陈海生，朱兆平

(浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231)

【研究意义】水稻的需水量为水稻植物蒸腾与棵间蒸发之和，亦称腾发量。它是水稻水循环系统的重要组成部分，其大小和当地气象条件、土壤性质和农业技术措施有关。水稻需水量是确定水稻灌溉制度的区域灌溉用水量的基础，也是制定流域水利规划以及灌溉排水工程规划、设计、管理和实施的基本依据[1-5]。在一个区域内，由于气象条件的变化、土壤肥力的不同，以及水稻生育进程的推进，水稻需水量在空间上时间上都存在一定的变异性。如何在有限的站点资料的基础上，尽可能采取科学的高精度的估算方法，来确定非测点的水稻需水量值，就显得十分重要。【前人研究进展】水稻需水量一般是通过参考作物蒸散量(ET0)乘以作物系数的方法得到。该方法是以水汽扩散理论为基础建立需水量方程[2]。考虑气象要素对水汽交换系数的影响建立水汽交换系数的经验公式，导出计算水稻需水量的数学模型。根据对中国大多数省分灌溉试验站实测资料的分析可以证实,用彭曼-蒙特斯公式计算出的参照作物需水量是表示气象因素影响的最适合参数。近年来，国际上很多国家也用此公式计算了作物的需水量，如S. Mandal[6]计算了印度Sagar岛作物的需水量。Rashmi Mehta[7]计算了印度古吉拉特邦的小麦、玉米的参考蒸腾量和需水量。Akinmutimi, A.L.[8]用此公式计算了Nigeria西南部Umudike地区的早熟玉米和晚熟玉米的需水量。由于水稻需水量也是一种蒸发，与气象监测中的水面蒸发量本质上是一样的。曾有报道水面蒸发量与作物需水量存在着显著的线性相关[9]。俞建河等[10]发现水稻需水量同水面蒸发量和气温之间有着显著的线性关系，并认为此法简便、而且精度较高。可用来进行蒸发量预测，及可作为用水管理的理论依据。浙江省是我国著名的水稻产区，水稻种植具有7000多年的悠久历史。在20世纪90年代以前，浙江省主要水稻产区都是以种植双季稻为主。1974年是浙江省双季稻种植面积最大的一年，达255.53万hm2,其中早稻125.33万hm2, 晚稻130.20万hm2。在1992年以后，浙江省主要稻区的水稻种植面积不断下降。目前，由于粮价的提高和政府政策的扶持，水稻种植面积又在逐步回升，特别是单季稻的种植面积迅猛扩大。这是由于近年来发展高效省工农业，浙江省水稻大多采用单季稻为主。单季稻种植面积由1990年的20.00万hm2扩大到目前的67.73 万hm2，单季晚稻目前已经成为浙江省的粮食主栽作物。单季水稻在浙江省生长期间，气温高，需水量大。丰优9339是中国水稻研究所利用不育系粤丰A与自选恢复系中恢9339配组成的籼粳亚种间三系杂交晚稻新组合。该组合是通过远缘杂交，聚合了籼粳种间杂种优势而选育出的超级杂交晚稻新组合，具有优质、高产、抗病的特征。适宜在浙江稻作地区作为单季晚稻进行种植。杂交晚稻丰优9339播种幼苗期在浙江省稻作区，大都是从5月下旬开始到6月中旬结束，分蘖期是从6月下旬开始到7月中旬结束，拔节孕穗期是从7月下旬开始至8月中旬结束，齐穗灌浆期是从8月下旬开始到10月上旬结束[11]。准确确定杂交晚稻丰优9339各生育阶段的需水量，对水稻灌溉用水量的确定、水资源平衡研究、及灌溉区用水管理具有现实和深远的意义。地统计学是以半方差函数为基础，分析分布于空间并显示出不同程度的结构性和随机性的区域化变量并对其实行无偏最优估计的新发展起来的一门理论和方法。在分析变量的空间变异性时，地统计学理论不但同样依赖样本值的大小，而且也考虑到了样本值的空间位置和样子间的距离远近，克服了经典统计学不考虑样本空间位置所形成的缺点。地统计理论曾经广泛应用于土壤学方面的研究上[12-16]。近年来，地统计学在环境科学方面的应用也逐渐增多。如Masayuki Kondo等[17]应用地统计学方法分析了亚州季风森林区碳通量的空间变异性。Inga Ute Röwer等[18]用地统计方法分析了德国西北部土壤中甲烷氧化能力与地貌类型以及土壤属性的空间变异性与相关性。Francisco J[19]根据60个采样点的数据，采用地统计学理论中的kiging 插值方法，对Spain西南地区的空气污染物的空间分布进行了可视化研究。Agneta Fransson等[20]在2005年夏天用地统计学方法分析了北冰洋洋面与空气交界处的二氧化碳含量的空间变异性。刘宏谊等[21]根据联合国粮农组织推荐的Penman-Montoith模型，计算了甘肃省,四十年间春小麦、玉米、马铃薯等主要农作物生长期内逐日需水量,并分析其时空分布规律。李立等[22]依据宝鸡峡灌区 11 个气象站1981-2008 年近三十年的气候数据，基于 ArcGIS 9.2 平台, 成功运用地统计学方法研究了灌区玉米、棉花、冬小麦多年平均需水量在空间上的分布特征。而在GIS支持下应用地统计原理进行某一区域内水稻生育阶段需水量空间变异性方面的研究还不多见。【本研究切入点】本论文拟采用气象监测数据水面蒸发量和气温来计算浙江省各地杂交晚稻丰优9339各生育期的需水量[11]，并应用GIS和地统计技术探索杂交晚稻丰优9339各生育期需水量在浙江省境内的空间变异特性。【拟解决的关键问题】以期为浙江省水稻的合理布局、节水灌溉和水资源的可持续利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

浙江省是我国水稻的主要产区。浙江省位于我国东南沿海地区，地处亚热带中部，介于北纬27°12′～31°31′和东经118°～123°，属季风性湿润气候，四季分明，光照充足，雨量充沛，空气湿润，雨热季节变化同步，是我国自然条件最优越的地区之一。浙江省年平均气温15～18 ℃，极端最高气温33～43 ℃，极端最低气温-2.2～-17.4 ℃；全省年平均降水量980～2000 mm，年平均日照时间1710～2100 h[11]。

1.2 数据来源

数据来源于《2012浙江省统计年鉴》和《浙江省2012整编气象资料》[11]。

1.3 数据处理

地统计学理论中的半方差函数模型是用以描述区域化变量结构性和随机性的一种数学模型。半方差函数的主要参数是块金值、基台值和变程。块金值与基台值之比C0/(C0+C)为基底效应，表示由随机因素引起的变异和结构性因素引起的变异在总变异中所占的比例，表示了系统变量的空间相关性。基底效应值高，说明由随机因素造成的空间变异性在总变异中所占的比例较高，基底效应值低，说明由结构性因素造成的空间变异性在总变异中所占的比例较高。基底效应如少于25 %，则说明区域化变量具有较强的空间相关性，基底效应如在25 %～75 %，则说明区域化变量具有中等程度的空间相关性，基底效应如大于75 %，则说明区域化变量具有较弱的的空间相关性[23-26]。

利用半方差函数的相关参数对浙江省杂交晚稻丰优9339各生育期需水量数据进行空间结构分析。软件平台有SPSS ll.0，其用来进行描述性统计分析；GS+7.0，其用来进行半方差函数分析[11]；ArcGIS 8.3，其用来进行Kriging插值[11]，绘出数字化地图。

1.4 水稻需水量的计算

研究发现水稻需水量同水面蒸发量和气温之间存在显著的相关性[10]，计算公式为：

ETi=aiE0i+biTi+ci

(1)

式中，ETi为第i阶段内水稻需水量；E0i为第i阶段内水面蒸发量；Ti为第i阶段内日平均气温，ai、bi、ci为第i阶段内需水系数，为常数[10]。与模数法和蒸发法相比，该计算方法计算精度较高，可作为有这类计算与预报要求的灌溉工程设计与用水管理的理论依据。

2 结果与分析

2.1 浙江省杂交晚稻丰优9339各生长期需水量描述性统计

作物需水量的评价的准确性取决于其数据分布特征。如果数据不符合正态分布，其变异函数会产生比例效应。采用SPSS ll.0软件的单样本 K-S检验法，对杂交晚稻丰优9339生长期各生育阶段需水量进行非对数检验。经计算得到的描述性统计特征值如表1。

从表1可以看出，在浙江省水稻种植区，杂交晚稻丰优9339各生长阶段需水量都服从正态分布。在水稻播种育苗期，浙江省需水量的平均值为37.13 mm，介于21.59～53.68 mm。在分蘖期，全省水稻需水量平均值为82.79 mm，介于53～109.26 mm，在拔节孕穗期，全省水稻需水量的平均值为75.32 mm，介于53.01～98.87 mm。在齐穗灌浆期，全省水稻需水量平均值为60.67 mm，介于38.86～92.59 mm。在成熟收获期，全省需水量的平均值为22.40 mm，介于14.30～32.43 mm。因此，在水稻各生育时期中，分蘖期时水稻需水量最大，其次是拔节孕穗期，而以成熟收获期时的水稻需水量最小。

从变异系数来看，成熟收获期杂交晚稻丰优9339需水量的变异系数最大，为18.21 %，其次是齐穗灌浆期，为17.08 %，最小的为拔节孕穗期，只有12.67 %。

2.2 半方差函数分析

有效分析水稻需水量在浙江省水稻种植区内空间变异结构的关键，是选择合适的半方差函数模型。采用GS+7.0软件，对杂交晚稻丰优9339各生育期需水量进行半方差函数拟合。选择的原则是决定系数R2最大，残差(RSS)最小[12-16]。

表1 浙江省杂交晚稻丰优9339生长期需水量描述性统计特征

表2 浙江省杂交晚稻丰优9339各生育期需水量半方差函数

从表2可以看出，除了成熟收获期需水量的理论模型为高斯模型外，其他各生育时期需水量的理论模型都为指数模型。

从表2可以看出，杂交晚稻丰优9339各生育期需水量的C0/(C0+C)值在0.20～0.50。其中分蘖期需水量的C0/(C0+C)值为0.20，为最小值；播种育苗期需水量的C0/(C0+C)值为0.50，为最大值。如果某变量的块金效应C0/(C0+C)值少于25 %时，表示此变量的空间相关性强，介于25 %～75 %时，表示此变量的空间相关性中等[8-10]。因此，可以认为杂交晚稻丰优9339分蘖期需水量在浙江省境内具有强的空间相关性，其空间相关性主要是由经纬度等结构性因素造成的。其他生育期需水量在浙江省境内都具有中等程度的空间相关性。其空间变异性是由经纬度等结构性因素和地型、海拔高度以及耕作等随机性因素共同作用而成的。

图1 浙江省杂交晚稻丰优9339播种育苗期需水量分布 Fig.1 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during sowing and seedling stage in Zhejiang province

杂交晚稻丰优9339各生育期需水量的空间自相关范围具有明显差异。各生育期需水量的变程在84 600～2229 900 m，以拔节孕穗期需水量的变程最少，只有84 600 m,以播种育苗期需水量的变程最大，为2229 900 m。其他生育时期如分蘖期、齐穗灌浆期、成熟收获期需水量的变程则分别为139 800、1472 100和1192 800 m。

2.3 浙江省杂交晚稻丰优9339稻生长期需水量分布特征

当杂交晚稻丰优9339处于播种育苗期时，水稻需水量37.66～53.63 mm的中高值区位于浙江省北部，西南部和中部，占研究区总面积的50.98 %。需水量少于37.65 mm低值区处在浙江省的东部和西北部，占研究区总面积的49.02 %(图1)。

当杂交晚稻丰优9339处于分蘖期时，水稻需水量为95.21～109.22 mm的高值区位于金衢盆地和绍兴市的上虞、余姚一带，占研究总面积的8.48 %。而需水量为81.20～95.20 mm中值区位于浙江省的北部、中部和西南部，占研究区总面积的49.64 %。而需水量少于81.20 mm的低值区则位于浙江省的东南部和西北部，占研究区总面积的42.88 %(图2)。

图2 浙江省杂交晚稻丰优9339分蘖期需水量分布Fig.2 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during tillering period in Zhejiang province

图3 浙江省杂交晚稻丰优9339拔节孕穗期需水量分布 Fig.3 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during jointing-booting period in Zhejiang province

图4 4浙江省杂交晚稻丰优9339齐穗灌浆期需水量分布Fig.4 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during grain filling period in Zhejiang province

在杂交晚稻丰优9339拔节孕穗期，需水量少于75.96 mm的低值区处于浙江省的中部、东南部和西北部，占研究区总面积的52.46 %，需水量在75.97～98.80 mm的中高值区处于浙江省金衢盆地的大部和西南部，占研究区总面积的47.54 %(图3)。

在杂交晚稻丰优9339齐穗灌浆期，需水量大于65.72 mm的高值区位于浙江省的西南部，占研究区总面积的18.32 %，大部分地区是需水量在52.31～65.71 mm之间中值区，占研究区总面积的75.47 %(图4)。

在杂交晚稻丰优9339成熟收获期，需水量大于23.38 mm的高值区处于浙江省中部和西南部，占研究区总面积的22.55 %，大部分地区的杂交晚稻丰优9339需水量在18.85～23.37 mm之间的中值区，占研究区总面积的71.62 %(图2)。

从浙江省杂交晚稻丰优9339总的生长期来看，水稻需水量大于323.50 mm的高值区位于浙江省的西南部、中部和北部的一部分地区，占研究区总面积的31.29 %，浙江省的西北部、东部和东南部的广大地区，其杂交晚稻丰优9339需水量为270.83～323.49 mm，占研究区总面积的66.43 %(图6)。

图5 浙江省杂交晚稻丰优9339成熟收获期需水量分布Fig.5 Spatial distribution of water requirement of hybrid late indica rice Fengyou 9339 during mature and harvesting period in Zhejiang province

图6 浙江省杂交晚稻丰优9339全生长期需水量分布Fig.6 Spatial distribution of water requirement during growth of hybrid late indica rice Fengyou 9339 in the fields in Zhejiang province

3 讨 论

通常，作物需水量确定的指标主要是气象指标、植物指标、土壤指标。气象指标主要是气温、大气湿度、太阳有效辐射、日照时数、风速等。植物指标包括植物种类、生育时期、叶面积指数、根系活力等。土壤指标主要是田间持水量、土壤质地、土壤肥力、耕层深度、土壤结构、地下水位等。Penman-Monteith公式综合考虑了各种气象因素对需水量的影响，具有可靠的物理基础。Penman-Monteith公式使用时不需要进行区域率定，是全世界通用的利用气象参数计算参考作物需水量的标准方法。但该方法要在气候数据齐全时才可采用。而采用水面蒸发量与气温指标来计算作物的需水量，方法简便快捷，而且精度较高。在气象数据缺失的情况下不失为一种可行的方法。

气候的变化、农作物生长进程的不同，都会引起农作物需水量的变化。某一区域内作物需水量的正确计算和快速预测，可为该区域农作物合理布局提供依据。对合理配置水资源、实现五水共治有着重要的意义。

4 结 论

(1)经典统计学的分析结果表明，浙江省杂交晚稻丰优9339各生长阶段需水量服从正态分布。播种育苗期浙江省需水量的均值为37.13 mm，分蘖期为82.79 mm，拔节孕穗期为75.32 mm，齐穗灌浆期均值为60.67 mm，成熟收获期为22.40 mm。从变异系数来看，成熟收获期水稻需水量的变异系数最大，为18.21 %，其次是齐穗灌浆期，为17.08 %，最小的为拔节孕穗期，只有12.67 %。

(2)本研究中杂交晚稻丰优9339各生育期需水量的C0/(C0+C)值在0.20～0.50之间。其中分蘖期需水量的C0/(C0+C)值为0.20,为最小值；播种育苗期需水量的C0/(C0+C)值为0.50，为最大值。可以认为杂交晚稻丰优9339分蘖期需水量在浙江省境内具有强的空间变异性，其他生育期需水量在浙江省境内都具有中等程度的空间变异性。杂交晚稻丰优9339各生育期需水量的空间自相关范围具有明显差异。各生育期需水量的变程在84 600～2229 900 m，以拔节需水量的变程最少，以播种育苗期需水量的变程最大。

(3)从浙江省杂交晚稻丰优9339总的生长期来看，大部分地区的水稻需水量为270.83～323.49 mm，占研究区总面积的66.43 %。而水稻需水量大于323.50 mm的高值区位于浙江省的西南部、中部和北部的一部分地区，占研究区总面积的31.29 %。事实上，浙江省水稻易干旱区也位于这个区域。说明研究结果与生产实际情况一致。