河南省夏玉米生育期有效降雨量和需水量時(shí)空分布特征

張 杰，張 慧，陳丹丹，李國領(lǐng)，張建濤，臧賀藏，趙 晴，胡 峰，李國強(qiáng)，鄭國清

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，河南 鄭州 450002； 2.河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002； 3.河南中醫(yī)藥大學(xué) 管理學(xué)院，河南 鄭州450046；4.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，河南 鄭州 450002)

作物需水量計(jì)算是指導(dǎo)農(nóng)田灌溉規(guī)劃和管理的重要內(nèi)容，作物需水量因土壤、氣候、作物生長狀況和管理方式等諸多因素的影響有所差異[1]。近年來，眾多學(xué)者對(duì)作物需水量進(jìn)行了大量研究[2-11]。聶堂哲等[12-13]利用逐日氣象數(shù)據(jù)分別對(duì)黑龍江省水稻和玉米需水量的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。張華等[14-15]基于甘肅省28個(gè)氣象站點(diǎn) 1967—2017年的逐日氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法，分析了甘肅省小麥和玉米需水量和缺水量時(shí)空分布特征。黃志剛等[16]應(yīng)用1970—2009年氣象數(shù)據(jù)，分析了松嫩平原近40 a玉米生長期內(nèi)特別是需水關(guān)鍵期的水分盈虧和時(shí)空分布規(guī)律。曹永強(qiáng)等[17-18]利用 FAO 推薦的 Penman-Monteith公式和分段單值平均作物系數(shù)法分析了冬小麥、夏玉米和棉花的有效降雨量及需水規(guī)律，同時(shí)結(jié)合《IPCC 排放情景特別報(bào)告》預(yù)估的未來氣候情景(氣溫、降雨等)探討了氣候變化下未來河北省夏玉米需水量的時(shí)空演變規(guī)律。

河南省是農(nóng)業(yè)大省，屬暖溫帶-亞熱帶、濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候，是我國玉米的重要產(chǎn)區(qū)。受地理位置和氣候條件的影響，河南省夏玉米生育期(6—9月)，降雨時(shí)空分布不均，自然災(zāi)害頻繁，可利用的有效降雨量不足，對(duì)夏玉米產(chǎn)量造成直接影響[19-21]。因此，明確夏玉米生育期內(nèi)有效降雨量與需水量的時(shí)空分布特征，對(duì)河南省不同地區(qū)合理進(jìn)行水資源配置、提高農(nóng)田灌溉用水效率、保障夏玉米科學(xué)高效生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)和實(shí)踐意義。目前，關(guān)于河南省夏玉米生育期需水量、降雨量的研究已有報(bào)道[22-26]，但未見關(guān)于夏玉米生育期灌溉需水量方面的研究。為此，基于河南省 1961—2015 年15個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)地理位置將河南省分成5個(gè)區(qū)域，分析不同區(qū)域夏玉米生育期的降雨量、有效降雨量、需水量和灌溉需水量時(shí)空分布特征，以期為河南省夏玉米生產(chǎn)中水資源合理分配和灌溉方案制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于我國中東部、黃河中下游，北緯31°23′～36°22′、東經(jīng)110°21′～116°39′，東接安徽、山東省，北接河北、山西省，西接陜西省，南臨湖北省。全省總面積為16.7萬km2，占全國總面積的1.73%。耕地面積811.1萬hm2，人均耕地0.085 hm2。全省多年平均水資源量403.53億m3，人均水資源量約376 m3，不足全國平均水平的1/5。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006—2015年全省年平均氣溫為12.7～16.2 ℃，年平均降雨量為477.8～1 167.3 mm，年平均日照1 468.0～2 246.6 h，年無霜期207.9～271.7 d，適宜多種農(nóng)作物生長。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取1961—2015年河南省下轄市、縣15個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象觀測資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)、平均水汽壓、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速以及各站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息。上述氣象資料來自中國氣象局國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 需水量 夏玉米生育期需水量根據(jù)FAO 推薦的Penman-Monteith和作物系數(shù)法計(jì)算[18,20]，公式如下：

ETc=ET0×kc

式中：ETc為作物需水量，kc為作物系數(shù)，ET0為參考作物蒸散量。

式中：Rn是作物表面凈輻射量，Δ是飽和水汽壓和溫度關(guān)系曲線的斜率，T是平均空氣溫度，es是空氣飽和水汽壓，ea是空氣實(shí)際水汽壓，γ是濕度計(jì)常數(shù)，U2是地面之上2 m處的風(fēng)速。

夏玉米在播種—拔節(jié)期、拔節(jié)期—灌漿期、灌漿期—成熟期的作物系數(shù)參考前人[25，27]的研究結(jié)果分別取值為0.47、1.09、0.67。河南省夏玉米生育期為6月15日—9月26日。

1.3.2 有效降雨量 有效降雨量采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局(USDA)推薦方法計(jì)算[28]，公式如下：

式中，P為日降水量；Pe為有效降雨量。

1.3.3 灌溉需水量 灌溉需水量即作物生育期內(nèi)需水量與有效降雨量的差值，公式為Wc=ETc-Pe。式中，Wc為灌溉需水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算；利用Matlab軟件分析夏玉米生育期需水量的年際變化趨勢(shì)，并進(jìn)行 Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)；利用 ArcGIS 10.2的空間分析功能對(duì)夏玉米生育期降雨量、有效降雨量、需水量、灌溉需水量進(jìn)行空間插值并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省夏玉米生育期降雨量和有效降雨量的時(shí)空分布特征

對(duì)河南省1961—2015年夏玉米生育期降雨量和有效降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖1。河南省夏玉米生育期多年平均降雨量為416.45 mm，年際間波動(dòng)變化，其中1997年的降雨量最低，為234.11 mm，低于多年平均降雨量43.78%；2000年的降雨量最高，為670.33 mm，高于多年平均降雨量60.96%。針對(duì)不同區(qū)域夏玉米生育期有效降雨量的時(shí)間分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，1961—2015年，豫西(孟津、盧氏、三門峽和欒川站點(diǎn))和豫北地區(qū)(安陽、新鄉(xiāng)站點(diǎn))夏玉米生育期降雨量均呈不顯著的下降趨勢(shì)，豫東(商丘、開封、西華站點(diǎn))、豫南(南陽、西峽和駐馬店站點(diǎn))和豫中(許昌、鄭州和寶豐站點(diǎn))地區(qū)均呈不顯著的上升趨勢(shì)。

由圖1可知，河南省夏玉米生育期有效降雨量多年平均值為132.65 mm，年際變化總體呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)不明顯。其中，1997年夏玉米生育期有效降雨量最低，為83.02 mm，低于多年平均有效降雨量37.41%；2003年夏玉米生育期有效降雨量最高，為186.05 mm，高于多年平均有效降雨量40.26%。2000年河南省夏玉米生育期的降雨量最高，但有效降雨量低于2003年，為173.92 mm，這主要是因?yàn)?000年河南省多地出現(xiàn)罕見的特大暴雨，時(shí)間間隔短，強(qiáng)度大，導(dǎo)致有效降雨量減少。

1961—2015年河南省夏玉米生育期內(nèi)年均降雨量和有效降雨量的空間分布如圖2所示。河南省不同地區(qū)夏玉米生育期年均降雨量在310.04～536.40 mm，從西北向東南呈逐漸遞增的趨勢(shì)。豫西和豫北地區(qū)夏玉米生育期年均降雨量偏低，分別為376.22 mm和382.36 mm；豫中和豫東地區(qū)夏玉米生育期年均降雨量分別為410.02 mm和426.18 mm；豫南地區(qū)夏玉米生育期年均降雨量最高，為504.87 mm。15個(gè)站點(diǎn)中三門峽站點(diǎn)的夏玉米生育期年均降雨量最低，為310.04 mm，低于河南省年均降雨量25.55%；駐馬店站點(diǎn)的年均降雨量最高，為534.50 mm，高于河南省年均降雨量28.35%。

圖1 1961—2015年河南省夏玉米生育期降雨量和有效降雨量的年際變化

1961—2015年河南省不同地區(qū)夏玉米生育期年均有效降雨量在115.45～165.98 mm，并從西南向東北遞減。其中，豫北地區(qū)夏玉米生育期的年均有效降雨量最低，為118.97 mm；其次是豫東和豫中地區(qū)，夏玉米生育期年均有效降雨量分別為127.83 mm和128.01 mm；豫西地區(qū)為135.31 mm；豫南地區(qū)夏玉米生育期年均有效降雨量最高，為147.53 mm。各站點(diǎn)中以三門峽站點(diǎn)夏玉米生育期的年均有效降雨量最低，為115.45 mm，低于河南省夏玉米生育期年均有效降雨量12.94%；欒川站點(diǎn)夏玉米生育期年均有效降雨量最高，為165.98 mm，高于河南省夏玉米生育期年均有效降雨量25.16%；西峽站點(diǎn)的年均有效降雨量次之，為156.75 mm，駐馬店站點(diǎn)夏玉米生育期的年均降雨量在各站點(diǎn)中最高，但其年均有效降雨量卻低于欒川和西峽站點(diǎn)，為149.24 mm，這主要是因?yàn)樵摰氐慕涤炅枯^集中，水災(zāi)頻發(fā)所致。其他站點(diǎn)中盧氏、南陽、西華和寶豐站點(diǎn)的夏玉米生育期年均有效降雨量均高于河南省年均有效降雨量，主要集中在133.18～138.50 mm；許昌、鄭州、孟津和安陽站點(diǎn)的夏玉米生育期年均有效降雨量在120.22～129.39 mm；開封、新鄉(xiāng)和三門峽站點(diǎn)的夏玉米生育期年均有效降雨量則在115.45～119.28 mm。

圖2 1961—2015年河南省夏玉米生育期年均降雨量和有效降雨量的空間分布

2.2 河南省夏玉米生育期需水量的年際變化趨勢(shì)及空間分布特征

由圖3可知，1961—2015年河南省夏玉米生育期需水量總體呈下降趨勢(shì)，多年平均需水量為337.76 mm，每10 a下降幅度為11.42 mm。研究區(qū)夏玉米需水量最小值出現(xiàn)在2011年，為290.50 mm，低于多年平均值13.99%；最大值出現(xiàn)在1966年，為410.62 mm，高于多年平均值21.57%。將河南省夏玉米需水量變化趨勢(shì)分為2個(gè)階段，1961—1990年，呈明顯下降趨勢(shì)；1991—2015年，下降趨勢(shì)平緩。

圖3 1961—2015年河南省夏玉米生育期需水量年際變化

1961—2015年河南省夏玉米生育期年均需水量空間分布如圖4所示。河南省不同地區(qū)夏玉米生育期年均需水量為312.69～389.08 mm，各個(gè)區(qū)域差異不明顯，其中，豫西地區(qū)夏玉米生育期年均需水量略高，為341.42 mm；豫東、豫南、豫北和豫中地區(qū)夏玉米生育期年均需水量分別為337.67、336.43、337.80 mm和334.02 mm。對(duì)15個(gè)站點(diǎn)的夏玉米生育期年均需水量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，欒川和盧氏站點(diǎn)夏玉米生育期年均需水量較低，分別為312.69 mm和316.52 mm；三門峽站點(diǎn)夏玉米生育期年均需水量最高，為389.08 mm。其他站點(diǎn)中孟津、開封、西峽和新鄉(xiāng)站點(diǎn)的夏玉米生育期年均需水量均在339.12～347.38 mm，高于河南省年均需水量337.71 mm；南陽、寶豐、安陽、商丘、許昌、西華和鄭州站點(diǎn)的夏玉米生育期年均需水量則在330.80～337.34 mm，均低于河南省年均需水量。

圖4 1961—2015年河南省夏玉米生育期年均需水量的空間分布

2.3 河南省夏玉米生育期灌溉需水量的年際變化趨勢(shì)及空間分布特征

1961—2015年河南省夏玉米生育期灌溉需水量的年際變化如圖5所示，整體呈明顯少趨勢(shì)，每10 a 減少10.95 mm，多年平均灌溉需水量為205.09 mm。2003年夏玉米生育期灌溉需水量最低，為99.37 mm，低于多年平均灌溉需水量51.55%；1966年灌溉需水量最高，為314.00 mm，高于多年平均灌溉需水量53.10%。

圖5 1961—2015年河南省夏玉米生育期灌溉需水量的年際變化

1961—2015年夏玉米生育期年均灌溉需水量空間分布如圖6所示。不同地區(qū)夏玉米生育期年均灌溉需水量在146.71～226.09 mm。豫南地區(qū)夏玉米生育期年均灌溉需水量最低，為188.90 mm；豫北地區(qū)夏玉米生育期年均灌溉需水量最高，為218.83 mm；豫東、豫西、豫中地區(qū)夏玉米生育期年均灌溉需水量差異不大，分別為209.83、206.11、206.00 mm。從15個(gè)氣象站點(diǎn)的夏玉米生育期年均灌溉需水量來看，欒川站點(diǎn)的夏玉米生育期年均灌溉需水量最低，為146.71 mm；三門峽站點(diǎn)的夏玉米生育期年均灌溉需水量最高，為273.63.mm。其他站點(diǎn)中孟津、開封、新鄉(xiāng)、安陽、鄭州和商丘站點(diǎn)的夏玉米生育期年均灌溉需水量在205.34～226.09 mm，均高于河南省年均灌溉需水量205.09 mm；寶豐、許昌、南陽、西華、西峽、駐馬店和盧氏站點(diǎn)的夏玉米生育期年均灌溉需水量在178.02～203.84 mm，均低于河南省年均灌溉需水量。

圖6 1961—2015年河南省夏玉米生育期年均灌溉需水量的空間分布

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，1961—2015年河南省夏玉米生育期年均降雨量在空間上從東南向西北呈逐漸遞減趨勢(shì)，這與楊森等[26]對(duì)1982—2012年河南省夏玉米生育期降雨量時(shí)空變化的研究結(jié)果一致。本研究夏玉米生育期年均有效降雨量則從西南向東北遞減，這說明雖然豫東地區(qū)的年均降雨量僅次于豫南地區(qū)，但年均有效降雨量明顯低于其他區(qū)域位列第4。本研究有效降雨量計(jì)算方法與楊森等[26]的計(jì)算方法不同，但研究結(jié)果中，河南省夏玉米生育期的年均有效降雨量整體空間分布相似，均是豫南地區(qū)年均有效降雨量最高，豫北地區(qū)最低。

本研究結(jié)果表明，豫西地區(qū)的夏玉米生育期年均需水量略高于其他地區(qū)，豫東、豫南、豫北和豫中地區(qū)的年均需水量沒有差異；年均灌溉需水量則是豫北>豫東>豫西>豫中>豫南，其中豫北地區(qū)的年均灌溉需水量最高，豫南地區(qū)的年均灌溉需水量最低，豫東、豫西和豫中地區(qū)的年均灌溉需水量沒有明顯差異。1961—2015年河南省夏玉米生育期需水量和灌溉需水量均呈減少趨勢(shì)，這與劉小剛等[25]的研究結(jié)果一致。其中，夏玉米生育期最大需水量為410.62 mm，出現(xiàn)在1966年；最低需水量為290.55 mm，出現(xiàn)在2011年。灌溉需水量最大為314.00 mm，出現(xiàn)在1966年；最小灌溉需水量為99.37 mm，出現(xiàn)在2003年。1961—2015年，總體上河南省夏玉米生育期有效降雨量均小于需水量，不能滿足夏玉米生長需求，需要人工灌溉。