气候变化下滇中地区水稻需水量与灌溉需水指数时空变化研究

曹 言，王 杰，王树鹏，黄 英，张 雷，李尤亮

(云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650228)

云南省地处云贵高原，气候类型多样、地形地貌和土壤类型复杂，是我国水稻种植大省，种植历史悠久，且分布广泛[1]。滇中地区是云南省农业生产最发达的地区，也是云南省水稻主产区，水稻种植面积和产量占全省的70%[2]。由于气候变化、作物生长期空间分布差异较大，导致了滇中水稻水分供需时空差异较大[3-4]。准确掌握滇中地区水稻各生育期内需水量和有效降雨量的时空变化特征，对于灌溉决策和水资源规划具有重要意义[5]。

目前水稻需水量的计算主要是通过Penman-Monteith公式和作物系数法[6]。针对不同区域水稻需水量变化特征及其影响因子的分析方面已有较多研究成果[7-16]，但存在以下几个问题：①FAO-56将水稻生育期划分为3个阶段，即生长初期、生长中期、生长后期，其相对应作物系数Kc参考FAO推荐的值[9-11]，或直接参考相关研究成果[12-13]，最终计算结果与实际值存在一定误差；②水稻生育期和相应作物系数Kc参考当地灌溉试验结果[14-16]，但由于地形、气候、供水条件和灌溉方式等不同，水稻种植收割日期、灌水量、土壤渗漏量等情况均不同，地区灌溉试验站数量偏少，空间分布不均匀，试验数据缺乏一定的代表性。因此，开展地区水稻灌溉试验研究，积累不同地区水稻需水量、作物系数等资料是十分有必要的。

滇中地区灌溉试验工作长久以来处于低谷期，仅在上世纪八十年代，开展过阶段性的水稻、玉米、小麦等作物的灌溉试验工作，导致滇中地区灌溉试验及相关研究长期滞后，资料长期缺失。目前，滇中地区水稻需水方面的研究也较少[17-19]，如吴灏等[17]基于CPORWAT模型分析了昆明市水稻需水量及灌溉用水量；王树鹏等[18]在嵩明和大理开展了不同灌溉条件下水稻的需水规律研究；张凯等[19]在昆明寻甸试验基地开展了不同灌溉条件下水稻需水规律及节水潜力研究。基于水稻灌溉试验资料计算滇中不同分区水稻不同生育期需水量变化特征的研究更是鲜有报道。

另一方面，旱灾是云南省自然灾害中最频发、持续时间最长，影响范围最广的自然灾害[20]。随着近年来干旱事件频发，缺水已成为了制约农业生产发展主要的因素。在此背景下，本研究根据2014—2018年滇中各区水稻灌溉试验资料，利用1961—2013年滇中地区48个气象站最高气温、最低气温、平均风速、相对湿度和降水量等逐日观测资料，分析滇中各区水稻需水量ETc、有效降雨量Pe、净灌溉需水量IR和灌溉需水指数IRI时空变化特征，研究结果可为滇中地区优化水资源配置、云南省灌溉试验站建设、水稻用水定额修订以及水稻灌溉制度制定提供依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

滇中地区包括昆明、玉溪、红河、大理、曲靖、楚雄和丽江等地(图1)，气候属于低纬度高原山地季风气候，日照充足，四季如春，位置偏北地区有短暂的冬季，偏南地区有短暂的夏季，干湿季分明。年降水量约为955.0 mm，雨季(5—10月)降水量占全年85%以上，其中主汛期(6—8月)降水量占全年40%以上，旱季(11月—次年4月)降水量仅占全年15%左右。土壤类型主要为山原红壤、水稻土和紫色土。地形以山地和山间盆地为主，地势起伏和缓。根据自然条件、社会经济条件相一致的原则，且当地作物种植结构和布局等特点基本类似，耕作栽培制度、农艺配套措施、田间生产管理水平和灌溉方式等基本一致[21]，将滇中地区划分为5个亚区，分别为滇中I-1区、滇中I-2区、滇中I-3区、滇中I-4区和干热河谷Ⅵ区。

1.2 数据来源

收集了1961—2013年滇中地区48个气象站的气象数据，包括最高和最低气温、平均气温、降水量、风速、日照时数和相对湿度等逐日观测资料，数据来自中国气象科学数据共享服务网。剔除异常或缺失较长时序的数据，确保该时段数据的完整性。

1.3 水稻需水量计算

水稻日需水量ETc由日参考作物蒸发蒸腾量ET0和作物系数Kc相乘而得，具体公式如下：

ETc=ET0×Kc

(1)

式中，ETc为水稻日需水量(mm)；Kc为水稻作物系数。

1.3.1 参考作物蒸发蒸腾量ET0采用Penman-Monteith公式[22]计算逐日参考作物蒸发蒸腾量(ET0)，其在西南地区具有较好的适用性[23]，具体公式如下：

(2)

式中，ET0是日参考作物蒸散量(mm，day)；Rn是到达作物表面的净辐射(MJ·m-2，day)；G是土壤热通量(MJ·m-2，day)；T是2 m高处日平均气温(℃)；u2是2 m高处的平均风速(m·s-1)；ed是饱和水汽压(kPa)；ea是实际水汽压(kPa)；ea-ed为饱和水汽压差；Δ为饱和水汽压曲线的倾率；γ为湿度计常数(kPa·℃-1)。

1.3.2 作物系数Kc根据云南省灌溉试验站提供的滇中I-1区嵩明站、滇中I-2区大理和姚安站，滇中I-3区建水站，滇中I-4区陆良站水稻灌溉试验资料，拟定滇中不同分区水稻作物系数Kc值，其中滇中I-2区的大理和洱源气象站水稻需水量计算时参考大理试验站，其余站点参考大姚试验站。目前干热河谷区Ⅵ区农业种植结构变化较大，已由以水稻、玉米为主的传统农业转变为以葡萄、柑橘、蔬菜等为主的高原特色现代农业，因此干热河谷区Ⅵ区水稻Kc值参考相关地区的研究成果[24]，水稻播种日期、各生育阶段时长、收获日期等通过查阅当地农业物候资料和现场调查，并结合各水稻灌溉试验站的数据确定，具体见表1。

1.4 水稻净灌溉需水量和需水指数

水稻净灌溉需水量等于水稻需水量与有效降水量之差，表示满足渗漏损失、蒸散发和其他需水情况下的水量；水稻灌溉需水指数等于水稻净灌溉需水量与需水量的比值，其可反映出水稻生长对灌溉的依赖程度及水稻相对缺水程度，也可在一定程度上反映水稻生长的旱涝情况[25]。

表1 滇中不同分区站点水稻生育期Kc值

IR=ETc-Pe

(3)

IRI=IR/ETc

(4)

式中,IR为作物净灌溉需水量(mm)；Pe为作物生育期有效降雨量(mm)；IRI为作物灌溉需水指数。

水稻各生育期的有效降雨量采用美国农业部土壤保持局(USDA)推荐的方法计算[26]。

(5)

式中,Pe为日有效降水量，P为日降水量。

1.5 分析方法

采用线性趋势法和Mann-Kendall趋势检验对滇中地区水稻不同生育阶段需水量、有效降水量、灌溉需水量、需水指数进行趋势分析，其中时间序列自相关对Mann-Kendall趋势检验精度会产生影响，因此本文采用白热化(Pre-Whitening)方法对存在自相关性的序列消除时间序列自相关性[27]；显著水平α分别为0.5和0.01，当α≤0.01，即|Z|>2.58时，说明检验具有极高显著性水平；当0.01<α≤0.05，即|Z|>1.96且|Z|<2.58时，说明检验具有显著性水平；当α>0.05，即-1.96

利用Arcgis 10.0软件中Kriging插值法分析滇中地区水稻不同生育期ETc、Pe、IR和IRI的空间变化趋势。

2 结果与分析

2.1 水稻需水量、有效降雨量和灌溉需水指数的时间变化特征

根据公式(1)～(5)计算滇中48个气象站的水稻需水量、有效降水量和灌溉需水指数，分别求得滇中各分区各指标逐年值。由图2可知，1961—2013年滇中地区水稻全生育期ETc介于505.92～597.04 mm之间，Pe介于170.31～303.25 mm之间，IRI介于0.42～0.69之间。其中滇中I-1区ETc和IRI最小，分别为423.79 mm和0.41；滇中I-4区Pe最大，达到268.76 mm；干热河谷区Ⅵ区ETc和IRI最大，分别为852.24 mm和0.76，Pe最小，仅为203.36 mm，除干热河谷区Ⅵ区外，其余地区IRI基本与云贵地区主要作物IRI<0.5的结论一致[28]。在变化趋势方面，滇中地区ETc(Z=-2.0634)和Pe(Z=-2.2935)均呈显著减少趋势，减幅为4.358 mm·10a-1和6.468 mm·10a-1，IRI(Z=1.4191)呈波动上升趋势，增幅为0.8%·10a-1；其中滇中I-1区、滇中I-2区和干热河谷区Ⅵ区ETc呈减小趋势，干热河谷Ⅵ区(Z=-3.5976)呈极显著减小趋势，减幅为19.502 mm·10a-1，滇中I-3区和滇中I-4区ETc呈上升趋势；各区Pe均呈减小趋势，滇中I-1区(Z=-2.2629)呈显著减小趋势，滇中I-2区(Z=-2.6617)、滇中I-3区(Z=-3.0453)和滇中I-4区(Z=-2.6464)呈极显著减小趋势，干热河谷Ⅵ区(Z=-0.7747)呈弱减小趋势，各区减幅分别为6.206、7.573、8.112、8.469 mm·10a-1和1.978 mm·10a-1；IRI仅干热河谷Ⅵ区呈减小趋势，其余各区IRI均呈上升趋势，滇中I-3区(Z=2.4623)和滇中I-4区(Z=2.2322)呈显著上升趋势，上升幅度分别为1.70%·10a-1和1.60%·10a-1。可见，滇中地区水稻IRI呈上升趋势，水稻相对缺水程度呈上升趋势，与滇中地区干燥指数上升趋势一致[28]，ETc减小主要集中在滇中I-2区和干热河谷Ⅵ区，Pe减小趋势主要集中在滇中I-3区和滇中I-4区，IRI上升趋势主要集中在滇中I-3区和滇中I-4区。

图2 1961—2013年滇中不同分区ETc、Pe和IRI的年际变化Fig.2 The inter-annual variation of ETc, Pe and IRI in different subregions in the central Yunnan Province during 1961-2013

从滇中各区水稻不同生育期ETc、Pe、IR和IRI的Man-Kendall趋势检验结果看(表2)，滇中I-1区各生育期ETc和Pe均呈减小趋势；IR和IRI大部分生育期呈上升趋势。滇中I-2区各生育期ETc和Pe大部分呈减小趋势；IR和IRI各生育期大部分呈上升趋势。滇中I-3区返青期、拔节孕穗期和乳熟期ETc呈减小趋势，分蘖期、抽穗开花期和黄熟期ETc呈上升趋势；IR和IRI大部分生育期呈上升趋势。滇中I-4区返青期、拔节孕穗期和乳熟期ETc呈减小趋势，分蘖期、抽穗开花期和黄熟期ETc呈上升趋势；返青期和拔节孕穗期Pe呈上升趋势，其余生育期Pe呈减小趋势；IR和IRI整体呈上升趋势。干热河谷Ⅵ区各生育期ETc均呈减小趋势；返青期、分蘖期和抽穗开花期Pe呈上升趋势，拔节孕穗期、乳熟期和黄熟期Pe呈减小趋势；除乳熟期外IR和IRI均呈减小趋势，其中抽穗开花期IR呈显著减小趋势，乳熟期IRI呈显著上升趋势。根据水稻各生育期ETc、Pe、IR和IRI的变化规律，滇中I-1区和滇中I-2区变化趋势一致，滇中I-3区和滇中I-4区变化趋势一致，干热河谷Ⅵ区与其他各区差异较大，ETc、Pe、IR和IRI显著变化主要出现在抽穗开花期、分蘖期和乳熟期。

表2 滇中水稻不同生育期ETc、Pe、IR和IRI变化趋势的斜率

2.2 水稻需水量的空间变化特征

由图3a～f可知，滇中水稻ETc呈分蘖期>抽穗开花期>乳熟期>拔节孕穗期>返青期>黄熟期的趋势；分蘖期雨季尚未到来，气温高、风速大，田面蒸发较大；抽穗开花期随着进入雨季，相对湿度增大，水稻生长旺盛，蒸发蒸腾量增大，导致该生育期ETc较大。返青期ETc呈中部低四周高的分布特征，分蘖期ETc呈北高南低的分布特征,拔节孕穗期ETc呈中部高东西低的分布特征,抽穗开花期、乳熟期和黄熟期ETc呈中东部低北部高的分布特征。ETc高值区主要分布在中北部的干热河谷Ⅵ区，低值区主要分布在中东部。

由图4a～f可知，79.17%站点返青期ETc呈减小趋势，且减幅由中部向东西部递减；56.25%站点分蘖期ETc呈上升趋势，增幅由南部和西南部向中部递减；89.58%站点拔节孕穗期ETc呈减小趋势，减幅由中部向东西部递减；58.33%站点抽穗开花期ETc呈减小趋势，减幅由中部向东南和西南递减；60.42%站点乳熟期和黄熟期ETc呈减小趋势，减幅均由中部向西部和东南部递减。各生育期内ETc减幅高值区主要分布在中北部，增幅高值区主要分布在东南部和西南部。

由图3g和图4g可知，滇中水稻全生育期ETc整体上呈中东低中北部高的分布特征；72.92%站点ETc呈减小趋势，减幅由中部向东西部递减，东川等8个站点ETc呈极显著或显著减小趋势。

2.3 水稻有效降雨量的空间变化特征

由图5a～f可知，滇中水稻Pe呈抽穗开花期>分蘖期>拔节孕穗期>乳熟期>返青期>黄熟期的趋势；抽穗开花期和乳熟期Pe整体上呈南部低西北高，黄熟期Pe则呈相反的分布特征，返青期、分蘖期和拔节孕穗期Pe整体上呈中北部低东西部高。Pe低值区由中部逐渐向东南和西部转移，再逐渐向西北转移。

图3 1961—2013年滇中水稻不同生育期需水量空间分布Fig.3 Spatial distributions of ETc in different growth stages of rice during 1961-2013

图4 1961—2013年滇中水稻不同生育期需水量空间变化Fig.4 Spatial variation of ETc in different growth stages of rice during 1961-2013

图5 1961—2013年滇中水稻不同生育期有效降雨量空间分布Fig.5 Spatial distributions of Pe in different growth stages of rice during 1961-2013

由图6a～f可知，56.25%站点返青期Pe呈上升趋势，上升幅度由中东部向西部递减；87.50%站点分蘖期Pe呈减小趋势，减幅由西南向东北递减；52.08%站点拔节孕穗期Pe呈上升趋势，增幅由中部向西南和东北递增；81.25%站点抽穗开花期Pe呈减小趋势，减幅由东部向西北递减；89.58%站点乳熟期Pe呈减小趋势，减幅呈中部和东部高，西南低的趋势；81.25%站点黄熟期Pe呈减小趋势，减幅由中东向西北和东南递减。Pe减幅高值区主要分布在中东部，增幅高值区主要分布在中西部。

由图5g和图6g可知，滇中水稻全生育期Pe整体上呈东部高中西低的分布特征，与ETc呈相反分布特征；97.92%站点Pe呈减小趋势，减幅由东部向西部递减，沾益等24个站点Pe呈极显著或显著减小趋势。

2.4 水稻灌溉需水指数的空间变化特征

由图7a～f可知，滇中水稻IRI呈返青期>分蘖期>黄熟期>乳熟期>拔节孕穗期>抽穗开花期的趋势。返青期、分蘖期和黄熟期IRI均大于0.5，表明滇中地区在平水年降水条件下，水稻在这些生育期生长需人工灌溉，否则会出现干旱缺水的现象，主要由于在返青期和分蘖期刚进入雨季，黄熟期雨季即将结束，降雨频次和降雨量相对于其他生育期相对较少，缺水风险相对较高。乳熟期、拔节孕穗期和抽穗开花期IRI均小于0.5，表明水稻在这些生育期降水频率高，出现缺水年份相对较少。返青期、分蘖期和拔节孕穗期IRI整体上呈中北部高东西部低的分布特征，抽穗开花期、乳熟期和黄熟期IRI整体上呈四周高中部低的分布特征。IRI高值区由中北部向东部和南部转移，低值区由东部向中部转移，且低值区范围逐渐缩小。

由图8a～f可知，58.33%站点返青期IRI呈减小趋势，减幅由西向东递减；81.25%站点分蘖期IRI呈上升趋势，增幅由中部向西南和东南递增；60.42%站点拔节抽穗期IRI呈减小趋势，减幅由中部向东西部递减；77.08%站点抽穗开花期IRI呈上升趋势，增幅由中部向东西部递增；95.83%站点乳熟期IRI呈上升趋势，增幅由东向西递减；70.83%站点黄熟期IRI呈上升趋势，增幅由中东向西北递减。IRI增幅高值区主要分布在中东部，减幅高值区主要分布在中北部。

图6 1961—2013年滇中水稻不同生育期有效降雨量空间变化Fig.6 Spatial variation of Pe in different growth stages of rice during 1961-2013

图7 1961—2013年滇中水稻不同生育期灌溉需水指数空间分布Fig.7 Spatial distributions of IRI in different growth stages of rice during 1961-2013

图8 1961—2013年滇中水稻不同生育期灌溉需水指数空间变化Fig.8 Spatial variations of IRI in different growth stages of rice during 1961-2013

由图7g和8g可知，滇中水稻全生育期年均IRI为0.58，整体上呈中东低中北部高的分布特征；83.33%站点IRI呈上升趋势，上升幅度由东部向西部递减，洱源等13个站点IRI呈极显著或显著上升趋势。

3 讨 论

本研究发现滇中水稻不同生育期ETc与Pe均呈现相反的变化特征，导致滇中中北部IRI处于高值区，中东部IRI处于低值区，IRI增幅高值区主要分布在中东部，减幅高值区主要分布在中北部。由于滇中地区近年来增温趋势明显[4]，作物生长期显著延长[3]，水稻生育期需水量增加[29-31]，导致水资源压力增加，尤其是在滇中中东部。ETc、Pe和IRI显著变化主要出现在抽穗开花期、分蘖期和乳熟期，抽穗开花期需水量对水稻产量影响最大[32-33]，分蘖期过度水分亏缺，会抑制稻株的分蘖，分蘖数减小将会影响有效穗数[34]。因此，抽穗开花期和分蘖期IRI增加，将会增加干旱概率，影响水稻产量，这种状况需引起当地水务和农业等相关部门的高度关注。

此外，根据滇中不同分区水稻需水量和有效降雨量，利用公式(3)得到不同分区逐年的净灌溉需水量，滇中I-1区、滇中I-2区、滇中I-3区滇中I-4区和干热河谷Ⅵ区水稻净灌溉水量多年平均值分别为174.60、194.58、270.33、263.51 mm和648.88 mm，整体呈现出滇中I-1区<滇中I-2区<滇中I-4区<滇中1-3区<干热河谷Ⅵ区的趋势，与实际情况基本符合[21]。同时采用矩法公式推求不同水平年份(保证率P=50%、P=75%和P=90%)各区水稻净灌溉用水量，与《云南省地方标准用水定额》(DB53/T 168—2013)比较，发现通过矩法推求的不同水平年份下水稻净灌溉用水量均明显小于灌溉用水定额[1]。一方面由于水稻品种、灌水方式和土壤类型等都会影响水稻需水量[30-31]，各区水稻灌溉试验站所采用的水稻品种均为当地农民常用品种，但各地差异相对较大，种植品种存在不确定性；各地区灌水方式和田间管网差异也相对较大，如在水资源严重短缺的干热河谷地区实行农业水价改革，大面积实行节水灌溉、控制灌溉等均会有效减小净灌溉需水量，在水资源丰富的地区，水稻灌水仍是传统淹灌模式，人们节水意识相对较差，净灌溉需水量反而会增加。另一方面，滇中地区灌溉试验站数量相对偏少、试验数据时序较短，且空间分布不均，也可能会影响净灌溉需水量的计算；加之净灌溉需水量未考虑水稻移栽前的泡田水量，如2016年(平水年)建水水稻灌溉试验站实测泡田水量为1 950 m3·hm-1[35-36]，以上各因素综合作用导致净灌溉需水量较《云南省地方标准用水定额》偏小。

4 结 论

1)1961—2013年滇中地区水稻ETc、Pe、IR和IRI平均值分别为546.34、235.96、310.38 mm和0.57，ETc和Pe均呈显著减少趋势，IR和IRI呈波动上升趋势，其变化幅度分别为-4.358、-6.468、1.2 mm·10a-1和0.8%·10a-1。ETc减小趋势主要集中在滇中Ⅰ-2和干热河谷Ⅵ区，Pe减小趋势主要集中在滇中I-3区和滇中I-4区，IRI上升趋势主要集中在滇中I-3区和滇中I-4区。

2)1961—2013年滇中水稻ETc呈分蘖期>抽穗开花期>乳熟期>拔节孕穗期>返青期>黄熟期的趋势，整体上呈中东低中北部高的分布特征，且ETc减幅由中部向东西部递减。ETc高值区主要分布在中北部的干热河谷Ⅵ区，低值区主要分布在中东部；ETc减幅高值区主要分布在中北部，增幅高值区主要分布在东南部和西南部。

3)1961—2013年滇中水稻Pe呈抽穗开花期>分蘖期>拔节孕穗期>乳熟期>返青期>黄熟期的趋势，整体上呈东部高中西低的分布特征，Pe减幅由东部向西部递减。Pe低值区由中部逐渐向东南和西部转移，再逐渐向西北转移；Pe减幅高值区主要分布在中东部，增幅高值区主要分布在中西部。

4)1961—2013年滇中水稻IRI呈返青期>分蘖期>黄熟期>乳熟期>拔节孕穗期>抽穗开花期的趋势，整体上呈中东低中北部高的分布特征，IRI增幅度由东部向西部递减。IRI高值区由中北部向东和南部转移，低值区由东部向中部转移，且低值区范围逐渐缩小；IRI增幅高值区主要分布在中东部，减幅高值区主要分布在中北部。