海南岛水稻需水量与缺水量的时空变化特征

邹海平，张京红，李伟光，陈小敏，白 蕤，吕 润

（海南省气候中心/海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

水稻（Oryza sativa）是海南岛最主要的粮食作物，近几年播种面积都维持在24万 hm2左右，约占粮食作物的86%[1]。海南稻米直链淀粉含量高达26%，符合当地居民饮食习惯要求，深受百姓喜爱[2]。水资源作为限制农业发展的重要因素之一，是农业生产中最重要的资源支撑和保证，与农业生产和粮食安全息息相关[3]。海南岛年均降水量为1 826.0 mm，水资源丰富，但时空分布不均、干旱频发，且农田灌溉用水量利用率低仅为55.3%，对水稻稳产高产造成直接影响[4-6]。作物需水量与缺水量是进行农业水资源分配、农业水利工程设计的重要参考指标[7]。全球气候变暖以及随之改变的降水时空格局将会直接影响作物生长发育和耗水过程，进而影响作物需水量和缺水量[8]。因此，掌握海南岛水稻需水量和缺水量的时空变化特征，对海南岛合理进行水资源配置、提高农田灌溉用水利用率、保障水稻科学高效生产具有重要的指导和实践意义。近年来，国内外诸多学者对水稻[9-15]、玉米（Zea mays）[16-17]、小麦（Triticum aestivum）[7,18]、棉花（Gossypiumspp）[19-20]、大豆（Glycine max）[21-22]、马铃薯（Solanum tuberosum）[23]、花生（Arachis hypogaea）[24]和烤烟（Nicotiana tabacum）[25]等不同作物需水量和缺水量的时空特征开展了大量的研究。在研究方法上，主要利用FAO推荐的Penman-Monteith 公式和作物系数法计算作物需水量，该方法考虑了影响蒸散的大气物理特性和植物生理机制，具有很好的物理基础[26]。缺水量为需水量与同时期有效降水量之差[27]，有效降水量的计算主要采用美国农业部土壤保持局推荐的方法，该方法是目前众多的有效降水计算方法中得到公认和普遍推广的方法之一，其有效性已在许多学者的研究中予以证明[28-29]。刘钰[9]等分析了中国水稻需水量和缺水量的空间分布特征，其选用的海南岛气象站仅有1个，在揭示海南岛水稻需水和缺水量规律方面不够细致全面，且计算水稻需水量的作物系数为修订后的FAO推荐值，与实际作物系数值存在一定误差。因此，本研究基于海南岛18个市（县）1971—2020年的逐日气象数据和6个农业气象试验站水稻生育期数据，采用Penman-Monteith 公式和海南水稻作物系数实际值计算水稻需水量，结合美国农业部土壤保持局推荐的方法计算水稻有效降水量，进而得到水稻缺水量。再结合数理统计方法和GIS插值技术对海南岛水稻需水量和缺水量的时空变化特征进行分析，旨在为海南岛农业发展和农业水资源合理分配提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源 气象资料来自海南省气象信息中心，包括海南岛18个市（县）1971—2020年的逐日平均最高、最低气温，日照时数，平均风速，水汽压，气压，经纬度和海拔高度。水稻（早、晚稻）生育期数据来自6个农业气象观测站，分别分布在海口市、琼海市、陵水县、儋州市、乐东县和琼中县。各市（县）生育期观测开始时间不同，为保持一致，起止年限统一选为1999—2020年。

1.2 研究方法

1.2.1 生育期确定 水稻全生育期是指水稻移栽至收获整个时期，将水稻全生育期划分为移栽返青期、分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期和黄熟期7个阶段，各生育期出现时间按多年实测平均值确定。无生育期观测资料的市（县），根据海南气候区划结果[5]采用其邻近的农业气象观测站数据，具体划分情况为：海口市、定安县、澄迈县、屯昌县；琼海市、文昌市、万宁市；陵水县、保亭县、三亚市；儋州市、临高县；乐东县、昌江县、东方市；琼中县、白沙县、五指山市。

1.2.2 需水量计算 水稻需水量采用参考作物蒸散量和作物系数法[26]进行逐日计算，各生育阶段的需水量由生育阶段内逐日需水量累加得出：

式中，ETc为某生育阶段需水量（mm）；ETci为日需水量（mm·d-1）；i为生育阶段日数（d）；Kc为作物系数；ET0i为日参考作物蒸散量（mm·d-1）。Kc与作物生育阶段有关，不同发育阶段Kc不同。本研究采用海南水稻Kc试验结果值（表1）[29]。ET0i采用Penman-Monteith 公式计算[26]。

表1 海南岛水稻各生育阶段作物系数（Kc）

1.2.3 有效降水量计算 有效降水量是指能够提供给作物蒸发蒸腾，从而减少作物对灌溉水需求的雨量[9]，采用美国农业部土壤保持局推荐的方法[15,28]进行逐日计算，公式为:

式中，Pe为某生育阶段有效降水量（mm）；Pei为日有效降水量（mm·d-1）；Pi为日降水量（mm·d-1）。

1.2.4 缺水量计算 缺水量计算公式为：

式中，Dw为某生育阶段缺水量（mm）。Dw>0，表示该生育阶段作物缺水；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，采用线性回归方法对水稻ETc和Dw进行时间序列分析，用回归系数的10倍[10]表征其变化方向和程度，并采用F检验法对拟合方程进行显著性检验（α=0.05）。采用ArcGIS9.3软件中的反距离权重方法对水稻ETc和Dw进行插值，得到相应的空间分布图，并采用自然断点法进行等级划分，栅格大小为200 m×200 m。

2 结果与分析

2.1 水稻全生育期需水量和缺水量空间分布海南岛18市（县）早稻全生育期50年平均需水量和缺水量分别为342.5～531.0 mm和241.8～483.6 mm，均值分别为444.9 mm和337.1 mm。早稻全生育期需水量低值区主要分布在北部、东北部和东南部，高值区主要分布在西部和西北部，其余为中值区。早稻全生育期缺水量空间分布与其需水量有些相似，低值区主要分布在北部、东北部及东、中部的少部分地区，高值区分布在西部。18市（县）晚稻全生育期50 a平均需水量和缺水量分别为353.9～469.3 mm和66.5～315.2 mm，均值分别为419.7 mm和186.9 mm。晚稻全生育期需水量低值区主要分布在中部和西南部，高值区则分布在西北部和西部的少部分地区、北部、东北部及东部。晚稻全生育期缺水量空间分布与其需水量较相似，低值区和高值区范围与需水量相比均有所缩小，中值区有所扩大。18市（县）早、晚稻全生育期缺水量均>0，说明所有市（县）早、晚稻全生育期均缺水。此外，发现海南岛早稻全生育期需水量比晚稻仅多25.2 mm，但缺水量却多达150.2 mm，经核实这是由早、晚稻全生育期有效降水量（分别为107.8、232.8 mm）相差较大引起。

2.2 水稻全生育期需水量和缺水量时间分布18市（县）早稻拔节孕穗期50年平均需水量为92.0～191.0 mm，均值为130.1 mm，明显大于各自其余6个生育阶段需水量；18市（县）早稻分蘖前期50年平均需水量为53.2～119.1 mm，均值为83.1 mm，其中14市（县）分蘖前期需水量仅次于各自拔节孕穗期；18市（县）早稻黄熟期50年平均需水量为52.6～106.3 mm，均值为75.0 mm，其中14市（县）黄熟期需水量仅次于各自分蘖前期；18市（县）早稻抽穗开花期、分蘖后期、乳熟期和移栽返青期需水量均值分别为52.2 mm、51.8 mm、38.9 mm和13.8 mm（图1-a）。18市（县）早稻拔节孕穗期、分蘖前期和黄熟期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为57.6%～70.0%，均值为64.8%大于50%。可见，整体上海南岛早稻全生育期需水量主要分布在拔节孕穗期、分蘖前期和黄熟期。18市（县）早稻7个生育阶段50 年平均缺水量均>0（图1-b），说明18市（县）早稻7个生育阶段均缺水。18市（县）拔节孕穗期50 a平均缺水量均大于各自其余6个生育阶段缺水量，均值为103.3 mm；18市（县）分蘖前期缺水量均值为69.6 mm，其中16市（县）分蘖前期缺水量仅次于各自拔节孕穗期缺水量。18市（县）早稻拔节孕穗期和分蘖前期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为44.4%～59.7%，均值为51.4%。可见，整体上海南岛早稻全生育期缺水量主要分布在拔节孕穗期和分蘖前期。

晚稻全生育期需水量和缺水量时间分布情况与早稻较相似。整体而言，晚稻全生育期需水量主要分布在拔节孕穗期和分蘖前期，18市（县）晚稻此二生育阶段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为48.0%～57.6%，均值为53.2%（图1-c）；缺水量方面，18市（县）除琼中县晚稻乳熟期、黄熟期，屯昌县晚稻黄熟期和保亭县晚稻黄熟期缺水量<0外，其余生育阶段缺水量>0（图1-d）。整体上晚稻全生育期缺水量主要分别在拔节孕穗期和分蘖前期，18市（县）晚稻此二生育阶段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为44.8%～76.3%，均值为60.2%。

2.3 水稻全生育期及各生育阶段需水量、缺水量变化趋势 近50年18市（县）早、晚稻全生育期及7个生育阶段的需水量和缺水量变化趋势见表2。可看出，早稻全生育期需水量和缺水量呈减少趋势的市（县）个数分别为10和12，占所有市（县）的比例分别为55.6%和66.7%，其中减少显著的市（县）个数分别为4和1，说明早稻全生育期需水量和缺水量多数市（县）（占比>50%，下同）呈减少趋势且以不显著减少为主。早稻全生育期缺水量呈增加趋势的市（县）包括海口市、东方市、临高县、白沙县、琼中县和定安县。7个生育阶段中，早稻移栽返青期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期和黄熟期5个生育阶段需水量多数市（县）（占比分别为94.4%、66.7%、66.7%、66.7%、55.6%）亦呈减少趋势且以不显著减少为主；乳熟期需水量情形相反，即多数市（县）（占比为66.7%）呈增加趋势且以不显著增加为主；分蘖前期需水量情形居中，各有一半市（县）呈增加、减少趋势且以不显著变化为主。缺水量方面，除早稻乳熟期缺水量各有一半市（县）呈增加、减少趋势外，其余生育阶段缺水量多数市（县）（占比为55.6%～83.3%）呈减少趋势且以不显著减少为主。

晚稻全生育期需水量和缺水量多数市（县）（占比为66.7%和55.6%）亦呈减少趋势且以不显著减少为主。晚稻全生育期缺水量呈增加趋势的市（县）包括东方市、昌江县、白沙县、琼中县、定安县、琼海市、文昌市和乐东县。7个生育阶段中，晚稻移栽返青期、分蘖前期和抽穗开花期3个生育阶段需水量多数市（县）（占比分别为55.6%、66.7%和61.1%）呈减少趋势且以不显著减少为主，其余生育阶段需水量多数市（县）呈增加趋势且以不显著增加为主。晚稻移栽返青期、分蘖前期、拔节孕穗期和抽穗开花期4个生育阶段缺水量多数市（县）呈减少趋势，其中仅分蘖前期以显著减少为主，分蘖后期、乳熟期和黄熟期缺水量多数市（县）呈增加趋势且以不显著增加为主。

18市（县）早稻全生育期及各生育阶段缺水量每10 年的变化量见表3。*表示某市（县）7个生育阶段中，缺水量每10年的变化量与全生育期缺水量每10年的变化量符号一致且绝对值最大的那个。以儋州市为例，其全生育期缺水量每10年的变化量为-3.3 mm，7个生育阶段中缺水量每10年的变化量为负值且绝对值最大的为拔节孕穗期缺水量（每10年的变化量为-1.7 mm）。通过统计发现，*落在早稻移栽返青期至黄熟期7个生育阶段的个数分别为0、4、0、7、2、0、5，拔节孕穗期和黄熟期*个数最多和次多，二者*个数之和占*总个数的比例超过50.0%为66.7%，可见总体上海南岛早稻拔节孕穗期或黄熟期缺水量变化是引起全生育期缺水量变化的最主要原因。以此类推，总体上海南岛早稻拔节孕穗期或分蘖前期（*个数均为7）需水量变化是引起全生育期需水量变化的最主要原因。海南岛晚稻全生育期需水量和缺水量变化最主要原因分别与早稻全生育期需水量和缺水量一致。

表3 1971—2020年海南岛18市（县）早稻全生育期及各生育阶段缺水量每10 a的变化量 mm

3 讨 论

1971—2020年海南岛早、晚稻全生育期需水量分别为444.9、419.7 mm，全生育期缺水量分别为337.1、186.9 mm。陈玉民等[30]实测1981—1988年琼海市早、晚稻全生育期需水量分别为467.8、466.2 mm，本研究计算得出相应时段需水量分别为436.1、469.5 mm，可见计算值与实测值接近，说明笔者采用Penman-Monteith 公式和海南水稻作物系数实际值计算水稻需水量可行。早、晚稻全生育期缺水量相差较大，是由早、晚稻有效降水量相差较大引起。而早、晚稻有效降水量相差较大是因为晚稻大部分生育时段处于海南岛汛期（5～10月）[4]、降水充沛，而早稻大部分时段处于非汛期、降水较少。早、晚稻全生育期需水量和缺水量空间分布各异。

整体而言，海南岛早稻全生育期需水量主要分布在拔节孕穗期、分蘖前期和黄熟期，晚稻全生育期需水量主要分布在拔节孕穗期和分蘖前期，符合水稻需水规律[30]。所有市（县）早、晚稻全生育期均缺水，缺水量主要分布在拔节孕穗期和分蘖前期。所有市（县）早稻7个生育阶段均缺水，晚稻除4个市（县）少数生育阶段不缺水外，其余生育阶段均缺水。

1971—2020年海南岛早、晚稻全生育期需水量和缺水量多数市（县）（占比为55.6%～66.7%）呈减少趋势且以不显著减少为主。近50年海南岛早、晚稻7个生育阶段需水量和缺水量变化趋势情形各异。早、晚稻拔节孕穗期或分蘖前期需水量变化是引起其全生育期需水量变化的最主要原因，拔节孕穗期或黄熟期缺水量变化是引起全生育期缺水量变化的最主要原因。早、晚稻全生育期缺水量多数市（县）在减少，水稻灌溉量相应减少，对海南岛水稻种植总体有利。但海口市、东方市、临高县、白沙县、琼中县和定安县早稻全生育期缺水量，东方市、昌江县、白沙县、琼中县、定安县、琼海市、文昌市和乐东县晚稻全生育期缺水量在增加，水稻灌溉量相应增加，上述地区需加强稻田节水灌溉管理，确保水资源高效利用。

影响水稻需水量的因素，除气象因素外，非气象因素（如水稻品种、土壤类型、施肥水平、灌溉方式）对水稻需水量亦会产生一定影响[13,30]。海南岛各地水稻非气象因素存在一定的差异，本研究在计算水稻需水量时对非气象因素的影响考虑不足，有待后续研究完善。