江晓东，华梦飞，胡 凝，申双和，杨晓亚，杨沈斌，郭建茂



不同水源灌溉对水稻高温热害影响的微气象学分析*

江晓东，华梦飞，胡 凝，申双和，杨晓亚，杨沈斌，郭建茂

（南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044）

高温热害是长江中下游地区水稻常见的农业气象灾害，井水和池塘水灌溉是水稻高温热害过程中常用的农业措施。为研究高温热害下不同灌溉水源对稻田微气象的影响，以两优培九为研究对象，在高温热害期间（2016年8月12−18日）开展田间试验。试验分3个处理，T1：用池塘水每日8：00灌溉，田间水层达10cm后停止，18：00排干，灌溉水温平均30.5℃；T2：用井水每日8：00灌溉，田间水层达10cm后停止，18：00排干，灌溉水温平均18.2℃；CK：试验开始当天用池塘水灌溉至田间水深达10cm后停止，夜晚不排放，当田间水深低于5cm时补充灌溉至10cm，试验期间每日8：00田间平均水温27.2℃。对稻田不同层次的土温和水温、水稻冠层不同层次温湿度、冠层顶部（120cm）叶温、冠层上方太阳辐射等指标进行测定，用Penman-Monteith分层模式计算稻田能量平衡各分量的日变化。结果表明：白天（8：00−18：00），所有处理各层次冠层内气温和地温均为T1>CK>T2，随着冠层高度增加，处理间气温差异逐渐减小；随着土壤深度增加各处理间地温差异逐渐减小。夜间（18：00−次日8：00），各处理间5cm地温差异最大，其次为冠层40cm处。不同灌溉水温改变了各处理的能量平衡分量，水体含热量的变化（Q）表现为T2>CK>T1，土壤热通量（G）、显热通量（H）和潜热通量（LE）均表现为T1>CK>T2。说明较高温度的池塘水灌溉加重了水稻的高温热害，而较低温度的井水灌溉对抵御高温热害有良好效果。

水稻；高温热害；灌溉水源；温度；能量平衡

随着全球工业的发展，温室气体的排放量逐年上升，由此产生的温室效应也越来越严重，温室效应导致全球气温不断升高，1880−2012年全球表面温度上升0.85℃[1]。研究表明，预计未来几十年内全球将以0.1～0.2℃·10a−1的速度持续升温[2]，到2100年，气温将比现在上升4.8℃左右[1]。在全球气候变暖的背景下，极端气候事件的发生频率和强度有所增加[3−4]，对生态及农业生产造成严重影响[5−7]。当日平均气温≥30℃或日最高气温≥35℃的天气持续3d以上，水稻就会发生高温热害[8]。研究表明，开花期水稻受到高温胁迫时，光合能力下降，花粉形成数量减少，花粉的活力、萌发率均显著降低，水稻结实率下降，导致水稻减产[9−10]。灌溉是抵御水稻高温热害的有效措施，史宝忠等[11]研究表明，灌溉比不灌溉日平均温度降低0.3℃；张彬等[12]研究表明，灌溉深度越大，冠层降温越显著。段骅等[13]研究表明，抽穗灌浆期高温胁迫下实施轻干湿交替灌溉，虽然水稻冠层温度与水层灌溉无显著差异，但可以提高产量和品质；程建平等[14]研究表明，全生育期间歇灌溉可以提高水稻水分利用效率、品质和产量。

稻田能量交换与温度变化密切相关，植物冠层能量平衡耦合了土壤、植被和大气之间的能量交换过程，稻田气象要素的变化与能量分配之间关系密切[15]，能量平衡方程中各分量数值的大小可指征稻田中能量流动的特征[16−20]。灌溉会影响稻田中的水热环境[11−12,15]，在实际生产中，地下水、池塘水及河水是主要的灌溉水源，但不同水源水温不同，对稻田小气候有何影响，有待分析研究。为了研究不同灌溉水源对稻田小气候的影响，在水稻抽穗开花期高温热害发生期间，对稻田进行池塘水和地下水灌溉处理，测定稻田的辐射通量、土壤热通量、水稻冠层不同层次的温湿度和不同层次的土温和水温，分析稻田的小气候及能量传输特征，以期为抵御水稻高温热害，提高水稻产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在江苏省南京市南京信息工程大学农业气象试验站（32.2°N，118.7°E）进行。供试水稻品种为两优培九，2016年4月15日播种，大田旱育秧，秧龄30d，5月15日移栽，8月12日始穗，9月28日成熟。大田移栽密度为1.4×105穴·hm−2，每穴1苗，株距0.17m，行距0.26m。试验在2016年8月12−18日（抽穗期）高温热害发生期间开展，设置3个灌溉处理，分别为：T1，用池塘水每日8：00灌溉，田间水层达10cm后停止，18：00排干，持续7d，灌溉水温平均30.5℃；T2，用井水每日8：00灌溉，田间水层达10cm后停止，18：00排干，持续7d，灌溉水温平均18.2℃；对照（CK），试验开始当天用池塘水灌溉至田间水深达10cm后停止，夜晚不排放，当田间水深低于5cm时补充灌溉至10cm，持续7d，试验期间每日8：00田间平均水温27.2℃。每个处理3个重复，每个重复小区面积为5m×5m。池塘水灌溉处理和井水灌溉处理在8月11日夜间已排去田间水层，对照处理保留田间水层。试验期间除灌溉条件外，其它田间管理措施按照高产田进行。

灌溉处理期间，每个灌溉处理随机选择一个小区，在小区中心位置插入竖杆，在竖杆上布置相关传感器，观测稻田1.5m处的太阳总辐射和净辐射，水稻冠层顶部的叶温，水稻冠层内40cm（水稻植株高度1/3处）、80cm（水稻植株高度2/3处）、120cm（水稻植株高度顶端）和130cm（水稻植株高度顶端10cm处）处的气温和相对湿度，5cm深处水温，0、5、10和20cm的土壤温度和土壤热通量。太阳辐射由四分量净辐射传感器(CNR4，Kipp & Zonen，NED)测定，叶温由红外传感器（SI-111，Apogee，USA）测定，冠层温湿度由温湿度传感器（HOBO U23-001，Onset，USA）测定，水层温度和土壤温度由温度传感器（HOBO U23-003，Onset，USA）测定，土壤热通量由热通量板（HFT03，Campbell Scientific，USA）测定，埋在土层5cm处。稻田1.5m处风速由自动气象站（U30-NRC，Onset，USA）记录。观测数据由数据采集器（CR3000，Campbell Scientific，USA）自动采集，采集频率为1/60Hz。

试验期间的气象数据见图1。由图可见，8月12−18日，稻田日平均气温分别为32.1、33.0、33.0、32.6、32.0、31.4和32.2℃，平均为32.3℃；日最高气温分别为36.7、36.7、37.3、36.9、36.6、35.9和37.0℃，平均为36.7℃，水稻遭受严重的高温热害[8]。

图1 2016年试验期间气象数据

1.2 能量平衡的计算方法

以Penman-Monteith的冠层阻抗模型为基础，建立各层子模式[21]。将稻田在垂直方向上划分为两层，分别为植物冠层和水层，在忽略系统内能前提下，冠层吸收的净辐射全部用于显热和潜热交换（用于冠层生长所需的辐射可忽略不计[22]），即

式中，Rn1为冠层吸收的净辐射（W∙m−2），Hf为叶片（120cm）与空气（130cm）的显热通量（W∙m−2），Hl为冠层高度空气（120cm）与冠层上方空气（130cm）的显热通量（W∙m−2），LEf为冠层高度叶片（120cm）与空气（130cm）的潜热通量（W∙m−2），LEl为冠层高度空气（120cm）与冠层上方（130cm）空气的潜热通量（W∙m−2），ρCp为空气的定容比热（1240J∙m−3），γ为干湿球常数（0.667hPa∙℃−1），Tf为冠层高度（120cm）叶温（℃），T为冠层上方（130cm）气温（℃），Tl为冠层高度（120cm）气温（℃），e为冠层上方（130cm）实际水汽压（hPa），el为冠层高度（120cm）实际水汽压（hPa）；ef*是温度为Tf时的饱和水汽压（hPa），rf为叶片边界层阻力（s∙m−1），rs为冠层气孔阻力（s∙m−1）。

水层的能量平衡可由下列方程表示

式中，Rn2为水层吸收的净辐射（W∙m−2），H2为水层与冠层空气（120cm）的显热通量（W∙m−2），LE2为水层与冠层空气（120cm）的潜热通量（W∙m−2），T2为田间5cm水层温度（℃）；e2*为温度是T2时的饱和水汽压（hPa），raH1和raLE1以及raH2和raLE2为冠层和水层显热通量和潜热通量的空气动力学阻力（s∙m−1），在中性层结下两者相等，统一为ra1和ra2。G为土壤热通量（W∙m−2），由热通量板(HFT03，Campbell Scientific，USA)测得，Q为水体含热量的变化（W∙m−2），以每小时变温计算。Cw为水的比热（4200J∙kg−1∙℃−1），ρw为水的密度（1000kg∙m−3），Dw为灌水深度（10cm），Tw为水温（℃）。

将冠层和水层能量平衡方程合并可得出稻田总能量平衡方程，即

式中，Rn为稻田净辐射（W∙m−2），由四分量辐射传感器(CNR4，Kipp & Zonen，NED)测得；H为稻田显热通量（W∙m−2），为H1、H2、Hf的和；LE为稻田潜热通量（W∙m−2），为LE1、LE2和LEf的和。阻力项可由以下各式求得

式中，W为叶片的特征尺度（水稻叶片为0.02），u为冠层高度（120cm）风速（m∙s−1）。

气孔阻力的影响因子很多，在水分充足的条件下，可只考虑太阳辐射对其的影响，即

式中，S为到达冠层的总太阳辐射强度（W∙m−2）。

冠层上方的空气动力学阻抗采用Thom等[23]的公式，即

式中，Za为参考高度（120cm），d为零平面位移（m），Z0为粗糙度（m），一般与植株高度h（120cm）有关，d=0.63h，Z0=0.13h。k为卡门常数，取0.4，u0为参考高度Za的风速（m∙s−1）。

冠层顶的湍流交换系数K(h)由下式求得[24]

冠层内部的空气动力学阻抗为

式中，α为衰减系数，取值2.5，Z1和Z2分别为冠层的高度（120cm和5cm）。

1.3 数据分析

采用Matlab和Excel进行数据处理。由于每天的气温变化规律相同，因此，将试验期间7d（8月12−18日）每天的太阳辐射、气温、水温、土温等物理量和能量平衡分量作平均处理，数据均取7d的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同水源灌溉后稻田温度的垂直分布

由图2可见，高温期间用不同水源灌溉后，田间20cm地层−地面130cm垂直范围内，温度分布状况按白天和夜间分别统计后各处理差异有所不同。图2a显示，由于灌溉时池塘水（T1，灌溉水温平均30.5℃）、井水（T2，灌溉水温平均18.2℃）与田间水（CK，8：00平均水温27.2℃）的温度明显不同，因此，灌溉当天稻田内水层平均温度间出现明显差异，白天（8：00−18：00）T1、T2和CK处理平均水温（5cm水层处）分别为29.6℃、27.9℃、和28.7℃，池塘水处理最高，井水处理最低。地面以上40、80、120和130cm处各处理冠层内空气温度均表现出池塘水处理（T1）最高，井水处理（T2）最低，CK居中的特点，且随着高度增加处理间气温差异逐渐减小，由40cm处T1比CK高0.4℃、T2比CK低0.5℃逐渐降至130cm处的T1比CK高0.2℃、T2比CK低0.1℃。水层以下，各处理地表以及地下5cm、10cm、20cm土壤温度间也表现出同样的变化规律，即T1>CK>T2，其中0cm地温差异最明显，差值分别为1℃和0.6℃，土层往下温差逐渐减小，5cm处差值分别为0.6℃和 0.5℃，10cm处为 0.5℃和0.3℃，20cm处为 0.3℃和0.1℃。

由图2b可见，夜间(18：00−次日8：00)，T1、T2处理由于田间排干水层，因此，地下5cm−地上80cm处温度分布出现与白天明显不同的变化。池塘水（T1）和井水（T2）处理温度均下降较快，明显低于CK处理，其中井水（T2）处理中温度下降更快，5cm地温处理间差异最大，T2比CK低1.0℃，T1比CK低0.5℃，其次为冠层40cm处，T2比CK低0.5℃，T1比CK低0.4℃。地下10cm、20cm温度特点与白天大致相同，仍然表现为T1>CK>T2；地上120、130cm处的差异已不明显。

图2 试验期间（8月12−18日）不同灌溉处理稻田垂直剖面温度分布均值

注：短线表示标准差。下同。

Note：The short line indicates the standard deviation. The same as below.

可见，高温期间向田间引入温度较高的池塘水和温度较低的井水灌溉后，对稻田生态系统20cm地层−地面130cm范围内垂直剖面的温度分布具有明显影响，特别是对5cm地层−地面80cm处的影响更大。池塘水灌溉提高了稻田生态系统垂直方向各层次的温度，而井水则降低了各层次温度。

2.2 不同水源灌溉后稻田能量平衡分析

高温期间向田间引入温度较高的池塘水和温度较低的井水灌溉后，各处理温度垂直剖面分布影响了能量的传导。各处理净辐射通量（Rn）使用的是相同的数值，由图3a可见，各处理稻田的净辐射通量变化呈单峰曲线，在12：00达到最大值。

由图3b可见，不同处理间显热通量（H）的日变化差异明显，在9：00−17：00稻田的H值均表现为T1>CK>T2，T1和CK的H值均呈单峰曲线变化，T2的H值呈双峰曲线变化。T1在12：00时达到日最大值150.79W∙m−2，比T2高67.95W∙m−2，比CK高31.67W∙m−2；T2的H在9：00达到低谷−34.44W∙m−2，这是由于井水温度较低（18.2℃），改变了稻田热量流动方向，使稻田热量向水中传递。在12：00时达到日最大值82.84W∙m−2。各处理H在18：00−次日6：00的H数值在10W∙m−2附近波动，处理间无明显差异。整日T1显热交换传递热量为4.20MJ∙m−2，T2为2.09MJ∙m−2，CK为3.53 MJ∙m−2。

图3c表明，各处理稻田潜热通量（LE）的日变化均呈单峰曲线，各处理间LE值有一定差异。8：00−17：00各处理LE皆表现为T1>CK>T2，8：00灌溉后T1的LE高于CK是由于T1水温较高（30.5℃），使得田间温度上升，促进潜热交换。所有处理均在12：00达到日最大值，T1、T2和CK的LE分别为326.00、294.62和310.95W∙m−2。T1、T2处理的LE值在5：00−6：00由负值转变为正值，在18：00稻田灌溉水排干后变为负值，而CK的LE值始终为正值。在19：00−次日5：00，CK处理LE高于T1、T2。8：00−18：00，T1、T2和CK的LE值分别为7.03、6.09和6.78MJ∙m−2；19：00−次日8：00，T1、T2和CK的LE值分别为−0.12MJ∙m−2、−0.16MJ∙m−2和0.48MJ∙m−2。

由图3d可见，各处理稻田水体含热量（Q）的日变化差异明显。T1和CK的Q表现为单峰曲线变化规律，T2为双峰曲线。T1处理灌溉水温较高（30.5℃），在8：00灌溉后由于水体向外放热而使水温降低，Q值达到低谷−7.43W∙m−2，而后Q逐渐升高，在13：00达到峰值56.38W∙m−2，比CK低14.01W∙m−2；T2处理灌溉水温较低（18.2℃），在8：00灌溉后由于水体吸热，促使Q值迅速上升，9：00达到日最大值130.43W∙m−2，之后水温上升导致水体吸热减慢使得Q值降低，10：00达到低谷90.48W∙m−2，在13：00达到第2峰值109.43W∙m−2，CK的Q值也在13：00达到日最大值70.39W∙m−2，此时T2比CK高39.04W∙m−2。T1和CK处理的Q值在15：00−16：00开始发生转折，由正值变为负值，T2变为负值的时间较T1和CK明显延后，发生在16：00−17：00。而19：00−次日7：00期间由于T1和T2处理田间无水层，因此Q为0W∙m−2。8：00−18：00，水体吸热量T1为0.57MJ∙m−2，T2为2.46MJ∙m−2，CK为0.93MJ∙m−2。19：00−次日8：00，T1和T2田间无水，水体吸热量均为0，CK为−0.59MJ∙m−2。

图3 试验期间（8月12−18日）不同处理能量平衡分量日变化均值

T1和T2处理的土壤热通量（G）的日变化也呈双峰曲线，CK则呈单峰曲线变化（图3e）。在9：00−17：00各处理G值皆表现为T1>CK>T2，18：00−次日6：00呈现相反规律，即T2>CK>T1。T1处理在9：00由于灌溉水体温度较高（30.5℃）加大了热量向土壤传递，水体中的热量被土壤吸收，达到第一峰值28.08W∙m−2，造成T1处理地温升高。在14：00达到日最大值36.80W∙m−2。T2处理在8：00达到第一峰值3.61W∙m−2，在灌入井水后，由于井水温度较低（18.2℃），土壤中的热量向水中传递，改变了G的方向，在9：00时G迅速变为负值（−6.48 W∙m−2），土壤中大量热量传递至水中被水体吸收，从而降低了土壤温度，15：00时G达到日最大值22.27W∙m−2。CK处理在14：00达到日最大值27.90W∙m−2。在0：00−6：00，T1和CK的G值为负值，T2处理在2：00以后下降为负值，在7：00− 8：00，所有处理G值由负值转变为正值。各处理全天向土壤传递热量，T1为10.89MJ∙m−2，T2为0.66MJ∙m−2，CK为0.75MJ∙m−2。

2.3 不同水源灌溉后稻田能量平衡分量与净辐射之间的比例关系

研究不同水源灌溉能量平衡分量与净辐射之间的比例关系可得知稻田热量的主要耗散项以及水温对各分量的影响程度[25]。不同灌溉水源处理稻田的能量平衡分量与净辐射之间的比例关系见表1。由表可见，各处理潜热通量占净辐射的比例（LE/Rn）最大，说明LE是稻田能量输出的最主要途径。显热通量占净辐射的比例（H/Rn）为第二大项，表明H也是稻田能量输出不可忽视的重要途径。而不同水源灌溉对各能量分量造成的差异以Q最为明显，水体含热量的变化占净辐射的比例（Q/Rn）T1比CK低41.13%，T2比CK高166.36%。水体热量变化使稻田温度呈现不同的小气候特征，进而影响了田间潜热、显热及土壤热通量的分配比例，具体表现为T1的LE/Rn比CK低7.80%，T2比CK低10.53%；T1的H/Rn比CK高15.00%，T2比CK低40.53%；土壤热通量占净辐射的比例（G/Rn）T1比CK高15.97%，T2比CK低11.08%。

表1 试验期间（8月12−18日）能量平衡日总量占净辐射的比例均值（%）

3 结论与讨论

开花期是水稻产量器官建成的关键时期，也是受高温热害影响最敏感的时期[9,26−28]，是防御高温热害的关键时期之一。本研究结果表明，灌溉温度较低的井水可以降低稻田气温和土壤温度，减轻高温热害对水稻的伤害，而灌溉温度高的池塘水则会使稻田升温，加重水稻的高温热害。

能量平衡各分量受气象要素的影响[16]，从不同水源灌溉对稻田温度及能量传输特征的影响可知，稻田冠层温度升高会加大稻田潜热通量、显热通量和土壤热通量。

受不同灌溉水源温度的影响，稻田水体含热量Q是本试验中直接受试验处理影响的物理量，也是处理间差异最大的分量，其它能量平衡分量皆因Q的改变而发生变化。在8：00−18：00灌溉温度较高的池塘水处理（T1）其水体吸收热量低于CK 0.36MJ∙m−2，而灌溉温度较低的井水处理（T2）则高于CK1.53MJ∙m−2，且T2的Q值变为负值的时间较T1和CK延后1h，说明T2处理稻田水体吸收了较其它处理更多的热量，可延长水体吸热时间，使稻田冠层气温和土壤温度维持较低值。而夜间CK处理Q值为负说明水体向稻田放热，成为田间热源，这与高志球等[29]研究一致。由此可断定，夜晚将含热量高的水体排出可降低稻田温度，保持夜间稻田低温。

受灌溉水温影响，各处理土壤热通量G也发生明显变化。9：00−18：00，灌溉温度较低的井水（T2）处理土壤热通量小于灌溉温度较高的池塘水处理（T1）和CK，这也是T1处理0−20cm土壤的升温幅度小于T1和CK的原因。在18：00排水以后，因为CK田间仍有水体覆盖，且水温高于40cm和80cm处的冠层温度和0−20cm的土壤温度，因而水体向土壤和空气中继续放热，使夜间CK处理0−20cm各层土壤温度和0−80cm冠层温度均为各处理最高值，这与黄锐等[30]的研究结果一致，而T1、T2处理田间无水层覆盖，其土壤温度和气温下降较快。

稻田水体含热量Q值的改变还影响了稻田显热交换，灌溉温度较高的池塘水（T1）处理通过显热交换耗散能量比CK高0.67MJ∙m−2，而灌溉温度较低的井水（T2）处理比CK低1.44MJ∙m−2，这是由于T1水温较高，使冠层气温上升，加大了冠层与冠层上方的温度梯度，促进热量向上传递，使显热交换加强；而T2则由于水温较低，降低了冠层气温，使冠层与冠层上方的温度梯度减小，降低了显热交换。夜间，所有处理的H值均为正，说明稻田气温高于冠层上方气温，水稻冠层在向环境释放能量，这是由于土壤中的热量向外释放所致。

潜热交换是稻田能量转化的重要途径[25]，本研究亦表明，潜热通量LE是稻田能量耗散的主要途径。稻田的潜热受蒸散影响[14]，Q值的改变也影响了稻田的潜热交换。灌溉温度较高的池塘水（T1）后冠层温度升高，而灌溉温度较低的井水（T2）后冠层温度降低，冠层气温升高有利于蒸散，使不同灌溉处理下稻田系统潜热交换产生差异[31]。故白天T1的LE比CK高0.25MJ∙m−2，T2比CK低0.69MJ∙m−2。夜晚受田间水层的影响，CK田间较高的温湿度是维持LE为正值的主要因素。

总体而言，从本试验结果看，高温热害发生时，池塘水受太阳辐射升温，将热量带入稻田系统，使稻田气温和土壤温度上升，促进稻田潜热和显热交换，加大土壤热通量，加重了高温热害；而温度较低的井水灌溉，降低了稻田气温和土壤温度，降低稻田潜热和显热交换，减小土壤热通量，热量流入水体，夜晚将高热量水体排出，对抵御高温有良好效果。

[1]IPCC.Climate change 2013:the physical science base[J]. Cambridge,UK:Cambridge University Press,2013:1-300.

[2]Collins M,Senior C A.Projections of future climate change[J].Weather,2010,57(8):283-287.

[3]Bell J L,Sloan L C,Snyder M A.Regional changes in extreme climatic events:a future climate scenario[J]. Journal of Climate, 2004,17(1):81-87.

[4]Meehl G A,Karl T,Easterling D R,et al.An Introduction to trends in extreme weather and climate events: observations, socioeconomic impacts,terrestrial ecological impacts,and model projections[J].Bulletin of the American Meteorological Society,2000,81(3):413-416.

[5]Walther G R,Post E,Convey P,et al.Ecological responses to recent climate change[J].Nature,2002, 416(6879):389-395.

[6]Parmesan C,Yohe G.A globally coherent fingerprint of climate change impacts across natural systems[J]. Nature,2003, 421(6918):37-42.

[7]Perry A L,Low P J,Ellis J R,et al.Climate change and distribution shifts in marine fishes[J].Science,2005,308(5730):1912-1915.

[8]包云轩,刘维,高苹,等.气候变暖背景下江苏省水稻热害发生规律及其对产量的影响[J].中国农业气象,2012,33(2): 289-296.

Bao Y X,Liu W,Gao P,et al.Study on characteristics of rice heat damages in Jiangsu province under the background of climate warming and its influence on the rice yield[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2012,33(2):289-296.(in Chinese)

[9]Matsui T,Omasa K,Horie, T.The difference in sterility due to high temperatures during the flowering period amongrice varieties[J].Plant Prod Sci.2001,4(2):90-93.

[10]Shah F,Huang J,Cui K,et al.Impact of high-temperature stress on rice plant and its traits related to tolerance[J]. Journal of Agricultural Science,2011,149(5):545-556.

[11]史宝忠,郑方成.灌溉对农田地温和气温影响的实验研究[J].中国农业气象,1998,19(3):34-37.

Shi B Z,Zheng F C.An experimental study on the effect of irrigation on the field temperature and air temperature in farmland[J].Chinese Journal of Agrometeorology,1998,19(3): 34-37.(in Chinese)

[12]张彬,郑建初,黄山,等.抽穗期不同灌水深度下水稻群体与大气的温度差异[J].应用生态学报,2008,19(1):87-92.

Zhang B,Zheng J C,Huang S,et al.Temperature differences of air-rice plant under different irrigated water depths at spiking stage[J].The Journal of Applied Ecology,2008,19(1): 87-92.(in Chinese)

[13]段骅,俞正华,徐云姬,等.灌溉方式对减轻水稻高温危害的作用[J].作物学报,2012,38(1):107-120.

Duan H,Yu Z H,Xu Y J,et al.Role of irrigation patterns in reducing harms of high temperature to rice[J].Acta Agronomica Sinica,2012,38(1):107-120.(in Chinese)

[14]程建平,曹凑贵,蔡明历,等.不同灌溉方式对水稻生物学特性与水分利用效率的影响[J].应用生态学报,2006,17(10): 1859-1865.

Cheng J P,Cao C G,Cai M L,et al.Effects of different irrigation modes on biological characteristics and water use efficiency of paddy rice[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006,17(10):1859 -1865.(in Chinese)

[15]Saptomo S K,Setiawan B I,Yuge K,et al.Climate change effects on paddy field thermal environment and evapotranspiration[J]. Paddy and Water Environment,2009,7(4):341-347.

[16]闫人华,熊黑钢,冯振华,等.绿洲-荒漠过渡带芨芨草地SPAC系统蒸散与多环境因子关系分析[J].干旱区地理, 2013,36(5):889-896.

Yan R H,Xiong H G,Feng Z H,et al.Relationship between evapotranspiration and multi-environmental factors ofgrassland’s SPAC system in oasis-desert Ecotone[J].Arid Land Geograph,2013,36(5): 889-896.(in Chinese)

[17]Twine T E,Kustas W P,Norman J M,et al.Correcting eddy-covariance flux underestimates over a grassland[J]. Agricultural and Forest Meteorology,2000(103):279-300.

[18]Sakai R,Fitzjarrald D,Moore K E.Importance of low frequency contributions to eddy fluxes observed over rough surfaces[J].Journal Applied Meteorology,2001,40(12):2178- 2192.

[19]Wilson K,Goldstein A,Falge E,et al.Energy balance closure at FLUXNET sites[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2002,113(1-4):223-243.

[20]Kanda M,Inagaki A,Letzel M O,et al.LES study of the energy imbalance problem with eddy covariance fluxes[J]. Boundary-Layer Meteorology,2004,110(3):381-404.

[21]胡凝,吕川根,姚克敏,等.两系法杂交稻安全制种的水热传输模型及其应用[J].气象科学,2007, 27(2):196-201.

Hu N,Lv C G,Yao K M,et al.Multi-model establishment and application for water and heat transfer on safeguarding seed production of two-line hybrid rice[J].Scientia Meteorologica Sinica,2007,27(2):196-201. (in Chinese)

[22]王纯枝,宇振荣,毛留喜,等.基于能量平衡的华北平原农田蒸散量的估算[J].中国农业气象,2008, 29(1):42-46.

Wang C Z,Yu Z R,Mao L X,et al.Evapotranspiration estimation of cropland in North China Plain based on surface energy balance equation[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2008,29(1):42-46.(in Chinese)

[23]Thom A S,Oliver H R.On Penman's equation for estimating regional evaporation[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,2010,103(436):345-357.

[24]L’homme J P,Katerji N,Bertolini J M.Estimating sensible heat flux from radiometric temperature over crop canopy[J]. Boundary-Layer Meteorology,1992,61(3):287-300.

[25]刘笑吟,杨士红,李霁雯,等.南方节水灌溉稻田能量通量特征及其规律分析[J].农业机械学报,2015,46(5):83-92.

Liu X Y,Yang S H,Li J W,et al.Characteristics and law analysis of energy flux in southern water-saving irrigation paddy field[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural,2015,46(5):83-92.(in Chinese)

[26]Monneveux P,Pastens C,Reynolds M P.Limitations to photosynthesis under light and heat stress in three high yielding wheat genotypes[J].J Plant Physiol.,2003,160(6): 657-666.

[27]Teixeira E I,Fischer G,van Velthuizen H,et al.Global hot-spots of heat stress on agricultural crops due to climate change[J].Agr Forest Meteorol.,2013,170:206-215.

[28]Tao F L,Zhang S,Zhang Z.Changes in rice disasters across China in recent decades and the meteorological and agronomic causes[J].Reg Environ Chang,2013,13(4):743-759.

[29]高志球,卞林根,陆龙骅,等.水稻不同生长期稻田能量收支、CO2通量模拟研究[J].应用气象学报,2004,15(2): 129-140.

Gao Z Q,Bian L G,Lu L H,et al.Simulation of energy budget and CO2flux in paddy fields in different growth stages of rice[J].Journal of Applied Meteorological Science,2004, 15(2):129-140.(in Chinese)

[30]黄锐,赵佳玉,肖薇,等.太湖辐射和能量收支的时间变化特征[J].长江流域资源与环境,2016,25(5):733-742.

Huang R,Zhao J Y,Xiao W,et al.Temproal variability of radiation and energy budgets over lake Taihu[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2016,25(5):733-742. (in Chinese)

[31]贺有为,王秋兵,温学发,等.季节性干旱对中亚热带人工林显热和潜热通量日变化的影响[J].生态学报,2011,31(11): 3069-3081.

He Y W,Wang Q B,Wen X F,et al.The diurnal trends of sensible and latent heat fluxes of a subtropical evergreen coniferous plantation subjected to seasonal drought[J].Acta Ecologica Sinica,2011,31(11):3069-3081.(in Chinese)

Micrometeorological Analysis of the Effects of Different Irrigation Water Sources on the Heat Stress of Rice

JIANG Xiao-dong, HUA Meng-fei, HU Ning, SHEN Shuang-he, YANG Xiao-ya, YANG Shen-bin, GUO Jian-mao

(Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

Heat stress is one of the common agrometeorological disasters in the rice production in the middle and lower reaches of the Yangtze River in China. To mitigate the effect of heat stress on rice growth, irrigation with pond or well water was usually adopted, and which is considered to be an effective measure. In this paper, the effect of the irrigation with different water sources was evaluated by a field experiment conducted in Nanjing from August 12th to 18th, 2016, during which time a heat stress had just occurred. The rice variety Liangyoupeijiu was used in the experiment and three daily irrigation treatments, set as T1, T2 and CK, were implemented. For T1 and CK, pond water was used for the irrigation, and well water was used for T2. For all treatments, the irrigation started from 8：00 and stopped when the height of water layer reached about 10 cm. For T1 and T2, the paddy water was drained out at 18：00; but for CK, the water was kept with a height between 5 and 10cm. The average temperature was about 30.5℃ and 18.2℃ for pond and well water respectively. Since CK kept the water in the field, the average temperature of the paddy field water at 8：00 was about 28.2℃. The temperature and humidity within the rice canopy at four different heights (40cm, 80cm, 120cm and 130 cm), leaf temperature at the canopy top, and solar radiation above the canopy were measured. With the observations, the diurnal variation of each energy balance component in the paddy field was calculated using the Penman-Monteith stratification model. The micrometeorological characteristics of the paddy fields were analyzed. The results showed that from 8：00 to 18：00, the order of canopy temperatures for three treatments were T1>CK>T2. However, the difference of the canopy temperatures among the treatments decreased with the height within the canopy. Similarly, the difference of paddy soil temperatures among the treatments decreased with the depth in the soil. From 18：00 to 8：00, the difference of soil temperature at 5cm depth was the most obvious among the treatments. The difference of the canopy temperature at 40cm height within the canopy was the second one. The analysis indicated that the relationship between the changes of the energy balance of paddy fields and the irrigation water was close. The order of the heat storage in water (Q) was T2 >CK >T1. And the orders of soil heat flux (G), sensible heat flux (H) and latent heat flux (LE) were T1>CK >T2. These results suggested that irrigation with pond water could aggravate the heat stress on rice, while irrigation with well water is benefit to reduce the effect of heat stress on rice growth.

Rice; Heat stress; Irrigation water source; Temperature; Energy balance

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.04.007

2018−09−28

公益性行业（气象）科研专项（GYHY201506018）；国家自然科学基金面上项目（41875140）；江苏省重点研发计划（现代农业）项目（BE2015365）

江晓东（1976−），副教授，博士，从事农业气象研究。E-mail:jiangxd@126.com

江晓东,华梦飞,胡凝,等.不同水源灌溉对水稻高温热害影响的微气象学分析[J].中国农业气象,2019,40(4):260-268