基于干旱生境的安定區(qū)玉米作物水分虧缺分析

郭奇旺，金彥兆

(甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000)

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，尤其是旱災(zāi)已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，每年由于旱災(zāi)造成我國(guó)糧食減產(chǎn)大約300 億kg，約占所有自然災(zāi)害損失的60%[1]。旱災(zāi)不僅造成農(nóng)業(yè)的大幅度減產(chǎn)，同時(shí)影響糧食安全，與此同時(shí)對(duì)人類的生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅[2]。安定區(qū)位于甘肅省中部，多年平均降水量398.5 mm，水資源極為短缺，是一個(gè)典型的干旱、半干旱地區(qū)，十年九旱，十地九旱，糧食生產(chǎn)以雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)為主，長(zhǎng)期以來難以擺脫靠天吃飯的窘境。隨著雨水集蓄利用技術(shù)研究的不斷發(fā)展和示范推廣的逐步深入，微地形雨水就地富集利用技術(shù)、集雨補(bǔ)充灌溉技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。開展基于干旱生境的作物生育期水分虧缺研究，提出各生育期水分虧缺值、虧缺程度及主要虧缺時(shí)段，對(duì)實(shí)施旱作農(nóng)業(yè)雨水就地富集利用和集雨補(bǔ)充灌溉，提高旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

安定區(qū)位于甘肅省中部，地跨北緯35°17′54″至36°02′40″、東經(jīng)104°12′48″至105°01′06″之間，其地勢(shì)自西南向東北傾斜，氣候類型屬于中溫帶干旱、半干旱，大陸性季風(fēng)氣候十分明顯。年平均太陽(yáng)輻射量141.4 kcal/cm2，年平均日照2 500 h，年均氣溫6.3 ℃，無(wú)霜期141 d。全區(qū)多年平均降水量398.5 mm左右，多集中在夏秋季節(jié)，最大4個(gè)月(6-9月)降水量占全年降水量的67.2%，蒸發(fā)量高達(dá)1 500 mm以上。降水稀少，水資源極為短缺，造就了安定區(qū)旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的基本現(xiàn)狀，也形成了區(qū)域旱作特色農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。安定區(qū)現(xiàn)有各類農(nóng)作物種植面積12 萬(wàn)hm2，其中以玉米、小麥為主的糧食作物播種面積10.73 萬(wàn)hm2，尤其是隨著壟溝覆膜集雨技術(shù)的推廣應(yīng)用，玉米種植面積逐年擴(kuò)大，目前種植面積已僅次于馬鈴薯，占總播種面積的21.25%，已經(jīng)成為當(dāng)?shù)刂饕N植作物和優(yōu)勢(shì)作物。

2 玉米生育期及需水量分析計(jì)算

2.1 玉米作物生育期確定

根據(jù)調(diào)研并查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，安定區(qū)玉米4月中旬播種，10月中旬收獲，主要包括出苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期、成熟期等6個(gè)生育階段，全生育期共180 d左右。安定區(qū)玉米作物生育期劃分結(jié)果及各生育階段生長(zhǎng)特征表現(xiàn)見表1[4]。

表1 安定區(qū)玉米作物生育期劃分結(jié)果及生長(zhǎng)特征

2.2 玉米生育期需水量分析計(jì)算

作物需水量是指在作物生育期內(nèi)，土壤水分條件適宜(即土壤含水量處于田間持水量的60%以上、最大田間持水量以下)、土壤肥力狀態(tài)良好、農(nóng)藝技術(shù)措施使用適當(dāng)、作物能夠充分發(fā)揮其生態(tài)生產(chǎn)力潛勢(shì)的理想條件下的作物耗水量，即作物潛在耗水量或者最大可能耗水量[5]。

作物的需水量包括植物蒸散量和植物光合作用需水量，但進(jìn)一步研究表明，植物的光合作用所用的需水量所占比例很小，可以忽略不計(jì)，所以玉米的理論需水量可以用蒸散量來代替[6]。具體計(jì)算可采用式(1)進(jìn)行：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中：ETc為-作物需水量，mm/d；ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Kc為作物系數(shù)。

其中，作物系數(shù)根據(jù)世界糧農(nóng)組織推薦的玉米作物系數(shù)，結(jié)合安定區(qū)氣候條件，參考已有研究成果確定，安定區(qū)玉米作物系數(shù)見表2。

表2 安定區(qū)玉米作物系數(shù)(kc)

參考作物蒸散量計(jì)算比較復(fù)雜，與氣壓、風(fēng)速、溫度等多種氣象因素有關(guān)。目前，國(guó)內(nèi)外計(jì)算農(nóng)田蒸散量普遍采用FAO推薦的Penman-Monteith公式(FAO-PM)[7]。

(2)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，相當(dāng)于Rn取值很小，尤其在計(jì)算步長(zhǎng)接近1 d的情況下，取值忽略為0，即G≈0；Δ為飽和水汽壓曲線在溫度為T時(shí)的斜率，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；U2為距離地面2 m處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

參考有關(guān)文獻(xiàn)及相關(guān)研究成果[8]，確定了相關(guān)計(jì)算參數(shù)，采用式(2)計(jì)算玉米作物逐時(shí)段蒸散量，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 安定區(qū)春玉米作物不同生育階段需水量

從表3，在特定的生態(tài)環(huán)境條件下，安定區(qū)玉米全生育期需水量呈現(xiàn)小-大-小-大-小的變化過程，在播種-出苗期需水量較小，從出苗-拔節(jié)期開始需水量增加，拔節(jié)-大喇叭口期有所減少，大喇叭口-吐絲期需水量又顯著增加，隨著灌漿期、成熟期的到來，需水量逐漸減少。玉米在整個(gè)生育期耗水強(qiáng)度2.61 mm/d，在出苗-拔節(jié)期耗水強(qiáng)度最大為5.07 mm/d，大喇叭口-吐絲期是第二個(gè)耗水高峰期，耗水強(qiáng)度4.34 mm/d，該時(shí)期是玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，因此，本階段玉米的耗水強(qiáng)度增大。

3 玉米生育期天然降水量分析

3.1 安定區(qū)降水特性分析

通過對(duì)安定區(qū)長(zhǎng)系列降水資料1958-2015年進(jìn)行58年年平均降水量統(tǒng)計(jì)、分析。發(fā)現(xiàn)安定區(qū)降水量年內(nèi)變化大，月分配不均，全年降水量主要集中在6-9月，其歷年6-9月平均降水量占全年平均降水量的67%左右，最大降水月一般出現(xiàn)在7月或者8月，春季和冬季降水少，約占全年平均降水量的7%左右。

對(duì)安定區(qū)1958-2015年58年降水量系列進(jìn)行頻率計(jì)算，先確定變差系數(shù)Cv值[9]。由于年降水量相對(duì)穩(wěn)定，偏差系數(shù)Cs取值一般用Cs/Cv值來反映[10]，用水文頻率計(jì)算軟件計(jì)算并繪制頻率曲線見圖1。

安定區(qū)多年平均降水量為398.5 mm，變差系數(shù)Cv為0.20，不同頻率年降水量見表4[11]。

圖1 安定區(qū)降水量頻率曲線

表4 安定區(qū)降水量特征值表

3.2 不同保證率降水量及年內(nèi)分配

根據(jù)安定區(qū)1958-2015年共58年的天然降水量數(shù)據(jù)，通過頻率計(jì)算求得頻率為20%、50%、75%的設(shè)計(jì)年降水量，分別作為豐水年，平水年，枯水年，P20%=461.7 mm,P50%=389.6 mm，P75%=341.0 mm。

根據(jù)典型年選擇原則，確定采用1984年、1975年和2011年月降水過程分別為20%、50%和75%年的典型年。采用同倍比法計(jì)算不同頻率降水量逐月分配見表5[13]。

表5 不同頻率降水量月分配過程計(jì)算結(jié)果

3.3 不同保證率玉米作物生育期降水量及分配

根據(jù)前述分析確定的玉米作物生育期與需水量，結(jié)合不同頻率降水量月分配過程，確定安定區(qū)玉米作物不同降水頻率條件下玉米作物生育期水分虧缺見表6。

由于不同作物在不同的生育階段具有不同的生長(zhǎng)特征，其結(jié)果是作物各生育階段的需水量也不相同，而且，不同的氣候條件也是影響作物需水量變化的主要因素。從玉米作物生長(zhǎng)發(fā)育特征來看，整個(gè)生育期需水量大致呈現(xiàn)小-大-小-大-小的變化規(guī)律，生長(zhǎng)前期，植株矮小，需水量較?。簧L(zhǎng)盛期，枝繁葉茂，生長(zhǎng)旺盛，需水量最大；進(jìn)入成熟期，植株生長(zhǎng)結(jié)束，水分需求減小。

4 玉米生育期水分虧缺特征分析

玉米作物生育期需水、天然降水柱狀圖見圖2，水分虧缺特征分析結(jié)果見表7。由此可見：受降水量、需水量的共同影響，玉米作物在不同生育期水分虧缺各不相同，缺水量為玉米全生育期階段的需水量和同時(shí)期降水量的差值，正值表示玉米需水量小于天然降水量，即天然降水可以滿足玉米生育階段的需水要求。負(fù)值表示玉米需水量大于天然降水量，也就是說天然降水量不能夠滿足玉米生育期的需水要求[12]。比較發(fā)現(xiàn)出苗-拔節(jié)期玉米的水分虧缺最大，大喇叭口-吐絲期次之，本階段玉米的需水量大，天然降水無(wú)法滿足玉米的需水要求，因此，玉米水分虧缺比較大。

表6 天然降水條件下玉米作物生育期水分虧缺分析結(jié)果表

圖2 玉米生育階段需水、天然降水量柱狀圖

表7 安定區(qū)玉米作物各生育期水分虧缺特征

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)安定區(qū)1958-2015年共58年天然降水量資料分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)玉米生育期需水量變化趨勢(shì)與天然降水量的變化基本一致，通過對(duì)20%、50%、75%頻率下的降水量及其年內(nèi)分配與玉米生育期的需水量對(duì)比發(fā)現(xiàn)在玉米的出苗-拔節(jié)期和大喇叭-吐絲期仍存在水分虧缺且虧缺程度較大，在其他生育期可以基本滿足玉米需水的要求，為了達(dá)到不減產(chǎn)和提高質(zhì)量的要求，因此需要實(shí)施旱地農(nóng)業(yè)雨水就地富集利用和雨水補(bǔ)充灌溉。