貴州山地雜交秈稻區(qū)水分時空變化規(guī)律研究

江學(xué)海,李剛?cè)A,陸波,羅德強(qiáng),劉正輝,李敏,蔣明金,陳永蓮,丁艷鋒*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與生產(chǎn)管理重點(diǎn)實驗室/江蘇現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京210095; 2.貴州省水稻研究所,貴州 貴陽 550006;3.麻江縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站,貴州 麻江 557600)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在2021年的報告中指出,隨著全球變暖,降水減少、干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度持續(xù)增加,受影響的范圍也將隨之?dāng)U大[1]。全球氣候升溫1.5 ℃時,我國大部分地區(qū)的極端氣候事件增加,降雨量與降雨頻率變異加大[2]。氣候變暖引起降水量的分布不均衡,降水格局發(fā)生變化,西南地區(qū)降水量減少[3],帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)降低,干旱發(fā)生加劇[4]。隨著氣溫升高,作物蒸散速率增大[5],安全播種期提前[6],生長季可利用率增加,但實際生長期縮短,需水量隨之發(fā)生變化[7]。水分虧缺是指作物需水量與有效降水量的差值[8],可反映作物生產(chǎn)水分的供需平衡關(guān)系[9]。彭曼公式計算作物需水量被廣泛應(yīng)用,三江平原[10]、江蘇[11]、云南[12]等地研究得出水分虧缺的變化特征,對區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源高效利用具有重要意義。

貴州作為中國山地農(nóng)業(yè)的典型地區(qū),水稻產(chǎn)區(qū)多為梯田和山間田壩,水稻種植對降水的依賴程度高。貴州雖年降水量豐富,但因氣候變化使降水量呈減少的趨勢,加之時空分布不均,極易發(fā)生季節(jié)性干旱,是影響水稻生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害。隨著氣候變化干旱發(fā)生頻率增加[13-14],造成水稻大幅度減產(chǎn)[15]。貴州從20世紀(jì)80年代推廣應(yīng)用雜交秈稻品種至今,除西北冷涼地區(qū)外各稻區(qū)均以種植雜交秈稻為主[16]。為適應(yīng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,不同稻區(qū)種植制度發(fā)生改變,黔南、黔北、黔東雙季稻區(qū)轉(zhuǎn)為一季中稻區(qū),稻田輪作高效模式通過早播提高農(nóng)業(yè)氣候資源利用效率。因此,需要進(jìn)一步研究貴州不同生態(tài)區(qū)域水稻生育期變化對水分時空分布的影響。

在氣候變化加劇的背景下,分析貴州雜交秈稻水分虧缺時空分布特征是應(yīng)對干旱災(zāi)害、保證產(chǎn)量的基礎(chǔ),但目前主要針對氣象干旱的研究較多,而基于不同生態(tài)區(qū)域雜交秈稻階段水分虧缺的研究較少。本研究在黔中、黔東、黔北、黔西南和黔南5個生態(tài)區(qū)域以中遲熟雜交秈稻為材料,根據(jù)水分需求劃分生育階段,結(jié)合1986—2015年氣象資料分析不同生態(tài)稻區(qū)階段有效降水量、需水量和水分虧缺的時空分布規(guī)律,明確不同階段需水量與降水量的協(xié)同程度,以期為貴州山地水稻灌溉策略提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)來源

本研究將貴州雜交秈稻水稻種植主要區(qū)域,根據(jù)氣候地理生態(tài)條件分為黔中、黔東、黔北、黔西南和黔南5個生態(tài)稻區(qū)。氣象數(shù)據(jù)來源于各生態(tài)區(qū)域的33個氣象站點(diǎn)(圖1),范圍為25°3′0″N～28°34′48″N,104°32′24″E～109°7′12″E,各稻區(qū)海拔高度258.1～1 649.4 m,平均海拔分別為1 039.3、459.9、633.5、1 430.5 和395.9 m。收集各氣象站點(diǎn)1986—2015年來的逐日最高溫度(Tmax)、最低溫度(Tmin)、平均溫度(Tmean),日照時數(shù)(Sn)、降水量(P)、平均相對濕度(RH)、平均風(fēng)速(u2)等數(shù)據(jù)。

圖1 氣象數(shù)據(jù)來源站點(diǎn)位置Fig.1 Location of meteorological data source site

1.2 安全播種期的確定

貴州各稻區(qū)采用農(nóng)膜拱棚保溫旱育秧和濕潤育秧,安全播種期界限溫度確定為10 ℃[17],對各氣象站點(diǎn)逐日平均溫度采用5日滑動平均法[18],以穩(wěn)定通過界限溫度的初日作為各年份的氣象安全播種期,以日序(DOY)建立線性回歸方程并分析其變化趨勢特征。

1.3 各稻區(qū)生育期劃分

1.3.1 田間試驗地點(diǎn)及基本情況2014—2015年,根據(jù)面積和海拔分布,在5個生態(tài)區(qū)域選擇6個代表地點(diǎn)進(jìn)行雜交秈稻生育進(jìn)程觀察試驗,試驗點(diǎn)情況見表1。貴陽、湄潭(黔中稻區(qū))、思南(黔東稻區(qū))、正安(黔北稻區(qū))、興義(黔西南稻區(qū))、荔波(黔南稻區(qū)),試驗地點(diǎn)的海拔為402～1 287 m,可較好反映各生態(tài)區(qū)水稻種植主要垂直分布實際。各點(diǎn)試驗田的土壤地力相近,肥力為中上等。

表1 不同生態(tài)區(qū)域雜交秈稻生育期觀測試驗地點(diǎn)的地理位置Table 1 Geographical location of observation test site for growth period of hybrid indica rice in different ecological regions

1.3.2 供試品種試驗以貴州生產(chǎn)中常用的10個中遲熟雜交秈稻品種:金優(yōu)785、紫優(yōu)93、奇優(yōu)894、黔優(yōu)790、川香優(yōu)6203、成優(yōu)489、F優(yōu)498、兩優(yōu)585、香兩優(yōu)875、兩優(yōu)662為材料,其中前6個為三系法雜交秈稻、后4個為兩系法雜交秈稻。10個品種的生育期接近,適合各生態(tài)區(qū)種植。

1.3.3 試驗設(shè)計對1986—2013年5個稻區(qū)安全播種期的平均值采用經(jīng)驗頻率方法,按保證率80%計算確定各試驗點(diǎn)播期[7]。貴陽、湄潭、思南、正安、興義、荔波的實際播期分別為4月2日、4月1日、3月24日、3月24日、3月24日、3月17日,與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)相近。育秧方式為旱育秧,秧齡30 d,單本移栽,行距29.7 cm、株距16.5 cm。以品種為變量進(jìn)行完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,小區(qū)面積13.3 m2,3次重復(fù)。施肥按照總氮150 kg·hm-2,氮、磷、鉀肥質(zhì)量比為1∶0.5∶1,氮肥運(yùn)籌按基蘗肥與穗肥6∶4(質(zhì)量比)施用,磷肥全做底肥,鉀肥分底肥和穗肥2次等量施用。為準(zhǔn)確比較生育期進(jìn)程,水分管理本田期保持淺水,收割前7 d排水。

1.3.4 生育期觀察按照《農(nóng)業(yè)品種區(qū)域試驗技術(shù)規(guī)范:NY/T 1300—2007》觀測記錄移栽期、有效分蘗臨界期、拔節(jié)期、抽穗期、齊穗期、成熟期[19]。按照雜交秈稻的水分需求規(guī)律將本田期劃分為4個階段:有效分蘗階段為移栽(T)至有效分蘗臨界期(PT);無效分蘗階段為有效分蘗臨界期(PT)至拔節(jié)期(J);孕穗開花階段為拔節(jié)期(J)至齊穗開花期(F);灌漿成熟階段為齊穗開花(F)至成熟期(M)。

1.4 生育階段作物需水量

根據(jù)2年生育期觀測試驗結(jié)果,以不同生態(tài)稻區(qū)的雜交秈稻生育時期的起止日期作為節(jié)點(diǎn)劃分生育階段,應(yīng)用Penman-Monteith公式,將各生育階段內(nèi)逐日參考作物蒸散量(ET0)累加計算水稻各生育階段的需水量。計算公式如下:

(1)

式中:ET0為參考作物蒸散量(mm·d-1);Rn為作物冠層表面的太陽凈輻射量(MJ·m-2·d-1);G為土壤熱通量密度(MJ·m-2·d-1);T為日均氣溫(℃);u2為地面2 m高度的日均風(fēng)速(m·s-1);es為空氣飽和水汽壓;ea為空氣實際飽和水汽壓(kPa);Δ為飽和水汽壓與空氣溫度關(guān)系曲線斜率(kPa·K-1);γ為濕度計常數(shù)(kPa·K-1)。

作物需水量(ETc,mm)根據(jù)FAO推薦方法計算。計算公式如下:

ETc=ET0×Kc

(2)

式中:Kc為作物系數(shù)。本研究生育階段的作物系數(shù),根據(jù)貴州水稻生產(chǎn)實際,采用貴州水利部門推薦值和前人[20-21]在西南區(qū)域研究結(jié)果的平均值,T-PT、PT-J、J-F、F-M階段的作物系數(shù)分別為1.13、1.26、1.40和1.20。

1.5 有效降水量

根據(jù)2014和2015年對應(yīng)生育階段的逐日降水量整理和計算各生育階段的有效降水量(Pe)。水稻各生育階段的有效降水量采用美國土壤保持局(USDA)公式計算[22]:

(3)

式中:Pe為日有效降水量(mm);Pi為日降水量(mm)。

1.6 作物需水量與有效降水量協(xié)同程度

參考聶堂哲等[23]的方法,比較水稻生育階段有效降水量和需水量的協(xié)同匹配程度。公式如下:

(4)

式中:Cd為水稻各生育階段有效降水的協(xié)同指數(shù);Pe為階段有效降水量。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019整理數(shù)據(jù),用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計方差分析。對ET0、Pe和Cd等逐步回歸擬合分析傾向率;比較不同生態(tài)試點(diǎn)品種和地點(diǎn)間、年度間生育時期、ETc、水分虧缺(WD)的變異系數(shù)(CV),應(yīng)用SIMPLOT 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州山地雜交秈稻安全播種期和生育時期的時空分布

2.1.1 不同稻區(qū)氣溫和降雨的時空變化1986—2015年5個生態(tài)稻區(qū)在水稻主要生長季3月至9月的日均溫在空間分布上依次為黔南23.1 ℃、黔東21.1 ℃、黔北20.7 ℃、黔中19.5 ℃、黔西南19.0 ℃,整體表現(xiàn)出黔南最高、黔西南最低,由南向北、由東向西逐漸降低;在時間上呈現(xiàn)出隨年際升溫的趨勢,升溫的傾向率依次為黔北0.36 ℃·10 a-1、黔東0.29 ℃·10 a-1、黔南0.28 ℃·10 a-1、黔西南0.27 ℃·10 a-1、黔中0.19 ℃·10 a-1(圖2-a)。30 a各稻區(qū)降雨量在空間分布上差別較大,以黔西南最高為1 086.4 mm,黔南、黔中、黔東相近,分別為989.7、960.1、937.4 mm,黔北最低為887.4 mm;在時間變化上黔東、黔北稻區(qū)呈增加趨勢,傾向率分別為16.1、3.9 mm·10 a-1,黔西南、黔南和黔中呈降低趨勢,傾向率分別為-38.5、-11.7、-2.0 mm·10 a-1(圖2-b)。

圖2 貴州不同雜交秈稻區(qū)3—9月日均溫(a)和降水量(b)的時空變化Fig.2 Temporal and spatial variations of daily mean temperature(a)and precipitation(b) in different indica hybrid rice areas from March to September in Guizhou

2.1.2 雜交秈稻的安全播種期時空分布從1986—2015年,全省5個雜交秈稻區(qū)的安全播種期均表現(xiàn)出提前的趨勢(圖3-a),黔南、黔東、黔北、黔西南和黔中稻區(qū)安全播種期的傾向率分別為-6.5、-5.4 、-4.9、-4.7和-4.1 d·10 a-1。不同試點(diǎn)的安全播種期年際間差異較大(圖3-b),總體以黔南最早,黔西南、黔東、黔北次之,黔中較晚,30 a安全播種期平均值比黔南稻區(qū)依次延長6.4、7.9、10.6、19.1 d。6個試點(diǎn)與代表生態(tài)區(qū)的安全播種期日序變化趨勢相近,兩者平均值的比值為94.4%,說明試驗點(diǎn)的生態(tài)區(qū)域代表性較好。

圖3 不同稻區(qū)安全播種期的時空變化趨勢(a)和代表地安全播種期的時間分布(b)Fig.3 The temporal and spatial variation trend of safe sowing date in different rice areas(a) and the temporal distribution of safe sowing date in representative sites(b)

2.1.3 不同生態(tài)稻區(qū)生育時期的時間分布雜交秈稻生育期受種植區(qū)域的光、溫、水等氣候因素影響。2014和2015年貴陽、湄潭、思南、正安、興義和荔波6個地點(diǎn)10個雜交秈稻品種全生育期分別為169.3和165.0 d、161.6和157.8 d、153.8和151.4 d、152.0和151.5 d、179.7和177.0 d、141.7和138.9 d,品種間差異不顯著,生態(tài)點(diǎn)間差異達(dá)顯著水平(圖4);生態(tài)點(diǎn)間全生育期的差異變幅為0.5%～2.9%,品種間CV為0.2%～0.9%,年度間CV為0.1%～2.0%。荔波點(diǎn)有效分蘗臨界期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期早于其他試點(diǎn);貴陽點(diǎn)有效分蘗臨界期、拔節(jié)期最遲,興義點(diǎn)齊穗開花期和成熟期最遲,有效分蘗臨界期、拔節(jié)期、齊穗開花期和成熟期生態(tài)點(diǎn)間極差分別為23.4、28.0、35.0、32.8 d,對應(yīng)的4階段相差7.3 d(P<0.01)、17.2 d(P<0.01)、6.0 d(P<0.01)和10.7 d(P<0.01)。2014和2015年有效分蘗臨界期、拔節(jié)期、齊穗開花期和成熟期各品種兩年平均差異為1.3%、0.3%、0.8%、1.1%。同一生態(tài)點(diǎn)雜交秈稻生育時期較為穩(wěn)定,參試品種的平均值可作為該生態(tài)稻區(qū)生育階段的劃分時間節(jié)點(diǎn)。

圖4 2014—2015年貴州不同生態(tài)區(qū)域雜交秈稻生育時期的時間分布Fig.4 Date of growth stage of 10 indica Hybrid rice varieties in different ecological regions of Guizhou in 2014 and 2015 PT、J、F、M分別代表有效分蘗臨界期、拔節(jié)期、齊穗開花期、成熟期。下同。PT,J,F,M represent productive tillering critical stage,jointing stage,full heading flowering stage and maturity stage respectively. The same below.

2.2 不同生育階段ET0和有效降水量的時空變化

黔西南、黔中、黔東、黔北和黔南稻區(qū)本田期ET0依次為612.5、544.2、482.8、479.8和453.4 mm。不同稻區(qū)生長前期的ET0差異和30 a變化趨勢大于生長后期。有效分蘗階段黔西南稻區(qū)的ET0最高為158.1 mm,其次是黔中稻區(qū)135.9 mm,黔南、黔東和黔北稻區(qū)為101.4～116.0 mm;黔中和黔東生態(tài)區(qū)降低趨勢大,傾向率分別為-4.7和-3.5 mm·10 a-1(圖5-a)。無效分蘗階段黔西南稻區(qū)的ET0為158.8 mm,高于其他稻區(qū),30 a降低趨勢也最高,傾向率為-14.4 mm·10 a-1;其他稻區(qū)的ET0為89.2～100.8 mm,傾向率為 -0.7～-4.3 mm·10 a-1(圖5-b)。孕穗開花階段各稻區(qū)ET0為117.9～155.4 mm,黔中稻區(qū)最高;30 a表現(xiàn)出微弱升高的趨勢,傾向率為0.1～2.9 mm·10 a-1(圖5-c)。灌漿成熟階段的各稻區(qū)的ET0為130.2～162.0 mm,黔中稻區(qū)最高;30 a黔中、黔北、黔南和黔東呈上升趨勢,傾向率為1.1～4.1 mm·10 a-1,黔西南稻區(qū)呈微弱下降趨勢,傾向率為-0.4 mm·10 a-1(圖5-d)。

圖5 有效分蘗階段(a)、無效分蘗階段(b)、孕穗開花階段(c)和灌漿成熟階段(d) 參考作物蒸散量(ET0)的時空變化Fig.5 Spatial and temporal variations of the reference crop evapotranspiration(ET0)from transplanting to critical period of productive tillering(a),critical period of nonproductive tillering(b), booting flowering(c)and grain filling maturity(d)

有效分蘗階段的有效降水量以黔中稻區(qū)最高為75.3 mm,其他稻區(qū)相近平均為51.2 mm;近30 a來,各稻區(qū)均表現(xiàn)為升高的趨勢,黔東、黔中稻區(qū)傾向率分別為3.5和2.1 mm·10 a-1(圖6-a)。無效分蘗階段的有效降水量以黔西南稻區(qū)最高為108.8 mm,高于其他稻區(qū);30 a黔北、黔南稻區(qū)表現(xiàn)為上升趨勢,傾向率分別為3.6和3.4 mm·10 a-1,黔中、黔西南稻區(qū)呈下降趨勢,傾向率為-3.6和-3.1 mm·10 a-1(圖6-b)。不同稻區(qū)孕穗開花階段有效降水量的差異縮小,黔西南稻區(qū)為85.1 mm,略高于其他稻區(qū);30 a除黔南稻區(qū)略有增加外,其他稻區(qū)均表現(xiàn)為下降的趨勢,其中黔中、黔東和黔北稻區(qū)最為明顯,傾向率分別為-3.1、-2.5和-2.5 mm·10 a-1(圖6-c)。灌漿成熟階段各稻區(qū)的有效降水量相近,黔西南稻區(qū)為75.7 mm,略高于其他稻區(qū),各稻區(qū)30 a均表現(xiàn)為降低的趨勢。在4個生育階段中,灌漿成熟階段有效降雨量下降趨勢最大,平均傾向率為-5.1 mm·10 a-1,黔西南稻區(qū)達(dá)-9.3 mm·10 a-1(圖6-d)。

圖6 有效分蘗階段(a)、無效分蘗階段(b)、孕穗開花階段(c)和灌漿成熟階段(d)有效降水量的時空變化Fig.6 Spatiotemporal variation of effective precipitation from transplanting to critical period of productive tillering(a),critical period of nonproductive tillering(b),booting flowering(c) and grain filling maturity(d)

2.3 雜交秈稻不同生育階段水分虧缺的時空變化

如圖7所示:黔西南稻區(qū)需水量(ETc)最高為761.8 mm,黔中稻區(qū)為680.1 mm,黔北和黔東稻區(qū)分別為602.0和600.4 mm,黔南最低為564.8 mm。本田期水分虧缺量以黔西南稻區(qū)最高為440.9 mm,黔中、黔北、黔東和黔南稻區(qū)依次為417.1、387.1、382.2和349.2 mm。

圖7 貴州雜交秈稻不同生育階段水分虧缺的空間分布Fig.7 Spatial distribution of water deficit in different growth periods of indica hybrid rice in Guizhou

不同生育階段的需水量總體以孕穗開花和灌漿成熟階段高于前期兩階段。有效分蘗和無效分蘗階段黔西南稻區(qū)需水量為178.6和200.1 mm,略大于其他稻區(qū)。孕穗開花和灌漿成熟階段黔南稻區(qū)分別為165.0、156.3 mm,略低于其他稻區(qū)的180.0～215.5 mm和178.9～194.4 mm。

總體來看,5個生態(tài)稻區(qū)的4個階段水分虧缺值分別為83.5、70.2、120.5和121.1 mm;孕穗開花和灌漿成熟階段的水分虧缺量占比為61%,其中黔中、黔東和黔北稻區(qū)后兩階段水分虧缺量占比分別為68%、68%和65%。

雜交秈稻階段需水量和水分虧缺在時空分布上差異較大,前者的時空變化小于后者(表2)。需水量的變異系數(shù)為9.3%～27.3%,有效分蘗、無效分蘗和孕穗開花階段需水量在空間分布上的差異大于時間分布,灌漿成熟階段需水量時空分布差異相近;水分虧缺時空分布變異系數(shù)為25.1%～37.5%,有效分蘗階段水分虧缺時間分布差異高于空間分布,無效分蘗和孕穗開花階段水分虧缺時空差異相近,灌漿成熟階段水分虧缺在時間分布上的差異高于空間分布。

表2 貴州山地雜交秈稻生育階段需水量(ETc)和水分虧缺(WD)時空變異系數(shù)Table 2 Spatial-temporal variation coefficient of crop water requirement(ETc)and water deficit(WD) at growth period of hybrid indica rice in Guizhou mountain %

2.4 降水協(xié)同指數(shù)的時空變化

貴州山地雜交秈稻區(qū)本田期需水量與有效降水量協(xié)同程度指數(shù)(Cd)30 a的平均值為0.39,有效分蘗、無效分蘗、孕穗開花、灌漿成熟階段分別為0.41、0.49、0.36、0.34。有效分蘗階段,黔東、黔中、黔北、黔南和黔西南稻區(qū)的Cd分別為0.53、0.50、0.42、0.35和0.29;在時間變化上,30 a來5個雜交秈稻區(qū)呈微弱上升趨勢,傾向率為0.01～0.05·10 a-1(圖8-a)。無效分蘗階段,黔西南、黔中、黔北、黔東和黔南的Cd分別為0.55、0.51、0.50、0.47和0.38;30 a黔中稻區(qū)Cd表現(xiàn)為微弱降低趨勢(-0.03·10 a-1),其他稻區(qū)呈微弱上升,傾向率為0.03～0.05·10 a-1(圖8-b)。孕穗開花階段,黔西南、黔南、黔北、黔東和黔中稻區(qū)的Cd依次為0.44、0.35、0.33、0.31和0.30,30 a表現(xiàn)出微弱的降低趨勢(圖8-c)。灌漿成熟階段,Cd以黔西南稻區(qū)最高,為0.44;黔南和黔中稻區(qū)的Cd次之,分別為0.37和0.35;黔北和黔東稻區(qū)較低,分別為0.29和0.27;隨著年際呈現(xiàn)降低的趨勢,傾向率為-0.05～-0.01·10 a-1(圖8-d)。

3 討論

明確貴州不同生態(tài)區(qū)域雜交秈稻生育期的時空分布特征是制訂各稻區(qū)水稻高產(chǎn)栽培技術(shù)的重要依據(jù)。本研究以田間試驗雜交秈稻生育期與長期氣象數(shù)據(jù)結(jié)合的方法分析貴州5個生態(tài)區(qū)雜交秈稻不同生育階段水分的時空變化規(guī)律。各稻區(qū)安全播種期均有提前,這與陳超等[6]研究結(jié)果相似。不同生態(tài)區(qū)域安全播種期的時間分布與緯度和海拔密切相關(guān)[24],貴州山地氣候在垂直方向受海拔的影響,高海拔地區(qū)比低海拔地區(qū)增溫幅度小,黔南、黔東和黔北等低海拔稻區(qū)的安全播種期提前早于黔中稻區(qū),黔西南稻區(qū)為低緯度高海拔地區(qū),因升溫早,安全播種期比黔中稻區(qū)提前。各生態(tài)稻區(qū)熟期相近品種的生育期穩(wěn)定,這與呂偉生等[25]研究結(jié)果相同,可將同一區(qū)域雜交秈稻生育時期作為時間節(jié)點(diǎn)分析階段水分虧缺的時空特征。貴州不同生態(tài)稻區(qū)的生育階段時間分布差異較大是影響ET0和Pe的主要因素。黔西南無效分蘗階段顯著長于其他生態(tài)稻區(qū)而ET0較高,黔南稻區(qū)的灌漿成熟階段短而ET0較低,需水量與階段歷時呈正相關(guān)。與氣溫升高相比,不同稻區(qū)因生育階段時間分布和長度差異導(dǎo)致ET0空間分布差異大,低海拔稻區(qū)生育期短,降低了階段蒸散耗水的時間,即使因溫度升高和輻射增強(qiáng)引起水分蒸散增加,但低于其對水稻生育期的影響,需水量仍表現(xiàn)為降低[26]。

不同生態(tài)稻區(qū)需水量時空分布差異還與貴州山地的地形地貌特征密切相關(guān)。需水量隨著海拔升高而增加,這與云南受低緯高原山川三維氣候影響的結(jié)果相似[27]。黔西南稻區(qū)因海拔較高,日照時數(shù)長、風(fēng)速大[28],表現(xiàn)出較高的需水量。近60 a來中國水稻的需水量由東南向西北減少[29],貴州地處中國西南,總體也表現(xiàn)出減少的趨勢,但各稻區(qū)需水量的變化不同,黔南和黔北稻區(qū)表現(xiàn)出增加的趨勢,黔西南、黔東和黔中稻區(qū)表現(xiàn)出減小的趨勢。水稻需水量在空間分布上的差異增大,因此可按需水量特征分為:西南部高需水量區(qū),包括興義、興仁、安龍等地;中部中高需水量區(qū)域包括貴陽、遵義、湄潭、安順等地,東部和北部為中需水量區(qū),前者包括銅仁、思南、鎮(zhèn)遠(yuǎn)、三穗等地,后者包括正安、赤水、沿河、務(wù)川等地;南部低需水量區(qū),包括望謨、羅甸、荔波、從江、榕江等地。此外,巖溶地貌因降低了水分利用效率(WUE)而需水量增加[30],貴州山地屬典型的喀斯特地貌,不同稻區(qū)在估算需水量時,應(yīng)考慮其影響。大氣環(huán)流異動加劇了水分虧缺區(qū)域分布差異[31],以致水分虧缺的時空變化大。30 a溫度變化對各稻區(qū)水分虧缺的影響較小,主要與降水量的空間分布關(guān)系緊密,不同生育階段有效降水量在各稻區(qū)表現(xiàn)出不同的趨勢,總體表現(xiàn)為營養(yǎng)生長期升高,生殖生長期降低。有效降水量降低和分布不均增加了水分虧缺的發(fā)生頻率和程度,黔中、黔北和黔東稻區(qū)表現(xiàn)突出。黔西南稻區(qū)有效分蘗階段需水量高于其他稻區(qū),有效降水量低,因此水分虧缺較大;生殖生長階段需水量雖大,但有效降水量高,即使表現(xiàn)為降低趨勢,但水分虧缺卻低于其他稻區(qū)。

需水量和有效降雨量的協(xié)同指數(shù)可較好地反映貴州山地水稻的降雨利用效率。本研究發(fā)現(xiàn)水稻生殖生長階段的需水量隨年際增加,有效降水量減少,協(xié)同指數(shù)低于營養(yǎng)生長階段,這使依靠播期調(diào)整提高水稻生育期與降水相匹配的技術(shù)措施增加了難度,因此,根據(jù)不同稻區(qū)協(xié)同指數(shù)制訂水分管理技術(shù)對提高水分生產(chǎn)效率尤為重要。孕穗開花和有效分蘗階段發(fā)生水分虧缺可導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低[32]。黔西南稻區(qū)有效分蘗階段Cd較低,應(yīng)通過淺水促分蘗,保證在有效分蘗臨界期達(dá)到高產(chǎn)預(yù)期穗數(shù);5個稻區(qū)無效分蘗階段的水分虧缺較小,栽培上需要注意高峰苗控制,避免因成穗率低影響產(chǎn)量,采取排水?dāng)R田等水分管理進(jìn)行調(diào)節(jié),黔西南稻區(qū)此階段較長,可加大擱田程度;黔中、黔東和黔北稻區(qū)在孕穗開花階段增加灌溉,保持淺水;黔東、黔北、黔南稻區(qū)的灌漿成熟階段的Cd較低,應(yīng)通過建立薄水層和濕潤露田控制用水量,增加間歇灌溉周期,改善稻田土壤通氣,發(fā)揮養(yǎng)根壯根增產(chǎn)作用。通過減少無效分蘗和灌漿成熟階段的灌溉用水量,提高水分生產(chǎn)效率。本研究計算需水量采用的作物系數(shù)(Kc)取值為經(jīng)驗推薦值,但因其受區(qū)域氣候、地理、土壤、水分管理方式的影響差異較大[33],因此,需要進(jìn)一步在不同生態(tài)稻區(qū)開展作物系數(shù)的研究,提高模型估算需水量的準(zhǔn)確度。

貴州山地雜交秈稻生育期由西向東、由中部向南北方向縮短,不同稻區(qū)生育階段的時空分布與需水量、水分虧缺和協(xié)同指數(shù)密切相關(guān)。需水量的空間分布特征與生育期分布一致;水分虧缺時空變化大,黔南稻區(qū)的水分虧缺最小,黔西南稻區(qū)有效分蘗階段的水分虧缺較大,黔中、黔東和黔北稻區(qū)孕穗開花階段水分虧缺較大,降水協(xié)同指數(shù)低,對水稻產(chǎn)量影響最大。各稻區(qū)水稻生殖生長階段的降水協(xié)同指數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢,發(fā)生水分虧缺的風(fēng)險增大。生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)需水量時空分布規(guī)律和階段降水協(xié)同指數(shù)制訂適宜的區(qū)域水分管理技術(shù)。