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运用涡动系统观测油菜各阶段的需水量
发布时间:2017-06-30


云南省水资源的时空分布不均,部分地区水资源供需矛盾突出,特别是实施节水增粮行动的项目区,大部分集中在干旱缺水地区,水资源供需矛盾尤为突出。如何用好、管好水资源,实现水资源的可持续利用,是节水增粮行动项目的关键,也关系到子孙后代的长远发展。

涡动观测系统可连续自动观测油菜生育期各阶段的作物需水量以及灌水量,相对传统的蒸渗仪,其既不扰动作物下垫面的现状,又观测到的是仪器安装高度100倍范围内的值,极大地增强了观测试验的范围、观测数据准确且更具有代表性。

1 涡动系统观测方法

涡动观测系统可连续自动观测CO2、H2O通量和环境要素,经软件计算分析出作物ET.

1.1 观测试验场地概述

蜻蛉河大型灌区位于云南省楚雄州姚安县、大姚县境内,地处云南省中西部,灌区海拔1860.0~1930.0 m.灌区属南亚热带干燥季风气候区,气候适宜、光热资源丰富,耕地集中连片,是云南省粮食、经济作物主产区之一。

1.2 涡动观测设备布置

观测仪器包括涡动相关仪和自动气象站。其中,涡动相关仪(CSAT-3,气体分析仪EC150)安装朝西南方向,架高为3 m;自动气象站的观测项目包括三维风、空气温度、湿度、降水量、气压、四分量辐射以及地表辐射温度、3层土壤热通量(0.1、0.2、0.3 m)和3层土壤湿度(0.1、0.2、0.3 m)。

1.3 观测设计

将涡动观测系统、波文比系统、雨量观测系统组合,实现作物需水量的自动监测。对油菜进行涡动观测系统数据采集,通过观测资料,分析油菜生育期作物需水量,总结涡动观测系统在油菜灌溉试验中的应用技术及经验。

1.4 观测项目

CR1000数采器可采集净辐射、太阳总辐射、波纹比、大气压力和温度平均值等;CR3000可采集动量通量、感热通量、潜热通量、CO2通量、CO2/H2O摩尔密度和摩尔分数等;EC150传感器可观测到空气温度、空气压力、空气密度、空气比热容、水汽压、饱和水汽压、比湿、相对湿度和露点等原始数据。

1.4.1气象资料

采用在田间安置的IGRASON及当地水务局、气象局所提供的部分气象数据。

1.4.2系统工作原理

涡动系统实际运行中,超声风速仪高频响应三维风速和虚温,CO2/H2O分析仪高频响应CO2和H2O,数据采集器实时采集这些变量数据,并对其做同步处理,之后在线计算得到感热通量、潜热(水汽)通量、CO2通量、动量通量及摩擦风速,并将计算结果保存在数据采集单元,以此同时各种高频变量的原始数据也会保存在数据采集单元中,从而获得理想通量数据。

1.4.3植株性状指标

在油菜生育期内,每旬对油菜株高进行测量记录。

1.4.4土壤墒情及热通量

采用埋设在地块中的仪器直接测定土壤墒情和土壤热通量。

1.5 数据处理分析

采用国际上先进的Eddy Pro软件进行数据后处理。

2 观测结果分析

2.1 涡动观测数据分析

油菜生育期2015年1月12日至2015年4月20日,试验所得数据用Eddy Pro软件进行后处理,得出ET等成果资料。

表1~表4为2015年不同月份数据质量的评价结果。其中感热通量质量好的数据占比90%以上的月份为4-6月及8月,分别为92.7%、93.7%、93.2%、90.3%.其余月份感热通量数据质量好的数据分别占采集总数据样本的88%以上,数据可信度较高。Qc=0,1表示质量好的数据,Qc=2代表质量较差的数据。

潜热通量质量好的数据占比90%以上的月份为4-8月,其中7月份质量好的数据占比达到97%,其余月份感热通量数据质量好的数据分别占采集总数据样本的85%以上,数据可信度较高。

CO2通量质量好的数据占比90%以上的月份为4-8月,分别为91.0%、94.6%、96.9%、94.0%、91.1%.其中7月份质量好的数据占比达到97%,其余月份感热通量数据质量好的数据分别占采集总数据样本的85%以上,10月份稍差,为81.7%.
2.2 涡度观测数据能量闭合分析

通过采用能量平衡比率(EBR)对涡动相关法通量观测的稻田能量平衡闭合状况进行评价,能量平衡比EBR(energy  balance  ratio)=(H+LE)/(Rn-G);其中Rn-净辐射,G-土壤热通量,S-土壤热储量,H-显热通量,LE-潜热通量。结果表明,在油菜生态系统中存在能量不闭合现象,但不闭合程度较低。

2.3 作物需水量分析

涡动观测系统对实时采集的涡动数据保存在数据采集单元。将涡动原始数据通过数据处理软件直接得到ET,其中作物需水量ET是由H2O通量换算得到的。

项目区油菜生育期不同时间ET值(需水量)变化情况:油菜全生育期需水量为304.89 mm.其中苗期需水量为49.11 mm,平均日需水量为1.3 mm/d;蕾薹期需水量为47.83 mm,平均日需水量为1.91 mm/d;开花期需水量为87.06 mm,平均日需水量为2.49 mm/d;成熟期需水量为66 mm,油菜的需水强度在整个生育期间表现为先增大后减小的变化规律。

3 结论

采用当前国际上先进的涡动观测设备,自动实时采集云南省蜻蛉河灌区主要粮食作物(油菜)生育期各个阶段的需水量及需水强度,为云南制定相应农作物的节水灌溉制度,对发展节水农业将具有重要的战略意义,并为云南推广应用先进、实用的灌溉试验新技术提供借鉴。

第一,将涡动观测系统、波文比系统、雨量观测系统组合,实现作物需水量的自动观测,解决传统坑测费时费力以及数据代表性不足的缺点。第二,对项目区油菜生育期2015年1-4月进行涡动观测原始数据采集,通过软件后处理直接分析油菜生育期作物需水量。第三,在油菜生态系统中存在能量不闭合现象,但不闭合程度较低。项目区油菜生育期能量平衡比率为0.92,平均不闭合程度为8%;涡动相关法在油菜通量观测中具有相对较高可靠性。第四,项目区油菜全生育期需水量为304.89 mm,与灌溉试验站及站点计算取得的油菜需水量资料接近。
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