海南島水稻需水量與缺水量的時空變化特征

鄒海平，張京紅，李偉光，陳小敏，白 蕤，呂 潤

（海南省氣候中心/海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570203）

水稻（Oryza sativa）是海南島最主要的糧食作物，近幾年播種面積都維持在24萬 hm2左右，約占糧食作物的86%[1]。海南稻米直鏈淀粉含量高達(dá)26%，符合當(dāng)?shù)鼐用耧嬍沉?xí)慣要求，深受百姓喜愛[2]。水資源作為限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的資源支撐和保證，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全息息相關(guān)[3]。海南島年均降水量為1 826.0 mm，水資源豐富，但時空分布不均、干旱頻發(fā)，且農(nóng)田灌溉用水量利用率低僅為55.3%，對水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)造成直接影響[4-6]。作物需水量與缺水量是進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源分配、農(nóng)業(yè)水利工程設(shè)計的重要參考指標(biāo)[7]。全球氣候變暖以及隨之改變的降水時空格局將會直接影響作物生長發(fā)育和耗水過程，進(jìn)而影響作物需水量和缺水量[8]。因此，掌握海南島水稻需水量和缺水量的時空變化特征，對海南島合理進(jìn)行水資源配置、提高農(nóng)田灌溉用水利用率、保障水稻科學(xué)高效生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)和實(shí)踐意義。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對水稻[9-15]、玉米（Zea mays）[16-17]、小麥（Triticum aestivum）[7,18]、棉花（Gossypiumspp）[19-20]、大豆（Glycine max）[21-22]、馬鈴薯（Solanum tuberosum）[23]、花生（Arachis hypogaea）[24]和烤煙（Nicotiana tabacum）[25]等不同作物需水量和缺水量的時空特征開展了大量的研究。在研究方法上，主要利用FAO推薦的Penman-Monteith 公式和作物系數(shù)法計算作物需水量，該方法考慮了影響蒸散的大氣物理特性和植物生理機(jī)制，具有很好的物理基礎(chǔ)[26]。缺水量為需水量與同時期有效降水量之差[27]，有效降水量的計算主要采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法，該方法是目前眾多的有效降水計算方法中得到公認(rèn)和普遍推廣的方法之一，其有效性已在許多學(xué)者的研究中予以證明[28-29]。劉鈺[9]等分析了中國水稻需水量和缺水量的空間分布特征，其選用的海南島氣象站僅有1個，在揭示海南島水稻需水和缺水量規(guī)律方面不夠細(xì)致全面，且計算水稻需水量的作物系數(shù)為修訂后的FAO推薦值，與實(shí)際作物系數(shù)值存在一定誤差。因此，本研究基于海南島18個市（縣）1971—2020年的逐日氣象數(shù)據(jù)和6個農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站水稻生育期數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith 公式和海南水稻作物系數(shù)實(shí)際值計算水稻需水量，結(jié)合美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法計算水稻有效降水量，進(jìn)而得到水稻缺水量。再結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計方法和GIS插值技術(shù)對海南島水稻需水量和缺水量的時空變化特征進(jìn)行分析，旨在為海南島農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)水資源合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源 氣象資料來自海南省氣象信息中心，包括海南島18個市（縣）1971—2020年的逐日平均最高、最低氣溫，日照時數(shù)，平均風(fēng)速，水汽壓，氣壓，經(jīng)緯度和海拔高度。水稻（早、晚稻）生育期數(shù)據(jù)來自6個農(nóng)業(yè)氣象觀測站，分別分布在?？谑?、瓊海市、陵水縣、儋州市、樂東縣和瓊中縣。各市（縣）生育期觀測開始時間不同，為保持一致，起止年限統(tǒng)一選為1999—2020年。

1.2 研究方法

1.2.1 生育期確定 水稻全生育期是指水稻移栽至收獲整個時期，將水稻全生育期劃分為移栽返青期、分蘗前期、分蘗后期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期7個階段，各生育期出現(xiàn)時間按多年實(shí)測平均值確定。無生育期觀測資料的市（縣），根據(jù)海南氣候區(qū)劃結(jié)果[5]采用其鄰近的農(nóng)業(yè)氣象觀測站數(shù)據(jù)，具體劃分情況為：海口市、定安縣、澄邁縣、屯昌縣；瓊海市、文昌市、萬寧市；陵水縣、保亭縣、三亞市；儋州市、臨高縣；樂東縣、昌江縣、東方市；瓊中縣、白沙縣、五指山市。

1.2.2 需水量計算 水稻需水量采用參考作物蒸散量和作物系數(shù)法[26]進(jìn)行逐日計算，各生育階段的需水量由生育階段內(nèi)逐日需水量累加得出：

式中，ETc為某生育階段需水量（mm）；ETci為日需水量（mm·d-1）；i為生育階段日數(shù)（d）；Kc為作物系數(shù)；ET0i為日參考作物蒸散量（mm·d-1）。Kc與作物生育階段有關(guān)，不同發(fā)育階段Kc不同。本研究采用海南水稻Kc試驗(yàn)結(jié)果值（表1）[29]。ET0i采用Penman-Monteith 公式計算[26]。

表1 海南島水稻各生育階段作物系數(shù)（Kc）

1.2.3 有效降水量計算 有效降水量是指能夠提供給作物蒸發(fā)蒸騰，從而減少作物對灌溉水需求的雨量[9]，采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法[15,28]進(jìn)行逐日計算，公式為:

式中，Pe為某生育階段有效降水量（mm）；Pei為日有效降水量（mm·d-1）；Pi為日降水量（mm·d-1）。

1.2.4 缺水量計算 缺水量計算公式為：

式中，Dw為某生育階段缺水量（mm）。Dw>0，表示該生育階段作物缺水；Dw=0，表示水分供需平衡；Dw<0，表示水分盈余。

1.2.5 其他方法 利用Excel2007，采用線性回歸方法對水稻ETc和Dw進(jìn)行時間序列分析，用回歸系數(shù)的10倍[10]表征其變化方向和程度，并采用F檢驗(yàn)法對擬合方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（α=0.05）。采用ArcGIS9.3軟件中的反距離權(quán)重方法對水稻ETc和Dw進(jìn)行插值，得到相應(yīng)的空間分布圖，并采用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行等級劃分，柵格大小為200 m×200 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻全生育期需水量和缺水量空間分布海南島18市（縣）早稻全生育期50年平均需水量和缺水量分別為342.5～531.0 mm和241.8～483.6 mm，均值分別為444.9 mm和337.1 mm。早稻全生育期需水量低值區(qū)主要分布在北部、東北部和東南部，高值區(qū)主要分布在西部和西北部，其余為中值區(qū)。早稻全生育期缺水量空間分布與其需水量有些相似，低值區(qū)主要分布在北部、東北部及東、中部的少部分地區(qū)，高值區(qū)分布在西部。18市（縣）晚稻全生育期50 a平均需水量和缺水量分別為353.9～469.3 mm和66.5～315.2 mm，均值分別為419.7 mm和186.9 mm。晚稻全生育期需水量低值區(qū)主要分布在中部和西南部，高值區(qū)則分布在西北部和西部的少部分地區(qū)、北部、東北部及東部。晚稻全生育期缺水量空間分布與其需水量較相似，低值區(qū)和高值區(qū)范圍與需水量相比均有所縮小，中值區(qū)有所擴(kuò)大。18市（縣）早、晚稻全生育期缺水量均>0，說明所有市（縣）早、晚稻全生育期均缺水。此外，發(fā)現(xiàn)海南島早稻全生育期需水量比晚稻僅多25.2 mm，但缺水量卻多達(dá)150.2 mm，經(jīng)核實(shí)這是由早、晚稻全生育期有效降水量（分別為107.8、232.8 mm）相差較大引起。

2.2 水稻全生育期需水量和缺水量時間分布18市（縣）早稻拔節(jié)孕穗期50年平均需水量為92.0～191.0 mm，均值為130.1 mm，明顯大于各自其余6個生育階段需水量；18市（縣）早稻分蘗前期50年平均需水量為53.2～119.1 mm，均值為83.1 mm，其中14市（縣）分蘗前期需水量僅次于各自拔節(jié)孕穗期；18市（縣）早稻黃熟期50年平均需水量為52.6～106.3 mm，均值為75.0 mm，其中14市（縣）黃熟期需水量僅次于各自分蘗前期；18市（縣）早稻抽穗開花期、分蘗后期、乳熟期和移栽返青期需水量均值分別為52.2 mm、51.8 mm、38.9 mm和13.8 mm（圖1-a）。18市（縣）早稻拔節(jié)孕穗期、分蘗前期和黃熟期50年平均需水量之和占各自全生育期50年平均需水量的比例為57.6%～70.0%，均值為64.8%大于50%。可見，整體上海南島早稻全生育期需水量主要分布在拔節(jié)孕穗期、分蘗前期和黃熟期。18市（縣）早稻7個生育階段50 年平均缺水量均>0（圖1-b），說明18市（縣）早稻7個生育階段均缺水。18市（縣）拔節(jié)孕穗期50 a平均缺水量均大于各自其余6個生育階段缺水量，均值為103.3 mm；18市（縣）分蘗前期缺水量均值為69.6 mm，其中16市（縣）分蘗前期缺水量僅次于各自拔節(jié)孕穗期缺水量。18市（縣）早稻拔節(jié)孕穗期和分蘗前期50年平均缺水量之和占各自全生育期50年平均缺水量的比例為44.4%～59.7%，均值為51.4%。可見，整體上海南島早稻全生育期缺水量主要分布在拔節(jié)孕穗期和分蘗前期。

晚稻全生育期需水量和缺水量時間分布情況與早稻較相似。整體而言，晚稻全生育期需水量主要分布在拔節(jié)孕穗期和分蘗前期，18市（縣）晚稻此二生育階段50年平均需水量之和占各自全生育期50年平均需水量的比例為48.0%～57.6%，均值為53.2%（圖1-c）；缺水量方面，18市（縣）除瓊中縣晚稻乳熟期、黃熟期，屯昌縣晚稻黃熟期和保亭縣晚稻黃熟期缺水量<0外，其余生育階段缺水量>0（圖1-d）。整體上晚稻全生育期缺水量主要分別在拔節(jié)孕穗期和分蘗前期，18市（縣）晚稻此二生育階段50年平均缺水量之和占各自全生育期50年平均缺水量的比例為44.8%～76.3%，均值為60.2%。

2.3 水稻全生育期及各生育階段需水量、缺水量變化趨勢 近50年18市（縣）早、晚稻全生育期及7個生育階段的需水量和缺水量變化趨勢見表2?？煽闯觯绲救谛杷亢腿彼砍蕼p少趨勢的市（縣）個數(shù)分別為10和12，占所有市（縣）的比例分別為55.6%和66.7%，其中減少顯著的市（縣）個數(shù)分別為4和1，說明早稻全生育期需水量和缺水量多數(shù)市（縣）（占比>50%，下同）呈減少趨勢且以不顯著減少為主。早稻全生育期缺水量呈增加趨勢的市（縣）包括海口市、東方市、臨高縣、白沙縣、瓊中縣和定安縣。7個生育階段中，早稻移栽返青期、分蘗后期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和黃熟期5個生育階段需水量多數(shù)市（縣）（占比分別為94.4%、66.7%、66.7%、66.7%、55.6%）亦呈減少趨勢且以不顯著減少為主；乳熟期需水量情形相反，即多數(shù)市（縣）（占比為66.7%）呈增加趨勢且以不顯著增加為主；分蘗前期需水量情形居中，各有一半市（縣）呈增加、減少趨勢且以不顯著變化為主。缺水量方面，除早稻乳熟期缺水量各有一半市（縣）呈增加、減少趨勢外，其余生育階段缺水量多數(shù)市（縣）（占比為55.6%～83.3%）呈減少趨勢且以不顯著減少為主。

晚稻全生育期需水量和缺水量多數(shù)市（縣）（占比為66.7%和55.6%）亦呈減少趨勢且以不顯著減少為主。晚稻全生育期缺水量呈增加趨勢的市（縣）包括東方市、昌江縣、白沙縣、瓊中縣、定安縣、瓊海市、文昌市和樂東縣。7個生育階段中，晚稻移栽返青期、分蘗前期和抽穗開花期3個生育階段需水量多數(shù)市（縣）（占比分別為55.6%、66.7%和61.1%）呈減少趨勢且以不顯著減少為主，其余生育階段需水量多數(shù)市（縣）呈增加趨勢且以不顯著增加為主。晚稻移栽返青期、分蘗前期、拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期4個生育階段缺水量多數(shù)市（縣）呈減少趨勢，其中僅分蘗前期以顯著減少為主，分蘗后期、乳熟期和黃熟期缺水量多數(shù)市（縣）呈增加趨勢且以不顯著增加為主。

18市（縣）早稻全生育期及各生育階段缺水量每10 年的變化量見表3。*表示某市（縣）7個生育階段中，缺水量每10年的變化量與全生育期缺水量每10年的變化量符號一致且絕對值最大的那個。以儋州市為例，其全生育期缺水量每10年的變化量為-3.3 mm，7個生育階段中缺水量每10年的變化量為負(fù)值且絕對值最大的為拔節(jié)孕穗期缺水量（每10年的變化量為-1.7 mm）。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，*落在早稻移栽返青期至黃熟期7個生育階段的個數(shù)分別為0、4、0、7、2、0、5，拔節(jié)孕穗期和黃熟期*個數(shù)最多和次多，二者*個數(shù)之和占*總個數(shù)的比例超過50.0%為66.7%，可見總體上海南島早稻拔節(jié)孕穗期或黃熟期缺水量變化是引起全生育期缺水量變化的最主要原因。以此類推，總體上海南島早稻拔節(jié)孕穗期或分蘗前期（*個數(shù)均為7）需水量變化是引起全生育期需水量變化的最主要原因。海南島晚稻全生育期需水量和缺水量變化最主要原因分別與早稻全生育期需水量和缺水量一致。

表3 1971—2020年海南島18市（縣）早稻全生育期及各生育階段缺水量每10 a的變化量 mm

3 討 論

1971—2020年海南島早、晚稻全生育期需水量分別為444.9、419.7 mm，全生育期缺水量分別為337.1、186.9 mm。陳玉民等[30]實(shí)測1981—1988年瓊海市早、晚稻全生育期需水量分別為467.8、466.2 mm，本研究計算得出相應(yīng)時段需水量分別為436.1、469.5 mm，可見計算值與實(shí)測值接近，說明筆者采用Penman-Monteith 公式和海南水稻作物系數(shù)實(shí)際值計算水稻需水量可行。早、晚稻全生育期缺水量相差較大，是由早、晚稻有效降水量相差較大引起。而早、晚稻有效降水量相差較大是因?yàn)橥淼敬蟛糠稚龝r段處于海南島汛期（5～10月）[4]、降水充沛，而早稻大部分時段處于非汛期、降水較少。早、晚稻全生育期需水量和缺水量空間分布各異。

整體而言，海南島早稻全生育期需水量主要分布在拔節(jié)孕穗期、分蘗前期和黃熟期，晚稻全生育期需水量主要分布在拔節(jié)孕穗期和分蘗前期，符合水稻需水規(guī)律[30]。所有市（縣）早、晚稻全生育期均缺水，缺水量主要分布在拔節(jié)孕穗期和分蘗前期。所有市（縣）早稻7個生育階段均缺水，晚稻除4個市（縣）少數(shù)生育階段不缺水外，其余生育階段均缺水。

1971—2020年海南島早、晚稻全生育期需水量和缺水量多數(shù)市（縣）（占比為55.6%～66.7%）呈減少趨勢且以不顯著減少為主。近50年海南島早、晚稻7個生育階段需水量和缺水量變化趨勢情形各異。早、晚稻拔節(jié)孕穗期或分蘗前期需水量變化是引起其全生育期需水量變化的最主要原因，拔節(jié)孕穗期或黃熟期缺水量變化是引起全生育期缺水量變化的最主要原因。早、晚稻全生育期缺水量多數(shù)市（縣）在減少，水稻灌溉量相應(yīng)減少，對海南島水稻種植總體有利。但海口市、東方市、臨高縣、白沙縣、瓊中縣和定安縣早稻全生育期缺水量，東方市、昌江縣、白沙縣、瓊中縣、定安縣、瓊海市、文昌市和樂東縣晚稻全生育期缺水量在增加，水稻灌溉量相應(yīng)增加，上述地區(qū)需加強(qiáng)稻田節(jié)水灌溉管理，確保水資源高效利用。

影響水稻需水量的因素，除氣象因素外，非氣象因素（如水稻品種、土壤類型、施肥水平、灌溉方式）對水稻需水量亦會產(chǎn)生一定影響[13,30]。海南島各地水稻非氣象因素存在一定的差異，本研究在計算水稻需水量時對非氣象因素的影響考慮不足，有待后續(xù)研究完善。