气候变化对水稻灌溉需水量影响研究

李绅东，熊玉江，余仲相，肖 军

(1.云南省水文水资源局 昭通分局， 云南 昭通 657000；2.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010)

以变暖为主要特征的全球气候变化及其造成的影响已成人类关注的热点问题之一[1]。气温增加、极端降雨事件、CO2浓度变化都对作物生长发育造成直接的影响，作物需水规律发生变化，导致灌溉需水格局发生变化，加剧了农业水资源供需矛盾[2]。开展作物需水量对气候变化的响应研究，对更好的评价气候变化对作物生长的影响，并从灌溉角度制定应对策略，以减少气候变化对农业生产带来的不利影响，对保障我国粮食安全具有重要科学意义[3]。地处低纬高原地区的昭通，同时具有低纬度和高海拔地区的双重特性，干湿季分明、年温差小、日温差大，气候特征复杂[4,5]。水稻是昭通市重要的粮食作物之一，且耗水量大，因此，研究昭通市水稻需水量的气候变化响应特征能够为区域水资源管理提供基础，保障低纬高原地区农业生产可持续发展具有重要的科学意义。国内外学者针对气候变化对水稻生长的影响开展了广泛研究，包括水稻产量和品质[6-8]、水稻生育期[9,10]对气候变化的响应规律等研究工作。气候变化在影响水稻生长的同时，也导致水稻耗水过程的变化。有研究表明随着气候变暖，水稻需水量和灌溉需水量呈增加趋势[10,11]。同时也有研究表明气候变化増温不明显、降雨增加、日照时数减少和风速降低等原因，水稻需水量和灌溉需水量呈减少趋势[2,12,13]。以上研究对水稻需水量的变化趋势及其原因做了深入的分析，但针对灌溉模式对水稻需水量对气候变化响应的影响研究较少，针对低纬高原地区水稻需水规律的研究也不足。本文以昭通作为低纬高原地区典型站点为研究对象，探讨了昭通市气候变化特征及其对稻田耗水量和灌溉需水对气候变化的响应，以期为低纬高原地区在未来气候变化下作物生产布局和农业水资源合理分配提供决策依据。

1 数据与方法

1.1 试验数据

从中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了昭通站1951年1月1日至2015年12月31日逐日气象数据(其中1951、1952和1967年部分数据缺失)。昭通站WMO编号为56586，位于北纬27.35°、东经103.72°，海拔高度为1 950 m，典型的低纬高原地区。气象数据包括日最高最低气温、平均气温、大气压、空气相对湿度、风速、日照时数和降雨量。

1.2 灌溉处理

本文灌溉设置了两种灌溉模式，分别为节水灌溉和常规灌溉。节水灌溉稻田除返青期在田面保持5～25 mm薄水层返青活苗，其余各生育阶段灌水后田面均不建立水层，以根层土壤含水率作为控制指标，确定灌水时间和灌水定额。土壤水分控制上限为饱和含水率，下限则视水稻不同生育阶段，分别取土壤饱和含水率的60%～80%；传统灌溉稻田按照当地灌溉习惯，除分蘖后期晒田和黄熟期自然落干外，其余阶段均建立2～6 cm水层。两种灌溉模式的灌水技术参数如表1所示。

表1 不同灌溉模式灌溉技术参数及稻田允许蓄雨深度Tab.1 The parameter of irrigation and maximum permissible depth after rain for paddy field under different irrigation conditions

注：表中数字表示水层，mm；θs为饱和含水率；常规灌溉方式分蘖后期需进行晒田，晒田期间不灌溉。

1.3 计算方法

(1)水稻腾发量ETc计算。水稻需水量采用单作物作物系数计算[14]，同时考虑土壤水分修正系数[15]，具体公式如下：

ETc=kcksET0

(1)

(2)

(3)

式中：ETc为水稻需水量，mm；ET0为日参考作物需水量，mm；kc为作物系数，根据FAO推荐值和昭通实际情况，取水稻剩余初期、中期和末期分别取值1.05、1.63和1.03；ks为土壤水分修正系数；θ为生育阶段水稻根层土壤含水率，%；θs为生育阶段水稻根层土壤饱和含水率，%；a、b和n为经验系数；Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；T为平均气温，℃；u2为2 m高度处的风速，m/s；es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压-温度曲线上的斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。

(2)稻田渗漏量计算。根据田间有水层和无水层两种情况，分别采用线性模型和非线性模型估算稻田渗漏量[15]。

(4)

式中：St为第t天的稻田渗漏量，mm；ht为第t天田面水层深度，mm；a，b为拟合参数；K0为饱和水力传导度，其取值范围为0.1～1.0 m/d；α为经验常数，一般为50～250；Tt为土壤含水率饱和状态达到第t天水平时所经历的时间，d；Ht为第t天水稻主根层深度，m。

(3)灌溉需水量计算方法。水稻灌溉需水量定义为水稻生长过程中需要依靠灌溉补充的水量，根据表1所示灌水规则，灌溉发生在稻田水层或土壤水分达到灌溉下限。因此，在不考虑输水损失情况下，灌溉需水量计算公式为：

当灌溉下限为水层即hdt>0时：

(5)

式中：It为第t天的灌溉需水量，此处为净灌溉需水量，mm；Iut为第t天灌溉上限，mm；θst为第t天根系层土壤饱和含水率，%；θt第t天根系层土壤含水率，%；hdt为灌溉下限，mm。

当灌溉下限为土壤含水率即θdt时：

(6)

式中：θdt为第t天灌水土壤含水下限，%。

(4)有效降雨量计算方法。稻季有效降雨量根据稻田水量平衡计算，在不考虑灌溉产生径流的条件下稻田水量平衡方程如下：

ht=ht-1+Pt+It-ETct-St-Dt

(7)

Dt=max [0,(ht-1+Pt+It-ETct-St-hut)]

(8)

式中：P为第t天降雨量，mm；Dt为第t天排水量，mm；hst为第t天降雨后稻田允许蓄雨深度(见表1)，mm。

灌区稻季有效降雨量应该为降雨量与降雨排水量的差值，即有效降雨量计算公式如下：

Pet=Pt-Dt

(9)

式中：Pet为有效降雨量，mm，在有效降雨量计算中忽略了降雨初损。

(5)趋势及突变检验方法。本文应用简单的线性回归方法计算气候变化、水稻耗水量以及灌溉需水量总体变化趋势，应用Mann-Kendall(简称MK)检验判别序列整体长期线性趋势显著性以及变化突变点检测[17]。

2 结果与分析

2.1 昭通气候变化特点

气温和辐射是影响水稻需水量变化的主要因素，而降雨是影响灌溉需水量的主要因素。因此，分析昭通市历史气温、日照时数和降雨量，有利于分析需水量和灌溉需水量变化原因。昭通年累计日照时数变化规律如图1所示，在时间序列上，昭通市年日照总体呈减小趋势，MK方法检验的统计量Z为-2.63，达到极显著的水平。由图2可知，日照时数在1987年以前呈微弱增长趋势，1987-2010年呈微弱减小趋势，近5年日照时数显著性减小。日照时数在1988年和2003年存在突变。昭通年积温变化规律如图3所示，呈正弦波动，且年际变幅较大，最低达到3 952 ℃，最高达到4 302 ℃。积温有明显的增加趋势，MK方法检验的统计量Z为3.26，达到极显著的水平。由图4可知，年积温突变发生在2004年， 1999年前年积温呈减小趋势，但趋势不明显，1999年以后呈増温趋势，特别是2007年以后，増温趋势显著。年降雨量变化规律如图5所示，降雨量变化与日照时数变化规律相似，年际波动较大，在时间序列上总体呈现降雨量减少的趋势，MK方法检验的统计量Z为-2.02，减少趋势明显，特别是2000以来，年降雨量减少达到显著水平(图6)。总体而言，随着气候变化昭通市年积温显著增加，而日照时数和降雨量呈显著减小趋势。

图1 昭通市年日照时数变化Fig.1 Annual accumulated sunshine duration change trend at Zhaotong site

图2 昭通市年日照时数M-K统计量曲线Fig.2 The M-K statistics of annual accumulated sunshine duration change trend at Zhaotong site

图3 昭通市年积温变化Fig.3 Annual accumulated air temperature change trend at Zhaotong site

图4 昭通市年积温M-K统计量曲线Fig.4 The M-K statistics of annual accumulated air temperature change trend at Zhaotong site

图5 昭通市年降雨量变化Fig.5 Annual accumulated precipitation change trend at Zhaotong site

2.2 稻田耗水量对气候变化响应规律

水稻需水量主要受气象因子影响，气候变化直接导致水稻需水规律的变化，但不同灌溉模式下水稻耗水过程对气候变化响应规律存在差异。两种灌溉模式下水稻需水量ETc均随着时间序列呈波动减小趋势(见图7)，MK方法检验的统计量Z分别达到-3.90和-3.10(见表2)，减小趋势均达到极显著水平。不同灌溉模式下稻田渗漏量均呈减少趋势(见图8)，常规灌溉稻田渗漏减少趋势极明显。对比分析气候因子变化与水稻ETc变化规律，水稻ETc主要受昭通市日照时数缩短影响而减小；稻田渗漏量主要受稻田土壤结构和田间水分状况影响，降雨量变化是导致稻田渗漏量减少的主要气象因素。对比分析不同灌溉模式下稻田耗水量规律，节水灌溉稻田除返青期以外灌水后田面不建立水层，通过土壤水分调控有效抑制了水稻无效蒸发蒸腾，同时大幅减少了稻田渗漏量，节水灌溉较常规灌溉稻田多年平均水稻ETc减少16%，渗漏量减少38%，耗水量减少21.5%。不同灌溉模式稻田水稻ETc对气候变化的响应规律基本一致，但渗漏量变化规律存在差异，与常规灌溉稻田相比，节水灌溉稻田渗漏量受气候变化影响较小，其主要原因可能是节水灌溉稻田不建立水层，增加了调蓄能力，降低了稻田渗漏水力梯度。

图7 昭通市水稻全生育期需水量变化Fig.7 The ETc of rice grow season change at Zhaotong site

图8 昭通市水稻全生育期渗漏量变化Fig.8 The percolation of rice grow season change trend at Zhaotong site

2.3 不同灌溉模式下稻田灌溉需水量对气候变化响应规律

气候变化影响了作物耗水规律以及水稻生育期降雨，从而导致稻田灌溉需水量发生变化。昭通市水稻灌溉需水量变化规律如表2所示，两种灌溉模式下灌溉需水量年际变化明显，两种灌溉模式稻田灌溉需水量均呈现增加的趋势，MK方法检验统计量分别为0.36和0.42，增加趋势不明显。两种灌溉模式下有效降雨量变化规律较为一致，均呈显著减小趋势，MK方法检验统计量分别为-2.52和-2.68，呈极显著水平。对比分析气象因子变化，昭通市是降雨量的减少是导致稻田有效降雨量减少的主要因素。由表2可知，虽然两种灌溉模式稻田灌溉需水量和有效降雨量对气候变化的响应规律基本一致，但节水灌溉稻田通过控制田间水层，有效地减少了稻田的渗漏量，同时增加了稻田对降雨的调蓄能力，提高了雨水的利用效率[18]，节水灌溉稻田较常规灌溉稻田灌溉需水量减少57%，降雨利用量提高11%。昭通市在日照、气温和降雨变化的综合作用下，虽然水稻需水量和稻田渗漏呈减少趋势，但是随着降雨量的减少，极端降水概率增加，稻田灌溉需水量仍呈微弱增加趋势，节水灌溉通过控制稻田水分状况，能够有效降低稻田耗水量，增加降雨利用效率，因此，发展节水灌溉有利于缓解气候变化对农业生产带来的不利影响。

表2 昭通市不同灌溉模式下稻田耗水量、灌溉需水量及有效降雨量变化 mm

3 结 语

基于稻田水循环要素计算方法和MK检验方法，分析了昭通市为代表的低纬高原地区历史日照时数、年积温和降雨量变化规律以及不同灌溉模式下稻田耗水与灌溉需水量对气候变化的响应规律。结果表明，昭通市年积温随时间序列显著增加，而日照时数和降雨量呈显著减小趋势；不同灌溉模式下水稻耗水量和灌溉需水量随气候变化规律基本一致，但不同灌溉模式下水稻耗水与灌溉需水量存在显著差异。

(1)在昭通市气候因子变化的综合影响下，稻田耗水量呈减小趋势。两种灌溉模式下水稻需水量ETc在日照时数缩短的影响下呈极显著减小；不同灌溉模式下稻田渗漏下均呈减小趋势，但节水灌溉稻田稻田渗漏减少不显著。节水灌溉能够有效地降低稻田耗水量，其中水稻年平均需水量和渗漏量分别较常规灌溉模式稻田减少16%和38%，年平均耗水量减少21.5%。

(2)不同灌溉模式下稻田有效降雨量呈显著降低趋势。昭通市稻田有效降雨量随着降雨量的减少呈减少趋势，MK方法检验统计量分达到-2.52和-2.68。水灌溉稻田通过控制田间水层，增加了稻田对降雨的调蓄能力，提高了雨水的利用效率，多年平均有效降雨量较常规灌溉提高11%。

(3)昭通市稻田灌溉需水量呈微弱增加趋势。虽然水稻需水量和稻田渗漏呈减少趋势，但是随着降雨量的减少，极端降水概率增加，稻田灌溉需水量仍呈微弱增加趋势。节水灌溉通过控制稻田水分状况，能够有效降低稻田耗水量，增加降雨利用效率，节水灌溉稻田较常规灌溉稻田灌溉需水量减少57%。因此，在未来气候变化趋势下，低纬高原地区应大力发展节水灌溉，促进包括昭通市在内的低纬高原特色农业绿色可持续发展。