大型灌區(qū)作物需水量計(jì)算與氣象影響因素分析

侯曉麗，馮躍華，吳光輝，何印興，常東明，楊會(huì)明

(1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000；2.鄭州大學(xué)，鄭州 450001)

作物需水量主要指作物生長發(fā)育期間所需要消耗的水量，也可稱為作物的騰發(fā)量或者蒸散發(fā)量，一般采用符號ETC表示。作物需水量主要受作物內(nèi)部因素和外部環(huán)境因素，內(nèi)部因素主要是植物的種類、品種、葉片類型和生理特征等；外部環(huán)境因素主要是種植地區(qū)氣象條件、土質(zhì)類型和土壤墑情等。植物蒸散發(fā)在土壤-植物-大氣系統(tǒng)中起著重要的作用，影響循環(huán)系統(tǒng)中水、熱的移動(dòng)和交換；隨著節(jié)水型農(nóng)業(yè)發(fā)展，需要對水資源優(yōu)化利用和科學(xué)管理，進(jìn)一步提高水資源利用效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展[1]。

國際上常用的是FAO(聯(lián)合國糧農(nóng)組織)專家咨詢會(huì)議推薦的Penman-Montieth公式計(jì)算作物ETC，為農(nóng)作物灌溉提供技術(shù)參考。Singh Gurmeet等[2,3]研究了土豆生長發(fā)育過程中作物騰發(fā)量變化規(guī)律，同時(shí)采用敏感性分析方法研究了作物ETC的主要影響因素。韓宇平、李萍、羅玉峰、河萍等[4-7]建立作物需水量計(jì)算模型，模擬地區(qū)主要種植物的需水量變化規(guī)律，研究各種氣象和土壤因素變化對作物用水安全和高產(chǎn)的影響。本文在國際上通用的Penman公式的基礎(chǔ)上，采用國內(nèi)Penman修正式，建立作物需水量數(shù)學(xué)模型，預(yù)測大型引黃三義寨灌區(qū)作物需水量，研究作物需水量與各氣象因子之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)來源和作物需水量計(jì)算模型

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)資料主要來自灌區(qū)附近的惠北科學(xué)試驗(yàn)站多年來的溫度、濕度、太陽日照時(shí)數(shù)、濕度等實(shí)測氣象數(shù)據(jù)。

1.2 作物需水量計(jì)算模型

通過采用國內(nèi)Penman修正式，計(jì)算當(dāng)?shù)氐娜諈⒖甲魑镎羯⒘縀T0，計(jì)算公式如下。

(1)

P0/P=10

(2)

(3)

ea=6.1×107.45 t/(273+t)

(4)

(5)

Ea=0.26 (1+Bμ2)(ea-ed)

(6)

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；P為灌區(qū)的平均氣壓；Δ為飽和水汽壓變化率；γ為溫度計(jì)常數(shù)；Rn為太陽凈輻射率；H為灌區(qū)的海拔高度；t為平均溫度；Ra為太陽輻射值；n、N分別為日照時(shí)長、最大日照時(shí)間長度；σT4k為黑體輻射量；k為計(jì)算過程中的絕對溫度；Ea為干燥力；ea為飽和水汽壓；ed為實(shí)際水汽壓；a、b為凈輻射計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；μ2和B分別為距離地面2 m處的風(fēng)速和修正系數(shù)。

1.3 作物系數(shù)的選取

作物系數(shù)通常指主要作物生長發(fā)育期間作物需水量和參考作物需水量之間的比值，一般采用Kc表示[8,9]，見表1。本文采用較為廣泛的單作物系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

ETc=Kc ET0 (7)

2 三義寨灌區(qū)主要作物需水量計(jì)算分析

2.1 灌區(qū)作物需水量計(jì)算

本文根據(jù)三義寨灌區(qū)多年來主要農(nóng)作物的種植情況，選取計(jì)算了小麥、棉花和玉米的作物需水量。研究過程中主要采用國際上通用的Penman公式，根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果分析主要參考農(nóng)作物生長發(fā)育期間需水量的變化規(guī)律。

由圖1可知，小麥生長過程中作物需水量基本處于一個(gè)穩(wěn)定水平，其中1月份多年平均需水量最小，5月份多年平均需水量最大，分別為9.25和100.95 mm。小麥整個(gè)生育期需水量總體比較平穩(wěn)，一般在350 mm附近波動(dòng)。棉花歷年月需水量變化與小麥相似，整個(gè)生育期間總體處于一個(gè)穩(wěn)定水平，一般在每年的8月需水量達(dá)到最大值，為94.3 mm。由圖1可以看出，多年來七八月期間作物需水量處于逐步減小趨勢，生育期內(nèi)的其他月份基本處于平穩(wěn)態(tài)勢，整個(gè)生育期棉花的需水量值一般處于415 mm左右。玉米需水量多年的平均值為307 mm，其中每年的9月份需水量達(dá)到最小值，為40.6 mm。分析多年來玉米需水量變化情況，可以看出玉米每年8月份需水量相對較大，為109 mm；多年來玉米整個(gè)生育期需水量變化規(guī)律呈鋸齒狀減小的態(tài)勢(見表2)。

圖1 小麥、棉花和玉米生育期多年來需水量變化情況

2.2 生育期需水量的波動(dòng)分析

對1981-2012年小麥、玉米、棉花的作物需水量進(jìn)行Matlab小波分析，分析結(jié)果如圖2所示，小麥生育期需水量出現(xiàn)了3個(gè)波動(dòng)周期，分別為8、15和20 a；玉米和棉花生育期都出現(xiàn)了微小的波動(dòng)和較大的波動(dòng)，其中較大的波動(dòng)期都出現(xiàn)在20 a的時(shí)間段。

圖2 小麥、玉米和棉花ET0波動(dòng)變化圖

系統(tǒng)分析3種主要農(nóng)作物需水量變化情況，可以看出小麥、棉花和玉米在生育期都出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，其中20 a波動(dòng)周期都比較明顯，這也反映了作物生育期需水量波動(dòng)變化呈現(xiàn)相似變化特征。

3 主要?dú)庀笥绊懸蛩刈兓?guī)律分析

作物需水量主要影響因素一般包括降雨量、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)長、濕度等氣象因子。本文選取2011年度為計(jì)算年份，分析需水量主要影響因素的變化情況。由圖3和圖4可以看出，氣溫最大值出現(xiàn)在每年7月，平均氣溫與最高氣溫、最低氣溫變化趨勢基本一致；降水豐富的季節(jié)一般在每年7-9月，年內(nèi)降雨量分配在一定程度上具有很大的隨機(jī)性；風(fēng)速最大值、日照時(shí)長最大值一般處于每年的春季；相對濕度一般在70%附近波動(dòng)，不同月份變化趨勢相對平穩(wěn)。

圖3 2011年度灌區(qū)溫度變化規(guī)律

圖4 2011年度灌區(qū)風(fēng)速變化規(guī)律

4 作物需水量與其影響因子相關(guān)性分析

本文基于Spss軟件的多元線性回歸方法，在1981-2012年實(shí)測數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了作物需水量與其影響因子之間的回歸方程為：

y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+

β4x4+β5x5+β6x6+β7x7+ε

(8)

式中：y、x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7分別為平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、平均相對濕度、降水量；β0、ε分別為常數(shù)和隨機(jī)誤差。

計(jì)算分析結(jié)果如表3所示，進(jìn)一步分析可以看出，作物需水量主要受平均風(fēng)速、相對濕度、日照時(shí)數(shù)的影響，一般情況下主要影響作用為平均風(fēng)速>平均相對濕度>日照時(shí)數(shù)；其他影響因素按照相關(guān)性大小依次為最低氣溫、最高氣溫、降水量、平均氣溫等。綜合分析可以看出，平均風(fēng)速對作物需水量的影響最大，是作物需水量的最主要影響因素。

表3 作物需水量和主要影響因子相關(guān)性表

5 結(jié) 語

本文主采用國際上通用的Penman公式，研究分析主要農(nóng)作物生長發(fā)育期間需水量的變化規(guī)律，并對各氣象因子主要影響作用進(jìn)行了相關(guān)性分析。灌區(qū)小麥、棉花和玉米3個(gè)主要農(nóng)作物需水量變化規(guī)律性比較明顯，小麥整個(gè)生育期需要水量大約為350 mm，整個(gè)生育期棉花的要水量大約為415 mm，玉米生育期需水量大約為307 mm并呈鋸齒狀減小的態(tài)勢；作物需水量主要受平均風(fēng)速、平均相對濕度、日照時(shí)數(shù)的影響，主要影響作用大小為平均風(fēng)速>平均相對濕度>日照時(shí)數(shù)。

[1] 鄭州大學(xué). 三義寨灌區(qū)土壤墑情動(dòng)態(tài)預(yù)測研究報(bào)告[R]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[2] G Singh, D M Brown, A G Barr. Modelling soil water status for irrigation scheduling in potatoes Ⅰ. Description and sensitivity analysis[J]. Agricultural Water Management, 1993,23(4):329-341.

[3] G Singh, D M Brown, A G Barr, et al. Modelling soil water status for irrigation scheduling in potatoes Ⅱ. Validation[J]. Agricultural Water Management,1993,23(4):343-358.

[4] 韓宇平, 趙 若, 王富強(qiáng). 寧夏引黃灌區(qū)湖泊濕地生態(tài)需水量計(jì)算[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2010，29(4):67-71.

[5] 李 萍，魏曉妹. 氣候變化對灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的影響研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2012,23(1):81-85.

[6] 羅玉峰，張亞東，韓 冰，等. 江蘇省水稻灌溉需水量空間分布規(guī)律研究[J].水電能源科學(xué)，2014,32(11):27-30.

[7] 何 萍，束龍倉，鄧銘江. 西北干旱區(qū)內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境需水量研究[J].水電能源科學(xué)，2014,32(11):27-30.

[8] 鄭冬燕，夏 軍，黃友波. 生態(tài)需水量估算問題的初步探討[J]. 水電能源科學(xué)，2002,20(3):1-5.

[9] 劉戰(zhàn)東，肖俊夫，劉祖貴，等. 高產(chǎn)條件下夏玉米需水量與需水規(guī)律研究[J]. 節(jié)水灌溉，2011,(6):4-6.