，　， ， ，，

(長(zhǎng)江科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢　430010)

1　研究背景

隨著氣候變化加劇，全球極端天氣頻發(fā)，導(dǎo)致水資源時(shí)空分布和農(nóng)作物需水規(guī)律發(fā)生變化，農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾日益突出。水稻是我國(guó)重要的糧食作物，且耗水量大，因此探討氣候變化對(duì)水稻生產(chǎn)的影響，對(duì)保障糧食安全和農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣候變化對(duì)水稻病蟲害[1-3]、水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[4-6]、水稻生育期[7-8]的影響開展了大量研究工作。氣候變化在影響水稻生長(zhǎng)的同時(shí)，也導(dǎo)致水稻耗水過程的變化。近年來(lái)，氣候變化對(duì)水稻需水量的研究受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。有研究表明隨著氣候變暖，水稻需水量和灌溉需水量呈增加趨勢(shì)[9-10]。同時(shí)也有研究表明由于氣候變化増溫不明顯、降雨增加、日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速降低等原因，水稻需水量和灌溉需水量呈減少趨勢(shì)[11-12]。以上研究對(duì)水稻需水量的變化趨勢(shì)及其原因作了深入的分析，但針對(duì)不同灌溉模式條件下水稻需水量和灌溉需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究較少。雖然部分研究中提出了推廣節(jié)水灌溉應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的不利影響，但研究還不夠深入。

本文以江蘇高郵灌區(qū)為研究區(qū)域，探討了不同灌溉模式下稻田耗水量和灌溉需水對(duì)氣候變化的響應(yīng)，以期為灌區(qū)在未來(lái)氣候變化下作物生產(chǎn)布局和農(nóng)業(yè)水資源合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1　數(shù)　據(jù)

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了高郵站1955年1月1日至2013年12月31日逐日氣象數(shù)據(jù)(其中1967年數(shù)據(jù)缺失)。高郵站W(wǎng)MO編號(hào)為58241，位于32.80°N、119.45°E，海拔高度為5.4 m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候。氣象數(shù)據(jù)包括日最高最低氣溫、平均氣溫、大氣壓、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和降雨量。

2.2　水稻耗水量計(jì)算方法

2.2.1水稻需水量ETc計(jì)算

水稻需水量采用單作物系數(shù)FAO56 Penman-Monteith方法[13]計(jì)算，并考慮土壤水分修正系數(shù)[14]。水稻逐日需水量(ETc)計(jì)算公式為

ETc=kc·ks·ETo。

(1)

其中，

(2)

式中：ETc為水稻逐日需水量(mm)；ETo為逐日參考作物需水量(mm)；kc為作物系數(shù)，根據(jù)FAO推薦值和灌區(qū)實(shí)際情況，水稻生育初期、中期和末期分別取值1.05，1.63,1.03[9]；ks為土壤水分修正系數(shù)；θ為水稻根層土壤相對(duì)含水量(%)；θs為水稻根層土壤飽和含水量(%)；a，b和n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按文獻(xiàn)[14]取值。

其中,

(3)

式中：Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為平均氣溫(℃)；u2為2 m高度處的風(fēng)速(m·s-1)；es和ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率(kPa·℃-1)；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa·℃-1)。

2.2.2稻田滲漏量計(jì)算

稻田滲漏是水稻耗水量的重要組成部分，受地形、土壤和水文條件影響。根據(jù)田間有水層和無(wú)水層2種情況，分別采用線性模型和非線性模型估算稻田滲漏量[15](式(4))。

(4)

式中：St為第t天的稻田滲漏量(mm)；ht為第t天田面水層深度(mm)；a1，b1為擬合參數(shù)；K0為飽和水力傳導(dǎo)度，其取值為0.1～1.0 m/d；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般為50～250；Tt為土壤含水率飽和狀態(tài)達(dá)到第t天水平時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間(d)；Ht為第t天水稻主根層深度(m)。式中所有參數(shù)取值均參考文獻(xiàn)[15]。

2.3　灌溉需水量與有效降雨量計(jì)算方法

2.3.1灌溉處理

本研究設(shè)節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉2種灌溉模式。節(jié)水灌溉稻田除返青期在田面保持5～25 mm薄水層返青活苗，其余各生育階段均采用濕潤(rùn)灌溉，不形成水層，以根層土壤相對(duì)含水量作為控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額。傳統(tǒng)灌溉稻田除分蘗后期曬田和黃熟期自然落干外，其余階段均建立2～6 cm水層。2種灌溉模式的灌水技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　不同灌溉模式灌溉技術(shù)參數(shù)及稻田允許蓄雨深度Table 1　Technical parameters and maximum allowable rainwater retaining depth in paddy field underdifferent irrigation patterns

注：常規(guī)灌溉和允許蓄雨深度數(shù)字為水深(mm)；節(jié)水灌溉除返青期數(shù)字表示水深(mm)，其余生育期均為含水率，θs為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度飽和含水率，單位為%。常規(guī)灌溉方式分蘗后期需進(jìn)行曬田，曬田期間不灌溉;2種灌溉模式稻田在黃熟期均不進(jìn)行灌溉，田間不蓄水，自然落干

2.3.2灌溉需水量計(jì)算方法

稻田水層或土壤水分達(dá)到灌溉下限進(jìn)行灌溉。因此，在不考慮輸水損失情況下，灌溉需水量計(jì)算公式如下。

(1)當(dāng)灌溉下限為水層深度，即hdt>0時(shí)，有

(5)

式中：It為第t天的灌溉需水量，此處為凈灌溉需水量(mm)；Iut為第t天灌溉上限(mm)；θst為第t天根系層土壤飽和含水率(%)；θt為第t天根系層土壤含水率(%)；hdt為灌溉下限(mm)。

(2) 當(dāng)灌溉下限為土壤含水率，即θdt時(shí),有

(6)

式中θdt為第t天灌水土壤含水下限(%)。

2.3.3有效降雨量計(jì)算方法

灌區(qū)稻季降雨留在田間被水稻消耗部分即為有效降雨。灌區(qū)稻季有效降雨量根據(jù)稻田水量平衡計(jì)算。在不考慮灌溉產(chǎn)生徑流的條件下，稻田水量平衡方程為

ht=ht-1+Pt+It-ETct-St-Dt。

(7)

其中,

Dt=max{0,(ht-1+Pt+It-ETct-St-hut)}。

(8)

式中：Pt為第t天降雨量(mm)；ETct為第t天稻田蒸發(fā)蒸騰量(mm)；Dt為第t天排水量(mm)；hut為第t天降雨后稻田允許蓄雨深度(mm)，見表1。

灌區(qū)稻季有效降雨量應(yīng)該為降雨量與降雨排水量的差值，即有效降雨量計(jì)算公式為

Pet=Pt-Dt。

(9)

式中Pet為有效降雨量(mm)。在有效降雨量計(jì)算中忽略了降雨初損。

2.4　趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

氣候變化、水稻耗水量以及灌溉需水量總體變化趨勢(shì)采用Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱MK)檢驗(yàn)[16]分析。在MK檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)(X1,X2,…,Xn)，是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)，對(duì)于所有i,j

(10)

其中：

(11)

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18 。

(12)

式中sign( )為符號(hào)函數(shù)。

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平α，若Z≥Z1-α/2，則原假設(shè)H0是不可能接受的，即在置信水平α上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。Z≥1.28，1.64，2.32時(shí)表示分別通過了置信度90%，95%，99%的顯著性檢驗(yàn)。

3　結(jié)果與分析

3.1　高郵灌區(qū)氣候變化特點(diǎn)

氣溫是影響水稻需水量變化的主要因素，而降雨量的變化又是影響灌溉需水量的主要因素。因此，分析高郵灌區(qū)水稻生長(zhǎng)期歷史氣溫和降雨量，有利于灌區(qū)需水量和灌溉需水量變化原因分析。高郵灌區(qū)水稻全生育期積溫變化規(guī)律如圖1所示，水稻生育期積溫呈正弦波動(dòng)，且年際變幅較大，最低達(dá)到2 816.5 ℃，最高達(dá)到3 270.5 ℃。在時(shí)間序列上，水稻全生育期積溫有明顯的增加趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z為3.25，達(dá)到極顯著的水平。

圖1　高郵灌區(qū)水稻全生育期積溫變化Fig.1　Change trend of accumulated temperature inrice grow season at Gaoyou Irrigation District

圖2　高郵灌區(qū)水稻全生育期降雨量變化Fig.2　Change trend of rainfall in rice growseason at Gaoyou Irrigation District

高郵灌區(qū)水稻全生育期降雨量變化規(guī)律如圖2所示，降雨量變化與積溫變化規(guī)律相似，年際波動(dòng)較大，但在時(shí)間序列上呈減少的趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z為-0.07，減少趨勢(shì)不明顯?？傮w而言，隨著氣候變化,高郵灌區(qū)水稻生育期氣溫顯著增高，而降雨量呈微弱減少趨勢(shì)。

3.2　稻田耗水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律

水稻需水量主要受氣象因子影響，氣候變化直接導(dǎo)致水稻需水變化，但不同灌溉模式下稻田需水量對(duì)氣候變化響應(yīng)規(guī)律存在差異。高郵灌區(qū)不同灌溉模式下水稻需水量變化規(guī)律如圖3(a)所示。2種灌溉模式下水稻需水量均隨著時(shí)間序列呈正弦規(guī)律變化，年際差異較大，總體呈增加趨勢(shì)。

節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉模式下水稻需水量變化采用MK方法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z分別為0.23和0.6，需水量增加趨勢(shì)不顯著。圖3(b)分析了不同灌溉模式下稻田滲漏量變化規(guī)律。在時(shí)間序列上，稻田滲漏量呈微弱增加趨勢(shì)，節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉模式下MK方法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)Z分別為0.24和0.11。2種灌溉模式條件下稻田耗水量統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，稻田需水量在1955—2004年間總體呈減少趨勢(shì)，近10 a稻田需水量急劇增加。稻田滲漏量在年際間的變幅較小，說(shuō)明氣候變化對(duì)稻田滲漏量的影響較小。

圖3　高郵灌區(qū)水稻全生育期的需水量變化和滲漏量變化Fig.3　Change trends of water demand and percolation inrice grow season at Gaoyou Irrigation District

節(jié)水灌溉稻田需水量和滲漏量均小于常規(guī)灌溉稻田，且節(jié)水灌溉稻田需水量隨時(shí)間序列增加的幅度較常規(guī)灌溉小。節(jié)水灌溉稻田多年平均需水量和滲漏量為505.22，138.37 mm，分別較常規(guī)灌溉量628.50，237.74 mm減少18.6%和41.8%。節(jié)水灌溉稻田除返青期以外灌水后田面不建立水層，通過土壤水分調(diào)控有效抑制了水稻無(wú)效蒸發(fā)蒸騰，同時(shí)大幅減少了稻田滲漏量。節(jié)水灌溉稻田多年平均耗水量較常規(guī)灌溉稻田減少25.7%。

表2　高郵灌區(qū)不同灌溉模式下稻田耗水量變化Table 2　Changes in water consumption of paddy fieldunder different irrigation patterns at GaoyouIrrigation District　mm

3.3　稻田灌溉需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律

灌溉需水量是指降雨無(wú)法滿足作物正常生長(zhǎng)需水，需補(bǔ)充灌溉的水量。氣候變化影響了作物需水規(guī)律以及水稻生育期降雨，從而導(dǎo)致灌區(qū)灌溉需水量發(fā)生變化。

高郵灌區(qū)水稻灌溉需水量變化規(guī)律如圖4(a)所示，2種灌溉模式下灌溉需水量年際變化明顯，節(jié)水灌溉稻田灌溉需水量呈緩慢減少的趨勢(shì)，而常規(guī)灌溉稻田呈緩慢增加趨勢(shì)。節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉模式水稻灌溉需水量MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分別為-0.34和0.07。2種灌溉模式下有效降雨量變化規(guī)律較為一致,見圖4(b)，年際間變化明顯，但從時(shí)間序列看，有效降雨量基本穩(wěn)定。節(jié)水灌溉稻田有效降雨量存在一定的增加趨勢(shì)，而常規(guī)灌溉稻田呈減少趨勢(shì)。水稻需水量不僅受氣溫影響，還受空氣濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)影響。氣候變化導(dǎo)致高郵灌區(qū)溫度呈顯上升趨勢(shì)，促使灌區(qū)水稻需水量增加；羅玉峰等[9](2009)研究表明高郵灌區(qū)平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)，又促使水稻需水量減小。因此，在高郵灌區(qū)氣溫明顯上升趨勢(shì)條件下，水稻需水量變化趨勢(shì)不顯著。

圖4　高郵灌區(qū)水稻全生育期灌溉需水量和有效降雨量變化Fig.4　Change trends of irrigation water demand andeffective rainfall in rice grow season at GaoyouIrrigation District

表3統(tǒng)計(jì)了高郵灌區(qū)不同灌溉模式下稻田年平均灌溉需水量和有效降雨量。從表3可看出：年平均灌溉需水量和有效降雨量隨時(shí)間序列變化較為穩(wěn)定；節(jié)水灌溉模式下稻田灌溉需水量顯著小于常規(guī)灌溉稻田；節(jié)水灌溉稻田年平均灌溉需水量為160.28 mm，較常規(guī)灌溉需水量414.15 mm，減少了61.3%；節(jié)水灌溉稻田灌水后稻田不建立水層，一方面減少了水稻奢侈耗水，另一方面增加了稻田調(diào)蓄能力，從而增加了降雨利用率；節(jié)水灌溉稻田年平均有效降雨量為448.20 mm，較常規(guī)灌溉降雨利用量增加8.2%。

表3　高郵灌區(qū)不同灌溉模式下稻田灌溉需水量與有效降雨量Table 3　Irrigation water demand and effectiverainfall of paddy field under different irrigationpatterns at Gaoyou Irrigation District　mm

4　結(jié)　論

基于稻田水循環(huán)要素計(jì)算和MK檢驗(yàn)方法，分析了高郵灌區(qū)歷史溫度和降雨量變化規(guī)律以及不同灌溉模式下稻田耗水與灌溉需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。分析結(jié)果表明:

(1)高郵灌區(qū)水稻全生育期積溫隨時(shí)間序列呈正弦波動(dòng)，且年際變幅較大，總體呈顯著增加趨勢(shì)；灌區(qū)水稻全生育期降雨量呈減少趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著。

(2)不同灌溉模式下水稻需水量和滲漏量均隨時(shí)間序列緩慢增長(zhǎng)，但趨勢(shì)不明顯。節(jié)水灌溉模式能夠有效地降低稻田耗水量，其中水稻年平均需水量和滲漏量分別較常規(guī)灌溉模式稻田減少18.6%和41.8%。

(3)不同灌溉模式下水稻灌溉需水量變化規(guī)律存在差異，節(jié)水灌溉稻田灌溉需水量隨時(shí)間序列緩慢減小，而常規(guī)灌溉稻田呈增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)均不顯著。節(jié)水灌溉模式能夠有效地降低稻田灌溉需水量增加雨水利用量。節(jié)水灌溉稻田灌溉需水量較常規(guī)灌溉減少61.3%，雨水利用量提高了8.2%。

(4)針對(duì)未來(lái)氣候變化導(dǎo)致灌區(qū)作物需水量增加的問題，在灌區(qū)應(yīng)該大力推進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)，減少作物耗水量，增加降雨利用率以應(yīng)對(duì)氣候變化影響。

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