李紳東，熊玉江，余仲相，肖 軍

(1.云南省水文水資源局 昭通分局， 云南 昭通 657000；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010)

以變暖為主要特征的全球氣候變化及其造成的影響已成人類關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。氣溫增加、極端降雨事件、CO2濃度變化都對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育造成直接的影響，作物需水規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致灌溉需水格局發(fā)生變化，加劇了農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾[2]。開(kāi)展作物需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究，對(duì)更好的評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，并從灌溉角度制定應(yīng)對(duì)策略，以減少氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響，對(duì)保障我國(guó)糧食安全具有重要科學(xué)意義[3]。地處低緯高原地區(qū)的昭通，同時(shí)具有低緯度和高海拔地區(qū)的雙重特性，干濕季分明、年溫差小、日溫差大，氣候特征復(fù)雜[4,5]。水稻是昭通市重要的糧食作物之一，且耗水量大，因此，研究昭通市水稻需水量的氣候變化響應(yīng)特征能夠?yàn)閰^(qū)域水資源管理提供基礎(chǔ)，保障低緯高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣候變化對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響開(kāi)展了廣泛研究，包括水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[6-8]、水稻生育期[9,10]對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律等研究工作。氣候變化在影響水稻生長(zhǎng)的同時(shí)，也導(dǎo)致水稻耗水過(guò)程的變化。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(shì)[10,11]。同時(shí)也有研究表明氣候變化増溫不明顯、降雨增加、日照時(shí)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(shì)[2,12,13]。以上研究對(duì)水稻需水量的變化趨勢(shì)及其原因做了深入的分析，但針對(duì)灌溉模式對(duì)水稻需水量對(duì)氣候變化響應(yīng)的影響研究較少，針對(duì)低緯高原地區(qū)水稻需水規(guī)律的研究也不足。本文以昭通作為低緯高原地區(qū)典型站點(diǎn)為研究對(duì)象，探討了昭通市氣候變化特征及其對(duì)稻田耗水量和灌溉需水對(duì)氣候變化的響應(yīng)，以期為低緯高原地區(qū)在未來(lái)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決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了昭通站1951年1月1日至2015年12月31日逐日氣象數(shù)據(jù)(其中1951、1952和1967年部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失)。昭通站W(wǎng)MO編號(hào)為56586，位于北緯27.35°、東經(jīng)103.72°，海拔高度為1 950 m，典型的低緯高原地區(qū)。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(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和降雨量。

1.2 灌溉處理

本文灌溉設(shè)置了兩種灌溉模式，分別為節(jié)水灌溉和常規(guī)灌溉。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，其余各生育階段灌水后田面均不建立水層，以根層土壤含水率作為控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額。土壤水分控制上限為飽和含水率，下限則視水稻不同生育階段，分別取土壤飽和含水率的60%～80%；傳統(tǒng)灌溉稻田按照當(dāng)?shù)毓喔攘?xí)慣，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。兩種灌溉模式的灌水技術(shù)參數(shù)如表1所示。

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Tab.1 The parameter of irrigation and maximum permissible depth after rain for paddy field under different irrigation conditions

注：表中數(shù)字表示水層，mm；θs為飽和含水率；常規(guī)灌溉方式分蘗后期需進(jìn)行曬田，曬田期間不灌溉。

1.3 計(jì)算方法

(1)水稻騰發(fā)量ETc計(jì)算。水稻需水量采用單作物作物系數(shù)計(jì)算[14]，同時(shí)考慮土壤水分修正系數(shù)[15]，具體公式如下：

ETc=kcksET0

(1)

(2)

(3)

式中：ETc為水稻需水量，mm；ET0為日參考作物需水量，mm；kc為作物系數(shù)，根據(jù)FAO推薦值和昭通實(shí)際情況，取水稻剩余初期、中期和末期分別取值1.05、1.63和1.03；ks為土壤水分修正系數(shù)；θ為生育階段水稻根層土壤含水率，%；θs為生育階段水稻根層土壤飽和含水率，%；a、b和n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；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(shí)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(jì)常數(shù)，kPa/℃。

(2)稻田滲漏量計(jì)算。根據(jù)田間有水層和無(wú)水層兩種情況，分別采用線性模型和非線性模型估算稻田滲漏量[15]。

(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；a，b為擬合參數(shù)；K0為飽和水力傳導(dǎo)度，其取值范圍為0.1～1.0 m/d；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般為50～250；Tt為土壤含水率飽和狀態(tài)達(dá)到第t天水平時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，d；Ht為第t天水稻主根層深度，m。

(3)灌溉需水量計(jì)算方法。水稻灌溉需水量定義為水稻生長(zhǎng)過(guò)程中需要依靠灌溉補(bǔ)充的水量，根據(jù)表1所示灌水規(guī)則，灌溉發(fā)生在稻田水層或土壤水分達(dá)到灌溉下限。因此，在不考慮輸水損失情況下，灌溉需水量計(jì)算公式為：

當(dāng)灌溉下限為水層即hdt>0時(shí)：

(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第t天根系層土壤含水率，%；hdt為灌溉下限，mm。

當(dāng)灌溉下限為土壤含水率即θdt時(shí)：

(6)

式中：θdt為第t天灌水土壤含水下限，%。

(4)有效降雨量計(jì)算方法。稻季有效降雨量根據(jù)稻田水量平衡計(jì)算，在不考慮灌溉產(chǎn)生徑流的條件下稻田水量平衡方程如下：

ht=ht-1+Pt+It-ETct-St-Dt

(7)

Dt=max [0,(ht-1+Pt+It-ETct-St-hut)]

(8)

式中：P為第t天降雨量，mm；Dt為第t天排水量，mm；hst為第t天降雨后稻田允許蓄雨深度(見(jiàn)表1)，mm。

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(jì)算公式如下：

Pet=Pt-Dt

(9)

式中：Pet為有效降雨量，mm，在有效降雨量計(jì)算中忽略了降雨初損。

(5)趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)方法。本文應(yīng)用簡(jiǎn)單的線性回歸方法計(jì)算氣候變化、水稻耗水量以及灌溉需水量總體變化趨勢(shì)，應(yīng)用Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱MK)檢驗(yàn)判別序列整體長(zhǎng)期線性趨勢(shì)顯著性以及變化突變點(diǎn)檢測(cè)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 昭通氣候變化特點(diǎn)

氣溫和輻射是影響水稻需水量變化的主要因素，而降雨是影響灌溉需水量的主要因素。因此，分析昭通市歷史氣溫、日照時(shí)數(shù)和降雨量，有利于分析需水量和灌溉需水量變化原因。昭通年累計(jì)日照時(shí)數(shù)變化規(guī)律如圖1所示，在時(shí)間序列上，昭通市年日照總體呈減小趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z為-2.63，達(dá)到極顯著的水平。由圖2可知，日照時(shí)數(shù)在1987年以前呈微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，1987-2010年呈微弱減小趨勢(shì)，近5年日照時(shí)數(shù)顯著性減小。日照時(shí)數(shù)在1988年和2003年存在突變。昭通年積溫變化規(guī)律如圖3所示，呈正弦波動(dòng)，且年際變幅較大，最低達(dá)到3 952 ℃，最高達(dá)到4 302 ℃。積溫有明顯的增加趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z為3.26，達(dá)到極顯著的水平。由圖4可知，年積溫突變發(fā)生在2004年， 1999年前年積溫呈減小趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯，1999年以后呈増溫趨勢(shì)，特別是2007年以后，増溫趨勢(shì)顯著。年降雨量變化規(guī)律如圖5所示，降雨量變化與日照時(shí)數(shù)變化規(guī)律相似，年際波動(dòng)較大，在時(shí)間序列上總體呈現(xiàn)降雨量減少的趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z為-2.02，減少趨勢(shì)明顯，特別是2000以來(lái)，年降雨量減少達(dá)到顯著水平(圖6)。總體而言，隨著氣候變化昭通市年積溫顯著增加，而日照時(shí)數(shù)和降雨量呈顯著減小趨勢(shì)。

圖1 昭通市年日照時(shí)數(shù)變化Fig.1 Annual accumulated sunshine duration change trend at Zhaotong site

圖2 昭通市年日照時(shí)數(shù)M-K統(tǒng)計(jì)量曲線Fig.2 The M-K statistics of annual accumulated sunshine duration change trend at Zhaotong site

圖3 昭通市年積溫變化Fig.3 Annual accumulated air temperature change trend at Zhaotong site

圖4 昭通市年積溫M-K統(tǒng)計(jì)量曲線Fig.4 The M-K statistics of annual accumulated air temperature change trend at Zhaotong site

圖5 昭通市年降雨量變化Fig.5 Annual accumulated precipitation change trend at Zhaotong site

2.2 稻田耗水量對(duì)氣候變化響應(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)致水稻需水規(guī)律的變化，但不同灌溉模式下水稻耗水過(guò)程對(duì)氣候變化響應(yīng)規(guī)律存在差異。兩種灌溉模式下水稻需水量ETc均隨著時(shí)間序列呈波動(dòng)減小趨勢(shì)(見(jiàn)圖7)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z分別達(dá)到-3.90和-3.10(見(jiàn)表2)，減小趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平。不同灌溉模式下稻田滲漏量均呈減少趨勢(shì)(見(jiàn)圖8)，常規(guī)灌溉稻田滲漏減少趨勢(shì)極明顯。對(duì)比分析氣候因子變化與水稻ETc變化規(guī)律，水稻ETc主要受昭通市日照時(shí)數(shù)縮短影響而減??；稻田滲漏量主要受稻田土壤結(jié)構(gòu)和田間水分狀況影響，降雨量變化是導(dǎo)致稻田滲漏量減少的主要?dú)庀笠蛩亍?duì)比分析不同灌溉模式下稻田耗水量規(guī)律，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(guò)土壤水分調(diào)控有效抑制了水稻無(wú)效蒸發(fā)蒸騰，同時(shí)大幅減少了稻田滲漏量，節(jié)水灌溉較常規(guī)灌溉稻田多年平均水稻ETc減少16%，滲漏量減少38%，耗水量減少21.5%。不同灌溉模式稻田水稻ETc對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律基本一致，但滲漏量變化規(guī)律存在差異，與常規(guī)灌溉稻田相比，節(jié)水灌溉稻田滲漏量受氣候變化影響較小，其主要原因可能是節(jié)水灌溉稻田不建立水層，增加了調(diào)蓄能力，降低了稻田滲漏水力梯度。

圖7 昭通市水稻全生育期需水量變化Fig.7 The ETc of rice grow season change at Zhaotong site

圖8 昭通市水稻全生育期滲漏量變化Fig.8 The percolation of rice grow season change trend at Zhaotong site

2.3 不同灌溉模式下稻田灌溉需水量對(duì)氣候變化響應(yīng)規(guī)律

氣候變化影響了作物耗水規(guī)律以及水稻生育期降雨，從而導(dǎo)致稻田灌溉需水量發(fā)生變化。昭通市水稻灌溉需水量變化規(guī)律如表2所示，兩種灌溉模式下灌溉需水量年際變化明顯，兩種灌溉模式稻田灌溉需水量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分別為0.36和0.42，增加趨勢(shì)不明顯。兩種灌溉模式下有效降雨量變化規(guī)律較為一致，均呈顯著減小趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分別為-2.52和-2.68，呈極顯著水平。對(duì)比分析氣象因子變化，昭通市是降雨量的減少是導(dǎo)致稻田有效降雨量減少的主要因素。由表2可知，雖然兩種灌溉模式稻田灌溉需水量和有效降雨量對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律基本一致，但節(jié)水灌溉稻田通過(guò)控制田間水層，有效地減少了稻田的滲漏量，同時(shí)增加了稻田對(duì)降雨的調(diào)蓄能力，提高了雨水的利用效率[18]，節(jié)水灌溉稻田較常規(guī)灌溉稻田灌溉需水量減少57%，降雨利用量提高11%。昭通市在日照、氣溫和降雨變化的綜合作用下，雖然水稻需水量和稻田滲漏呈減少趨勢(shì)，但是隨著降雨量的減少，極端降水概率增加，稻田灌溉需水量仍呈微弱增加趨勢(shì)，節(jié)水灌溉通過(guò)控制稻田水分狀況，能夠有效降低稻田耗水量，增加降雨利用效率，因此，發(fā)展節(jié)水灌溉有利于緩解氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響。

表2 昭通市不同灌溉模式下稻田耗水量、灌溉需水量及有效降雨量變化 mm

3 結(jié) 語(yǔ)

基于稻田水循環(huán)要素計(jì)算方法和MK檢驗(yàn)方法，分析了昭通市為代表的低緯高原地區(qū)歷史日照時(shí)數(shù)、年積溫和降雨量變化規(guī)律以及不同灌溉模式下稻田耗水與灌溉需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，昭通市年積溫隨時(shí)間序列顯著增加，而日照時(shí)數(shù)和降雨量呈顯著減小趨勢(shì)；不同灌溉模式下水稻耗水量和灌溉需水量隨氣候變化規(guī)律基本一致，但不同灌溉模式下水稻耗水與灌溉需水量存在顯著差異。

(1)在昭通市氣候因子變化的綜合影響下，稻田耗水量呈減小趨勢(shì)。兩種灌溉模式下水稻需水量ETc在日照時(shí)數(shù)縮短的影響下呈極顯著減?。徊煌喔饶Ｊ较碌咎餄B漏下均呈減小趨勢(shì)，但節(jié)水灌溉稻田稻田滲漏減少不顯著。節(jié)水灌溉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16%和38%，年平均耗水量減少21.5%。

(2)不同灌溉模式下稻田有效降雨量呈顯著降低趨勢(shì)。昭通市稻田有效降雨量隨著降雨量的減少呈減少趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分達(dá)到-2.52和-2.68。水灌溉稻田通過(guò)控制田間水層，增加了稻田對(duì)降雨的調(diào)蓄能力，提高了雨水的利用效率，多年平均有效降雨量較常規(guī)灌溉提高11%。

(3)昭通市稻田灌溉需水量呈微弱增加趨勢(shì)。雖然水稻需水量和稻田滲漏呈減少趨勢(shì)，但是隨著降雨量的減少，極端降水概率增加，稻田灌溉需水量仍呈微弱增加趨勢(shì)。節(jié)水灌溉通過(guò)控制稻田水分狀況，能夠有效降低稻田耗水量，增加降雨利用效率，節(jié)水灌溉稻田較常規(guī)灌溉稻田灌溉需水量減少57%。因此，在未來(lái)氣候變化趨勢(shì)下，低緯高原地區(qū)應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水灌溉，促進(jìn)包括昭通市在內(nèi)的低緯高原特色農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。