上延伸至 5 km 高空以上 ，最大垂直速度达 5.5

m·s−1 以上。Mahrt 等[21] 的研究表明，当空气经过

暖水面后会导致下风方向的温度梯度变化，局地

热力条件的变化进一步导致水平气压梯度改变，

从而引起气流强烈的上升下沉运动，本研究也很

好地印证了这一结论。在 EXP 试验中，在海温均

一化后，从低层到高层均吹东到东南气流，无明显

风场辐合。由此可以发现，海温的不均匀分布可

以通过改变局地热力条件而影响中低层的风向风

速，使得辐合辐散发生变化，从而影响降水的强度

和范围。

2.3    水汽输送    图 7 给出 CNTL 试验和 EXP 试

验在 2010 年 8 月 15 日 10 时的水汽输送情况，可

以发现 ， 2 个试验的水汽输送存在较大差异 ，

CNTL 试验中，西南风和东南风水汽输送在西沙群

岛西北至海南岛东南侧形成较强的水汽辐合，水

汽通量最高达 22 g·（cm·hPa·s）

−1

，而 EXP 试验中

高水汽通量区的范围明显偏小，在海温均一化的

(c)

21°N

19°N

17°N

15°N

13°N

108°E109°E110°E111°E112°E

10 10

113°E114°E115°E

(a)

21°N

19°N

17°N

15°N

13°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

(d)

21°N

19°N

17°N

15°N

13°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

(b)

21°N

19°N

17°N

15°N

13°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

图 4    CNTL 试验（a, b）和 EXP 试验（c, d）中 10 m 风向和风速分布

a, c： 2010 年 8 月 15 日 00 时；b, d： 2010 年 8 月 15 日 10 时；风向用矢量表示；阴影表示风速（单位：m·s−1）。

(a)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E

10

113°E114°E115°E

(b)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E

10

112°E113°E114°E115°E

30

25

20

15

10

5

0

−30

−25

−20

−15

−10

−5

图 5    2010 年 8 月 15 日 08 时至 19 时 1.5 km 高度上散度和风场

a： CNTL 试验；b： EXP 试验；阴影部分为散度（单位：10−4·s−1）；箭头表示风场（单位：m·s−1）。

564 热 带 生 物 学 报 2023 年

区域，水汽输送较小，与降水和潜热通量的分布对

应较好。对比 2 个试验，大于 8 g·（cm·hPa·s）

−1 的

强水汽通量区主要位于暖海区及海温梯度较大的

区域，即 CNTL 试验中西沙群岛西北至海南岛东

南沿线，EXP 试验中则位于西沙群岛西南侧，表明

暖海温和较大的海温梯度可使低层水汽输送增

多，加剧潜热释放，进而加强对流发展。

2.4    热量通量    在对流的发生发展中，海气界面

的热量通量起着重要作用。不均匀的海温分布在

引起气流的辐合辐散的同时，也会导致低层水汽

向该区辐合，使潜热释放加强，从而加强对流。从

15 日的平均潜热通量和感热通量的分布可以发现

（图 8，图 9），CNTL 试验和 EXP 试验的共同特点

是，整个模拟过程中潜热通量和感热通量都为正

值，通量由海面向上输送，对流发展地区为高潜热

通量和感热通量区，对应高海温区和大的海温梯

度区。CNTL 试验中 ，日平均潜热通高于 150

W·m−2 的区域主要位于西沙群岛以北，海南岛西南

侧以及西沙群岛以南，西沙群岛以北的潜热通量

最高达 220 W·m−2 以上，位于 18°N 111°E 附近，与

高海温及降水区对应，降水过程中较大的潜热释

放有利于对流的维持和发展。EXP 试验中，除海

南岛西侧的大值区外，高潜热区主要位于西沙群

岛以南，且强度较小。从 2 个试验模拟的潜热通

量的差异可以发现，正值区主要位于西沙群岛以

北，与高海温和大的海温梯度区对应，负值区则位

(a)

5

4

3

2

1

108°E109°E110°E111°E112°E

10 10

113°E114°E115°E

(b)

5

4

3

2

1

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0

−0.5

−1.0

图 6    2010 年 8 月 15 日 10 时沿 17.5°N 的位温、垂直速度和风场的纬向剖面

a： CNTL 试验；b： EXP 试验；位温用等值线表示，单位为 K；垂直速度用阴影表示，单位为 m·s−1；风场用矢量，单位为

m·s−1。

(a)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

10

(b)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E

10

114°E115°E

22

20

18

16

14

12

10

8

图 7    2010 年 8 月 15 日 10 时 1.5 km 高度上水汽通量

a： CNTL 试验；b： EXP 试验；水汽通量单位为 g·（cm·hPa·s）

−1；阴影表示水汽通量≥8 g·（cm·hPa·s）

−1。

第 5 期 杨    薇等: 基于 WRF 模式的南海海温梯度对强对流作用的数值试验 565

于西沙群岛以南，在西沙群岛附近海温被均一化

后，对应海表的高潜热区也消失。潜热通量主要

是水的相变引起的热量变化，较高的海温可导致

更多的洋面蒸发，高温高湿的空气被输送到上空，

为对流发展提供能量。感热通量与潜热通量分布

相似，CNTL 试验中西沙群岛以北的感热通量较周

围约高出 20 W·m−2

，EXP 试验中西沙群岛以北的

高感热通量区消失，西沙群岛以南的感热通量却

(a)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

(c)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

150

100

50

0

−50

−100

−150

(b)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

220

205

190

175

160

145

130

115

100

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

图 8    2010 年 8 月 15 日平均潜热通量分布

a： CNTL 试验；b： EXP 试验；c：CNTL 试验和 EXP 试

验差值；潜热通量单位为 W·m−2。

(a)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

(c)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

27

21

15

9

3

−3

−9

−15

−21

−27

(b)

21°N

20°N

19°N

18°N

17°N

16°N

15°N

14°N

25

20

15

10

5

0

13°N

12°N

108°E109°E110°E111°E112°E113°E114°E115°E

图 9    2010 年 8 月 15 日平均感热通量分布

a： CNTL 试验；b： EXP 试验；c： CNTL 试验与 EXP 试

验差值；感热通量单位为 W·m−2。

566 热 带 生 物 学 报 2023 年

增大。将 CNTL 试验减去 EXP 试验后，也表现出

与潜热通量相似的特征。

3    讨　论

前人对于海温梯度的研究关注其气候效应，

目前，对于南海北部海温梯度的研究也主要集中

在其对大尺度环流的影响上[22 − 23]。研究表明，海

温梯度的变化可通过影响边界层要素从而影响局

地天气[9]。因而笔者利用 WRF 模式对 2010 年

8 月 15 日发生在海南的一次强对流过程进行模

拟，通过设计一组控制试验和海温敏感性试验，对

比分析控制试验和敏感性试验中水汽输送，中低

层风场的变化以及地表通量等研究海洋中高海温

梯度对强对流过程的影响作用。南海北部为高海

温和海温梯度区域时，可使其上空的热力条件受

到改变从而影响中低层的风向风速，引起强烈的

上升下沉运动，使低空更多水汽向该区辐合，加剧

洋面上潜热通量的释放，使高温高湿的气流上升，

为对流的发展提供能量，导致强对流天气的发

生。分析表明，强对流发生区域与高海温区以及

海温梯度对应，高（低）海温梯度区可使得感热通量

和潜热通量发生变化从而加强（抑制）降水。以上

研究仅仅是针对一次个例的数值模拟试验，结论

代表性还需通过更多个例研究证实。

本研究仅分析了海洋对大气单向的影响过

程，在实际海气相互作用过程中，两者的关系应该

是双向的。有研究表明，海表面风应力对海温梯

度的响应一方面会改变海气间的热通量，另一方

面风应力的旋度造成海水的上翻、下沉运动，从而

对局地的海温分布型产生反馈作用[24]。对南海海

气相互作用更全面的认识可能需要使用海气耦合

模式。另外，在对流发展过程中，除了海温，气团

变性、东南风的强弱和海气温差等因素也会影响

对流的发展，本试验只研究了海温的作用，在将来

的工作中，将进一步挑选不同个例从更多方面加

强对海南强对流天气的形成机制进行分析研究。

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Journal of Climate, 2003, 17: 1213 − 1223.

Numerical simulation of the effects of sea surface temperature

gradients on severe convective weather over the

South China Sea based on WRF model

YANG Wei,   LI Xun,   SHI Juan

（Hainan Meteorological Services/Hainan Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster

Prevention and Mitigation, Haikou, Hainam 570203, China）

Abstract： To  investigate  the  impact  of  sea  surface  temperature  gradients  on  severe  convection,  Weather

Research and Forecasting (WRF) model is used to simulate a severe convection event occurred in the northeast

of the South China Sea on 14 August 2010.The characteristics of water vapor transport, wind field and ground

surface  heat  flux  were  analyzed  during  the  development  of  severe  convection  by  comparing  a  control  run

(CNTL) with a sensitivity experiment (EXP). Results show that ocean warm eddy and high SST gradient can

stimulate  convergence  or  divergence  and  enhance  moisture  transport  by  changing  local  thermal  conditions,

which cause release of latent heat providing energies for the evolution of severe convection. The precipitation

regions correspond to the high SST center and the strong SST gradient area. The high (low) SST gradients can

cause changes in sensible heat flux and latent heat flux, thus strengthening (inhibiting) precipitation.

Keywords：sea surface temperature gradients；numerical simulation；WRF；severe convection

(责任编辑：潘学峰)

568 热 带 生 物 学 报 2023 年

·研究报告·  DOI：10.15886/j.cnki.rdswxb.20230074

海南岛水稻需水量与缺水量的时空变化特征

邹海平，张京红，李伟光，陈小敏，白　蕤，吕　润

（海南省气候中心/海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 570203）

摘    要： 为了掌握海南岛水稻需水量和缺水量的时空变化特征，基于海南岛 18 个市（县）1971—2020 年的逐

日气象数据和 6 个农业气象试验站早、晚稻生育期数据，采用 Penman-Monteith 公式和作物系数法及美国农

业部土壤保持局推荐的方法计算早、晚稻需水量和缺水量，并分析其时空变化特征。结果表明：近 50 年海南

岛早、晚稻全生育期需水量分别为 444.9、419.7 mm，全生育期缺水量分别为 337.1、186.9 mm。早、晚稻全生

育期需水量和缺水量空间分布各异。所有市（县）早、晚稻全生育期均缺水，缺水量主要分布在拔节孕穗期和

分蘖前期。近 50 年海南岛早、晚全生育期需水量和缺水量多数市（县）（占比为 55.6%～66.7%）呈减少趋势且

以不显著减少为主，对海南岛水稻种植总体有利。但海口市、东方市、临高县、白沙县、琼中县和定安县早稻

全生育期缺水量，东方市、昌江县、白沙县、琼中县、定安县、琼海市、文昌市和乐东县晚稻全生育期缺水量

在增加，需加强稻田用水管理。

关键词： 水稻；需水量；作物系数；有效降水量；缺水量；海南岛

中图分类号： P49            文献标志码： A            文章编号：1674 − 7054(2023)05 − 0569 − 08

邹海平，张京红，李伟光，等. 海南岛水稻需水量与缺水量的时空变化特征 [J]. 热带生物学报，2023, 14（5）：

569−576. doi：10.15886/j.cnki.rdswxb.20230074

水稻（Oryza sativa ）是海南岛最主要的粮食作

物，近几年播种面积都维持在 24 万 hm2 左右，约

占粮食作物的 86%[1]。海南稻米直链淀粉含量高

达 26%，符合当地居民饮食习惯要求，深受百姓喜

爱[2]。水资源作为限制农业发展的重要因素之一，

是农业生产中最重要的资源支撑和保证，与农业

生产和粮食安全息息相关[3]。海南岛年均降水量

为 1 826.0 mm，水资源丰富，但时空分布不均、干

旱频发，且农田灌溉用水量利用率低仅为 55.3%，

对水稻稳产高产造成直接影响[4 − 6]。作物需水量

与缺水量是进行农业水资源分配、农业水利工程

设计的重要参考指标 [7]。全球气候变暖以及随之

改变的降水时空格局将会直接影响作物生长发育

和耗水过程，进而影响作物需水量和缺水量[8]。因

此，掌握海南岛水稻需水量和缺水量的时空变化

特征，对海南岛合理进行水资源配置、提高农田灌

溉用水利用率、保障水稻科学高效生产具有重要

的指导和实践意义。近年来，国内外诸多学者对

水稻[9 − 15]、玉米（Zea mays）

[16 − 17]、小麦（Triticum

aestivum）

[7,18]、 棉 花 （Gossypium spp）

[19 − 20]、 大 豆

（Glycine max）

[21 − 22]、马铃薯（Solanum tuberosum）

[23]、

花 生 （Arachis hypogaea）

[24] 和 烤 烟 （Nicotiana

tabacum）

[25] 等不同作物需水量和缺水量的时空特

征开展了大量的研究。在研究方法上，主要利用

FAO 推荐的 Penman-Monteith 公式和作物系数法

计算作物需水量，该方法考虑了影响蒸散的大气

物理特性和植物生理机制，具有很好的物理基

础[26]。缺水量为需水量与同时期有效降水量之

差[27]

，有效降水量的计算主要采用美国农业部土壤

保持局推荐的方法，该方法是目前众多的有效降

水计算方法中得到公认和普遍推广的方法之一，

其有效性已在许多学者的研究中予以证明[28 − 29]。

刘钰[9] 等分析了中国水稻需水量和缺水量的空间

分布特征，其选用的海南岛气象站仅有 1 个，在揭

　　收稿日期：2023 − 05 − 25　　　　修回日期：2023 − 06 − 19

　　基金项目：海南省自然科学基金项目（417300）；国家重点研发计划课题 (2019YFD1002203)

　　第一作者：邹海平（1987−），男，硕士，高级工程师. 研究方向：农业气象. E-mail：google2456@163.com

第 14 卷 第 5 期 热 带 生 物 学 报 Vol. 14 No. 5

2023 年 9 月 JOURNAL OF TROPICAL BIOLOGY Sep. 2023

示海南岛水稻需水和缺水量规律方面不够细致全

面 ，且计算水稻需水量的作物系数为修订后的

FAO 推荐值，与实际作物系数值存在一定误差。

因 此 ， 本 研 究 基 于 海 南 岛 18 个 市 （县 ）1971 —

2020 年的逐日气象数据和 6 个农业气象试验站水

稻生育期数据，采用 Penman-Monteith 公式和海南

水稻作物系数实际值计算水稻需水量，结合美国

农业部土壤保持局推荐的方法计算水稻有效降水

量，进而得到水稻缺水量。再结合数理统计方法

和 GIS 插值技术对海南岛水稻需水量和缺水量的

时空变化特征进行分析，旨在为海南岛农业发展

和农业水资源合理分配提供科学依据。

1    资料与方法

1.1    资料来源    气象资料来自海南省气象信息

中心，包括海南岛 18 个市（县）1971—2020 年的逐

日平均最高、最低气温，日照时数，平均风速，水汽

压，气压，经纬度和海拔高度。水稻（早、晚稻）生

育期数据来自 6 个农业气象观测站，分别分布在

海口市、琼海市、陵水县、儋州市、乐东县和琼中

县。各市（县）生育期观测开始时间不同，为保持一

致，起止年限统一选为 1999—2020 年。

1.2    研究方法    

1.2.1   生育期确定 水稻全生育期是指水稻移栽

至收获整个时期，将水稻全生育期划分为移栽返

青期、分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开

花期、乳熟期和黄熟期 7 个阶段，各生育期出现时

间按多年实测平均值确定。无生育期观测资料的

市（县），根据海南气候区划结果[5] 采用其邻近的农

业气象观测站数据，具体划分情况为：海口市、定

安县、澄迈县、屯昌县；琼海市、文昌市、万宁市；

陵水县、保亭县、三亚市；儋州市、临高县；乐东

县、昌江县、东方市；琼中县、白沙县、五指山市。

1.2.2   需水量计算 水稻需水量采用参考作物蒸

散量和作物系数法[26] 进行逐日计算，各生育阶段

的需水量由生育阶段内逐日需水量累加得出：

ETc =

∑

N

i=1

ETci =

∑

N

i=1

Kc × ET0i

,

式中， ETc 为某生育阶段需水量（mm）；ETci 为日需

水量（mm·d−1）；i 为生育阶段日数（d）；Kc 为作物系

数；ET0i 为日参考作物蒸散量（mm·d−1）。Kc 与作

物生育阶段有关，不同发育阶段 Kc 不同。本研究

采用海南水稻 Kc 试验结果值（表 1）

[29]。ET0i 采用

Penman-Monteith 公式计算[26]。

表 1  海南岛水稻各生育阶段作物系数（Kc）

类别 移栽返青期 分蘖前期 分蘖后期 拔节孕穗期 抽穗开花期 乳熟期 黄熟期

早稻 1.12 1.18 1.13 1.35 1.44 1.25 1.05

晚稻 1.03 1.20 1.07 1.32 1.43 1.22 0.93

1.2.3   有效降水量计算 有效降水量是指能够提

供给作物蒸发蒸腾，从而减少作物对灌溉水需求

的雨量[9]

，采用美国农业部土壤保持局推荐的方

法[15,28] 进行逐日计算，公式为:

Pe =

∑

N

i=1

Pei =







∑

N

i=1

Pi(4.17−0.2Pi)

4.17

(Pi < 8.3) ,

∑

N

i=1

Pi(4.17+0.2Pi) (Pi ⩾ 8.3) ,

式中，Pe 为某生育阶段有效降水量（mm）；Pei 为日

有效降水量（mm·d−1）；Pi 为日降水量（mm·d−1）。

1.2.4   缺水量计算 缺水量计算公式为：

Dw = ETc − Pe ,

式中，Dw 为某生育阶段缺水量（mm）。Dw>0，表示

该生育阶段作物缺水；Dw =0，表示水分供需平衡；

Dw<0，表示水分盈余。

1.2.5   其他方法 利用 Excel2007，采用线性回归

方法对水稻 ETc 和 Dw 进行时间序列分析，用回归

系数的 10 倍[10] 表征其变化方向和程度，并采用

F 检验法对拟合方程进行显著性检验（α=0.05）。

采用 ArcGIS9.3 软件中的反距离权重方法对水稻

ETc 和 Dw 进行插值，得到相应的空间分布图，并采

用自然断点法进行等级划分，栅格大小为 200 m×

200 m。

2    结果与分析

2.1    水稻全生育期需水量和缺水量空间分布

海南岛 18 市（县）早稻全生育期 50 年平均需水量

和 缺 水 量 分 别 为 342.5～ 531.0  mm 和 241.8～

570 热 带 生 物 学 报 2023 年

483.6 mm，均值分别为 444.9 mm 和 337.1 mm。早

稻全生育期需水量低值区主要分布在北部、东北

部和东南部，高值区主要分布在西部和西北部，其

余为中值区。早稻全生育期缺水量空间分布与其

需水量有些相似，低值区主要分布在北部、东北部

及东、中部的少部分地区，高值区分布在西部。

18 市（县）晚稻全生育期 50 a 平均需水量和缺水量

分别为 353.9～469.3 mm 和 66.5～315.2 mm，均值

分别为 419.7 mm 和 186.9 mm。晚稻全生育期需

水量低值区主要分布在中部和西南部，高值区则

分布在西北部和西部的少部分地区、北部、东北部

及东部。晚稻全生育期缺水量空间分布与其需水

量较相似，低值区和高值区范围与需水量相比均

有所缩小，中值区有所扩大。18 市（县）早、晚稻全

生育期缺水量均>0，说明所有市（县）早、晚稻全生

育期均缺水。此外，发现海南岛早稻全生育期需

水量比晚稻仅多 25.2 mm，但缺水量却多达 150.2

mm，经核实这是由早、晚稻全生育期有效降水量

（分别为 107.8、232.8 mm）相差较大引起。

2.2    水稻全生育期需水量和缺水量时间分布

18 市（县）早稻拔节孕穗期 50 年平均需水量为

92.0～191.0 mm，均值为 130.1 mm，明显大于各自

其余 6 个生育阶段需水量；18 市（县）早稻分蘖前

期 50 年平均需水量为 53.2～119.1 mm，均值为

83.1 mm，其中 14 市（县）分蘖前期需水量仅次于

各自拔节孕穗期；18 市（县）早稻黄熟期 50 年平均

需水量为 52.6～106.3 mm，均值为 75.0 mm，其中

14 市（县）黄熟期需水量仅次于各自分蘖前期 ；

18 市（县）早稻抽穗开花期、分蘖后期、乳熟期和

移栽返青期需水量均值分别为 52.2  mm、 51.8

mm、38.9 mm 和 13.8 mm（图 1-a）。18 市（县）早

稻拔节孕穗期、分蘖前期和黄熟期 50 年平均需水

市 (县)

0

需水量/mm

海口市 东方市 临高县 澄迈县 儋州市 昌江县 白沙县 琼中县 定安县 屯昌县 琼海市 文昌市 乐东县 五指山市 保亭县 三亚市 万宁市 陵水县

50

100

150

200

250 (a) (b)

(c) (d)

市 (县)

0

需水量/mm

海口市 东方市 临高县 澄迈县 儋州市 昌江县 白沙县 琼中县 定安县 屯昌县 琼海市 文昌市 乐东县 五指山市 保亭县 三亚市 万宁市 陵水县

40

80

120

160

140

100

60

20

180

市 (县)

0

−20

−40

缺水量/mm

海口市 东方市 临高县 澄迈县 儋州市 昌江县 白沙县 琼中县 定安县 屯昌县 琼海市 文昌市 乐东县 五指山市 保亭县 三亚市 万宁市 陵水县

40

60

100

80

20

120

市 (县)

0

缺水量/mm

海口市 东方市 临高县 澄迈县 儋州市 昌江县 白沙县 琼中县 定安县 屯昌县 琼海市 文昌市 乐东县 五指山市 保亭县 三亚市 万宁市 陵水县

20

60

100

140

120

80

40

160

移栽返青期 分蘖前期 分蘖后期

拔节孕穗期 抽穗开花期 乳熟期

黄熟期

移栽返青期 分蘖前期 分蘖后期

拔节孕穗期 抽穗开花期 乳熟期

黄熟期

移栽返青期 分蘖前期 分蘖后期

拔节孕穗期 抽穗开花期 乳熟期

黄熟期

移栽返青期 分蘖前期 分蘖后期

拔节孕穗期 抽穗开花期 乳熟期

黄熟期

图 1    18 市（县）早、晚稻各生育阶段 50 年平均需水量和缺水量

a、b、c、d 分别指早稻各生育阶段需水量、早稻各生育阶段缺水量、晚稻各生育阶段需水量和晚稻各生育阶段缺

水量。    

第 5 期 邹海平等: 海南岛水稻需水量与缺水量的时空变化特征 571

量之和占各自全生育期 50 年平均需水量的比例

为 57.6%～70.0%，均值为 64.8% 大于 50%。可

见，整体上海南岛早稻全生育期需水量主要分布

在拔节孕穗期、分蘖前期和黄熟期。18 市（县）早

稻 7 个生育阶段 50 年平均缺水量均>0（图 1-b），

说明 18 市（县）早稻 7 个生育阶段均缺水。18 市

（县）拔节孕穗期 50 a 平均缺水量均大于各自其余

6 个生育阶段缺水量，均值为 103.3 mm；18 市（县）

分蘖前期缺水量均值为 69.6 mm，其中 16 市（县）

分蘖前期缺水量仅次于各自拔节孕穗期缺水量。

18 市（县）早稻拔节孕穗期和分蘖前期 50 年平均

缺水量之和占各自全生育期 50 年平均缺水量的

比例为 44.4%～59.7%，均值为 51.4%。可见，整体

上海南岛早稻全生育期缺水量主要分布在拔节孕

穗期和分蘖前期。

晚稻全生育期需水量和缺水量时间分布情况

与早稻较相似。整体而言，晚稻全生育期需水量

主要分布在拔节孕穗期和分蘖前期，18 市（县）晚

稻此二生育阶段 50 年平均需水量之和占各自全

生育期 50 年平均需水量的比例为 48.0%～57.6%，

均值为 53.2%（图 1-c）；缺水量方面，18 市（县）除

琼中县晚稻乳熟期、黄熟期，屯昌县晚稻黄熟期和

保亭县晚稻黄熟期缺水量<0 外，其余生育阶段缺

水量>0（图 1-d）。整体上晚稻全生育期缺水量主

要分别在拔节孕穗期和分蘖前期，18 市（县）晚稻

此二生育阶段 50 年平均缺水量之和占各自全生

育期 50 年平均缺水量的比例为 44.8%～76.3%，均

值为 60.2%。

2.3    水稻全生育期及各生育阶段需水量、缺水

量变化趋势    近 50 年 18 市（县）早、晚稻全生育

期及 7 个生育阶段的需水量和缺水量变化趋势见

表 2。可看出，早稻全生育期需水量和缺水量呈减

少趋势的市（县）个数分别为 10 和 12，占所有市

（县）的比例分别为 55.6% 和 66.7%，其中减少显著

表 2    1971—2020 年海南岛 18 市（县）早、晚稻全生育期及各生育阶段的需水量、缺水量变化趋势

市（县）

早稻 晚稻

需水量 缺水量 需水量 缺水量

海口市 ▽△△△△▲▲△ ▽△△△△△△△ △▽▽▲▽▲△△ △▽▽△▽△▽▽

东方市 ▽△△△△▽△▲ ▽△△△△▽△▲ ▼△△△△▽▲△ ▽▽△△△▽△△

临高县 ▽△▽▽▽△△△ ▽△▽△▽△▽△ ▽▽△△▽▽△▽ ▽▼△△▽▽△▽

澄迈县 ▼▼▽▽▼▼▼▼ ▼▽▽▽▼▽▽▼ ▽▼▽▽▽△▼▼ ▽▼▽▽▽△▽▼

儋州市 ▽△▽▽▽△△▽ ▽△▽▽▽△▽▽ ▽▽△△▽▽△▽ ▽▼△△△▽△▽

昌江县 ▽▽△△▽▽△▽ ▽▽▽△▽▽△▽ ▽△△▽△▽△▽ ▽▽△▽▽▽△△

白沙县 ▽△△△▽△△△ ▽△△△▽▽△△ △▽△△△△△△ △▽△▽△▽△△

琼中县 △△△▲△△▲▲ △△△△▽△△△ △△▲▲▲△▲▲ △△△△△△△▲

定安县 ▽△△△△▲▲△ ▽△△△△△▲▲ △▽▽▲▽▲△△ ▽▽▽△▽△▽△

屯昌县 ▽▽▽▽▽△▽▽ ▽▽▽▽▽△△▽ △▼▽△▽△▽▽ ▽▼▽▽▽△▽▽

琼海市 ▽▽▽▽▽△▽▽ ▽▽▽▽△△▽▽ ▲△△▽△△△△ ▲△△▽△△△△

文昌市 ▽▽▽▽▽△▽▽ ▽▽▽▽△▽▽▽ ▲△▽▽▽△△▽ ▲△▽▽△△△△

乐东县 ▼▽▽▽▽▽▽▼ ▽▽▽▽▽▽▽▽ ▽▽△▽▽▽▽▽ ▽△△△▽▽△△

五指山市 ▽▽▽▽▽▽▽▼ ▽▽▽▽▽▽△▽ ▽▽▽▽△▽▽▽ ▽▼▽▽△▽△▽

保亭县 ▽△▽▽△△▽△ △△▽▽▽△▽▽ ▽▼△△▽△▽▽ ▽▼△△▽△▽▽

三亚市 ▼▼▼▼▼▼▼▼ ▼▼▼▼▼▼▼▼ ▼▼▽▽▼▽▼▼ ▽▼▽▽▽▽▽▼

万宁市 ▽▽▽▽▽△▽▽ ▽▽▽▽△▽▽▽ △△▽▼△△△▽ △▽▽▼△△△▽

陵水县 ▽△▽▽△△▽△ △▽▽▽△△▽▽ ▽▼△△▽△▽▽ ▽▼△△▽△▽▽

　　注：符号从左至右依次为移栽返青期、分蘖前期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟期、黄熟期和全生育期。

▲、▼分别表示显著增加、减少（P＜0.05），△、▽分别表示不显著增加、减少。

572 热 带 生 物 学 报 2023 年

的市（县）个数分别为 4 和 1，说明早稻全生育期需

水量和缺水量多数市（县）（占比>50%，下同）呈减

少趋势且以不显著减少为主。早稻全生育期缺水

量呈增加趋势的市（县）包括海口市、东方市、临高

县、白沙县、琼中县和定安县。7 个生育阶段中，

早稻移栽返青期、分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开

花期和黄熟期 5 个生育阶段需水量多数市（县）（占

比分别为 94.4%、66.7%、66.7%、66.7%、55.6%）亦

呈减少趋势且以不显著减少为主；乳熟期需水量

情形相反，即多数市（县）（占比为 66.7%）呈增加趋

势且以不显著增加为主；分蘖前期需水量情形居

中，各有一半市（县）呈增加、减少趋势且以不显著

变化为主。缺水量方面，除早稻乳熟期缺水量各

有一半市（县）呈增加、减少趋势外，其余生育阶段

缺水量多数市（县）（占比为 55.6%～83.3%）呈减少

趋势且以不显著减少为主。

晚稻全生育期需水量和缺水量多数市（县）（占

比为 66.7% 和 55.6%）亦呈减少趋势且以不显著减

少为主。晚稻全生育期缺水量呈增加趋势的市

（县）包括东方市、昌江县、白沙县、琼中县、定安

县、琼海市、文昌市和乐东县。7 个生育阶段中，

晚稻移栽返青期、分蘖前期和抽穗开花期 3 个生

育阶段需水量多数市（县）（占比分别为 55.6%、

66.7% 和 61.1%）呈减少趋势且以不显著减少为

主，其余生育阶段需水量多数市（县）呈增加趋势且

以不显著增加为主。晚稻移栽返青期、分蘖前期、

拔节孕穗期和抽穗开花期 4 个生育阶段缺水量多

数市（县）呈减少趋势，其中仅分蘖前期以显著减少

为主，分蘖后期、乳熟期和黄熟期缺水量多数市

（县）呈增加趋势且以不显著增加为主。

18 市（县）早稻全生育期及各生育阶段缺水量

每 10 年的变化量见表 3。*表示某市（县）7 个生育

阶段中，缺水量每 10 年的变化量与全生育期缺水

量每 10 年的变化量符号一致且绝对值最大的那

个。以儋州市为例，其全生育期缺水量每 10 年的

变化量为−3.3 mm，7 个生育阶段中缺水量每 10 年

的变化量为负值且绝对值最大的为拔节孕穗期缺

水量（每 10 年的变化量为−1.7 mm）。通过统计发

现，*落在早稻移栽返青期至黄熟期 7 个生育阶段

的个数分别为 0、4、0、7、2、0、5，拔节孕穗期和黄

表 3    1971—2020 年海南岛 18 市（县）早稻全生育期及各生育阶段缺水量每 10 a 的变化量 mm

市（县） 移栽返青期 分蘖前期 分蘖后期 拔节孕穗期 抽穗开花期 乳熟期 黄熟期 全生育期

海口市 −0.5 3.0* 0.2 1.4 0.5 2.0 1.1 7.7

东方市 −0.1 1.9 1.7 4.7* 0.8 −0.5 3.3 11.6

临高县 −0.9 1.6* −0.4 1.5 −0.8 0.5 −0.1 1.5

澄迈县 −2.1 −3.8 −2.0 −2.6 −4.0* −1.3 −2.9 −18.7

儋州市 −1.0 0.0 −1.2 −1.7* 0.0 0.9 −0.4 −3.3

昌江县 −0.5 −1.9* 0.0 0.2 −1.5 −0.1 3.3 −0.6

白沙县 −0.1 1.2 0.1 0.0 −1.0 −0.8 2.3* 1.7

琼中县 0.4 3.2 0.5 4.3* −0.5 0.8 2.7 11.4

定安县 −0.8 1.6 0.5 1.2 0.9 2.3 5.2* 10.9

屯昌县 −1.1 −0.3 −0.9 −1.5 −1.7* 1.5 0.1 −3.9

琼海市 −0.5 −1.5 −0.9 −2.4* 0.4 0.7 −2.2 −6.5

文昌市 −0.4 −1.2 −0.4 −2.1* 0.1 −0.4 −1.4 −5.8

乐东县 −0.5 −1.8* −0.8 −0.7 −1.3 −0.4 −0.9 −6.6

五指山市 −0.2 −1.2 −1.6 −2.8* −1.3 −0.1 0.2 −6.9

保亭县 0.2 1.6 −0.6 −0.9 −0.6 1.1 −2.6* −1.8

三亚市 −1.7 −6.3 −4.7 −9.7* −4.6 −3.7 −4.3 −35.0

万宁市 −0.7 −1.9 −0.7 −2.9 1.6 0.0 −3.4* −8.1

陵水县 0.2 −0.3 −0.2 −0.4 0.6 0.1 −0.4* −0.3

第 5 期 邹海平等: 海南岛水稻需水量与缺水量的时空变化特征 573

熟期*个数最多和次多，二者*个数之和占*总个数

的比例超过 50.0% 为 66.7%，可见总体上海南岛早

稻拔节孕穗期或黄熟期缺水量变化是引起全生育

期缺水量变化的最主要原因。以此类推，总体上

海南岛早稻拔节孕穗期或分蘖前期（*个数均为 7）

需水量变化是引起全生育期需水量变化的最主要

原因。海南岛晚稻全生育期需水量和缺水量变化

最主要原因分别与早稻全生育期需水量和缺水量

一致。

3    讨　论

1971—2020 年海南岛早、晚稻全生育期需水

量分别为 444.9、419.7 mm，全生育期缺水量分别

为 337.1、 186.9  mm。陈玉民等[30] 实测 1981—

1988 年琼海市早、晚稻全生育期需水量分别为

467.8、466.2 mm，本研究计算得出相应时段需水

量分别为 436.1、469.5 mm，可见计算值与实测值

接近，说明笔者采用 Penman-Monteith 公式和海南

水稻作物系数实际值计算水稻需水量可行。早、

晚稻全生育期缺水量相差较大，是由早、晚稻有效

降水量相差较大引起。而早、晚稻有效降水量相

差较大是因为晚稻大部分生育时段处于海南岛汛

期（5～10 月）

[4]、降水充沛，而早稻大部分时段处

于非汛期、降水较少。早、晚稻全生育期需水量和

缺水量空间分布各异。

整体而言，海南岛早稻全生育期需水量主要

分布在拔节孕穗期、分蘖前期和黄熟期，晚稻全生

育期需水量主要分布在拔节孕穗期和分蘖前期，

符合水稻需水规律 [30]。所有市（县）早、晚稻全生

育期均缺水，缺水量主要分布在拔节孕穗期和分

蘖前期。所有市（县）早稻 7 个生育阶段均缺水，晚

稻除 4 个市（县）少数生育阶段不缺水外，其余生育

阶段均缺水。

1971—2020 年海南岛早、晚稻全生育期需水

量和缺水量多数市（县）（占比为 55.6%～66.7%）呈

减少趋势且以不显著减少为主。近 50 年海南岛

早、晚稻 7 个生育阶段需水量和缺水量变化趋势

情形各异。早、晚稻拔节孕穗期或分蘖前期需水

量变化是引起其全生育期需水量变化的最主要原

因，拔节孕穗期或黄熟期缺水量变化是引起全生

育期缺水量变化的最主要原因。早、晚稻全生育

期缺水量多数市（县）在减少，水稻灌溉量相应减

少，对海南岛水稻种植总体有利。但海口市、东方

市、临高县、白沙县、琼中县和定安县早稻全生育

期缺水量，东方市、昌江县、白沙县、琼中县、定安

县、琼海市、文昌市和乐东县晚稻全生育期缺水量

在增加，水稻灌溉量相应增加，上述地区需加强稻

田节水灌溉管理，确保水资源高效利用。

影响水稻需水量的因素，除气象因素外，非气

象因素（如水稻品种、土壤类型、施肥水平、灌溉

方式）对水稻需水量亦会产生一定影响[13,30]。海南

岛各地水稻非气象因素存在一定的差异，本研究

在计算水稻需水量时对非气象因素的影响考虑不

足，有待后续研究完善。

参考文献：

[1] 海南省统计局, 国家统计局海南调查总队. 海南统计年

鉴 2020[M]. 北京: 中国统计出版社, 2020: 243.

[2] 唐清洁, 严小微, 孟卫东. 海南水稻生产现状分析及发

展对策[J]. 杂交水稻, 2015, 30（1）: 1 − 5.

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第 5 期 邹海平等: 海南岛水稻需水量与缺水量的时空变化特征 575

Spatial and temporal variations of water requirement and

water deficit of rice in Hainan Island

ZOU Haiping,   ZHANG Jinghong,   LI Weiguang,   CHEN Xiaomin,   BAI Rui,   LYU Run

（Hainan Climate Center/Hainan Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation, Haikou, Hainan 570203, China）

Abstract：An  attempt  was  made  to  grasp  the  spatial  and  temporal  variation  of  water  requirement  and  water

deficit of rice in Hainan Island. Based on the daily meteorological data from 18 cities/counties in Hainan Island

from  1971  to  2020  and  the  growth  period  data  of  early  and  late  rice  from  6  agro-meteorological  stations  in

Hainan  Island,  the  water  requirement  and  deficit  of  early  and  late  rice  were  calculated  by  using  PenmanMonteith formula, crop coefficient method and the method recommended by the Soil Conservation Service of

the United States Department of Agriculture, and their spatial-temporal variations were analyzed. The results

showed that in the past 50 years the water requirements during the whole growth period of early and late rice in

Hainan Island were 444.9 mm and 419.7 mm, respectively, while the water deficits during the whole growth

period were 337.1 mm and 186.9 mm, respectively. The spatial distribution of water requirements and deficits

during the whole growth period of early and late rice varied. All cities/counties were short of water during the

whole  growth  period  of  early  and  late  rice,  and  the  water  shortage  was  mainly  distributed  in  the  jointingbooting  stage  and  pre-tillering  stage.  In  recent  50  years  the  water  requirement  and  water  deficit  during  the

whole growth period of early and late rice showed a decreasing trend and was mainly not significantly reduced

at most cities/counties (accounting for 55.6 %～66.7%), which was generally beneficial to the rice cultivation

in  Hainan  Island.  However,  the  early  rice  was  deficit  of  water  during  the  whole  growth  period  in  Haikou,

Dongfang,  Lingao,  Baisha,  Qiongzhong  and  Dingan,  and  the  late  rice  tended  to  increase  its  water  deficit  in

Dongfang, Changjiang, Baisha, Qiongzhong, Dingan, Qionghai, Wenchang and Ledong, indicating the need to

strengthen water management in paddy fields.

Keywords：rice；water requirement；crop coefficient；effective precipitation；water deficit；Hainan Island

(责任编辑：潘学峰)

576 热 带 生 物 学 报 2023 年

·研究报告·  DOI：10.15886/j.cnki.rdswxb.20230071

木薯渣和甘蔗渣基生物炭对砖红壤的改良效果

李昉泽1，詹　剑2

（1. 矿冶科技集团有限公司，北京 100160; 2. 紫金矿业集团股份有限公司，福建 龙岩 364208）

摘    要： 为探讨木薯 Manihot esculenta 渣和甘蔗 Saccharum officinarum 渣对砖红壤的改良效果，采用单一因

素试验设计，通过土壤模拟培养试验方法，选取海南地区常见的农业废弃物木薯渣和甘蔗渣为前驱物，经

650 ℃ 热解制备生物炭，研究不同添加量的甘蔗渣基生物炭和木薯渣基生物炭（0、0.1%、0.5%、1% 和 5%）对

砖红壤的容重、孔隙度、团聚体等物理性状和 pH、阳离子交换量（CEC）、有机质、有效 N、有效 P、有效 K 等

化学性质的影响。结果表明，热解后甘蔗渣炭和木薯渣炭都有较高的 C 含量，远高于其他元素，代表芳香性

和极性的 C/H、C/O 值也较高；加入砖红壤后与对照 CK 相比，加入生物炭后砖红壤的物理性质中容重显著降

低，孔隙度大于 0.25 mm 团聚体的含量显著增加，物理结构有了显著优化；化学性质中砖红壤的 pH、有效 N、

有效 P、有效 K、有机质和阳离子交换量都有了显著提高。利用主成分分析综合对比评价发现，甘蔗渣基生

物炭对砖红壤的改良效果优于木薯渣基生物炭。

关键词： 甘蔗渣；木薯渣；生物炭；砖红壤改良

中图分类号： X712; S153            文献标志码： A            文章编号：1674 − 7054(2023)05 − 0577 − 08

李昉泽，詹剑. 木薯渣和甘蔗渣基生物炭对砖红壤的改良效果 [J]. 热带生物学报，2023, 14（5）：577−584. doi：

10.15886/j.cnki.rdswxb.20230071

砖红壤集中分布在我国南部地区，以海南岛

为例，砖红壤的占比超过了 60%[1]。此类土壤的特

点是富含铁氧化物且酸度较大，阳离子交换量和

有机碳含量低于其他多数土壤，砖红壤的酸度较

强，导致其中的钾、氨氮、钙和镁盐极易流失；同

时，由于受其成土母质和高温潮湿等气候影响，砖

红壤质地紧密、容重较低、水稳定大团聚体（>0.25

mm）含量较少、孔隙度较低，因此，改良砖红壤的

理化性质能有效提高当地作物产量，改善植物的

生长和发育。甘蔗 Saccharum officinarum 渣和木

薯 Manihot esculenta 渣均是我国南方糖和淀粉等

制品常见的副产物，每年我国产生的木薯渣超过

30 万 t，甘蔗渣则每年超过 2 000 万 t[2 − 3]。木薯渣

和甘蔗渣常大量被用于堆肥和工业生产原料，但

堆肥结束后其残渣仍有残留，直接焚烧或堆存填

埋都会导致资源浪费、生态破坏和环境污染，且作

为生产原料时工业生产过程中工艺流程复杂，成

本较高。木薯渣和甘蔗渣中含有大量的纤维素和

木质素形态的有机碳，可以有效弥补砖红壤中有

机碳较低的缺点，但木质素自身不能直接作为土

壤植物生长的有机质来源，也不能为土壤微生物

直接提供降解所需的碳源与能量, 需要其他可代

谢化合物的协同作用，将纤维素和木质素通过热

解形成黑炭，其稠环芳香结构可以促进有机碳在

团聚体内的贮存[4 − 5]。已有研究结果表明，将甘蔗

渣在 450℃ 制成甘蔗渣炭，可以有效提高土壤有

机碳含量、活化土壤养分[6]。甘蔗渣和木薯渣热解

成生物炭后具有发达的孔隙结构，能够充分调节

土壤的物理结构，增加土壤孔隙度，且具有很多吸

附位点，炭显正电荷，可以吸附带负电的土壤颗

粒，形成大的团聚体[7]。前人研究结果表明，脱除

淀粉后的木薯渣在酸性条件下，碳水化合物更容

易从中脱除并溶出，这有助于调节砖红壤养分和

物理结构[8]。利用甘蔗渣可以调节土壤中的碳氮

比，可以有效促进土壤中参与氮循环和甲烷循环

的细菌群落的丰度增加，最终促进土壤中的养分

　　收稿日期：2023 − 05 − 16　　　　修回日期：2023 − 06 − 18

　　基金项目：矿冶科技集团有限公司青年科技创新基金（04-2204）

　　第一作者：李昉泽（1990−），男， 工程师. 研究方向：土壤改良、土壤污染防治. E-mail：lfze2016@163.com

第 14 卷 第 5 期 热 带 生 物 学 报 Vol. 14 No. 5

2023 年 9 月 JOURNAL OF TROPICAL BIOLOGY Sep. 2023

循环[9]。

尽管木薯渣和甘蔗渣在土壤改良应用已有一

定的研究基础，但是多数集中在将其与各类农肥

进行发酵后作为肥料，主要改善土壤中的养分，而

后续经热解形成生物炭从而改进其物理结构和化

学性质的综合应用研究还比较少见。因此，针对

南方常见的砖红壤物理结构较差和化学养分较低

的特点，本研究选取海南地区常见的农业废弃物

木薯渣和甘蔗渣，经 650℃ 热解制备生物炭，将此

类生物炭对砖红壤进行土壤培育试验，分析土壤

基本的理化性质，并利用相关性分析和主成分分

析，在加入木薯渣和甘蔗渣后，分别对砖红壤的效

果进行分析和评价，以期为木薯渣和甘蔗渣的资

源化利用及对砖红壤的改良提供理论支撑。

1    材料与方法

1.1    供试材料    本试验所用砖红壤取自海南省

海口市周边常见砖红壤表土层（0～20 cm），其性质

如 下 ： 有 机 质 （OM）含 量 为 2.71  g·kg−1、 pH 为

4.92、全氮（TN）含量为 1.47 g·kg−1、全磷（TP）含量

为 0.37 g·kg−1、全钾（TK）含量为 2.08 g·kg−1、阳离

子交换量（CEC）含量为 26.62 cmol·kg−1、容重为

1.20 g·cm−3、>0.25 mm 团聚体含量为 32.19%。取

回土壤风干后备用。本试验所用生物炭前驱物为

木薯渣和甘蔗渣，是常见农业废弃物；甘蔗渣取自

商户榨汁后残渣；木薯渣取自当地某淀粉厂。甘

蔗渣和木薯渣生物炭均在 650℃ 采用程序升温法

制备，具体方法为：待木薯渣和甘蔗渣风干，用粉

碎机粉碎，填满压实于瓷坩埚，加盖密封，置于马

弗炉，以 10℃·min−1 升至 200℃，灼烧 2 h，实现预

碳化，然后以同样升温速度升至 650℃ 热解炭化

3 h，冷却后取出，研磨过 0.15 mm 筛备用。

1.2    试验设计    本研究采用单一因素试验设计

方法，在砖红壤中添加 2 种前驱材料，分别是木薯

渣（MS）和甘蔗渣（GZ），按比例（m/m， 0.1%、0.5%、

1.0%、5.0%）充分混合，共 200 g，放于 500 mL 锥

形瓶中 ，分别设添加木薯渣基生物炭的编号为

MS0.1、MS0.5、MS1、MS5；添加甘蔗渣基生物炭

的编号为 GZ0.1、GZ0.5、GZ1、GZ5；设置 1 组未

添加任何生物炭的砖红壤样品作为对照（CK），每

组处理设置 3 个平行。将装有生物炭土壤样品的

锥形瓶置于人工振荡培养箱（200 r·min−1

，ZDP-150

型，购自上海精宏实验设备有限公司）反复振荡

7 d，确保生物炭与土壤充分反应混匀。停止振荡，

用称量法保持土壤水分 34%（75% 田间持水量）培

养 45 d，在此期间振荡培养箱温度为 28℃。培养

结束后，留取 50 g 土壤测定土壤水稳性团聚体，剩

余土壤全部风干，过 2 mm 筛并装入样品袋密封，

分析其理化性质。

1.3    测定指标与方法    利用马弗炉采用称质量

法测定灰分，借助元素分析仪分析 C、H、N、S 四

种主要元素含量，O 元素含量的测算如式（1）所示。

O% = 100% −C% −H% −N% −S% −灰分 (1)

采用氯化钡-硫酸强迫交换法测阳离子交换量

（CEC）；通过碱解扩散法（UV-1100 分光光度计）测

定有效 N；使用 NaHCO3 萃取钼-锑比色法测量有

效 P；使用玻璃电极法（NY/T 1377-2007）测定土壤

pH。用火焰光度计（BDN900 火焰光度计）测定有

效 K；用重铬酸钾氧化滴定法测定土壤有机质。

使用环刀法测定土壤容重。使用比重瓶法测

得土壤比重。土壤孔隙度使用以下公式计算：孔

隙度=（1−容重/比重）×100。

通过湿筛法，利用团聚体分析仪确定土壤样

品的团聚体分布。团聚体稳定性指标为平均质量

直径（MWD），公式如（2）所示。

MWD =

∑n+1

i=1

rn+1 +ri

2

×mi (2)

式中：ri 是第 i 个筛子孔径（mm），r0＝r1，rn＝rn+1，

mi 是第 i 个筛子的破碎团聚体质量百分比。

1.4    数据分析    使用 SPSS 21.0 对数据进行偏差

和显著性分析，使用 Origin Pro 2021 软件作图并

进行热图分析和主成分分析（PCA）。

2    结果与分析

2.1    生物炭的基本性质    生物炭基本性质如表 1

所示，2 种生物炭中，C 含量均远高于其他元素，其

余元素含量均在 5% 以下。甘蔗渣生物炭（GZ）中

C、N、S 含量要高于木薯渣基生物炭（MS），H、

O 元素和灰分则低于木薯渣基生物炭。甘蔗渣基

生物炭 pH 和 CEC 高于木薯渣基生物炭。

生物炭的 C/H、C/O、C/N、C/（O+N）结果分别

是衡量生物炭芳香性（C/H）、亲水性（C/O）和极性

（C/N、C/（O+N））的指标之一[10 − 11]。综合对比结果

（图 1）表明，甘蔗渣基生物炭的芳香性要高于木薯

渣基生物炭，亲水性要高于木薯渣基生物炭，甘蔗

渣基生物炭的极性整体也大于木薯渣基生物炭。

578 热 带 生 物 学 报 2023 年

2.2    生物炭对砖红壤物理性质的影响    容重可

以直接反映土壤的通透性。由表 2 可知，与对照

相比，各处理在分别加入生物炭后容重呈线性下

降，降低幅度 0.47%～29.00%。其中，加入木薯渣

基生物炭后呈 y=−4.142 6 x+1.201 3（R

2=0.993 6）

趋势下降；加入甘蔗渣基生物炭后呈 y=−7.020 9 x+

1.205 6（R

2=0.997 7）趋势下降。综合比较结果表

明，相同施加量下，加入甘蔗渣基生物炭容重下降

幅度更大。从表 2 可得，加入 0.1%～1% 生物炭

后，砖红壤的容重增加并不显著，在加入 5% 木薯

渣基和甘蔗渣基生物炭后，孔隙度分别明显增加

6.41% 和 11.01%。

表 2  生物炭对砖红壤容重和孔隙度的影响

性质 CK

MS GZ

0.10% 0.50% 1.00% 5.00% 0.10% 0.50% 1.00% 5.00%

容重/g·cm−3 1.20±0.03a 1.19±0.02a 1.18±0.06a 1.17±0.04a 0.99±0.04b 1.19±0.03a 1.17±0.04a 1.15±0.01a 0.85±0.03c

孔隙度/% 54.02±1.54c 54.3±1.98c 54.33±2.36c 54.39±0.87c 60.43±2.21b 54.33±2.07c 54.75±1.65c 54.84±1.03c 65.03±2.05a

MWD/mm 0.46±0.00c 0.47±0.03c 0.48±0.04c 0.53±0.01b 0.54±0.02b 0.47±0.03c 0.50±0.02c 0.55±0.01b 0.58±0.01a

　注：MWD为团聚体平均质量直径。

各处理的水稳性团聚体变化情况如图 2 所

示，对照 CK 中团聚体粒径主要集中于<0.25 mm，

含量为 58.68%；加入生物炭 1% 以上，则团聚体粒

径主要集中于>0.25 mm，占比最大的处理为加入

5% 甘蔗渣基生物炭 ， >0.25  mm 团聚体含量为

61.29%。综合对比结果表明，同等加入量下，甘蔗

渣基生物炭的效果要好于木薯渣基生物炭。

2.3    生物炭对砖红壤化学性质的影响    如图 3

所示，加入生物炭后砖红壤化学性质变化显著，

pH、CEC、有机质、有效 N、有效 P 和有效 K 均与

生物炭添加量成正比。加入生物炭后结果如图 3-a

所示，砖红壤的 pH 显著提高，提高幅度为 0.1～

1.74 个单位。如图 3-b 所示，加入木薯渣基生物炭

后砖红壤 CEC、有机质、有效 N、有效 P、有效

K 增加幅度分别为 18.96%～55.21%、 53.71%～

99.14%、 38.68%～ 72.64%、 31.98%～ 1  148.68%、

72.72%～1 115.15%，加入甘蔗渣后增加幅度为

23.03%～ 60.46%、 67.30%～ 154.77%、 34.90%～

74.53%、52.79%～1 849.41%、54.55%～518.18%。

表 1    生物炭基本性质

样品

元素含量/%

灰分/% pH CEC/（cmol·kg−1）

C H O N S

GZ 82.70±1.33a 1.21±0.01b 1.70±0.14b 2.04±0.03a 1.29±0.08a 11.06±1.12b 10.16±0.11a 210.99±6.49a

MS 70.36±1.81b 1.82±0.03a 3.00±0.18a 1.25±0.11b 0.15±0.01b 23.42±1.78a 9.39±0.12b 158.36±7.40b

　　注：不同小写字母表示处理之间差异显著（P<0.05），下同。

b

a

a

a

a

b

b

b

C/N C/H C/O C/(O+N)

0

10

20

30

40

50

60

70

比值

甘蔗渣基生物炭

木薯渣基生物炭

图 1    不同生物炭中 C/N、C/H、C/O、C/（O+N）的变化

注：不同小写字母表示处理之间差异显著（P<0.05），

下同。

CK

MS0.1

MS0.5

MS1

MS5

GZ0.1

GZ0.5

GZ1

GZ5

0

20

40

60

80

100

58.68 团聚体占比/%

>2 mm 1~2 mm 0.5~1 mm

0.25~0.5 mm <0.25 mm

38.71

处理

图 2    生物炭对砖红壤团聚体的影响

第 5 期 李昉泽等: 木薯渣和甘蔗渣基生物炭对砖红壤的改良效果 579

综合比较结果表明，相同添加量时，加入甘蔗渣基

生物炭的各处理 pH、有机质和有效 P 高于加入木

薯渣基生物炭的；CEC、有效 N 随着生物炭不同添

加量各有高低 ；加入木薯渣基生物炭后的有效

K 高于加入甘蔗渣基生物炭的。

2.4    生物炭对砖红壤改良的相关性分析    利用

Origin2021 对各处理进行热图（Heatmap）分析，可

以清晰地统计出砖红壤改良后理化性质彼此间的

相关性。图 4 结果表明，容重与<0.25 mm 团聚体

呈正相关，与其他性质呈负相关；孔隙度、>0.25

mm 团聚体 、 pH、 CEC、有机质 、有效 K、有效

N 和有效 P 之间呈正相关；0.25～0.5 mm 团聚体

对砖红壤 CEC、有机质有效 N 正相关影响最大，

有效 K 受各因素正相关影响最小。结果表明，砖

红壤改良是 1 个综合反应的过程，加入生物炭后

会显著改良各个性质，各个性质继续交互作用，形

d

c

b b

a

d d

d

d

b

4

5

6

7

8

pH

甘蔗渣基生物炭

木薯渣基生物炭

CK 0.5 0.1% % 1% 5%

(a)

(c) (d)

(e) (f)

处理

d

c c

b

a

d

c

c

b

a

10

20

30

40

50

甘蔗渣基生物炭

木薯渣基生物炭

CEC/(cmol·kg−1

)

CK 0.1% 0.5% 1% 5%

处理

CK 0.5 0.1% % 1% 5%

处理

CK 0.1% 0.5% 1% 5%

处理

CK 0.5 0.1% % 1% 5%

处理

CK 0.1% 0.5% 1% 5%

处理

f

d

c

b

a

f

e

d

d

c

0

1

2

3

4

5

6

7

8

甘蔗渣基生物炭

木薯渣基生物炭

有机质/(g·kg−1

)

g g

f

e

b

g

f

d

c

a

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400 甘蔗渣基生物炭

木薯渣基生物炭

有效 K/(mg·kg−1

)

g h

e

c

a

g h

f

d

b

0

50

100

150

200

250

300 甘蔗渣基生物炭

木薯渣基生物炭

有效 P/(mg·kg−1

)

c

b

b

b

a

c

b

b

b

a

10

15

20

甘蔗渣基生物炭

木薯渣基生物炭

有效 N/(mg·kg−1

)

(b)

图 3    生物炭对砖红壤化学性质的影响

(a). pH；(b).阳离子交换量（CEC）；(c).有机质；(d).有效 N；(e).有效 P；(f).有效 K。

580 热 带 生 物 学 报 2023 年

成 1 个改良后的稳定环境。

利用主成分分析找到各性质之间的共线性，

可以确定各性质之间的共线性。如图 5 所示，代

入各性质之后发现主要有 2 个公因子 PC1 和

容重

孔隙度

>2 mm

1~2 mm

0.5~1 mm

0.25~0.5 mm

<0.25 mm

pH

CEC

有机质

有效 K

有效 N

有效 P

容重

孔隙度

>2 mm

1~2 mm

0.5~1 mm

0.25~0.5 mm

<0.25 mm

pH

CEC

有机质

有效 K

有效 N

有效 P

1.0 −1.00 −0.89 −0.72 −0.73 −0.72 0.76 −0.85 −0.80 −0.75 −0.74 −0.71 −1.00

−1.00 1.0 0.86 0.67 0.68 0.67 −0.71 0.84 0.77 0.71 0.73 0.67 1.00

−0.89 0.86 1.0 0.89 0.86 0.89 −0.92 0.86 0.87 0.89 0.53 0.80 0.87

−0.72 0.67 0.89 1.0 0.98 0.98 −0.99 0.81 0.89 0.88 0.54 0.82 0.70

−0.73 0.68 0.86 0.98 1.0 0.97 −0.98 0.78 0.89 0.82 0.63 0.81 0.72

−0.72 0.67 0.89 0.98 0.97 1.0 −0.99 0.83 0.90 0.91 0.54 0.83 0.70

0.76 −0.71 −0.92 −0.99 −0.98 −0.99 1.0 −0.83 −0.91 −0.89 −0.57 −0.83 −0.74

−0.85 0.84 0.86 0.81 0.78 0.83 −0.83 1.0 0.76 0.89 0.49 0.70 0.83

−0.80 0.77 0.87 0.89 0.89 0.90 −0.91 0.76 1.0 0.90 0.74 0.96 0.79

−0.75 0.71 0.89 0.88 0.82 0.91 −0.89 0.89 0.90 1.0 0.47 0.90 0.71

−0.74 0.73 0.53 0.54 0.63 0.54 −0.57 0.49 0.74 0.47 1.0 0.68 0.76

−0.71 0.67 0.80 0.82 0.81 0.83 −0.83 0.70 0.96 0.90 0.68 1.0 0.68

−1.00 1.00 0.87 0.70 0.72 0.70 −0.74 0.83 0.79 0.71 0.76 0.68 1.0

−1.0

−0.8

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

图 4    生物炭改良砖红壤各性质热图分析

−15 −10 −5 0 5 10 15

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

PC2 (8.9

%)

PC1 (81.8%)

0.25~0.5 mm

CK

MS0.1

MS0.5

MS1

MS5

GZ0.1

GZ0.5

GZ1

−0.4 −0.2 0 0.2 0.4

−0.4

−0.2

0

0.2

容重 0.4

1~2 mm

0.5~1 mm

有机质

有效 N

CEC

>2 mm

pH

有效 P

有效 K 孔隙度

<0.25 mm

GZ5

MS1

图 5    生物炭改良砖红壤各性质主成分分析

第 5 期 李昉泽等: 木薯渣和甘蔗渣基生物炭对砖红壤的改良效果 581

PC2，方差解释率分别为 81.8% 和 8.9%。各处理

均位于 95% 置信区间内（红色圆圈），蓝色箭头的

长短则表示该性质在公因子上的作用大小。橙色

坐标系为各性质公因子上作用的坐标系，黑色则

为各处理在公因子作用的坐标系。综合来看 ，

>0.25 mm 团聚体、有机质、有效 N、CEC 对公因

子有正向影响；pH、有效 P、孔隙度、有效 K 仅对

PC1 有正向影响，对 PC2 为负向影响；容重对 PC1

有负向影响 ，对 PC2 有正向影响 ；<0.25  mm 对

PC1 和 PC2 均为负向影响。孔隙度、容重和团聚

体及有效 P、有效 K 对砖红壤改良中的作用明显。

2.5    生物炭对砖红壤改良的改良效果分析    利

用 Origin2021 对各处理进行主成分分析（PCA）

后 ，通过权重和特征值计算每个处理的 PC1 和

PC2 得分。根据得分结果对加入不同生物炭对砖

红壤改良效果进行评价，结果如表 3 所示，对照组

CK 的分最低，为−3.60；改良效果随着生物炭添加

量的增加而愈发明显，添加量相同的情况下加入

甘蔗渣基生物炭的改良效果要好于加入木薯渣基

生物炭的改良效果；其中加入 5% 的甘蔗渣基生物

炭处理得分最高，为 4.91。与对照 CK 相比，加入

生物炭后对砖红壤理化性质改良效果均比较显

著，甘蔗渣基生物炭的改良效果更优。

表 3  不同生物炭对砖红壤改良效果评价

处理 PC1得分 PC2得分 总得分

CK −4.272 0 −1.096 5 −3.601 7

MS0.1 −2.779 9 −0.521 9 −2.326 5

MS0.5 −1.541 7 0.064 7 −1.258 4

MS1 0.203 2 1.121 0 0.267 5

MS5 3.362 0 −1.190 1 2.649 7

GZ0.1 −2.174 2 −0.034 3 −1.786 0

GZ0.5 −0.661 0 0.567 8 −0.491 0

GZ1 1.780 7 1.996 1 1.639 8

GZ5 −4.272 0 −1.096 5 4.906 5

3    讨　论

生物炭中含氧官能团多以阴离子存在，可以

吸收 H

+

，也能具有较高的阳离子交换量，如羧基和

羟基等在生物质热解后聚集生成在生物炭表面，

生物炭由此显碱性。生物炭自身具有发达的空隙

结构，密度较低，加入后能与粒径较小的土壤颗粒

充分混匀，对容重起到“稀释”作用，前人研究也已

证明加入生物炭的有机质也会降低容重[12]

，并且还

可以增加砖红壤的孔隙结构。热解后生物炭灰分

中主要成分为碳酸盐，这是生物炭自身显碱性的

主要原因之一，加入酸性砖红壤后可以显著改善

土壤的 pH 值，同时碳酸盐在砖红壤中与酸反应生

成气体 CO2，可以促进植物光合作用，也可以蓬松

土壤，提高土壤孔隙度。经过微生物植物吸收土

壤中的有机质含量提高可以提高土壤黏性，进而

促进>0.25 mm 团聚体积聚形成，>0.25 mm 团聚体

的形成对土壤有机质的贮存能力提高也比较明

显，在图 4 中，相关性分析已证实这一推论。从

表 1 可以看出，团聚体的平均质量直径（MWD）不

仅直接受到土质和深度的影响，还直接受到加入

有机碳的影响，生物炭加入量越大，稳定性越高，

这与前人的研究一致[13- 14]。促进砖红壤中>0.25

mm 团聚体形成的另一原因可能是生物炭中羟

基、羧基易与土壤中的钙离子发生凝聚反应，促进

土壤团粒结构形成。综上，改良后的砖红壤物理

性质与化学性质是一个相互作用的过程。

与其他生物质相比，木薯渣可有利于固氮的

变形菌门在土壤中的生长和繁殖[15]

，加强土壤的固

氮能力；甘蔗渣则可以促进土壤酸性磷酸酶活性

提高[16]

，其活性的高低直接影响着土壤中有机磷的

分解转化及其生物有效性。而且木薯渣和甘蔗渣

有机碳成分主要为纤维素、半纤维素和木质素等

难降解物质，热解后生物质中的结晶纤维素和半

纤维素会被分解为生物炭[17]

，热解后生物炭成分属

于黑炭，可以在环境中参与碳循环，但周转速度较

慢，属于稳定性碳库，从有机质显著增加的结果可

以发现，虽然生物炭自身为惰性碳，难以被土壤微

生物直接利用，但可以贮存在土壤中，显著促进砖

红壤有机质及有效养分的提高[18- 19]。

生物质热解成炭后的羧基等含氧官能团的增

加，是促进 CEC 提高的原因之一，另一方面，在热

解氧化后生物炭自身的 CEC 含量也会得到显著提

高。高温热解的生物炭，利用其自身较大的比表

面积、微孔隙度，具有较多吸附位点，可以将养分

固定下来，防止其被渗水带走[20]。在加入碱性生物

炭的改良下，砖红壤的 pH 显著改变，可以促进土

582 热 带 生 物 学 报 2023 年

壤中的 NH3 和 NH4

+转化为 NO3

−

，有研究结果表

明，较高温度下热解的生物质炭更有利于 NO3

−的

吸附[21]

，使得有效氮更容易被固定在土壤中，砖红

壤中富含 Fe，易与磷酸盐形成 Fe3（PO4）2 结晶，无

法再次释放，加入生物炭可以利用 C 和 P 形成 CO-PO3 或 C-P， 有助于土壤中 P 的释放[22]。有效钾

非常活跃，但生物炭对阳离子的强吸附性可以将

其固定在表面，生物炭自身中有效 K 主要存在于

灰分中[23]

，本研究中木薯渣基生物炭灰分高于甘蔗

渣基生物炭，这也就解释了为什么图 3-f 中加入木

薯渣基生物炭后的砖红壤中有效 K 要高于加入甘

蔗渣基生物炭的。

加入甘蔗渣基生物炭的砖红壤改良综合效果

优于加入木薯渣基生物炭的处理，原因如下：热解

后的甘蔗渣基生物炭碳元素含量高于木薯渣基生

物炭，氢和氧元素含量则低于木薯渣基生物炭，说

明甘蔗渣炭在 650℃ 情况下热解更充分，含水率

更低，因此使得甘蔗渣基生物炭对土壤中有效养

分有着更强的吸附能力。甘蔗渣基生物炭的芳香

性、极性和亲水性总体高于木薯渣基生物炭，极性

官能团如羧基、羰基也会含量更高，高 pH 条件下

以阴离子存在，更利于加入甘蔗渣后有效养分转

化，阳离子交换[24]。甘蔗渣基生物炭能够更好地改

变砖红壤的有机质含量，进而能够更高的提升砖

红壤的>0.25 mm 团聚体含量。甘蔗渣比木薯渣更

高的含 C 量，而 C 有助于土壤中的 N 和 P 形成稳

定化学键，而土壤中加入生物炭形成氢键、静电作

用、含氧官能团和共价官能团，可能形成半透膜，

阻止 N 和 P 通过动态水交换的扩散，防止 N 和 P

的流失[25 − 26]。

本研究利用海南当地常见农业废弃物甘蔗渣

和木薯渣为原料，采取热解的方法将此类农业废

弃物制备为生物炭用于当地砖红壤的改良，研发

出了甘蔗渣和木薯渣此类废弃物循环利用技术。

研究结果表明，利用甘蔗渣和木薯渣制备的生物

炭可以有效改良砖红壤的理化性质。

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Effect of cassava and bagasse biochar on -physicochemical

properties of lateritic soil

LI Fangze1

,   ZHAN Jian2

（1. Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy Technology Group, Beijing, 100160, China;

2. Zijin Mining Group Company Limited, Longyan, Fujian, 364208, China）

Abstract：Common agricultural wastes, cassava residues and sugarcane bagasse, were selected from Hainan as

precursor materials to produce biochar through 650℃ pyrolysis with a single-factor experimental design, and

the biochar was used to treat lateritic soil in the south of China at different rates (0, 0.1%, 0.5%, 1% and 5%) to

observe the effect of the biochar on the physical properties such as bulk density, porosity, aggregates, etc, and

chemical  properties  such  as  pH,  cation  exchange  capacity  (CEC),  organic  matter,  available  N,  available  P,

available K, etc. The results showed that the biochar derived from sugarcane bagasse and cassava residues was

higher in C content, much higher than in other elements, and was also higher in C/H and C/O ratios, which

represent  aromaticity  and  polarity.  The  biochar  treatment  resulted  in  significant  improvement  in  the  soil

physical properties as compared with the control. Specifically, the bulk density of the lateritic soil significantly

decreased, while the porosity and the content of macroaggregates (>0.25 mm) increased significantly. For the

chemical properties of the lateritic soil, the pH, available N, available P, available K, organic matter, and CEC

also  increased  significantly  in  the  biochar  treatment.  Principal  component  analysis  showed  that  the  biochar

derived  from  sugarcane  bagasse  had  higher  ameliorative  effect  on  the  lateritic  soil  than  the  biochar  derived

from cassava residues.

Keywords：bagasse；cassava residue；biochar；lateritic soil improvement

(责任编辑：钟云芳)

584 热 带 生 物 学 报 2023 年