魯中地區(qū)冬小麥水分盈虧及灌溉需水量的時空變化特征

環(huán)海軍，楊再強，劉 巖，夏福華

(1.山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255048；2. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

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魯中地區(qū)冬小麥水分盈虧及灌溉需水量的時空變化特征

環(huán)海軍1，楊再強2，劉 巖1，夏福華1

(1.山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255048；2. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

利用1980—2014年魯中地區(qū)氣象資料和冬小麥生育期資料，采用Penman-Monteith模型和單作物系數(shù)計算冬小麥各生育階段需水量，利用美國農(nóng)業(yè)土壤保持局推薦方法計算有效降水量、水分盈虧指數(shù)(CWSDI)和灌溉需水量，對冬小麥不同生育階段的需水量、有效降水量、水分盈虧指數(shù)及灌溉需水量時空變化進行分析。結(jié)果表明：近35 a來，魯中平原地區(qū)冬小麥全生育期需水量呈弱的減少趨勢，山區(qū)呈增加趨勢；拔節(jié)—乳熟期是需水量最大的階段，呈減少趨勢，強度中心在中部地區(qū)。有效降水量全生育期呈減少趨勢，拔節(jié)—乳熟期呈增加趨勢，強度中心在中部地區(qū)；除平原地區(qū)的越冬期外，其它生育階段有效降水量呈減少趨勢。CWSDI全生育期呈減少趨勢，乳熟—成熟期減少幅度最大，自中部向南北兩邊遞減。為滿足冬小麥需水要求，全生育期平均灌溉需水量515 mm，呈上升趨勢，強度中心在西部地區(qū)，拔節(jié)—乳熟期是灌溉需水量最大的階段，呈減少趨勢，返青—拔節(jié)期是增加趨勢最明顯的階段。

冬小麥；需水量與有效降水；水分盈虧指數(shù)；灌溉需水量

引 言

近50 a來干旱有增強趨勢[1-2]，農(nóng)業(yè)旱澇主要由作物生育期降水異常和需水變化引起[3]，因此不少學者針對農(nóng)作物生長期有效降水和需水量的變化規(guī)律進行了研究，龐艷梅等[4]研究表明，近50 a四川省玉米全生育期有效降水量和需水量呈下降趨勢；李勇等[5]研究表明，長江中下游早稻和單季稻生育期有效降水量呈增加趨勢，而需水量呈減少趨勢；高曉容等[6]研究表明，東北玉米4個生育階段及全生育期的需水量沒有顯著變化；張建平等[7]研究表明，未來氣候變化情景下，東北三省玉米需水量距平百分率大多表現(xiàn)為增加趨勢，未來水資源可能更趨于短缺狀況。同時也有不少學者結(jié)合降水和作物需水量對農(nóng)業(yè)旱澇的評估指標進行研究[3,8-15]，目前評估指標主要有2類：一是降水量指標，如降水距平百分率、Z指數(shù)、標準化干旱指數(shù)等；二是反映水分供需變化的指標，包括綜合氣象干旱指數(shù)CI、相對濕潤度指數(shù)、作物水分盈虧指數(shù)和灌溉需水量等。張磊等[8]基于標準化降水指數(shù)分析了近51 a山東臨沂市的旱澇時空特征；張建軍等[9]對安徽省夏玉米生長季干旱時空特征進行了分析；趙海燕等[10]對干旱指數(shù)在山西逐日監(jiān)測中的適用性進行了研究；王曉東等[3]研究表明，淮河流域小麥水分盈虧指數(shù)多年變化趨勢不顯著，空間分布呈明顯的緯向分布；胡瑋等[11]研究表明，京津冬小麥全生育期需水量為291～381 mm，較多的地區(qū)為滄州市和衡水市一帶；劉鈺等[12]對中國主要作物灌溉需水量的空間分布特征進行了研究；Doll等[13-14]對國外不同地區(qū)不同作物的灌溉需水量進行了研究；王衛(wèi)光等[15]的研究表明，未來水稻灌溉需水量減少的區(qū)域主要分布在太湖流域、漢江流域東部和洞庭湖流域北部。目前多數(shù)研究主要針對作物全生育期水分盈虧及灌溉需水量的時空變化，研究結(jié)果因區(qū)域和作物不同而出現(xiàn)差異，同時對各生育階段的研究也相對較少。

魯中地區(qū)干旱發(fā)生較為頻繁，尤其在春季。目前針對魯中地區(qū)冬小麥水分盈虧和灌溉需水量方面的研究較少，本文分析該區(qū)域冬小麥全生育期和各生育階段水分盈虧及灌溉需水量的變化規(guī)律，明確冬小麥不同生育階段灌溉需水量，以期為冬小麥水分管理和區(qū)域種植區(qū)劃提供技術(shù)支撐，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況及資料方法

1.1 研究區(qū)概況及資料

魯中地區(qū)地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多數(shù)地區(qū)處在亞濕潤氣候大區(qū)的指標范圍。受季風影響，氣候變化具有明顯的季節(jié)性。冬季盛行偏北風，雨雪稀少，寒冷干燥；春季氣溫回升快，少雨多風，干旱發(fā)生頻繁；夏季高溫高濕，降水集中；秋季降水銳減，秋高氣爽。主要種植作物為小麥、玉米，干旱是影響其產(chǎn)量的主要氣象災害之一。

1980—2014年逐日氣象資料來源于魯中地區(qū)平原和山區(qū)有代表性的氣象站，站點分布見圖1，資料包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、實際水汽壓、平均風速、平均相對濕度、經(jīng)緯度和作物生育期。降水資料缺測時利用附近站點進行線性插補，氣溫資料缺測用5 d滑動平均進行插補，空間區(qū)域平均采用站點數(shù)據(jù)數(shù)值平均法。將冬小麥生育期分為6個階段：全生育期、播種—越冬前、越冬期間、返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—乳熟期、乳熟—成熟期，各生育期出現(xiàn)時間按多年實測生育期平均值確定。

圖1 研究區(qū)域及各站點分布

1.2 冬小麥農(nóng)田蒸散計算方法

(1)式中，ET為作物需水量(單位：mm·d-1)，Kc為作物系數(shù)，ET0為逐日參考作物蒸散量(單位：mm·d-1)。其中，Kc采用分段表示：初始生長期Kcini=0.7(越冬期為0.4)、生育期中期Kcmid=1.15、生長末期(從葉片開始變黃至收獲)Kcend=0.4。利用FAO推薦模型，根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，對生育中期作物系數(shù)進行修正，即

(2)

式中，U2為2 m高度處的日平均風速(單位：m·s-1)，由10 m處風速換算得到，RHmin為日最低相對濕度的平均值(單位：%)，h為生育期階段作物的平均高度(單位

(3)

式中，△為溫度隨飽和水汽壓變化的斜率(單位：kPa·℃-1)；Rnet為凈輻射(單位：MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量密度(單位：MJ·m-2·d-1)，計算步長為1 d時其值忽略為0；γ為干濕表常數(shù)，本文γ=0.067 kPa·℃-1；T為日平均氣溫(單位：℃)；es為飽和水汽壓(單位：kPa)；ea為實際水汽壓(單位：kPa)。

1.3 冬小麥水分盈虧指數(shù)計算

水分盈虧指數(shù)(Crop Water Surplus Deficit Index, CWSDI)表征了冬小麥各生育期的水分盈虧程度，以生育階段的農(nóng)田蒸散(ET)為需水量，以有效降水量(Pe)為供水指標，通過下式計算：

(4)式中，Pe為日有效降水量(單位：mm·d-1)，是實際補充到小麥根層土壤中的凈水量，根據(jù)日總降水量P(單位：mm· d-1)，采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量分析法計算，見公式(5)。

CWSDI可以較好地表征農(nóng)田濕潤程度和作物旱澇狀況，CWSDI>0表示該生育階段水分盈余，CWSDI=0表示水分收支平衡，CWSDI<0表示該生育階段水分虧缺。

(5)

1.4 灌溉需水量計算

灌溉需水量是生育期內(nèi)作物需要灌溉進行補充的水分，為需水量與有效降水量的差額，即：

(6)

式中，Is是灌溉需水量(單位：mm)，N為生育期日數(shù)(單位：d)。

1.5 數(shù)據(jù)處理軟件及方法

氣象數(shù)據(jù)處理及分析采用Spass16.0、MATLAB7.0和VB編程實現(xiàn)，利用氣候傾向率表述時間變化趨勢，Mann-Kendall法和經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解法[17]分別進行突變檢驗和空間分解。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期需水量及有效降水量時空變化

2.1.1 時間變化

魯中地區(qū)冬小麥各生育期35 a平均需水量和有效降水量見圖2。由圖可知，拔節(jié)—乳熟期是冬小麥需水量的高峰期，平原為279.5 mm，山區(qū)為285.4 mm，山區(qū)略高于平原；拔節(jié)—乳熟期也是有效降水量最大的階段，其次是播種—越冬前階段，山區(qū)各生育階段有效降水量多于平原地區(qū)；返青—拔節(jié)期的有效降水量與需水量匹配不一致，該階段冬小麥需水量自返青后急劇增大，而有效降水量增加較緩。

由圖3可知，1980—2014年間，平原地區(qū)冬小麥全生育期需水量呈弱減少趨勢，最多為656.8 mm(1982年)，最少為 559.6 mm(2003年)；山區(qū)冬小麥全生育期作物需水量整體呈增加趨勢，最多為674.5 mm(2001年)，最少為558.3 mm(2003年)。

圖2 1980—2014年魯中地區(qū)冬小麥各生育期平均需水量和有效降水量變化

平原地區(qū)冬小麥全生育期35 a平均需水量為606.6 mm，山區(qū)為611.9 mm。平原和山區(qū)冬小麥全生育期有效降水量均呈減少趨勢，波動幅度較大；平原地區(qū)小麥全生育期35 a平均有效降水量為88.9 mm，山區(qū)為99.3 mm。通過對平原和山區(qū)冬小麥全生育期需水量和有效降水量進行M-K突變檢驗(圖略)，無突變現(xiàn)象發(fā)生。

圖4是冬小麥拔節(jié)—乳熟期需水量和有效降水量的變化?？梢钥闯?，平原和山區(qū)拔節(jié)—乳熟期需水量呈減少趨勢，山區(qū)較平原減少趨勢強，最大值出現(xiàn)在1982年，平原和山區(qū)分別為314.8 mm、319.6 mm，最小值出現(xiàn)在1998年，平原和山區(qū)分別為250.8 mm，254.1 mm，無突變發(fā)生；平原和山區(qū)拔節(jié)—乳熟期有效降水量隨時間變化均呈增加趨勢，山區(qū)增加趨勢較平原明顯，1996年前2種地形變化趨勢基本一致，1996年后山區(qū)增加幅度較平原大，無突變發(fā)生。

圖3 1980—2014年魯中地區(qū)冬小麥全生育期需水量(a)和有效降水量(b)的年變化

圖4 冬小麥拔節(jié)—乳熟需水量(a)和有效降水量(b)的年際變化

平原和山區(qū)冬小麥返青—拔節(jié)期需水量呈明顯增加趨勢，氣候傾向率分別為3.8 mm·(10 a)-1、5.5 mm·(10 a)-1，其它生育期除山區(qū)越冬期外，需水量均呈減少趨勢(圖略)；其它生育期除平原越冬期外，有效降水量呈減少趨勢，其中冬小麥返青—拔節(jié)期、乳熟—成熟期是減少趨勢較明顯的階段(圖略)。

2.1.2 空間變化

魯中地區(qū)冬小麥全生育期、拔節(jié)—乳熟期需水量和有效降水量的EOF分解第一特征向量見圖5。全生育期需水量和有效降水量的EOF分解第一特征向量方差貢獻率分別為60%、91%。魯中各地區(qū)冬小麥全生育期需水量、有效降水量主要空間變化規(guī)律一致，強度中心在中部地區(qū)，需水量第一特征向量相應的時間系數(shù)(圖略)呈增加趨勢，而有效降水量第一特征向量相應的時間系數(shù)(圖略)呈減少趨勢，故中部地區(qū)有水分虧缺增加的趨勢。全生育期需水量第二特征向量方差貢獻率為18%，平原和山區(qū)存在空間變化的不一致性，相應時間系數(shù)(圖略)呈減少趨勢。

圖5 冬小麥全生育期(a, b)和拔節(jié)—乳熟期(c, d)需水量(a, c)及有效降水量(b, d)的EOF分解第一特征向量

魯中各地區(qū)拔節(jié)—乳熟期的需水量和有效降水量第一特征向量貢獻率分別為71%、90%，其主要空間變化規(guī)律一致，強度中心在中部地區(qū)。需水量隨時間變化呈減少趨勢，有效降水量隨時間變化呈增加趨勢。

2.2 冬小麥生育期水分盈虧指數(shù)時空變化

2.2.1 時間變化

CWSDI反映作物生長對灌溉的依賴程度，CWSDI越小說明灌溉需水量越大。魯中地區(qū)冬小麥CWSDI在返青—拔節(jié)、拔節(jié)—乳熟2個階段最小，均為-0.9，在越冬期間最大，說明在魯中地區(qū)拔節(jié)—乳熟期是灌溉需水量的主要階段。

圖6為冬小麥全生育期及拔節(jié)—乳熟期CWSDI隨時間的變化規(guī)律?？梢钥闯?，冬小麥全生育期CWSDI呈減少趨勢，山區(qū)較平原地區(qū)減小幅度大；拔節(jié)—乳熟期CWSDI呈增加趨勢，平原和山區(qū)最大值均出現(xiàn)在2008年，分別為-0.75、-0.78，最小值出現(xiàn)在2001年，平原和山區(qū)均為-0.97。對其它各生育期的CWSDI分析可知，平原地區(qū)除越冬期CWSDI呈增加趨勢外，其它生育期呈減少趨勢，其中乳熟—成熟期降幅最大；山區(qū)在其它生育階段CWSDI均呈減少趨勢，其中乳熟—成熟期降幅最大，與平原地區(qū)一致。

2.2.2 空間變化

魯中地區(qū)冬小麥全生育期、拔節(jié)—乳熟期CWSDI的EOF分解第一特征向量見圖7，其第一特征向量方差貢獻率均為90%，魯中各地區(qū)冬小麥全生育期CWSDI主要空間變化表現(xiàn)為全區(qū)一致型，呈減少趨勢，強度中心在中部地區(qū)，說明中部地區(qū)全生育期水分虧缺減少趨勢明顯，北部平原全生育期水分虧缺減少趨勢較弱。拔節(jié)—乳熟階段，魯中CWSDI主要空間變化表現(xiàn)為全區(qū)一致型，強度中心在中部地區(qū)，依次向南北遞減，但空間變化幅度較小，隨時間變化呈增加趨勢。

2.3 冬小麥生育期灌溉需水量時空變化

2.3.1 時間變化

魯中地區(qū)冬小麥全生育期及拔節(jié)—乳熟期的灌溉需水量的年際變化見圖8。可以看出，魯中地區(qū)冬小麥全生育期灌溉需水量隨時間變化呈增加趨勢，山區(qū)較平原明顯，平原地區(qū)35a全生育期平均灌溉需水量為517.7 mm，山區(qū)為512.6 mm；拔節(jié)—乳熟期灌溉需水量呈減少趨勢，平原較山區(qū)減少幅度大，35 a平原平均灌溉需水量為251.3 mm，山區(qū)為255.7 mm。對其它生育期灌溉需水量分析可知，越冬期間是灌溉需水量最少的階段。平原地區(qū)灌溉需水量在返青—拔節(jié)、乳熟—成熟期呈增加趨勢，在其它生育階段呈減少趨勢；山區(qū)其他生育期灌溉需水量呈增加趨勢，其中，返青—拔節(jié)期增加幅度最大，氣候傾向率為5.6 mm·(10 a)-1。

圖6 1980—2014年魯中地區(qū)冬小麥全生育期(a)及拔節(jié)—乳熟期(b)CWSDI的年際變化

圖7 冬小麥全生育期(a)及拔節(jié)—乳熟期(b)CWSDI的EOF分解第一特征向量

圖8 冬小麥全生育期(a)及拔節(jié)—乳熟期(b)灌溉需水量年際變化

2.3.2 空間變化

冬小麥全生育期、拔節(jié)—乳熟期灌溉需水量的EOF分解第一特征向量見圖9，其第一特征向量方差貢獻率分別為77%、84%。魯中全生育期灌溉需水量第一特征向量表現(xiàn)為全區(qū)一致型，相應的時間系數(shù)呈增加趨勢(圖略)，強度中心在魯中西部地區(qū)，東北地區(qū)和北部地區(qū)變化強度最??；拔節(jié)—乳熟期灌溉需水量空間變化強度中心在中南部地區(qū)，相應的時間系數(shù)呈減少趨勢(圖略)。

圖9 冬小麥全生育期(a)、拔節(jié)—乳熟期(b)灌溉需水量的EOF分解第一特征向量

3 結(jié)論與討論

(1)魯中地區(qū)冬小麥全生育期平均有效降水量僅占需水量的15.4%，遠不能滿足作物的生長需求；全生育期需水量平原地區(qū)呈弱減少趨勢，山區(qū)呈增加趨勢，主要空間變化規(guī)律一致，但在第二特征向量上平原和山區(qū)空間變化存在不一致性。各生育期階段需水量時間變化規(guī)律不一致，拔節(jié)—乳熟期是需水量最多的階段，呈減少趨勢，強度中心在中部地區(qū)。

(2)魯中地區(qū)冬小麥全生育階段有效降水量呈減少趨勢，拔節(jié)—乳熟期是有效降水量最多的階段，呈增加趨勢。除平原地區(qū)越冬期外，其它生育階段有效降水量呈減少趨勢。各地各生育階段有效降水量主要空間變化規(guī)律一致，變化強度中心在中部地區(qū)。

(3)魯中地區(qū)冬小麥CWSDI在返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—乳熟期2個階段最小。全生育期CWSDI呈減少趨勢，乳熟—成熟期減少幅度最大，該階段水分虧缺有增加趨勢；拔節(jié)—乳熟期CWSDI呈增加趨勢，該階段水分虧缺有減少趨勢。各生育階段CWSDI主要空間分布規(guī)律一致，變化強度中心在中部地區(qū)。

(4)魯中地區(qū)全生育期灌溉需水量呈上升趨勢，山區(qū)較平原明顯，全生育期平均灌溉需水量515 mm，其中平原地區(qū)為517.7 mm，山區(qū)為512.6 mm。拔節(jié)—乳熟期是灌溉需水量最大的階段，呈減少趨勢，而返青—拔節(jié)期灌溉需水量呈明顯增加趨勢，冬小麥返青后要及時進行灌溉補充，促進冬小麥轉(zhuǎn)化升級和生殖生長。各生育期灌溉需水量主要空間變化規(guī)律一致，全生育期的空間變化強度中心在西部地區(qū)，拔節(jié)—乳熟期的空間變化強度中心在中南部地區(qū)。

本文采用有效降水量消除無效降水引起的誤差，對作物生育階段水分虧缺的計算比較精確，但分析灌溉需水量時未考慮底墑，這將在以后研究中完善。由于冬小麥關(guān)鍵生育期缺水一直是影響冬小麥產(chǎn)量的重要因素，所以在全球氣候變暖的大趨勢下，確定冬小麥各生育階段的水分變化和灌溉需水量尤為重要，為合理安排灌溉時間和灌溉量提供科學依據(jù)。

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HUAN Haijun1, YANG Zaiqiang2, LIU Yan1, XIA Fuhua1

(1.ZiboMeteorologicalBureauofShandongProvince,Zibo255048,China； 2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)

Based on meteorological observations and data of growth period of winter wheat from 1980 to 2014 in the middle area of Shandong Province, the water demand in different growth stages of winter wheat was calculated by Penman-Monteith model and single crop coefficient, and the effective precipitation, crop water surplus deficit index (CWSDI) and irrigation water requirement were calculated by the recommended method of the United States Department of Agriculture Soil Conservation Board firstly, then the temporal and spatial characteristics of water demand, effective precipitation, CWSDI and irrigation water requirement in different growth stages of winter wheat were analyzed. The results show that water demand during the whole growth period had a slight shrinking tendency in the plain area but an increasing trend in the mountain area during the recent 35 years. During jointing-milk stage water demand was most and it presented decreasing trend, and the change center was in the middle area. The effective precipitation during the whole growth period had a decreasing trend, while during jointing-milk stage it had an increasing trend, and the change center was in the middle area. Except for over wintering stage in the plain area, it had a decreasing trend during the other stages. The CWSDI during the whole growth period had a decreasing trend, and it had a maximum amplitude during the milk-mature stage. It decreased from the middle to both sides. In order to meet the need of water demand of winter wheat, the averaged total supplementary irrigation amount was 515 mm, and it had an increasing trend and the change center was in the western area. During the jointing-milk stage water requirement was most and it showed a decreasing trend, and there was a significant increasing trend during the returning green-jointing stage.

winter wheat; water demand and effective precipitation; crop water surplus deficit index; irrigation water requirement

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0866

2015-04-28；改回日期：2015-06-20

山東省氣象局青年科研基金項目“魯中地區(qū)土壤水分變化規(guī)律及預報技術(shù)研究”(2015SDQN14)資助

環(huán)海軍(1987-)，男，漢族，江蘇南通人，研究生，工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象. E-mail:324380521@qq.com

楊再強，E-mail: yzq@nuist.edu.cn

1006-7639(2016)-05-0866-07 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0866

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