1958-2015年廣西木薯有效降雨量和需水量的變化規(guī)律

吳衛(wèi)熊，莫明珠

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.廣西水利科學(xué)研究院，南寧 530023；3.廣西水工程重點實驗室，南寧 530023)

木薯是廣西的主要經(jīng)濟作物之一，種植面積約23.3 萬hm2。廣西木薯的種植面積和產(chǎn)量約占全國的60%以上，是我國木薯主產(chǎn)區(qū)，有著悠久的木薯種植歷史，目前共有83個縣(市、區(qū))、近800萬人種植木薯，木薯已成為當?shù)剞r(nóng)民增收和地方財政收入的重要來源。隨著氣候的變化，木薯的需水量也隨之變化，研究利用降雨來提高農(nóng)業(yè)水資源的高效利用是目前農(nóng)業(yè)水利研究人員逐漸關(guān)注的重點之一。

目前，盡管部分學(xué)者對木薯需水規(guī)律和灌溉制度開展了研究，取得了一些成果[1,2]；也有部分學(xué)者研究玉米、小麥和水稻等作物在氣候變化背景下其需水量發(fā)生了顯著變化[3,4]；對于木薯生育期內(nèi)有效降雨量、需水量特征及變化趨勢研究較少。

本文擬采用1958-2015年南寧站、北海站、玉林站、龍州站氣象站的氣象資料以及2014-2015年木薯生育期的觀測資料，研究木薯主產(chǎn)區(qū)內(nèi)有效降雨量和木薯各生育期的需水量，為廣西木薯生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)為：1958-2015年南寧站、北海站、玉林站、龍州站氣象站的氣象資料，含氣溫、日照時數(shù)、降雨量、風(fēng)速、相對濕度等；以及2014-2015年木薯生育期的觀測資料。

1.2 木薯種植分區(qū)

根據(jù)廣西自然條件、木薯種植結(jié)構(gòu)和需水特性，結(jié)合當?shù)毓喔冉?jīng)驗和試驗資料分析計算，把廣西主要木薯種植區(qū)分為桂中(含南寧市、來賓市、貴港市)、桂南(北海市、欽州市、防城港市)、桂西(崇左市、百色市、河池市)和桂東南(玉林市、梧州市)4個分區(qū)；其中，桂中區(qū)代表站為南寧站，桂南區(qū)代表站位北海站，桂西區(qū)代表站為龍州站，桂東南區(qū)代表站位玉林站。

1.3 木薯生育期

木薯生育期分為苗期、塊根形成期、塊根膨大期、塊根成熟期4個時期。以木薯當家品種華南205為例，劃定4個主產(chǎn)區(qū)的木薯生育期，見表1。

表1 廣西木薯主產(chǎn)區(qū)木薯全生育期劃分Tab.1 Stages of the whole growth period of cassava in main production regions in Guangxi

1.4 有效降雨量

有效降雨量是指總降雨量扣除深層滲漏量、作物截留量和徑流量，并保留在作物的根區(qū)，能被作物利用的水量。有效降雨量Pe可采用下式進行計算：

Pe=αP

(1)

式中：P為計算時段降雨總量，mm；α為計算時段降雨有效利用系數(shù)。

采用下式進行計算[5]：

(2)

1.5 參考作物需水量

參考作物需水量采用Penman-Monteith公式計算[6]，公式如下：

(3)

式中：ET0為參考作物的騰發(fā)量，mm/d；Rn為地表凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Tmean為日平均氣溫，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表場數(shù)，kPa/℃。

1.6 木薯需水量

木薯需水量由維持木薯正常生長發(fā)育的蒸騰水量和顆間土壤蒸發(fā)水量組成。本文主要通過參考作物騰發(fā)量(ET0)和木薯不同生育階段的作物系數(shù)(Kc)計算木薯需水量，計算公式如下：

ETc=KcEt0

(4)

式中：ETc為木薯需水量；Kc為木薯不同生育階段的作物系數(shù)。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織出版的《FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56：Crop Evapotranspiration》，結(jié)合本人開展的木薯灌溉試驗，Kc值在苗期、塊根形成期、塊根膨大期和塊根成熟期分別取0.3、0.5、1.0和0.5；ET0為參考作物騰發(fā)量。

1.7 水分盈虧指數(shù)

木薯水分盈虧指數(shù)是指木薯生育期內(nèi)有效降雨量與需水量的差值再與需水量的比值，可用下式進行計算：

(5)

式中：I為水分盈虧指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木薯生育期有效降雨量的變化特征

1959-2015年廣西木薯主產(chǎn)區(qū)木薯生育期有效降雨量時間變化圖如圖1所示。由圖1可見，廣西木薯主產(chǎn)區(qū)木薯生育期有效降雨量為603.33～694.09 mm，平均值為649.15 mm，整體呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特點。近60 a來木薯全生育期有效降雨量的變化在每10年-57.77～85.48 mm，平均值每10年-7.44 mm。從有效降雨量趨勢線可以看出，近60 a來木薯全生育期有效降雨量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢。1961-1970年平均有效降雨量比上10 a下降39.35 mm，2011-2015年平均有效降雨量比上10 a下降57.77 mm。

從生育期來分，廣西木薯主產(chǎn)區(qū)有效降雨量在播種至苗期為76.86～147.52 mm，苗期至塊根形成期為141.90～186.34 mm，塊根形成期至塊根膨大期為301.53～403.74 mm，塊根膨大期至塊根成熟期為11.73～77.12 mm，整體上也呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特點，與全生育期的有效降雨分布特征相似。比較木薯各生育期的有效降雨量可知，塊根形成期至塊根膨大期的有效降雨量最大，占52%，苗期至塊根形成期次之，占26%，播種至苗期、塊根膨大期至塊根成熟期較小。其原因主要是塊根形成期和塊根膨大期時間較長，且分布在雨季。

圖1 1958-2015年廣西木薯主產(chǎn)區(qū)有效降雨量時間變化圖Fig.1 Change chart of effective precipitation over time in main cassava producing areas of Guangxi from 1958 to 2015

2.2 木薯需水量的變化特征

1959-2015年廣西木薯主產(chǎn)區(qū)木薯需水量時間變化見圖2。由圖2可知，廣西木薯主產(chǎn)區(qū)木薯生育期需水量為740.57～789.94 mm，平均值為758.05 mm，整體呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特點。近60 a來木薯全生育期需水量的變化為每10年-27.73～24.81 mm，平均值為每10年-2.29 mm。從需水量趨勢線可以看出，近60 a來木薯需水量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢。

圖2 1958-2015年廣西木薯主產(chǎn)區(qū)木薯需水量時間變化圖Fig.2 Change chart of water requirement of cassava in main cassava producing areas of Guangxi from 1958 to 2015

從生育期來分，廣西木薯主產(chǎn)區(qū)需水量在播種至苗期為84.13～111.90 mm，苗期至塊根形成期為189.30～241.02 mm，塊根形成期至塊根膨大期為350.56～464.83 mm，塊根膨大期至塊根成熟期為14.42～77.12 mm，整體上呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特點，與全生育期的需水量分布特征相似。比較木薯各生育期的需水量可知，塊根形成期至塊根膨大期的有效降雨量最大，占53%，苗期至塊根形成期次之，占27%，播種至苗期14%，塊根膨大期至塊根成熟期較小，僅占7%。

各主產(chǎn)區(qū)木薯需水量變化見圖3。由圖3可知，桂南區(qū)(北海站)木薯總需水量最大，桂東南區(qū)(玉林站)次之，桂中區(qū)(南寧站)第三，桂西區(qū)(龍州站)最小。總體而言，東南部靠近赤道，蒸發(fā)量大，木薯生長旺盛，光合作用強，需水量較大，越往北需水量就越小。從表2可知，除了塊根膨大期至塊根成熟期外，其他生育期大都呈現(xiàn)東南大、西北小的特點。

圖3 廣西4個木薯主產(chǎn)區(qū)木薯需水量變化圖Fig.3 Change chart of water requirement of cassava in four main cassava producing areas in Guangxi

表2 廣西木薯主產(chǎn)區(qū)木薯全生育期及不同生育階段的有效降水量、需水量Tab.2 Effective precipitation and water requirement of cassava in its whole growth period and different growth stages in main cassava producing areas of Guangxi

站點指標播種-苗期苗期-塊根形成期塊根形成期-塊根膨大期塊根膨大期-塊根成熟期全生育期北海站有效降雨量/mm147.52 186.34 403.74 38.82 776.42 需水量/mm111.90 241.02 464.83 43.04 860.80 水分虧缺指數(shù)0.32 -0.23 -0.13 -0.10 -0.10 南寧站有效降雨量/mm99.73 164.26 310.91 11.73 586.63 需水量/mm100.92 194.64 410.90 14.42 720.88 水分虧缺指數(shù)-0.01 -0.16 -0.24 -0.19 -0.19 玉林站有效降雨量/mm80.80 188.53 350.13 53.87 673.33 需水量/mm114.07 205.32 395.43 68.44 760.45 水分虧缺指數(shù)-0.29 -0.08 -0.11 -0.21 -0.11 龍州站有效降雨量/mm76.86 141.90 301.53 70.95 591.24 需水量/mm84.13 189.30 350.56 77.12 701.12 水分虧缺指數(shù)-0.09 -0.25 -0.14 -0.08 -0.16

2.3 典型站點木薯水分虧缺指數(shù)的變化特征

通過分析北海站(桂南區(qū))、南寧站(桂中區(qū))、龍州站(桂西區(qū))、玉林站(桂東南站)的數(shù)據(jù)，可以得到廣西4個木薯主產(chǎn)區(qū)的有效降雨量、需水量和水分虧缺指數(shù)，見表2。由表2可知，南寧站(桂中區(qū))木薯水分虧缺度最為嚴重，龍州站(桂西區(qū))、玉林站(桂東南站)次之，北海站(桂南區(qū))水分虧缺度最輕，以上4個主產(chǎn)區(qū)木薯全生育期的水分虧缺量分別為134.25、109.88、 87.12和84.38 mm，水分虧缺度分別為：-0.19、-0.16、-0.11和-0.10。

從各生育期來看，除了北海站(桂南區(qū))木薯播種至苗期降雨量充足外，其他主產(chǎn)區(qū)的各生育期均出現(xiàn)不同程度的缺水，特別是苗期-塊根形成期、塊根形成期-塊根膨大期缺水尤為嚴重。在塊根形成期-塊根膨大期，各站點水分虧缺量分別為61.09、99.99、45.30和49.03mm，水分虧缺度分別為：-0.13、-0.24、-0.11和-0.14。在苗期-塊根形成期，各站點水分虧缺量分別為54.68、30.38、16.79和47.41mm，水分虧缺度分別為：-0.23、-0.16、-0.08和-0.25。其主要原因為：這個時期是木薯生長最旺盛的塊根形成期和塊根膨大期，需要較大的水分和養(yǎng)分來維持塊根的形成和膨大，而此時廣西木薯主產(chǎn)區(qū)正值秋季，盡管降雨量也較大，但多以臺風(fēng)雨為主，有效降雨較少，造成木薯生長發(fā)育產(chǎn)生缺水情況。

3 結(jié) 語

(1)1958-2015 年，廣西木薯主產(chǎn)區(qū)全生育期有效降水量整體呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特點，總體呈下降趨勢，有效降雨量的變化為每10年-57.77～85.48 mm，平均值為每10年-7.44 mm。

(2)1958-2015 年，廣西木薯主產(chǎn)區(qū)全生育期需水量整體呈現(xiàn)東南高、西北低的分布特點，總體呈下降趨勢，其變化為每10年-27.73～24.81 mm，平均值為每10年-2.29 mm。除了塊根膨大期至塊根成熟期外，其他生育期大都呈現(xiàn)東南大、西北小的特點。

(3)除了桂南區(qū)(北海站)木薯播種至苗期降雨量充足外，其他主產(chǎn)區(qū)的各生育期均出現(xiàn)不同程度的缺水，特別是苗期-塊根形成期、塊根形成期-塊根膨大期缺水尤為嚴重。缺水量和水分虧缺指數(shù)呈現(xiàn)東南小、西北大的分布特點。

(4)盡管木薯是比較耐旱的作用，但由于年降雨量(有效降雨量)分配不均，導(dǎo)致木薯在各生育期均出現(xiàn)不同程度的缺水，特別是塊根形成期、塊根膨大期缺水尤為嚴重。