近50年甘肅省玉米需水量、缺水量及水分盈虧指數(shù)時空特征分析

蘇軍德，李國霞，趙曉冏

(1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100；2.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院，蘭州 730000；3.中國科學(xué)院北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000)

【研究意義】農(nóng)業(yè)作為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎(chǔ)，直接影響著糧食生產(chǎn)和國家安全[1]，但近年來，由全球氣候變暖而引起的水資源短缺已嚴重影響了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展[2]。甘肅省地處黃河上游，在季風(fēng)的影響下大部分地區(qū)氣候干燥[3]，干旱、半干旱區(qū)占區(qū)域總面積的75%，由于干旱少雨而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)的情況時有發(fā)生，玉米作為區(qū)域內(nèi)主要的糧食作物，占全省農(nóng)作物播種面積的27.85%[4]。尤其是近幾十年，由于氣候變暖而引起的西北地區(qū)降水量下降致使區(qū)域內(nèi)玉米干旱越發(fā)嚴重，因此精確量化玉米需水量、缺水量以及水分盈虧指數(shù)，對保證區(qū)域內(nèi)水資源的合理利用和灌溉制度的制定都具有十分重要的意義，同時也能夠為農(nóng)業(yè)灌溉工程設(shè)計提供有利的科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】近年來，我國學(xué)者已在不同區(qū)域?qū)r(nóng)作物需水量、缺水量以及水分盈虧指數(shù)進行了不同程度的研究，王磊等[5]通過調(diào)查分析，深入研究了我國衢江地區(qū)農(nóng)田灌溉用水的變化趨勢，認為在農(nóng)業(yè)用水量下降趨勢下，農(nóng)田灌溉水量仍然占有較高的比重；祁嘉郁等[6]運用56 a的氣象數(shù)據(jù)，分析了北疆小麥不同生育階段需水量的時空變化，結(jié)果顯示降水量對小麥不同生長階段需水量有較大影響；黃紹琳等[7]對張家口市2005—2015年主要農(nóng)作物需水量的空間格局及其變化特征進行了分析研究；陳偉等[8]就黃土高原東部玉米需水量空間變化趨勢進行了分析；王鶴齡等[9]針對河西走廊玉米需水量未來變化趨勢進行了預(yù)測；魏堃等[10]對甘肅省河?xùn)|地區(qū)春雨米需水量演變特征進行了分析。【本研究切入點】基于ArcGIS并選取甘肅省34個氣象站點數(shù)據(jù)，在更大區(qū)域、更長時間尺度上對甘肅省內(nèi)玉米需水量、缺水量以及水分盈虧指數(shù)進行時空特征分析，定量化估算區(qū)域內(nèi)玉米的干旱程度?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為區(qū)域內(nèi)水資源的合理分配、農(nóng)業(yè)制度的制定以及農(nóng)業(yè)工程灌溉設(shè)計提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省位于青藏高原、黃土高原和內(nèi)蒙古高原的交會帶[11]，介于32°11′～42°57′N，92°13′～106°46′E，總面積為4.54×105km2，常年受季風(fēng)的影響，區(qū)域內(nèi)75%的干旱、半干旱地區(qū)，省內(nèi)各地年均氣溫為0～15 ℃，年降水量為36.53～785.48 mm，主要集中在6—8月，從東南到西北逐漸減少，屬溫帶大陸性氣候。據(jù)不完全統(tǒng)計，2017年甘肅省玉米種植面積約1.05×104km2，占全省農(nóng)作物種植面積的27.85%。區(qū)域內(nèi)植被類型豐富，從東南到西北依次為森林、草原和荒漠，且具有明顯的垂直梯帶性，土壤以黃綿土為主。

1.2 研究方法及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 玉米需水量 玉米需水量按照ETC=KC×ET0[12]進行計算，其中，ETC為玉米需水量(mm/d)，KC為作物系數(shù)，ET0為作物某階段參考蒸騰量(mm)，計算公式如下：

式中，es、ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)；μ2為風(fēng)速(m/s)；△為飽和水汽壓斜率；G和Rn分別為土壤熱通量和凈輻射[MJ/(m2·d)]；γ為濕度計常數(shù)(kPa/℃)，玉米不同時期作物系數(shù)按照聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦分段單值平均法[13]進行計算，結(jié)果如表1所示。

1.2.2 玉米缺水量 玉米缺水量(W)=ETC-Pe，有效降雨量(Pe)[14]按以下公式計算：

式中，P為實際降水量(mm)。

1.2.3 玉米水分盈虧指數(shù) 水分盈虧指數(shù)(α)=(Pe-ETc)/ETc[15]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 所得數(shù)據(jù)采用Origin Lab 2018和MatLab 2015進行線性回歸分析和Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗分析，空間數(shù)據(jù)運用ArcGIS 10.6中反距離權(quán)重插值法(Inverse Distance Weighted,IDW)獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米需水量與缺水量時間變化

2.1.1 玉米全生育期需水量與缺水量年際變化 近50 a甘肅省玉米全生育期需水量和缺水量均呈波動增長趨勢(圖1)，1974—2002年玉米需水量和1972—1990年玉米缺水量增長顯著，超過了顯著性水平0.05的臨界線，1999—2008年玉米缺水量呈下降趨勢，但下降趨勢不明顯?？傮w來看，在近50年(1976—2017年)需水量和缺水量都未通過0.05水平的顯著性檢驗，屬于正常波動。玉米需水量維持在497.24～590.00 mm，分別于1974和1993年達到最大值和最小值，平均值為545.51 mm；玉米缺水量維持在358.12～476.00 mm，分別于1997和1979年達到最大值和最小值，平均值為423.51 mm。

表1 甘肅省玉米不同時期作物系數(shù)

甘肅省玉米需水量和缺水量的Mann-Kendall 突變檢驗結(jié)果(圖1)顯示，需水量Mann-Kendall 突變檢驗正序曲線(UB)和逆序曲線(UF)曲線分別于1968、1971、2013、2015和2017年在置信區(qū)間內(nèi)相交(圖1-a)，缺水量Mann-Kendall 突變檢驗正序曲線(UB)和逆序曲線(UF)曲線分別于1969、2002和2013年在置信區(qū)間內(nèi)相交(圖1-b)，再通過滑動t檢驗，確定1971年為玉米需水量上升到下降的突變點，玉米缺水量在研究時段內(nèi)不存在突變點。

2.1.2 不同生長階段玉米需水量和缺水量年際變化 近50 a甘肅省玉米不同生長階段需水量和缺水量均存在明顯的差異(P<0.001)，生長發(fā)育期玉米需水量和缺水量都較高，為223.07和179.74 mm，分別占整個生育期玉米需水量和缺水量的40.99%和41.65%；生長初期和生長末期需水量和缺水量基本一致，約為89.30和61.57 mm，分別占整個生育期玉米需水量和缺水量的16.41%和14.26%。

圖1 甘肅省玉米全生育期需水量、缺水量年際變化及其Mann-Kendall 突變檢驗Fig.1 Interannual variation of water requirement and water deficiency during the whole growth period of maize in Gansu province and its Mann-Kendall test

近50 a甘肅省玉米生長初期需水量和缺水量都呈緩慢增長趨勢，均未通過顯著性檢驗(圖2-a)，屬于正常波動，回歸方程分別為：y=0.0869x-83.22(R=0.239，P<0.01)，y=0.0169x-311.01(R=0.247，P<0.01)。需水量分別于2013和1967年達到最大值和最小值，分別為80.56和100.38 mm，平均需水量為89.90 mm；缺水量分別于2008和1967年達到最大值和最小值，為31.07和81.18 mm，平均缺水量為61.28 mm。

近50 a甘肅省玉米生長發(fā)育期需水量和缺水量都呈波動增長趨勢，均未通過顯著性檢驗(圖2-b)，增長不明顯，回歸方程分別為：y=0.1198x-11.65(相關(guān)系數(shù)R=0.140，P<0.01)，y=0.3670x-551.25(R=0.272，P<0.01)。需水量基本維持在195.93～250.40 mm，最大值和最小值分別出現(xiàn)在2017和1993年，平均需水量為223.07 mm；缺水量分別于2017和1979年達到最大值和最小值，為126.23和215.37 mm，平均缺水量為179.74 mm。

近50 a甘肅省玉米生長中期需水量呈緩慢下降趨勢，缺水量呈波動增長趨勢，但均未通過顯著性檢驗(圖2-c)，回歸方程分別為y=-0.1229x-386.84(R=-0.176，P<0.01)和y=0.0002x+127.47(R=0.002，P<0.01)。需水量于1975和2009年達到最大值和最小值，為124.83和167.65 mm，平均需水量為141.96 mm；缺水量分別于1972和1995年達到最大值和最小值，為96.71和146.44 mm，平均缺水量為121.92 mm。

近50 a甘肅省玉米生長末期需水量呈波動增長趨勢，缺水量呈緩慢下降趨勢，但都未通過顯著性檢驗(圖2-d)，變化不明顯，回歸方程分別為y=0.0370x+15.67(R=0.084，P<0.01)和y=0.0415x-151.33(R=-0.060，P<0.01)。需水量分別于1997和2007年達到最大值和最小值，為74.28和104.57 mm，平均需水量為89.29 mm；缺水量分別于1997和1982年達到最大值和最小值，為42.68和90.65 mm，平均缺水量為68.58 mm。

2.1.3 不同區(qū)域玉米需水量和缺水量年際變化 近50 a玉米平均需水量和缺水量Mann-Kendall 趨勢檢驗結(jié)果(表2)表明，甘肅省34個站點玉米需水量回歸系數(shù)在-2.3012～2.1253，其中定西、古浪、會寧、臨洮、岷縣、通渭、高臺、張掖、民勤、永昌、威武、甘南、宕昌13個站點玉米需水量呈顯著上升趨勢，占站點總數(shù)的38.24%，安西、白銀、靖遠、蘭州、榆中、玉門鎮(zhèn)6個站點玉米需水量呈下降趨勢，占站點總數(shù)的17.65%，其余站點需水量變化均不明顯。34個站點缺水量回歸系數(shù)在-2.1108～2.4052，其中定西、古浪、會寧、臨洮、岷縣、通渭、馬鬃山、高臺、張掖、民勤、武威、宕昌12個站點玉米缺水量呈顯著上升趨勢，占站點總數(shù)的35.29%，安西、白銀、靖遠、玉門鎮(zhèn)4個站點玉米缺水量呈顯著下降趨勢，占站點總數(shù)的11.76%，其余站點玉米缺水量變化均不明顯。

圖2 不同生長階段玉米需水量和缺水量年際變化Fig.2 Interannual variations of water requirement and water deficiency in different growth stages of maize

2.2 玉米需水量與缺水量空間變化

2.2.1 玉米全生育期需水量與缺水量空間變化 甘肅省玉米全育期需水量和缺水量存在明顯的空間異質(zhì)性(P<0.001)，兩者基本呈現(xiàn)出從東南到西北增加的趨勢，尤其是甘肅省西北部缺水嚴重(圖3)。34個站點中，需水量基本在365.13～842.21 mm，需水量最高的區(qū)域為馬鬃山，最低的區(qū)域為甘南，各站點平均需水量為544.05 mm；缺水量基本在64.08～819.03 mm，缺水量最大的區(qū)域為馬鬃山，最小的區(qū)域為烏鞘嶺，各站點平均缺水量為359.67 mm。

表2 不同區(qū)域玉米需水量和缺水量Mann-Kendall 檢驗

2.2.2 不同生長階段玉米需水量和缺水量空間變化 不同生長階段34個站點玉米需水量和缺水量具有明顯的空間差異性。生長初期玉米需水量和缺水量基本一致，呈現(xiàn)出從東南到西北遞增的趨勢，除岷縣、甘南降雨量能夠滿足玉米需水量的要求外(圖4-d)，其余地區(qū)都要進行不同程度的人工灌溉。生長初期34個站點玉米需水量基本維持在57.12～129.99 mm，需水量最大區(qū)域為鼎興，最小區(qū)域為岷縣，平均需水量為83.73 mm(圖4-a)；缺水量基本維持在-11.22～124.99 mm，缺水量最大區(qū)域為馬鬃山，最小區(qū)域為甘南，平均缺水量為60.23 mm(圖4-b)。生長發(fā)育期34個站點玉米需水量和缺水量空間變化趨勢基本一致(圖4-c，4-d)，呈現(xiàn)出從東南到西北增加的趨勢，區(qū)域內(nèi)降水均不能滿足玉米需水量的要求(圖4-c)，需水量基本維持在137.10～344.59 mm，平均需水量為211.09 mm，缺水量基本維持在61.69～323.27 mm，平均缺水量為157.61 mm，最大值和最小值分別為馬鬃山和甘南。生長中期和生長末期34個站點玉米需水量和缺水量在空間變化上并無明顯的差異，均呈現(xiàn)出從東南到西北增加的趨勢，但兩個時期內(nèi)所有區(qū)域降雨量均不能滿足生長需水量的需求，不同地區(qū)玉米生長均需不同程度的灌溉。生長中期和生長末期需水量分別維持在86.40～113.61和59.97～149.94 mm(圖4-e，圖4-g)，平均需水量分別為130.91和88.03 mm，需水量最大的區(qū)域均為馬鬃山，最小的區(qū)均為甘南；生長中期和生長末期缺水量分別維持在60.30～215.15和19.71～146.09 mm，平均缺水量分別為110.92和62.50 mm，缺水量最大區(qū)域均為馬鬃山，最小區(qū)域均為甘南。

2.3 玉米水分盈虧指數(shù)變化

近50 a甘肅省全育期玉米有效平均降雨量和需水量分別呈下降和上升趨勢(圖5)，但有效降雨量下降更為顯著，線性回歸方程為y=0.4119x+934.23(R=0.3643，P<0.05)，最大值和最小值分別出現(xiàn)在1967和2009年，值分別為145.29和79.34 mm。玉米水分盈虧指數(shù)隨著有效降雨量的下降呈波動下降趨勢(圖5)，通過了0.05的顯著性檢驗，變化趨勢明顯，線性回歸方程為：y=0.0008x+0.8421(R=0.3223，P<0.05)，在-0.7164～-0.8532變化，分別于1967和2009年達到最大值和最小值，平均盈虧指數(shù)為-0.7905。

3 討 論

全球氣候變暖已成為不爭的事實[16]，甘肅省作為西北地區(qū)氣候變暖最敏感的地區(qū)之一，過去50年，平均氣溫上升了約0.5 ℃[17]。本文研究發(fā)現(xiàn)過去50 a玉米需水量和缺水量都呈波動增長趨勢，但未通過Mann-Kendall 0.05水平的顯著性檢驗，屬于正常波動，這說明研究區(qū)內(nèi)玉米需水量和缺水量是降雨量、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)等氣象因子共同作用的結(jié)果[18]。近50 a甘肅省隴南、甘南、隴東、隴中、河西地區(qū)的日平均風(fēng)速分別為1.65、1.47、2.18、1.92、2.79 m/s，日平均日照時長分別為6.9、6.5、6.9、7.1、9.6 h，日相對濕度分別為65%、70%、60%、59%、42%，日平均氣溫分別為19.08、12.10、17.19、14.97、17.38 ℃，這種氣象因子在空間的共同作用形成了甘肅省玉米需水量和缺水量從東南到西北遞增的分布格局。尹海霞等[19]在對黑河流域近43 a主要農(nóng)作物需水量研究中表明，作物需水量與氣溫、日照時數(shù)呈正相關(guān)，與降雨量、相對濕度呈負相關(guān)；王鶴齡等[9]對河西走廊綠洲灌溉渠主要農(nóng)作物需水量研究發(fā)現(xiàn)，由氣溫升高而引起的區(qū)域內(nèi)降水量的減少將嚴重影響農(nóng)作物需水量和缺水量的變化，本文的研究同樣表明，近50 a研究區(qū)內(nèi)有效降雨量的減少引起玉米水分盈虧指數(shù)的顯著下降，是引起玉米缺水量增長的主要因素[20]。

圖3 近50 a來甘肅省玉米全育期玉米需水量與缺水量空間變化Fig.3 Spatial variation of maize water requirement and water deficit during maize growing period in Gansu Province in recent 50 years

圖4 不同生長階段玉米需水量和缺水量空間變化Fig.4 Spatial variation of water requirement and water deficit of maize at different growth stages

不同生長時期作物對水分的需求也有所差異，張華等[21]研究表明，甘肅省小麥生長發(fā)育期需水量顯著高于生長初期和生長末期；曹永強等[22]對保定市玉米需水量研究表明，玉米快速發(fā)育期需水量高于發(fā)育中期和成熟期；魏堃等[10]對甘肅省河?xùn)|地區(qū)春玉米干旱演變特征分析同樣表明，6—9月玉米需水量顯著高于玉米全育期其他月份。本文研究也發(fā)現(xiàn)，近50 a來甘肅省玉米平均需水量和缺水量遠大于有效降水量，不同生長階段需水量和缺水量表現(xiàn)出生長發(fā)育期>生長中期>生長初期>生長末期的變化趨勢。由此可見，在甘肅省這樣旱情較為嚴重的區(qū)域[23]，尤其是在水資源不斷減少的情況下，合理調(diào)整灌溉時間，在不同時間內(nèi)合理控制土壤水分含量，不僅能夠提高農(nóng)作物光合作用效率，也能有效減少植物的奢侈蒸騰[24]，從而提高農(nóng)作物水分利用效率[25]。值得一提的是，近50 a，甘南、岷縣、烏鞘嶺等部分區(qū)域降雨量相對豐沛，基本屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[26]，但區(qū)域內(nèi)降水分布極不均勻，主要集中在夏季和秋季，容易造成水土流失，直接威脅農(nóng)作物的生長，因此，水利灌溉仍然是區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要措施。

圖5 近50 a甘肅省玉米水分盈虧指數(shù)變化Fig.5 Changes of water profit and deficit index of maize in Gansu province in recent 50 years

近年來，不少學(xué)者對不同地區(qū)不同農(nóng)作物需水量進行了大量研究，但關(guān)于缺水量和水分盈虧指數(shù)的研究卻不多見，尤其是甘肅省農(nóng)作物缺水量和水分盈虧指數(shù)的研究，目前還未見報道。缺水量能很好地反映某區(qū)域農(nóng)作物的灌溉用水量[27]，水分盈虧指數(shù)是區(qū)域內(nèi)作物干旱情況的重要指標[28]，本文利用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法，分析了甘肅玉米缺水量和水分盈虧指數(shù)的時空變化，說明未來一段時間甘肅省玉米需水量和缺水量有輕微的增長趨勢，水分盈虧指數(shù)有顯著的下降趨勢，但在實際生產(chǎn)中，降水時間和作物需水時間并非保持一致，因此這并不意味著區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水趨近于短缺狀態(tài)，只要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，合理利用有效水，保證水分利用的時效性，提高水分利用效率，仍可緩解農(nóng)業(yè)需水量的要求?？傮w來看，與以往研究相比，本文選取的研究區(qū)域更廣、時間尺度更大、分析指標更多、涉及站點更密集，更能真實反映甘肅省玉米用水的情況，能夠為區(qū)域內(nèi)作物精細化灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)近50年甘肅省玉米需水量和缺水量都呈波動增長趨勢，但均未通過Mann-Kendall 0.05水平的顯著性檢驗，屬于正常波動。1971年為玉米需水量上升到下降的突變點，玉米缺水量在研究時段內(nèi)不存在突變點。

(2)不同生長階段玉米需水量和缺水量存在明顯的差異，生長發(fā)育期需水量和缺水量顯著高于其它時期，分別占整個生育期需水量和缺水量的40.99%和41.65%。

(3)甘肅省玉米需水量和缺水量在空間上表現(xiàn)出從東南到西北遞增的趨勢，其中河西地區(qū)需水量和缺水量顯著高于其他地區(qū)，隴南、隴中、隴中區(qū)域蓄水了和缺水量基本相等，甘南等部分區(qū)域需水量和缺水量相對較小。

(4)近50年甘肅省有效降雨量和玉米水分盈虧指數(shù)呈顯著下降趨勢，且二者之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。