鮑金麗，王衛(wèi)光，丁一民

(河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

0 引 言

以溫度升高、降水波動(dòng)為主要特征的氣候變化，已經(jīng)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉需水產(chǎn)生了顯著的影響。水稻作為耗水量最大的糧食作物，其灌溉需水量受氣候變化影響尤為顯著[1]。目前，已有眾多學(xué)者展開(kāi)了水稻灌溉需水量對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究。其中，主要以歷史氣象數(shù)據(jù)和大氣環(huán)流模式(GCMs)結(jié)合作物系數(shù)法與水量平衡原理或結(jié)合作物模型，逐日推求水稻灌溉需水量[2-4]。王衛(wèi)光等[5]基于作物系數(shù)法和水量平衡，綜合考慮降雨有效性和區(qū)域滲漏特征，在A2和B2兩種氣候情景下分析了長(zhǎng)江中下游水稻灌溉需水量時(shí)空變化特征；黃志剛等[6]以作物系數(shù)法結(jié)合有效降雨研究了CMIP5_RCP4.5情景下松嫩平原水稻灌溉需水量變化特征。然而，不同的灌溉方式對(duì)應(yīng)著不同的灌溉制度，在不同的生育期有著不同的灌溉上下限。因此，基于需水量、有效降雨和平均滲漏的水量平衡計(jì)算，并不能完全反應(yīng)水稻灌溉過(guò)程。此外，水稻控制灌溉技術(shù)由于其高效的節(jié)水能力，而得到了廣泛的推廣[7]。但以往的研究多集中于常規(guī)灌溉，基于水稻控制灌溉制度結(jié)合水量平衡原理，研究水稻灌溉需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)還未見(jiàn)報(bào)道。本文基于昆山灌排試驗(yàn)基地的試驗(yàn)資料、氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及CMIP5氣候模式數(shù)據(jù)，結(jié)合水稻控制灌溉制度、水量平衡原理和TM積溫模型研究過(guò)去50年(1961-2010年)以及21世紀(jì)未來(lái)3個(gè)時(shí)期[2011-2040年(20年代)、2041-2070年(50年代)和2071-2100年(80年代)]水稻生育期以及灌溉需水量變化特征。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本文所采用的氣象數(shù)據(jù)包括昆山站點(diǎn)歷史氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及GCMs氣候模式數(shù)據(jù)。其中，歷史氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局信息中心氣象資料室(http:∥data.cma.cn/)。GCMs數(shù)據(jù)來(lái)源于耦合模式比較計(jì)劃第五階段(CMIP5)氣候模式數(shù)據(jù)。CMIP5氣候模式分辨率普遍較高，大氣物理過(guò)程描述精細(xì)，且提供了更多的氣候變量輸出。CMIP5氣候模式數(shù)據(jù)采用了新一代溫室氣體排放情景----典型濃度路徑(RCPs)，RCPs各情景在2100年選擇不同的輻射強(qiáng)度目標(biāo)。其中：RCP2.6表示2100年左右，輻射強(qiáng)度最高達(dá)到2.6 W/m2，RCP4.5和RCP6.0表示在2100年左右，輻射強(qiáng)度分別穩(wěn)定在4.5和6.0 W/m2，而RCP8.5表示在2100年輻射強(qiáng)度將達(dá)8.5 W/m2。本文采用BCC-CSM1.1(m)、GFDL-ESM2M和HadGEM2-ES三種氣候模式(表1)的4種氣候情景。

表1 3種氣候模式詳細(xì)信息Tab.1 The detail information of three GCMs

1.2 水稻灌溉需水量計(jì)算

本文基于水稻控制灌溉制度結(jié)合水量平衡原理，逐日推求水稻灌溉需水量?？刂乒喔仁侵父鶕?jù)水稻不同時(shí)期對(duì)水分敏感程度的差異，在各生育期設(shè)置合理土壤水分供應(yīng)。除在返青期保持5～25 mm水層外，其余各生育階段均不建立水層，僅保持土壤水分控制上限為飽和含水量，下限在不同生育期分別取飽和含水量的60%～80%[7](圖1，水層深度負(fù)值為土壤含水量換算成水層深度)。

圖1 水稻控制灌溉制度Fig.1 Rice controlled irrigation schedule

水稻田間水量平衡公式如下：

hi-hi-1=Ri+Ii-Di-Si-ETci

(1)

式中：hi、hi-1分別為第i天、第i-1天的水層深度，mm；Ri、Ii、Di、Si分別表示第i天的降雨量、灌水量、排水量、滲漏量，mm；ETci為第i天的水稻需水量，mm；水稻滲漏量根據(jù)昆山灌排試驗(yàn)基地2008年控制灌溉試驗(yàn)各生育期平均滲漏量確定[8]，不同生育期滲漏量分別取為4.33，4.02，4.59，3.24，2.27，2.32，3.11，2.81，1.3(mm)。水稻需水量(ETci)的計(jì)算基于日最低氣溫、日最高氣溫、輻射、風(fēng)速、平均水汽壓數(shù)據(jù)，采用FAO-56 Penman-Monteith方法，計(jì)算參考作物騰發(fā)量(ET0i)，然后采用單作物系數(shù)法和水分脅迫系數(shù)計(jì)算水稻逐日需水量(ETci)：

ETci=KcKsET0i

(2)

式中：ET0i為日參考作物騰發(fā)量，mm；Kc為作物系數(shù)；Ks為土壤水分脅迫系數(shù)。其中Kc系數(shù)采用昆山單季中稻作物系數(shù)修正值[9]，在生育期初始、中期和末期分別取為1.05、1.2、1.0。Ks計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[10]。

1.3 TM模型

水稻移栽日期和生育期的計(jì)算采用Carla Cesaraccio等[11]于2001年提出的Temperature Model(TM)模型，該模型是一種估算逐小時(shí)均溫的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，相比其他模型能夠更加有效地模擬日溫度曲線并準(zhǔn)確計(jì)算積溫值。TM模型將一天分為3個(gè)階段，第一階段從太陽(yáng)升起時(shí)刻Hn到最高溫對(duì)應(yīng)時(shí)刻Hx；第二階段從最高溫對(duì)應(yīng)時(shí)刻到日落時(shí)刻Ho；第三階段從日落時(shí)刻到第二天最低溫對(duì)應(yīng)時(shí)刻Hp。一和二階段溫度是用兩段正弦函數(shù)曲線擬合，第三階段用平方根函數(shù)擬和。Ho和Hp根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度確定，Hx=Ho-4，Hp=Hn+24。4個(gè)時(shí)刻Hn、Hx、Ho、Hp對(duì)應(yīng)溫度分別為：當(dāng)日最低溫度Tn、當(dāng)日最高溫度Tx、日落時(shí)溫度To、第二天最低溫度Tp。

To=Tx-c(Tx-Tp)

(3)

一天內(nèi)每一時(shí)刻溫度函數(shù)計(jì)算公式：

對(duì)式(4)求積分，將積分后的3個(gè)結(jié)果求和，得到一天的積溫值。

以昆山灌排試驗(yàn)基地2011年的水稻生育期為基準(zhǔn)，采用TM模型算出2011年水稻移栽日期當(dāng)量積溫為5.3 萬(wàn)℃，生育期當(dāng)量積溫為7.3萬(wàn)℃。

1.4 Delta降尺度

由于大氣環(huán)流模式(GCM)分辨率普遍較低，且區(qū)域模擬能力差。因此，在應(yīng)用GCM進(jìn)行區(qū)域氣候變化研究時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行校正處理。降尺度是一種有效的彌補(bǔ)GCM不足的方法，本文采用Delta方法結(jié)合研究區(qū)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)對(duì)所采用的3種GCM模式進(jìn)行降尺度處理。Delta方法具體計(jì)算過(guò)程為：①分別計(jì)算各氣象要素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均值和氣候模式輸出數(shù)據(jù)均值；②針對(duì)不同氣象要素以實(shí)測(cè)均值和氣候模式均值構(gòu)建乘法或加法因子，本文中，最高氣溫、最低氣溫和輻射采用相加形式，而水氣壓、風(fēng)速和降水采用相乘形式；③GCM預(yù)估未來(lái)氣象序列相乘或相加對(duì)應(yīng)校正因子，從而實(shí)現(xiàn)GCM的降尺度處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)去50 a水稻需水量、灌溉需水量、移栽日期和生育期變化

基于控制灌溉制度和作物系數(shù)法構(gòu)建水稻逐日水量平衡模型，結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)，在假定水稻品種不變的條件下模擬過(guò)去50年(1961-2010年)水稻需水量、灌溉需水量、移栽日期和生育期變化特征(圖2)，并采用MK趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)各要素進(jìn)行趨勢(shì)顯著性分析。從圖2中可以看出，水稻移栽日期顯著提前、生育期顯著縮短(|Z|值均大于95%置信水平值1.96)，但移栽日期提前天數(shù)相對(duì)于生育期縮短天數(shù)更大，生育期在1960-1970年代甚至有小幅上升趨勢(shì)。水稻需水量有小幅上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)不顯著(|Z|<1.96)，與需水量不同，灌溉需水量呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)(|Z|<1.96)。圖3給出了研究區(qū)過(guò)去50年水稻生育期內(nèi)最高氣溫、最低氣溫均值和降水量變化趨勢(shì)，從圖中可以看出各氣象變量均呈顯著上升趨勢(shì)。由于在本文中，移栽日期和生育期僅受最高氣溫和最低氣溫影響，因此氣溫的顯著上升帶來(lái)了移栽日期的顯著提前和生育期的大幅縮短。在水稻生育期顯著縮短的情景下，水稻需水量呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)，說(shuō)明最高氣溫和最低氣溫的顯著上升帶來(lái)的需水量增加大于生育期縮短對(duì)需水量的影響。生育期內(nèi)降水量顯著增加(|Z|=2.4>1.96)，以及水稻需水量基本不變，兩者共同作用導(dǎo)致了灌溉需水量的顯著下降。

圖2 1961-2010年控制灌溉條件下水稻需水量、灌溉需水量、移栽日期及生育期變化趨勢(shì)Fig.2 The change of rice water requirement, irrigation water requirement, transplant date and growth duration under controlled irrigation in 1961-2010

圖3 1961-2010年水稻生育期內(nèi)最高氣溫、最低氣溫及降水量變化趨勢(shì)Fig.3 The change of maximum and minimum temperature and precipitation in rice growth duration in 1961-2010

2.2 未來(lái)氣候變化下水稻移栽日期、生育期、需水量和灌溉需水量變化

以1961-2010年平均值為基準(zhǔn)值，計(jì)算3種模式4種情景在未來(lái)3個(gè)時(shí)期的水稻移栽日期、生育期、需水量和灌溉需水量變化幅度(圖4)。從圖4中可以看出，除RCP2.6情景外，3個(gè)氣候模式在其他情景的幾乎所有時(shí)期，水稻生育期隨著時(shí)間的推移而逐漸縮短，且隨著輻射強(qiáng)度的增大(從RCP2.6至RCP8.5)，縮短天數(shù)也逐漸增大。盡管三種氣候模式的生育期呈現(xiàn)出相似的變化特征，但具體變化天數(shù)有著明顯的差異。其中以HadGEM2-ES(HADG)模式縮短天數(shù)最大，其最大值為RCP8.5情景2071-2100年的31 d。在BCC-CSM1.1(m)(BCC)模式下，生育期均值最大以及最小縮短天數(shù)分別為RCP8.5情景下2071-2100年的26 d和RCP2.6情景下2011-2040年時(shí)期的11 d。在GFDL-ESM2M(GFDL)模式下，生育期縮短最小，其最大以及最小縮短天數(shù)分別為RCP8.5情景下2071-2100年的17 d和RCP2.6情景下2071-2100年時(shí)期的3 d。在RCP2.6情景下，3種氣候模式生育期在2071-2100年均有一定程度的增加，增加幅度約為1～4 d。水稻移栽日期變化規(guī)律與生育期變化規(guī)律大致相同，但不同氣候模式的差異性相對(duì)較小，在RCP2.6情景下，3種氣候模式變化幅度較為接近。3種氣候模式中，仍以HADG變化幅度最大，在RCP8.5情景下2071-2100年，移栽日期最大提前36 d。而移栽最小提前天數(shù)出現(xiàn)在BCC氣候模式的RCP6.0情景下2011-2040年的12 d。

圖4 水稻移栽日期、生育期、需水量以及灌溉需水量相對(duì)歷史基準(zhǔn)期變化幅度(橫坐標(biāo)為21世紀(jì)年代和氣候模式)Fig.4 The change of rice transplant date, growth duration,water requirement and irrigation water requirement relative to baseline period

與移栽日期和生育期不同，水稻需水量和灌溉需水量在4種氣候情景下并無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。除RCP2.6情景外，GFDL的需水量在其他3種氣候情景下均小于基準(zhǔn)期均值。而B(niǎo)CC和HADG模式在所有情景下均大于基準(zhǔn)期均值。其中最大值為BCC模式RCP8.5情景下2071-2100年的22.4%，最小值為GFDL模式RCP45情景下2011-2040年的-9.1%。灌溉需水量變化規(guī)律與需水量相似，最大值為BCC模式RCP4.5情景下2011-2040年的47.8%，最小值為GFDL模式RCP8.5情景下2041-2070年的-31.4%。水稻需水量不僅受生育期長(zhǎng)度的影響，還受溫度、輻射、風(fēng)速以及降水等因素的綜合影響。在未來(lái)氣候條件下[12]，溫度的大幅升高和輻射的增加導(dǎo)致需水量的增加，但生育期的縮短和風(fēng)速的變化帶來(lái)需水量的減小，同時(shí)降水在未來(lái)氣候條件下有著較大的波動(dòng)性。因此，在多種因素共同作用下，需水量和灌溉需水量未呈現(xiàn)出明顯的變化特征。

3 結(jié) 論

(1)過(guò)去50年，由于水稻生育期內(nèi)氣溫和降水的顯著增加，導(dǎo)致移栽日期顯著提前，生育期明顯縮短，需水量小幅上升，灌溉需水量顯著下降。

(2)在未來(lái)氣候條件下，水稻生育周期顯著縮短，移栽日期明顯提前，但不同氣候模式差異較大。水稻需水量和灌溉需水量在BCC和GFDL模式下總體上高于基準(zhǔn)期均值，但無(wú)明顯變化規(guī)律，水稻灌溉需水量由于受降水影響較大，其變化幅度大于水稻需水量。

本文未考慮不同GCMs的不確定性以及不同灌溉方式對(duì)水稻灌溉需水量的影響，同時(shí)氣候變化下水稻灌溉需水量在空間上的差異性也有待研究。

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