羅萬(wàn)琦，呂辛未，吳從林，楊 洋，崔遠(yuǎn)來(lái)，羅玉峰

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(北京)有限公司，北京100085；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢430010）

0 引 言

水稻是我國(guó)三大糧食作物之一，目前種植面積已居世界第二位，產(chǎn)量占全球32%左右[1]，為保障中國(guó)糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。通常稻田需要通過(guò)灌溉水保持在淹沒(méi)狀態(tài)，因此與其他作物相比，水稻灌溉需水量非常巨大[2]，消耗了我國(guó)65%以上的農(nóng)業(yè)灌溉用水[3]。傳統(tǒng)淹沒(méi)灌溉具有悠久的歷史，其操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可行性高，目前仍然是我國(guó)大部分稻區(qū)采用的灌溉方式[4]，尤其是在降雨豐富、水價(jià)低廉的南方稻區(qū)被廣泛使用，但這種方式耗水巨大，浪費(fèi)較嚴(yán)重。有效利用水資源是水稻可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，隨著人口和工業(yè)用水不斷擠占，未來(lái)農(nóng)業(yè)用水將持續(xù)減少，掌握我國(guó)水稻灌溉需水規(guī)律，將為制定高效節(jié)水的灌溉決策、緩解我國(guó)用水壓力提供有效指導(dǎo)[5,6]。

水稻作物耗水與灌溉需水是制定灌溉定額的科學(xué)依據(jù)，為了解水稻需水規(guī)律，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水稻的灌溉需求進(jìn)行了深入分析。在1984年，Terjung 等[7]就通過(guò)計(jì)算中韓地區(qū)水稻的耗水量，發(fā)現(xiàn)為了保證產(chǎn)量，中國(guó)西北和西南地區(qū)需要超過(guò)1 000 mm 的灌溉量，而中南部地區(qū)的灌溉量約為500 mm。劉鈺等[8]對(duì)全國(guó)30 種作物的需水量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)東北和南方地區(qū)水稻對(duì)灌溉需求較低，而華北地區(qū)的水稻對(duì)灌溉依賴程度較高。王衛(wèi)光等[9]以長(zhǎng)江中下游中稻為研究對(duì)象，分析氣候變化下水稻的灌溉需水時(shí)空變化特征。符娜等[10]分析了西南地區(qū)水稻生育期的耗水量及灌溉需求分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)分蘗和抽穗期是西南水稻需水的關(guān)鍵期，西南水稻整體對(duì)灌溉依賴程度較低。目前，這些研究主要是針對(duì)某一地區(qū)，采用較簡(jiǎn)單的單作物系數(shù)法和有效降雨量計(jì)算方法來(lái)估算水稻灌溉量，而對(duì)于在全國(guó)范圍內(nèi)，通過(guò)構(gòu)建田間水量平衡模型來(lái)分析不同水稻類型的需水規(guī)律和灌溉需求還鮮有研究。

綜上，本文選取全國(guó)12 個(gè)典型水稻種植區(qū)，通過(guò)構(gòu)建田間水量平衡模型推求水稻灌溉制度，分析長(zhǎng)時(shí)間序列下不同水稻類型的作物需水和灌溉需求規(guī)律，以期為明確我國(guó)不同稻區(qū)灌溉需求差異和提高降雨在水稻灌溉中的利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國(guó)水稻主要?jiǎng)澐譃榱笏痉N植區(qū)[11]，本文基于地理位置、種植面積和種植類型等因素選取了全國(guó)12 個(gè)典型水稻種植區(qū)，這些稻區(qū)具有穩(wěn)定的灌溉水源、完整的水稻生長(zhǎng)參數(shù)及廣闊的種植面積，在此基礎(chǔ)上確定12 個(gè)典型站點(diǎn)，分別為富錦、銀川、唐山、開(kāi)封、高郵、鐘祥、都江堰、金華、南昌、大理、桂林以及湛江（圖1和表1）。其中，南昌主要種植早中晚三季水稻，桂林和湛江主要種植早晚雙季稻、其余站點(diǎn)主要種植單季稻（中稻）。

表1 研究站點(diǎn)的基本信息Tab.1 The basic information of the study stations

圖1 研究站點(diǎn)分布圖Fig.1 Geographical distribution of the study stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.gov.cn）收集12 個(gè)代表性站點(diǎn)1960-2019年的逐日氣象數(shù)據(jù)，包括日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度以及日降雨量。通過(guò)全國(guó)灌溉試驗(yàn)成果信息服務(wù)平臺(tái)（http：//ggsy.jsgg.com.cn：9080/EISFlex/）收集各站點(diǎn)的水稻生育期劃分信息。

1.3 水稻灌溉需水量計(jì)算方法

采用FAO（1998）推薦的Penman-Monteith 公式計(jì)算參考作物蒸散量（ET0）[12]：

式中：Rn為作物表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為地面2 m高處日平均氣溫，℃，u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與氣溫關(guān)系曲線斜率，kPa/℃；γ為濕度表常數(shù)，kPa/℃。

1.3.2 單作物系數(shù)法

通過(guò)單作物系數(shù)法計(jì)算水稻作物需水量，計(jì)算公式如下[12]：

式中：ETc為作物實(shí)際耗水量，mm/d；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸散量，mm/d。

根據(jù)各研究區(qū)灌溉試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定各站點(diǎn)水稻的作物系數(shù)和常規(guī)灌溉模式如表2所示。

1.3.3 田間水量平衡模型

社會(huì)的需要是檢驗(yàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。研究制訂適合新工科背景的教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)了解企業(yè)與市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)化需求，做好與畢業(yè)生的交流與反饋工作，開(kāi)展多維度的畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)等的，是進(jìn)一步提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的階梯。

通過(guò)構(gòu)建田間水量平衡模型來(lái)推求水稻灌溉制度[24,25]：

（1）以插秧為起始，水稻生育期逐日灌溉需水量按下式計(jì)算：

式中：S′t為第t天灌排前的田間蓄水量，mm；St-1為前一天末的田間蓄水量，mm；Rt為第t天的降雨量，mm；Pt為第t天的田間滲漏量，mm。

考慮日滲漏量為常量，通過(guò)全國(guó)灌溉試驗(yàn)成果信息服務(wù)平臺(tái)（http：//ggsy.jsgg.com.cn：9080/EISFlex/）獲取研究站點(diǎn)稻田滲漏量數(shù)據(jù)，對(duì)于缺乏數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，則根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及當(dāng)?shù)赝寥李愋痛_定日滲漏量，各站點(diǎn)水稻生育期稻田滲漏量如表3所示。

表3 不同水稻類型的田間日滲漏量Tab.3 Daily field leakage of different rice types

（2）第t天的灌排量按以下原則計(jì)算：

式中：It、Dt分別為第t天的灌溉量和排水量，mm；Sdt、Smt和Sut分別為第t天的適宜水層下限、適宜水層上限及雨后最大蓄水深度，mm?？紤]實(shí)際生產(chǎn)情況，各站點(diǎn)均采用常規(guī)灌溉模式進(jìn)行灌溉（表2）。

表2 不同水稻類型的作物系數(shù)及常規(guī)灌溉模式Tab.2 The crop coefficients and conventional irrigation schedule of different rice types

（3）嚴(yán)格按照以上原則進(jìn)行灌排量計(jì)算，則第t天末的田間蓄水量為：

（4）重復(fù)以上計(jì)算步驟計(jì)算出水稻每日灌溉需求，得到整個(gè)生育期的灌溉制度。

1.4 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法[26,27]基于非參數(shù)檢驗(yàn)，可以分析氣候因素的長(zhǎng)期變化特征。該方法能處理非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，同時(shí)能有效排除缺失值和異常值的干擾，因此非常適用于水文、氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間序列趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)。

1.5 最大互信息系數(shù)(MIC)

水稻灌溉是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，本文采用最大互信息系數(shù)(MIC)來(lái)分析水稻灌溉參數(shù)之間的聯(lián)系。這種方法能衡量變量之間的線性或非線性強(qiáng)度，是一種探索數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的有效方法[28]。該方法的計(jì)算原理是考慮將兩個(gè)變量分散在二維空間中（定義為x、y變量），并使用散點(diǎn)圖來(lái)表示，然后將該二維空間在X，Y方向上劃分成一定的區(qū)間數(shù)，檢查落在每個(gè)網(wǎng)格中的散點(diǎn)情況。MIC的計(jì)算公式如下：

式中：a，b為在X，Y方向上的劃分網(wǎng)格個(gè)數(shù)，I(x；y)為x，y的聯(lián)合概率；B為變量，設(shè)置為數(shù)據(jù)量的0.6 次方。MIC(x；y)的值在0 到1 之間，值越大，說(shuō)明兩個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 中國(guó)水稻灌溉需求差異

通過(guò)田間水量平衡模型推求1960-2019年各站點(diǎn)水稻常規(guī)灌溉制度，從而計(jì)算出早中晚稻的灌溉要素年均值（表4）及各站點(diǎn)水稻水量平衡要素年均值（圖2）。由表4 可知，近60年來(lái)作物需水量ETc表現(xiàn)為中稻（556.39 mm）＞晚稻（491.47 mm）＞早稻（393.54 mm），生育期降雨量表現(xiàn)為早稻（654.36 mm）＞中稻（432.08 mm）＞晚稻（399.67 mm），早稻灌溉量最小，年均值為147.52 mm，其次是晚稻（346.87 mm），中稻灌溉量最大（435.94 mm）。排水量則表現(xiàn)為早稻＞中稻＞晚稻。對(duì)于灌排次數(shù)來(lái)說(shuō)，早稻灌溉次數(shù)為5 次，遠(yuǎn)低于晚稻的14次和中稻的15 次，而排水次數(shù)為13 次，高于中稻和晚稻。對(duì)于多年平均降雨利用率來(lái)說(shuō)，晚稻最高，達(dá)到了69.60%，其次是中稻，早稻最低（54.68%）。

表4 早、中、晚稻的灌溉要素年均值Tab.4 Annual average value of irrigation elements for early，middle and late rice

進(jìn)一步分析不同站點(diǎn)水稻之間的灌溉差異，圖2繪制了各站點(diǎn)水稻的灌溉要素年均值。由圖2（a）可知，由于種植地區(qū)和生育期的不同，16 種水稻類型的作物需水量相差較大，其中YC-中最大（769.63 mm），NC-早最?。?39.62 mm），中稻作物需水量普遍較高。早稻生育期降雨量較多，ZJ-早、GL-早和NC-早的降雨量都達(dá)到了550 mm 以上，而中稻和晚稻不同站點(diǎn)之間差異較大。ETc是水稻灌溉量的重要決定因素，同時(shí)生育期降雨與水稻灌排存在著密切聯(lián)系，一般來(lái)說(shuō)降雨量越大，灌溉量越小，而排水量越大。GL-早、YC-中表現(xiàn)出這一規(guī)律，兩者分別具有最高、最低的生育期降雨量，相應(yīng)地，灌溉量在所有水稻類型中表現(xiàn)為最低（74.56 mm）、最高（873.71 mm），排水量則表現(xiàn)出最高（418.77 mm）和最低（43.92 mm）[圖2（a）]，同時(shí)灌溉次數(shù)和排水次數(shù)也相應(yīng)表現(xiàn)出最少、最多和最多、最少的結(jié)果[圖2（b）]。但其他站點(diǎn)并不完全表現(xiàn)一致，DL-中、ZJ-晚的生育期降雨量?jī)H次于GL-早（降雨量分別為601.23 mm 和586.33 mm），它們的灌溉量卻遠(yuǎn)高于DJY-中和NC-早，這是由于DL-中和ZJ-晚的ETc（564.01 mm、579.77 mm） 遠(yuǎn)大于DJY-中（369.36 mm） 和NC-早（339.62 mm），較高的作物需水量導(dǎo)致灌溉需求大；而對(duì)于ZJ-晚、GY-中和DL-中，它們的ETc相差不大，GY-中的生育期降雨量為511.06 mm，遠(yuǎn)低于ZJ-晚和DL-中，灌溉量卻非常接近；另外GL-早和NC-早的ETc相近，生育期降雨量相差218.80 mm，灌溉量卻僅相差了31.91 mm。這說(shuō)明除了降雨量影響水稻灌溉需求以外，降雨分布、降雨天數(shù)、降雨間隔等因素對(duì)水稻灌溉需求的影響也不可忽略[29]。對(duì)于16 種水稻類型來(lái)說(shuō)，降雨利用率具有較大差異，其中NC-晚的多年平均降雨利用率最高，達(dá)到了76.92%，GL-早最低，僅為47.99%[圖2（c）]。整體來(lái)說(shuō)中稻和晚稻利用率較高，早稻較低，提高降雨利用具有較大發(fā)揮空間。

圖2 各站點(diǎn)水稻類型水量平衡要素年均值Fig.2 Annual average value of water balance elements of different rice types

2.2 水量平衡各要素相關(guān)性分析

為分析水量平衡要素之間的關(guān)系，表5 給出了“ETc-降雨-灌溉-排水”之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)r和MIC計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，ETc和生育期降雨量是影響水稻灌溉量的主要因素。ETc與灌溉量呈明顯正相關(guān)關(guān)系，兩者的MIC值基本都達(dá)到了0.4 以上，除DJY-中和TS-中外，所有站點(diǎn)水稻的ETc與灌溉量的正相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平；而降雨量與灌溉呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，除GL-早外，相關(guān)系數(shù)r都超過(guò)了-0.6，且MIC值普遍高于0.5，關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，所有站點(diǎn)的負(fù)相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平。

表5 水量平衡各要素的相關(guān)系數(shù)r及MIC計(jì)算結(jié)果表Tab.5 The correlation coefficients and MIC results of water balance elements

對(duì)于稻田排水量來(lái)說(shuō)，ETc與排水量的相關(guān)性在不同站點(diǎn)差異較大。在DJY-中，兩者呈現(xiàn)微弱的正相關(guān)，r僅為0.08；而在其他站點(diǎn)ETc與排水量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，r和MIC值均在NC-早達(dá)到最大（-0.62、0.42），且為極顯著水平；而在TS-中，其相關(guān)系數(shù)、MIC值僅為-0.01和0.24。稻田排水量與ETc之間的相關(guān)性在不同站點(diǎn)變化大，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，這可能是因?yàn)镋Tc主要是通過(guò)影響灌溉來(lái)間接影響排水，而水稻灌溉是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，受到氣候條件、土壤類型、農(nóng)藝技術(shù)等因素的影響，因此灌溉對(duì)排水的影響是多因素導(dǎo)致的綜合影響，不同地區(qū)各因素影響程度不同，從而ETc對(duì)排水的影響減弱，兩者之間的相關(guān)性也具有較大空間差異。

水稻生育期降雨量則直接決定了稻田排水量的多少，通常降雨量越大，田間水層深度超過(guò)雨后蓄水上限的可能性越大，大量的降雨需要被排出，因此降雨與排水之間呈極顯著的正線性相關(guān)。除YC-中外，所有站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)r均達(dá)到0.75 以上，DJY-中更是高達(dá)0.97。兩者的MIC值普遍較大，尤其在JH-中和DL-中超過(guò)了0.9，說(shuō)明降雨與排水之間具有緊密的負(fù)關(guān)聯(lián)性。對(duì)于灌溉與排水來(lái)說(shuō)，通常灌溉量越大，意味著降雨量少，較少的雨量不會(huì)超過(guò)稻田水層深度上限，能夠被水稻利用，從而排水量少，因此兩者呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。但由于水稻灌排的復(fù)雜與隨機(jī)性，兩者之間相關(guān)系數(shù)較小，僅JH-中、ZX-中、TS-中達(dá)到了-0.5 以上，MIC值也基本在0.3 左右，僅NC-早達(dá)到了0.64。降雨與排水之間具有明顯的線性關(guān)聯(lián)，對(duì)于濕潤(rùn)的南方稻區(qū)，充足的雨量將會(huì)給稻田造成巨大的排水負(fù)擔(dān)，隨著未來(lái)降雨事件的不斷變化，如何減輕稻田的排水壓力，避免水稻遭受洪澇災(zāi)害是必須考慮的問(wèn)題。

2.3 水量平衡各要素年際變化趨勢(shì)

表6 為水稻ETc、生育期降雨量、灌溉量及排水量的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果。由表可知，近60年來(lái)中國(guó)水稻的ETc主要呈下降趨勢(shì)，除ZJ-早、ZJ-晚、NC-早和GY-中以外，其余稻區(qū)的Um-k值均小于0，水稻的耗水在逐漸減小。長(zhǎng)江中下游稻區(qū)和華南稻區(qū)的降雨主要呈上升趨勢(shì)，而西南和北方稻區(qū)主要呈下降趨勢(shì)，僅YC-中略有上升。ETc和降雨的變化共同影響灌溉的變化趨勢(shì)，對(duì)于GL-早、NC-中、NC-晚、JH-中、ZX-中以及YC-中，ETc的下降和降雨的上升導(dǎo)致水稻灌溉量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，在這些水稻區(qū)未來(lái)水稻的灌溉需求可能會(huì)進(jìn)一步減??；而對(duì)于NC-早來(lái)說(shuō)，ETc的上升和降雨的下降導(dǎo)致灌溉量增加，未來(lái)灌溉需求可能會(huì)繼續(xù)增大。當(dāng)ETc和降雨同趨勢(shì)變化時(shí)，由于兩者變化程度不同，導(dǎo)致不同地區(qū)水稻灌溉變化具有差異，降雨減少對(duì)灌溉的正效應(yīng)超過(guò)ETc減少對(duì)灌溉量的負(fù)效應(yīng)時(shí)，水稻灌溉呈上升趨勢(shì)（GL-晚、DJY-中、DL-中、KF-中和TS-中）；ETc減少對(duì)灌溉的負(fù)效應(yīng)超過(guò)降雨減少對(duì)灌溉的正效應(yīng)時(shí)，灌溉呈下降趨勢(shì)（FJ-中）；而當(dāng)ETc增加對(duì)灌溉的正效應(yīng)超過(guò)降雨增加對(duì)灌溉的負(fù)效應(yīng)時(shí)，灌溉呈上升趨勢(shì)（ZJ-早），反之下降（ZJ-晚）。由于降雨與排水量呈明顯的正相關(guān)，兩者主要表現(xiàn)為同步變化。對(duì)于變化趨勢(shì)不一致的站點(diǎn)，一方面可能是由于作物耗水變化對(duì)灌溉影響程度較大，從而間接影響排水（ZJ-早、FJ-中）；另一方面可能是隨著極端降雨的頻繁出現(xiàn)，降雨分布特征對(duì)水稻灌溉的影響加劇，導(dǎo)致排水增加（NC-早、KF-中）。

表6 水量平衡各要素的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.6 The M-K trend test results of water balance elements

水稻灌溉是一個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，過(guò)去60年里水稻的ETc下降，意味著水稻的耗水減小，但由于降雨對(duì)灌溉的影響，水稻的灌溉需求變化在不同地區(qū)差異較大[30,31]。對(duì)于降雨較少的稻區(qū)，水稻生育期累計(jì)降雨量對(duì)灌溉需求的影響占主導(dǎo)因素，通常降雨越多水稻灌溉越少；而對(duì)于降雨豐富的稻區(qū)，水稻灌溉不僅取決于降雨量，還受到降雨天數(shù)、暴雨頻率和強(qiáng)度等降雨分布特征的影響，甚至降雨分布特征對(duì)灌溉的影響遠(yuǎn)超過(guò)降雨量。因此，在濕潤(rùn)稻區(qū)考慮制定提高降雨利用率的灌溉決策時(shí)，降雨分布特征不可忽視。

3 結(jié) 論

本文選取全國(guó)12 個(gè)典型水稻種植區(qū)，通過(guò)構(gòu)建田間水量平衡模型推求水稻常規(guī)灌溉制度，在此基礎(chǔ)上分析不同水稻類型的灌溉要素差異及其變化趨勢(shì)，同時(shí)分析了灌溉要素之間的聯(lián)系。主要結(jié)論如下：

（1）我國(guó)水稻ETc表現(xiàn)為中稻（556.39 mm） ＞ 稻（491.47 mm）＞早稻（393.54 mm）；灌溉需求表現(xiàn)為中稻（435.94 mm）＞晚稻（346.87 mm）＞早稻（147.52 mm）；降雨利用率表現(xiàn)為晚稻（69.60%） ＞中 稻（65.46%） ＞早稻（54.68%）。水稻ETc和生育期降雨是引起灌溉需求差異的主要原因，南方稻區(qū)的降雨主要集中在早稻生育期，充足的雨量會(huì)給稻田造成較高的排水負(fù)擔(dān)，未來(lái)應(yīng)注意水稻遭受洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）近60年來(lái)，全國(guó)稻區(qū)的ETc主要呈下降趨勢(shì)，意味著水稻耗水在逐步減少。長(zhǎng)江中下游和華南稻區(qū)的降雨主要呈上升趨勢(shì)，而西南和北方稻區(qū)主要呈下降趨勢(shì)。ETc和降雨的變化共同影響灌溉需求變化，華中、華南和東北稻區(qū)水稻灌溉量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，而西南和北方稻區(qū)灌溉量主要呈上升趨勢(shì)。降雨對(duì)灌溉的影響在不同地區(qū)差異較大，對(duì)于干旱稻區(qū)水稻生育期累計(jì)降雨量對(duì)灌溉需求的影響占主導(dǎo)因素，而對(duì)于濕潤(rùn)稻區(qū)主要由降雨分布特征主導(dǎo)灌溉變化。