廣元市主要農(nóng)作物需水量時(shí)空特征分析

劉會(huì)斌，王 勤，甘建輝，黃明德，劉運(yùn)成，羅小華，王和訓(xùn)，顧洪國

(1.四川省廣元市氣象局，四川 廣元 628017;2.四川省劍閣縣氣象局，四川 劍閣 628300)

廣元市主要農(nóng)作物需水量時(shí)空特征分析

劉會(huì)斌1，王 勤1，甘建輝1，黃明德2，劉運(yùn)成1，羅小華1，王和訓(xùn)1，顧洪國1

(1.四川省廣元市氣象局，四川 廣元 628017;2.四川省劍閣縣氣象局，四川 劍閣 628300)

選取廣元地區(qū)1971—2000年(30a)地面氣象資料及1985—2009年(25a)農(nóng)氣觀測站發(fā)育期資料，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式及作物系數(shù)，計(jì)算出廣元市主要農(nóng)作物逐月(日)平均需水量，并利用Kriging插值法得到各作物需水量的空間分布。根據(jù)典型年(豐水年、枯水年及平常年)作物需水量與當(dāng)月降水量相關(guān)分析結(jié)果，降水接近多年平均時(shí)，騰發(fā)量與之基本持平，豐水年騰發(fā)量小于降水量，枯水年騰發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量;作物需水量空間分布上，東部與南部大于西部與北部。

彭曼公式;Kriging插值;作物需水量;時(shí)空分布特征;廣元市

1 前言

廣元市位于四川盆地北部邊緣，地處米倉山、龍門山和盆北低山三大地貌單元的交匯地帶，具有典型的季風(fēng)氣候特點(diǎn)。廣元降水豐富，但時(shí)空分布不均，是導(dǎo)致季節(jié)性干旱的根本原因。國內(nèi)對(duì)氣象干旱研究作了大量研究［1，2］，而氣象干旱不一定對(duì)農(nóng)業(yè)致害。當(dāng)農(nóng)作物體內(nèi)水分發(fā)生虧缺，影響正常生長發(fā)育時(shí)才形成一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，即所謂的農(nóng)業(yè)干旱［3］。評(píng)判作物的水分虧缺需考慮作物所處的發(fā)育期及作物本身對(duì)水分的需求。本文通過作物需水量的時(shí)空分布特征分析，研究作物需水規(guī)律［4］，對(duì)農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警，計(jì)算灌溉用水量，制訂抗旱規(guī)劃，為有效防御干旱提供理論依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料

氣象資料來自廣元市5個(gè)國家氣象站1971—2000年(30 a)的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均水汽壓、平均風(fēng)速。作物發(fā)育期資料源于農(nóng)業(yè)氣象觀測站(廣元1985—2002，蒼溪2003—2009年)水稻、冬小麥、夏玉米、油菜生育期資料，取各生育期平均值作為本文分析的發(fā)育期資料，再計(jì)算作物生育期內(nèi)平均逐日需水量。

2.2 方法

本文采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(簡稱FAO)推薦的Penman-Monteith公式，計(jì)算參照作物蒸騰蒸發(fā)量(Reference Evapotranspiration，以下簡稱作物騰發(fā)量)。該公式全面考慮了空氣動(dòng)力學(xué)阻抗和作物冠層阻抗對(duì)農(nóng)田蒸散的影響，具有很好的適用性。據(jù)FAO定義，作物需水量為“一種作物生長在開闊的田地中，土壤條件(水、肥)不受限制，在給定的生長環(huán)境中充分發(fā)揮生產(chǎn)潛力的狀況下，滿足作物蒸散耗水所需的水分”。

Penman-Monteith計(jì)算公式為：

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，單位mm/d;△：溫度—飽和水汽壓關(guān)系曲線上在T處的切線斜率 kpa/℃，△ =4098 × еa/(T+237.3)2;Rn：地面凈輻射蒸發(fā)量(MJ·m-2·d-1);G：土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，G=Ti-Ti-1(Ti計(jì)算當(dāng)日的平均氣溫，Ti-1計(jì)算前3d的平均氣溫);γ：干濕表常數(shù)，pa/℃，γ=0.00163 ×p/λ;p：氣壓，p=101.3 ×((293-0.0065×Z)/293))5.26，(式中：Z為計(jì)算地點(diǎn)海拔高程，m);T：平均氣溫(℃);λ：潛熱(MJ·kg-1)，λ =2.501-(2.361 ×10-3) ×T;еa-еd：飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓的差值，kpa;еa=0.611×exp×(17.27×T/(T+237.3))，kpa;u2：2m 高處的風(fēng)速(m/s)。

利用彭曼公式可以通過編程或利用電子表格Excel計(jì)算，本文采用Excel表，計(jì)算結(jié)果略。

2.3 作物需水量

式中，ETm為作物需水量;Kc為作物系數(shù);ET0為參考作物蒸散量。在考慮取值時(shí)將作物的生長發(fā)育劃分為4個(gè)階段(見圖1)。

圖1 作物生育期作物系數(shù)Kc變化曲線

不同時(shí)段需水量不同，對(duì)不同作物又有不同的劃分。作物系數(shù)取值見表1。

表1 主要農(nóng)作物作物系數(shù)表

3 主要農(nóng)作物需水量空間分析

3.1 廣元地區(qū)各站作物需水量

圖2 廣元各站參考作物騰發(fā)量逐月變化

表2 各月作物騰發(fā)量與各月降水的相關(guān)分析

3.1.1 作物騰發(fā)量的四季變化 從參考作物騰發(fā)量季節(jié)變化(見圖2)可以看出，以夏季騰發(fā)量最大，冬季最小，7-8月為全年的高值段，春季穩(wěn)步上升，秋季迅速下降，12—次年1月則處于較低水平。對(duì)各月作物騰發(fā)量與各月平均降雨量進(jìn)行相關(guān)分析(見表2)，發(fā)現(xiàn)兩者存在明顯的正相關(guān)，這可能與廣元雨熱同季有關(guān)。3.1.2 三種典型年參考作物騰發(fā)量的計(jì)算 分別計(jì)算各站豐水年(30 a降水量最大值)、枯水年(30 a最小值)及平年(接近30 a平均值)3種典型年份逐月(日)騰發(fā)量ETo，并計(jì)算該值與當(dāng)年逐月降水量R的差值(見表3)，得到結(jié)果是豐水年大于平年大于枯水年，與高惠嫣［5］等人的研究結(jié)論類似。降水量與騰發(fā)量的差值，枯水年為負(fù)值，豐水年呈現(xiàn)較大的正值，正常年份兩者差值或正或負(fù)，絕對(duì)值較小。降水量小，騰發(fā)量大的年份，干旱重;降水量大，騰發(fā)量小，為豐水年或者發(fā)生洪澇年。降水量與騰發(fā)量兩者的差值體現(xiàn)出水份平衡狀況或盈虧，水份失衡是形成旱澇的重要致因。

表3 典型年份作物騰發(fā)量與同期降水量的差值(mm/d)

3.1.3 主要農(nóng)作物的需水量分析 主要農(nóng)作物全生育期平均需水量(見表4)，同一地區(qū)不同種作物需水量關(guān)系是：水稻＞玉米＞冬小麥＞油菜。不同種作物全生育期處于全年中不同的季節(jié)(見圖3)，需水量不同。冬小麥與油菜(圖3c、圖3d)屬越冬作物，冬前對(duì)水份需求較小，春季隨著氣溫回暖，作物生育進(jìn)程加快，進(jìn)入積極生長階段，作物需水量逐步增加，而后穩(wěn)定在較高水平，灌漿成熟(綠熟)后，需水量迅速下降。夏玉米與水稻(圖3a、圖3b)主要生育期在夏半年，需水量較大。

表4 全生育期作物需水量(mm/d)

3.2 基于GIS的需水量空間分布

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)作為獲取、處理、管理和分析地理空間數(shù)據(jù)的重要工具、技術(shù)和學(xué)科，在氣象上也得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用［6］。采用 GIS中克里金(Kriging)插值法又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，將上面點(diǎn)需水量的計(jì)算結(jié)果，作出廣元地區(qū)主要農(nóng)作物的需水量分布圖(圖4)。可以看出，水稻、冬小麥、夏玉米、油菜各作物的需水量空間分布規(guī)律不盡相同，因?yàn)樽魑锏纳诓煌瑓⒖甲魑镎羯⒘繒?huì)有所不同，導(dǎo)致實(shí)際需水量不同。

4 結(jié)論

從多年平均來看，作物騰發(fā)量與降水量變化基本一致，夏季多，冬季少。變化規(guī)律是春季逐步增加，夏季達(dá)到最大，秋季迅速減少，這與雨熱同季的氣候特點(diǎn)有關(guān)。統(tǒng)計(jì)分析典型年作物騰發(fā)量與降水量的關(guān)系，反映出平年降水與騰發(fā)量基本持平，豐水年騰發(fā)量大于降水量，枯水年騰發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量。各種作物全生育期處于全年中不同時(shí)段，需水量差異較大。

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S161

B

1003-6598(2011)03-0031-03

2011-01-25

劉會(huì)斌(1962-)，男，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)及業(yè)務(wù)管理等工作。

四川省氣象局科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)課題川氣課題2009—13“災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與作物適應(yīng)性氣候區(qū)劃相關(guān)問題研究”;川氣課題2009-13-02“廣元市農(nóng)業(yè)干旱的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)與模型研究”。