氣候變化下黑龍江省水稻灌溉需水量變化特征

馬文津， 劉詩夢， 衛(wèi) 琦,2， 廖林仙， 徐俊增,2

(1 河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

近年來，全球氣候變暖以及極端天氣頻發(fā)已成為有目共睹的事實。相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)表明，全球表面氣溫在整個20世紀(jì)升高了0.56～0.92℃[1]。而農(nóng)業(yè)作為受氣候變化影響較為敏感的行業(yè)之一，氣溫的上升不僅會影響作物的生理生長，還會引起降雨等因素的變化，導(dǎo)致作物灌溉需水量的改變。黑龍江省在對全國稻米市場的貢獻(xiàn)中占有極為重要的地位[2]，其特殊的地理位置(中高緯度地區(qū))也導(dǎo)致水稻受氣候變化的影響更為明顯。在過去60年間，黑龍江省的平均氣溫升幅位列全國之首[3]，暖干化趨勢顯著。因此，針對黑龍江水稻灌區(qū)，探討氣候變化下水稻灌溉需水量的變化特征，對于科學(xué)制定水稻種植布局和合理進行灌溉具有重要的指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣候變化對作物需水量(ETC)和灌溉需水量的影響已經(jīng)開展了大量的試驗研究。如劉曉英等[4]計算了華北地區(qū)6個站點近50年主要作物的需水量，并分析了其變化趨勢，發(fā)現(xiàn)作物需水量隨氣溫的增加而下降，且日照時數(shù)與風(fēng)速的減小是導(dǎo)致其下降的主要原因。王新華等[5]、王鶴齡等[6]利用增量情景法研究了氣候變暖對我國不同灌區(qū)主要作物需水量的影響，結(jié)果表明氣候變暖對不同作物需水量的影響程度不同，其中對棉花和玉米需水量的影響最大。黃志剛等[7]分析了松嫩平原水稻全生育期內(nèi)灌溉需水量的變化規(guī)律，結(jié)果表明灌溉需水量等值線沿西南-東北方向遞減，同一灌溉需水量等值線北移。Silva等[8]基于不同氣候變化情景的大氣環(huán)流模式(HadCM3)的輸出，分析了未來作物灌溉需水量的變化特征，結(jié)果表明在未來氣候變化情景下，作物的灌溉需水量可能增加[ 8]也可能減小[ 9-10]。

目前關(guān)于氣候變化對黑龍江省水稻影響的研究，主要集中在氣候變暖對水稻產(chǎn)量的影響等方面[11-12]，而關(guān)于多種氣象因素對水稻灌溉需水量的影響等方面的研究還較少。因此，基于上述研究不足，本文擬選取黑龍江省8個典型站點，以1956-2015年的氣象資料為依據(jù)，利用Penman-Monteith公式、水量平衡模型和Mann-Kendall 檢驗方法分析ETC的變化特征，以及4種主要氣象因子對參考作物需水量(ET0)和ETC的影響，并結(jié)合有效降雨量的變化趨勢，研究不同灌溉模式下水稻灌溉需水量對氣象因素變化的響應(yīng)，并提出應(yīng)對氣候變化的措施。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，收集了黑龍江省8個典型站點自1956年至2015年逐日氣象數(shù)據(jù)。圖1為各站點地理位置圖，表1為各站點ET0及氣象參數(shù)60年平均值。

圖1 各站點地理位置圖

表1 各站點生育期內(nèi)年ET0、年降雨量及日氣象數(shù)據(jù)均值

2.2 水稻需水量

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

ETC=KC·KS·ET0

(1)

其中：

(2)

ET0=

(3)

式中：ETC為水稻逐日需水量，mm，本文中指的是計算值；ET0為逐日參考作物需水量，mm；KC為作物系數(shù)，本文采用黑龍江省慶安縣水稻灌溉試驗中心[14]得出的作物系數(shù)；KS為土壤水分修正系數(shù)，式中所需要的數(shù)據(jù)可參考文獻(xiàn)[15]；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；u2為2 m高度處的風(fēng)速，m/s；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/℃；γ為濕度計常數(shù)，kPa/℃。

2.3 灌溉需水量

(1)當(dāng)灌溉下限為水層即hdt>0時，采用公式(4)進行計算：

(4)

式中：It為第t天的灌溉需水量，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；Ht為第t天水稻主根層深度，m。

(2)當(dāng)灌溉下限為土壤含水率即θdt時，采用公式(5)進行計算：

(5)

式中：θdt為第t天灌水土壤含水下限，%；其他參數(shù)同上。

2.4 Mann-Kendall檢驗

氣象因子、水稻需水量以及灌溉需水量總體變化趨勢采用Mann-Kendall[16](簡稱M-K)檢驗分析。在M-K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，對于所有的i,j

(6)

其中：

(7)

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(8)

式中：sign()為符號函數(shù)。當(dāng)Xi-Xj小于、等于或者大于0時，sign(Xi-Xj)分別為-1、0或1。

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(fù)值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64和2.32時表示分別通過了置信度90%、95%和99%顯著性檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 水稻生育期內(nèi)ETC的變化特征及其對氣象因素的響應(yīng)

3.1.1 水稻不同灌溉模式下ETC的變化特征 水稻生育期內(nèi)，各站點在不同灌溉模式下的ETC年平均值如表2所示。從空間分布情況來看，在淹水灌溉模式下，ETC由西向東大致呈先減小后增大的趨勢，西部地區(qū)的安達(dá)、綏化和嫩江站的ETC較大，其中安達(dá)站的ETC最高，為446.3 mm/a；東南地區(qū)的富錦、雞西和牡丹江站的ETC次之；而中間區(qū)域的孫吳和尚志站的ETC最小。在控制灌溉模式下，各站點的ETC年平均值分布情況與淹水灌溉模式基本一致，但數(shù)值上略小于后者。

表2 不同灌溉模式下各站點ETC年平均值mm/a

對各站點不同灌溉模式下ETC的變化趨勢進行M-K檢驗(圖2)。從時間序列來看，在淹水灌溉模式下，有明顯變化趨勢的站點主要集中在西部地區(qū)，其中安達(dá)站表現(xiàn)出極顯著的下降趨勢，M-K檢驗結(jié)果Z=-3.37；綏化站下降程度稍次之，Z=-1.41；而最北部的嫩江站和孫吳站都表現(xiàn)出極顯著的上升趨勢，M-K檢驗結(jié)果Z分別為2.20和2.93；西南地區(qū)的尚志站也呈現(xiàn)出較明顯的上升趨勢，M-K檢驗結(jié)果Z=1.37；而東南地區(qū)其余3個站點并沒有明顯的變化特征。在控制灌溉模式下，各站點ETC的變化趨勢與淹水灌溉模式完全相同，只是檢驗結(jié)果Z值大小略有差異。

以安達(dá)站和嫩江站為例，分析在淹水灌溉模式下二者的ETC年際間的變化過程(圖3)。

由圖3可以看出，安達(dá)站的年ETC在1956年至1982年間變化比較平穩(wěn)，平均值為469.0 mm/a；1982年達(dá)到最大值561.9 mm/a，1983年發(fā)生劇烈變化，驟降至403.7 mm/a；而后30年雖出現(xiàn)幾個極大值點，但總體上仍呈逐漸減少趨勢，平均值為427.7 mm/a。而嫩江站的年ETC波動程度比較劇烈，其變化過程主要分為3個階段：在前25年內(nèi)顯著上升，增速可達(dá)29.4 mm/10a，至1982年達(dá)到最大值479.6 mm/a；1983年突然下降至365.8 mm/a，隨后的15年間相對穩(wěn)定，平均值為400.5 mm/a；2000年增至492.9 mm/a，此后以57.0 mm/10a的速度迅速降低。

圖2 不同灌溉模式下各站點ETC變化趨勢M-K檢驗結(jié)果圖

圖3 淹水灌溉模式下典型站點ETC變化趨勢

3.1.2ETC變化成因分析ETC是以ET0為基礎(chǔ)，并對其進行修正而得出，二者呈線性關(guān)系，即ETC的變化趨勢直接取決于ET0的變化情況，且與ET0的變化趨勢一致。ET0主要受氣溫、相對濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)這4種氣象因子的影響，對比表1中各站點的氣象數(shù)據(jù)日平均值，可以發(fā)現(xiàn)，安達(dá)站和綏化站的日平均氣溫和日照時數(shù)明顯高于其他各站，這使得其ET0年平均值在各站點中為最大，相應(yīng)的ETC年平均值也為最大，而孫吳站和尚志站的日平均氣溫偏低及相對濕度偏高導(dǎo)致了ETC年平均值偏小。同一站點在控制灌溉模式下的ETC年平均值略低于淹水灌溉模式，原因在于控制灌溉模式下田間無水層天數(shù)較多，導(dǎo)致土壤水分修正系數(shù)KS小于1。

為了更深層次地對ETC的變化進行歸因分析，對各個站點的ET0和影響ET0的氣象因素分別進行趨勢分析和M-K檢驗(表3)。由表3可以看出，對于ET0顯著增長的嫩江和孫吳站而言，其氣溫在近60年上升幅度尤為顯著，最低氣溫上升趨勢檢驗結(jié)果高達(dá)7.23和8.05，且相對濕度的下降趨勢也十分明顯，即使孫吳站的風(fēng)速呈顯著減小趨勢，但仍無法改變ET0顯著上升的趨勢。對于安達(dá)站來說，相對濕度的上升以及風(fēng)速和日照時數(shù)的下降抵消了氣溫上升帶來的影響，使得其ET0逐漸下降。綏化站相對濕度的顯著減小雖能導(dǎo)致ET0的升高，但仍抵不過風(fēng)速和日照時數(shù)顯著下降所帶來的影響。而雞西站在溫度、風(fēng)速都有顯著增大的情況下，日照時數(shù)的極顯著下降扭轉(zhuǎn)了這一趨勢，說明雞西站ET0對日照時數(shù)的敏感性更大。

表3 各站點ET0及氣象因子趨勢檢驗結(jié)果

注：(1)**表示極顯著(置信水平≥95%)，*表示顯著(90%≤置信水平<95%)；(2)正數(shù)表示上升，負(fù)數(shù)表示下降；下同。

理論上來說，在全球氣候變暖的背景下，陸地和水面的蒸發(fā)量增大將導(dǎo)致ET0升高，但本研究結(jié)果表明ET0的變化并不完全如此，即存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，這可能是由于ET0是氣溫、風(fēng)速、相對濕度和日照時數(shù)共同作用的結(jié)果，其最終變化趨勢取決于各個因子的作用程度。同時多數(shù)研究表明，ET0的顯著下降是由風(fēng)速和日照時數(shù)的減小所導(dǎo)致[17-19]，這也與本文的研究結(jié)果較為一致。其原因可能在于日照時數(shù)的減小削弱了到達(dá)地面的能量，導(dǎo)致蒸發(fā)量降低；而風(fēng)速的減小使得空氣與土壤中水分的交換強度變低，促進了土壤對水分的保持。

3.2 水稻生育期內(nèi)灌溉需水量的變化特征及對有效降雨量的響應(yīng)

3.2.1 水稻不同灌溉模式下灌溉需水量變化趨勢 灌溉需水量由作物需水量和降雨量共同決定，氣候變化影響了作物的需水規(guī)律以及生育期內(nèi)降雨量，從而影響灌溉需水量。對各個站點在不同灌溉模式下灌溉需水量的變化趨勢進行M-K檢驗(圖4)。由圖4可以看出，在淹水灌溉模式下，尚志站的灌溉需水量呈顯著增加的趨勢，檢驗結(jié)果Z=2.3，而其余站點則無明顯變化趨勢；在控制灌溉模式下，除尚志站(Z=2.0)仍表現(xiàn)出顯著的上升趨勢外，孫吳站、富錦站和嫩江站也呈十分明顯的上升趨勢，而其余站點無明顯的變化趨勢。

進一步分析各站點近60年間兩種灌溉模式下水稻生育期內(nèi)的灌溉需水量年平均值(圖5)可以看出，ETC年平均值最大的3個站即安達(dá)、綏化和嫩江站，其灌溉需水量也基本相應(yīng)最大。與淹水灌溉相比，控制灌溉稻田有效減少了年灌溉需水量，其年平均灌溉需水量降幅為44.9%～52.9%。

圖4 不同灌溉模式下灌溉需水量M-K檢驗結(jié)果圖

圖5 不同灌溉模式下水稻生育期內(nèi)年灌溉需水量平均值

3.2.2 有效降雨量對灌溉需水量的影響 對各站點在不同灌溉模式下60年間水稻全生育期內(nèi)有效降雨量變化趨勢進行M-K檢驗(表4)可以看出，富錦和尚志站的有效降雨量在兩種模式下均呈顯著下降趨勢，安達(dá)站在淹水灌溉模式下的有效降雨量顯著下降，在控制灌溉模式下無明顯變化；而其余站點在兩種模式下均無明顯趨勢。

表4 各站點兩種灌溉模式下有效降雨量M-K檢驗結(jié)果

不同站點間灌溉需水量變化趨勢不盡相同，致使這種趨勢產(chǎn)生的原因也各有差異。當(dāng)水稻需水量基本保持不變時，如富錦站，其有效降雨量的減少使得稻田供水不足，導(dǎo)致灌溉需水量增加；當(dāng)水稻需水量呈顯著上升趨勢時，如嫩江和孫吳站，其有效降雨量不變，則應(yīng)加大灌溉需水量以滿足蒸散發(fā)的需要；當(dāng)水稻需水量呈顯著下降趨勢時，如安達(dá)和綏化站，其有效降雨量同樣沒有明顯的變化，則應(yīng)減少灌溉需水量以避免產(chǎn)生地表徑流，但結(jié)果顯示其灌溉需水量并沒有顯著的變化幅度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能在于年際間降雨集中度不同，即降雨的分配過程不同，導(dǎo)致同等的雨量伴隨不同的排水過程。過于集中的降雨只會增加排水，生育期內(nèi)其他時期仍需進行灌溉，而相對分散的降雨則可能恰好發(fā)生在灌水前一天，減少了灌溉次數(shù)，從而影響年際間灌溉需水量的變化情況。

在同一個站點不同灌溉模式下，即使水稻需水量和有效降雨量的變化趨勢一致，其灌溉需水量也可能呈現(xiàn)不同的結(jié)果。例如嫩江和孫吳站，二者在水稻需水量顯著上升而有效降雨量不變的情況下，灌溉需水量在淹水灌溉模式下無明顯趨勢，而在控制灌溉模式下均呈顯著上升趨勢。其原因可能在于控制灌溉模式改變了田間蓄水的上、下限，影響了生育期內(nèi)的排水過程，導(dǎo)致灌溉需水量也隨之變化。

進一步分析各站點在不同灌溉模式下有效降雨量年平均值(圖6)可以看出，控制灌溉稻田的降雨有效利用率為84%，較淹水灌溉模式提高了20%。這可能是由于控制灌溉稻田灌水后只建立不多于5 mm水層，一方面使水稻奢侈耗水變少，另一方面又增加了稻田的調(diào)蓄能力，從而增加了降雨的利用率。

圖6 不同灌溉模式下總降雨量與有效降雨量平均值

4 結(jié) 論

本研究以黑龍江省8個典型站點近60年(1956-2015年)的歷史氣象資料為依據(jù)，利用Penman-Monteith公式、水量平衡模型和Mann-Kendall 檢驗相結(jié)合的方法分析了ETC和灌溉需水量的變化特征及其對氣象因子變化的響應(yīng)情況，主要結(jié)論如下：

(1)在全球氣候變暖的背景下，ET0變化不完全呈上升趨勢，即存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。氣象因子直接影響了ET0的變化，引起ETC隨之改變。不同灌溉模式下ETC的變化趨勢基本一致，安達(dá)和綏化站的ETC呈極顯著和較顯著下降趨勢，嫩江和孫吳站呈極顯著上升趨勢，尚志站的ETC上升趨勢較為顯著，其余各站無明顯變化。

(2)淹水灌溉模式下，尚志站的灌溉需水量極顯著增加，其余站點無明顯變化；控制灌溉模式下，除尚志站仍表現(xiàn)出極明顯的上升趨勢外，孫吳、富錦和嫩江站也呈明顯的上升趨勢，其余站點無明顯的變化規(guī)律。此外，年際間降雨分配過程及蓄水閾值不同會使排水過程產(chǎn)生差異，從而影響灌水需水量。

(3)控制灌溉模式能夠有效地提高降雨的利用率，減少稻田灌溉需水量。控制灌溉模式下有效降雨量提高了20%，相對于淹水灌溉模式其年平均灌溉需水量降幅為44.9%～52.9%，采用控制灌溉技術(shù)可以有效減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在氣候變化條件下受到的不利影響。