贵州水稻有效降水量和需水量特征分析

张 波，谷晓平，古书鸿，胡家敏

(1.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002； 2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002)

水资源是限制农业发展的重要因素之一，是农业生产最重要的资源支撑和保证。研究表明，气候变化背景下，水稻、玉米和小麦等作物的需水量和水分盈亏量都发生了显著变化，且区域性差异显著。水稻是贵州省主要的粮食作物，其生长季内水资源的变化势必影响水稻生育期长度与产量，因此研究贵州地区水稻有效降水量和灌溉需水量等水资源指标的变化特征具有现实意义[1-3]。

目前，关于有效降水量和需水量的研究已有不少报道：曹永强等[3]针对河北省典型区主要作物有效降水量和需水量特征进行分析；胡惠杰等[4]基于SIMETAW模型计算东北农作区大豆生育期作物需水量；庞艳梅等[5]、环海军等[6]、陈超等[7]、何俊欧等[8]、白芳芳等[9]、谢娟等[10]、李勇等[11]、罗玉峰等[12]分别以不同地区的水稻、小麦等粮食作物为研究对象，分析了其各自生育期内有效降水量和需水量的变化规律；符娜等[13]分析了西南地区水稻灌溉需水量变化规律，但其研究中选取的贵州地区气象站点数据较少，不能很好地反映贵州实际情况。

贵州省处于云贵高原东斜坡，是全国唯一没有平原支撑的山区省份。贵州雨热同季，夜间降雨多，昼夜温差大，不仅能满足水稻喜温喜湿的双重需要，还有利于减少夜间的呼吸消耗，除西部威宁等地不适宜种植水稻外，全省其他区域均有水稻种植，但因地形复杂，容易受灾害影响，部分区域水稻产量不高[14]。本研究基于贵州地区80个气象站点1961—2015年的逐日气象资料，采用美国农业部(USDA)土壤保持局推荐的有效降水量和联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的参考作物蒸散量分别计算了研究区域内水稻的有效降水量和需水量，并分析了水稻不同生育阶段缺水量和水分盈亏指数的变化特征，以期为贵州地区水稻科学灌溉提供理论和实践参考，也为合理利用水资源、实现区域农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

贵州省现有85个地面气象观测站，由于各站建站时间不一致，为了保证资料的完整性，剔除数据缺测较多的站点，选用贵州省1961—2015年80个气象观测站的逐日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数等气象观测资料，气象数据来源于贵州省气象信息中心。研究区域及气象观测站的分布如图1所示。

将水稻全生育期(4月上旬—9月下旬)分成播种—移栽(4月上旬—5月中旬)、移栽—抽穗(5月下旬—7月下旬)、抽穗—灌浆(8月上旬—9月上旬)和灌浆—成熟(9月中旬—9月下旬)4个生育阶段，各生育期及全生育期的需水系数(KC)分别为1.066、1.216、1.298、1.344和1.213。

1.2 有效降水量

有效降水量是指用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分降水量。本研究中有效降水量采用USDA土壤保持局推荐的方法[15-16]，公式如下：

图1 研究区域及站点分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

(1)

式(1)中：Pe为有效降水量(mm·d-1)，P为日降水量(mm·d-1)。

1.3 作物需水量

水稻生育期需水量(TC，mm·d-1)由作物需水系数[13]与参考作物蒸散量乘积而得，其中，参考作物蒸散量依FAO推荐的Penman-Monteith模型[17-18]计算。

1.4 缺水量

水稻缺水量(W)系水稻生育期内总作物需水量与总有效降水量之差[19-20]。

1.5 水分盈亏指数

水分盈亏指数(I)可以较好地表征农田湿润程度和作物旱涝状况，其计算公式如下：

(2)

若I为正值，则表示作物需水量大于有效降水量，说明有效降水量不能满足作物需水需求，若I为0或负值，则说明有效降水能够满足作物需水需求。I值越高表明对灌溉的依赖程度越大，反之越小。

1.6 气候倾向率

气候倾向率[20]一般以历年气候要素变化过程的拟合直线的斜率的10倍表示，表征多年气象数据序列变化倾向度。在统计上，用yi表示样本量为n的某一气候变量，用xi表示yi所对应的时间，建立yi与xi之间的一元线性回归方程：

yi=axi+b，(i=1，2，…，n)。

(3)

式(3)中：a为回归系数，b为回归常数。a和b可以用最小二乘法进行估计，以a的10倍作为气候要素倾向率。

1.7 空间插值

利用 ArcGIS 10.2软件中的反距离权重插值方法(IDW)[21]对各研究要素进行插值。

2 结果与分析

2.1 水稻生育期有效降水变化特征

1961—2015年贵州地区水稻生育期有效降水量分布特征如图2所示，水稻全生育期年均有效降水量为280～394 mm，多年平均值为324 mm，空间分布上自西向东、由南向北呈递减趋势，高值区域分布在六盘水市南部、黔西南州西部和北部，以及安顺市西部边缘区域，低值区域主要分布在毕节市北部、遵义市西北部和黔东南州局地区域。贵州省大部分地区水稻全生育期有效降水量气候倾向率为-13.7～18.3 mm·10 a-1(图3)，多年平均值为-6.6 mm·10 a-1，除东部局部地区呈递增趋势外，其他地区均呈递减趋势，其中有38.7%的站点通过显著性检验(P<0.05)。

水稻播种—移栽期的年均有效降水量为51～101 mm，多年平均值为82 mm，空间分布差异显著，自东南向西北呈递减趋势，高值区域主要分布在黔东南州和铜仁市大部分区域。移栽—抽穗期的有效降水量为125～200 mm，多年平均值为151 mm，空间分布上自西南向东北呈递减趋势。抽穗—灌浆期有效降水量为48～94 mm，多年平均值为64 mm，空间分布与移栽—抽穗期基本一致，但低值区域向东南方向发生偏移。灌浆—成熟期的有效降水量为18～40 mm，多年平均值为27 mm，空间分布上高值区域向北偏移，低值区域向南偏移。从水稻不同生育阶段有效降水量可以看出，移栽—抽穗期有效降水量最大，播种—移栽期次之，灌浆—成熟期最小。

播种—移栽期的气候倾向率为-6.3～-0.7 mm·10 a-1，多年平均值为-3.3 mm·10 a-1，呈递减趋势，其中，有55%的站点通过显著性检验(P<0.05)。移栽—抽穗期有效降水量气候倾向率为-3.4～8.0 mm·10 a-1，多年平均值为0.4 mm·10 a-1，除了中部和东部部分区域呈递增趋势外，其他区域均呈递减趋势，但均未通过显著性检验。抽穗—灌浆期有效降水量气候倾向率为-6.9～0.4 mm·10 a-1，多年平均值为-2.2 mm·10 a-1，整体呈递减趋势，其中有8.7%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递减趋势。灌浆—成熟期有效降水量气候倾向率为-4.3～0.9 mm·10 a-1，平均值为-1.7 mm·10 a-1，有效降水在东南大部区域呈递增趋势，但未通过显著性检验，在西北部和北部大部区域呈递减趋势，其中有38.7%的站点通过显著性检验(P<0.05)。

a，全生育期；b，播种—移栽期；c，移栽—抽穗期；d，抽穗—灌浆期；e，灌浆—成熟期。下同。a， Whole growht season; b， Seeding-transplanting; c， Transplanting-heading; d， Heading-filling; e， Filling-mature. The same as below.图2 水稻生育期有效降水量分布特征Fig.2 Distribution characteristics of effective precipitation

▲，P<0.01；+，P<0.05。下同。▲， P<0.01;+， P<0.05. The same as below.图3 水稻生育期有效降水量变化趋势分布特征Fig.3 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

2.2 水稻生育期需水量变化特征

1961—2015年贵州水稻生育期需水量变化特征如图4所示，水稻全生育期年均需水量为683～808 mm，多年平均值为737 mm。空间分布上，高值区域分布在黔西南州大部、遵义市和铜仁市局地、黔东南州南部边缘等地区，低值区域主要分布在毕节市和贵阳市局部地区。贵州省大部分地区水稻需水量气候倾向率为-23.7～29.6 mm·10 a-1(图5)，多年平均值为-4.02 mm·10 a-1。在空间分布上，西南部和东部部分地区的需水量呈递增趋势，其余地区呈递减趋势，全省有35%的站点通过显著性检验(P<0.05)，其中有31.3%的站点呈显著递减趋势，3.7%的站点呈显著递增趋势。

水稻播种—移栽期的年均需水量为137～214 mm，多年平均值为160 mm，在空间分布上呈现出自西南向东北递减的趋势，高值区域分布在黔西南边缘等地，低值区域分布在东部大部。移栽—抽穗期的年均需水量为277～343 mm，多年平均值为310 mm，在空间分布上呈现出由东部向西递减的变化趋势。抽穗—灌浆期的年均需水量为165～222 mm，多年平均值为193 mm，需水量明显低于移栽—抽穗期，但空间分布基本一致。灌浆—成熟期的年均需水量为63～83 mm，多年平均值为73 mm，空间分布上自南部向北部呈递减变化趋势。对比水稻不同生育期的需水量可以看出，移栽—抽穗期最大，灌浆—成熟期最小。

水稻播种—移栽期需水量气候倾向率为-4.3～4.2 mm·10 a-1，多年平均值为0.15 mm·10 a-1，空间分布上，除东部部分区域及安顺市等地呈递增趋势外，其他区域均呈递减趋势。移栽—抽穗期需水量气候倾向率为-13.6～5.9 mm·10 a-1，多年平均值为-4.2 mm·10 a-1，空间分布上，除黔西南州南部局地等地呈递增趋势外，其他地区均呈递减趋势，其中50%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递减趋势。抽穗—灌浆期需水量气候倾向率为-7.9～3.4 mm·10 a-1，多年平均值为-1.3 mm·10 a-1，空间分布上，除安顺市大部及黔西南州南部等地呈递增趋势外，其余大部均呈递减趋势，其中有8.7%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递减趋势。灌浆—成熟期气候倾向率为-1.0～2.5 mm·10 a-1，多年平均值为0.7 mm·10 a-1，空间分布上呈现出自北向南递减的趋势，有8.7%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递增趋势。

2.3 水稻生育期缺水量变化特征

1961—2015年贵州水稻生育期缺水量空间分布如图6所示：水稻全生育期年均缺水量为317～509 mm，多年平均值为413 mm，空间分布上自东向西呈递减趋势。贵州水稻缺水量气候倾向率为-18.5～18.3 mm·10 a-1(图7)，多年平均值为2.6 mm·10 a-1，整体呈递增趋势，在空间分布上自西向东呈递减趋势，有7.5%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递增趋势。

水稻播种—移栽期的年均缺水量为37～154 mm，多年平均值为77 mm，空间分布呈自西向东递减的变化趋势。移栽—抽穗期的年均缺水量为91～214 mm，多年平均值为159 mm，空间分布上自东北向西南呈递减趋势。抽穗—灌浆期的年均缺水量为84～164 mm，多年平均值为128 mm，空间分布上自东向西呈递减趋势。灌浆—成熟期的年均缺水量为27～64 mm，多年平均值为46 mm，空间分布上自东南向西北呈递减趋势，高值区域分布在黔南州南部和黔东南州西部等地。对比水稻不同生育期的缺水量可以看出，水稻移栽—抽穗期缺水量最大，灌浆—成熟期缺水量最小。

图4 水稻不同生育期需水量分布特征Fig.4 Distribution characteristics of water requirement

图5 水稻生育期需水量变化趋势分布特征Fig.5 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

水稻播种—移栽期缺水量气候倾向率为-1.7～7.5 mm·10 a-1，多年平均值为3.4 mm·10 a-1，高值区域分布在东部边缘及安顺市北部等地区，其中有21.3%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递增趋势。移栽—抽穗期的缺水量气候倾向率为-14.4～6.8 mm·10 a-1，多年平均值为-4.6 mm·10 a-1，整体呈递减趋势，其中有11.3%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递减趋势。抽穗—灌浆期缺水量气候倾向率为-7.3～6.8 mm·10 a-1，多年平均值为0.9 mm·10 a-1，空间上呈现西南高、东北部低的变化趋势。灌浆—成熟期的缺水量气候倾向率为-1.8～6.4 mm·10 a-1，多年平均值为2.4 mm·10 a-1，空间分布上北部大多呈递增趋势，递减区域主要分布在东南部分区域，有33.7%的站点通过显著性检验(P<0.05)，呈显著递增趋势。

图6 水稻生育期缺水量分布特征Fig.6 Distribution characteristics of water deficit

图7 水稻不同生育期缺水量变化趋势分布特征Fig.7 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

2.4 水分盈亏指数变化特征

从表1可以看出：水稻不同生育期对灌溉需求差异不明显(0.46～0.65)，全生育期水分盈亏指数为0.56，表明贵州水稻对灌溉依赖程度较高，其中，播种—移栽期对灌溉的依赖程度相对较低，水分盈亏指数为0.46，抽穗—灌浆期对灌溉依赖程度相对最高，水分盈亏指数为0.65。

表1水稻不同生育期水分盈亏指数

Table1Water budget index in different rice growth stages

生育期Growth stageI播种—移栽期Seeding-transplanting0.46移栽—抽穗期Transplanting-heading0.49抽穗—灌浆期Heading-filling0.65灌浆—成熟期Filling-mature0.62全生育期Whole growth season0.56

3 结论与讨论

有效降水量和需水量是水稻栽培管理和灌溉制度制定的主要依据，也是影响水稻产量的关键因子。本研究基于逐日气象数据，计算了贵州省水稻不同生育期的有效降水量和需水量，并分析了水稻不同生育阶缺水量的变化特征。结果表明：1961—2015年贵州省水稻全生育期年均有效降水量为280～394 mm，多年平均值为324 mm，呈递减趋势，这与张琪等[22]、王芬等[23]研究结果基本一致，空间分布上自西向东、由南向北呈递减趋势；年均需水量为683～808 mm，多年平均值为737 mm，呈递减趋势；年均缺水量为317～509 mm，多年平均值为413 mm，呈递增趋势，空间分布上自东向西呈递减趋势。

本研究从气象要素的角度，利用水分盈亏指数，分析贵州有效降水量对水稻需水量的满足状况。研究区域水稻在抽穗—灌浆期对灌溉依赖程度最高，需补充灌溉水最多，这与符娜等[13]关于西南地区水稻整体对灌溉依赖程度较低的结论有所不同，但与李双双等[24]研究结果基本一致。实际生产过程中，影响水稻灌溉需水总量的因素较复杂。贵州省稻田绝大多数为梯田，灌溉设施严重滞后，保水性能差，因此应该加大水利工程建设，以提高灌溉水利用系数，并推广作物节水灌溉模式。这是提高当地水稻产量和实现水资源可持续发展的重要途径[25]。此外，蓄雨型节水灌溉模式提高了各生育期灌溉水深上限值，田面蓄水深度增加，灌水周期有所延长，减少了灌溉次数，在雨量丰富、灌溉水源相对较差的地区具有较好的适应性[26]。