貴州水稻有效降水量和需水量特征分析

張 波，谷曉平，古書鴻，胡家敏

(1.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

水資源是限制農業發展的重要因素之一，是農業生產最重要的資源支撐和保證。研究表明，氣候變化背景下，水稻、玉米和小麥等作物的需水量和水分盈虧量都發生了顯著變化，且區域性差異顯著。水稻是貴州省主要的糧食作物，其生長季內水資源的變化勢必影響水稻生育期長度與產量，因此研究貴州地區水稻有效降水量和灌溉需水量等水資源指標的變化特征具有現實意義[1-3]。

目前，關于有效降水量和需水量的研究已有不少報道：曹永強等[3]針對河北省典型區主要作物有效降水量和需水量特征進行分析；胡惠杰等[4]基于SIMETAW模型計算東北農作區大豆生育期作物需水量；龐艷梅等[5]、環海軍等[6]、陳超等[7]、何俊歐等[8]、白芳芳等[9]、謝娟等[10]、李勇等[11]、羅玉峰等[12]分別以不同地區的水稻、小麥等糧食作物為研究對象，分析了其各自生育期內有效降水量和需水量的變化規律；符娜等[13]分析了西南地區水稻灌溉需水量變化規律，但其研究中選取的貴州地區氣象站點數據較少，不能很好地反映貴州實際情況。

貴州省處于云貴高原東斜坡，是全國唯一沒有平原支撐的山區省份。貴州雨熱同季，夜間降雨多，晝夜溫差大，不僅能滿足水稻喜溫喜濕的雙重需要，還有利于減少夜間的呼吸消耗，除西部威寧等地不適宜種植水稻外，全省其他區域均有水稻種植，但因地形復雜，容易受災害影響，部分區域水稻產量不高[14]。本研究基于貴州地區80個氣象站點1961—2015年的逐日氣象資料，采用美國農業部(USDA)土壤保持局推薦的有效降水量和聯合國糧食及農業組織(FAO)推薦的參考作物蒸散量分別計算了研究區域內水稻的有效降水量和需水量，并分析了水稻不同生育階段缺水量和水分盈虧指數的變化特征，以期為貴州地區水稻科學灌溉提供理論和實踐參考，也為合理利用水資源、實現區域農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

貴州省現有85個地面氣象觀測站，由于各站建站時間不一致，為了保證資料的完整性，剔除數據缺測較多的站點，選用貴州省1961—2015年80個氣象觀測站的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數等氣象觀測資料，氣象數據來源于貴州省氣象信息中心。研究區域及氣象觀測站的分布如圖1所示。

將水稻全生育期(4月上旬—9月下旬)分成播種—移栽(4月上旬—5月中旬)、移栽—抽穗(5月下旬—7月下旬)、抽穗—灌漿(8月上旬—9月上旬)和灌漿—成熟(9月中旬—9月下旬)4個生育階段，各生育期及全生育期的需水系數(KC)分別為1.066、1.216、1.298、1.344和1.213。

1.2 有效降水量

有效降水量是指用于滿足作物蒸發蒸騰需要的那部分降水量。本研究中有效降水量采用USDA土壤保持局推薦的方法[15-16]，公式如下：

圖1 研究區域及站點分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

(1)

式(1)中：Pe為有效降水量(mm·d-1)，P為日降水量(mm·d-1)。

1.3 作物需水量

水稻生育期需水量(TC，mm·d-1)由作物需水系數[13]與參考作物蒸散量乘積而得，其中，參考作物蒸散量依FAO推薦的Penman-Monteith模型[17-18]計算。

1.4 缺水量

水稻缺水量(W)系水稻生育期內總作物需水量與總有效降水量之差[19-20]。

1.5 水分盈虧指數

水分盈虧指數(I)可以較好地表征農田濕潤程度和作物旱澇狀況，其計算公式如下：

(2)

若I為正值，則表示作物需水量大于有效降水量，說明有效降水量不能滿足作物需水需求，若I為0或負值，則說明有效降水能夠滿足作物需水需求。I值越高表明對灌溉的依賴程度越大，反之越小。

1.6 氣候傾向率

氣候傾向率[20]一般以歷年氣候要素變化過程的擬合直線的斜率的10倍表示，表征多年氣象數據序列變化傾向度。在統計上，用yi表示樣本量為n的某一氣候變量，用xi表示yi所對應的時間，建立yi與xi之間的一元線性回歸方程：

yi=axi+b，(i=1，2，…，n)。

(3)

式(3)中：a為回歸系數，b為回歸常數。a和b可以用最小二乘法進行估計，以a的10倍作為氣候要素傾向率。

1.7 空間插值

利用 ArcGIS 10.2軟件中的反距離權重插值方法(IDW)[21]對各研究要素進行插值。

2 結果與分析

2.1 水稻生育期有效降水變化特征

1961—2015年貴州地區水稻生育期有效降水量分布特征如圖2所示，水稻全生育期年均有效降水量為280～394 mm，多年平均值為324 mm，空間分布上自西向東、由南向北呈遞減趨勢，高值區域分布在六盤水市南部、黔西南州西部和北部，以及安順市西部邊緣區域，低值區域主要分布在畢節市北部、遵義市西北部和黔東南州局地區域。貴州省大部分地區水稻全生育期有效降水量氣候傾向率為-13.7～18.3 mm·10 a-1(圖3)，多年平均值為-6.6 mm·10 a-1，除東部局部地區呈遞增趨勢外，其他地區均呈遞減趨勢，其中有38.7%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)。

水稻播種—移栽期的年均有效降水量為51～101 mm，多年平均值為82 mm，空間分布差異顯著，自東南向西北呈遞減趨勢，高值區域主要分布在黔東南州和銅仁市大部分區域。移栽—抽穗期的有效降水量為125～200 mm，多年平均值為151 mm，空間分布上自西南向東北呈遞減趨勢。抽穗—灌漿期有效降水量為48～94 mm，多年平均值為64 mm，空間分布與移栽—抽穗期基本一致，但低值區域向東南方向發生偏移。灌漿—成熟期的有效降水量為18～40 mm，多年平均值為27 mm，空間分布上高值區域向北偏移，低值區域向南偏移。從水稻不同生育階段有效降水量可以看出，移栽—抽穗期有效降水量最大，播種—移栽期次之，灌漿—成熟期最小。

播種—移栽期的氣候傾向率為-6.3～-0.7 mm·10 a-1，多年平均值為-3.3 mm·10 a-1，呈遞減趨勢，其中，有55%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)。移栽—抽穗期有效降水量氣候傾向率為-3.4～8.0 mm·10 a-1，多年平均值為0.4 mm·10 a-1，除了中部和東部部分區域呈遞增趨勢外，其他區域均呈遞減趨勢，但均未通過顯著性檢驗。抽穗—灌漿期有效降水量氣候傾向率為-6.9～0.4 mm·10 a-1，多年平均值為-2.2 mm·10 a-1，整體呈遞減趨勢，其中有8.7%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢。灌漿—成熟期有效降水量氣候傾向率為-4.3～0.9 mm·10 a-1，平均值為-1.7 mm·10 a-1，有效降水在東南大部區域呈遞增趨勢，但未通過顯著性檢驗，在西北部和北部大部區域呈遞減趨勢，其中有38.7%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)。

a，全生育期；b，播種—移栽期；c，移栽—抽穗期；d，抽穗—灌漿期；e，灌漿—成熟期。下同。a， Whole growht season; b， Seeding-transplanting; c， Transplanting-heading; d， Heading-filling; e， Filling-mature. The same as below.圖2 水稻生育期有效降水量分布特征Fig.2 Distribution characteristics of effective precipitation

▲，P<0.01；+，P<0.05。下同。▲， P<0.01;+， P<0.05. The same as below.圖3 水稻生育期有效降水量變化趨勢分布特征Fig.3 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

2.2 水稻生育期需水量變化特征

1961—2015年貴州水稻生育期需水量變化特征如圖4所示，水稻全生育期年均需水量為683～808 mm，多年平均值為737 mm。空間分布上，高值區域分布在黔西南州大部、遵義市和銅仁市局地、黔東南州南部邊緣等地區，低值區域主要分布在畢節市和貴陽市局部地區。貴州省大部分地區水稻需水量氣候傾向率為-23.7～29.6 mm·10 a-1(圖5)，多年平均值為-4.02 mm·10 a-1。在空間分布上，西南部和東部部分地區的需水量呈遞增趨勢，其余地區呈遞減趨勢，全省有35%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，其中有31.3%的站點呈顯著遞減趨勢，3.7%的站點呈顯著遞增趨勢。

水稻播種—移栽期的年均需水量為137～214 mm，多年平均值為160 mm，在空間分布上呈現出自西南向東北遞減的趨勢，高值區域分布在黔西南邊緣等地，低值區域分布在東部大部。移栽—抽穗期的年均需水量為277～343 mm，多年平均值為310 mm，在空間分布上呈現出由東部向西遞減的變化趨勢。抽穗—灌漿期的年均需水量為165～222 mm，多年平均值為193 mm，需水量明顯低于移栽—抽穗期，但空間分布基本一致。灌漿—成熟期的年均需水量為63～83 mm，多年平均值為73 mm，空間分布上自南部向北部呈遞減變化趨勢。對比水稻不同生育期的需水量可以看出，移栽—抽穗期最大，灌漿—成熟期最小。

水稻播種—移栽期需水量氣候傾向率為-4.3～4.2 mm·10 a-1，多年平均值為0.15 mm·10 a-1，空間分布上，除東部部分區域及安順市等地呈遞增趨勢外，其他區域均呈遞減趨勢。移栽—抽穗期需水量氣候傾向率為-13.6～5.9 mm·10 a-1，多年平均值為-4.2 mm·10 a-1，空間分布上，除黔西南州南部局地等地呈遞增趨勢外，其他地區均呈遞減趨勢，其中50%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢。抽穗—灌漿期需水量氣候傾向率為-7.9～3.4 mm·10 a-1，多年平均值為-1.3 mm·10 a-1，空間分布上，除安順市大部及黔西南州南部等地呈遞增趨勢外，其余大部均呈遞減趨勢，其中有8.7%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢。灌漿—成熟期氣候傾向率為-1.0～2.5 mm·10 a-1，多年平均值為0.7 mm·10 a-1，空間分布上呈現出自北向南遞減的趨勢，有8.7%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢。

2.3 水稻生育期缺水量變化特征

1961—2015年貴州水稻生育期缺水量空間分布如圖6所示：水稻全生育期年均缺水量為317～509 mm，多年平均值為413 mm，空間分布上自東向西呈遞減趨勢。貴州水稻缺水量氣候傾向率為-18.5～18.3 mm·10 a-1(圖7)，多年平均值為2.6 mm·10 a-1，整體呈遞增趨勢，在空間分布上自西向東呈遞減趨勢，有7.5%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢。

水稻播種—移栽期的年均缺水量為37～154 mm，多年平均值為77 mm，空間分布呈自西向東遞減的變化趨勢。移栽—抽穗期的年均缺水量為91～214 mm，多年平均值為159 mm，空間分布上自東北向西南呈遞減趨勢。抽穗—灌漿期的年均缺水量為84～164 mm，多年平均值為128 mm，空間分布上自東向西呈遞減趨勢。灌漿—成熟期的年均缺水量為27～64 mm，多年平均值為46 mm，空間分布上自東南向西北呈遞減趨勢，高值區域分布在黔南州南部和黔東南州西部等地。對比水稻不同生育期的缺水量可以看出，水稻移栽—抽穗期缺水量最大，灌漿—成熟期缺水量最小。

圖4 水稻不同生育期需水量分布特征Fig.4 Distribution characteristics of water requirement

圖5 水稻生育期需水量變化趨勢分布特征Fig.5 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

水稻播種—移栽期缺水量氣候傾向率為-1.7～7.5 mm·10 a-1，多年平均值為3.4 mm·10 a-1，高值區域分布在東部邊緣及安順市北部等地區，其中有21.3%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢。移栽—抽穗期的缺水量氣候傾向率為-14.4～6.8 mm·10 a-1，多年平均值為-4.6 mm·10 a-1，整體呈遞減趨勢，其中有11.3%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞減趨勢。抽穗—灌漿期缺水量氣候傾向率為-7.3～6.8 mm·10 a-1，多年平均值為0.9 mm·10 a-1，空間上呈現西南高、東北部低的變化趨勢。灌漿—成熟期的缺水量氣候傾向率為-1.8～6.4 mm·10 a-1，多年平均值為2.4 mm·10 a-1，空間分布上北部大多呈遞增趨勢，遞減區域主要分布在東南部分區域，有33.7%的站點通過顯著性檢驗(P<0.05)，呈顯著遞增趨勢。

圖6 水稻生育期缺水量分布特征Fig.6 Distribution characteristics of water deficit

圖7 水稻不同生育期缺水量變化趨勢分布特征Fig.7 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

2.4 水分盈虧指數變化特征

從表1可以看出：水稻不同生育期對灌溉需求差異不明顯(0.46～0.65)，全生育期水分盈虧指數為0.56，表明貴州水稻對灌溉依賴程度較高，其中，播種—移栽期對灌溉的依賴程度相對較低，水分盈虧指數為0.46，抽穗—灌漿期對灌溉依賴程度相對最高，水分盈虧指數為0.65。

表1水稻不同生育期水分盈虧指數

Table1Water budget index in different rice growth stages

生育期Growth stageI播種—移栽期Seeding-transplanting0.46移栽—抽穗期Transplanting-heading0.49抽穗—灌漿期Heading-filling0.65灌漿—成熟期Filling-mature0.62全生育期Whole growth season0.56

3 結論與討論

有效降水量和需水量是水稻栽培管理和灌溉制度制定的主要依據，也是影響水稻產量的關鍵因子。本研究基于逐日氣象數據，計算了貴州省水稻不同生育期的有效降水量和需水量，并分析了水稻不同生育階缺水量的變化特征。結果表明：1961—2015年貴州省水稻全生育期年均有效降水量為280～394 mm，多年平均值為324 mm，呈遞減趨勢，這與張琪等[22]、王芬等[23]研究結果基本一致，空間分布上自西向東、由南向北呈遞減趨勢；年均需水量為683～808 mm，多年平均值為737 mm，呈遞減趨勢；年均缺水量為317～509 mm，多年平均值為413 mm，呈遞增趨勢，空間分布上自東向西呈遞減趨勢。

本研究從氣象要素的角度，利用水分盈虧指數，分析貴州有效降水量對水稻需水量的滿足狀況。研究區域水稻在抽穗—灌漿期對灌溉依賴程度最高，需補充灌溉水最多，這與符娜等[13]關于西南地區水稻整體對灌溉依賴程度較低的結論有所不同，但與李雙雙等[24]研究結果基本一致。實際生產過程中，影響水稻灌溉需水總量的因素較復雜。貴州省稻田絕大多數為梯田，灌溉設施嚴重滯后，保水性能差，因此應該加大水利工程建設，以提高灌溉水利用系數，并推廣作物節水灌溉模式。這是提高當地水稻產量和實現水資源可持續發展的重要途徑[25]。此外，蓄雨型節水灌溉模式提高了各生育期灌溉水深上限值，田面蓄水深度增加，灌水周期有所延長，減少了灌溉次數，在雨量豐富、灌溉水源相對較差的地區具有較好的適應性[26]。