基于CROPWAT模型的橡胶树需水量

童俊儒，安 锋，谢贵水

（1. 海南大学 热带作物学院，海口 570228; 2. 中国热带农业科学院 橡胶研究所/农业农村部 儋州热带作物科学观测试验站，海南 儋州 571737）

天然橡胶是我国经济发展和国防事业的重要战略物资[1]。海南作为我国天然橡胶主产区，2020年总种植面积52. 69万hm2，产量占全国橡胶总产量的46.21%[2]。橡胶树产胶量的高低受多种因素的制约[3]，其中，干旱会阻碍橡胶树的生长发育，每年季节性干旱会给我国橡胶种植业造成巨大的经济损失[4-5]。然而，国内外对橡胶树旱害及抗旱栽培技术方面的研究很少。充足的土壤水分和较低的饱和蒸汽压差利于橡胶树产胶[6]。长时间的大气干旱[7]或季节性干旱所引起的叶面积指数和蒸腾速率[8]下降会导致橡胶树的生长受阻、抽叶减慢、植株回枯死亡、过冬落叶和开花提早、割胶时间缩短、产排胶受阻和胶乳产量下降等[9-16]。通过确定橡胶树蒸散需水量，结合有效降水量可判断橡胶树受干旱胁迫程度。CROPWAT模型是由联合国粮农组织（FAO）开发的、基于《作物需水量操作指南》[17-18]的决策支持工具，可根据不同土壤、气候和作物类型计算作物蒸散需水量、有效降水量和灌溉需水量，并制定灌溉制度。国内外已经有许多学者使用CROPWAT模型对作物蒸散需水量进行分析并制定了灌溉制度[19-25]，但对于落叶乔木及多年生作物研究甚少。本研究拟结合海南省儋州市1954—2020年气象和相关土壤数据，使用CROPWAT模型计算橡胶树蒸散需水量、有效降水量和灌溉需水量，旨在为橡胶树需水量的计算及灌溉制度设计及旱害评估提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 数据来源及处理本研究所需的气象数据来自中国气象数据网（http://data.cma.cn/）儋州观测站。

1.2 研究区概况海南省儋州市位于海南岛西北部，属热带季风气候类型。多年平均气温为24.6 ℃，最热月7月的平均温度为28.8 ℃，多年平均降水量为1 856 mm，月平均风速2.2 m·s-1，由于受季风影响，旱季、雨季分明[15,26]。

1.3 研究方法及模型介绍

1.3.1 橡胶树蒸散需水量利用联合国粮农组织推荐的植物蒸散量公式[18]计算橡胶树蒸散需水量，计算公式为：

式中，ETc为橡胶树实际需水量（mm），Kc为作物系数，ET0为橡胶树参照需水量（mm）。橡胶树参考需水量ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith[19]计算。

1.3.2 作物系数的确定及年生长周期划分联合国粮农组织将作物年度生育期划分为4个阶段：生长初期（Lini）、发育期（Ldev）、生长中期（Lmid）和生长后期（Llate），对应的作物系数分别为Kcini、Kcdey、Kcmid和Kcend。Kc值参照《作物需水量操作指南》[18]和海南儋州橡胶树历年生长周期、平均割胶时间及年叶面积指数变化情况确定[27]。本研究将落叶期作为生长初期，抽叶未开割期作为发育期，雨季高产期作为生长中期，旱季割胶期作为生长后期划分橡胶树生育期，时间根据每年抽芽、割胶及落叶的平均日期确定（表1）。

表1 橡胶树各生育阶段及作物系数

1.3.3 模型土壤参数当 地 土 壤 为 砖 红 壤，最大降水入渗率为240 mm·d-1[28]。初始土壤含水率为20.94%[26]，根系层中总有效水量（TAW）为113 mm·m-1[29]。

1.3.4 有效降水量计算有效降水量的计算选用美国农业部土壤保持局（USDA Soil Conservation Service）推荐的方法计算[24]，公式为：

式中，Peff为月有效降水量（mm）；P为月降水量（mm）。

1.3.5 灌溉需水量灌溉需水量可反应作物遭受干旱的程度。各生育阶段灌溉需水量等于作物蒸散需水量与有效降水量的差，若该时期内有效降水量大于作物蒸散需水量，则无需灌溉[19]。即：

式中，n为生育阶段时间（d）；ETci为第i生育期作物蒸散需水量（mm）；Peffi为第i生育期的有效降水量（mm）；Ir为需要补充的灌溉量（mm）。

1.3.6 水文年型划分对1954—2020年海南省儋州站年降水数据由大到小进行排列，然后计算各年度水文经验频率Pm：

式中，Pm为降水量系列第m项的经验频率；m为降水量系列由大到小排列的序号；n为降水量观测系列的年数。

然后利用当年降水量和Pm值的自然对数值拟合水文经验频率曲线，进而设置特征年Pm值为多雨年（Pm=25%）、正常年（Pm=50%）、旱年（Pm=75%）和特旱年（Pm=95%），计算得到的不同水文年型的拟降水量[30]。对于海南地区，降水多集中于夏季，在6～9月降水量充沛，但降水利用率不高，而11月到翌年4月降水很难满足作物生长发育所需水分[31]。因此，用全年总降水量去评估很难准确反映实际旱情。为此，笔者仅使用1～4月、11～12月降水量进行不同年型的划分，计算得当地多雨年、正常年、旱年和特旱年的旱季（即1～4月和11～12月）拟降水量分别为346.48、248.73、191.57和158.24 mm。相应的干旱年旱季各月平均拟降水量计算式：

式中，Piav为i月多年平均降水量；Pidry为i月的旱年降水量；Pav为多年平均降水量；Pdry为旱年降水量[32-33]，特旱年、正常年和多雨年月平均降水计算公式同理。不同典型年月降水量如表2所列。

表2 不同水文年月拟降水量 mm

1.3.7 气候倾向率气候倾向率主要反应某时间段内气象要素变化趋势，方程中的系数可用最小二乘法来确定。一般来讲，降水的气候趋势用一次直线方程来定量描述：

把10 a作为气候要素的年代际变化，指以10 a为尺度的气候倾向率，表示气象要素每10 a的变化速率。由于降水量的时间序列呈现非正态分布，可通过Mann-Kendall趋势检验法中标准化检验统计量Z值的大小来揭示其显著性，当Z的绝对值大于1.65、1.96和2.58时，表示趋势分别通过了信度90%、95%和99%的显著性检验，同时Z值的正负也指示序列的上升下降趋势[34-35]。

1.3.8 作物蒸散需水与有效降水量的耦合度作物蒸散需水与有效降水量的耦合度反映作物生长期内有效降水量满足作物需水的程度。其计算公式为：

式中：λi第i时段耦合度；Pi代表第i时段内有效降水量（mm）；ETci为第i时段内作物蒸散需水量（mm）。

2 结果与分析

2.1 橡胶树需水量、有效降水量和灌溉需水量变化对1954—2020年橡胶树需水量和有效降水量变化趋势进行分析（表3，图1）得出，在年生长周期中，橡胶树蒸散需水量历年平均值为1 069.8 mm；其中，以1955年为最高，达到1 206.7 mm；以2016年为最低，为948.5 mm。年蒸散需水量总体呈现减小趋势，有效降水量总体呈现上升变化但不显著。各月中，橡胶树蒸散需水量仅2～3月呈现逐年不显著上升外，其余各月均呈现下降趋势，其中5月、7月、8月和12月下降极显著，4月、9月下降显著，7月降幅最大，以每10 a下降3.44 mm的速率极显著下降。有效降水量12月显著上升，其他月变化不显著。7月橡胶树蒸散需水量的变化范围极差最大为114.4 mm，10月有效降水量变化极差最大，变化范围为2.5～199.1 mm。灌溉需水量7、12月显著下降，其余各月变化均不明显，总体呈下降趋势。年生长周期内总灌溉需水量变化范围为44.4～488.9 mm。4月灌溉需水量平均值最大。6～10月降水量充沛，灌溉需水量相对较小。每年的11月到翌年4月灌溉需水量较大，此时极可能会出现旱害现象。需水量和有效降水量在一年中均先增大后减小；在12月～翌年2月，多年数据较集中，其中，1月橡胶树需水量约为25 mm；有效降水量在11月至翌年4月普遍低于需水量。降水量各月离散值多，极差大，且在旱季更为集中；不同月份橡胶树需水量、有效降水量的变化与降水量变化密切相关。

表3 橡胶树蒸散需水量、有效降水量和灌溉需水量趋势分析

2.2 橡胶树蒸散需水量与气象因素相关性分析橡胶树不同年和不同月蒸散需水量、有效降水量与气象因素相关性分析结果见图2。从图2-a不同月份来看，蒸散需水量与有效降水量、降水量、气温、日照时数、平均水汽压和饱和蒸气压差均达到极显著正相关水平，与平均风速和平均气压呈显著负相关。有效降水量与降水量、气温、日照时数和平均水汽压均呈极显著正相关，与平均风速和平均气压呈极显著负相关。降水量与有效降水量同各气象因素的相关性基本一致。需水量、有效降水量和降水量与相对湿度相关性均不显著。

从图2-b中可以看出，在不同年间分析时，蒸散需水量与有效降水量、降水量、相对湿度、平均水汽压呈显著负相关，与平均风速和日照时数呈极显著正相关；有效降水量与年尺度上的最高气温、日照时数、饱和蒸气压差呈极显著负相关，与降水量、相对湿度呈极显著正相关。

2.3 不同水文年橡胶树蒸散需水量及有效降水量的差异为了减小误差，选取与不同水文年型年拟降水量最接近的相邻2个年份的平均值为代表，对1975和1982年、1962和2002年、2010和2019年、1977和2005年分别取平均值作为该地区多雨年、正常年、旱年和特旱年的代表年。利用代表年气象数据计算橡胶树蒸散需水量，得到儋州市各月橡胶树蒸散需水量（图3）。结果表明，不同水文年型橡胶树蒸散需水量、有效降水量均呈现先升后减的趋势。多雨年、正常年、旱年和特旱年的橡胶树蒸散需水量分别为1 060.7、1 072.0、1 069.3和1 156.6 mm。不同年型蒸散需水量和有效降水量均有差异，其中，1～4月任何年型蒸散需水量和有效降水量均普遍较低，从5月开始增多，11～12月均下降，特旱年相较于其他年型蒸散需水量更大。不同水文年橡胶树的灌溉需求也不尽相同，多雨年的旱期最短，但春旱依然严重，特旱年旱期最长且较严重，不同水文年在7～9月灌溉需求均较低，10月至翌年3月是主要的灌溉需求期，说明橡胶树全年的灌溉需求主要与秋冬季的干旱程度有关。

续表3

2.4 不同降水年型蒸散需水量与有效降水量耦合度从图4可知，有效降水量与蒸散需水量在橡胶树年生长周期中趋势相对一致，均表现为先升高后降低。其中特旱年、旱年、正常年波动明显，呈现“n”型变化，多雨年呈现“v”型变化。多雨年3～4月耦合度较低。特旱年需水量最大，各月需水量与有效降水量耦合度分别为54.79%、18.80%、13.66%、56.98%、89.98%、85.52%、100.00%、100.00%、100.00%、38.79%、48.40%和13.53%，在橡胶树蒸散需水量最大同时有效降雨最小，加重了特旱年的干旱胁迫程度。特旱年和旱年耦合度起伏较大，5月耦合度较其他年型较大，但2月、3月和10～12月较低。正常年有效降水量整体上较高，冬春季需水量和有效降雨量的耦合度较高，但也经历了一定程度干旱。通过耦合度分析可知，不同水文年6～9月有效降水量基本满足橡胶蒸散需水量要求，但11月到翌年4月因降水量偏少，有效降水量难以满足橡胶树蒸散需水量，因此容易造成橡胶树旱害。

2.5 不同水文年型的橡胶树灌溉需求利用CROPWAT模型计算了海南儋州地区不同水文年型的橡胶树灌溉需求（表4）。从表4可知，海南省儋州地区夏季降雨量十分充沛且需水量和有效降雨量耦合度大，一般不用考虑灌溉，冬春季应注意防旱。多雨年灌溉需求及灌溉次数最少，特旱年灌溉需求及灌溉次数最多。总体而言，任何年型在冬春季都会出现不同程度的干旱。多雨年、正常年、旱年和特旱年分别为116.5、113.2、172.4和230.9 mm。

表4 不同水文年型橡胶树灌溉需求量

3 讨 论

本研究通过对海南省儋州地区1954—2020年气象要素进行趋势分析以及气象要素与蒸散需水量和有效降水量间的相关性比较，得到了当地气象要素的变化规律，明确了橡胶树各生育阶段蒸散需水量和灌溉需水量的变化及其影响因素。分析了不同水文年型下橡胶树蒸散需水量、有效降水量和两者耦合度。为当地合理利用灌溉水资源，防止橡胶遭遇旱害提供了一定的理论支撑。国内已经有许多研究通过水分循环和水分平衡模拟对作物蒸散需水量进行了分析并得到灌溉需求。但大多都是在较短时间间隔和小范围内进行的分析[36-38]。本研究使用CROPWAT模型结合橡胶树种植区多年气象数据进行需水量分析，为橡胶树需水量的计算和测定提供了新思路。

以往对不同水文年型的划分基本是利用全年降水量等数据进行划分。本研究发现，利用全年总降水量去划分海南地区水文年，很难准确反应其干旱与否。因为我国南方大多数地区都有明显的季节性干旱，例如广西的越冬作物在冬季生育阶段内易发生干旱；华南区的广东、广西和海南，春季易发生季节性干旱；长江中下游地区和华南地区发生夏旱和秋旱的可能性较高；冬旱发生可能性较高的地区有华南地区和长江中下游地区[33]。海南降水多集中于夏季，在6～9月降水量充沛，但降水利用率不高，而11月到翌年4月，降雨无法完全满足作物生长发育所需水分，所以在本研究中，仅使用1～4月、11月、12月降雨量进行不同年型的划分，结果比采用全年降水量划分更加吻合海南的干旱情况。由此年型划分得到海南降雨量达到旱年、特旱年型标准的共有13年，这与本世纪以来相关文献报道2004、2005、2007、2010和2019年海南省均遭受了较为严重旱害的事实基本一致[10,39]。该划分方式同时也能准确反映旱季蒸散量的多少，其原因在于该方式对旱季降水量监测具有极强针对性，若旱季降水较少，相应的空气湿度及饱和蒸气压差就会较低，从而加快作物蒸腾速率。该方式为南方季节性干旱多发区的水文年型划分及旱季作物蒸散的监测提供了参考。

有学者发现CROPWAT模型在计算蒸散量时会出现高于实际值的情况，且对于非喷灌灌溉蒸散准确度更低[40]，橡胶树种植区多地处热带山区，作为高大乔木对水分的适应性也较强，因此橡胶树种植区主要依靠降水提供水分，很少进行灌溉，但干旱导致橡胶树死亡的现象也有发生[1,5]，也有研究报道灌溉可以显著提高胶乳产量[41]，所以，在考虑橡胶树灌溉制度时，该模型所拟定的参考值需进一步讨论。另外，本研究模拟过程对于土壤肥力病虫害胁迫等并未考虑在内，需继续对水肥效应进行研究。