算参照作物蒸腾量 (mm?d),生育期内逐日累加可求出时段内参照作物 蒸腾量(mm). 公式(1)中作物实际蒸发蒸腾量E可利用农田 水量平衡原理计算 ET一I+P+?一R—S(4) 式中一时段内灌溉量,mm;P——时段内降水 量,mm;?——相邻两次取土测定土壤水分时问间 隔内,根区土壤贮水量的变化,mm;尺——径流量,在 平原地区可以忽略不计,mm;S——土体下边界净流 通量,本文取下边界为160cm,远大于计划湿润层,可 以计为0. 为考虑田间实际土壤含水率低于试验充分灌溉设 计的要求,用土壤水分修正系数K订正[1,见公式(5), 以保证E为适宜的土壤水分条件下作物实际蒸发蒸 腾量,即作物需水量.当K<1时,E7.一ET;/K,当 K=1时,E丁一ET,E丁为利用公式(4)求算的实际 耗水量. —— K=In[(岳)×100+1]/lnl01(5)U 式中——根层土壤实际含水量;S——根层土壤 田间持水量;S——根层土壤凋萎系数. 11 o-408A(R一G)4-72(一结果与分析 (ON 2 …一... . ... . , . ,.一2.1早稻各生育阶段参考作物蒸散量中兄—— 地孝净辐射,MJ.m.-2:d-.1.1G——专壤利一2罩矗百平区气象站的气热 通量,MJ.m.:. _. , 在警曼中可以认塑G,象数据,.据公式(2),n日作蒸霰:结 一o;f——2m高度处的平均气温,?;U——2m高度早稻各生育期田间记录的FI 期,计算出北京气候条件下 处风速,m.;——饱和水汽压rkPa;——实际各生育阶段内参考作物蒸散量及日平 均值(表1). 年份 出苗,拔节拔节,孕穗孕穗,开花开花,成熟全生育期 总量日均总量日均总最日均总量日均总量口均 2001307.9 2002286.9 2003289.6 2004298.2 平均295.7 由表1可以看出,4年中旱稻生长季内各阶段参考 作物蒸散量的2个峰值为出苗,拔节阶段和开花,成 熟阶段,其中出苗,拔节的阶段参考作物蒸散量最大,4 年中分别占全生育期参考作物蒸散量的55.1, 50.0,53.4和52.89/5,其次是开花到成熟阶段,4年 分别占全生育期参考作物蒸散量的2O.7,23.5oA, 27.3和25.7.因为出苗,拔节阶段和开花,成熟 阶段这2个峰值时段适逢北京地区的春末和秋初,2个 阶段的气候特点是辐射强,多风,降水少.此外,阶段性 参考作物蒸散量与作物该阶段持续时间的长短有关,出 第2期杨晓光等:华北平原早稻作物系数试验研究 苗,拔节和开花,成熟是早稻生长季内持续时间最长 的2个生长阶段,分别为60d左右和45d左右.参考作 物蒸散量日平均值,孕穗,开花阶段最高;其次是出苗 , 拔节阶段,参考作物蒸散量日平均值在4.4,5.0 mm/d之间,且该时段在4年中的日平均参考作物蒸散 量相差不大,表明与北京地区的气候特点关系密切.参 考作物蒸散量日平均值最少的阶段为开花,成熟阶段, 平均为2.7mm/d,而且变化幅度不大,该阶段是北京 的雨季,降水较多且集中,气象蒸发能力相对较弱. 2.2早稻各生育阶段实际蒸发燕腾量 依据4年田间试验早稻各生育阶段内降水量,灌溉 量及各生育阶段初末根区土壤贮水量的变化数据,利用 公式(5)计算土壤水分订正系数K,结果K处于0.99 , 1之间,说明实际土壤水分处理满足试验设计要求. 利用公式(4)计算早稻各生育阶段的实际蒸发蒸腾量 (需水量),见表2.表中的模比系数表示各生育阶段的 需水量占旱稻整个生长季内总需水量的百分比,需水强 度则是某阶段内的需水量与该阶段持续天数的比值. 由表2可以看出早稻出苗后实际蒸发蒸腾量(需水 量)的下列特征:(1)早稻在整个生长季内总的需水量在 650,690mm之间,平均为671.9mm,不同年份略有 差别.与同类作物水稻相比(840mm),可节水约 2O.1_1.(2)从需水量的模比系数看,需水量最大的 生育阶段为出苗,拔节阶段,模比系数为41.7%, 43.5;其次是开花,成熟期,模比系数为19.5, 25.79,6,平均23.49/6,这与作物参考蒸散量变化规律一 致.(3)早稻的需水强度在整个生育期内的变化趋势表 现一致.出苗后,均以孕穗,开花阶段的需水强度最大, 为8.2,11.1mm/d,平均9.8mm/d,根据前人的研究 结果,需水强度越大的阶段,作物对水分的敏感程度越 高_】,早稻最主要的水分敏感期为孕穗,开花阶段. (4)早稻全生育期的需水强度为4年平均值4.6mm/d, 远低于北方地区同类作物水稻的平均需水强度7.3 裹22001~2004年旱稻各生育阶段实际蒸发蒸腾量 Table2Cropwaterrequirementofaerobicrice ateachgrowthstagefrom2001tO2004 2002 播种,出苗 出苗,拔节 拔节,孕穗 孕穗,开花 开花,成熟 全生育期 播种,出苗 出苗,拔节 z.. 釜蓑: 开花,成熟 全生育期 播种,出苗 出苗,拔节 4年拔节,孕穗 平均孕穗,开花 开花,成熟 全生育期 2.3旱稻各生育阶段的作物系数 利用公式(1)计算各生育阶段的作物系数见表3. 表32001~2004年旱稻各生育阶段的作物系数 Table3Cropcoefficientsofaerobicriceateachgrowthstagefrom2001tO2004 实际蒸发蒸腾量E/ram 参考作物蒸散量Eo/ram 作物系数 162.2 134.9 1.20 实际蒸发蒸腾量E/mm 参考作物蒸散量Eo/ram 作物系数K 实际蒸发蒸腾量E/mm 参考作物蒸散量ETo/mm 作物系数K 平均作物系数K 40农业工程 从表3中可以看出,早稻全生育期的作物系数年际 之间相差不大,在1.03,1.10之间波动,平均为1.07, 比同类作物水稻在北方地区的全生育期作物系数 1.32n相比低24.5.早稻的作物系数在生育期内呈 现明显的"单峰"变化趋势,孕穗,开花阶段最大为1.39 , 1.67,平均为1.49,其次是开花,成熟阶段,为1.10 , 1.30,平均为1.20;从各生育阶段作物系数来看,以 孕穗,开花阶段为早稻水分敏感期.这一结果与前人对 其他作物的作物系数研究结果一致口.同一生育期 的作物系数年际间变化不大,表现出很好的稳定性. 2.4作物系数与积温及出苗后天数的关系 根据4年的田间试验结果,构建了作物系数与积温 和出苗后天数的相关关系.作物系数与作物生长发育有 直接关系,而积温和出苗后天数反映了作物生长发育过 程特征.因此,本文以热量指标为变量,建立作物系数与 作物生长发育过程的直接关系l2],为简易求算早稻系数 提供直接方法. 宴 鲻 霉 图1作物系数与出苗后天数的关系 Fig.1Relationshipsbetweencropcoefficient andthedaysafter.emergenceforaerobicrice 遑 鲻 图2作物系数与大于0?积温的关系 Fig.2Relationshipsbetweencropcoefficientandthe cumulativetemperatureabove0?foraerobicrice 图1为作物出苗后天数与作物系数的曲线关系,图 2为大于O'C积温与作物系数的关系图.分别用多项式 对两种关系进行回归分析,结果表明,早稻的作物系数 与出苗后天数呈三次多项式关系,与大于0?积温呈二 次多项式关系,分别见公式(6)和公式(7). Y一口+bx+f1+d(6) Y—bx;+c2+d(7) 式中——作物系数;——出苗后天数,d;.…一, 大于0?积温.分析图1和图2曲线拟合结果见表4.回 归系数(R.)分别为0.9616和0.8584,表明两条曲线与 实测数据拟合都非常好. 表4早稻作物系数与出苗后夭数及大于0?积温回归方程 Table4Regressionfunctionbetweencropcoefficient andthedaysafteremergence,thecumulative temperatureaboveO?foraerobicrice 在相似的气候背景条件下,可以根据表4中的方程 系数,在已知大于0?积温,或出苗后天数的前提下,粗 略推算早稻的作物系数,使用比较方便. 3结论 1)依据4年田间试验资料,结合FAO推荐的方 法,北京地区早稻(出苗,成熟)参考作物蒸散量为 542.8,573.8mm,出苗,拔节和开花,成熟2个阶段 最高;孕穗,开花阶段日平均值最高. 2)旱稻实际蒸发蒸腾量(需水量)在整个生长季内 (播种,成熟)平均为671.9mm,不同年份略有差别 (650,690mm),与水稻相比节水约20.19/6.孕穗,开 花阶段对水分的敏感程度最高. 3)早稻作物系数年际间变化不大,表现出很好的 稳定性,全生育期的作物系数平均为1.07,在生育期内 呈现明显的"单峰"变化趋势,孕穗,开花阶段最大平均 为1.49,其次是开花,成熟阶段,平均为1.20,拔节, 孕穗最小为0.87. 4)早稻作物系数与出苗后天数呈现三次多项式关 ?积温呈二次多项式关系,回归曲线与实 系,与大于0 测数据拟合很好,且相关系数(R)均在0.85以上,在 相似气候背景条件下,可利用出苗后天数或累积积温粗 略推算作物系数. 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(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094,China; 2.InternationalRiceResearchInstitute,Manila,Philippine; 3.CollegeofAgronomyandBiotechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094,China) Abstract:Accordingtothefieldexperimentsfrom2001to2004,referencecropevapotranspirationinBeijingwere calculatedbyusingPenman— Monteithequationandactualcropevapotranspirationwereachievedbywaterbalance equationandadjustmentcoefficientofsoilwater.Cropcoefficientsofaerobicriceindifferentstageswerecalculat— edbasedontheaboveresults.Variationsofcropcoefficientwerealsoanalyzed.Theresultsindicatethataverage referencecropeVapotranspirationduringthegrowthstageinBeijingis560.1mmandthehighestdailyvaluein thestagefrombootingtofloweringis6.8mm/dwithalittlevariationsamongyears.Averagecropcoefficientfor thewholestageis1.07.Thehighestvalue,1.49,occurresatthestagefrombootingtoflowering.thenthestage fromfloweringtomaturitywiththevalueof1.20,andthelowestvalueisatthestageofjointingtobootingof 0.87.Thereisagoodrelationshipamongcropcoefficientofaerobicrice,thedaysafteremergence,andthecumu— lativetemperatureabove0?. Keywords:aerobicrice;cropcoefficient;referencecropevapotranspiration