贵州省现有85个地面气象观测站, 由于各站建站时间不一致, 为了保证资料的完整性, 剔除数据缺测较多的站点, 选用贵州省1961— 2015年80个气象观测站的逐日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数等气象观测资料, 气象数据来源于贵州省气象信息中心。研究区域及气象观测站的分布如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 研究区域及站点分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

将水稻全生育期(4月上旬— 9月下旬)分成播种— 移栽(4月上旬— 5月中旬)、移栽— 抽穗(5月下旬— 7月下旬)、抽穗— 灌浆(8月上旬— 9月上旬)和灌浆— 成熟(9月中旬— 9月下旬)4个生育阶段, 各生育期及全生育期的需水系数(K_C)分别为1.066、1.216、1.298、1.344和1.213。

有效降水量是指用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分降水量。本研究中有效降水量采用USDA土壤保持局推荐的方法^{[15, 16]}, 公式如下:

P_e= P4.17-0.2P/4.17, (P< 8.3)4.17+0.1P, (P≥8.3)。 (1)

式(1)中:P_e为有效降水量(mm· d^-1), P为日降水量(mm· d^-1)。

水稻生育期需水量(T_C, mm· d^-1)由作物需水系数^[13]与参考作物蒸散量乘积而得, 其中, 参考作物蒸散量依FAO推荐的Penman-Monteith模型^{[17, 18]}计算。

水稻缺水量(W)系水稻生育期内总作物需水量与总有效降水量之差^{[19, 20]}。

水分盈亏指数(I)可以较好地表征农田湿润程度和作物旱涝状况, 其计算公式如下:

I= TC-PeTC。 (2)

若I为正值, 则表示作物需水量大于有效降水量, 说明有效降水量不能满足作物需水需求, 若I为0或负值, 则说明有效降水能够满足作物需水需求。I值越高表明对灌溉的依赖程度越大, 反之越小。

气候倾向率^[20]一般以历年气候要素变化过程的拟合直线的斜率的10倍表示, 表征多年气象数据序列变化倾向度。在统计上, 用y_i表示样本量为n的某一气候变量, 用x_i表示y_i所对应的时间, 建立y_i与x_i之间的一元线性回归方程:

y_i=ax_i+b, (i=1, 2, …, n)。 (3)

式(3)中:a为回归系数, b为回归常数。a和b可以用最小二乘法进行估计, 以a的10倍作为气候要素倾向率。

利用 ArcGIS 10.2软件中的反距离权重插值方法(IDW)^[21]对各研究要素进行插值。

1961— 2015年贵州地区水稻生育期有效降水量分布特征如图2所示, 水稻全生育期年均有效降水量为280~394 mm, 多年平均值为324 mm, 空间分布上自西向东、由南向北呈递减趋势, 高值区域分布在六盘水市南部、黔西南州西部和北部, 以及安顺市西部边缘区域, 低值区域主要分布在毕节市北部、遵义市西北部和黔东南州局地区域。贵州省大部分地区水稻全生育期有效降水量气候倾向率为-13.7~18.3 mm· 10 a^-1(图3), 多年平均值为-6.6 mm· 10 a^-1, 除东部局部地区呈递增趋势外, 其他地区均呈递减趋势, 其中有38.7%的站点通过显著性检验(P< 0.05)。

图2

Fig.2

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	图2 水稻生育期有效降水量分布特征 a, 全生育期; b, 播种— 移栽期; c, 移栽— 抽穗期; d, 抽穗— 灌浆期; e, 灌浆— 成熟期。下同。Fig.2 Distribution characteristics of effective precipitation a, Whole growht season; b, Seeding-transplanting; c, Transplanting-heading; d, Heading-filling; e, Filling-mature. The same as below.

图3

Fig.3

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	图3 水稻生育期有效降水量变化趋势分布特征 ▲, P< 0.01; +, P< 0.05。下同。Fig.3 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages ▲, P< 0.01; +, P< 0.05. The same as below.

水稻播种— 移栽期的年均有效降水量为51~101 mm, 多年平均值为82 mm, 空间分布差异显著, 自东南向西北呈递减趋势, 高值区域主要分布在黔东南州和铜仁市大部分区域。移栽— 抽穗期的有效降水量为125~200 mm, 多年平均值为151 mm, 空间分布上自西南向东北呈递减趋势。抽穗— 灌浆期有效降水量为48~94 mm, 多年平均值为64 mm, 空间分布与移栽— 抽穗期基本一致, 但低值区域向东南方向发生偏移。灌浆— 成熟期的有效降水量为18~40 mm, 多年平均值为27 mm, 空间分布上高值区域向北偏移, 低值区域向南偏移。从水稻不同生育阶段有效降水量可以看出, 移栽— 抽穗期有效降水量最大, 播种— 移栽期次之, 灌浆— 成熟期最小。

播种— 移栽期的气候倾向率为-6.3~-0.7 mm· 10 a^-1, 多年平均值为-3.3 mm· 10 a^-1, 呈递减趋势, 其中, 有55%的站点通过显著性检验(P< 0.05)。移栽— 抽穗期有效降水量气候倾向率为-3.4~8.0 mm· 10 a^-1, 多年平均值为0.4 mm· 10 a^-1, 除了中部和东部部分区域呈递增趋势外, 其他区域均呈递减趋势, 但均未通过显著性检验。抽穗— 灌浆期有效降水量气候倾向率为-6.9~0.4 mm· 10 a^-1, 多年平均值为-2.2 mm· 10 a^-1, 整体呈递减趋势, 其中有8.7%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递减趋势。灌浆— 成熟期有效降水量气候倾向率为-4.3~0.9 mm· 10 a^-1, 平均值为-1.7 mm· 10 a^-1, 有效降水在东南大部区域呈递增趋势, 但未通过显著性检验, 在西北部和北部大部区域呈递减趋势, 其中有38.7%的站点通过显著性检验(P< 0.05)。

1961— 2015年贵州水稻生育期需水量变化特征如图4所示, 水稻全生育期年均需水量为683~808 mm, 多年平均值为737 mm。空间分布上, 高值区域分布在黔西南州大部、遵义市和铜仁市局地、黔东南州南部边缘等地区, 低值区域主要分布在毕节市和贵阳市局部地区。贵州省大部分地区水稻需水量气候倾向率为-23.7~29.6 mm· 10 a^-1(图5), 多年平均值为-4.02 mm· 10 a^-1。在空间分布上, 西南部和东部部分地区的需水量呈递增趋势, 其余地区呈递减趋势, 全省有35%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 其中有31.3%的站点呈显著递减趋势, 3.7%的站点呈显著递增趋势。

图4

Fig.4

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	图4 水稻不同生育期需水量分布特征Fig.4 Distribution characteristics of water requirement

图5

Fig.5

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	图5 水稻生育期需水量变化趋势分布特征Fig.5 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

水稻播种— 移栽期的年均需水量为137~214 mm, 多年平均值为160 mm, 在空间分布上呈现出自西南向东北递减的趋势, 高值区域分布在黔西南边缘等地, 低值区域分布在东部大部。移栽— 抽穗期的年均需水量为277~343 mm, 多年平均值为310 mm, 在空间分布上呈现出由东部向西递减的变化趋势。抽穗— 灌浆期的年均需水量为165~222 mm, 多年平均值为193 mm, 需水量明显低于移栽— 抽穗期, 但空间分布基本一致。灌浆— 成熟期的年均需水量为63~83 mm, 多年平均值为73 mm, 空间分布上自南部向北部呈递减变化趋势。对比水稻不同生育期的需水量可以看出, 移栽— 抽穗期最大, 灌浆— 成熟期最小。

水稻播种— 移栽期需水量气候倾向率为-4.3~4.2 mm· 10 a^-1, 多年平均值为0.15 mm· 10 a^-1, 空间分布上, 除东部部分区域及安顺市等地呈递增趋势外, 其他区域均呈递减趋势。移栽— 抽穗期需水量气候倾向率为-13.6~5.9 mm· 10 a^-1, 多年平均值为-4.2 mm· 10 a^-1, 空间分布上, 除黔西南州南部局地等地呈递增趋势外, 其他地区均呈递减趋势, 其中50%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递减趋势。抽穗— 灌浆期需水量气候倾向率为-7.9~3.4 mm· 10 a^-1, 多年平均值为-1.3 mm· 10 a^-1, 空间分布上, 除安顺市大部及黔西南州南部等地呈递增趋势外, 其余大部均呈递减趋势, 其中有8.7%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递减趋势。灌浆— 成熟期气候倾向率为-1.0~2.5 mm· 10 a^-1, 多年平均值为0.7 mm· 10 a^-1, 空间分布上呈现出自北向南递减的趋势, 有8.7%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递增趋势。

1961— 2015年贵州水稻生育期缺水量空间分布如图6所示:水稻全生育期年均缺水量为317~509 mm, 多年平均值为413 mm, 空间分布上自东向西呈递减趋势。贵州水稻缺水量气候倾向率为-18.5~18.3 mm· 10 a^-1(图7), 多年平均值为2.6 mm· 10 a^-1, 整体呈递增趋势, 在空间分布上自西向东呈递减趋势, 有7.5%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递增趋势。

图6

Fig.6

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	图6 水稻生育期缺水量分布特征Fig.6 Distribution characteristics of water deficit

图7

Fig.7

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	图7 水稻不同生育期缺水量变化趋势分布特征Fig.7 Distribution characteristics of variation tendency in different growth stages

水稻播种— 移栽期的年均缺水量为37~154 mm, 多年平均值为77 mm, 空间分布呈自西向东递减的变化趋势。移栽— 抽穗期的年均缺水量为91~214 mm, 多年平均值为159 mm, 空间分布上自东北向西南呈递减趋势。抽穗— 灌浆期的年均缺水量为84~164 mm, 多年平均值为128 mm, 空间分布上自东向西呈递减趋势。灌浆— 成熟期的年均缺水量为27~64 mm, 多年平均值为46 mm, 空间分布上自东南向西北呈递减趋势, 高值区域分布在黔南州南部和黔东南州西部等地。对比水稻不同生育期的缺水量可以看出, 水稻移栽— 抽穗期缺水量最大, 灌浆— 成熟期缺水量最小。

水稻播种— 移栽期缺水量气候倾向率为-1.7~7.5 mm· 10 a^-1, 多年平均值为3.4 mm· 10 a^-1, 高值区域分布在东部边缘及安顺市北部等地区, 其中有21.3%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递增趋势。移栽— 抽穗期的缺水量气候倾向率为-14.4~6.8 mm· 10 a^-1, 多年平均值为-4.6 mm· 10 a^-1, 整体呈递减趋势, 其中有11.3%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递减趋势。抽穗— 灌浆期缺水量气候倾向率为-7.3~6.8 mm· 10 a^-1, 多年平均值为0.9 mm· 10 a^-1, 空间上呈现西南高、东北部低的变化趋势。灌浆— 成熟期的缺水量气候倾向率为-1.8~6.4 mm· 10 a^-1, 多年平均值为2.4 mm· 10 a^-1, 空间分布上北部大多呈递增趋势, 递减区域主要分布在东南部分区域, 有33.7%的站点通过显著性检验(P< 0.05), 呈显著递增趋势。

从表1可以看出:水稻不同生育期对灌溉需求差异不明显(0.46~0.65), 全生育期水分盈亏指数为0.56, 表明贵州水稻对灌溉依赖程度较高, 其中, 播种— 移栽期对灌溉的依赖程度相对较低, 水分盈亏指数为0.46, 抽穗— 灌浆期对灌溉依赖程度相对最高, 水分盈亏指数为0.65。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 水稻不同生育期水分盈亏指数 Table 1 Water budget index in different rice growth stages 生育期Growth stage I 播种— 移栽期Seeding-transplanting 0.46 移栽— 抽穗期Transplanting-heading 0.49 抽穗— 灌浆期Heading-filling 0.65 灌浆— 成熟期Filling-mature 0.62 全生育期Whole growth season 0.56

表1 水稻不同生育期水分盈亏指数 Table 1 Water budget index in different rice growth stages