氣候變化對水稻灌溉需水量影響研究

李紳東，熊玉江，余仲相，肖 軍

(1.云南省水文水資源局 昭通分局， 云南 昭通 657000；2.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010)

以變暖為主要特征的全球氣候變化及其造成的影響已成人類關注的熱點問題之一[1]。氣溫增加、極端降雨事件、CO2濃度變化都對作物生長發(fā)育造成直接的影響，作物需水規(guī)律發(fā)生變化，導致灌溉需水格局發(fā)生變化，加劇了農業(yè)水資源供需矛盾[2]。開展作物需水量對氣候變化的響應研究，對更好的評價氣候變化對作物生長的影響，并從灌溉角度制定應對策略，以減少氣候變化對農業(yè)生產(chǎn)帶來的不利影響，對保障我國糧食安全具有重要科學意義[3]。地處低緯高原地區(qū)的昭通，同時具有低緯度和高海拔地區(qū)的雙重特性，干濕季分明、年溫差小、日溫差大，氣候特征復雜[4,5]。水稻是昭通市重要的糧食作物之一，且耗水量大，因此，研究昭通市水稻需水量的氣候變化響應特征能夠為區(qū)域水資源管理提供基礎，保障低緯高原地區(qū)農業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學意義。國內外學者針對氣候變化對水稻生長的影響開展了廣泛研究，包括水稻產(chǎn)量和品質[6-8]、水稻生育期[9,10]對氣候變化的響應規(guī)律等研究工作。氣候變化在影響水稻生長的同時，也導致水稻耗水過程的變化。有研究表明隨著氣候變暖，水稻需水量和灌溉需水量呈增加趨勢[10,11]。同時也有研究表明氣候變化増溫不明顯、降雨增加、日照時數(shù)減少和風速降低等原因，水稻需水量和灌溉需水量呈減少趨勢[2,12,13]。以上研究對水稻需水量的變化趨勢及其原因做了深入的分析，但針對灌溉模式對水稻需水量對氣候變化響應的影響研究較少，針對低緯高原地區(qū)水稻需水規(guī)律的研究也不足。本文以昭通作為低緯高原地區(qū)典型站點為研究對象，探討了昭通市氣候變化特征及其對稻田耗水量和灌溉需水對氣候變化的響應，以期為低緯高原地區(qū)在未來氣候變化下作物生產(chǎn)布局和農業(yè)水資源合理分配提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 試驗數(shù)據(jù)

從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了昭通站1951年1月1日至2015年12月31日逐日氣象數(shù)據(jù)(其中1951、1952和1967年部分數(shù)據(jù)缺失)。昭通站W(wǎng)MO編號為56586，位于北緯27.35°、東經(jīng)103.72°，海拔高度為1 950 m，典型的低緯高原地區(qū)。氣象數(shù)據(jù)包括日最高最低氣溫、平均氣溫、大氣壓、空氣相對濕度、風速、日照時數(shù)和降雨量。

1.2 灌溉處理

本文灌溉設置了兩種灌溉模式，分別為節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉。節(jié)水灌溉稻田除返青期在田面保持5～25 mm薄水層返青活苗，其余各生育階段灌水后田面均不建立水層，以根層土壤含水率作為控制指標，確定灌水時間和灌水定額。土壤水分控制上限為飽和含水率，下限則視水稻不同生育階段，分別取土壤飽和含水率的60%～80%；傳統(tǒng)灌溉稻田按照當?shù)毓喔攘晳T，除分蘗后期曬田和黃熟期自然落干外，其余階段均建立2～6 cm水層。兩種灌溉模式的灌水技術參數(shù)如表1所示。

表1 不同灌溉模式灌溉技術參數(shù)及稻田允許蓄雨深度Tab.1 The parameter of irrigation and maximum permissible depth after rain for paddy field under different irrigation conditions

注：表中數(shù)字表示水層，mm；θs為飽和含水率；常規(guī)灌溉方式分蘗后期需進行曬田，曬田期間不灌溉。

1.3 計算方法

(1)水稻騰發(fā)量ETc計算。水稻需水量采用單作物作物系數(shù)計算[14]，同時考慮土壤水分修正系數(shù)[15]，具體公式如下：

ETc=kcksET0

(1)

(2)

(3)

式中：ETc為水稻需水量，mm；ET0為日參考作物需水量，mm；kc為作物系數(shù)，根據(jù)FAO推薦值和昭通實際情況，取水稻剩余初期、中期和末期分別取值1.05、1.63和1.03；ks為土壤水分修正系數(shù)；θ為生育階段水稻根層土壤含水率，%；θs為生育階段水稻根層土壤飽和含水率，%；a、b和n為經(jīng)驗系數(shù)；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；u2為2 m高度處的風速，m/s；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，kPa/℃；γ為濕度計常數(shù)，kPa/℃。

(2)稻田滲漏量計算。根據(jù)田間有水層和無水層兩種情況，分別采用線性模型和非線性模型估算稻田滲漏量[15]。

(4)

式中：St為第t天的稻田滲漏量，mm；ht為第t天田面水層深度，mm；a，b為擬合參數(shù)；K0為飽和水力傳導度，其取值范圍為0.1～1.0 m/d；α為經(jīng)驗常數(shù)，一般為50～250；Tt為土壤含水率飽和狀態(tài)達到第t天水平時所經(jīng)歷的時間，d；Ht為第t天水稻主根層深度，m。

(3)灌溉需水量計算方法。水稻灌溉需水量定義為水稻生長過程中需要依靠灌溉補充的水量，根據(jù)表1所示灌水規(guī)則，灌溉發(fā)生在稻田水層或土壤水分達到灌溉下限。因此，在不考慮輸水損失情況下，灌溉需水量計算公式為：

當灌溉下限為水層即hdt>0時：

(5)

式中：It為第t天的灌溉需水量，此處為凈灌溉需水量，mm；Iut為第t天灌溉上限，mm；θst為第t天根系層土壤飽和含水率，%；θt第t天根系層土壤含水率，%；hdt為灌溉下限，mm。

當灌溉下限為土壤含水率即θdt時：

(6)

式中：θdt為第t天灌水土壤含水下限，%。

(4)有效降雨量計算方法。稻季有效降雨量根據(jù)稻田水量平衡計算，在不考慮灌溉產(chǎn)生徑流的條件下稻田水量平衡方程如下：

ht=ht-1+Pt+It-ETct-St-Dt

(7)

Dt=max [0,(ht-1+Pt+It-ETct-St-hut)]

(8)

式中：P為第t天降雨量，mm；Dt為第t天排水量，mm；hst為第t天降雨后稻田允許蓄雨深度(見表1)，mm。

灌區(qū)稻季有效降雨量應該為降雨量與降雨排水量的差值，即有效降雨量計算公式如下：

Pet=Pt-Dt

(9)

式中：Pet為有效降雨量，mm，在有效降雨量計算中忽略了降雨初損。

(5)趨勢及突變檢驗方法。本文應用簡單的線性回歸方法計算氣候變化、水稻耗水量以及灌溉需水量總體變化趨勢，應用Mann-Kendall(簡稱MK)檢驗判別序列整體長期線性趨勢顯著性以及變化突變點檢測[17]。

2 結果與分析

2.1 昭通氣候變化特點

氣溫和輻射是影響水稻需水量變化的主要因素，而降雨是影響灌溉需水量的主要因素。因此，分析昭通市歷史氣溫、日照時數(shù)和降雨量，有利于分析需水量和灌溉需水量變化原因。昭通年累計日照時數(shù)變化規(guī)律如圖1所示，在時間序列上，昭通市年日照總體呈減小趨勢，MK方法檢驗的統(tǒng)計量Z為-2.63，達到極顯著的水平。由圖2可知，日照時數(shù)在1987年以前呈微弱增長趨勢，1987-2010年呈微弱減小趨勢，近5年日照時數(shù)顯著性減小。日照時數(shù)在1988年和2003年存在突變。昭通年積溫變化規(guī)律如圖3所示，呈正弦波動，且年際變幅較大，最低達到3 952 ℃，最高達到4 302 ℃。積溫有明顯的增加趨勢，MK方法檢驗的統(tǒng)計量Z為3.26，達到極顯著的水平。由圖4可知，年積溫突變發(fā)生在2004年， 1999年前年積溫呈減小趨勢，但趨勢不明顯，1999年以后呈増溫趨勢，特別是2007年以后，増溫趨勢顯著。年降雨量變化規(guī)律如圖5所示，降雨量變化與日照時數(shù)變化規(guī)律相似，年際波動較大，在時間序列上總體呈現(xiàn)降雨量減少的趨勢，MK方法檢驗的統(tǒng)計量Z為-2.02，減少趨勢明顯，特別是2000以來，年降雨量減少達到顯著水平(圖6)?？傮w而言，隨著氣候變化昭通市年積溫顯著增加，而日照時數(shù)和降雨量呈顯著減小趨勢。

圖1 昭通市年日照時數(shù)變化Fig.1 Annual accumulated sunshine duration change trend at Zhaotong site

圖2 昭通市年日照時數(shù)M-K統(tǒng)計量曲線Fig.2 The M-K statistics of annual accumulated sunshine duration change trend at Zhaotong site

圖3 昭通市年積溫變化Fig.3 Annual accumulated air temperature change trend at Zhaotong site

圖4 昭通市年積溫M-K統(tǒng)計量曲線Fig.4 The M-K statistics of annual accumulated air temperature change trend at Zhaotong site

圖5 昭通市年降雨量變化Fig.5 Annual accumulated precipitation change trend at Zhaotong site

2.2 稻田耗水量對氣候變化響應規(guī)律

水稻需水量主要受氣象因子影響，氣候變化直接導致水稻需水規(guī)律的變化，但不同灌溉模式下水稻耗水過程對氣候變化響應規(guī)律存在差異。兩種灌溉模式下水稻需水量ETc均隨著時間序列呈波動減小趨勢(見圖7)，MK方法檢驗的統(tǒng)計量Z分別達到-3.90和-3.10(見表2)，減小趨勢均達到極顯著水平。不同灌溉模式下稻田滲漏量均呈減少趨勢(見圖8)，常規(guī)灌溉稻田滲漏減少趨勢極明顯。對比分析氣候因子變化與水稻ETc變化規(guī)律，水稻ETc主要受昭通市日照時數(shù)縮短影響而減??；稻田滲漏量主要受稻田土壤結構和田間水分狀況影響，降雨量變化是導致稻田滲漏量減少的主要氣象因素。對比分析不同灌溉模式下稻田耗水量規(guī)律，節(jié)水灌溉稻田除返青期以外灌水后田面不建立水層，通過土壤水分調控有效抑制了水稻無效蒸發(fā)蒸騰，同時大幅減少了稻田滲漏量，節(jié)水灌溉較常規(guī)灌溉稻田多年平均水稻ETc減少16%，滲漏量減少38%，耗水量減少21.5%。不同灌溉模式稻田水稻ETc對氣候變化的響應規(guī)律基本一致，但滲漏量變化規(guī)律存在差異，與常規(guī)灌溉稻田相比，節(jié)水灌溉稻田滲漏量受氣候變化影響較小，其主要原因可能是節(jié)水灌溉稻田不建立水層，增加了調蓄能力，降低了稻田滲漏水力梯度。

圖7 昭通市水稻全生育期需水量變化Fig.7 The ETc of rice grow season change at Zhaotong site

圖8 昭通市水稻全生育期滲漏量變化Fig.8 The percolation of rice grow season change trend at Zhaotong site

2.3 不同灌溉模式下稻田灌溉需水量對氣候變化響應規(guī)律

氣候變化影響了作物耗水規(guī)律以及水稻生育期降雨，從而導致稻田灌溉需水量發(fā)生變化。昭通市水稻灌溉需水量變化規(guī)律如表2所示，兩種灌溉模式下灌溉需水量年際變化明顯，兩種灌溉模式稻田灌溉需水量均呈現(xiàn)增加的趨勢，MK方法檢驗統(tǒng)計量分別為0.36和0.42，增加趨勢不明顯。兩種灌溉模式下有效降雨量變化規(guī)律較為一致，均呈顯著減小趨勢，MK方法檢驗統(tǒng)計量分別為-2.52和-2.68，呈極顯著水平。對比分析氣象因子變化，昭通市是降雨量的減少是導致稻田有效降雨量減少的主要因素。由表2可知，雖然兩種灌溉模式稻田灌溉需水量和有效降雨量對氣候變化的響應規(guī)律基本一致，但節(jié)水灌溉稻田通過控制田間水層，有效地減少了稻田的滲漏量，同時增加了稻田對降雨的調蓄能力，提高了雨水的利用效率[18]，節(jié)水灌溉稻田較常規(guī)灌溉稻田灌溉需水量減少57%，降雨利用量提高11%。昭通市在日照、氣溫和降雨變化的綜合作用下，雖然水稻需水量和稻田滲漏呈減少趨勢，但是隨著降雨量的減少，極端降水概率增加，稻田灌溉需水量仍呈微弱增加趨勢，節(jié)水灌溉通過控制稻田水分狀況，能夠有效降低稻田耗水量，增加降雨利用效率，因此，發(fā)展節(jié)水灌溉有利于緩解氣候變化對農業(yè)生產(chǎn)帶來的不利影響。

表2 昭通市不同灌溉模式下稻田耗水量、灌溉需水量及有效降雨量變化 mm

3 結 語

基于稻田水循環(huán)要素計算方法和MK檢驗方法，分析了昭通市為代表的低緯高原地區(qū)歷史日照時數(shù)、年積溫和降雨量變化規(guī)律以及不同灌溉模式下稻田耗水與灌溉需水量對氣候變化的響應規(guī)律。結果表明，昭通市年積溫隨時間序列顯著增加，而日照時數(shù)和降雨量呈顯著減小趨勢；不同灌溉模式下水稻耗水量和灌溉需水量隨氣候變化規(guī)律基本一致，但不同灌溉模式下水稻耗水與灌溉需水量存在顯著差異。

(1)在昭通市氣候因子變化的綜合影響下，稻田耗水量呈減小趨勢。兩種灌溉模式下水稻需水量ETc在日照時數(shù)縮短的影響下呈極顯著減??；不同灌溉模式下稻田滲漏下均呈減小趨勢，但節(jié)水灌溉稻田稻田滲漏減少不顯著。節(jié)水灌溉能夠有效地降低稻田耗水量，其中水稻年平均需水量和滲漏量分別較常規(guī)灌溉模式稻田減少16%和38%，年平均耗水量減少21.5%。

(2)不同灌溉模式下稻田有效降雨量呈顯著降低趨勢。昭通市稻田有效降雨量隨著降雨量的減少呈減少趨勢，MK方法檢驗統(tǒng)計量分達到-2.52和-2.68。水灌溉稻田通過控制田間水層，增加了稻田對降雨的調蓄能力，提高了雨水的利用效率，多年平均有效降雨量較常規(guī)灌溉提高11%。

(3)昭通市稻田灌溉需水量呈微弱增加趨勢。雖然水稻需水量和稻田滲漏呈減少趨勢，但是隨著降雨量的減少，極端降水概率增加，稻田灌溉需水量仍呈微弱增加趨勢。節(jié)水灌溉通過控制稻田水分狀況，能夠有效降低稻田耗水量，增加降雨利用效率，節(jié)水灌溉稻田較常規(guī)灌溉稻田灌溉需水量減少57%。因此，在未來氣候變化趨勢下，低緯高原地區(qū)應大力發(fā)展節(jié)水灌溉，促進包括昭通市在內的低緯高原特色農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。