遼寧主要糧食作物生長(zhǎng)季需水與降水耦合度分析＊

張鳳怡，遲道才，陳濤濤

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽(yáng) 110866）

農(nóng)業(yè)用水占社會(huì)總用水量的比重近年來有所下降，但農(nóng)業(yè)仍排用水行業(yè)首位[1]，需要嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)用水總量，以水定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、以水定種植結(jié)構(gòu)、以水定產(chǎn)量，推動(dòng)農(nóng)業(yè)適水發(fā)展，更好地為國(guó)家農(nóng)業(yè)生態(tài)優(yōu)先、綠色優(yōu)先的戰(zhàn)略布局服務(wù)。IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告指出，與1986?2005年相比，2016?2035年全球地表平均溫度將上升0.3～0.7℃[2]，這將顯著改變水資源的供給，影響作物生長(zhǎng)和耗水模式[3]。水分是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素之一，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)用水的評(píng)價(jià)，要考慮不同作物對(duì)水分的需求和需水規(guī)律。

作物需水與降水耦合度是指單位時(shí)間（某一生長(zhǎng)階段）內(nèi)，有效降水對(duì)作物需水的滿足程度[4]。近年來，國(guó)內(nèi)利用該指標(biāo)在不同時(shí)間尺度上對(duì)不同作物不同地區(qū)進(jìn)行了大量研究，并取得豐富成果。據(jù)崔日鮮等[5]報(bào)道，山東植棉區(qū)棉花在播種期和吐絮成熟期需水與降水耦合度普遍較低，播種期、苗期和吐絮成熟期耦合度在多數(shù)站點(diǎn)趨于減少趨勢(shì)；聶堂哲等[6]研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江水稻生育期內(nèi)需水與降水耦合度總體呈減小趨勢(shì)，而不適宜水稻種植的西部地區(qū)耦合度為增加趨勢(shì)；張婷等[7]研究指出，華北和東北地區(qū)晚播燕麥的耦合度高于早播燕麥，適當(dāng)晚播能使燕麥充分利用自然降雨。對(duì)不同作物需水與降水耦合度的評(píng)價(jià)已成為關(guān)注區(qū)域農(nóng)業(yè)適水發(fā)展的重要內(nèi)容，但目前主要以單一作物為研究對(duì)象，對(duì)同一區(qū)域多種糧食作物對(duì)比研究的報(bào)道鮮有。此外，遼寧主要糧食作物生長(zhǎng)季內(nèi)降水與需水匹配情況及其時(shí)空演變規(guī)律尚未知，尤其遼寧省是中國(guó)糧食增產(chǎn)潛力較大的地區(qū)之一，也是氣候變化較敏感的地區(qū)，加之研究區(qū)降水時(shí)空分布不均、干旱等氣象災(zāi)害發(fā)生頻率和程度日益加強(qiáng)[8]，區(qū)域氣候變化所帶來的影響嚴(yán)重威脅著大田作物生長(zhǎng)，因此，有必要對(duì)遼寧主要糧食作物需水與降水耦合規(guī)律展開深入研究。

SIMETAW（Simulation of ET of Applied Water）模型是在Penman-Monteith 公式的基礎(chǔ)上結(jié)合作物數(shù)據(jù)庫(kù)來模擬作物蒸散量[9]。模型能夠根據(jù)作物資料、氣候數(shù)據(jù)和土地利用類別，提供給區(qū)域內(nèi)每個(gè)分區(qū)農(nóng)田逐日、逐季、逐年的水平衡估計(jì)[10]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)該模型進(jìn)行了不同地區(qū)的適應(yīng)性檢驗(yàn)[11?13]。前人已進(jìn)一步利用SIMETAW 模型在華北平原對(duì)夏玉米、冬小麥和棉花等作物需水量進(jìn)行了時(shí)空演變規(guī)律研究[14?16]。因此，本研究利用SIMETAW 模型對(duì)遼寧主要糧食作物需水及其與降水耦合規(guī)律進(jìn)行研究，以期揭示氣候變化對(duì)該區(qū)域糧食作物需水的影響，探明當(dāng)?shù)刈匀唤邓Y源對(duì)主要糧食作物需水的滿足程度及其時(shí)空變化特征，為調(diào)整本區(qū)域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，充分利用天然降水，推動(dòng)適水農(nóng)業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)綠色高效節(jié)水提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 區(qū)域劃分

遼寧省位于中國(guó)東北地區(qū)南部，全省耕地面積409.29 萬hm2，占全省土地總面積的27.65%（2016年），其中大部分分布在中部平原和西部低山丘陵的河谷地帶。遼寧省是典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量為400～1000mm，主要集中在夏季，占全年總降水量的60%～75%，春、秋季雨少風(fēng)大，容易引發(fā)干旱，其中春旱占遼寧干旱發(fā)生總數(shù)的70%以上[17]。根據(jù)遼寧省水文地貌綜合特征，將研究區(qū)33 個(gè)站點(diǎn)劃分為4 個(gè)子區(qū)域，即中部平原區(qū)（10 個(gè)站點(diǎn)）、東部山區(qū)（7 個(gè)站點(diǎn)）、西部干旱區(qū)（8 個(gè)站點(diǎn)）和南部丘陵區(qū)（8 個(gè)站點(diǎn)），分別簡(jiǎn)稱中部、東部、西部和南部地區(qū)。具體站點(diǎn)分布情況以及遼寧分區(qū)如圖1 所示。

圖1 遼寧省氣象站點(diǎn)及DEM 分布圖Fig.1 The spatial distribution map of the meteorological stations and DEM in Liaoning province

1.2 SIMETAW 模型輸入資料和輸出參數(shù)

1.2.1 輸入資料

利用SIMETAW 模型計(jì)算遼寧3 種主要糧食作物（春玉米、大豆和水稻）的需水量，模型需要輸入氣象數(shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（https://data.cma.cn/）中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，主要收集了遼寧省33 個(gè)氣象站點(diǎn)（1957?2017年）61a 逐日氣象數(shù)據(jù)，包含日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日降水量、最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、平均氣壓等資料。各氣象站點(diǎn)的基本資料包括站點(diǎn)經(jīng)度、緯度和高程等。

作物數(shù)據(jù)包括播種日期、收獲日期、作物不同生長(zhǎng)階段劃分信息和作物系數(shù)等。各主要糧食作物占遼寧糧食作物播種面積百分比以及生長(zhǎng)季起止時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。其中，水稻生長(zhǎng)季日期不包括秧田期。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，同一作物的生長(zhǎng)季時(shí)間在遼寧4個(gè)分區(qū)差異較小，故同一作物采取相同的生長(zhǎng)季起止日期。

表1 遼寧省主要糧食作物播種面積占比及其生長(zhǎng)季（播種?收獲）時(shí)間表Table 1 The proportion of sown area of main grain crops and their growing season(sowing-harvest)schedule in Liaoning province

根據(jù)田間調(diào)查資料，按照FAO-56 中劃分作物4 個(gè)生長(zhǎng)階段的方法[18]，將模型內(nèi)各生長(zhǎng)階段天數(shù)進(jìn)行調(diào)整。修正后3 種作物各個(gè)生長(zhǎng)階段經(jīng)歷天數(shù)如表2 所示。SIMETAW 模型將作物整個(gè)生長(zhǎng)過程分為4 個(gè)階段，即生長(zhǎng)初期、快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期和成熟期，將各階段作物系數(shù)（Kc）隨生長(zhǎng)時(shí)間線性連接，得到各作物初期、中期和成熟期的Kci即生育期內(nèi)作物系數(shù)變化過程[12]。春玉米和大豆Kc使用文獻(xiàn)[19?20]中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)替換模型中對(duì)大多數(shù)作物提供的FAO 標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)。水稻各階段作物系數(shù)（Kc）結(jié)合團(tuán)隊(duì)在遼寧地區(qū)水稻需水相關(guān)試驗(yàn)的研究結(jié)果[21?22]，修正后3 種作物Kc值如表3所示。

表2 遼寧省主要糧食作物各生長(zhǎng)階段天數(shù)(d)Table 2 Days of each growth stage of main grain crops in Liaoning province(d)

表3 遼寧省主要糧食作物不同生長(zhǎng)階段的作物系數(shù)(Kc)Table 3 The crop coefficients(Kc)of major grain crops at different growth stages in Liaoning province

1.2.2 輸出參數(shù)

模型采用單作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量（ETc），計(jì)算式為

式中，ETc為日作物需水量（mm）；Kc為作物系數(shù)；ET0為日參考作物蒸散量，按Penman-Monteith公式計(jì)算[23]。

1.3 有效降水量

有效降水量（Er）的計(jì)算式為

式中，P 為降水量（mm）；α 為降水入滲系數(shù)，當(dāng)一次降水量<5mm 時(shí)，α 為0；當(dāng)一次降水量在5～50mm 時(shí)，α 約為0.9；當(dāng)一次降水量>50mm 時(shí)，α為0.8[24]。

1.4 需水與降水耦合度

第i 時(shí)段內(nèi)的作物需水與降水的耦合度 λi為[6]

式中，為第i 時(shí)段內(nèi)作物需水與降水的耦合度，無量綱；Eri為第i 時(shí)段內(nèi)的有效降水量（mm）；ETci為第i 時(shí)段作物需水量（mm）。計(jì)算水稻需水與降水的耦合度時(shí)，用總耗水量代替作物需水量，即作物需水量和滲漏損失之和[25]。

全生育期作物需水與降水的耦合度λ 為各生育階段耦合度 λi以需水模數(shù)（ETci/ETc）為權(quán)重的加權(quán)平均值，計(jì)算式為

式中，n 為生育階段總數(shù)；ETc為全生育期需水量（mm）。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

運(yùn)用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法（簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn)法）[26]，對(duì)遼寧33 個(gè)氣象站點(diǎn)1957?2017年各作物需水相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析和顯著性檢驗(yàn)，選定95%置信度判別各指標(biāo)的時(shí)間變化趨勢(shì)是否通過顯著性檢驗(yàn)。利用ArcGIS 10.4 中的Ordinary Kriging 插值法[27]對(duì)各站點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，分析各指標(biāo)的空間變化特征。選取遼寧33 個(gè)氣象站近61a 春玉米、大豆和水稻生長(zhǎng)季的需水與降水耦合度數(shù)據(jù)，進(jìn)行頻率計(jì)算，繪制不同分區(qū)各作物的皮爾遜Ⅲ型概率分布曲線，最后求得不同耦合度所對(duì)應(yīng)的保證率，保證率用百分?jǐn)?shù)表示，其值可反映某個(gè)時(shí)段內(nèi)某一氣象要素低于（或高于）某一數(shù)值的可能性大小。運(yùn)用R3.5.2 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要糧食作物生長(zhǎng)季需水量（ETc）分析

2.1.1 全省生長(zhǎng)季作物需水特征

1957?2017年遼寧省春玉米、大豆和水稻逐年生長(zhǎng)季作物需水量（ETc）的結(jié)果表明，3 種作物全生長(zhǎng)季ETc多年平均值分別為511.8mm、509.4mm 和605.1mm。3 種作物全生長(zhǎng)季ETc均表現(xiàn)為下降，但趨勢(shì)不顯著。春玉米、大豆和水稻4 個(gè)生長(zhǎng)階段作物需水量模擬結(jié)果如表4。由表可見，3 種作物生長(zhǎng)初期ETc多年平均值分別為74.2mm、56.8mm 和107.2mm，快速生長(zhǎng)期分別為183.8mm、126.5mm 和172.8mm，生長(zhǎng)中期分別為185.6mm、262.2mm 和247.9mm，成熟期分別為 75.7mm、70.3mm 和77.0mm?？傮w來看，3 種作物各生長(zhǎng)階段需水量，在生長(zhǎng)中期最大，快速生長(zhǎng)期次之，春玉米成熟期ETc與生長(zhǎng)初期基本接近，大豆成熟期ETc大于生長(zhǎng)初期，水稻反之，3 種作物生長(zhǎng)中期需水量均最大，此時(shí)，正處于作物生長(zhǎng)旺盛期，同時(shí)也是水分敏感期，應(yīng)注意滿足各作物的實(shí)際需水要求。M?K 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果（表4）表明，在生長(zhǎng)初期，春玉米和大豆的需水量均呈顯著下降趨勢(shì)（P<0.05），傾向率分別為?1.9mm·10a?1和?1.59mm·10a?1，生長(zhǎng)初期需水量的減少會(huì)在一定程度上緩解糧食作物生長(zhǎng)初期的用水壓力。

表4 主要糧食作物生長(zhǎng)季內(nèi)作物需水量及其時(shí)間序列傾向率Table 4 Crop water requirement(ETc)and the tendency rate in the time series in the growing season of main grain crops

2.1.2 各分區(qū)生長(zhǎng)季作物需水特征

主要糧食作物全生長(zhǎng)季ETc的空間分布見圖2。由圖可見，春玉米生長(zhǎng)季需水量530.0mm 以上的區(qū)域集中于南部分區(qū)，西部均值為513.0mm，中部均值為 506.0mm，東部均值相對(duì)其他分區(qū)最?。?91.7mm）。大豆和水稻需水量空間分布與春玉米存在一定差異，大豆和水稻ETc在西部分區(qū)均值最高，分別為536.5mm 和651.7mm，低值區(qū)主要分布在東部，分別為488.0mm 和544.9mm?？傮w來看，各糧食作物主要表現(xiàn)為西部地區(qū)和南部沿海地區(qū)需水量較高，東部最低。

圖2 遼寧春玉米、大豆和水稻全生長(zhǎng)季需水量的空間變化Fig.2 Spatial variations of ETc of spring maize,soybean and rice in whole growing period in Liaoning province

春玉米各生長(zhǎng)階段ETc空間分布特征與全生長(zhǎng)季有所不同。由圖3 可知，生長(zhǎng)初期和快速生長(zhǎng)期的春玉米ETc高值均集中在南部分區(qū)，多年平均值分別為85.7mm 和189.4mm，生長(zhǎng)初期的低值主要分布在西部，為62.9mm，快速生長(zhǎng)期低值區(qū)在東部，為176.2mm；生長(zhǎng)中期和成熟期的春玉米ETc空間分布規(guī)律較為接近，呈現(xiàn)由東向西逐漸遞增的分布特征，高值集中在西部，分別為191.4mm 和80.3mm，低值主要分布在東部，分別為176.0mm 和66.3mm。整體上看，各個(gè)生長(zhǎng)階段春玉米需水量區(qū)域之間具有明顯差異，4個(gè)生長(zhǎng)階段的春玉米ETc空間分布特征不盡相同。

圖3 遼寧春玉米各生長(zhǎng)階段作物需水量空間分布Fig.3 Spatial distributions of ETc in each growth stage of spring maize in Liaoning province

大豆不同生長(zhǎng)階段需水量的空間分布規(guī)律存在一定差異。通過圖4 可知，生長(zhǎng)初期的大豆ETc空間分布呈現(xiàn)由中部向四周遞增的規(guī)律，在南部分區(qū)數(shù)值較高，多年平均值為60.6mm，低值區(qū)主要分布在中部地區(qū)，為48.5mm；快速生長(zhǎng)期，高值在西部地區(qū)，為131.8mm，低值在東部地區(qū)，為119.4mm；生長(zhǎng)中期大豆ETc空間分布特征為由東南向西北逐漸遞增，高值分布在西部地區(qū)，為271.6mm，低值區(qū)主要出現(xiàn)在東部，為253.0mm；成熟期的大豆ETc空間分布特征為由東北向西南逐漸遞增，高值主要在南部，為75.6mm，低值區(qū)主要出現(xiàn)在東部，為63.2mm。由上可知，各個(gè)生長(zhǎng)階段大豆需水量區(qū)域之間具有較大差異，4 個(gè)生長(zhǎng)階段高值區(qū)域主要分布在西、南部地區(qū)，低值主要在中、東部區(qū)域。

圖4 遼寧大豆各生長(zhǎng)階段作物需水量空間分布Fig.4 Spatial distributions of ETc in each growth stage of soybean in Liaoning province

水稻4 個(gè)生長(zhǎng)階段需水量的空間分布規(guī)律與全生長(zhǎng)季的分布規(guī)律較為相似，由圖5 可知，生長(zhǎng)初期、快速生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)中期水稻ETc空間分布呈現(xiàn)由東向西逐漸增加的規(guī)律，西部分區(qū)即高值集中區(qū)，多年平均值分別為120.0mm、188.4mm 和264.8mm，東部分區(qū)即低值集中區(qū)的多年平均值分別為93.7mm、158.4mm 和224.9mm；成熟期水稻ETc的空間分布與其他3 個(gè)生長(zhǎng)階段的特征不同，呈現(xiàn)由東向西先增加后逐漸減少的特征，高值主要在中部地區(qū)，平均為84.0mm，低值區(qū)在東部地區(qū)，平均為69.5mm。整體可見，水稻需水量不同生長(zhǎng)階段區(qū)域分布有一定差異，但4 個(gè)階段之間空間分布特征差異不大。

2.2 主要糧食作物生長(zhǎng)季需水與降水的耦合分析

2.2.1 全生長(zhǎng)季需水與降水耦合度分析

從整個(gè)遼寧省范圍看，春玉米、大豆和水稻全生長(zhǎng)季需水與降水耦合度（λ）的多年平均值分別為0.821、0.814 和0.464，春玉米最高，其次為大豆，水稻的降水耦合度最低（圖6）。3 種作物λ 均呈不顯著的下降趨勢(shì)。從歷年耦合度情況看，春玉米全生長(zhǎng)季λ 有14a（占比23%）為1，λ≥0.8 的年份占比為57.4 %，大豆全生長(zhǎng)季λ 有13a（占比21.3%）為1，λ≥0.8 的年份占比達(dá)52.5%，水稻全生長(zhǎng)季λ≥0.6 的年份占比為13.1%。因此，從全生長(zhǎng)季需水與降水耦合的角度看，整個(gè)遼寧省種植春玉米的需水滿足度最高，其次為大豆，水稻最低。

圖6 1957?2017年遼寧主要糧食作物全生育期需水與降水耦合度的年際變化Fig.6 Interannual variation of coupling degree between water requirement and precipitation(λ)in the whole growth period of major grain crops in Liaoning province in 1957–2017

遼寧4 個(gè)分區(qū)3 種作物耦合度情況見表5。由表可見，春玉米、大豆和水稻全生長(zhǎng)季均為東部地區(qū)λ多年平均值最大，分別為0.974、0.966 和0.544，即東部降水對(duì)各糧食作物需水的滿足程度最高，中部、南部次之，西部耦合度值最低（0.690、0.650 和0.378）。可見，東部地區(qū)主要糧食作物充分利用當(dāng)?shù)亟邓墓?jié)水潛力很大，西部則最小。

2.2.2 全生長(zhǎng)季需水與降水耦合度不同分區(qū)概率分布

不同耦合度所對(duì)應(yīng)的保證率及其地域差異，可以說明遼寧3 種糧食作物不同水平耦合度出現(xiàn)的可靠程度。由表5 可見，春玉米和大豆全生育期λ≥0.4的保證率在不同分區(qū)間差異較小，均大于91%，即遼寧地區(qū)春玉米和大豆出現(xiàn)耦合度小于0.4 的概率較??；春玉米和大豆λ≥0.6 的保證率低值均在西部地區(qū)，分別為66.2%和57.44%，高值均在東部地區(qū)，分別為100%和99.93%；春玉米和大豆λ≥0.8 的保證率不同分區(qū)間差異較大，其中，最高值均在東部地區(qū)，分別為96%和88.23%，其他3 個(gè)分區(qū)保證率均低于55%。水稻多年平均λ 為0.464，全區(qū)域水稻λ≥0.4的保證率僅為69.10%。水稻λ≥0.4 的保證率不同分區(qū)間差異較大，范圍在36.79%～86.16%，東部地區(qū)最高，南部、中部和西部次之；水稻全生育期λ≥0.6的保證率除東部（31.28%）和南部（21.12%），其他分區(qū)均小于20%；水稻λ≥0.8 的保證率均低于10%。

表5 遼寧主要糧食作物全生長(zhǎng)季不同水平的需水與降水耦合度(λ)的保證率Table 5 Guaranteed rates under different level of coupling degrees between water requirement and precipitation(λ)in major grain crops during whole growth period in Liaoning province

綜上可知，將3 種糧食作物全生育期λ 不同水平對(duì)應(yīng)的保證率結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，同一作物相同λ值對(duì)應(yīng)的保證率，均表現(xiàn)為東部地區(qū)保證率最高，西部地區(qū)普遍偏低，表明東部分區(qū)降水滿足3 種糧食作物需水程度高的可能性很大，而西部分區(qū)降水滿足作物需水程度低的可能性大；在保證率最低的西部分區(qū)，3 種糧食作物同一水平λ 對(duì)應(yīng)的保證率表現(xiàn)為春玉米>大豆>水稻，說明遼西地區(qū)作為遼寧降水最少的區(qū)域，更適合種植的糧食作物是春玉米。

2.2.3 各生長(zhǎng)階段需水與降水耦合度分析

全省主要作物各生長(zhǎng)階段需水與降水耦合度情況見表6。由表可見，春玉米、大豆和水稻生長(zhǎng)初期多年平均λ 分別為0.471、0.470 和0.239，快速生長(zhǎng)期λ 分別為0.645、0.505 和0.499，生長(zhǎng)中期λ 分別為0.841、0.844 和0.579，成熟期λ 分別為0.604、0.598 和0.296。因此，從不同生長(zhǎng)階段的λ 值來看，遼寧省3 種糧食作物各生長(zhǎng)階段的降水均不能滿足作物生長(zhǎng)需水要求，其中，生長(zhǎng)初期降水耦合度最低，說明初期階段降水對(duì)糧食作物需水的滿足程度最小，需關(guān)注當(dāng)?shù)卮汉档陌l(fā)生，及時(shí)補(bǔ)充灌溉水。

表6 主要糧食作物生長(zhǎng)季內(nèi)需水與降水耦合度(λ)的時(shí)間序列傾向率和M?K 顯著性檢驗(yàn)Table 6 The M?K significance test and tendency rate in the time series of coupling degree between water requirement and precipitation(λ)in each growth stage of main grain crops

M?K 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示（表6），生長(zhǎng)初期的春玉米λ 和大豆λ 呈顯著上升趨勢(shì)（P<0.05），上升速率分別為0.037·10a?1和0.047·10a?1，成熟期3 種作物λ 的下降趨勢(shì)均達(dá)到P<0.05 顯著水平，傾向率分別為?0.030·10a?1、?0.048·10a?1和?0.029·10a?1，其他2個(gè)階段3 種作物λ 均無明顯變化。綜上可知，生長(zhǎng)初期3 種作物耦合度呈上升趨勢(shì)，尤其是春玉米和大豆初期λ 顯著上升，表明遼寧地區(qū)春旱的發(fā)生正逐漸減少，這有利于3 種作物在初期的生長(zhǎng)，然而，3 種作物成熟期λ 值均顯著下降，說明該時(shí)期降水對(duì)3 種作物的需水將更難以滿足，對(duì)作物的成熟非常不利，旱情程度會(huì)直接影響產(chǎn)量高低，需增加適時(shí)有效的灌溉。

2.2.4 各生長(zhǎng)階段需水與降水耦合度的空間分布特征

春玉米不同生長(zhǎng)階段需水與降水耦合度空間分布見圖7。由圖可見，春玉米各個(gè)生長(zhǎng)階段λ 的空間差異很大，4 個(gè)生長(zhǎng)階段春玉米λ 在空間上均呈現(xiàn)“由東向西逐漸遞減”的規(guī)律。生長(zhǎng)初期、快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期和成熟期春玉米λ 的高值均集中于東部地區(qū)，多年平均值分別為0.558、0.764、0.936 和0.733；生長(zhǎng)初期和快速生長(zhǎng)期低值主要分布在南部地區(qū)，分別為0.419 和0.602；生長(zhǎng)中期和成熟期的春玉米λ 低值主要分布在西部地區(qū)，分別為0.743 和0.467。整體上看，春玉米生長(zhǎng)初期的各分區(qū)耦合度均明顯低于其他3 個(gè)階段，說明春玉米在生長(zhǎng)初期不同分區(qū)的降水對(duì)作物需水的滿足程度均最低，生長(zhǎng)中期耦合度在不同分區(qū)均達(dá)到峰值，該階段各分區(qū)降水滿足春玉米需水程度最高。

圖7 遼寧春玉米各生長(zhǎng)階段作物需水與降水耦合度空間分布Fig.7 Spatial distributions of λ in each growth stage of spring maize in Liaoning province

大豆不同生長(zhǎng)階段需水與降水耦合度空間分布特征與春玉米大致相同。由圖8 可知，生長(zhǎng)初期、快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期和成熟期大豆λ 空間分布均為“由東向西逐漸遞減”的特征。4 個(gè)生長(zhǎng)階段大豆λ 的高值均集中于東部地區(qū)，多年平均值分別為0.578、0.631、0.925 和0.704；生長(zhǎng)初期、快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期和成熟期的大豆λ 低值主要分布在西部地區(qū)，分別為0.357、0.445、0.749 和0.458。整體上看，各個(gè)生長(zhǎng)階段大豆λ 分區(qū)之間具有明顯差異，空間分布特征同春玉米相似，各分區(qū)在生長(zhǎng)初期的耦合度最低，生長(zhǎng)中期耦合度值最高。

圖8 遼寧大豆各生長(zhǎng)階段作物需水與降水耦合度空間分布Fig.8 Spatial distributions of λ in each growth stage of soybean in Liaoning province

水稻不同生長(zhǎng)階段需水與降水耦合度空間分布見圖9。由圖可見，生長(zhǎng)初期耦合度的空間差異很小，該階段整個(gè)遼寧地區(qū)水稻λ 的范圍在0.167～0.407，僅在東南部極少站點(diǎn)耦合度大于0.287。快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)中期和成熟期水稻λ 的空間分布均呈現(xiàn)“由東南向西北逐漸遞減”的特征，后3 個(gè)生長(zhǎng)階段水稻λ的高值均集中于東部地區(qū)，多年平均值分別為0.572、0.703 和0.385，低值主要分布在西部地區(qū)，分別為0.443、0.449 和0.216。整體上看，不同分區(qū)均在生長(zhǎng)初期的耦合度最低，生長(zhǎng)中期最高，除生長(zhǎng)初期，各生長(zhǎng)階段水稻λ 空間差異較大。

圖9 遼寧水稻各生長(zhǎng)階段作物需水與降水耦合度空間分布Fig.9 Spatial distributions of λ in each growth stage of rice in Liaoning province

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

遼寧省主要糧食作物（春玉米、大豆和水稻）全生長(zhǎng)季需水量多年平均值分別為 511.8mm、509.4mm 和605.1mm，與目前已有結(jié)論較符合[21,28]。3 種糧食作物需水量的空間差異性較大，主要表現(xiàn)為西部和西南沿海區(qū)高，東部最低，呈現(xiàn)這一分布特征的原因可能是遼寧日照時(shí)數(shù)呈由西向東遞減的趨勢(shì)，加之西部和沿海地區(qū)風(fēng)速大[29]。隨著全球氣候變暖，遼寧地區(qū)生長(zhǎng)季氣溫多年來呈上升趨勢(shì)[30]，一般認(rèn)為作物需水量也會(huì)隨之增加，但本研究得出近60a 來遼寧春玉米、大豆和水稻全生長(zhǎng)季需水量均呈下降趨勢(shì)，這是由于影響作物需水的氣候因素復(fù)雜，一些區(qū)域氣溫對(duì)作物蒸散的影響小于相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等氣候因素的影響[31]。本文的研究結(jié)果與其他相關(guān)研究有相似之處，曹永強(qiáng)等[32]研究得出遼西北春玉米需水量整體呈下降趨勢(shì)，胡惠杰等[33]發(fā)現(xiàn)1961—2010 東北大豆生長(zhǎng)季需水量呈下降趨勢(shì)。作物需水量的下降在一定程度上緩解了農(nóng)業(yè)用水壓力，但于文博等[34]報(bào)道遼寧降水同樣呈減少趨勢(shì)，因此，有關(guān)遼寧降水對(duì)作物需水的滿足程度有必要進(jìn)一步研究。

遼寧春玉米、大豆和水稻全生長(zhǎng)季需水與降水耦合度值均在東部地區(qū)最大，即東部降水對(duì)各作物需水的滿足程度最高，中部、南部次之，西部最低。在耦合度最低的西部地區(qū)，3 種作物同一水平λ 對(duì)應(yīng)的保證率表現(xiàn)為：春玉米>大豆>水稻，說明遼西地區(qū)更適合種植的糧食作物是春玉米。目前關(guān)于遼寧糧食作物需水與降水耦合方面的研究較少，研究對(duì)象多是春玉米，且主要從作物水分盈虧角度來進(jìn)行研究，但相關(guān)結(jié)論與本研究較符合。王賀然等[35]從水分盈虧角度得出遼寧地區(qū)的降水不能滿足玉米各生長(zhǎng)階段需水要求，尤其播種期到苗期，自然降水的供應(yīng)能力最差，春季到初夏虧水最嚴(yán)重。魏新光等[36]研究表明遼寧玉米的水分盈虧量由西北至東南逐漸增加，西部地區(qū)缺水現(xiàn)象普遍存在。在目前降水條件下，遼寧省最適宜種植春玉米，尤其水資源匱乏的遼寧西部地區(qū)，根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)擴(kuò)大春玉米種植規(guī)模，大豆最適宜在遼寧東部和中部地區(qū)種植，水稻在東部和南部地區(qū)種植最為適宜。

遼寧各分區(qū)主要糧食作物在生長(zhǎng)初期的需水與降水耦合度明顯低于其他3 個(gè)階段，生長(zhǎng)初期的降水對(duì)各作物需水的滿足程度最低，該階段若水分不足，或中途落干，會(huì)很難達(dá)到苗全苗壯，應(yīng)關(guān)注土壤墑情及時(shí)補(bǔ)充灌溉水。各分區(qū)糧食作物在生長(zhǎng)中期耦合度均達(dá)到峰值，即遼寧糧食作物生長(zhǎng)中期的降水滿足作物需水程度最高。生長(zhǎng)初期3 種作物需水與降水耦合度呈上升趨勢(shì)，尤其是春玉米和大豆初期耦合度顯著上升，表明遼寧地區(qū)春旱的發(fā)生有所緩解。從全生長(zhǎng)季角度看，近年來遼寧主要糧食作物需水與降水耦合度呈下降趨勢(shì)，即自然降水對(duì)作物需水的滿足程度在逐年減小，這同王賀然等[35]報(bào)道遼寧春玉米全生長(zhǎng)季缺水情況有加重趨勢(shì)的結(jié)論較一致，特別是3 種作物成熟期耦合度均呈顯著下降趨勢(shì)，該時(shí)期降水對(duì)各糧食作物的需水將更難以滿足，這一時(shí)期若干旱缺水，百粒重下降，旱情程度會(huì)影響產(chǎn)量的高低，需適時(shí)灌水保持土壤適宜的墑度。

結(jié)合研究成果可知，遼寧糧食作物需依靠適時(shí)灌溉來保障糧食穩(wěn)產(chǎn)，而農(nóng)業(yè)用水形勢(shì)也更加嚴(yán)峻，主要糧食作物需注意春旱和秋旱的發(fā)生，及時(shí)補(bǔ)充灌溉。遼寧中部和東部分區(qū)降水滿足當(dāng)?shù)丶Z食作物需水的程度較高，尤其中部平原地區(qū)作為本省重要的商品糧基地，應(yīng)充分利用其適宜氣候條件和平坦的土地優(yōu)勢(shì)，發(fā)展糧食生產(chǎn)，發(fā)揮其作為保障遼寧糧食生產(chǎn)安全的主力軍作用。本研究在計(jì)算水稻需水與降水耦合度時(shí)考慮了滲漏量，但目前各地稻田滲漏資料不太全面細(xì)致，覆蓋不了所有研究站點(diǎn)和年份，在之后研究中應(yīng)充分調(diào)研當(dāng)?shù)貪B漏情況，使理論更貼近實(shí)際。后續(xù)研究可充分考慮作物產(chǎn)量、價(jià)格以及土地適宜性等多種條件，為遼寧糧食作物種植比例調(diào)整和種植模式的優(yōu)化提出更全面、科學(xué)的對(duì)策。

3.2 結(jié)論

（1）遼寧主要糧食作物（春玉米、大豆和水稻）全生長(zhǎng)季需水量（ETc）多年平均值分別為511.8mm、509.4mm 和605.1mm。3 種作物全生長(zhǎng)季ETc空間上表現(xiàn)為西部地區(qū)和南部沿海地區(qū)需水量較高，東部最低。3 種作物各生長(zhǎng)階段需水量，在生長(zhǎng)中期最大，快速生長(zhǎng)期次之，春玉米成熟期ETc與生長(zhǎng)初期基本接近，大豆成熟期ETc大于生長(zhǎng)初期，水稻反之。生長(zhǎng)初期，春玉米和大豆 ETc均呈顯著下降趨勢(shì)（P<0.05）。

（2）遼寧春玉米、大豆和水稻全生長(zhǎng)季需水與降水耦合度（λ）多年平均值分別為0.821、0.814 和0.464。3 種作物全生長(zhǎng)季λ 的高值區(qū)是東部地區(qū)，中部、南部和西部次之，春玉米和大豆λ 在東部地區(qū)高達(dá)0.974 和0.966，自然降水基本滿足需水要求。春玉米和大豆在西部分區(qū)耦合度為0.690 和0.650，該分區(qū)耦合度大于0.8的保證率僅為28.2%和21.1%。水稻全區(qū)域λ≥0.4 的保證率僅為69.1%，西部地區(qū)保證率低至36.8%，即西部地區(qū)基本所有年份都需補(bǔ)充灌溉水來保障糧食作物的穩(wěn)產(chǎn)。

（3）春玉米、大豆和水稻在各生長(zhǎng)階段的降水均不能完全滿足作物生長(zhǎng)需水要求，其中，生長(zhǎng)初期3 種作物λ 均最低（分別為0.471、0.470 和0.239）。生長(zhǎng)初期，春玉米和大豆λ 均呈顯著上升趨勢(shì)，上升速率分別為0.037·10a?1和0.047·10a?1，遼寧地區(qū)春旱的發(fā)生正逐漸減少。春玉米、大豆和水稻λ 在成熟期均呈顯著下降趨勢(shì)，傾向率分別為?0.030·10a?1、?0.048·10a?1和?0.029·10a?1。