氣候變化下滇中地區水稻需水量與灌溉需水指數時空變化研究

曹 言，王 杰，王樹鵬，黃 英，張 雷，李尤亮

(云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650228)

云南省地處云貴高原，氣候類型多樣、地形地貌和土壤類型復雜，是我國水稻種植大省，種植歷史悠久，且分布廣泛[1]。滇中地區是云南省農業生產最發達的地區，也是云南省水稻主產區，水稻種植面積和產量占全省的70%[2]。由于氣候變化、作物生長期空間分布差異較大，導致了滇中水稻水分供需時空差異較大[3-4]。準確掌握滇中地區水稻各生育期內需水量和有效降雨量的時空變化特征，對于灌溉決策和水資源規劃具有重要意義[5]。

目前水稻需水量的計算主要是通過Penman-Monteith公式和作物系數法[6]。針對不同區域水稻需水量變化特征及其影響因子的分析方面已有較多研究成果[7-16]，但存在以下幾個問題：①FAO-56將水稻生育期劃分為3個階段，即生長初期、生長中期、生長后期，其相對應作物系數Kc參考FAO推薦的值[9-11]，或直接參考相關研究成果[12-13]，最終計算結果與實際值存在一定誤差；②水稻生育期和相應作物系數Kc參考當地灌溉試驗結果[14-16]，但由于地形、氣候、供水條件和灌溉方式等不同，水稻種植收割日期、灌水量、土壤滲漏量等情況均不同，地區灌溉試驗站數量偏少，空間分布不均勻，試驗數據缺乏一定的代表性。因此，開展地區水稻灌溉試驗研究，積累不同地區水稻需水量、作物系數等資料是十分有必要的。

滇中地區灌溉試驗工作長久以來處于低谷期，僅在上世紀八十年代，開展過階段性的水稻、玉米、小麥等作物的灌溉試驗工作，導致滇中地區灌溉試驗及相關研究長期滯后，資料長期缺失。目前，滇中地區水稻需水方面的研究也較少[17-19]，如吳灝等[17]基于CPORWAT模型分析了昆明市水稻需水量及灌溉用水量；王樹鵬等[18]在嵩明和大理開展了不同灌溉條件下水稻的需水規律研究；張凱等[19]在昆明尋甸試驗基地開展了不同灌溉條件下水稻需水規律及節水潛力研究。基于水稻灌溉試驗資料計算滇中不同分區水稻不同生育期需水量變化特征的研究更是鮮有報道。

另一方面，旱災是云南省自然災害中最頻發、持續時間最長，影響范圍最廣的自然災害[20]。隨著近年來干旱事件頻發，缺水已成為了制約農業生產發展主要的因素。在此背景下，本研究根據2014—2018年滇中各區水稻灌溉試驗資料，利用1961—2013年滇中地區48個氣象站最高氣溫、最低氣溫、平均風速、相對濕度和降水量等逐日觀測資料，分析滇中各區水稻需水量ETc、有效降雨量Pe、凈灌溉需水量IR和灌溉需水指數IRI時空變化特征，研究結果可為滇中地區優化水資源配置、云南省灌溉試驗站建設、水稻用水定額修訂以及水稻灌溉制度制定提供依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

滇中地區包括昆明、玉溪、紅河、大理、曲靖、楚雄和麗江等地(圖1)，氣候屬于低緯度高原山地季風氣候，日照充足，四季如春，位置偏北地區有短暫的冬季，偏南地區有短暫的夏季，干濕季分明。年降水量約為955.0 mm，雨季(5—10月)降水量占全年85%以上，其中主汛期(6—8月)降水量占全年40%以上，旱季(11月—次年4月)降水量僅占全年15%左右。土壤類型主要為山原紅壤、水稻土和紫色土。地形以山地和山間盆地為主，地勢起伏和緩。根據自然條件、社會經濟條件相一致的原則，且當地作物種植結構和布局等特點基本類似，耕作栽培制度、農藝配套措施、田間生產管理水平和灌溉方式等基本一致[21]，將滇中地區劃分為5個亞區，分別為滇中I-1區、滇中I-2區、滇中I-3區、滇中I-4區和干熱河谷Ⅵ區。

1.2 數據來源

收集了1961—2013年滇中地區48個氣象站的氣象數據，包括最高和最低氣溫、平均氣溫、降水量、風速、日照時數和相對濕度等逐日觀測資料，數據來自中國氣象科學數據共享服務網。剔除異常或缺失較長時序的數據，確保該時段數據的完整性。

1.3 水稻需水量計算

水稻日需水量ETc由日參考作物蒸發蒸騰量ET0和作物系數Kc相乘而得，具體公式如下：

ETc=ET0×Kc

(1)

式中，ETc為水稻日需水量(mm)；Kc為水稻作物系數。

1.3.1 參考作物蒸發蒸騰量ET0采用Penman-Monteith公式[22]計算逐日參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，其在西南地區具有較好的適用性[23]，具體公式如下：

(2)

式中，ET0是日參考作物蒸散量(mm，day)；Rn是到達作物表面的凈輻射(MJ·m-2，day)；G是土壤熱通量(MJ·m-2，day)；T是2 m高處日平均氣溫(℃)；u2是2 m高處的平均風速(m·s-1)；ed是飽和水汽壓(kPa)；ea是實際水汽壓(kPa)；ea-ed為飽和水汽壓差；Δ為飽和水汽壓曲線的傾率；γ為濕度計常數(kPa·℃-1)。

1.3.2 作物系數Kc根據云南省灌溉試驗站提供的滇中I-1區嵩明站、滇中I-2區大理和姚安站，滇中I-3區建水站，滇中I-4區陸良站水稻灌溉試驗資料，擬定滇中不同分區水稻作物系數Kc值，其中滇中I-2區的大理和洱源氣象站水稻需水量計算時參考大理試驗站，其余站點參考大姚試驗站。目前干熱河谷區Ⅵ區農業種植結構變化較大，已由以水稻、玉米為主的傳統農業轉變為以葡萄、柑橘、蔬菜等為主的高原特色現代農業，因此干熱河谷區Ⅵ區水稻Kc值參考相關地區的研究成果[24]，水稻播種日期、各生育階段時長、收獲日期等通過查閱當地農業物候資料和現場調查，并結合各水稻灌溉試驗站的數據確定，具體見表1。

1.4 水稻凈灌溉需水量和需水指數

水稻凈灌溉需水量等于水稻需水量與有效降水量之差，表示滿足滲漏損失、蒸散發和其他需水情況下的水量；水稻灌溉需水指數等于水稻凈灌溉需水量與需水量的比值，其可反映出水稻生長對灌溉的依賴程度及水稻相對缺水程度，也可在一定程度上反映水稻生長的旱澇情況[25]。

表1 滇中不同分區站點水稻生育期Kc值

IR=ETc-Pe

(3)

IRI=IR/ETc

(4)

式中,IR為作物凈灌溉需水量(mm)；Pe為作物生育期有效降雨量(mm)；IRI為作物灌溉需水指數。

水稻各生育期的有效降雨量采用美國農業部土壤保持局(USDA)推薦的方法計算[26]。

(5)

式中,Pe為日有效降水量，P為日降水量。

1.5 分析方法

采用線性趨勢法和Mann-Kendall趨勢檢驗對滇中地區水稻不同生育階段需水量、有效降水量、灌溉需水量、需水指數進行趨勢分析，其中時間序列自相關對Mann-Kendall趨勢檢驗精度會產生影響，因此本文采用白熱化(Pre-Whitening)方法對存在自相關性的序列消除時間序列自相關性[27]；顯著水平α分別為0.5和0.01，當α≤0.01，即|Z|>2.58時，說明檢驗具有極高顯著性水平；當0.01<α≤0.05，即|Z|>1.96且|Z|<2.58時，說明檢驗具有顯著性水平；當α>0.05，即-1.96

利用Arcgis 10.0軟件中Kriging插值法分析滇中地區水稻不同生育期ETc、Pe、IR和IRI的空間變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 水稻需水量、有效降雨量和灌溉需水指數的時間變化特征

根據公式(1)～(5)計算滇中48個氣象站的水稻需水量、有效降水量和灌溉需水指數，分別求得滇中各分區各指標逐年值。由圖2可知，1961—2013年滇中地區水稻全生育期ETc介于505.92～597.04 mm之間，Pe介于170.31～303.25 mm之間，IRI介于0.42～0.69之間。其中滇中I-1區ETc和IRI最小，分別為423.79 mm和0.41；滇中I-4區Pe最大，達到268.76 mm；干熱河谷區Ⅵ區ETc和IRI最大，分別為852.24 mm和0.76，Pe最小，僅為203.36 mm，除干熱河谷區Ⅵ區外，其余地區IRI基本與云貴地區主要作物IRI<0.5的結論一致[28]。在變化趨勢方面，滇中地區ETc(Z=-2.0634)和Pe(Z=-2.2935)均呈顯著減少趨勢，減幅為4.358 mm·10a-1和6.468 mm·10a-1，IRI(Z=1.4191)呈波動上升趨勢，增幅為0.8%·10a-1；其中滇中I-1區、滇中I-2區和干熱河谷區Ⅵ區ETc呈減小趨勢，干熱河谷Ⅵ區(Z=-3.5976)呈極顯著減小趨勢，減幅為19.502 mm·10a-1，滇中I-3區和滇中I-4區ETc呈上升趨勢；各區Pe均呈減小趨勢，滇中I-1區(Z=-2.2629)呈顯著減小趨勢，滇中I-2區(Z=-2.6617)、滇中I-3區(Z=-3.0453)和滇中I-4區(Z=-2.6464)呈極顯著減小趨勢，干熱河谷Ⅵ區(Z=-0.7747)呈弱減小趨勢，各區減幅分別為6.206、7.573、8.112、8.469 mm·10a-1和1.978 mm·10a-1；IRI僅干熱河谷Ⅵ區呈減小趨勢，其余各區IRI均呈上升趨勢，滇中I-3區(Z=2.4623)和滇中I-4區(Z=2.2322)呈顯著上升趨勢，上升幅度分別為1.70%·10a-1和1.60%·10a-1。可見，滇中地區水稻IRI呈上升趨勢，水稻相對缺水程度呈上升趨勢，與滇中地區干燥指數上升趨勢一致[28]，ETc減小主要集中在滇中I-2區和干熱河谷Ⅵ區，Pe減小趨勢主要集中在滇中I-3區和滇中I-4區，IRI上升趨勢主要集中在滇中I-3區和滇中I-4區。

圖2 1961—2013年滇中不同分區ETc、Pe和IRI的年際變化Fig.2 The inter-annual variation of ETc, Pe and IRI in different subregions in the central Yunnan Province during 1961-2013

從滇中各區水稻不同生育期ETc、Pe、IR和IRI的Man-Kendall趨勢檢驗結果看(表2)，滇中I-1區各生育期ETc和Pe均呈減小趨勢；IR和IRI大部分生育期呈上升趨勢。滇中I-2區各生育期ETc和Pe大部分呈減小趨勢；IR和IRI各生育期大部分呈上升趨勢。滇中I-3區返青期、拔節孕穗期和乳熟期ETc呈減小趨勢，分蘗期、抽穗開花期和黃熟期ETc呈上升趨勢；IR和IRI大部分生育期呈上升趨勢。滇中I-4區返青期、拔節孕穗期和乳熟期ETc呈減小趨勢，分蘗期、抽穗開花期和黃熟期ETc呈上升趨勢；返青期和拔節孕穗期Pe呈上升趨勢，其余生育期Pe呈減小趨勢；IR和IRI整體呈上升趨勢。干熱河谷Ⅵ區各生育期ETc均呈減小趨勢；返青期、分蘗期和抽穗開花期Pe呈上升趨勢，拔節孕穗期、乳熟期和黃熟期Pe呈減小趨勢；除乳熟期外IR和IRI均呈減小趨勢，其中抽穗開花期IR呈顯著減小趨勢，乳熟期IRI呈顯著上升趨勢。根據水稻各生育期ETc、Pe、IR和IRI的變化規律，滇中I-1區和滇中I-2區變化趨勢一致，滇中I-3區和滇中I-4區變化趨勢一致，干熱河谷Ⅵ區與其他各區差異較大，ETc、Pe、IR和IRI顯著變化主要出現在抽穗開花期、分蘗期和乳熟期。

表2 滇中水稻不同生育期ETc、Pe、IR和IRI變化趨勢的斜率

2.2 水稻需水量的空間變化特征

由圖3a～f可知，滇中水稻ETc呈分蘗期>抽穗開花期>乳熟期>拔節孕穗期>返青期>黃熟期的趨勢；分蘗期雨季尚未到來，氣溫高、風速大，田面蒸發較大；抽穗開花期隨著進入雨季，相對濕度增大，水稻生長旺盛，蒸發蒸騰量增大，導致該生育期ETc較大。返青期ETc呈中部低四周高的分布特征，分蘗期ETc呈北高南低的分布特征,拔節孕穗期ETc呈中部高東西低的分布特征,抽穗開花期、乳熟期和黃熟期ETc呈中東部低北部高的分布特征。ETc高值區主要分布在中北部的干熱河谷Ⅵ區，低值區主要分布在中東部。

由圖4a～f可知，79.17%站點返青期ETc呈減小趨勢，且減幅由中部向東西部遞減；56.25%站點分蘗期ETc呈上升趨勢，增幅由南部和西南部向中部遞減；89.58%站點拔節孕穗期ETc呈減小趨勢，減幅由中部向東西部遞減；58.33%站點抽穗開花期ETc呈減小趨勢，減幅由中部向東南和西南遞減；60.42%站點乳熟期和黃熟期ETc呈減小趨勢，減幅均由中部向西部和東南部遞減。各生育期內ETc減幅高值區主要分布在中北部，增幅高值區主要分布在東南部和西南部。

由圖3g和圖4g可知，滇中水稻全生育期ETc整體上呈中東低中北部高的分布特征；72.92%站點ETc呈減小趨勢，減幅由中部向東西部遞減，東川等8個站點ETc呈極顯著或顯著減小趨勢。

2.3 水稻有效降雨量的空間變化特征

由圖5a～f可知，滇中水稻Pe呈抽穗開花期>分蘗期>拔節孕穗期>乳熟期>返青期>黃熟期的趨勢；抽穗開花期和乳熟期Pe整體上呈南部低西北高，黃熟期Pe則呈相反的分布特征，返青期、分蘗期和拔節孕穗期Pe整體上呈中北部低東西部高。Pe低值區由中部逐漸向東南和西部轉移，再逐漸向西北轉移。

圖3 1961—2013年滇中水稻不同生育期需水量空間分布Fig.3 Spatial distributions of ETc in different growth stages of rice during 1961-2013

圖4 1961—2013年滇中水稻不同生育期需水量空間變化Fig.4 Spatial variation of ETc in different growth stages of rice during 1961-2013

圖5 1961—2013年滇中水稻不同生育期有效降雨量空間分布Fig.5 Spatial distributions of Pe in different growth stages of rice during 1961-2013

由圖6a～f可知，56.25%站點返青期Pe呈上升趨勢，上升幅度由中東部向西部遞減；87.50%站點分蘗期Pe呈減小趨勢，減幅由西南向東北遞減；52.08%站點拔節孕穗期Pe呈上升趨勢，增幅由中部向西南和東北遞增；81.25%站點抽穗開花期Pe呈減小趨勢，減幅由東部向西北遞減；89.58%站點乳熟期Pe呈減小趨勢，減幅呈中部和東部高，西南低的趨勢；81.25%站點黃熟期Pe呈減小趨勢，減幅由中東向西北和東南遞減。Pe減幅高值區主要分布在中東部，增幅高值區主要分布在中西部。

由圖5g和圖6g可知，滇中水稻全生育期Pe整體上呈東部高中西低的分布特征，與ETc呈相反分布特征；97.92%站點Pe呈減小趨勢，減幅由東部向西部遞減，沾益等24個站點Pe呈極顯著或顯著減小趨勢。

2.4 水稻灌溉需水指數的空間變化特征

由圖7a～f可知，滇中水稻IRI呈返青期>分蘗期>黃熟期>乳熟期>拔節孕穗期>抽穗開花期的趨勢。返青期、分蘗期和黃熟期IRI均大于0.5，表明滇中地區在平水年降水條件下，水稻在這些生育期生長需人工灌溉，否則會出現干旱缺水的現象，主要由于在返青期和分蘗期剛進入雨季，黃熟期雨季即將結束，降雨頻次和降雨量相對于其他生育期相對較少，缺水風險相對較高。乳熟期、拔節孕穗期和抽穗開花期IRI均小于0.5，表明水稻在這些生育期降水頻率高，出現缺水年份相對較少。返青期、分蘗期和拔節孕穗期IRI整體上呈中北部高東西部低的分布特征，抽穗開花期、乳熟期和黃熟期IRI整體上呈四周高中部低的分布特征。IRI高值區由中北部向東部和南部轉移，低值區由東部向中部轉移，且低值區范圍逐漸縮小。

由圖8a～f可知，58.33%站點返青期IRI呈減小趨勢，減幅由西向東遞減；81.25%站點分蘗期IRI呈上升趨勢，增幅由中部向西南和東南遞增；60.42%站點拔節抽穗期IRI呈減小趨勢，減幅由中部向東西部遞減；77.08%站點抽穗開花期IRI呈上升趨勢，增幅由中部向東西部遞增；95.83%站點乳熟期IRI呈上升趨勢，增幅由東向西遞減；70.83%站點黃熟期IRI呈上升趨勢，增幅由中東向西北遞減。IRI增幅高值區主要分布在中東部，減幅高值區主要分布在中北部。

圖6 1961—2013年滇中水稻不同生育期有效降雨量空間變化Fig.6 Spatial variation of Pe in different growth stages of rice during 1961-2013

圖7 1961—2013年滇中水稻不同生育期灌溉需水指數空間分布Fig.7 Spatial distributions of IRI in different growth stages of rice during 1961-2013

圖8 1961—2013年滇中水稻不同生育期灌溉需水指數空間變化Fig.8 Spatial variations of IRI in different growth stages of rice during 1961-2013

由圖7g和8g可知，滇中水稻全生育期年均IRI為0.58，整體上呈中東低中北部高的分布特征；83.33%站點IRI呈上升趨勢，上升幅度由東部向西部遞減，洱源等13個站點IRI呈極顯著或顯著上升趨勢。

3 討 論

本研究發現滇中水稻不同生育期ETc與Pe均呈現相反的變化特征，導致滇中中北部IRI處于高值區，中東部IRI處于低值區，IRI增幅高值區主要分布在中東部，減幅高值區主要分布在中北部。由于滇中地區近年來增溫趨勢明顯[4]，作物生長期顯著延長[3]，水稻生育期需水量增加[29-31]，導致水資源壓力增加，尤其是在滇中中東部。ETc、Pe和IRI顯著變化主要出現在抽穗開花期、分蘗期和乳熟期，抽穗開花期需水量對水稻產量影響最大[32-33]，分蘗期過度水分虧缺，會抑制稻株的分蘗，分蘗數減小將會影響有效穗數[34]。因此，抽穗開花期和分蘗期IRI增加，將會增加干旱概率，影響水稻產量，這種狀況需引起當地水務和農業等相關部門的高度關注。

此外，根據滇中不同分區水稻需水量和有效降雨量，利用公式(3)得到不同分區逐年的凈灌溉需水量，滇中I-1區、滇中I-2區、滇中I-3區滇中I-4區和干熱河谷Ⅵ區水稻凈灌溉水量多年平均值分別為174.60、194.58、270.33、263.51 mm和648.88 mm，整體呈現出滇中I-1區<滇中I-2區<滇中I-4區<滇中1-3區<干熱河谷Ⅵ區的趨勢，與實際情況基本符合[21]。同時采用矩法公式推求不同水平年份(保證率P=50%、P=75%和P=90%)各區水稻凈灌溉用水量，與《云南省地方標準用水定額》(DB53/T 168—2013)比較，發現通過矩法推求的不同水平年份下水稻凈灌溉用水量均明顯小于灌溉用水定額[1]。一方面由于水稻品種、灌水方式和土壤類型等都會影響水稻需水量[30-31]，各區水稻灌溉試驗站所采用的水稻品種均為當地農民常用品種，但各地差異相對較大，種植品種存在不確定性；各地區灌水方式和田間管網差異也相對較大，如在水資源嚴重短缺的干熱河谷地區實行農業水價改革，大面積實行節水灌溉、控制灌溉等均會有效減小凈灌溉需水量，在水資源豐富的地區，水稻灌水仍是傳統淹灌模式，人們節水意識相對較差，凈灌溉需水量反而會增加。另一方面，滇中地區灌溉試驗站數量相對偏少、試驗數據時序較短，且空間分布不均，也可能會影響凈灌溉需水量的計算；加之凈灌溉需水量未考慮水稻移栽前的泡田水量，如2016年(平水年)建水水稻灌溉試驗站實測泡田水量為1 950 m3·hm-1[35-36]，以上各因素綜合作用導致凈灌溉需水量較《云南省地方標準用水定額》偏小。

4 結 論

1)1961—2013年滇中地區水稻ETc、Pe、IR和IRI平均值分別為546.34、235.96、310.38 mm和0.57，ETc和Pe均呈顯著減少趨勢，IR和IRI呈波動上升趨勢，其變化幅度分別為-4.358、-6.468、1.2 mm·10a-1和0.8%·10a-1。ETc減小趨勢主要集中在滇中Ⅰ-2和干熱河谷Ⅵ區，Pe減小趨勢主要集中在滇中I-3區和滇中I-4區，IRI上升趨勢主要集中在滇中I-3區和滇中I-4區。

2)1961—2013年滇中水稻ETc呈分蘗期>抽穗開花期>乳熟期>拔節孕穗期>返青期>黃熟期的趨勢，整體上呈中東低中北部高的分布特征，且ETc減幅由中部向東西部遞減。ETc高值區主要分布在中北部的干熱河谷Ⅵ區，低值區主要分布在中東部；ETc減幅高值區主要分布在中北部，增幅高值區主要分布在東南部和西南部。

3)1961—2013年滇中水稻Pe呈抽穗開花期>分蘗期>拔節孕穗期>乳熟期>返青期>黃熟期的趨勢，整體上呈東部高中西低的分布特征，Pe減幅由東部向西部遞減。Pe低值區由中部逐漸向東南和西部轉移，再逐漸向西北轉移；Pe減幅高值區主要分布在中東部，增幅高值區主要分布在中西部。

4)1961—2013年滇中水稻IRI呈返青期>分蘗期>黃熟期>乳熟期>拔節孕穗期>抽穗開花期的趨勢，整體上呈中東低中北部高的分布特征，IRI增幅度由東部向西部遞減。IRI高值區由中北部向東和南部轉移，低值區由東部向中部轉移，且低值區范圍逐漸縮小；IRI增幅高值區主要分布在中東部，減幅高值區主要分布在中北部。