基于CROPWAT模型的橡膠樹需水量

童俊儒，安 鋒，謝貴水

（1. 海南大學 熱帶作物學院，?？?570228; 2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院 橡膠研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 儋州熱帶作物科學觀測試驗站，海南 儋州 571737）

天然橡膠是我國經(jīng)濟發(fā)展和國防事業(yè)的重要戰(zhàn)略物資[1]。海南作為我國天然橡膠主產(chǎn)區(qū)，2020年總種植面積52. 69萬hm2，產(chǎn)量占全國橡膠總產(chǎn)量的46.21%[2]。橡膠樹產(chǎn)膠量的高低受多種因素的制約[3]，其中，干旱會阻礙橡膠樹的生長發(fā)育，每年季節(jié)性干旱會給我國橡膠種植業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失[4-5]。然而，國內(nèi)外對橡膠樹旱害及抗旱栽培技術方面的研究很少。充足的土壤水分和較低的飽和蒸汽壓差利于橡膠樹產(chǎn)膠[6]。長時間的大氣干旱[7]或季節(jié)性干旱所引起的葉面積指數(shù)和蒸騰速率[8]下降會導致橡膠樹的生長受阻、抽葉減慢、植株回枯死亡、過冬落葉和開花提早、割膠時間縮短、產(chǎn)排膠受阻和膠乳產(chǎn)量下降等[9-16]。通過確定橡膠樹蒸散需水量，結(jié)合有效降水量可判斷橡膠樹受干旱脅迫程度。CROPWAT模型是由聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）開發(fā)的、基于《作物需水量操作指南》[17-18]的決策支持工具，可根據(jù)不同土壤、氣候和作物類型計算作物蒸散需水量、有效降水量和灌溉需水量，并制定灌溉制度。國內(nèi)外已經(jīng)有許多學者使用CROPWAT模型對作物蒸散需水量進行分析并制定了灌溉制度[19-25]，但對于落葉喬木及多年生作物研究甚少。本研究擬結(jié)合海南省儋州市1954—2020年氣象和相關土壤數(shù)據(jù)，使用CROPWAT模型計算橡膠樹蒸散需水量、有效降水量和灌溉需水量，旨在為橡膠樹需水量的計算及灌溉制度設計及旱害評估提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理本研究所需的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）儋州觀測站。

1.2 研究區(qū)概況海南省儋州市位于海南島西北部，屬熱帶季風氣候類型。多年平均氣溫為24.6 ℃，最熱月7月的平均溫度為28.8 ℃，多年平均降水量為1 856 mm，月平均風速2.2 m·s-1，由于受季風影響，旱季、雨季分明[15,26]。

1.3 研究方法及模型介紹

1.3.1 橡膠樹蒸散需水量利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的植物蒸散量公式[18]計算橡膠樹蒸散需水量，計算公式為：

式中，ETc為橡膠樹實際需水量（mm），Kc為作物系數(shù)，ET0為橡膠樹參照需水量（mm）。橡膠樹參考需水量ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith[19]計算。

1.3.2 作物系數(shù)的確定及年生長周期劃分聯(lián)合國糧農(nóng)組織將作物年度生育期劃分為4個階段：生長初期（Lini）、發(fā)育期（Ldev）、生長中期（Lmid）和生長后期（Llate），對應的作物系數(shù)分別為Kcini、Kcdey、Kcmid和Kcend。Kc值參照《作物需水量操作指南》[18]和海南儋州橡膠樹歷年生長周期、平均割膠時間及年葉面積指數(shù)變化情況確定[27]。本研究將落葉期作為生長初期，抽葉未開割期作為發(fā)育期，雨季高產(chǎn)期作為生長中期，旱季割膠期作為生長后期劃分橡膠樹生育期，時間根據(jù)每年抽芽、割膠及落葉的平均日期確定（表1）。

表1 橡膠樹各生育階段及作物系數(shù)

1.3.3 模型土壤參數(shù)當 地 土 壤 為 磚 紅 壤，最大降水入滲率為240 mm·d-1[28]。初始土壤含水率為20.94%[26]，根系層中總有效水量（TAW）為113 mm·m-1[29]。

1.3.4 有效降水量計算有效降水量的計算選用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局（USDA Soil Conservation Service）推薦的方法計算[24]，公式為：

式中，Peff為月有效降水量（mm）；P為月降水量（mm）。

1.3.5 灌溉需水量灌溉需水量可反應作物遭受干旱的程度。各生育階段灌溉需水量等于作物蒸散需水量與有效降水量的差，若該時期內(nèi)有效降水量大于作物蒸散需水量，則無需灌溉[19]。即：

式中，n為生育階段時間（d）；ETci為第i生育期作物蒸散需水量（mm）；Peffi為第i生育期的有效降水量（mm）；Ir為需要補充的灌溉量（mm）。

1.3.6 水文年型劃分對1954—2020年海南省儋州站年降水數(shù)據(jù)由大到小進行排列，然后計算各年度水文經(jīng)驗頻率Pm：

式中，Pm為降水量系列第m項的經(jīng)驗頻率；m為降水量系列由大到小排列的序號；n為降水量觀測系列的年數(shù)。

然后利用當年降水量和Pm值的自然對數(shù)值擬合水文經(jīng)驗頻率曲線，進而設置特征年Pm值為多雨年（Pm=25%）、正常年（Pm=50%）、旱年（Pm=75%）和特旱年（Pm=95%），計算得到的不同水文年型的擬降水量[30]。對于海南地區(qū)，降水多集中于夏季，在6～9月降水量充沛，但降水利用率不高，而11月到翌年4月降水很難滿足作物生長發(fā)育所需水分[31]。因此，用全年總降水量去評估很難準確反映實際旱情。為此，筆者僅使用1～4月、11～12月降水量進行不同年型的劃分，計算得當?shù)囟嘤昴?、正常年、旱年和特旱年的旱季（?～4月和11～12月）擬降水量分別為346.48、248.73、191.57和158.24 mm。相應的干旱年旱季各月平均擬降水量計算式：

式中，Piav為i月多年平均降水量；Pidry為i月的旱年降水量；Pav為多年平均降水量；Pdry為旱年降水量[32-33]，特旱年、正常年和多雨年月平均降水計算公式同理。不同典型年月降水量如表2所列。

表2 不同水文年月擬降水量 mm

1.3.7 氣候傾向率氣候傾向率主要反應某時間段內(nèi)氣象要素變化趨勢，方程中的系數(shù)可用最小二乘法來確定。一般來講，降水的氣候趨勢用一次直線方程來定量描述：

把10 a作為氣候要素的年代際變化，指以10 a為尺度的氣候傾向率，表示氣象要素每10 a的變化速率。由于降水量的時間序列呈現(xiàn)非正態(tài)分布，可通過Mann-Kendall趨勢檢驗法中標準化檢驗統(tǒng)計量Z值的大小來揭示其顯著性，當Z的絕對值大于1.65、1.96和2.58時，表示趨勢分別通過了信度90%、95%和99%的顯著性檢驗，同時Z值的正負也指示序列的上升下降趨勢[34-35]。

1.3.8 作物蒸散需水與有效降水量的耦合度作物蒸散需水與有效降水量的耦合度反映作物生長期內(nèi)有效降水量滿足作物需水的程度。其計算公式為：

式中：λi第i時段耦合度；Pi代表第i時段內(nèi)有效降水量（mm）；ETci為第i時段內(nèi)作物蒸散需水量（mm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠樹需水量、有效降水量和灌溉需水量變化對1954—2020年橡膠樹需水量和有效降水量變化趨勢進行分析（表3，圖1）得出，在年生長周期中，橡膠樹蒸散需水量歷年平均值為1 069.8 mm；其中，以1955年為最高，達到1 206.7 mm；以2016年為最低，為948.5 mm。年蒸散需水量總體呈現(xiàn)減小趨勢，有效降水量總體呈現(xiàn)上升變化但不顯著。各月中，橡膠樹蒸散需水量僅2～3月呈現(xiàn)逐年不顯著上升外，其余各月均呈現(xiàn)下降趨勢，其中5月、7月、8月和12月下降極顯著，4月、9月下降顯著，7月降幅最大，以每10 a下降3.44 mm的速率極顯著下降。有效降水量12月顯著上升，其他月變化不顯著。7月橡膠樹蒸散需水量的變化范圍極差最大為114.4 mm，10月有效降水量變化極差最大，變化范圍為2.5～199.1 mm。灌溉需水量7、12月顯著下降，其余各月變化均不明顯，總體呈下降趨勢。年生長周期內(nèi)總灌溉需水量變化范圍為44.4～488.9 mm。4月灌溉需水量平均值最大。6～10月降水量充沛，灌溉需水量相對較小。每年的11月到翌年4月灌溉需水量較大，此時極可能會出現(xiàn)旱害現(xiàn)象。需水量和有效降水量在一年中均先增大后減?。辉?2月～翌年2月，多年數(shù)據(jù)較集中，其中，1月橡膠樹需水量約為25 mm；有效降水量在11月至翌年4月普遍低于需水量。降水量各月離散值多，極差大，且在旱季更為集中；不同月份橡膠樹需水量、有效降水量的變化與降水量變化密切相關。

表3 橡膠樹蒸散需水量、有效降水量和灌溉需水量趨勢分析

2.2 橡膠樹蒸散需水量與氣象因素相關性分析橡膠樹不同年和不同月蒸散需水量、有效降水量與氣象因素相關性分析結(jié)果見圖2。從圖2-a不同月份來看，蒸散需水量與有效降水量、降水量、氣溫、日照時數(shù)、平均水汽壓和飽和蒸氣壓差均達到極顯著正相關水平，與平均風速和平均氣壓呈顯著負相關。有效降水量與降水量、氣溫、日照時數(shù)和平均水汽壓均呈極顯著正相關，與平均風速和平均氣壓呈極顯著負相關。降水量與有效降水量同各氣象因素的相關性基本一致。需水量、有效降水量和降水量與相對濕度相關性均不顯著。

從圖2-b中可以看出，在不同年間分析時，蒸散需水量與有效降水量、降水量、相對濕度、平均水汽壓呈顯著負相關，與平均風速和日照時數(shù)呈極顯著正相關；有效降水量與年尺度上的最高氣溫、日照時數(shù)、飽和蒸氣壓差呈極顯著負相關，與降水量、相對濕度呈極顯著正相關。

2.3 不同水文年橡膠樹蒸散需水量及有效降水量的差異為了減小誤差，選取與不同水文年型年擬降水量最接近的相鄰2個年份的平均值為代表，對1975和1982年、1962和2002年、2010和2019年、1977和2005年分別取平均值作為該地區(qū)多雨年、正常年、旱年和特旱年的代表年。利用代表年氣象數(shù)據(jù)計算橡膠樹蒸散需水量，得到儋州市各月橡膠樹蒸散需水量（圖3）。結(jié)果表明，不同水文年型橡膠樹蒸散需水量、有效降水量均呈現(xiàn)先升后減的趨勢。多雨年、正常年、旱年和特旱年的橡膠樹蒸散需水量分別為1 060.7、1 072.0、1 069.3和1 156.6 mm。不同年型蒸散需水量和有效降水量均有差異，其中，1～4月任何年型蒸散需水量和有效降水量均普遍較低，從5月開始增多，11～12月均下降，特旱年相較于其他年型蒸散需水量更大。不同水文年橡膠樹的灌溉需求也不盡相同，多雨年的旱期最短，但春旱依然嚴重，特旱年旱期最長且較嚴重，不同水文年在7～9月灌溉需求均較低，10月至翌年3月是主要的灌溉需求期，說明橡膠樹全年的灌溉需求主要與秋冬季的干旱程度有關。

續(xù)表3

2.4 不同降水年型蒸散需水量與有效降水量耦合度從圖4可知，有效降水量與蒸散需水量在橡膠樹年生長周期中趨勢相對一致，均表現(xiàn)為先升高后降低。其中特旱年、旱年、正常年波動明顯，呈現(xiàn)“n”型變化，多雨年呈現(xiàn)“v”型變化。多雨年3～4月耦合度較低。特旱年需水量最大，各月需水量與有效降水量耦合度分別為54.79%、18.80%、13.66%、56.98%、89.98%、85.52%、100.00%、100.00%、100.00%、38.79%、48.40%和13.53%，在橡膠樹蒸散需水量最大同時有效降雨最小，加重了特旱年的干旱脅迫程度。特旱年和旱年耦合度起伏較大，5月耦合度較其他年型較大，但2月、3月和10～12月較低。正常年有效降水量整體上較高，冬春季需水量和有效降雨量的耦合度較高，但也經(jīng)歷了一定程度干旱。通過耦合度分析可知，不同水文年6～9月有效降水量基本滿足橡膠蒸散需水量要求，但11月到翌年4月因降水量偏少，有效降水量難以滿足橡膠樹蒸散需水量，因此容易造成橡膠樹旱害。

2.5 不同水文年型的橡膠樹灌溉需求利用CROPWAT模型計算了海南儋州地區(qū)不同水文年型的橡膠樹灌溉需求（表4）。從表4可知，海南省儋州地區(qū)夏季降雨量十分充沛且需水量和有效降雨量耦合度大，一般不用考慮灌溉，冬春季應注意防旱。多雨年灌溉需求及灌溉次數(shù)最少，特旱年灌溉需求及灌溉次數(shù)最多?？傮w而言，任何年型在冬春季都會出現(xiàn)不同程度的干旱。多雨年、正常年、旱年和特旱年分別為116.5、113.2、172.4和230.9 mm。

表4 不同水文年型橡膠樹灌溉需求量

3 討 論

本研究通過對海南省儋州地區(qū)1954—2020年氣象要素進行趨勢分析以及氣象要素與蒸散需水量和有效降水量間的相關性比較，得到了當?shù)貧庀笠氐淖兓?guī)律，明確了橡膠樹各生育階段蒸散需水量和灌溉需水量的變化及其影響因素。分析了不同水文年型下橡膠樹蒸散需水量、有效降水量和兩者耦合度。為當?shù)睾侠砝霉喔人Y源，防止橡膠遭遇旱害提供了一定的理論支撐。國內(nèi)已經(jīng)有許多研究通過水分循環(huán)和水分平衡模擬對作物蒸散需水量進行了分析并得到灌溉需求。但大多都是在較短時間間隔和小范圍內(nèi)進行的分析[36-38]。本研究使用CROPWAT模型結(jié)合橡膠樹種植區(qū)多年氣象數(shù)據(jù)進行需水量分析，為橡膠樹需水量的計算和測定提供了新思路。

以往對不同水文年型的劃分基本是利用全年降水量等數(shù)據(jù)進行劃分。本研究發(fā)現(xiàn)，利用全年總降水量去劃分海南地區(qū)水文年，很難準確反應其干旱與否。因為我國南方大多數(shù)地區(qū)都有明顯的季節(jié)性干旱，例如廣西的越冬作物在冬季生育階段內(nèi)易發(fā)生干旱；華南區(qū)的廣東、廣西和海南，春季易發(fā)生季節(jié)性干旱；長江中下游地區(qū)和華南地區(qū)發(fā)生夏旱和秋旱的可能性較高；冬旱發(fā)生可能性較高的地區(qū)有華南地區(qū)和長江中下游地區(qū)[33]。海南降水多集中于夏季，在6～9月降水量充沛，但降水利用率不高，而11月到翌年4月，降雨無法完全滿足作物生長發(fā)育所需水分，所以在本研究中，僅使用1～4月、11月、12月降雨量進行不同年型的劃分，結(jié)果比采用全年降水量劃分更加吻合海南的干旱情況。由此年型劃分得到海南降雨量達到旱年、特旱年型標準的共有13年，這與本世紀以來相關文獻報道2004、2005、2007、2010和2019年海南省均遭受了較為嚴重旱害的事實基本一致[10,39]。該劃分方式同時也能準確反映旱季蒸散量的多少，其原因在于該方式對旱季降水量監(jiān)測具有極強針對性，若旱季降水較少，相應的空氣濕度及飽和蒸氣壓差就會較低，從而加快作物蒸騰速率。該方式為南方季節(jié)性干旱多發(fā)區(qū)的水文年型劃分及旱季作物蒸散的監(jiān)測提供了參考。

有學者發(fā)現(xiàn)CROPWAT模型在計算蒸散量時會出現(xiàn)高于實際值的情況，且對于非噴灌灌溉蒸散準確度更低[40]，橡膠樹種植區(qū)多地處熱帶山區(qū)，作為高大喬木對水分的適應性也較強，因此橡膠樹種植區(qū)主要依靠降水提供水分，很少進行灌溉，但干旱導致橡膠樹死亡的現(xiàn)象也有發(fā)生[1,5]，也有研究報道灌溉可以顯著提高膠乳產(chǎn)量[41]，所以，在考慮橡膠樹灌溉制度時，該模型所擬定的參考值需進一步討論。另外，本研究模擬過程對于土壤肥力病蟲害脅迫等并未考慮在內(nèi)，需繼續(xù)對水肥效應進行研究。