貴州水稻有效降水量和需水量特征分析

張 波，谷曉平，古書(shū)鴻，胡家敏

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽(yáng) 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

水資源是限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的資源支撐和保證。研究表明，氣候變化背景下，水稻、玉米和小麥等作物的需水量和水分盈虧量都發(fā)生了顯著變化，且區(qū)域性差異顯著。水稻是貴州省主要的糧食作物，其生長(zhǎng)季內(nèi)水資源的變化勢(shì)必影響水稻生育期長(zhǎng)度與產(chǎn)量，因此研究貴州地區(qū)水稻有效降水量和灌溉需水量等水資源指標(biāo)的變化特征具有現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

目前，關(guān)于有效降水量和需水量的研究已有不少報(bào)道：曹永強(qiáng)等[3]針對(duì)河北省典型區(qū)主要作物有效降水量和需水量特征進(jìn)行分析；胡惠杰等[4]基于SIMETAW模型計(jì)算東北農(nóng)作區(qū)大豆生育期作物需水量；龐艷梅等[5]、環(huán)海軍等[6]、陳超等[7]、何俊歐等[8]、白芳芳等[9]、謝娟等[10]、李勇等[11]、羅玉峰等[12]分別以不同地區(qū)的水稻、小麥等糧食作物為研究對(duì)象，分析了其各自生育期內(nèi)有效降水量和需水量的變化規(guī)律；符娜等[13]分析了西南地區(qū)水稻灌溉需水量變化規(guī)律，但其研究中選取的貴州地區(qū)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，不能很好地反映貴州實(shí)際情況。

貴州省處于云貴高原東斜坡，是全國(guó)唯一沒(méi)有平原支撐的山區(qū)省份。貴州雨熱同季，夜間降雨多，晝夜溫差大，不僅能滿足水稻喜溫喜濕的雙重需要，還有利于減少夜間的呼吸消耗，除西部威寧等地不適宜種植水稻外，全省其他區(qū)域均有水稻種植，但因地形復(fù)雜，容易受災(zāi)害影響，部分區(qū)域水稻產(chǎn)量不高[14]。本研究基于貴州地區(qū)80個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2015年的逐日氣象資料，采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)土壤保持局推薦的有效降水量和聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的參考作物蒸散量分別計(jì)算了研究區(qū)域內(nèi)水稻的有效降水量和需水量，并分析了水稻不同生育階段缺水量和水分盈虧指數(shù)的變化特征，以期為貴州地區(qū)水稻科學(xué)灌溉提供理論和實(shí)踐參考，也為合理利用水資源、實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

貴州省現(xiàn)有85個(gè)地面氣象觀測(cè)站，由于各站建站時(shí)間不一致，為了保證資料的完整性，剔除數(shù)據(jù)缺測(cè)較多的站點(diǎn)，選用貴州省1961—2015年80個(gè)氣象觀測(cè)站的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等氣象觀測(cè)資料，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于貴州省氣象信息中心。研究區(qū)域及氣象觀測(cè)站的分布如圖1所示。

將水稻全生育期(4月上旬—9月下旬)分成播種—移栽(4月上旬—5月中旬)、移栽—抽穗(5月下旬—7月下旬)、抽穗—灌漿(8月上旬—9月上旬)和灌漿—成熟(9月中旬—9月下旬)4個(gè)生育階段，各生育期及全生育期的需水系數(shù)(KC)分別為1.066、1.216、1.298、1.344和1.213。

1.2 有效降水量

有效降水量是指用于滿足作物蒸發(fā)蒸騰需要的那部分降水量。本研究中有效降水量采用USDA土壤保持局推薦的方法[15-16]，公式如下：

圖1 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

(1)

式(1)中：Pe為有效降水量(mm·d-1)，P為日降水量(mm·d-1)。

1.3 作物需水量

水稻生育期需水量(TC，mm·d-1)由作物需水系數(shù)[13]與參考作物蒸散量乘積而得，其中，參考作物蒸散量依FAO推薦的Penman-Monteith模型[17-18]計(jì)算。

1.4 缺水量

水稻缺水量(W)系水稻生育期內(nèi)總作物需水量與總有效降水量之差[19-20]。

1.5 水分盈虧指數(shù)

水分盈虧指數(shù)(I)可以較好地表征農(nóng)田濕潤(rùn)程度和作物旱澇狀況，其計(jì)算公式如下：

(2)

若I為正值，則表示作物需水量大于有效降水量，說(shuō)明有效降水量不能滿足作物需水需求，若I為0或負(fù)值，則說(shuō)明有效降水能夠滿足作物需水需求。I值越高表明對(duì)灌溉的依賴(lài)程度越大，反之越小。

1.6 氣候傾向率

氣候傾向率[20]一般以歷年氣候要素變化過(guò)程的擬合直線的斜率的10倍表示，表征多年氣象數(shù)據(jù)序列變化傾向度。在統(tǒng)計(jì)上，用yi表示樣本量為n的某一氣候變量，用xi表示yi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立yi與xi之間的一元線性回歸方程：

yi=axi+b，(i=1，2，…，n)。

(3)

式(3)中：a為回歸系數(shù)，b為回歸常數(shù)。a和b可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，以a的10倍作為氣候要素傾向率。

1.7 空間插值

利用 ArcGIS 10.2軟件中的反距離權(quán)重插值方法(IDW)[21]對(duì)各研究要素進(jìn)行插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生育期有效降水變化特征

1961—2015年貴州地區(qū)水稻生育期有效降水量分布特征如圖2所示，水稻全生育期年均有效降水量為280～394 mm，多年平均值為324 mm，空間分布上自西向東、由南向北呈遞減趨勢(shì)，高值區(qū)域分布在六盤(pán)水市南部、黔西南州西部和北部，以及安順市西部邊緣區(qū)域，低值區(qū)域主要分布在畢節(jié)市北部、遵義市西北部和黔東南州局地區(qū)域。貴州省大部分地區(qū)水稻全生育期有效降水量氣候傾向率為-13.7～18.3 mm·10 a-1(圖3)，多年平均值為-6.6 mm·10 a-1，除東部局部地區(qū)呈遞增趨勢(shì)外，其他地區(qū)均呈遞減趨勢(shì)，其中有38.7%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

水稻播種—移栽期的年均有效降水量為51～101 mm，多年平均值為82 mm，空間分布差異顯著，自東南向西北呈遞減趨勢(shì)，高值區(qū)域主要分布在黔東南州和銅仁市大部分區(qū)域。移栽—抽穗期的有效降水量為125～200 mm，多年平均值為151 mm，空間分布上自西南向東北呈遞減趨勢(shì)。抽穗—灌漿期有效降水量為48～94 mm，多年平均值為64 mm，空間分布與移栽—抽穗期基本一致，但低值區(qū)域向東南方向發(fā)生偏移。灌漿—成熟期的有效降水量為18～40 mm，多年平均值為27 mm，空間分布上高值區(qū)域向北偏移，低值區(qū)域向南偏移。從水稻不同生育階段有效降水量可以看出，移栽—抽穗期有效降水量最大，播種—移栽期次之，灌漿—成熟期最小。

播種—移栽期的氣候傾向率為-6.3～-0.7 mm·10 a-1，多年平均值為-3.3 mm·10 a-1，呈遞減趨勢(shì)，其中，有55%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。移栽—抽穗期有效降水量氣候傾向率為-3.4～8.0 mm·10 a-1，多年平均值為0.4 mm·10 a-1，除了中部和東部部分區(qū)域呈遞增趨勢(shì)外，其他區(qū)域均呈遞減趨勢(shì)，但均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。抽穗—灌漿期有效降水量氣候傾向率為-6.9～0.4 mm·10 a-1，多年平均值為-2.2 mm·10 a-1，整體呈遞減趨勢(shì)，其中有8.7%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢(shì)。灌漿—成熟期有效降水量氣候傾向率為-4.3～0.9 mm·10 a-1，平均值為-1.7 mm·10 a-1，有效降水在東南大部區(qū)域呈遞增趨勢(shì)，但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，在西北部和北部大部區(qū)域呈遞減趨勢(shì)，其中有38.7%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

a，全生育期；b，播種—移栽期；c，移栽—抽穗期；d，抽穗—灌漿期；e，灌漿—成熟期。下同。a， Whole growht season; b， Seeding-transplanting; c， Transplanting-heading; d， Heading-filling; e， Filling-mature. The same as below.圖2 水稻生育期有效降水量分布特征Fig.2 Distribution characteristics of effective precipitation

▲，P<0.01；+，P<0.05。下同?！?， P<0.01;+， P<0.05. The same as below.圖3 水稻生育期有效降水量變化趨勢(shì)分布特征Fig.3 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

2.2 水稻生育期需水量變化特征

1961—2015年貴州水稻生育期需水量變化特征如圖4所示，水稻全生育期年均需水量為683～808 mm，多年平均值為737 mm?？臻g分布上，高值區(qū)域分布在黔西南州大部、遵義市和銅仁市局地、黔東南州南部邊緣等地區(qū)，低值區(qū)域主要分布在畢節(jié)市和貴陽(yáng)市局部地區(qū)。貴州省大部分地區(qū)水稻需水量氣候傾向率為-23.7～29.6 mm·10 a-1(圖5)，多年平均值為-4.02 mm·10 a-1。在空間分布上，西南部和東部部分地區(qū)的需水量呈遞增趨勢(shì)，其余地區(qū)呈遞減趨勢(shì)，全省有35%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，其中有31.3%的站點(diǎn)呈顯著遞減趨勢(shì)，3.7%的站點(diǎn)呈顯著遞增趨勢(shì)。

水稻播種—移栽期的年均需水量為137～214 mm，多年平均值為160 mm，在空間分布上呈現(xiàn)出自西南向東北遞減的趨勢(shì)，高值區(qū)域分布在黔西南邊緣等地，低值區(qū)域分布在東部大部。移栽—抽穗期的年均需水量為277～343 mm，多年平均值為310 mm，在空間分布上呈現(xiàn)出由東部向西遞減的變化趨勢(shì)。抽穗—灌漿期的年均需水量為165～222 mm，多年平均值為193 mm，需水量明顯低于移栽—抽穗期，但空間分布基本一致。灌漿—成熟期的年均需水量為63～83 mm，多年平均值為73 mm，空間分布上自南部向北部呈遞減變化趨勢(shì)。對(duì)比水稻不同生育期的需水量可以看出，移栽—抽穗期最大，灌漿—成熟期最小。

水稻播種—移栽期需水量氣候傾向率為-4.3～4.2 mm·10 a-1，多年平均值為0.15 mm·10 a-1，空間分布上，除東部部分區(qū)域及安順市等地呈遞增趨勢(shì)外，其他區(qū)域均呈遞減趨勢(shì)。移栽—抽穗期需水量氣候傾向率為-13.6～5.9 mm·10 a-1，多年平均值為-4.2 mm·10 a-1，空間分布上，除黔西南州南部局地等地呈遞增趨勢(shì)外，其他地區(qū)均呈遞減趨勢(shì)，其中50%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢(shì)。抽穗—灌漿期需水量氣候傾向率為-7.9～3.4 mm·10 a-1，多年平均值為-1.3 mm·10 a-1，空間分布上，除安順市大部及黔西南州南部等地呈遞增趨勢(shì)外，其余大部均呈遞減趨勢(shì)，其中有8.7%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢(shì)。灌漿—成熟期氣候傾向率為-1.0～2.5 mm·10 a-1，多年平均值為0.7 mm·10 a-1，空間分布上呈現(xiàn)出自北向南遞減的趨勢(shì)，有8.7%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢(shì)。

2.3 水稻生育期缺水量變化特征

1961—2015年貴州水稻生育期缺水量空間分布如圖6所示：水稻全生育期年均缺水量為317～509 mm，多年平均值為413 mm，空間分布上自東向西呈遞減趨勢(shì)。貴州水稻缺水量氣候傾向率為-18.5～18.3 mm·10 a-1(圖7)，多年平均值為2.6 mm·10 a-1，整體呈遞增趨勢(shì)，在空間分布上自西向東呈遞減趨勢(shì)，有7.5%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢(shì)。

水稻播種—移栽期的年均缺水量為37～154 mm，多年平均值為77 mm，空間分布呈自西向東遞減的變化趨勢(shì)。移栽—抽穗期的年均缺水量為91～214 mm，多年平均值為159 mm，空間分布上自東北向西南呈遞減趨勢(shì)。抽穗—灌漿期的年均缺水量為84～164 mm，多年平均值為128 mm，空間分布上自東向西呈遞減趨勢(shì)。灌漿—成熟期的年均缺水量為27～64 mm，多年平均值為46 mm，空間分布上自東南向西北呈遞減趨勢(shì)，高值區(qū)域分布在黔南州南部和黔東南州西部等地。對(duì)比水稻不同生育期的缺水量可以看出，水稻移栽—抽穗期缺水量最大，灌漿—成熟期缺水量最小。

圖4 水稻不同生育期需水量分布特征Fig.4 Distribution characteristics of water requirement

圖5 水稻生育期需水量變化趨勢(shì)分布特征Fig.5 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

水稻播種—移栽期缺水量氣候傾向率為-1.7～7.5 mm·10 a-1，多年平均值為3.4 mm·10 a-1，高值區(qū)域分布在東部邊緣及安順市北部等地區(qū)，其中有21.3%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢(shì)。移栽—抽穗期的缺水量氣候傾向率為-14.4～6.8 mm·10 a-1，多年平均值為-4.6 mm·10 a-1，整體呈遞減趨勢(shì)，其中有11.3%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢(shì)。抽穗—灌漿期缺水量氣候傾向率為-7.3～6.8 mm·10 a-1，多年平均值為0.9 mm·10 a-1，空間上呈現(xiàn)西南高、東北部低的變化趨勢(shì)。灌漿—成熟期的缺水量氣候傾向率為-1.8～6.4 mm·10 a-1，多年平均值為2.4 mm·10 a-1，空間分布上北部大多呈遞增趨勢(shì)，遞減區(qū)域主要分布在東南部分區(qū)域，有33.7%的站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢(shì)。

圖6 水稻生育期缺水量分布特征Fig.6 Distribution characteristics of water deficit

圖7 水稻不同生育期缺水量變化趨勢(shì)分布特征Fig.7 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

2.4 水分盈虧指數(shù)變化特征

從表1可以看出：水稻不同生育期對(duì)灌溉需求差異不明顯(0.46～0.65)，全生育期水分盈虧指數(shù)為0.56，表明貴州水稻對(duì)灌溉依賴(lài)程度較高，其中，播種—移栽期對(duì)灌溉的依賴(lài)程度相對(duì)較低，水分盈虧指數(shù)為0.46，抽穗—灌漿期對(duì)灌溉依賴(lài)程度相對(duì)最高，水分盈虧指數(shù)為0.65。

表1水稻不同生育期水分盈虧指數(shù)

Table1Water budget index in different rice growth stages

生育期Growth stageI播種—移栽期Seeding-transplanting0.46移栽—抽穗期Transplanting-heading0.49抽穗—灌漿期Heading-filling0.65灌漿—成熟期Filling-mature0.62全生育期Whole growth season0.56

3 結(jié)論與討論

有效降水量和需水量是水稻栽培管理和灌溉制度制定的主要依據(jù)，也是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。本研究基于逐日氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算了貴州省水稻不同生育期的有效降水量和需水量，并分析了水稻不同生育階缺水量的變化特征。結(jié)果表明：1961—2015年貴州省水稻全生育期年均有效降水量為280～394 mm，多年平均值為324 mm，呈遞減趨勢(shì)，這與張琪等[22]、王芬等[23]研究結(jié)果基本一致，空間分布上自西向東、由南向北呈遞減趨勢(shì)；年均需水量為683～808 mm，多年平均值為737 mm，呈遞減趨勢(shì)；年均缺水量為317～509 mm，多年平均值為413 mm，呈遞增趨勢(shì)，空間分布上自東向西呈遞減趨勢(shì)。

本研究從氣象要素的角度，利用水分盈虧指數(shù)，分析貴州有效降水量對(duì)水稻需水量的滿足狀況。研究區(qū)域水稻在抽穗—灌漿期對(duì)灌溉依賴(lài)程度最高，需補(bǔ)充灌溉水最多，這與符娜等[13]關(guān)于西南地區(qū)水稻整體對(duì)灌溉依賴(lài)程度較低的結(jié)論有所不同，但與李雙雙等[24]研究結(jié)果基本一致。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，影響水稻灌溉需水總量的因素較復(fù)雜。貴州省稻田絕大多數(shù)為梯田，灌溉設(shè)施嚴(yán)重滯后，保水性能差，因此應(yīng)該加大水利工程建設(shè)，以提高灌溉水利用系數(shù)，并推廣作物節(jié)水灌溉模式。這是提高當(dāng)?shù)厮井a(chǎn)量和實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[25]。此外，蓄雨型節(jié)水灌溉模式提高了各生育期灌溉水深上限值，田面蓄水深度增加，灌水周期有所延長(zhǎng)，減少了灌溉次數(shù)，在雨量豐富、灌溉水源相對(duì)較差的地區(qū)具有較好的適應(yīng)性[26]。