朱士江，李凱凱，徐 文*, 丁學(xué)軍，張國紅，朱 瑾，貴樹彪，張禮杰

氣候變化對(duì)三湖連江灌區(qū)水稻生育期和灌溉需水量變化的影響

朱士江1,2，李凱凱1，徐 文1*, 丁學(xué)軍3，張國紅3，朱 瑾1，貴樹彪1，張禮杰1

(1. 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，宜昌 443002；2. 水工程智慧建造與管理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，宜昌 443002；3. 嘉魚縣水利和湖泊局，嘉魚 421221)

為研究氣候變化對(duì)三湖連江灌區(qū)水稻生育期和灌溉需水量變化的影響，利用FAO Penman-Monteith公式計(jì)算了嘉魚縣三湖連江水庫灌區(qū)1982—2021年的水稻灌溉需水量，并通過MK檢驗(yàn)和時(shí)間序列分解。結(jié)果表明：在過去40年里，氣溫呈極顯著上升趨勢(shì)，而相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)明顯下降；水稻生育期平均縮短14.75 d；水稻生育期內(nèi)c上升，占全年的37.6%；多年平均有效降雨量下降，灌溉需水量增大，灌溉需求指數(shù)為0.42。水稻生育期縮短和灌溉需水量的增大是由氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照等共同作用的結(jié)果，有效降水量和灌溉需水量呈相反增長趨勢(shì)。

水稻生育期；參照作物騰發(fā)量；灌溉需水量；趨勢(shì)分析；有效降水量

開展氣候變化對(duì)糧食作物的生長發(fā)育以及灌溉需水量的研究，有助于深入分析糧食作物的需水量變化規(guī)律，從而制定合理的灌溉計(jì)劃和灌溉制度，優(yōu)化區(qū)域的水資源分配[1-3]。目前，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的60%以上，在農(nóng)業(yè)灌溉過程中水的有效利用率僅為30%～40%[4-6]，水稻是耗水量最多的糧食作物之一，約占糧食作物總耗水量的52%，占農(nóng)作物總耗水量的86%，是最主要的用水型作物[1,7]。水稻的生長發(fā)育需要適宜的高溫天氣、干燥的氣象環(huán)境、充足的光照條件等，而全球氣溫上升，導(dǎo)致灌溉需水量增加以及水稻生育期縮短等一系列問題，增大了不同生育期內(nèi)灌溉制度的制定難度[8-9]。開展生育期內(nèi)水稻灌溉需水規(guī)律研究，能夠有效應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)水稻生長發(fā)育帶來的不利影響[10]。

氣候變化導(dǎo)致灌區(qū)作物物候期的變化，進(jìn)而影響了灌溉需水，蔣飛卿等[11]分析了寧蒙引黃灌區(qū)近60年的氣溫變化特征和灌區(qū)灌溉需水量和灌溉時(shí)間對(duì)自然和社會(huì)環(huán)境變化的響應(yīng)，得出灌溉需水量與種植結(jié)構(gòu)和氣候變化成正比例關(guān)系。Houma 等[12]利用FAO-Aquacrop模型預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)馬來西亞灌溉水稻水分生產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明與WP相關(guān)的各種農(nóng)藝管理選擇是應(yīng)對(duì)氣候變化影響風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。高雪[13]以湖北省水稻種植戶為例，采用面板Tobit模型，實(shí)證分析氣候變化、農(nóng)戶適應(yīng)性對(duì)水稻灌溉效率的影響，線性回歸結(jié)果顯示，持續(xù)干燥指數(shù)的增加明顯降低了水稻灌溉效率。熊玉江等[14]基于高郵灌區(qū)1955—2013年的氣象資料，利用稻田水量平衡和MK檢驗(yàn)方法，分析了不同灌溉模式下稻田耗水與灌溉需水量的變化，并提出節(jié)水灌溉能夠有效緩解氣候變化給水稻種植帶來的不利影響。王衛(wèi)光等[15]以長江中下游單季中稻為例，結(jié)合45個(gè)氣象站1961—2010年逐日氣象資料，基于統(tǒng)計(jì)降尺度模型（SDSM），生成HadCM3氣候模式A2和B2兩種情景下各站點(diǎn)參考作物騰發(fā)量和降水?dāng)?shù)據(jù)，并指出太湖流域、漢江流域東部和洞庭湖流域北部的水稻灌溉需水量呈減少趨勢(shì)。

越來越多的學(xué)者參與到氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)作物用水影響的研究，對(duì)水稻需水規(guī)律的研究也逐漸深入，但是針對(duì)不同地區(qū)的氣候條件，這些規(guī)律不能完全適用[16-18]。本研究選取咸寧市嘉魚縣三湖連江水庫灌區(qū)試驗(yàn)站1982—2021年的水稻生育期觀測(cè)以及氣象數(shù)據(jù)，分析了不同氣候條件對(duì)三湖連江水庫灌區(qū)水稻生育期長度以及灌溉需水量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

試驗(yàn)站位于三湖連江水庫的西灌區(qū)，距魚岳鎮(zhèn)2 km，地理位置位于113°55′E， 29°59′N，海拔高程23.2 m，土壤質(zhì)地為青泥土缺磷。嘉魚縣屬亞熱帶濕潤型季風(fēng)氣候，全縣年平均氣溫17.0 ℃。試驗(yàn)站站點(diǎn)位于嘉魚縣魚岳鎮(zhèn)南門湖村，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域氣象站位置示意圖

Figure 1 Location map of weather stations in the study area

表1 ET0及氣象數(shù)據(jù)值

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所采用氣象資料來自嘉魚試驗(yàn)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取1982—2021年逐日的氣象資料，包括降水量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均水汽壓、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和距離地面2 m處平均風(fēng)速等，具體如表1。采用Microsoft Office Excel 2019對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的整理分類并進(jìn)行初步分析；采用Origin 2018和ArcMap10.6軟件繪圖；采用IBM SPSS Statistics 25和MATLAB R2018b進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 水稻需水量

水稻的需水量采用FAO Penman-Monteith 公式[19]計(jì)算，計(jì)算公式如下：

ET=K·ET（1）

式（1）中，ET為作物日需水量，mm·d-1；ET為參考作物騰發(fā)量，mm·d-1；K為作物系數(shù)，結(jié)合灌區(qū)水稻生育期為7 月上旬至 9 月下旬的具體情況，以及糧農(nóng)組織給出的典型值，確定研究區(qū)水稻生育期作物系數(shù)多年平均值K、K和K分別為1.05、1.20和0.9[20-21]，不同生育期的作物系數(shù)K值可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、灌溉和作物等?shí)際條件進(jìn)行修正，作物系數(shù)修正公式如下：

式（2）中，K(推薦)為FAO給出的不同生育階段標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)；2為作物生育期內(nèi)2 m高處的平均風(fēng)速，m·s-1，1 m·s-1≤u2≤6 m·s-1；min為作物生長階段最小相對(duì)濕度，%，20%≤min≤80%，為生育階段內(nèi)作物的平均高度，m，0.1 m＜＜10 m。

參照作物騰發(fā)量0[22-23]計(jì)算公式如下：

1.4 灌溉需水量

作物正常生長所需灌溉的水量用表示，以月為時(shí)間單位計(jì)算水稻的灌溉需水量，計(jì)算公式[24-25]如下：

式（4）中，P為月均有效降雨量，采用美國農(nóng)業(yè)部水土保持司推薦的方法根據(jù)月平均降雨量計(jì)算，計(jì)算公式[10,26]如下：

1.5 Mann-Kendall 檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall（MK）檢驗(yàn)[27-29]對(duì)逐年水稻需水量、灌溉需水量及相關(guān)的0、降雨量等影響因素進(jìn)行趨勢(shì)性分析，可以直觀的各參數(shù)時(shí)序數(shù)據(jù)的大致趨勢(shì)。Mann-Kendall（MK）趨勢(shì)分析是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，用來檢驗(yàn)基于時(shí)間序列增加和減少趨勢(shì)，無須對(duì)數(shù)據(jù)系列進(jìn)行特定的分布檢 驗(yàn)[30-31]；假設(shè)0表示該時(shí)間序列中的數(shù)據(jù)是獨(dú)立的隨機(jī)變量分布的樣本，構(gòu)建時(shí)間序列(1,2,…,x)，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量、的方差計(jì)算如下：

式中()為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)(x-x)小于、等于或者大于0時(shí)，(x-x)分別為-1、1或0；()為數(shù)據(jù)不唯一的方差計(jì)算，其中為重復(fù)數(shù)數(shù)量，是唯一數(shù)數(shù)量，t是每個(gè)重復(fù)數(shù)的重復(fù)次數(shù)。

計(jì)算MK的值，計(jì)算公式如下：

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，對(duì)于給定的置信水平，若||≥1-a/2，拒絕原假設(shè)，即在置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)具有顯著性上升或下降趨勢(shì)。為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。當(dāng)1.64＜||＜2.32時(shí),表明序列在95%的置信水平上具有顯著的變化趨勢(shì)；當(dāng)||＞2.32時(shí)表明序列在99%的置信水平上具有顯著的變化趨勢(shì)[32-34]。

1.6 時(shí)間序列季節(jié)性分解

存在季節(jié)性因素的時(shí)間序列數(shù)據(jù)（如月度數(shù)據(jù)、季度數(shù)據(jù)等）可以被分解為趨勢(shì)因子、季節(jié)性因子和隨機(jī)因子。趨勢(shì)因子（trend component）能捕捉到長期變化；季節(jié)性因子（seasonal component）能捕捉到一年內(nèi)的周期性變化；而隨機(jī)（誤差）因子（irregular/error component）則能捕捉到那些不能被趨勢(shì)或季節(jié)效應(yīng)解釋的變化。采用相乘模型如下：

將時(shí)序分解為趨勢(shì)項(xiàng)、季節(jié)項(xiàng)和隨機(jī)項(xiàng)的常用方法是用LOESS光滑做季節(jié)性分解，通過“R”中的()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化對(duì)水稻生長的影響

水稻的生長發(fā)育受水質(zhì)、土壤、肥力、氣象等因素影響，其中氣象因素是影響水稻生長發(fā)育的最為重要因子之一。選取三湖連江灌區(qū)試驗(yàn)站1982—2021年的灌溉試驗(yàn)整編資料，分析了區(qū)域內(nèi)40年中稻的生育期長度變化趨勢(shì)（圖2）。將生育期劃分為返青期、分蘗前期、分蘗后期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期7個(gè)階段，選取1984—1987年與2018—2021年的水稻生育期長度（表2）。統(tǒng)計(jì)分析水稻的生育期和氣象因素并做MK顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)，值及顯著性如表3所示。

圖2 水稻生育期長度變化

Figure 2 Changes in the length of rice growth period

水稻生育期長度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且下降坡度較大，趨勢(shì)明顯；從選取的典型年來看，水稻生育期長度從1984—1987年的年平均值97.25 d縮短至2018—2021年的年平均值82.5 d，總共縮短了14.75 d，其中黃熟期長度縮短最為明顯，從年平均18.25 d下降至年平均值6 d；MK檢驗(yàn)結(jié)果顯示，水稻生育期長度呈現(xiàn)出極顯著下降趨勢(shì)，而氣溫呈現(xiàn)極顯著上升的趨勢(shì)，這也是生育期長度下降的主要原因之一，水稻在積溫較高的區(qū)域，生育期相對(duì)較短，相應(yīng)的成熟期也會(huì)縮短，本研究中水稻生育期一般在7—9月，年均溫度最高；日照時(shí)數(shù)呈極顯著的下降趨勢(shì)，一般來說，日照縮短，溫度升高，相應(yīng)的水稻生育期也會(huì)縮短[35-36]。

2.2 氣候變化對(duì)ET0的影響

采用FAO的Penman-Monteith公式，計(jì)算三湖連江水庫灌區(qū)40年的逐日參照作物騰發(fā)量以及水稻生育期內(nèi)的逐日參照作物騰發(fā)量，從而得到三湖連江水庫灌區(qū)的40年的年均參照作物騰發(fā)量以及水稻生育期內(nèi)的參照作物騰發(fā)量走勢(shì)情況，如圖3所示。研究表明：三湖連江水庫灌區(qū)多年（1982—2021）平均年參照作物騰發(fā)量為1 095 mm，平均每日蒸散量為3.007 mm·d-1；水稻生育期內(nèi)多年平均參照作物騰發(fā)量為399.95 mm，占年平均參照作物騰發(fā)量的36.5%，40年生育期平均長度為93.97 d，因此，生育期內(nèi)平均每日蒸散量為4.25 mm·d-1。灌區(qū)內(nèi)多年平均參照作物騰發(fā)量為下降趨勢(shì)，受區(qū)域內(nèi)氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)等氣象因素共同作用導(dǎo)致，已知灌區(qū)內(nèi)平均溫度呈顯著增長趨勢(shì)，而平均風(fēng)速和平均日照時(shí)數(shù)的下降可能是是影響多年平均參照作物騰發(fā)量下降的主要因素，如圖4所示，平均風(fēng)速和平均日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。分析時(shí)間序列的顯著趨勢(shì)，可以對(duì)序列的發(fā)展做出合理的預(yù)測(cè)。對(duì)參照作物騰發(fā)量0做月均值時(shí)間序列季節(jié)性分解，如圖5所示，季節(jié)性明顯，說明三湖連江灌區(qū)并沒有因?yàn)槿驓鉁氐纳仙绊懙郊竟?jié)的更替，從而影響對(duì)于0變化趨勢(shì)的分析；從趨勢(shì)線可以看出2000年以前0呈上升的趨勢(shì)，2000—2015年呈下降的趨勢(shì)，2015年以后又開始緩慢上升。在氣象因素的影響下，0發(fā)展趨勢(shì)并不穩(wěn)定，但總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且可以通過時(shí)間序列季節(jié)分解得到近幾年0的趨勢(shì)走向。

2.3 氣候變化對(duì)水稻需水量和灌溉需水量的影響

水稻需水量ET與ET呈線性關(guān)系，同樣也受到氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照等因素的影響，ET的變化趨勢(shì)也與ET一致，如圖6（a）和6（b）。生育期內(nèi)水稻需水量與ET整體都呈緩慢增長趨勢(shì)，1982—1997年全年增減交替，且發(fā)生多次突變，1997年以后呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，多年ET的下降與生育期內(nèi)水稻需水量的增長相矛盾，主要原因是選擇生育期在7月至10月之間，灌區(qū)內(nèi)全年氣溫最高的幾個(gè)月份。因此，盡管因?yàn)闇囟壬撸L(fēng)速和日照下降使得ET整體呈下降趨勢(shì)，但是在生育期內(nèi)仍然展現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。多年平均ET為1 157 mm，生育期內(nèi)ET為436 mm，占全年的37.6%。生育期內(nèi)ET的值為0.29，有增長趨勢(shì)，但是不顯著增長。

1982—2021年生育期內(nèi)的灌溉需水量如圖6（c）所示。由圖6（c）可以看出，三湖連江全年的灌溉需水量統(tǒng)計(jì)量同水稻需水量一致，1982—1997年全年增減交替，且發(fā)生多次突變，1997年以后呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。但生育期內(nèi)的灌溉需水量整體

表2 典型年各生育期劃分和長度

表3 氣象因素MK趨勢(shì)檢驗(yàn)

圖3 水稻生育期內(nèi)ET0變化趨勢(shì)

Figure 3 Variation trend of0during rice growth period

圖4 多年平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)

Figure 4 Trends of average wind speed and sunshine hours for many years

3 討論

通過對(duì)湖北省咸寧市嘉魚縣三湖連江水庫灌區(qū)1982—2021年的氣象數(shù)據(jù)以及水稻生育期內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)以及降雨量進(jìn)行分析，得出最高溫度、最低溫度、平均溫度都是極顯著上升的趨勢(shì)，但是即便溫度上升，全年的參照作物騰發(fā)量0依然呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，而生育期內(nèi)的參照作物騰發(fā)量0卻呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢(shì)，說明灌區(qū)內(nèi)氣溫的上升并不是影響0變化的主要因素，相對(duì)濕度、平均風(fēng)速以及日照時(shí)數(shù)的下降等多重因素的組合導(dǎo)致灌區(qū)內(nèi)的水稻生育期的縮短及灌溉需水量的增加[37]。采用Mann-Kendall模型，通過值的變化，定量分析了灌區(qū)水稻生育期內(nèi)灌溉需水量的變化趨勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)作物需水量趨勢(shì)分析，對(duì)了解和預(yù)測(cè)灌區(qū)內(nèi)的灌溉水量趨勢(shì)具有指導(dǎo)意義[38]。

圖5 ET0月均值時(shí)間序列季節(jié)性分解

Figure 5 Seasonal decomposition of0monthly mean time series

圖6 水稻生育期內(nèi)多年ET0、ETc、灌溉需水量以及降雨量變化

Figure 6 Multi-year0,c, irrigation water demand and rainfall changes during the rice growth period

灌區(qū)內(nèi)多年水稻生育期灌溉需求指數(shù)為0.42，與劉鈺等[39]研究結(jié)果中的中國東北區(qū)、長江中下游區(qū)、華南區(qū)、川渝區(qū)和云貴區(qū)平均灌溉需求指數(shù)小于0.5的結(jié)論一致。氣溫升高而導(dǎo)致水稻生育期的縮短，可能會(huì)部分抵消氣溫升高帶來的灌溉蓄水量的升高趨勢(shì)[40]。生育期內(nèi)多年平均有效降雨量的減少，也是灌溉需水量增加的重要因素，灌溉需水量的影響因素除了氣象因素之外，還與灌區(qū)內(nèi)的CO2濃度、土壤質(zhì)地、灌溉方式、降雨頻率、種植規(guī)模等因子相關(guān)[41]。在水資源嚴(yán)重緊缺的當(dāng)下，努力尋求影響灌溉需水量的更多因素，探索先進(jìn)的節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉模式，對(duì)節(jié)約農(nóng)業(yè)用水資源具有重大的意義。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

1982—2021年，通過MK顯著性檢驗(yàn)得到平均溫度值為7.98，為極顯著上升趨勢(shì)，水稻生育期內(nèi)積溫身高，水稻生育期縮短14.75 d，且黃熟期年平均減少了6 d；

三湖連江水庫灌區(qū)多年平均年參照作物騰發(fā)量為1 095 mm，平均每日蒸散量為3.007 mm·d-1；水稻生育期內(nèi)多年平均參照作物騰發(fā)量為399.95 mm，占年平均參照作物騰發(fā)量的36.5%。多年平均0為下降趨勢(shì)，而水稻生育期內(nèi)0呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢(shì)，0變化趨勢(shì)是由氣溫的升高以及相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)下降共同作用的結(jié)果；

生育期內(nèi)水稻需水量的值為0.29，呈不顯著增長趨勢(shì)，生育期內(nèi)需水量為436 mm，占全年的37.6%；生育期內(nèi)年有效降雨量呈下降趨勢(shì)，灌溉需水量多年平均值為187 mm，多年平均灌溉需求指數(shù)為42%，受有效降水影響，水稻對(duì)灌溉的依賴性較高。

4.2 展望

除氣象因子外，下一階段將在三湖連江灌區(qū)精細(xì)化大田實(shí)驗(yàn)，同步分析土壤類型、灌溉制度等對(duì)水稻需水量和灌溉需水量的影響，通過建立水分作物生長模型（AquaCrop-Rice模型），設(shè)置不同梯度的灌水量和施氮處理大田試驗(yàn)，進(jìn)行冠層覆蓋度、生物量、產(chǎn)量及田間精細(xì)化管理，模擬不同降水年型對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響，得出三湖連江灌區(qū)水稻需水變化規(guī)律，以制定科學(xué)的灌溉計(jì)劃。

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Effects of climate change on rice growth period and variation of irrigation water requirement in Sanhu Lianjiang irrigation district

ZHU Shijiang1,2, LI Kaikai1, XU Wen1, DING Xuejun3, ZHANG Guohong3, ZHU Jin1, GUI Shubiao1, ZHANG Lijie1

(1. Engineering Research Center of the Three Gorges Reservoir Area Ecological Environment Ministry of Education, Yichang 443002; 2. Hubei Provincial Key Laboratory of Smart Construction and Management of Water Engineering, Yichang 443002; 3. Jiayu County Water Conservancy and Lake Bureau, Jiayu 421221)

To study the effects of climate change on rice fertility and irrigation water demand in the Sanhu Lianjiang irrigation district, the FAO Penman-Monteith formula was used to calculate the rice irrigation water demand in the Sanhu Lianjiang reservoir irrigation district of Jiayu county from 1982 to 2021, and MK tests and time series decomposition were done. The results showed that: in the past 40 years, the temperature had increased significantly, while the relative humidity, average wind speed and sunshine hours had decreased significantly; the rice growth period had shortened by 14.75 d on average; thecof the rice growth period had increased, accounting for 37.6% of the whole year; the average effective rainfall for many years decreased, the irrigation water demand increased, and the irrigation demand index was 0.42. The shortening of rice growth period and the increase of irrigation water demand are the result of the combined effect of temperature, wind speed, relative humidity, sunshine, etc.. The effective rainfall and irrigation water demand show an opposite increasing trend.

rice growth period; reference crop evapotranspiration; irrigation water requirement; trend analysis; effective precipitation

S511.071

A

1672-352X (2023)02-0191-08

2022-04-21

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（52000120）和湖北省水利重點(diǎn)科研項(xiàng)目(HBSLKY202124)共同資助。

朱士江，博士，副教授。E-mail：46212465@qq.com

通信作者:徐 文，博士，講師。E-mail：xuwen@ctgu.edu.cn

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230511.016

2023-05-12 10:19:29

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20230511.1336.032.html