邢臺(tái)夏玉米需水量時(shí)空分布特征及氣象影響因子

賈秋蘭,王小娟,趙玉兵,徐文斌，高 祺，劉勝堯

(1．邢臺(tái)市氣象局，河北 邢臺(tái) 054000；2．柏鄉(xiāng)縣氣象局，河北 邢臺(tái) 055450；3.石家莊市氣象局，河北 石家莊 050081；4.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所，河北 石家莊 050051)

作物需水量是指作物生長發(fā)育所需要消耗的水量，是確定作物灌溉制度以及地區(qū)灌溉用水量的基礎(chǔ)，是流域規(guī)劃、地區(qū)水利規(guī)劃、灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理的基本依據(jù)[1]。全面了解作物需水耗水規(guī)律，對(duì)于節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展、水資源的節(jié)約管理，水分利用效率的提高以及作物產(chǎn)量的模擬預(yù)測，均具有重要意義。隨著對(duì)氣候變化和水資源短缺的高度關(guān)注，作物需水量計(jì)算以及對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究增多[2-5]。在關(guān)于作物需水量的研究中，李春強(qiáng)等[6]對(duì)近35a來河北主要農(nóng)作物需水量的變化趨勢進(jìn)行研究，認(rèn)為河北省主要農(nóng)作物冬小麥和玉米的需水量近35 a呈現(xiàn)減少趨勢。劉曉英等[7-8]利用6個(gè)城市站分析了華北平原冬小麥和夏玉米近50 a作物需水量的變化趨勢和原因，以及未來氣候變化對(duì)該地作物需水量的影響。曹紅霞等[9]利用FAO-PM公式計(jì)算了關(guān)中地區(qū)主要作物的需水量，結(jié)果關(guān)中地區(qū)冬小麥需水量無一致變化趨勢，夏玉米需水量呈不顯著減少趨勢。

邢臺(tái)位于河北省中南部，太行山脈南段東麓，華北平原中部，晉冀魯三省之中。年平均氣溫在12℃～14℃，是華北平原典型的一年兩熟制農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)。農(nóng)業(yè)作物主要以小麥、玉米、谷子、花生、棉花為主，是全國優(yōu)質(zhì)糧和棉花生產(chǎn)基地。本文研究的夏玉米是邢臺(tái)市主要糧食作物，種植廣泛，常年種植面積3×105hm2左右，在全年糧食生產(chǎn)中占有重要位置[10]。近年來邢臺(tái)地區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營發(fā)展迅速，玉米加工業(yè)已由原來的粗加工向精深加工方向發(fā)展，由產(chǎn)業(yè)化帶動(dòng)的玉米種植面積有了進(jìn)一步的擴(kuò)大。目前針對(duì)邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)作物需水量的研究尚不多見，了解邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)作物需水量的變化特征以及與氣候之間的關(guān)系，可以為邢臺(tái)地區(qū)水資源合理配置及作物結(jié)構(gòu)布局提供科學(xué)參考，同時(shí)也可以為制定適應(yīng)氣候變化的農(nóng)作物栽培及水資源利用政策提供理論依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

本文所采用的數(shù)據(jù)來源于河北省氣象信息中心，以邢臺(tái)地區(qū)17個(gè)國家氣象站為研究對(duì)象。選取了這些站點(diǎn)1972—2014 年的地面氣象日觀測數(shù)據(jù)，包括氣溫(含平均氣溫，最高氣溫，最低氣溫等)，水汽壓，日照，風(fēng)速等數(shù)據(jù)。夏玉米生育期資料來自邢臺(tái)內(nèi)丘農(nóng)氣站人工觀測數(shù)據(jù)。

1.2 需水量的計(jì)算

作物需水量大多利用作物系數(shù)和參考作物蒸散量計(jì)算。最早的參考作物蒸散量的計(jì)算由英國科學(xué)家Penmen提出[11]，該方法經(jīng)過了多次修正。1998 年世界糧農(nóng)組織(FAO)將Penmen-Monteith方法作為計(jì)算參考作物蒸散量的方法向全球推廣[12]。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，ET0是潛在蒸散量(mm)，Rn是冠層表面凈輻射(MJ·m-2)；冠層反射系數(shù)α取0.23；G是土壤熱通量(MJ·m-2)；T是日平均氣溫(℃)；es是飽和水汽壓(kPa)；ea是實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ是飽和水汽壓-氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率；γ是濕度計(jì)常數(shù)；U2是2 m高處的日平均風(fēng)速(m·s-1)。作物需水量可根據(jù)參考作物蒸散量計(jì)算得到，公式如下：

ETc=Kc×ETo

(2)

式中，ETc是作物需水量(mm)，KC是作物系數(shù)，ET0是參照蒸散量(mm)。作物系數(shù)和作物的生育階段有關(guān)，將夏玉米的生育階段劃分為3個(gè)時(shí)段，即生長初期，生長中期，生長末期，各個(gè)階段的作物系數(shù)分別為0.3,0.15,0.6。

1.3 分析方法

運(yùn)用趨勢分析，相關(guān)系數(shù)，Morlet小波分析，空間插值等方法對(duì)邢臺(tái)地區(qū)夏玉米時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米需水量年際變化趨勢分析

使用上述公式，計(jì)算得到邢臺(tái)地區(qū)17個(gè)站點(diǎn)夏玉米全生育期和各生育階段需水量區(qū)域平均值的時(shí)間變化序列，結(jié)果表明：邢臺(tái)地區(qū)夏玉米全生育期年均需水量為426 mm，最大值為516 mm，出現(xiàn)在1972年，最小值為368 mm，出現(xiàn)在1993年。在夏玉米各生育時(shí)段，生長中期需水量最大，歷年平均為334 mm，占全生育期的比重為78.4%；生長末期需水量歷年平均為69 mm，占全生育期需水量比重為16.1 %；生長初期需水量最小，歷年平均為23 mm，占全生育需水量比重為5.4%。

對(duì)邢臺(tái)地區(qū)17個(gè)站點(diǎn)1972—2014 年夏玉米全生育期和各生育階段需水量的平均值進(jìn)行趨勢分析，由圖1可以看出夏玉米全生育期和各生育階段的需水量均呈下降趨勢。由表1可知，全生育期年需水量的趨勢變化為-1.01 mm，各生育階段中，生長中期趨勢變化最大，年變化量為-0.65 mm，生長初期的趨勢變化最小，年變化量為-0.13 mm；在近43 a的時(shí)間序列中，邢臺(tái)地區(qū)夏玉米全生育期、生長初期、生長末期的需水量下降趨勢變化均通過了信度0.01的顯著性檢驗(yàn)，生長中期趨勢變化通過了信度0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明了下降趨勢明顯,該結(jié)果也與李春強(qiáng)等[6]、劉曉英等[7-8]、曹紅霞等[9]學(xué)者對(duì)夏玉米需水量的研究結(jié)果一致。

2.2 夏玉米需水量周期變化分析

在實(shí)際變化過程中，氣象要素并非單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減，常常在波動(dòng)增減的基礎(chǔ)上疊加了不同的變化周期。Morlet小波方法在時(shí)域和頻域上具有良好的局部性質(zhì)，能更清楚地看出各周期隨時(shí)間的變化特征。小波系數(shù)的模值是不同時(shí)間尺度變化周期所對(duì)應(yīng)的能量密度在時(shí)間域中分布的反映。模值越大，代表所對(duì)應(yīng)時(shí)段或尺度的周期性越強(qiáng)。

表1 夏玉米全生育期和各生育階段需水量變化統(tǒng)計(jì)表

注: “*”、“**”分別表示在P<0.05和P<0.01水平上顯著相關(guān)。下同。

Notes: “*” and “**” indicate significantly correlated at the levels ofP<0.05 andP<0.01, respectively. The same below.

圖1 1972—2014年邢臺(tái)夏玉米全生育期(a), 生長初期(b),生長中期(c) ,生長末期(d)需水量變化趨勢Fig.1 Variation trends of water requirement of summer corn in the whole growth period (a), initial period (b),medium period (c) and end period (d) in Xingtai from 1972 to 2014

圖2(a)是小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，圖中等值曲線為小波系數(shù)實(shí)部值，顏色深代表偏多期，顏色淺代表偏少期。小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映需水量序列不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布，進(jìn)而能判斷在不同時(shí)間尺度上，需水量的未來變化趨勢。從該圖中可以看出需水量從1972至2014年變化過程中存在著23～32，12～15，3～6 a的周期變化規(guī)律。

圖2(b)是小波系數(shù)模等值線圖，橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為時(shí)間周期，圖中顏色深代表模值大，顏色淺代表模值小，可以看出，23～32 a的模值最大，說明該周期最明顯。12～15，3～6 a的時(shí)間周期次之。

小波方差圖能反映需水量時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨時(shí)間周期的分布情況(圖3)。圖3存在著3個(gè)明顯的峰值，它們依次對(duì)應(yīng)著4，13 a和27 a的時(shí)間周期。其中最大峰值對(duì)應(yīng)著27 a的時(shí)間周期，說明27 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為需水量變化的第一主周期；13 a左右的周期為第二主周期；4 a左右的周期為第三主周期。以上3個(gè)周期的波動(dòng)控制著需水量在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

結(jié)合圖2、圖3我們可以發(fā)現(xiàn)，邢臺(tái)地區(qū)夏玉米需水量存在由偏多和偏少組成的周期性變化規(guī)律，其中23～32 a的周期非常穩(wěn)定，因此可以判斷出在經(jīng)歷過20世紀(jì)初期的減少期后，該地區(qū)夏玉米需水量在2014年之后進(jìn)入偏多期，這說明在未來的11～16 a內(nèi)邢臺(tái)地區(qū)的夏玉米需水量呈偏多狀態(tài)，需要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中加以重視。

注:圖(a)深顏色代表偏多期，淺顏色代表偏少期；圖(b)深顏色代表模值大，淺顏色代表模值小。Note: The darker color in (a) represents positive effect, and the lighter color represents negative effect; the darker color in (b) represents a larger value of modulus, and the lighter color represents a smaller value of modulus.圖2 1972—2014年邢臺(tái)夏玉米需水量系數(shù)實(shí)部 (a)，小波模(b)等值線Fig.2 The contour map of wavelet coefficient real part (a) and modulus (b) of summer maize in Xingtai from 1972 to 2014

圖3 1972—2014年邢臺(tái)夏玉米需水量小波系數(shù)方差Fig.3 The wavelet coefficient variance of water requirement of summer corn in Xingtai from 1972 to 2014

2.3 夏玉米需水量空間分布特征

1972—2014年，邢臺(tái)地區(qū)17個(gè)氣象站夏玉米全生育期平均需水量為426 mm，變化范圍為403～445 mm。使用克里格插值法對(duì)各氣象站全生育期年均需水量進(jìn)行空間插值，得到近43a邢臺(tái)地區(qū)平均需水量空間分布，如圖4所示：其中清河、巨鹿、平鄉(xiāng)、南宮、新河需水量為430 mm以上；寧晉、廣宗、沙河、臨城、威縣、隆堯、任縣、臨西需水量為420～430 mm；內(nèi)丘、柏鄉(xiāng)、南和、邢臺(tái)需水量為420 mm以下。從蓄水量的空間分布上來看，可以看出其空間分布整體呈現(xiàn)出東部最大，西部次之，中部最少的分布特征。

圖4 1972—2014年邢臺(tái)夏玉米需水量空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of water requirement of summer corn in Xingtai from 1972 to 2014

2.4 夏玉米需水量與氣象因子的關(guān)系

作物需水量的影響因素包括內(nèi)部因子和外部因子。其中內(nèi)部因子是指對(duì)需水規(guī)律有影響的生物學(xué)特征，與作物種類、品種以及生長階段有關(guān)。氣候條件屬于外部因子，在土壤水分充足的條件下，氣象因素是影響作物需水量的主要因素[13]。對(duì)需水量和各氣象因子進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)如表2，夏玉米需水量和最高氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速呈正相關(guān)；與水汽壓和最低氣溫呈負(fù)相關(guān)。按照相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值排名分別為日照時(shí)數(shù)，風(fēng)速，最高氣溫，水汽壓，均通過了信度0.01的顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)張?jiān)陪孾14]、郭艷嶺[15]，張益煒[16]，張素云[17]等的相關(guān)研究，雖然高溫對(duì)夏玉米需水量的增加有正向效應(yīng)，但河北省夏玉米需水量減少的主要原因是日照時(shí)數(shù)的減少、太陽輻射的減少和風(fēng)速的下降，這也與許多學(xué)者對(duì)夏玉米需水量研究的結(jié)果一致[18-19]。

表2 邢臺(tái)夏玉米需水量和氣象因子相關(guān)系數(shù)

3 討 論

本文所用的潛在蒸散量模型(ET0)以及作物系數(shù)模型(ETc)均為世界糧農(nóng)組織所推薦，其中：潛在蒸散量模型(ET0)整合了湍流能量傳輸特征、能量平衡狀況以及植被的生理特性等，充分分析了影響因素，是目前獲得潛在蒸散量精度較高的一種方法[20]。該模型的模擬效果準(zhǔn)確，在濕潤或干旱半干旱地區(qū)都有很好的計(jì)算結(jié)果[21]。作物系數(shù)模型(ETc)采用了世界糧農(nóng)組織所推薦的不同大洲不同區(qū)域的玉米作物系數(shù)(KC)值，同樣具有代表性和較好的精度[6]。通過上述兩個(gè)數(shù)學(xué)模型將邢臺(tái)地區(qū)玉米需水量的研究轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題的研究，再經(jīng)過本地化參數(shù)引入以及地區(qū)推薦數(shù)值的代入，精確地計(jì)算出了邢臺(tái)地區(qū)17個(gè)縣市夏玉米的需水量，結(jié)果表明：邢臺(tái)夏玉米全生育期及各生長階段需水量呈波動(dòng)下降趨勢，這與我國大部分地區(qū)參照蒸散量呈下降趨勢相一致[22-23]。近年來河北省大部分地區(qū)氣溫明顯升高[23]，但是邢臺(tái)地區(qū)夏玉米需水量并未因此增加，其原因是氣溫變化的同時(shí)，其他氣象要素如日照時(shí)數(shù)、太陽輻射、水汽壓、風(fēng)速等也發(fā)生了變化[15-17，24-25]，多氣象要素的變化抵消了氣溫升高對(duì)需水量正向影響的增加。該數(shù)據(jù)的計(jì)算系統(tǒng)全面了解邢臺(tái)地區(qū)夏玉米作物需水耗水規(guī)律，在氣候變暖和水資源的大背景下，對(duì)于該地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展、水資源的節(jié)約管理，水分利用效率的提高以及作物產(chǎn)量的模擬預(yù)測，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

本文利用邢臺(tái)地區(qū)17個(gè)國家地面氣象站1972—2014年的逐日氣象資料，采用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的Penmen-Monteith公式及作物系數(shù)法，計(jì)算了該地區(qū)夏玉米全生育期和各生育階段的需水量，并進(jìn)行了時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)分析，得出結(jié)論如下：

1)近43 a來，邢臺(tái)夏玉米全生育期及各生長階段需水量呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢，下降趨勢相關(guān)系數(shù)均通過了0.05以上的顯著性檢驗(yàn)，表明下降趨勢明顯。

2)邢臺(tái)夏玉米需水量隨時(shí)間的變化存在大小不同的周期變化特征，經(jīng)分析存在23～32，12～15，3～6 a的周期變化規(guī)律，其中23～32 a的周期非常穩(wěn)定。

3)邢臺(tái)夏玉米各站點(diǎn)年均需水量范圍為403～445 mm。從空間分布來看，需水量呈現(xiàn)出東部最大，西部次之，中部最少的分布特征。

4)邢臺(tái)夏玉米需水量和氣象因子關(guān)系密切，與最高氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速呈正相關(guān)，與水汽壓和最低氣溫呈負(fù)相關(guān)。其中影響需水量的主要?dú)庀笠蜃邮侨照諘r(shí)數(shù)，風(fēng)速和最高氣溫。