气候变化和灌溉方式对稻田需水量的影响

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(长江科学院 农业水利研究所，武汉　430010)

1　研究背景

随着气候变化加剧，全球极端天气频发，导致水资源时空分布和农作物需水规律发生变化，农业水资源供需矛盾日益突出。水稻是我国重要的粮食作物，且耗水量大，因此探讨气候变化对水稻生产的影响，对保障粮食安全和农业水资源可持续利用具有重要的科学意义。国内外学者针对气候变化对水稻病虫害[1-3]、水稻产量和品质[4-6]、水稻生育期[7-8]的影响开展了大量研究工作。气候变化在影响水稻生长的同时，也导致水稻耗水过程的变化。近年来，气候变化对水稻需水量的研究受到了学者的广泛关注。有研究表明随着气候变暖，水稻需水量和灌溉需水量呈增加趋势[9-10]。同时也有研究表明由于气候变化増温不明显、降雨增加、日照时数减少和风速降低等原因，水稻需水量和灌溉需水量呈减少趋势[11-12]。以上研究对水稻需水量的变化趋势及其原因作了深入的分析，但针对不同灌溉模式条件下水稻需水量和灌溉需水量对气候变化的响应研究较少。虽然部分研究中提出了推广节水灌溉应对气候变化带来的不利影响，但研究还不够深入。

本文以江苏高邮灌区为研究区域，探讨了不同灌溉模式下稻田耗水量和灌溉需水对气候变化的响应，以期为灌区在未来气候变化下作物生产布局和农业水资源合理分配提供科学依据。

2　数据与方法

2.1　数　据

从中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了高邮站1955年1月1日至2013年12月31日逐日气象数据(其中1967年数据缺失)。高邮站WMO编号为58241，位于32.80°N、119.45°E，海拔高度为5.4 m，属于亚热带湿润气候。气象数据包括日最高最低气温、平均气温、大气压、空气相对湿度、风速、日照时数和降雨量。

2.2　水稻耗水量计算方法

2.2.1水稻需水量ETc计算

水稻需水量采用单作物系数FAO56 Penman-Monteith方法[13]计算，并考虑土壤水分修正系数[14]。水稻逐日需水量(ETc)计算公式为

ETc=kc·ks·ETo。

(1)

其中，

(2)

式中：ETc为水稻逐日需水量(mm)；ETo为逐日参考作物需水量(mm)；kc为作物系数，根据FAO推荐值和灌区实际情况，水稻生育初期、中期和末期分别取值1.05，1.63,1.03[9]；ks为土壤水分修正系数；θ为水稻根层土壤相对含水量(%)；θs为水稻根层土壤饱和含水量(%)；a，b和n为经验系数，按文献[14]取值。

其中,

(3)

式中：Rn为净辐射(MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)；T为平均气温(℃)；u2为2 m高度处的风速(m·s-1)；es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压-温度曲线上的斜率(kPa·℃-1)；γ为湿度计常数(kPa·℃-1)。

2.2.2稻田渗漏量计算

稻田渗漏是水稻耗水量的重要组成部分，受地形、土壤和水文条件影响。根据田间有水层和无水层2种情况，分别采用线性模型和非线性模型估算稻田渗漏量[15](式(4))。

(4)

式中：St为第t天的稻田渗漏量(mm)；ht为第t天田面水层深度(mm)；a1，b1为拟合参数；K0为饱和水力传导度，其取值为0.1～1.0 m/d；α为经验常数，一般为50～250；Tt为土壤含水率饱和状态达到第t天水平时所经历的时间(d)；Ht为第t天水稻主根层深度(m)。式中所有参数取值均参考文献[15]。

2.3　灌溉需水量与有效降雨量计算方法

2.3.1灌溉处理

本研究设节水灌溉和常规灌溉2种灌溉模式。节水灌溉稻田除返青期在田面保持5～25 mm薄水层返青活苗，其余各生育阶段均采用湿润灌溉，不形成水层，以根层土壤相对含水量作为控制指标，确定灌水时间和灌水定额。传统灌溉稻田除分蘖后期晒田和黄熟期自然落干外，其余阶段均建立2～6 cm水层。2种灌溉模式的灌水技术参数见表1。

表1　不同灌溉模式灌溉技术参数及稻田允许蓄雨深度Table 1　Technical parameters and maximum allowable rainwater retaining depth in paddy field underdifferent irrigation patterns

注：常规灌溉和允许蓄雨深度数字为水深(mm)；节水灌溉除返青期数字表示水深(mm)，其余生育期均为含水率，θs为计划湿润层深度饱和含水率，单位为%。常规灌溉方式分蘖后期需进行晒田，晒田期间不灌溉;2种灌溉模式稻田在黄熟期均不进行灌溉，田间不蓄水，自然落干

2.3.2灌溉需水量计算方法

稻田水层或土壤水分达到灌溉下限进行灌溉。因此，在不考虑输水损失情况下，灌溉需水量计算公式如下。

(1)当灌溉下限为水层深度，即hdt>0时，有

(5)

式中：It为第t天的灌溉需水量，此处为净灌溉需水量(mm)；Iut为第t天灌溉上限(mm)；θst为第t天根系层土壤饱和含水率(%)；θt为第t天根系层土壤含水率(%)；hdt为灌溉下限(mm)。

(2) 当灌溉下限为土壤含水率，即θdt时,有

(6)

式中θdt为第t天灌水土壤含水下限(%)。

2.3.3有效降雨量计算方法

灌区稻季降雨留在田间被水稻消耗部分即为有效降雨。灌区稻季有效降雨量根据稻田水量平衡计算。在不考虑灌溉产生径流的条件下，稻田水量平衡方程为

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为第t天降雨量(mm)；ETct为第t天稻田蒸发蒸腾量(mm)；Dt为第t天排水量(mm)；hut为第t天降雨后稻田允许蓄雨深度(mm)，见表1。

灌区稻季有效降雨量应该为降雨量与降雨排水量的差值，即有效降雨量计算公式为

Pet=Pt-Dt。

(9)

式中Pet为有效降雨量(mm)。在有效降雨量计算中忽略了降雨初损。

2.4　趋势检验方法

气候变化、水稻耗水量以及灌溉需水量总体变化趋势采用Mann-Kendall(简称MK)检验[16]分析。在MK检验中，原假设H0为时间序列数据(X1,X2,…,Xn)，是n个独立的、随机变量同分布的样本；备择假设H1是双边检验，对于所有i,j

(10)

其中：

(11)

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18 。

(12)

式中sign( )为符号函数。

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平α，若Z≥Z1-α/2，则原假设H0是不可能接受的，即在置信水平α上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。Z≥1.28，1.64，2.32时表示分别通过了置信度90%，95%，99%的显著性检验。

3　结果与分析

3.1　高邮灌区气候变化特点

气温是影响水稻需水量变化的主要因素，而降雨量的变化又是影响灌溉需水量的主要因素。因此，分析高邮灌区水稻生长期历史气温和降雨量，有利于灌区需水量和灌溉需水量变化原因分析。高邮灌区水稻全生育期积温变化规律如图1所示，水稻生育期积温呈正弦波动，且年际变幅较大，最低达到2 816.5 ℃，最高达到3 270.5 ℃。在时间序列上，水稻全生育期积温有明显的增加趋势，MK方法检验的统计量Z为3.25，达到极显著的水平。

图1　高邮灌区水稻全生育期积温变化Fig.1　Change trend of accumulated temperature inrice grow season at Gaoyou Irrigation District

图2　高邮灌区水稻全生育期降雨量变化Fig.2　Change trend of rainfall in rice growseason at Gaoyou Irrigation District

高邮灌区水稻全生育期降雨量变化规律如图2所示，降雨量变化与积温变化规律相似，年际波动较大，但在时间序列上呈减少的趋势，MK方法检验的统计量Z为-0.07，减少趋势不明显。总体而言，随着气候变化,高邮灌区水稻生育期气温显著增高，而降雨量呈微弱减少趋势。

3.2　稻田耗水量对气候变化的响应规律

水稻需水量主要受气象因子影响，气候变化直接导致水稻需水变化，但不同灌溉模式下稻田需水量对气候变化响应规律存在差异。高邮灌区不同灌溉模式下水稻需水量变化规律如图3(a)所示。2种灌溉模式下水稻需水量均随着时间序列呈正弦规律变化，年际差异较大，总体呈增加趋势。

节水灌溉和常规灌溉模式下水稻需水量变化采用MK方法检验统计量Z分别为0.23和0.6，需水量增加趋势不显著。图3(b)分析了不同灌溉模式下稻田渗漏量变化规律。在时间序列上，稻田渗漏量呈微弱增加趋势，节水灌溉和常规灌溉模式下MK方法检验统计参数Z分别为0.24和0.11。2种灌溉模式条件下稻田耗水量统计情况如表2所示，稻田需水量在1955—2004年间总体呈减少趋势，近10 a稻田需水量急剧增加。稻田渗漏量在年际间的变幅较小，说明气候变化对稻田渗漏量的影响较小。

图3　高邮灌区水稻全生育期的需水量变化和渗漏量变化Fig.3　Change trends of water demand and percolation inrice grow season at Gaoyou Irrigation District

节水灌溉稻田需水量和渗漏量均小于常规灌溉稻田，且节水灌溉稻田需水量随时间序列增加的幅度较常规灌溉小。节水灌溉稻田多年平均需水量和渗漏量为505.22，138.37 mm，分别较常规灌溉量628.50，237.74 mm减少18.6%和41.8%。节水灌溉稻田除返青期以外灌水后田面不建立水层，通过土壤水分调控有效抑制了水稻无效蒸发蒸腾，同时大幅减少了稻田渗漏量。节水灌溉稻田多年平均耗水量较常规灌溉稻田减少25.7%。

表2　高邮灌区不同灌溉模式下稻田耗水量变化Table 2　Changes in water consumption of paddy fieldunder different irrigation patterns at GaoyouIrrigation District　mm

3.3　稻田灌溉需水量对气候变化的响应规律

灌溉需水量是指降雨无法满足作物正常生长需水，需补充灌溉的水量。气候变化影响了作物需水规律以及水稻生育期降雨，从而导致灌区灌溉需水量发生变化。

高邮灌区水稻灌溉需水量变化规律如图4(a)所示，2种灌溉模式下灌溉需水量年际变化明显，节水灌溉稻田灌溉需水量呈缓慢减少的趋势，而常规灌溉稻田呈缓慢增加趋势。节水灌溉和常规灌溉模式水稻灌溉需水量MK检验统计量分别为-0.34和0.07。2种灌溉模式下有效降雨量变化规律较为一致,见图4(b)，年际间变化明显，但从时间序列看，有效降雨量基本稳定。节水灌溉稻田有效降雨量存在一定的增加趋势，而常规灌溉稻田呈减少趋势。水稻需水量不仅受气温影响，还受空气湿度、风速和日照时数影响。气候变化导致高邮灌区温度呈显上升趋势，促使灌区水稻需水量增加；罗玉峰等[9](2009)研究表明高邮灌区平均风速和日照时数呈显著下降趋势，又促使水稻需水量减小。因此，在高邮灌区气温明显上升趋势条件下，水稻需水量变化趋势不显著。

图4　高邮灌区水稻全生育期灌溉需水量和有效降雨量变化Fig.4　Change trends of irrigation water demand andeffective rainfall in rice grow season at GaoyouIrrigation District

表3统计了高邮灌区不同灌溉模式下稻田年平均灌溉需水量和有效降雨量。从表3可看出：年平均灌溉需水量和有效降雨量随时间序列变化较为稳定；节水灌溉模式下稻田灌溉需水量显著小于常规灌溉稻田；节水灌溉稻田年平均灌溉需水量为160.28 mm，较常规灌溉需水量414.15 mm，减少了61.3%；节水灌溉稻田灌水后稻田不建立水层，一方面减少了水稻奢侈耗水，另一方面增加了稻田调蓄能力，从而增加了降雨利用率；节水灌溉稻田年平均有效降雨量为448.20 mm，较常规灌溉降雨利用量增加8.2%。

表3　高邮灌区不同灌溉模式下稻田灌溉需水量与有效降雨量Table 3　Irrigation water demand and effectiverainfall of paddy field under different irrigationpatterns at Gaoyou Irrigation District　mm

4　结　论

基于稻田水循环要素计算和MK检验方法，分析了高邮灌区历史温度和降雨量变化规律以及不同灌溉模式下稻田耗水与灌溉需水量对气候变化的响应规律。分析结果表明:

(1)高邮灌区水稻全生育期积温随时间序列呈正弦波动，且年际变幅较大，总体呈显著增加趋势；灌区水稻全生育期降雨量呈减少趋势，但趋势不显著。

(2)不同灌溉模式下水稻需水量和渗漏量均随时间序列缓慢增长，但趋势不明显。节水灌溉模式能够有效地降低稻田耗水量，其中水稻年平均需水量和渗漏量分别较常规灌溉模式稻田减少18.6%和41.8%。

(3)不同灌溉模式下水稻灌溉需水量变化规律存在差异，节水灌溉稻田灌溉需水量随时间序列缓慢减小，而常规灌溉稻田呈增加趋势，但趋势均不显著。节水灌溉模式能够有效地降低稻田灌溉需水量增加雨水利用量。节水灌溉稻田灌溉需水量较常规灌溉减少61.3%，雨水利用量提高了8.2%。

(4)针对未来气候变化导致灌区作物需水量增加的问题，在灌区应该大力推进节水灌溉技术，减少作物耗水量，增加降雨利用率以应对气候变化影响。

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