浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339需水量空間變異性研究

陳海生，朱兆平

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

【研究意義】水稻的需水量為水稻植物蒸騰與棵間蒸發(fā)之和，亦稱騰發(fā)量。它是水稻水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，其大小和當(dāng)?shù)貧庀髼l件、土壤性質(zhì)和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施有關(guān)。水稻需水量是確定水稻灌溉制度的區(qū)域灌溉用水量的基礎(chǔ)，也是制定流域水利規(guī)劃以及灌溉排水工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和實(shí)施的基本依據(jù)[1-5]。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，由于氣象條件的變化、土壤肥力的不同，以及水稻生育進(jìn)程的推進(jìn)，水稻需水量在空間上時(shí)間上都存在一定的變異性。如何在有限的站點(diǎn)資料的基礎(chǔ)上，盡可能采取科學(xué)的高精度的估算方法，來確定非測點(diǎn)的水稻需水量值，就顯得十分重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】水稻需水量一般是通過參考作物蒸散量(ET0)乘以作物系數(shù)的方法得到。該方法是以水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)建立需水量方程[2]?？紤]氣象要素對水汽交換系數(shù)的影響建立水汽交換系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)出計(jì)算水稻需水量的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)對中國大多數(shù)省分灌溉試驗(yàn)站實(shí)測資料的分析可以證實(shí),用彭曼-蒙特斯公式計(jì)算出的參照作物需水量是表示氣象因素影響的最適合參數(shù)。近年來，國際上很多國家也用此公式計(jì)算了作物的需水量，如S. Mandal[6]計(jì)算了印度Sagar島作物的需水量。Rashmi Mehta[7]計(jì)算了印度古吉拉特邦的小麥、玉米的參考蒸騰量和需水量。Akinmutimi, A.L.[8]用此公式計(jì)算了Nigeria西南部Umudike地區(qū)的早熟玉米和晚熟玉米的需水量。由于水稻需水量也是一種蒸發(fā)，與氣象監(jiān)測中的水面蒸發(fā)量本質(zhì)上是一樣的。曾有報(bào)道水面蒸發(fā)量與作物需水量存在著顯著的線性相關(guān)[9]。俞建河等[10]發(fā)現(xiàn)水稻需水量同水面蒸發(fā)量和氣溫之間有著顯著的線性關(guān)系，并認(rèn)為此法簡便、而且精度較高?？捎脕磉M(jìn)行蒸發(fā)量預(yù)測，及可作為用水管理的理論依據(jù)。浙江省是我國著名的水稻產(chǎn)區(qū)，水稻種植具有7000多年的悠久歷史。在20世紀(jì)90年代以前，浙江省主要水稻產(chǎn)區(qū)都是以種植雙季稻為主。1974年是浙江省雙季稻種植面積最大的一年，達(dá)255.53萬hm2,其中早稻125.33萬hm2, 晚稻130.20萬hm2。在1992年以后，浙江省主要稻區(qū)的水稻種植面積不斷下降。目前，由于糧價(jià)的提高和政府政策的扶持，水稻種植面積又在逐步回升，特別是單季稻的種植面積迅猛擴(kuò)大。這是由于近年來發(fā)展高效省工農(nóng)業(yè)，浙江省水稻大多采用單季稻為主。單季稻種植面積由1990年的20.00萬hm2擴(kuò)大到目前的67.73 萬hm2，單季晚稻目前已經(jīng)成為浙江省的糧食主栽作物。單季水稻在浙江省生長期間，氣溫高，需水量大。豐優(yōu)9339是中國水稻研究所利用不育系粵豐A與自選恢復(fù)系中恢9339配組成的秈粳亞種間三系雜交晚稻新組合。該組合是通過遠(yuǎn)緣雜交，聚合了秈粳種間雜種優(yōu)勢而選育出的超級雜交晚稻新組合，具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病的特征。適宜在浙江稻作地區(qū)作為單季晚稻進(jìn)行種植。雜交晚稻豐優(yōu)9339播種幼苗期在浙江省稻作區(qū)，大都是從5月下旬開始到6月中旬結(jié)束，分蘗期是從6月下旬開始到7月中旬結(jié)束，拔節(jié)孕穗期是從7月下旬開始至8月中旬結(jié)束，齊穗灌漿期是從8月下旬開始到10月上旬結(jié)束[11]。準(zhǔn)確確定雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育階段的需水量，對水稻灌溉用水量的確定、水資源平衡研究、及灌溉區(qū)用水管理具有現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的意義。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以半方差函數(shù)為基礎(chǔ)，分析分布于空間并顯示出不同程度的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性的區(qū)域化變量并對其實(shí)行無偏最優(yōu)估計(jì)的新發(fā)展起來的一門理論和方法。在分析變量的空間變異性時(shí)，地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論不但同樣依賴樣本值的大小，而且也考慮到了樣本值的空間位置和樣子間的距離遠(yuǎn)近，克服了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)不考慮樣本空間位置所形成的缺點(diǎn)。地統(tǒng)計(jì)理論曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于土壤學(xué)方面的研究上[12-16]。近年來，地統(tǒng)計(jì)學(xué)在環(huán)境科學(xué)方面的應(yīng)用也逐漸增多。如Masayuki Kondo等[17]應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了亞州季風(fēng)森林區(qū)碳通量的空間變異性。Inga Ute R?wer等[18]用地統(tǒng)計(jì)方法分析了德國西北部土壤中甲烷氧化能力與地貌類型以及土壤屬性的空間變異性與相關(guān)性。Francisco J[19]根據(jù)60個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論中的kiging 插值方法，對Spain西南地區(qū)的空氣污染物的空間分布進(jìn)行了可視化研究。Agneta Fransson等[20]在2005年夏天用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了北冰洋洋面與空氣交界處的二氧化碳含量的空間變異性。劉宏誼等[21]根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Montoith模型，計(jì)算了甘肅省,四十年間春小麥、玉米、馬鈴薯等主要農(nóng)作物生長期內(nèi)逐日需水量,并分析其時(shí)空分布規(guī)律。李立等[22]依據(jù)寶雞峽灌區(qū) 11 個(gè)氣象站1981-2008 年近三十年的氣候數(shù)據(jù)，基于 ArcGIS 9.2 平臺, 成功運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了灌區(qū)玉米、棉花、冬小麥多年平均需水量在空間上的分布特征。而在GIS支持下應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行某一區(qū)域內(nèi)水稻生育階段需水量空間變異性方面的研究還不多見?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本論文擬采用氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)水面蒸發(fā)量和氣溫來計(jì)算浙江省各地雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期的需水量[11]，并應(yīng)用GIS和地統(tǒng)計(jì)技術(shù)探索雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量在浙江省境內(nèi)的空間變異特性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期為浙江省水稻的合理布局、節(jié)水灌溉和水資源的可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

浙江省是我國水稻的主要產(chǎn)區(qū)。浙江省位于我國東南沿海地區(qū)，地處亞熱帶中部，介于北緯27°12′～31°31′和東經(jīng)118°～123°，屬季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，光照充足，雨量充沛，空氣濕潤，雨熱季節(jié)變化同步，是我國自然條件最優(yōu)越的地區(qū)之一。浙江省年平均氣溫15～18 ℃，極端最高氣溫33～43 ℃，極端最低氣溫-2.2～-17.4 ℃；全省年平均降水量980～2000 mm，年平均日照時(shí)間1710～2100 h[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于《2012浙江省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《浙江省2012整編氣象資料》[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論中的半方差函數(shù)模型是用以描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性的一種數(shù)學(xué)模型。半方差函數(shù)的主要參數(shù)是塊金值、基臺值和變程。塊金值與基臺值之比C0/(C0+C)為基底效應(yīng)，表示由隨機(jī)因素引起的變異和結(jié)構(gòu)性因素引起的變異在總變異中所占的比例，表示了系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性。基底效應(yīng)值高，說明由隨機(jī)因素造成的空間變異性在總變異中所占的比例較高，基底效應(yīng)值低，說明由結(jié)構(gòu)性因素造成的空間變異性在總變異中所占的比例較高。基底效應(yīng)如少于25 %，則說明區(qū)域化變量具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，基底效應(yīng)如在25 %～75 %，則說明區(qū)域化變量具有中等程度的空間相關(guān)性，基底效應(yīng)如大于75 %，則說明區(qū)域化變量具有較弱的的空間相關(guān)性[23-26]。

利用半方差函數(shù)的相關(guān)參數(shù)對浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析。軟件平臺有SPSS ll.0，其用來進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析；GS+7.0，其用來進(jìn)行半方差函數(shù)分析[11]；ArcGIS 8.3，其用來進(jìn)行Kriging插值[11]，繪出數(shù)字化地圖。

1.4 水稻需水量的計(jì)算

研究發(fā)現(xiàn)水稻需水量同水面蒸發(fā)量和氣溫之間存在顯著的相關(guān)性[10]，計(jì)算公式為：

ETi=aiE0i+biTi+ci

(1)

式中，ETi為第i階段內(nèi)水稻需水量；E0i為第i階段內(nèi)水面蒸發(fā)量；Ti為第i階段內(nèi)日平均氣溫，ai、bi、ci為第i階段內(nèi)需水系數(shù)，為常數(shù)[10]。與模數(shù)法和蒸發(fā)法相比，該計(jì)算方法計(jì)算精度較高，可作為有這類計(jì)算與預(yù)報(bào)要求的灌溉工程設(shè)計(jì)與用水管理的理論依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339各生長期需水量描述性統(tǒng)計(jì)

作物需水量的評價(jià)的準(zhǔn)確性取決于其數(shù)據(jù)分布特征。如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，其變異函數(shù)會產(chǎn)生比例效應(yīng)。采用SPSS ll.0軟件的單樣本 K-S檢驗(yàn)法，對雜交晚稻豐優(yōu)9339生長期各生育階段需水量進(jìn)行非對數(shù)檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算得到的描述性統(tǒng)計(jì)特征值如表1。

從表1可以看出，在浙江省水稻種植區(qū)，雜交晚稻豐優(yōu)9339各生長階段需水量都服從正態(tài)分布。在水稻播種育苗期，浙江省需水量的平均值為37.13 mm，介于21.59～53.68 mm。在分蘗期，全省水稻需水量平均值為82.79 mm，介于53～109.26 mm，在拔節(jié)孕穗期，全省水稻需水量的平均值為75.32 mm，介于53.01～98.87 mm。在齊穗灌漿期，全省水稻需水量平均值為60.67 mm，介于38.86～92.59 mm。在成熟收獲期，全省需水量的平均值為22.40 mm，介于14.30～32.43 mm。因此，在水稻各生育時(shí)期中，分蘗期時(shí)水稻需水量最大，其次是拔節(jié)孕穗期，而以成熟收獲期時(shí)的水稻需水量最小。

從變異系數(shù)來看，成熟收獲期雜交晚稻豐優(yōu)9339需水量的變異系數(shù)最大，為18.21 %，其次是齊穗灌漿期，為17.08 %，最小的為拔節(jié)孕穗期，只有12.67 %。

2.2 半方差函數(shù)分析

有效分析水稻需水量在浙江省水稻種植區(qū)內(nèi)空間變異結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，是選擇合適的半方差函數(shù)模型。采用GS+7.0軟件，對雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量進(jìn)行半方差函數(shù)擬合。選擇的原則是決定系數(shù)R2最大，殘差(RSS)最小[12-16]。

表1 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339生長期需水量描述性統(tǒng)計(jì)特征

表2 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量半方差函數(shù)

從表2可以看出，除了成熟收獲期需水量的理論模型為高斯模型外，其他各生育時(shí)期需水量的理論模型都為指數(shù)模型。

從表2可以看出，雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量的C0/(C0+C)值在0.20～0.50。其中分蘗期需水量的C0/(C0+C)值為0.20，為最小值；播種育苗期需水量的C0/(C0+C)值為0.50，為最大值。如果某變量的塊金效應(yīng)C0/(C0+C)值少于25 %時(shí)，表示此變量的空間相關(guān)性強(qiáng)，介于25 %～75 %時(shí)，表示此變量的空間相關(guān)性中等[8-10]。因此，可以認(rèn)為雜交晚稻豐優(yōu)9339分蘗期需水量在浙江省境內(nèi)具有強(qiáng)的空間相關(guān)性，其空間相關(guān)性主要是由經(jīng)緯度等結(jié)構(gòu)性因素造成的。其他生育期需水量在浙江省境內(nèi)都具有中等程度的空間相關(guān)性。其空間變異性是由經(jīng)緯度等結(jié)構(gòu)性因素和地型、海拔高度以及耕作等隨機(jī)性因素共同作用而成的。

圖1 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339播種育苗期需水量分布 Fig.1 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during sowing and seedling stage in Zhejiang province

雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量的空間自相關(guān)范圍具有明顯差異。各生育期需水量的變程在84 600～2229 900 m，以拔節(jié)孕穗期需水量的變程最少，只有84 600 m,以播種育苗期需水量的變程最大，為2229 900 m。其他生育時(shí)期如分蘗期、齊穗灌漿期、成熟收獲期需水量的變程則分別為139 800、1472 100和1192 800 m。

2.3 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339稻生長期需水量分布特征

當(dāng)雜交晚稻豐優(yōu)9339處于播種育苗期時(shí)，水稻需水量37.66～53.63 mm的中高值區(qū)位于浙江省北部，西南部和中部，占研究區(qū)總面積的50.98 %。需水量少于37.65 mm低值區(qū)處在浙江省的東部和西北部，占研究區(qū)總面積的49.02 %(圖1)。

當(dāng)雜交晚稻豐優(yōu)9339處于分蘗期時(shí)，水稻需水量為95.21～109.22 mm的高值區(qū)位于金衢盆地和紹興市的上虞、余姚一帶，占研究總面積的8.48 %。而需水量為81.20～95.20 mm中值區(qū)位于浙江省的北部、中部和西南部，占研究區(qū)總面積的49.64 %。而需水量少于81.20 mm的低值區(qū)則位于浙江省的東南部和西北部，占研究區(qū)總面積的42.88 %(圖2)。

圖2 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339分蘗期需水量分布Fig.2 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during tillering period in Zhejiang province

圖3 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339拔節(jié)孕穗期需水量分布 Fig.3 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during jointing-booting period in Zhejiang province

圖4 4浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339齊穗灌漿期需水量分布Fig.4 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during grain filling period in Zhejiang province

在雜交晚稻豐優(yōu)9339拔節(jié)孕穗期，需水量少于75.96 mm的低值區(qū)處于浙江省的中部、東南部和西北部，占研究區(qū)總面積的52.46 %，需水量在75.97～98.80 mm的中高值區(qū)處于浙江省金衢盆地的大部和西南部，占研究區(qū)總面積的47.54 %(圖3)。

在雜交晚稻豐優(yōu)9339齊穗灌漿期，需水量大于65.72 mm的高值區(qū)位于浙江省的西南部，占研究區(qū)總面積的18.32 %，大部分地區(qū)是需水量在52.31～65.71 mm之間中值區(qū)，占研究區(qū)總面積的75.47 %(圖4)。

在雜交晚稻豐優(yōu)9339成熟收獲期，需水量大于23.38 mm的高值區(qū)處于浙江省中部和西南部，占研究區(qū)總面積的22.55 %，大部分地區(qū)的雜交晚稻豐優(yōu)9339需水量在18.85～23.37 mm之間的中值區(qū)，占研究區(qū)總面積的71.62 %(圖2)。

從浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339總的生長期來看，水稻需水量大于323.50 mm的高值區(qū)位于浙江省的西南部、中部和北部的一部分地區(qū)，占研究區(qū)總面積的31.29 %，浙江省的西北部、東部和東南部的廣大地區(qū)，其雜交晚稻豐優(yōu)9339需水量為270.83～323.49 mm，占研究區(qū)總面積的66.43 %(圖6)。

圖5 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339成熟收獲期需水量分布Fig.5 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during mature and harvesting period in Zhejiang province

圖6 浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339全生長期需水量分布Fig.6 Spatial distribution of water requirement during growth of hybrid late indica rice Fengyou 9339 in the fields in Zhejiang province

3 討 論

通常，作物需水量確定的指標(biāo)主要是氣象指標(biāo)、植物指標(biāo)、土壤指標(biāo)。氣象指標(biāo)主要是氣溫、大氣濕度、太陽有效輻射、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等。植物指標(biāo)包括植物種類、生育時(shí)期、葉面積指數(shù)、根系活力等。土壤指標(biāo)主要是田間持水量、土壤質(zhì)地、土壤肥力、耕層深度、土壤結(jié)構(gòu)、地下水位等。Penman-Monteith公式綜合考慮了各種氣象因素對需水量的影響，具有可靠的物理基礎(chǔ)。Penman-Monteith公式使用時(shí)不需要進(jìn)行區(qū)域率定，是全世界通用的利用氣象參數(shù)計(jì)算參考作物需水量的標(biāo)準(zhǔn)方法。但該方法要在氣候數(shù)據(jù)齊全時(shí)才可采用。而采用水面蒸發(fā)量與氣溫指標(biāo)來計(jì)算作物的需水量，方法簡便快捷，而且精度較高。在氣象數(shù)據(jù)缺失的情況下不失為一種可行的方法。

氣候的變化、農(nóng)作物生長進(jìn)程的不同，都會引起農(nóng)作物需水量的變化。某一區(qū)域內(nèi)作物需水量的正確計(jì)算和快速預(yù)測，可為該區(qū)域農(nóng)作物合理布局提供依據(jù)。對合理配置水資源、實(shí)現(xiàn)五水共治有著重要的意義。

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析結(jié)果表明，浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339各生長階段需水量服從正態(tài)分布。播種育苗期浙江省需水量的均值為37.13 mm，分蘗期為82.79 mm，拔節(jié)孕穗期為75.32 mm，齊穗灌漿期均值為60.67 mm，成熟收獲期為22.40 mm。從變異系數(shù)來看，成熟收獲期水稻需水量的變異系數(shù)最大，為18.21 %，其次是齊穗灌漿期，為17.08 %，最小的為拔節(jié)孕穗期，只有12.67 %。

(2)本研究中雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量的C0/(C0+C)值在0.20～0.50之間。其中分蘗期需水量的C0/(C0+C)值為0.20,為最小值；播種育苗期需水量的C0/(C0+C)值為0.50，為最大值?？梢哉J(rèn)為雜交晚稻豐優(yōu)9339分蘗期需水量在浙江省境內(nèi)具有強(qiáng)的空間變異性，其他生育期需水量在浙江省境內(nèi)都具有中等程度的空間變異性。雜交晚稻豐優(yōu)9339各生育期需水量的空間自相關(guān)范圍具有明顯差異。各生育期需水量的變程在84 600～2229 900 m，以拔節(jié)需水量的變程最少，以播種育苗期需水量的變程最大。

(3)從浙江省雜交晚稻豐優(yōu)9339總的生長期來看，大部分地區(qū)的水稻需水量為270.83～323.49 mm，占研究區(qū)總面積的66.43 %。而水稻需水量大于323.50 mm的高值區(qū)位于浙江省的西南部、中部和北部的一部分地區(qū)，占研究區(qū)總面積的31.29 %。事實(shí)上，浙江省水稻易干旱區(qū)也位于這個(gè)區(qū)域。說明研究結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際情況一致。