氣候變化和灌溉方式對稻田需水量的影響

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(長江科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢　430010)

1　研究背景

隨著氣候變化加劇，全球極端天氣頻發(fā)，導(dǎo)致水資源時空分布和農(nóng)作物需水規(guī)律發(fā)生變化，農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾日益突出。水稻是我國重要的糧食作物，且耗水量大，因此探討氣候變化對水稻生產(chǎn)的影響，對保障糧食安全和農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)意義。國內(nèi)外學(xué)者針對氣候變化對水稻病蟲害[1-3]、水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[4-6]、水稻生育期[7-8]的影響開展了大量研究工作。氣候變化在影響水稻生長的同時，也導(dǎo)致水稻耗水過程的變化。近年來，氣候變化對水稻需水量的研究受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。有研究表明隨著氣候變暖，水稻需水量和灌溉需水量呈增加趨勢[9-10]。同時也有研究表明由于氣候變化増溫不明顯、降雨增加、日照時數(shù)減少和風(fēng)速降低等原因，水稻需水量和灌溉需水量呈減少趨勢[11-12]。以上研究對水稻需水量的變化趨勢及其原因作了深入的分析，但針對不同灌溉模式條件下水稻需水量和灌溉需水量對氣候變化的響應(yīng)研究較少。雖然部分研究中提出了推廣節(jié)水灌溉應(yīng)對氣候變化帶來的不利影響，但研究還不夠深入。

本文以江蘇高郵灌區(qū)為研究區(qū)域，探討了不同灌溉模式下稻田耗水量和灌溉需水對氣候變化的響應(yīng)，以期為灌區(qū)在未來氣候變化下作物生產(chǎn)布局和農(nóng)業(yè)水資源合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1　數(shù)　據(jù)

從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了高郵站1955年1月1日至2013年12月31日逐日氣象數(shù)據(jù)(其中1967年數(shù)據(jù)缺失)。高郵站W(wǎng)MO編號為58241，位于32.80°N、119.45°E，海拔高度為5.4 m，屬于亞熱帶濕潤氣候。氣象數(shù)據(jù)包括日最高最低氣溫、平均氣溫、大氣壓、空氣相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)和降雨量。

2.2　水稻耗水量計算方法

2.2.1水稻需水量ETc計算

水稻需水量采用單作物系數(shù)FAO56 Penman-Monteith方法[13]計算，并考慮土壤水分修正系數(shù)[14]。水稻逐日需水量(ETc)計算公式為

ETc=kc·ks·ETo。

(1)

其中，

(2)

式中：ETc為水稻逐日需水量(mm)；ETo為逐日參考作物需水量(mm)；kc為作物系數(shù)，根據(jù)FAO推薦值和灌區(qū)實際情況，水稻生育初期、中期和末期分別取值1.05，1.63,1.03[9]；ks為土壤水分修正系數(shù)；θ為水稻根層土壤相對含水量(%)；θs為水稻根層土壤飽和含水量(%)；a，b和n為經(jīng)驗系數(shù)，按文獻[14]取值。

其中,

(3)

式中：Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；T為平均氣溫(℃)；u2為2 m高度處的風(fēng)速(m·s-1)；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率(kPa·℃-1)；γ為濕度計常數(shù)(kPa·℃-1)。

2.2.2稻田滲漏量計算

稻田滲漏是水稻耗水量的重要組成部分，受地形、土壤和水文條件影響。根據(jù)田間有水層和無水層2種情況，分別采用線性模型和非線性模型估算稻田滲漏量[15](式(4))。

(4)

式中：St為第t天的稻田滲漏量(mm)；ht為第t天田面水層深度(mm)；a1，b1為擬合參數(shù)；K0為飽和水力傳導(dǎo)度，其取值為0.1～1.0 m/d；α為經(jīng)驗常數(shù)，一般為50～250；Tt為土壤含水率飽和狀態(tài)達到第t天水平時所經(jīng)歷的時間(d)；Ht為第t天水稻主根層深度(m)。式中所有參數(shù)取值均參考文獻[15]。

2.3　灌溉需水量與有效降雨量計算方法

2.3.1灌溉處理

本研究設(shè)節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉2種灌溉模式。節(jié)水灌溉稻田除返青期在田面保持5～25 mm薄水層返青活苗，其余各生育階段均采用濕潤灌溉，不形成水層，以根層土壤相對含水量作為控制指標(biāo)，確定灌水時間和灌水定額。傳統(tǒng)灌溉稻田除分蘗后期曬田和黃熟期自然落干外，其余階段均建立2～6 cm水層。2種灌溉模式的灌水技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　不同灌溉模式灌溉技術(shù)參數(shù)及稻田允許蓄雨深度Table 1　Technical parameters and maximum allowable rainwater retaining depth in paddy field underdifferent irrigation patterns

注：常規(guī)灌溉和允許蓄雨深度數(shù)字為水深(mm)；節(jié)水灌溉除返青期數(shù)字表示水深(mm)，其余生育期均為含水率，θs為計劃濕潤層深度飽和含水率，單位為%。常規(guī)灌溉方式分蘗后期需進行曬田，曬田期間不灌溉;2種灌溉模式稻田在黃熟期均不進行灌溉，田間不蓄水，自然落干

2.3.2灌溉需水量計算方法

稻田水層或土壤水分達到灌溉下限進行灌溉。因此，在不考慮輸水損失情況下，灌溉需水量計算公式如下。

(1)當(dāng)灌溉下限為水層深度，即hdt>0時，有

(5)

式中：It為第t天的灌溉需水量，此處為凈灌溉需水量(mm)；Iut為第t天灌溉上限(mm)；θst為第t天根系層土壤飽和含水率(%)；θt為第t天根系層土壤含水率(%)；hdt為灌溉下限(mm)。

(2) 當(dāng)灌溉下限為土壤含水率，即θdt時,有

(6)

式中θdt為第t天灌水土壤含水下限(%)。

2.3.3有效降雨量計算方法

灌區(qū)稻季降雨留在田間被水稻消耗部分即為有效降雨。灌區(qū)稻季有效降雨量根據(jù)稻田水量平衡計算。在不考慮灌溉產(chǎn)生徑流的條件下，稻田水量平衡方程為

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為第t天降雨量(mm)；ETct為第t天稻田蒸發(fā)蒸騰量(mm)；Dt為第t天排水量(mm)；hut為第t天降雨后稻田允許蓄雨深度(mm)，見表1。

灌區(qū)稻季有效降雨量應(yīng)該為降雨量與降雨排水量的差值，即有效降雨量計算公式為

Pet=Pt-Dt。

(9)

式中Pet為有效降雨量(mm)。在有效降雨量計算中忽略了降雨初損。

2.4　趨勢檢驗方法

氣候變化、水稻耗水量以及灌溉需水量總體變化趨勢采用Mann-Kendall(簡稱MK)檢驗[16]分析。在MK檢驗中，原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(X1,X2,…,Xn)，是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗，對于所有i,j

(10)

其中：

(11)

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18 。

(12)

式中sign( )為符號函數(shù)。

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平α，若Z≥Z1-α/2，則原假設(shè)H0是不可能接受的，即在置信水平α上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負值表示減少趨勢。Z≥1.28，1.64，2.32時表示分別通過了置信度90%，95%，99%的顯著性檢驗。

3　結(jié)果與分析

3.1　高郵灌區(qū)氣候變化特點

氣溫是影響水稻需水量變化的主要因素，而降雨量的變化又是影響灌溉需水量的主要因素。因此，分析高郵灌區(qū)水稻生長期歷史氣溫和降雨量，有利于灌區(qū)需水量和灌溉需水量變化原因分析。高郵灌區(qū)水稻全生育期積溫變化規(guī)律如圖1所示，水稻生育期積溫呈正弦波動，且年際變幅較大，最低達到2 816.5 ℃，最高達到3 270.5 ℃。在時間序列上，水稻全生育期積溫有明顯的增加趨勢，MK方法檢驗的統(tǒng)計量Z為3.25，達到極顯著的水平。

圖1　高郵灌區(qū)水稻全生育期積溫變化Fig.1　Change trend of accumulated temperature inrice grow season at Gaoyou Irrigation District

圖2　高郵灌區(qū)水稻全生育期降雨量變化Fig.2　Change trend of rainfall in rice growseason at Gaoyou Irrigation District

高郵灌區(qū)水稻全生育期降雨量變化規(guī)律如圖2所示，降雨量變化與積溫變化規(guī)律相似，年際波動較大，但在時間序列上呈減少的趨勢，MK方法檢驗的統(tǒng)計量Z為-0.07，減少趨勢不明顯?？傮w而言，隨著氣候變化,高郵灌區(qū)水稻生育期氣溫顯著增高，而降雨量呈微弱減少趨勢。

3.2　稻田耗水量對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律

水稻需水量主要受氣象因子影響，氣候變化直接導(dǎo)致水稻需水變化，但不同灌溉模式下稻田需水量對氣候變化響應(yīng)規(guī)律存在差異。高郵灌區(qū)不同灌溉模式下水稻需水量變化規(guī)律如圖3(a)所示。2種灌溉模式下水稻需水量均隨著時間序列呈正弦規(guī)律變化，年際差異較大，總體呈增加趨勢。

節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉模式下水稻需水量變化采用MK方法檢驗統(tǒng)計量Z分別為0.23和0.6，需水量增加趨勢不顯著。圖3(b)分析了不同灌溉模式下稻田滲漏量變化規(guī)律。在時間序列上，稻田滲漏量呈微弱增加趨勢，節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉模式下MK方法檢驗統(tǒng)計參數(shù)Z分別為0.24和0.11。2種灌溉模式條件下稻田耗水量統(tǒng)計情況如表2所示，稻田需水量在1955—2004年間總體呈減少趨勢，近10 a稻田需水量急劇增加。稻田滲漏量在年際間的變幅較小，說明氣候變化對稻田滲漏量的影響較小。

圖3　高郵灌區(qū)水稻全生育期的需水量變化和滲漏量變化Fig.3　Change trends of water demand and percolation inrice grow season at Gaoyou Irrigation District

節(jié)水灌溉稻田需水量和滲漏量均小于常規(guī)灌溉稻田，且節(jié)水灌溉稻田需水量隨時間序列增加的幅度較常規(guī)灌溉小。節(jié)水灌溉稻田多年平均需水量和滲漏量為505.22，138.37 mm，分別較常規(guī)灌溉量628.50，237.74 mm減少18.6%和41.8%。節(jié)水灌溉稻田除返青期以外灌水后田面不建立水層，通過土壤水分調(diào)控有效抑制了水稻無效蒸發(fā)蒸騰，同時大幅減少了稻田滲漏量。節(jié)水灌溉稻田多年平均耗水量較常規(guī)灌溉稻田減少25.7%。

表2　高郵灌區(qū)不同灌溉模式下稻田耗水量變化Table 2　Changes in water consumption of paddy fieldunder different irrigation patterns at GaoyouIrrigation District　mm

3.3　稻田灌溉需水量對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律

灌溉需水量是指降雨無法滿足作物正常生長需水，需補充灌溉的水量。氣候變化影響了作物需水規(guī)律以及水稻生育期降雨，從而導(dǎo)致灌區(qū)灌溉需水量發(fā)生變化。

高郵灌區(qū)水稻灌溉需水量變化規(guī)律如圖4(a)所示，2種灌溉模式下灌溉需水量年際變化明顯，節(jié)水灌溉稻田灌溉需水量呈緩慢減少的趨勢，而常規(guī)灌溉稻田呈緩慢增加趨勢。節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉模式水稻灌溉需水量MK檢驗統(tǒng)計量分別為-0.34和0.07。2種灌溉模式下有效降雨量變化規(guī)律較為一致,見圖4(b)，年際間變化明顯，但從時間序列看，有效降雨量基本穩(wěn)定。節(jié)水灌溉稻田有效降雨量存在一定的增加趨勢，而常規(guī)灌溉稻田呈減少趨勢。水稻需水量不僅受氣溫影響，還受空氣濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)影響。氣候變化導(dǎo)致高郵灌區(qū)溫度呈顯上升趨勢，促使灌區(qū)水稻需水量增加；羅玉峰等[9](2009)研究表明高郵灌區(qū)平均風(fēng)速和日照時數(shù)呈顯著下降趨勢，又促使水稻需水量減小。因此，在高郵灌區(qū)氣溫明顯上升趨勢條件下，水稻需水量變化趨勢不顯著。

圖4　高郵灌區(qū)水稻全生育期灌溉需水量和有效降雨量變化Fig.4　Change trends of irrigation water demand andeffective rainfall in rice grow season at GaoyouIrrigation District

表3統(tǒng)計了高郵灌區(qū)不同灌溉模式下稻田年平均灌溉需水量和有效降雨量。從表3可看出：年平均灌溉需水量和有效降雨量隨時間序列變化較為穩(wěn)定；節(jié)水灌溉模式下稻田灌溉需水量顯著小于常規(guī)灌溉稻田；節(jié)水灌溉稻田年平均灌溉需水量為160.28 mm，較常規(guī)灌溉需水量414.15 mm，減少了61.3%；節(jié)水灌溉稻田灌水后稻田不建立水層，一方面減少了水稻奢侈耗水，另一方面增加了稻田調(diào)蓄能力，從而增加了降雨利用率；節(jié)水灌溉稻田年平均有效降雨量為448.20 mm，較常規(guī)灌溉降雨利用量增加8.2%。

表3　高郵灌區(qū)不同灌溉模式下稻田灌溉需水量與有效降雨量Table 3　Irrigation water demand and effectiverainfall of paddy field under different irrigationpatterns at Gaoyou Irrigation District　mm

4　結(jié)　論

基于稻田水循環(huán)要素計算和MK檢驗方法，分析了高郵灌區(qū)歷史溫度和降雨量變化規(guī)律以及不同灌溉模式下稻田耗水與灌溉需水量對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。分析結(jié)果表明:

(1)高郵灌區(qū)水稻全生育期積溫隨時間序列呈正弦波動，且年際變幅較大，總體呈顯著增加趨勢；灌區(qū)水稻全生育期降雨量呈減少趨勢，但趨勢不顯著。

(2)不同灌溉模式下水稻需水量和滲漏量均隨時間序列緩慢增長，但趨勢不明顯。節(jié)水灌溉模式能夠有效地降低稻田耗水量，其中水稻年平均需水量和滲漏量分別較常規(guī)灌溉模式稻田減少18.6%和41.8%。

(3)不同灌溉模式下水稻灌溉需水量變化規(guī)律存在差異，節(jié)水灌溉稻田灌溉需水量隨時間序列緩慢減小，而常規(guī)灌溉稻田呈增加趨勢，但趨勢均不顯著。節(jié)水灌溉模式能夠有效地降低稻田灌溉需水量增加雨水利用量。節(jié)水灌溉稻田灌溉需水量較常規(guī)灌溉減少61.3%，雨水利用量提高了8.2%。

(4)針對未來氣候變化導(dǎo)致灌區(qū)作物需水量增加的問題，在灌區(qū)應(yīng)該大力推進節(jié)水灌溉技術(shù)，減少作物耗水量，增加降雨利用率以應(yīng)對氣候變化影響。

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