1959—2015年黑龍江省玉米需水量時空分布特征

聶堂哲 張忠學(xué) 林彥宇 陳 鵬 孫仲益

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室，哈爾濱 150030；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319； 4.北海道大學(xué)大學(xué)院農(nóng)學(xué)院，札幌 060-8589)

0 引言

黑龍江省是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。玉米作為主要的糧食作物，在全省范圍內(nèi)得到廣泛種植，且種植面積在逐年增加。截止2015年，其種植面積為7.723×106hm2，占全省農(nóng)作物種植面積52.2%，產(chǎn)量3.544×107t，占全省糧食產(chǎn)量的56%[1]。但是由于氣候變化及各地降雨的空間分布差異，導(dǎo)致玉米水分供需情況時空差異較大[2-4]。準(zhǔn)確掌握玉米生育期內(nèi)有效降雨量、需水量及灌溉需水量時空分布特征，對于合理利用農(nóng)業(yè)水資源、優(yōu)化田間水分管理和保障糧食安全意義重大[5-6]。

目前，已有很多學(xué)者利用Penman-Monteith公式和單作物系數(shù)法對區(qū)域尺度下不同作物的需水量時空變化開展了大量研究，利用有效降雨量與需水量差值計算作物灌溉需水量來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)水分管理在眾多研究區(qū)內(nèi)得到了很好的實踐[7-12]。但涉及到黑龍江玉米需水量的研究并不多，劉鈺等[13]研究表明，東北地區(qū)1970—2000年春玉米需水量為200～500 mm，灌溉需水量為10～220 mm，其需水量及灌溉需水量范圍太大，難以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。高曉容等[2]研究了1961—2010年東北地區(qū)玉米生育階段需水量及旱澇時空變化，其研究區(qū)域并未包含黑龍江東部及北部玉米種植區(qū)，且僅給出了東北地區(qū)玉米生育期內(nèi)有效降雨量和需水量總體時間變化趨勢及黑龍江省玉米各生育期需水量分布，并未涉及有效降雨量、需水量和灌溉需水量空間變化趨勢。目前，黑龍江省省區(qū)尺度的玉米需水量時空分布特征的研究還不能滿足玉米種植面積逐年增長條件下指導(dǎo)農(nóng)業(yè)水資源合理分配及節(jié)水高產(chǎn)的要求。

以往研究中，大多將玉米生育期劃分為4個階段進(jìn)行玉米需水規(guī)律的研究[2,6,14]，然而黑龍江省受春季低溫影響，各地種植日期差異較大，且適宜各積溫帶的玉米品種不一，各地氣候及種植品種差異較大造成玉米各生長階段持續(xù)時間不一[15-16]。若按生育階段進(jìn)行分析，不利于水資源分配工作順利進(jìn)行，故在本研究中按月進(jìn)行分析，明確生育期各月有效降雨量、需水量、灌溉需水量及其變化趨勢，使結(jié)果更具實用性和指導(dǎo)意義。

在黑龍江省氣候變化和玉米種植面積不斷增加的背景下，本文根據(jù)黑龍江省26個氣象站1959—2015年的逐日氣象資料及14個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1991—2008年的玉米生育期觀測資料計算玉米生育期內(nèi)各月有效降雨量、需水量、灌溉需水量及三者氣候傾向率并繪制相應(yīng)的分布圖，選取各積溫區(qū)典型站進(jìn)行分析，旨在為黑龍江省合理分配灌溉水資源和制定區(qū)域灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

由于黑龍江省內(nèi)各氣象站建站年代不同，本著數(shù)據(jù)時間序列盡可能長、入選站點盡可能多的原則，選取黑龍江省26個站點1959—2015年的逐日氣象資料，包括：最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、風(fēng)速、日照、降雨量以及各站的經(jīng)緯度、海拔高度等信息以及14個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1991—2008年的玉米生育期觀測資料。以上資料均來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/site/index.html)。圖1為研究區(qū)域及站點分布情況，根據(jù)黑龍江省農(nóng)業(yè)委員會發(fā)布的《黑龍江省農(nóng)作物品種積溫區(qū)劃圖》[17]和《黑龍江省2015年主要糧食作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種區(qū)域布局規(guī)劃》[18]，第6積溫帶不適合玉米種植，故第6積溫帶非本文研究區(qū)域。

1.2 玉米生育期劃分

FAO-56將作物生育期劃分為：生長初期(Lini)即從播種到作物地面覆蓋率大約10%，快速發(fā)育期(Ldev)即從地面覆蓋率10%到充分覆蓋，生長中期(Lmid)即從充分覆蓋到成熟期開始，生長后期(Llate)即從葉片開始變黃到成熟或收獲[19]。本文將玉米整個生育期劃分為4個階段：播種-七葉期(Lini)、七葉期-抽雄期(Ldev)、抽雄期-乳熟期(Lmid)、乳熟期-成熟期(Llate)。根據(jù)黑龍江省14個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1991—2008年玉米生育期觀測資料，假定研究時段內(nèi)玉米品種不發(fā)生變化，確定了玉米播種日期和各生育階段平均天數(shù)，對于沒有生育期觀測資料的氣象站，選取其臨近的并與其在同一積溫區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)氣象觀測站數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)，如表1所示。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1有效降雨量

有效降雨量采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法計算[20]，公式為

(1)

式中Pe——有效降雨量，mmP——降雨量，mm

1.3.2玉米需水量

玉米需水量采用FAO推薦的單作物系數(shù)法進(jìn)行逐日計算[19]，玉米生育期內(nèi)總需水量及各月需水量由生育期內(nèi)逐日需水量累加得出，根據(jù)玉米不同生長階段的作物系數(shù)可以計算得到玉米需水量，公式為

ETc=KcET0

(2)

式中ETc——逐日作物需水量，mm

Kc——作物系數(shù)

ET0——逐日參考作物蒸散量，mm

根據(jù)FAO-56的推薦，在最小相對濕度為45%、平均風(fēng)速為2 m/s、無水分脅迫、管理水平較高條件下玉米的作物系數(shù)Kcini、Kcmid和Kcend分別取值為0.30、1.20和0.35。本文對Kcmid進(jìn)行修正，由于黑龍江省春季降雨頻率較低、降雨量較少、大氣蒸發(fā)頻率較弱，故對Kcini未進(jìn)行修正。根據(jù)FAO-56當(dāng)Kcend<0.45時，對Kcend值不做修正。對Kcmid進(jìn)行修正公式為

(3)

式中Kcmid(tab)——FAO-56中推薦的作物系數(shù)值

u2——生長中期2 m高度處日平均風(fēng)速，m/s

RHmin——生長中期日最小相對濕度的平均值，%

h——生長中期作物的平均高度，m

利用FAO推薦的Penman-Monteith方法計算參考作物蒸散量(ET0)，其計算公式為

(4)

式中Rn——作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)

G——土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)

T——2 m高處的日平均空氣溫度，℃

es——飽和水汽壓，kPa

ea——實際水汽壓，kPa

Δ——飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線斜率，kPa/K

γ——濕度計常數(shù)，kPa/K

1.3.3灌溉需水量

對于旱田作物，各月灌溉需水量等于該月ETc與Pe的差值，若該月內(nèi)Pe大于ETc，則不需要灌溉。生育期內(nèi)總灌溉需水量等于各月灌溉需水量之和，公式為

(5)

(6)

式中n——生育期內(nèi)各月天數(shù)，d

Irm——生育期內(nèi)第m個月灌溉需水量，mm

Ira——生育期內(nèi)總灌溉需水量，mm

1.3.4氣候傾向率

采用最小二乘法，將氣象要素變化趨勢用一次線性方程表示，即

i=at+b

(7)

t——對應(yīng)年份

a、b——回歸系數(shù)

10a稱為氣候傾向率，表示氣象要素每10 a的變化速率。其正值表示對應(yīng)氣象要素呈增加趨勢，負(fù)值表示呈減少趨勢。

1.3.5ETc與Pe的耦合度

ETc與Pe的耦合度指作物生長期內(nèi)，Pe滿足ETc的程度。計算式為

(8)

式中λi——第i時段的耦合度

Pi——第i時段內(nèi)的有效降雨量，mm

ETci——第i時段內(nèi)作物需水量，mm

1.3.6趨勢檢驗和突變檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗作為一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，能夠很好地揭示時間序列的變化趨勢，對于非正態(tài)分布的氣象數(shù)據(jù)，具有更加突出的適應(yīng)性。其統(tǒng)計變量Z的正負(fù)表示數(shù)據(jù)變化趨勢，Z的絕對值在大于等于1.64、2.32和2.56時，分別表示通過可信度為95%、99%和99.9%的顯著性檢驗，本文利用此方法對玉米生育期內(nèi)Pe、ETc及Ir變化趨勢進(jìn)行檢驗。Mann-Kendall突變檢驗通過計算UFk和UBk兩個統(tǒng)計量并繪制其曲線圖，可分析得到數(shù)據(jù)序列的變化趨勢和突變點。利用滑動t檢驗法[21]、Yamamoto法[22]和Mann-Kendall突變檢驗[23]分別對多年玉米生育期內(nèi)Pe、ETc及Ir進(jìn)行突變檢驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用CROPWAT 8.0軟件進(jìn)行黑龍江省26個氣象站Pe、ETc及Ir的計算，利用Matlab 2004b計算氣候傾向率，并進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗和突變檢驗，利用Arcmap 10.2工具箱的空間分析功能對Pe、ETc及Ir進(jìn)行空間插值并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期有效降雨量變化趨勢

1959—2015年研究區(qū)內(nèi)玉米生育期內(nèi)年均Pe及其氣候傾向率空間分布情況如圖2和圖3所示。由圖2a可知，玉米生育期年均Pe為254～356 mm，平均值為302 mm。Pe自西向東總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，高值區(qū)主要分布在伊春、海倫、鐵力、綏化和尚志一帶，其平均Pe均大于320 mm，鐵力站的平均Pe最大。低值區(qū)在泰來、齊齊哈爾、富裕和呼瑪一帶，平均Pe小于270 mm。由圖3a可知，玉米生育期Pe氣候傾向率為-12.15～3.65 mm/(10 a)，平均值為-3.20 mm/(10 a)，總體表現(xiàn)為下降趨勢。除西部的齊齊哈爾、克山、富裕、明水和南部的綏芬河外，其他21個氣象站的Pe均表現(xiàn)為下降趨勢。其中，通河、尚志和寶清Pe下降趨勢分別通過了α=0.001、α=0.01和α=0.05顯著性檢驗。

圖2 1959—2015年有效降雨量空間分布Fig.2 Spatial distributions of Pe in 1959—2015

1959—2015年研究區(qū)內(nèi)玉米生育期內(nèi)各月Pe的空間分布如圖2b～2f所示，5月年均Pe為16～44 mm，平均值為28 mm，自北向南呈遞減趨勢分布；6月年均Pe為54～77 mm，平均值為64 mm；7月年均Pe為77～102 mm，平均值為91 mm；8月年均Pe為59～97 mm，平均值為80 mm，6、7、8月年均Pe均自西向東呈先增大后減小分布趨勢；9月Pe為28～53 mm，平均值為39 mm，總體呈現(xiàn)中部較大、北部和南部較小的分布趨勢。通過比較5—9月年均Pe，各月Pe由大到小依次為：7月、8月、6月、9月、5月。從時間上看，生育期內(nèi)有效降雨量呈先增大后減小的趨勢，有效降雨主要集中在7、8月，兩月之和為171 mm，占玉米生育期平均Pe總量的56.62%。各月高低值在空間上存在較大差異，6、7、8月Pe均呈現(xiàn)為中部大于東部和西部，5、9月的Pe南北差異較大。Pe高值區(qū)主要集中在研究區(qū)中部，不同月份的低值區(qū)分布位置不同。

圖4 1959—2015年玉米生育期內(nèi)研究區(qū)年均有效降雨量、需水量和灌溉需水量變化趨勢Fig.4 Changing trends of Pe, ETc and Ir average value in each year during maize growth period in study area during 1959—2015

各月Pe氣候傾向率的空間分布情況如圖3b～3f所示。研究區(qū)域內(nèi)5月Pe氣候傾向率為-1.18～3.99 mm/(10 a)，平均值為1.45 mm/(10 a)，研究區(qū)內(nèi)21個氣象站Pe呈上升趨勢，7.69%的站點通過α=0.05的顯著性檢驗；6月Pe氣候傾向率為-3.20～4.34 mm/(10 a)，平均值為0.46 mm/(10 a)，Pe氣候傾向率零值線位于嫩江、北安、海倫、綏化和哈爾濱一線，此線以西的17個氣象站呈上升趨勢，占研究區(qū)總站數(shù)的65.38%，安達(dá)和通河分別在α=0.05水平上顯著上升和下降；7月Pe氣候傾向率為-3.42～3.03 mm/(10 a)，平均值-0.26 mm/(10 a)，中部和西南部地區(qū)氣候傾向率小于零，綏芬河地區(qū)Pe在0.05水平上顯著上升，綏化和尚志兩地Pe在0.05水平上顯著下降；8月Pe氣候傾向率為-5.05～-0.22 mm/(10 a)，平均值-2.49 mm/(10 a)，東部地區(qū)Pe下降幅度較大，有15.38%的站點在0.05水平上顯著下降；9月Pe氣候傾向率為-4.41～-0.87 mm/(10 a)，平均值為-2.37 mm/(10 a)，南部地區(qū)Pe下降幅度較大，34.62%的站點在α=0.05水平上顯著下降?？傮w來看，5月和6月平均Pe呈增長趨勢，7月呈小幅減小趨勢，9月和8月減小幅度較大。

圖3 1959—2015年有效降雨量氣候傾向率空間分布Fig.3 Spatial distributions of Pe climatic tendency in 1959—2015

利用3種突變檢驗方法分析得到，玉米生育期內(nèi)Pe突變發(fā)生點在1964年和1975年，由圖4a可知，兩點突變后均呈增加趨勢，Mann-Kendall突變檢驗顯示，1967—1972年和1976—1983年時間段內(nèi)Pe在0.05水平上顯著下降，這是由于這個時間段內(nèi)平均Pe較小，總體表現(xiàn)為下降趨勢(圖略)。

2.2 玉米生育期需水量變化趨勢

1959—2015年研究區(qū)內(nèi)玉米ETc及其氣候傾向率空間分布情況如圖5、6所示。由圖5a、6a可知，年均ETc在302～487 mm范圍內(nèi)，平均值383 mm，自西向東總體表現(xiàn)為先減小后增大的分布趨勢，玉米ETc高值中心主要分布在研究區(qū)西部。除北部呼瑪、黑河和孫吳地區(qū)外，ETc的這種分布趨勢與Pe的分布相反，即Pe較少的地方，玉米ETc反而較多。ETc氣候傾向率在-12.94～4.04 mm/(10 a)范圍內(nèi)，其平均值為-2.43 mm/(10 a)，ETc總體表現(xiàn)為下降趨勢。研究區(qū)內(nèi)有18個氣象站的ETc氣候傾向率小于零，占總氣象站數(shù)的69.23%。其中安達(dá)和哈爾濱的ETc減小趨勢通過了α=0.001的顯著性檢驗，明水的ETc減小趨勢通過了α=0.01的顯著性檢驗，虎林和嫩江ETc增加趨勢通過了α=0.05的顯著性檢驗，克山、綏芬河、綏化、泰來和伊春ETc減小趨勢通過了α=0.05的顯著性檢驗。

圖5 1959—2015年需水量空間分布Fig.5 Spatial distributions of ETc during 1959—2015

圖6 1959—2015年需水量氣候傾向率空間分布Fig.6 Spatial distributions of ETc climatic tendency during 1959—2015

1959—2015年研究區(qū)內(nèi)玉米生育期內(nèi)玉米各月ETc的空間分布如圖5b～5f，5月年均ETc為14～51 mm，平均值為31 mm，自北向南呈逐漸增加。這種分布主要是由于各地玉米播種時間的差異造成的，研究區(qū)內(nèi)西南部地區(qū)播種時間在5月7日前，而北部地區(qū)播種時間則在5月20日后；6月玉米年均ETc在40～75 mm范圍內(nèi)，平均值為52 mm；7月玉米年均ETc為112～146 mm，平均值為124 mm，6、7月ETc自西向東呈逐漸減小的趨勢；8月ETc范圍為106～158 mm，平均值為128 mm；9月ETc為21～76 mm，平均值為46 mm，8、9月ETc自西向東呈先減小再增大的分布趨勢。各月ETc平均值由大到小依次為：8月、7月、6月、9月、5月，從時間上看，玉米生育期內(nèi)ETc呈先增大后減小趨勢，需水高峰期主要為7月和8月，兩月之和為252 mm，占玉米生育期平均ETc總量的65.80%。從ETc空間分布情況看，各月ETc低值區(qū)主要分布在北部地區(qū)，而隨著玉米的生長，ETc高值區(qū)由西南部逐漸向西北移動。

各月ETc的氣候傾向率空間分布如圖6b～6f。5月玉米ETc氣候傾向率在-1.98～0.36 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為-0.6 mm/(10 a)，有23個氣象站氣候傾向率小于零，研究區(qū)50%的站點通過了0.05顯著性檢驗；6月玉米ETc氣候傾向率為-1.39～0.65 mm/(10 a)，平均值為-0.17 mm/(10 a)，氣候傾向率自西向東由負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)變成正值，氣候傾向率零值線在伊春、鐵力和尚志一線上，11.54%的站點在α=0.05水平上顯著減小；7月ETc氣候傾向率為-4.84～0.84 mm/(10 a)，平均值為-1.43 mm/(10 a)，呈減小趨勢的氣象站占研究區(qū)總站數(shù)的84.61%，其中23.08%的站點通過了0.05的顯著性檢驗；8月ETc氣候傾向率范圍在-2.91～0.72 mm/(10 a)，平均值為-0.42 mm/(10 a)，研究區(qū)中部和西部地區(qū)氣候傾向率為負(fù)值，其他地區(qū)為正值，只有安達(dá)站在α=0.05水平上顯著減小。9月ETc氣候傾向率為-0.78～1.75 mm/(10 a)，平均值為0.28 mm/(10 a)，中部和西南部地區(qū)為負(fù)值，其他地區(qū)為正值，19.23%的站點在α=0.05水平上顯著增加。各月ETc氣候傾向率平均值由大到小依次為：9月、6月、8月、5月、7月，除9月外，各月ETc總體呈減小趨勢，7月減小幅度較大。從空間上看，各月ETc氣候傾向率低值區(qū)主要分布在西南部地區(qū)，各月高值區(qū)分布位置不同。

利用滑動t檢驗法、Yamamoto法對玉米生育期內(nèi)ETc進(jìn)行突變檢驗，發(fā)現(xiàn)突變點在1975年和1983年，而Mann-Kendall突變檢驗未檢驗出明顯的突變點(圖略)。由圖4b可知，1975年以后5年平均ETc由增加轉(zhuǎn)為減小趨勢，這與同年P(guān)e突變變化趨勢正好相反，1983年后玉米ETc表現(xiàn)為增加趨勢。Mann-Kendall突變檢驗則顯示1972—1980年玉米需水量呈顯著增加趨勢。

2.3 玉米生育期灌溉需水量變化趨勢

1959—2015年研究區(qū)內(nèi)玉米生育期Ir及其氣候傾向率空間分布情況如圖7、8所示。由圖7a可知，黑龍江省玉米生育期內(nèi)年均Ir在79～274 mm范圍內(nèi)，平均值為153 mm，其分布與ETc分布相似，均為自西向東呈先減小后增大的分布趨勢，Ir>200 mm的高值區(qū)主要分布在西部，低值區(qū)(小于120 mm)主要分布在呼瑪、孫吳、鐵力和尚志一線上。由圖8a可知，玉米生育期Ir氣候傾向率在-5.65～10.52 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為2.09 mm/(10 a)，總體表現(xiàn)為增加趨勢。研究區(qū)內(nèi)18個氣象站氣候傾向率為正值，占總氣象站數(shù)的69.23%，其中通河Ir在α=0.01水平上顯著增加，雞西、嫩江、尚志、孫吳在α=0.05水平上顯著性增加。

圖7 1959—2015年灌溉需水量空間分布Fig.7 Spatial distributions of Ir during 1959—2015

圖8 1959—2015年灌溉需水量氣候傾向率空間分布Fig.8 Spatial distributions of Ir climatic tendency during 1959—2015

1959—2015年研究區(qū)內(nèi)玉米生育期內(nèi)玉米各月Ir的空間分布如圖7b～7f。5月玉米年均Ir在5～34 mm范圍內(nèi)，平均值為14 mm，自西南向東北呈逐漸減小的趨勢分布；6月玉米年均Ir在7～28 mm范圍內(nèi)，平均值為17 mm；7月玉米年均Ir在32～75 mm范圍內(nèi)，平均值為47 mm；8月玉米年均Ir在29～100 mm范圍內(nèi)，平均值為56 mm；9月玉米Ir在5～44 mm范圍內(nèi)，平均值為20 mm。6、7、8、9月年均Ir分布趨勢與生育期內(nèi)ETc相同，呈自西向東先減小后增大趨勢。各月Ir平均值由小到大依次為：8月、7月、9月、6月、5月。從時間上看，研究區(qū)內(nèi)玉米Ir從5月到8月呈逐漸增加趨勢，9月有所降低。Ir高峰主要集中在7月和8月，其值為103 mm，占平均灌溉總量的66.88%。從空間上看，各月的Ir低值區(qū)主要分布在研究區(qū)的北部、中部和南部地區(qū)，高值區(qū)分布在西部地區(qū)，這與生育期內(nèi)各月ETc分布相同。

各月Ir氣候傾向率空間分布如圖8b～8f所示。5月Ir氣候傾向率在-2.84～0.70 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為-0.89 mm/(10 a)，Ir總體呈減小趨勢，研究區(qū)內(nèi)84.62%的氣象站Ir氣候傾向率均小于零，26.92%的氣象站通過了α=0.05的顯著性檢驗；6月Ir氣候傾向率在-1.34～2.05 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為0.47 mm/(10 a)，氣候傾向率自西向東呈增加趨勢，11.54%的氣象站在α=0.05水平上顯著增大；7月玉米Ir氣候傾向率在-3.28～3.58 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為-0.27 mm/(10 a)，西部地區(qū)Ir下降趨勢較大，中部地區(qū)上升的趨勢較大，尚志和克山的Ir分別在α=0.05水平上顯著增加和減小。8月玉米Ir氣候傾向率在-1.62～3.56 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為1.08 mm/(10 a)，Ir總體表現(xiàn)為增加趨勢。80.77%氣象站的Ir氣候傾向率大于零，其中黑河站的Ir在α=0.05水平上顯著增加。9月玉米Ir氣候傾向率在0.60～3.11 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為1.70 mm/(10 a)，研究區(qū)內(nèi)各站Ir均呈增大趨勢，其中30.77%的氣象站在α=0.05水平上顯著增加。各月Ir氣候傾向率平均值由大到小依次為：9月、8月、6月、7月、5月，5、7月Ir小幅減小，8、9月Ir增加的幅度較大。從空間上看，研究區(qū)各月Ir高值區(qū)主要分布在中部，低值區(qū)主要分布在西部。

通過滑動t檢驗法和Yamamoto法對玉米生育期內(nèi)Ir進(jìn)行突變檢驗(圖略)，其突變點在1967年、1975年和1983年，1967年和1975年以后Ir均表現(xiàn)為減小趨勢，而在1983年由減小轉(zhuǎn)變?yōu)樵龃筅厔荩?975和1983年與ETc出現(xiàn)突變的年份相同，由圖4c可知，各年Ir與ETc的變化趨勢相同。

2.4 玉米生育期有效降雨量、需水量和灌溉需水量之間的關(guān)系

由圖2、5、7可知，生育期內(nèi)Pe由大到小總體呈中部、東部、西部的分布趨勢，而ETc和Ir與Pe則相反，由大到小均呈西部、東部、中部的分布趨勢，這與Pe和Ir的互補(bǔ)關(guān)系有關(guān)，Pe和ETc空間上不均勻的分布致使各氣象站多年平均Ir的極差較大，為195 mm。6月、7月和8月Pe、ETc和Ir的分布情況與其生育期分布大致相同。5月Pe主要集中在東南部，而由于玉米種植日期的不同，ETc主要集中在西北部，致使Ir西部大于東部。9月由于西部成熟期較晚，導(dǎo)致西部Ir較大，南部和北部Pe和ETc均較小，故Ir較小。

由圖3、6、8可知，玉米生育期內(nèi)Pe西部小幅增加，中部和東部大幅減小，這使得西部Pe的不足得到緩解，減小了全省Pe的極差，但ETc中部和東部地區(qū)減小較小，北部地區(qū)小幅增加，導(dǎo)致除西部地區(qū)外的其他地區(qū)Ir的增加，特別是通河、尚志、嫩江、孫吳地區(qū)Ir增加顯著。5—9月研究區(qū)內(nèi)ETc氣候傾向率大致表現(xiàn)為自西向東由負(fù)值逐漸變?yōu)檎担?—7月Pe東部呈增加趨勢，而中部和西部呈減小趨勢，故Ir東部呈減小趨勢，中部和西部呈增加趨勢。而8月和9月Pe的整體下降導(dǎo)致整個研究區(qū)內(nèi)Ir呈整體上升趨勢。

圖9為研究區(qū)內(nèi)玉米生育期內(nèi)各月Pe、ETc和Ir平均值變化趨勢，Pe、ETc和Ir變化趨勢大致相同，均呈先增大后減小趨勢，7月和8月達(dá)到高峰。玉米ETc在8月達(dá)到最大值，而Pe最大值出現(xiàn)在7月，這導(dǎo)致了8月Ir大于7月。5月和9月的Pe、ETc和Ir較低。除6月外，各月Pe、ETc和Ir由大到小均表現(xiàn)為ETc、Pe、Ir。6月Pe大于ETc，降雨供應(yīng)充足，故Ir值較小。5、6月的Pe氣候傾向率為正值，ETc氣候傾向率為負(fù)值，使Ir呈減小趨勢。7月Pe減小的幅度小于ETc的減小幅度，故Ir呈小幅減小趨勢，8月和9月Pe大幅減小，而玉米ETc增減幅度較小，導(dǎo)致8月和9月Ir增加。這說明，研究區(qū)近57年玉米抽雄期前的水分虧缺有所緩解，而抽雄期以后的缺水呈增加趨勢。

圖9 研究區(qū)玉米生育期內(nèi)有效降雨量、需水量和灌溉需水量各月平均值變化趨勢Fig.9 Changing trends of Pe, ETc and Ir average value in each month during maize growth period in study area

2.5 典型氣象站玉米需水變化特征

為了更好比較研究區(qū)玉米生育期內(nèi)Pe、ETc及兩者的耦合度情況，在研究區(qū)內(nèi)各積溫區(qū)選取具有代表性的典型氣象站點進(jìn)行分析比較，其中泰來、寶清和呼瑪分別分布在研究區(qū)的西部、東部和北部，鐵力和通河分布在中部。

由表2可知，玉米生育期內(nèi)ETc和Ir由大到小分別為：泰來、寶清、通河、鐵力、呼瑪，ETc和Ir都隨著積溫增加而增加。除呼瑪外，各積溫區(qū)的Pe由大到小分別為：鐵力、通河、寶清、泰來，與ETc的大小順序相反，導(dǎo)致除第5積溫區(qū)外玉米ETc和Pe的耦合度隨著積溫的增加而越來越小，第1到第4積溫區(qū)的ETc和Pe的耦合度分別為0.52、0.72、0.87、0.97，而呼瑪耦合度為0.83，各積溫區(qū)均存在水分虧缺，第1積溫區(qū)(西部地區(qū))水分虧缺較為嚴(yán)重，第4積溫區(qū)(中部地區(qū))水分虧缺最輕。

由于降雨在時間上分布不均，第2積溫區(qū)到第5積溫區(qū)5、6月Pe大于ETc，ETc和Pe的耦合度為1。而第1積溫區(qū)5月ETc和Pe的耦合度為0.46，水分虧缺嚴(yán)重。各氣象站7、8月Pe均小于ETc，ETc和Pe的耦合度小于1，除第5積溫區(qū)外，均表現(xiàn)為7月的耦合度大于8月，且積溫越大耦合度越小，與全生育期規(guī)律相同。9月，第4和第5積溫區(qū)ETc和Pe的耦合度為1，其他地區(qū)積溫越大耦合度越小。

3 討論

《中國主要農(nóng)作物需水量等值線圖研究》[24]指出，黑龍江省17個縣1961—1980年玉米ETc平均值為427 mm，缺水量平均值為103 mm，而在本研究的計算中1961—1980全省玉米ETc平均值為394 mm，低于前者7.73%，缺水量平均值為101 mm，低于前者1.94%，這主要是因為前者在計算時全生育期內(nèi)各站作物系數(shù)Kc取值均為0.8，而本研究則根據(jù)玉米不同生長階段對Kc進(jìn)行劃分并校正，增加了計算的準(zhǔn)確性。在估算Pe時本文采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦方法，而前者采用經(jīng)驗系數(shù)法，兩種方法的計算結(jié)果在黑龍江省表現(xiàn)得差異較小。高曉容等[2]的研究表明，1961—2010年東北地區(qū)玉米ETc氣候傾向率為1.2 mm/(10 a)，Lini、Ldev、Lmid和Llate分別為1.0、-1.3、-1.0、0.1 mm/(10 a)，Pe全生育期、Lini、Ldev、Lmid和Llate為-4.6、1.3、-0.6、-1.2、-4.1 mm/(10 a)，本研究1959—2015年黑龍江玉米ETc全生育期和5—9月氣候傾向率分別為-2.43、-0.6、-0.17、-1.43、-0.42、0.28 mm/(10 a)，Pe全生育期和5—9月氣候傾向率分別為-3.2、1.45、0.46、-0.26、-2.49、-2.37 mm/(10 a)，兩研究結(jié)果相似，說明黑龍江省玉米生育期內(nèi)Pe和ETc與東北地區(qū)變化趨勢相似，但生育期ETc下降總體比東北地區(qū)快，且黑龍江省玉米生長前期ETc呈降低趨勢，與東北地區(qū)總體趨勢相反。Pe下降趨勢總體較東北地區(qū)慢，玉米生長中期下降幅度比東北地區(qū)總體趨勢下降幅度大。

表2 研究區(qū)典型氣象站Ir、ETc、Pe及兩者耦合度Tab.2 Ir, ETc, Pe and their coupling coefficients of typical stations in study area

研究表明，近50年的氣溫上升使黑龍江省玉米播種日期提前，作物生長季的總積溫增加，生長期延長，種植邊界呈北移東擴(kuò)趨勢。為了實現(xiàn)熱量資源的有效利用和產(chǎn)量的提升，新品種大量涌現(xiàn)，耕作措施發(fā)生了改變，早熟品種逐步被中晚熟品種代替，緊湊型玉米品種也被廣泛種植[25-26]。玉米熟期類型的改變增加了研究區(qū)玉米生育期長度和葉片數(shù)[27]，導(dǎo)致玉米ETc增加。玉米密植會提高群體葉面積，增加植株與環(huán)境的水汽交換，增加玉米ETc[28]。本研究通過控制研究區(qū)各地玉米播種時期和各生長階段持續(xù)天數(shù)，在一定程度上減小了不同地區(qū)由于品種不同導(dǎo)致的玉米植株性狀的差異，從而有效減小由各地品種差異對需水量分布狀況的影響。但用1991—2008年玉米生育期觀測資料均值計算1959—2015年時段ETc可能會高估了研究區(qū)前30年的玉米ETc，因此研究時段內(nèi)研究區(qū)實際玉米ETc的下降趨勢可能緩于本文的結(jié)果，Ir的增加趨勢也會更明顯。

本文研究指出，黑龍江省玉米生育期內(nèi)Pe和ETc總體呈下降趨勢，但Pe的下降幅度大于ETc下降幅度，使得玉米灌溉需水形勢愈發(fā)嚴(yán)峻。黑龍江省西部地區(qū)是玉米ETc的高值區(qū)也是Pe的低值區(qū)，但該地區(qū)Pe和ETc的增加和減小趨勢最為明顯，在一定程度上緩解了玉米的灌溉需水形勢。中部和東部地區(qū)Pe呈減小趨勢，ETc呈增加趨勢，導(dǎo)致中部和東部地區(qū)灌溉需求加大。但總體來看，西部Ir仍大于其他地區(qū)。黑龍江地區(qū)春旱較為嚴(yán)重，但本研究表明5月Pe呈增加趨勢，ETc呈減小趨勢，春旱在一定程度上得到緩解。7、8月灌溉需水量較大，8、9月Pe大幅下降，而ETc波動不大，Ir增加趨勢加大，因此全省應(yīng)注重玉米7月和8月(特別是8月)的適時補(bǔ)充灌溉，在水資源短缺的地區(qū)實行非充分灌溉或噴灌、膜下滴灌等農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，有利于提高水分利用效率，保障高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1) 1959—2015年黑龍江省玉米生育期年均Pe為254～356 mm，平均值為302 mm。各月及全生育期自西向東總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，中部地區(qū)Pe較大。氣候傾向率為-12.15～3.65 mm/(10 a)，平均值為-3.20 mm/(10 a)，總體表現(xiàn)為下降趨勢，但西部地區(qū)呈增加趨勢。Pe主要集中在7、8月，5、6月Pe呈增長趨勢，7月以后呈減小趨勢，且下降幅度越來越大。

(2) 1959—2015年黑龍江省玉米生育期年平均ETc為302～487 mm，平均值為383 mm。其分布趨勢與Pe相反，各月及全生育期自西向東總體表現(xiàn)為先減小后增大的分布趨勢，東部地區(qū)ETc較大，中部ETc較小。氣候傾向率為-12.94～4.04 mm/(10 a)，平均值為-2.43 mm/(10 a)，總體表現(xiàn)為下降趨勢，西南地區(qū)ETc嚴(yán)重下降。玉米需水高峰主要集中在7、8月，但7月ETc下降幅度較大。

(3) 1959—2015年黑龍江省玉米生育期內(nèi)平均Ir為79～274 mm，平均值為153 mm，其分布與ETc分布相似，高值區(qū)分布在西部地區(qū)。氣候傾向率在-5.65～10.52 mm/(10 a)范圍內(nèi)，平均值為2.09 mm/(10 a)，總體表現(xiàn)為增加趨勢。Ir高峰主要集中在7、8月，8、9月Ir增加的幅度較大。

(4)各積溫區(qū)典型氣象站的ETc和Ir都隨著積溫增加而增加，而Pe變化與其相反。7、8月ETc和Pe的耦合度較小，7、8月和全生育期的ETc和Pe的耦合度大致表現(xiàn)為積溫越大耦合度越小。全省應(yīng)當(dāng)在7、8月進(jìn)行灌溉來保障玉米的需水需求，特別是在灌溉需水嚴(yán)重的西部地區(qū)。