王曉煜，楊曉光※，Tao Li，張?zhí)煲唬瑒ⅰ?，項洪濤，孫翌晨，劉志娟

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2. 國際水稻研究所，菲律賓馬尼拉 DAPO Box 777；3. 中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；4. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱 150086；5. 悉尼大學(xué)，澳大利亞悉尼 2006）

0　引　言

水稻為中國三大糧食作物之一，根據(jù)2015年統(tǒng)計資料，水稻播種面積和總產(chǎn)分別占全國糧食作物的26.7%和33.5%[1]。東北地區(qū)作為中國最大商品稻生產(chǎn)基地，2015年播種面積為445萬hm2，總產(chǎn)為3 297萬噸，均占粳稻的50%以上[1-3]，為中國最重要的粳稻產(chǎn)區(qū)。由于東北水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、商品率高、產(chǎn)量潛力大、病蟲害發(fā)生頻率低、污染少[2]，受到廣大民眾的喜愛，東北水稻的生產(chǎn)直接關(guān)系到中國粳稻生產(chǎn)和口糧安全。另一方面，東北三省又是受氣候變化影響最敏感地區(qū)之一，全球氣候變暖背景下，溫度升高，降水量呈降低趨勢[4-5]。東北水稻以灌溉為主，且大部分地區(qū)為依賴地下水的井灌稻，水稻的用水量約占區(qū)域農(nóng)業(yè)用水總量70%以上[3]。人們關(guān)注的問題是水稻井灌帶來的地下水位下降，是否會導(dǎo)致東北地區(qū)成為第二個華北平原[3]，因此，開展節(jié)水灌溉模式對東北水稻產(chǎn)量影響研究，明確節(jié)水灌溉在東北地區(qū)的適宜性，對區(qū)域水稻節(jié)水灌溉技術(shù)合理布局，發(fā)揮節(jié)水灌溉模式的優(yōu)勢，對于水資源高效利用和水稻持續(xù)發(fā)展具有重要理論與實踐意義。

前人圍繞水稻節(jié)水灌溉和傳統(tǒng)灌溉模式，在水稻需水規(guī)律、產(chǎn)量變化及水分利用效率比較方面做了大量工作，并創(chuàng)建了多種節(jié)水灌溉技術(shù)，如間歇濕潤灌溉、控制灌溉、干濕交替灌溉等[6-9]。其中水稻干濕交替灌溉（alternative wetting and drying irrigation，AWD）應(yīng)用最為廣泛，在亞洲水稻主產(chǎn)區(qū)大面積推廣及應(yīng)用，節(jié)水效果顯著。與淹水灌溉相比，產(chǎn)量損失在3%～23%范圍內(nèi)，可節(jié)約灌溉水量17%[10]。目前干濕交替灌溉與淹水灌溉模式對水稻影響研究主要是利用大田試驗從水稻生理生態(tài)角度研究干濕交替灌溉與傳統(tǒng)灌溉模式對產(chǎn)量與水分利用效率等影響[10-14]。但由于大田試驗耗時長，受試驗?zāi)攴莪h(huán)境條件影響較大，無法在區(qū)域上進(jìn)行比較。模型是區(qū)域尺度研究的重要手段，近年來ORYZA水稻模型廣泛應(yīng)用到節(jié)水灌溉措施對水稻需水特征、產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率影響研究中[15-20]，目前主要集中在南方稻區(qū)及華北旱稻種植區(qū)[15-19]，而基于模型研究東北地區(qū)不同灌溉模式對水稻影響的研究還未見報道。本文以東北三省水稻種植區(qū)作為研究區(qū)域，運用ORYZA (v3)模型對比分析傳統(tǒng)灌溉及干濕交替灌溉模式下水稻產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的時空分布特征，綜合得到干濕交替灌溉技術(shù)的適宜性分區(qū)，以期為東北地區(qū)水稻科學(xué)節(jié)水灌溉管理提供參考。

1　材料和方法

1.1　研究區(qū)域概況

中國東北三省包括遼寧省、吉林省和黑龍江省。該區(qū)地勢平坦、土壤肥沃、光照資源充足，大部分農(nóng)區(qū)≥10 ℃積溫為1 600～3 600 ·d℃，無霜期140～170 d，降水量500～800 mm，為水稻生產(chǎn)提供了有利條件。由于東北三省最北部區(qū)域熱量資源和西部地區(qū)水資源不足，不能完全滿足水稻的生長，水稻種植面積較少[21]，因此本文根據(jù)東北三省各市（縣）水稻播種面積，將2011-2015年連續(xù)5a水稻播種面積占糧食作物播種面積比例大于5%的縣確定為東北三省水稻主要種植區(qū)，共有 134個縣，為本文的研究區(qū)域如圖1。

圖1　研究區(qū)域示意圖Fig.1　Location of study region

1.2　數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，選取研究區(qū)域內(nèi)資料年限長的 65個氣象站點 1981—2016年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、日最低溫度、日最高溫度、降水量、水汽壓、日照時數(shù)和平均風(fēng)速等。采用 Thornton等[22-23]給出的截斷高斯濾波算子空間插值算法，結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM），將逐日氣象資料插值到空間分辨率10 km×10 km的格點?；贏rcGIS 10.0軟件地統(tǒng)計模塊的反距離加權(quán)插值方法（IDW）對格點數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值到縣，得到研究區(qū)域134個縣的氣象數(shù)據(jù)。

水稻作物資料來源于東北三省水稻觀測資料完整且時間序列較長的 8個中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測試驗站，位置分布如圖1，包括1981-2013年的水稻品種、發(fā)育期（出苗期、移栽期、開花期、成熟期）、單產(chǎn)及栽培管理措施等，其中灌溉管理為傳統(tǒng)灌溉措施。

土壤數(shù)據(jù)來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫，包括分層砂粒和黏粒的含量、土壤全氮和有機質(zhì)的含量、土壤容重、土壤的田間持水量、凋萎系數(shù)、飽和導(dǎo)水率等參數(shù)。

1.3　ORYZA (v3)水稻模型及參數(shù)校正

ORYZA系列水稻模型是一種動態(tài)、機理性較強的生理生態(tài)模型，以日為時間步長，可定量描述不同氣候條件下、水分限制和氮素限制水平下的水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量形成、水稻蒸發(fā)蒸騰量以及土壤水分、氮素的動態(tài)變化過程[24-25]。ORYZA水稻模型由地上部作物生長模塊，蒸騰蒸發(fā)模塊，氮素動態(tài)模塊，土壤水分平衡模塊等多個模塊構(gòu)成。本研究采用的ORYZA (v3)是ORYZA水稻系列模型的最新版本[26]，改進(jìn)了 ORYZA2000中作物生長模塊和土壤水分平衡模塊，新增了控制水稻生長臨界溫度及日期的參數(shù)，并對土壤養(yǎng)分含量及灌溉措施設(shè)置進(jìn)行了修改，提高了模型模擬水稻生理過程、灌溉管理措施及土壤水分動態(tài)變化的準(zhǔn)確性。

ORYZA (v3)模型的輸入數(shù)據(jù)包括作物參數(shù)、田間管理措施、逐日氣象資料和土壤數(shù)據(jù)等?？紤]到實際生產(chǎn)中水稻品種更替，利用研究區(qū)域內(nèi) 8個農(nóng)業(yè)氣象觀測站實測資料，建立不同年代品種調(diào)參數(shù)據(jù)集和驗證數(shù)據(jù)集（表 1），經(jīng)校驗后的品種參數(shù)可用于模擬東北三省的水稻品種年代變更趨勢及研究區(qū)域水稻產(chǎn)量[27]。運用模型中DRATES程序和“試錯法”調(diào)試發(fā)育速率、同化物分配系數(shù)、莖稈保留系數(shù)、比葉面積等作物參數(shù)（表 2），直至模擬值與實測值差異盡可能小。采用國際上通用指標(biāo)和方法度量模擬值與實測值的差異：模擬值與實測值之間的決定系數(shù)（R2）、歸一化均方根誤差（NRMSE）[28]、平均絕對誤差（MAE）、Willmott[29]提出的一致性指標(biāo)（D指標(biāo)）。其中，R2和D指標(biāo)反映模型模擬值與實測值之間一致性，其值越接近1說明模擬結(jié)果越好；與R2相比，D指標(biāo)對于系統(tǒng)模擬誤差更加敏感。NRMSE值反映了模擬值與實測值之間絕對誤差量與相對誤差量，值越小說明模擬值與實測值之間的一致性越好。

表1　東北三省水稻品種、調(diào)參及驗證數(shù)據(jù)集Table 1　Rice cultivar, calibration and validation datasets in Northeast China

式中，Si為模擬值，Oi為實測值，O為實測值的平均值，n為樣本數(shù)。

表2　ORYZA (v3)模型水稻品種特征參數(shù)Table 2　Rice culivar parameters in Oryza (v3) in this study

1.4　ORYZA (v3)模型不同灌溉方式情景設(shè)置

在ORYZA (v3)模型模擬東北三省水稻生長適用性驗證的基礎(chǔ)上，利用模型模擬1981-2016年逐年淹水灌溉和干濕交替灌溉模式下水稻產(chǎn)量和耗水量，2種灌溉模式設(shè)置如下[12,16]：

（1）淹水灌溉（flood irrigation，F(xiàn)L）：水稻全生育期保持1～3 cm水層。

（2）干濕交替灌溉（alternative wetting and drying irrigation，AWD），在移栽后的5 d內(nèi)田間保持淺水層，返青后淺水層自然落干至土壤水勢為?15 kPa時，灌水1～3 cm，再落干，如此循環(huán)。

1.5　水分利用效率

利用如下公式（4）計算水分利用效率[30-31]：

式中，Y為產(chǎn)量，kg/hm2；WUEC為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；C∑為生長季內(nèi)的耗水總量，mm。

1.6　高產(chǎn)性、高效性及適宜區(qū)的等級劃分

為了明確干濕交替灌溉模式在研究區(qū)域的適宜性，本文采用累積頻率法（cumulative frequency distribution，CFD）對干濕交替灌溉模式下水稻產(chǎn)量（高產(chǎn)性）和水分利用效率（高效性）進(jìn)行等級劃分。累積頻率指變量大于某一下限值出現(xiàn)的次數(shù)與總次數(shù)之比[32-33]，公式如下：

式中，n 為在變量取值范圍（即介于最小值與最大值之間）內(nèi)劃分的數(shù)值等級數(shù)。fi表示在第i個數(shù)值等級內(nèi)變量發(fā)生的頻數(shù)，F(xiàn)i指變量在不小于該數(shù)值等級內(nèi)的頻數(shù)。

參考趙錦等[32]基于累計頻率的分區(qū)方法，不同等級劃分標(biāo)準(zhǔn)為：CFD＜25%為最高產(chǎn)區(qū)（最高效區(qū)），25%＜CFD＜50%為高產(chǎn)區(qū)（高效區(qū)），50%＜CFD＜75%為次高產(chǎn)區(qū)（次高效區(qū)），75%＜CFD＜100%為低產(chǎn)區(qū)（低效區(qū)）。用ORYZA (v3)模型模擬干濕交替灌溉模式下的產(chǎn)量，并計算水分利用效率，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)得到各等級劃分相應(yīng)的產(chǎn)量及水分利用效率的具體數(shù)值。

在得到水稻高產(chǎn)性和高效性的基礎(chǔ)上，采用ArcGIS 10.0軟件疊加高產(chǎn)分區(qū)及高效分區(qū)得到干濕交替灌溉模式的適宜區(qū)。

1.7　數(shù)據(jù)處理

1.7.1時間變化趨勢

本文利用最小二乘法[34]說明研究區(qū)域過去 36a水稻產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的時間變化趨勢，用ix表示樣本量為n的產(chǎn)量（或耗水量、水分利用效率）變量，用it表示ix所對應(yīng)的時間，建立ix與it的一元線性回歸方程：

式中，a為回歸系數(shù)；b為回歸常數(shù)。以a的10倍作為水稻產(chǎn)量或耗水量的變化，表示產(chǎn)量或耗水量每10年的變化趨勢，其中正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢。

1.7.2顯著性檢驗

采用 t檢驗對模型模擬結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗，通過α=0.05檢驗，判定為變化趨勢顯著；通過α=0.01的檢驗，判定為變化趨勢極顯著[35]。

1.7.3空間表達(dá)

根據(jù)模型模擬得到產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率，采用ArcGIS 10.0軟件與縣域底圖生成空間分布圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　ORYZA (v3)水稻模型在東北三省的適應(yīng)性評價

應(yīng)用ORYZA (v3)水稻模型對東北三省水稻生長發(fā)育動態(tài)和產(chǎn)量模擬之前，需進(jìn)行模型的調(diào)參及驗證，使水稻品種參數(shù)本地化，評價模型在東北三省的適應(yīng)性。圖2為各農(nóng)業(yè)氣象試驗站模擬與實測生育期及產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系，并給出了不同水稻品種完成 2個發(fā)育階段（出苗—開花、出苗—成熟）所需天數(shù)和產(chǎn)量的模擬值與實測值之比較。

結(jié)果表明：出苗—開花天數(shù)、出苗—成熟天數(shù)及產(chǎn)量的模擬值與實測值基本吻合，決定系數(shù)（R2）分別為0.89，0.90和0.86；NRMSE分別為3.5%，5.5%和8.6%；MAE分別為2.0，2.5和450.6；D指標(biāo)值分別為0.91，0.92和0.91。模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)基本落在1∶1線附近（圖2）。說明從全區(qū)角度來看，2個生育階段天數(shù)及產(chǎn)量的模擬結(jié)果和實測值一致性較好，品種參數(shù)能比較準(zhǔn)確地反映作物品種的主要遺傳特征，可用于水稻生長發(fā)育進(jìn)程及水稻產(chǎn)量模擬研究。

圖2　研究區(qū)域水稻生育期、產(chǎn)量實測值和模擬值對比Fig.2　Comparison of simulated and measured phenology and yield for rice in research region

2.2　兩種灌溉模式水稻產(chǎn)量對比分析

利用調(diào)參驗證后的ORYZA (v3)模型模擬研究區(qū)域各縣1981-2016年淹水模式和干濕交替灌溉2種模式下水稻產(chǎn)量，在此基礎(chǔ)上，分析過去36a產(chǎn)量演變趨勢及空間分布特征，由圖 2a-b可見，2種灌溉模式下，研究區(qū)內(nèi)水稻產(chǎn)量整體呈由西南向東北減少的趨勢，與水稻生長季內(nèi)的積溫和太陽輻射的分布規(guī)律一致[4]。淹水灌溉模式下，1981-2016年研究區(qū)域內(nèi)水稻平均產(chǎn)量在 6 865～12 000 kg/hm2之間，36a平均為9 602 kg/hm2，高值區(qū)集中在遼寧省遼河平原及沿海地區(qū)，產(chǎn)量達(dá)10 000 kg/hm2以上；低值區(qū)集中在黑龍江省北部的伊春、孫吳等地，東南部的海林、穆棱等地區(qū)，平均低于8 000 kg/hm2；高低值區(qū)分布與前人研究結(jié)果一致[36]；干濕交替灌溉模式下，水稻平均產(chǎn)量在5 624～11 622 kg/hm2之間，全區(qū)平均為8 559 kg/hm2，高值區(qū)集中在遼寧南部的綏中、燈塔、莊河等地區(qū)，吉林省北部扶余-蛟河-和龍一帶，黑龍江中部的巴彥、方正等地，達(dá)9 000 kg/hm2以上；低值區(qū)集中在黑龍江省北部孫吳、伊春等地區(qū)，平均低于7 000 kg/hm2。與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉模式下水稻產(chǎn)量減少1%～19%，全區(qū)平均減少 11%，其中遼寧省減少最多（12%），黑龍江省次之（11%），吉林省最少（9%）。

1981-2016年，研究區(qū)域內(nèi)水稻產(chǎn)量整體呈增加趨勢，淹水灌溉模式下，全區(qū)水稻產(chǎn)量變化趨勢在-658～3 326 kg/(hm2·10a)之間，平均每10年增加647 kg/hm2；干濕交替灌溉模式下產(chǎn)量變化趨勢在-706～2 487 kg/(hm2·10a)之間，平均每10年增加382 kg/hm2。由于太陽輻射和平均溫度區(qū)域之間的差異，產(chǎn)量變化趨勢在不同地區(qū)明顯不同。黑龍江省縣域水稻產(chǎn)量在淹水灌溉和干濕交替2種灌溉模式下均呈增加的趨勢，分別增加1 226和750 kg/(hm2·10a)，這是由黑龍江省熱量增加、品種更替、水稻生長季延長等帶來的正面影響。吉林省縣域水稻產(chǎn)量在淹水灌溉模式下，有90%的縣產(chǎn)量呈增加趨勢，平均增加262 kg/(hm2·10a)，而在干濕交替灌溉模式下，僅有 47%的縣呈增加趨勢，平均增加 37 kg/(hm2·10a)，2種灌溉模式下產(chǎn)量變化趨勢的差異主要是由于水分對作物滿足程度不同導(dǎo)致的。遼寧省水稻生長季內(nèi)溫度升高幅度小、輻射降低，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量在淹水灌溉模式下整體每10年減少16 kg/hm2，僅有18%的縣呈增加趨勢，而在干濕交替灌溉模式下，大部分地區(qū)水肥耦合的正面影響抵消了氣候變化的不利影響，遼寧省平均每10年增加77 kg/hm2，比較而言干濕交替灌溉在遼寧省對水稻產(chǎn)量提高有積極作用。

圖3　1981-2016年研究區(qū)域兩種灌溉模式水稻產(chǎn)量空間分布及時間變化Fig.3　Spatial distribution and inter-annual change of rice yield under two irrigation conditions in research region from 1981 to 2016

2.3　兩種灌溉模式水稻耗水量及水分利用效率比較分析

2.3.1水稻耗水量時空演變特征

水稻耗水量是指水稻生長季內(nèi)棵間土面（或水面）蒸發(fā)量與水稻冠層蒸騰之和[16]。為比較淹水和干濕交替灌溉模式對水稻耗水的影響，利用ORYZA (v3)模型輸出的實際蒸發(fā)量和蒸騰量，研究區(qū)域各縣1981-2016年耗水量，空間分布和時間演變趨勢如圖4。由圖可見受溫度、降水、相對濕度等氣象要素的影響[4]，耗水量整體呈西高東低的分布趨勢。淹水灌溉模式下36a水稻平均耗水量在377～716 mm之間，平均為521 mm，高值區(qū)集中在溫度較高的遼寧省中西部盤錦、遼陽、新民地區(qū)，耗水量在600 mm以上，低值區(qū)集中分布于溫度較低的吉林省和黑龍江省東部地區(qū)，如蛟河-磐石-通化一帶及穆棱、寧安等地區(qū)，耗水量在377～498 mm之間；干濕交替灌溉模式下，研究區(qū)域內(nèi)水稻耗水量在289～598 mm之間36a平均為448 mm，高值區(qū)集中在遼寧省西部新民-臺安-大洼一帶，耗水量在500 mm以上，低值區(qū)主要集中在吉林省東部汪清、敦化、樺甸、集安、安圖等溫度較低的地區(qū)，耗水量在325～394 mm之間。與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉模式下水稻耗水量可減小3%～26%，全區(qū)平均下降15%，尤其遼寧省和吉林省減少最多（19%），黑龍江省較少（11%），如表3。主要原因是遼寧和吉林 2省與黑龍江省相比，參考蒸散量相對較高[4]，水稻田間蒸散量較大，干濕交替灌溉模式下蒸散量和耗水量減少更明顯。

1981-2016年，研究區(qū)域內(nèi)水稻耗水量整體呈下降趨勢，淹水灌溉模式下，全區(qū)水稻耗水量變化趨勢在-99～64 mm/(10a)之間，平均為-31 mm/(10a)；干濕交替灌溉模式下耗水量變化趨勢在-77～65 mm/(10a)之間，平均為-18 mm/(10a)。耗水量變化趨勢在不同地區(qū)差異明顯，淹水灌溉模式和干濕交替灌溉模式下，黑龍江省縣域水稻耗水量均呈下降的趨勢，分別下降76和57 mm/(10a)；吉林省縣域水稻耗水量受溫度大幅升高的影響更大，平均每10年上升40 mm以上；遼寧省縣域水稻耗水量僅有小于15%的縣呈上升趨勢，每10年分別下降30和10 mm，這是由于各區(qū)域環(huán)境要素變化綜合影響不同導(dǎo)致的。

表3　1981-2016年兩種灌溉模式水稻產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率Table 3　Rice yield, water consumption and water use efficiency under two irrigation conditions from 1981 to 2016

圖4　1981-2016年研究區(qū)域兩種灌溉模式水稻耗水量空間分布及時間變化Fig.4　Spatial distribution and inter-annual change of rice water requirement under two irrigation conditions in research region from 1981 to 2016

2.3.2水分利用效率時空演變特征

基于ORYZA (v3)模擬的研究區(qū)域水稻生長季內(nèi)耗水量及產(chǎn)量結(jié)果，利用公式（4）計算了2種灌溉模式各縣逐年水分利用效率。圖5為研究區(qū)域1981-2016年水稻水分利用效率及變化趨勢空間分布圖，各省及全區(qū)平均值及時間演變趨勢如表3。

由圖 5可知，淹水灌溉模式下，研究區(qū)域過去 36a水稻水分利用效率在 14～27 kg/(hm2·mm)之間，平均為18.8 kg/(hm2·mm)，空間上呈南低北高的分布趨勢，高值區(qū)集中在遼寧省中北部地區(qū)，吉林省東部敦化、汪清和安圖等地區(qū)，黑龍江省南部寧安-五常-大慶一帶、東部寶清-依蘭一帶及西部甘南-林甸地區(qū)，水分利用效率在20～27 kg/(hm2·mm)之間；低值區(qū)集中在遼寧省鐵嶺、桓仁、莊河等大部分地區(qū)，在14～18 kg/(hm2·mm)之間。干濕交替灌溉模式下水分利用效率在15～42 kg/(hm2·mm)之間，平均為20.3 kg/(hm2·mm)，整體呈東高西低的分布趨勢，受耗水量影響大，高值區(qū)集中在遼寧省綏中、凌海等沿海地區(qū)，吉林省大安、蛟河、永吉、和龍等中東部大部分地區(qū)，黑龍江省中東部蘭西-賓縣-佳木斯-虎林一線，水分利用效率在20～42 kg/(hm2·mm)之間；低值區(qū)集中在遼寧省中部新民、開原等地和黑龍江省西部齊齊哈爾、林甸等地，水分利用效率小于18 kg/(hm2·mm)。淹水灌溉模式和干濕交替灌溉模式下，吉林省的水分利用效率最高，分別為20.6和23.8 kg/(hm2·mm)；黑龍江省次之，分別為 18.9和 19.2 kg/(hm2·mm)；遼寧省最低，分別為16.9和18.4 kg/(hm2·mm)。研究區(qū)域內(nèi)與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉水分利用效率提高 8%，由于吉林省水稻產(chǎn)量相對較高且耗水量最少，因此在吉林省水分利用效率提高最明顯（18%），遼寧省和黑龍江省次之（8%和1%）。

1981-2016年研究區(qū)域的水分利用效率整體呈顯著提高趨勢，在淹水灌溉模式下，研究區(qū)域內(nèi)水稻水分利用效率變化趨勢在-4.3～9.5 kg/(hm2·mm·10a)間，平均為2.3 kg/(hm2·mm·10a)；干濕交替灌溉模式下水分利用效率變化趨勢在-6.1～7.0 kg/(hm2·mm·10a)之間，平均為kg/(hm2·mm·10a)。水分利用效率變化趨勢在不同地區(qū)差異明顯，淹水灌溉和干濕交替灌溉模式下，由于吉林省水稻耗水量持續(xù)增加，且增加的速率大于產(chǎn)量，因此縣域水稻水分利用效率均呈顯著降低的趨勢，分別為-1.7和-2.9 kg/(hm2·mm·10a)；黑龍江省和遼寧省由于產(chǎn)量的持續(xù)增加及耗水量波動性減少，縣域水稻水分利用效率均呈顯著增加趨勢。

圖5　1981-2016年研究區(qū)域兩種灌溉模式水稻水分利用效率空間分布及時間變化Fig.5　Spatial distribution and inter-annual change of rice WUEC under two irrigation conditions in research region from 1981 to 2016

2.4　干濕交替灌溉模式適宜區(qū)分析

分別計算了干濕交替灌溉模式下 1981-2016年東北地區(qū)縣域水稻逐年產(chǎn)量及水分利用效率的平均值，根據(jù)1.6中高產(chǎn)性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)將水稻產(chǎn)量分為4個等級，分別為水稻產(chǎn)量最高產(chǎn)區(qū)、高產(chǎn)區(qū)、次高產(chǎn)區(qū)和低產(chǎn)區(qū)；根據(jù)高效性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)將水分利用效率分為4個等級，分別為水分利用效率最高效區(qū)、高效區(qū)、次高效區(qū)和低效區(qū)，分析高產(chǎn)性及高效性各等級適宜種植區(qū)空間分布特征。

干濕交替灌溉模式下研究區(qū)域水稻產(chǎn)量高產(chǎn)性各等級適宜種植區(qū)空間分布特征如圖6a所示。由圖可以看出，最高產(chǎn)區(qū)主要集中在遼寧省綏中、綏中等沿海地區(qū)，吉林省北部的蛟河、扶余等縣及東部的集安、安圖等縣，黑龍江省中部的五常、海倫、巴彥等縣及東部的富錦；高產(chǎn)區(qū)集中在遼寧中部的開原、蓋州等縣，吉林及黑龍江松嫩平原東南部地區(qū)，黑龍江東部虎林、寶清等縣；次高產(chǎn)區(qū)在研究區(qū)域的大部分地區(qū)，黑龍江超過 50%的縣都屬于次高產(chǎn)區(qū)；低產(chǎn)區(qū)僅伊春地區(qū)。

干濕交替灌溉模式下研究區(qū)域水分利用效率高效性各等級適宜種植區(qū)空間分布特征如圖6b所示。由圖可知，水分利用效率最高效區(qū)位于遼寧省海城、綏中等縣，吉林省東部大部分地區(qū)，黑龍江省中部的巴彥、賓縣等地區(qū)；高效區(qū)主要在遼寧東南部的莊河等縣，吉林中部德惠、吉林等縣，以及黑龍江中部和東部的穆棱、虎林等縣；次高效區(qū)集中于遼寧中部臺安、本溪等地區(qū)，吉林省西部的九臺、白城等地區(qū)，及黑龍江中部和東北部的綏化、饒河等地；低效區(qū)集中在遼寧北部開原、清原等地，黑龍江西部的林甸、孫吳等地區(qū)。

圖6　1981-2016年研究區(qū)域水稻干濕交替灌溉模式的高產(chǎn)性、高效性及適宜性空間分布特征Fig. 6　Spatial distribution characteristics of rice yield, water use efficiency, and suitability for rice under AWD in research region during 1981-2016

分析干濕交替灌溉模式在研究區(qū)域的適宜性，不僅要考慮產(chǎn)量的高低（即為高產(chǎn)性），同時還需要考慮水分利用效率的高低（即為高效性）。因此本研究從高產(chǎn)性和高效性 2個角度綜合考慮，根據(jù)一個地區(qū)高產(chǎn)性和高效性的配合程度來劃分適宜性。由圖6c和表4可知，最適宜區(qū)集中分布在遼寧省綏中、西豐等縣，吉林省北部扶余-蛟河一線及延吉地區(qū)，黑龍江省松嫩平原東南部地區(qū)。與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉最適宜區(qū)水稻產(chǎn)量平均減少1%～10%，但水分利用效率平均增加1%～30%；適宜區(qū)集中在遼寧省遼河平原南部凌海、海城等地區(qū)，吉林省中部的永吉-磐石-柳河口一線以及黑龍江省中東部的方正、富錦等地區(qū)，適宜區(qū)產(chǎn)量減少3%～15%，水分利用效率平均增加-2%～19%；次適宜區(qū)位于遼寧省東部燈塔、開原等地區(qū)，吉林省鎮(zhèn)賚、雙遼地區(qū)及黑龍江省中東部鐵力、饒河地區(qū)，產(chǎn)量減少8%～17%，水分利用效率變化率在-8%～18%之間；較適宜區(qū)分布在遼寧省東北部鐵嶺、清原等地區(qū)，吉林省長白、洮南及黑龍江省西部富裕-林甸-安達(dá)一帶，產(chǎn)量平均減少11%～19%，水分利用效率平均變化-11%～17%。

表4　1981-2016年研究區(qū)域干濕交替灌溉模式適宜區(qū)分布Table 4　Division of AWD suitability zones for rice in research region

3　討　論

本文結(jié)合東北三省水稻種植區(qū)縣域氣象資料、土壤資料及作物資料，驗證ORYZA (v3)水稻模型在研究區(qū)域的適應(yīng)性，運用模型模擬淹水灌溉傳統(tǒng)模式和干濕交替節(jié)水灌溉模式下水稻的產(chǎn)量、耗水量，比較分析了 2種灌溉模式下產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的空間分布特征以及時間演變趨勢。傳統(tǒng)的研究方法多以田間試驗及盆栽為基礎(chǔ)[9-14]，對比分析不同灌溉方式下水稻產(chǎn)量及水分利用效率的差異，但傳統(tǒng)的研究方法受試驗?zāi)攴輾夂驐l件的影響較大[37]，且樣本容量、品種選擇、管理方式有限，不利于在區(qū)域上進(jìn)行定量分析。本研究基于ORYZA(v3)模型進(jìn)行1981-2016年區(qū)域尺度的研究，對比2種灌溉模式下水稻產(chǎn)量和水分利用效率可以看出，干濕交替灌溉模式在產(chǎn)量損失8%范圍內(nèi)，可有效降低水稻耗水量15%，水分利用效率提高8%，這一研究結(jié)果與前人相關(guān)試驗結(jié)果比較一致[10]。但前人研究不同灌溉方式對水稻產(chǎn)量的影響尚無一致結(jié)論[13]，也有相關(guān)學(xué)者通過大田試驗研究表明[12-13]，干濕交替灌溉模式能通過改善根系和地上部生長發(fā)育，最終提高產(chǎn)量。本文干濕交替模式下的產(chǎn)量包括研究區(qū)域134個縣1981-2016年的結(jié)果，而干濕交替灌溉模式下產(chǎn)量在不同站點及年際間存在差異，干濕交替灌溉模式下水稻產(chǎn)量整體低于淹水灌溉模式，如果將來基于區(qū)域尺度長時間序列的節(jié)水灌溉模式下的水稻實測數(shù)據(jù)，可以更好地分析不同灌溉模式下產(chǎn)量的差異。

文中引用前人對產(chǎn)量潛力氣候適宜性的方法[32-33]，研究了干濕交替灌溉模式下水稻產(chǎn)量的高產(chǎn)性及水分利用效率的高效性空間分布，從產(chǎn)量和水分利用效率 2個角度綜合考慮高產(chǎn)性和高效性，逐縣評價干濕交替節(jié)水灌溉模式的適宜性，擴(kuò)展至研究區(qū)得到干濕交替灌溉技術(shù)適宜區(qū)空間分布，為區(qū)域干濕交替灌溉技術(shù)選擇提供了科學(xué)依據(jù)，對研究區(qū)域節(jié)約灌溉水資源和保障水稻產(chǎn)量具有重要意義。

本文定量分析干濕交替灌溉節(jié)水技術(shù)較傳統(tǒng)灌溉模式的節(jié)水程度，以及水分利用效率提升效果，從產(chǎn)量和水分利用效率 2個方面明確該節(jié)水模式適宜性。本文中高產(chǎn)性及高效性分級均根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)指標(biāo)累積頻率的劃分進(jìn)行確定，會隨著研究區(qū)域和研究時段變化而有所不同；由于資料的限制，對東北三省的灌溉方式選取的是平均狀況，未考慮不同地區(qū)灌溉技術(shù)差異；未考慮不同水分年型下干濕交替灌溉模式的適宜性差異，這都需要未來深入研究分析。

4　結(jié)　論

本文基于ORYZA (v3)水稻模型，模擬了1981-2016年東北三省水稻種植區(qū) 2種灌溉模式下水稻產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率，并分析了干濕交替灌溉模式下產(chǎn)量的高產(chǎn)性和水分利用效率的高效性，明確了干濕交替模式在東北地區(qū)的適宜性分區(qū)。得到以下結(jié)論：

1）1981-2016年淹水灌溉和干濕交替灌溉模式下，過去36a產(chǎn)量顯著增加，研究區(qū)域水稻平均產(chǎn)量呈由西南向東北減少的趨勢。淹水灌溉模式下水稻產(chǎn)量高值區(qū)集中在遼河平原及沿海地區(qū)，低值區(qū)集中在黑龍江省北部和東南部地區(qū)；干濕交替灌溉模式下，高值區(qū)集中在遼寧南部莊河等地、吉林北部一帶、黑龍江中部的方正等地區(qū)，低值區(qū)集中在黑龍江省北部伊春地區(qū)。

2）過去36a淹水灌溉和干濕交替灌溉模式下水稻耗水量整體呈顯著下降趨勢。淹水灌溉模式下，區(qū)域水稻耗水量高值區(qū)集中在遼寧省中西部盤錦、錦州等地區(qū)，低值區(qū)集中在吉林省蛟河-磐石-通化一帶和黑龍江省東部穆棱等地區(qū)；干濕交替灌溉模式下，高值區(qū)集中在遼寧省西部新民等地區(qū)，低值區(qū)主要集中在吉林省東部安圖等地。與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉模式能明顯減少耗水量，在黑龍江、吉林和遼寧省分別減少11%、19%和19%。

3）過去36a淹水灌溉和干濕交替灌溉模式下水稻水分利用效率整體呈顯著提高趨勢。淹水灌溉模式下，研究區(qū)域水稻水分利用效率整體呈南低北高的分布趨勢；干濕交替灌溉模式下水分利用效率呈東高西低的分布趨勢。與淹水灌溉相比，采用干濕交替灌溉方式，在黑龍江、吉林和遼寧省分別提高8%、18%和1%。

4）1981-2016年干濕交替灌溉模式最適宜區(qū)集中分布在遼寧省遼河平原南部、吉林省扶余-蛟河一線及延吉地區(qū)、黑龍江省松嫩平原東南部，適宜區(qū)集中在遼寧省遼河平原南部、吉林省中部永吉-磐石-柳河口一線以及黑龍江省中東部地區(qū)，次適宜區(qū)位于遼寧省東部燈塔等地區(qū)，吉林省雙遼地區(qū)及黑龍江省中東部饒河地區(qū)，較適宜區(qū)分布在遼寧省東北部清原等地區(qū)，吉林省長白、洮南及黑龍江省西部一帶。

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