黑龍港流域夏玉米生育期需水量變化特征及影響因素

賈英全， 杜娜欽， 李積銘

(1.桃城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 衡水 053000； 2.安平縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 衡水 053600；3.河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所 河北省農(nóng)作物抗旱研究實(shí)驗(yàn)室，河北 衡水 053000)

黑龍港流域地處河北省東南部，在全國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的戰(zhàn)略地位，該地區(qū)玉米產(chǎn)量對(duì)于確保全國(guó)的糧食安全具有重要意義[1]。黑龍港流域是華北地區(qū)最大地下水漏斗區(qū)，水資源短缺已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[2]。因此，分析當(dāng)?shù)赜衩咨L(zhǎng)季需水變化特征對(duì)于減少地下水用水量、提高降水利用效率以及修復(fù)地下水環(huán)境具有重要意義。前人對(duì)河北省夏玉米生育期內(nèi)需水特征、降水特征等做了相關(guān)研究[3-4]。孫宏勇等[5]梳理了三河市40 a來(lái)氣溫和降水的變化，分析了氣候變化對(duì)三河市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。曹永強(qiáng)等[6]通過(guò)對(duì)河北省夏玉米主產(chǎn)區(qū)8個(gè)氣象站點(diǎn)近50 a氣象資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)河北省夏玉米需水量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。代立芹等[7]以有效降水量代替實(shí)際降水量計(jì)算水分虧缺指數(shù)，對(duì)河北省玉米生長(zhǎng)季干旱分布特征、變化趨勢(shì)和變化成因進(jìn)行了分析。魏鐘博等[8]分析了黑龍港流域夏玉米生育期降水、需水和干旱時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)需水量的變化與平均日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速呈高度正相關(guān)。

近年來(lái)，關(guān)于河北省夏玉米需水變化特征的研究雖然多有報(bào)道，但河北省不同地點(diǎn)氣候略有差異，目前針對(duì)黑龍港流域夏玉米生育期需水規(guī)律的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。因此，為了更好地了解黑龍港流域夏玉米需水變化特征及氣候影響因素，提高降水利用率，減少灌溉用水，本文利用黑龍港流域氣象資料，通過(guò)分析當(dāng)?shù)?960—2010年夏玉米生育期需水特征、降水特征、氣象因子的變化，為黑龍港流域夏玉米的科學(xué)用水及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用氣象資料來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，選取饒陽(yáng)氣象站自1960—2010年逐日氣象資料，包括日最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度等指標(biāo)。

1.2 研究方法

1.2.1 夏玉米需水量計(jì)算

利用FAO推薦的Penman-Monteith公式[9]計(jì)算ET0如下所示：

(1)

式中，Rn為冠層表面凈輻射；G為土壤熱通量；T為平均溫度；es為飽和水汽壓；ea為實(shí)際水汽壓；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在T處的切線斜率；r為濕度計(jì)常數(shù)；U2為2 m高處的風(fēng)速。

采用FAO推薦的分段單值平均作物系數(shù)法[10]計(jì)算玉米逐日需水量。玉米各生育期內(nèi)需水量及總需水量由生育期內(nèi)逐日需水量累加得出。根據(jù)玉米不同生長(zhǎng)階段的作物系數(shù)可以計(jì)算得到玉米需水量，如下所示：

ETc=Kc·ET0。

(2)

式中：ETc為玉米逐日需水量；Kc為作物系數(shù)；ET0為逐日參考玉米蒸散量。黑龍港流域夏玉米生育期劃分：初始生長(zhǎng)期為6月19日—7月6日，快速發(fā)育期為7月7日—8月4日，生育中期為8月5日—9月4日，成熟期為9月5日—9月28日，初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期平均作物系數(shù)分別確定為0.49、1.15、1.24、0.56[6,8]。

1.2.2 有效降水量

有效降水量指總降水量中能夠滲入土壤并儲(chǔ)存在作物根系吸水層中的降雨量，采用下式計(jì)算[11]：

Pe=σ·P。

(3)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是該次降水總量；σ是降雨的有效利用系數(shù)。當(dāng)P≤5 mm時(shí)，σ=0；當(dāng)550 mm時(shí)，σ=0.74。

1.2.3 氣候傾向率

將某一要素年際間變化趨勢(shì)采用線性回歸方程分析[12]，得到如下公式：

y=a0+a1t。

(4)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0為常數(shù)；a1為回歸系數(shù)，10a1表示要素每10 a的變化率，即氣候傾向率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行整理和圖表繪制，Eviews 8.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析、回歸分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米生育期需水量及有效降雨量的變化

黑龍港流域夏玉米整個(gè)生育期多年平均需水量為417.42 mm，最大需水量為496.74 mm(1965年)，最小需水量為368.47 mm(1995年)。多年平均有效降水量為295.40 mm，最大有效降水量為592.20 mm(1985年)，最小有效降水量為84.6 mm(1997年)。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-5.92 mm·(10 a)-1和-20.16 mm·(10 a)-1，兩者都達(dá)到顯著水平(圖1、表1)。

表1 黑龍港流域夏玉米不同生育時(shí)期水分特征變化

圖1 黑龍港流域夏玉米需水量、有效降水量以及水分虧缺年代變化特征

初始生長(zhǎng)期多年平均需水量為95.53 mm，最大需水量為120.28 mm(2009年)，最小需水量為51.54 mm(2002年)。多年平均有效降水量為48.12 mm，最大有效降水量為145.54 mm(1981年)，最小有效降水量為0 mm。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-2.16和-0.44 mm·(10 a)-1，但變化趨勢(shì)不顯著。

快速發(fā)育期多年平均需水量為129.16 mm，最大需水量為159.72 mm(1968年)，最小需水量為97.37 mm(1996年)。多年平均有效降水量為123.96 mm，最大有效降水量為378.03 mm(1994年)，最小有效降水量為4.95 mm(1998年)。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-1.78和-10.79 mm·(10 a)-1，變化趨勢(shì)不顯著。

生長(zhǎng)中期多年平均需水量為118.06 mm，最大需水量為140.13 mm(1997年)，最小需水量為91.84 mm(1995年)。多年平均有效降水量為97.21 mm，最大有效降水量為277.50 mm(1985年)，最小有效降水量為5.94 mm(1965年)。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-1.75和-7.87 mm·(10 a)-1，變化趨勢(shì)不顯著。

成熟期多年平均需水量為74.67 mm，最大需水量為93.06 mm(1994年)，最小需水量為51.54 mm(1985年)。多年平均有效降水量為26.11 mm，最大有效降水量為101.58 mm(1964年)，最小有效降水量為0 mm。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-0.23和-10.6 mm·(10 a)-1，變化趨勢(shì)不顯著。

2.2 夏玉米生育期缺水量及水分虧缺指數(shù)的變化

1960—2010年，全生育期內(nèi)的缺水量在-197.66～345.17 mm，多年平均缺水量為122.02 mm，隨時(shí)間推移整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，氣候傾向率為14.24 mm·(10 a)-1。初始生長(zhǎng)期缺水量在-48.56～116.48 mm，平均缺水量為47.41 mm，隨時(shí)間推移整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-1.71 mm·(10 a)-1。生長(zhǎng)發(fā)育期缺水量在-239.52～138.98 mm，平均缺水量為5.20 mm，隨時(shí)間推移整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，氣候傾向率為9.01 mm·(10 a)-1。生長(zhǎng)中期缺水量在-165.76～134.01 mm，平均缺水量為20.85 mm，隨時(shí)間推移整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，氣候傾向率為6.11 mm·(10 a)-1。生長(zhǎng)末期缺水量在-43.27～85.73 mm，平均缺水量為48.56 mm，隨時(shí)間推移整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.83 mm·(10 a)-1。各個(gè)生育時(shí)期缺水量均不顯著，屬于正常波動(dòng)。

2.3 氣象因子變化特征

圖2顯示，整個(gè)生育期多年平均氣溫為24.40 ℃，氣溫隨年份變化均呈升高趨勢(shì)，氣候傾向率為0.07 ℃·(10 a)-1，未達(dá)顯著水平。生育期內(nèi)總?cè)照諘r(shí)數(shù)為763.74 h，隨年份變化均呈下降趨勢(shì)，未達(dá)顯著水平。整個(gè)生育期多年平均相對(duì)濕度為74.66%，隨年份變化均呈下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.47%·(10 a)-1；平均風(fēng)速為1.95 m·s-1，隨年份變化均呈升高趨勢(shì)，氣候傾向率為0.01 m·s-1·(10 a)-1，兩者均未達(dá)顯著水平。

圖2 黑龍港流域夏玉米全生育期氣象因子變化特征

由表1、2可知，4個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期中，平均氣溫隨年份變化呈逐漸升高趨勢(shì)，但未達(dá)顯著水平，日照時(shí)數(shù)隨年份變化呈減少趨勢(shì)，且在初始生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)發(fā)育期和生長(zhǎng)中期均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。相對(duì)濕度隨年份變化也呈減少趨勢(shì)，但僅在生長(zhǎng)發(fā)育期通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。平均風(fēng)速在初始生長(zhǎng)期隨年份變化呈減少趨勢(shì)，在生長(zhǎng)發(fā)育期、生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)末期均呈升高趨勢(shì)，但均未達(dá)顯著水平。

2.4 夏玉米需水量與氣象因子的相關(guān)性分析及回歸方程

夏玉米各生育時(shí)期需水量受多個(gè)氣象因子的影響，但不同氣象因子對(duì)需水量的影響程度不同。日最高氣溫、日照時(shí)數(shù)和平均相對(duì)濕度在4個(gè)生育時(shí)期均與夏玉米需水量呈顯著相關(guān)，日最高氣溫、日照時(shí)數(shù)與需水量呈顯著正相關(guān)，平均相對(duì)濕度與需水量呈顯著負(fù)相關(guān)。平均氣溫在夏玉米初始生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)發(fā)育期與需水量均呈顯著正相關(guān)，降雨量在夏玉米初始生長(zhǎng)期與需水量呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)。

表2 黑龍港流域夏玉米各生育時(shí)期氣象因子隨年代變化特征

表3 夏玉米生育期需水量與氣象因子的相關(guān)性分析

通過(guò)多元回歸分析，將影響夏玉米各生育階段需水量的重要?dú)庀笠蜃咏⒒貧w方程(表4)。

表4 黑龍港流域夏玉米不同生育時(shí)期需水量與重要?dú)庀笠蜃拥幕貧w方程

3 小結(jié)與討論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境也逐漸發(fā)生了改變，一些學(xué)者為了應(yīng)對(duì)氣候環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，對(duì)河北省農(nóng)作物需水量、缺水量等進(jìn)行了一系列的研究。李春強(qiáng)等[13]研究結(jié)果表明，河北省夏玉米需水量在近35 a來(lái)呈減少趨勢(shì)，每10 a全省平均下降9.7 mm。劉曉英等[14]研究了華北地區(qū)夏玉米需水量的變化，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)夏玉米生育期需水量同樣呈下降趨勢(shì)，每10 a下降8.3～24.3 mm。本研究結(jié)果表明，1960—2010年黑龍港流域夏玉米各生育時(shí)期需水量均呈減少趨勢(shì)，生長(zhǎng)發(fā)育期是其需水高峰期，整個(gè)生育期多年平均需水量為417.42 mm，氣候傾向率為-5.92 mm·(10 a)-1，達(dá)顯著水平，這與王宏等[15]研究結(jié)果一致。有效降水量在4個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期均呈減少趨勢(shì)，多年平均有效降水量為295.40 mm，氣候傾向率為-20.16 mm·(10 a)-1，初始生長(zhǎng)期有效降水量減少幅度最小，生長(zhǎng)發(fā)育期減少幅度最大。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，黑龍港流域夏玉米缺水量在初始生長(zhǎng)期呈減少趨勢(shì)，其他3個(gè)時(shí)期缺水量均呈增加趨勢(shì)，說(shuō)明黑龍港流域夏玉米缺水量受有效降水量的變化。黑龍港流域夏玉米生育期缺水量呈增加趨勢(shì)，因此，未來(lái)干旱風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)增加，應(yīng)該通過(guò)培育抗旱玉米品種及節(jié)水栽培措施來(lái)規(guī)避干旱風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，河北省大部分地區(qū)氣溫、日照時(shí)數(shù)、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等發(fā)生了明顯的變化[16-17]，多氣象要素的變化對(duì)夏玉米需水量等的影響至關(guān)重要，分析黑龍港流域夏玉米生長(zhǎng)期內(nèi)氣象因子的變化趨勢(shì)，對(duì)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源利用等有重要意義及指導(dǎo)作用。本研究結(jié)果顯示，黑龍港流域夏玉米生育期平均氣溫、平均風(fēng)速隨年度變化均呈升高趨勢(shì)，平均風(fēng)速在初始生長(zhǎng)期呈降低趨勢(shì)，在其他3個(gè)時(shí)期呈升高趨勢(shì)；日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度均呈降低趨勢(shì)。日照時(shí)數(shù)的變化在初始生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)發(fā)育期和生長(zhǎng)中期達(dá)顯著水平，相對(duì)濕度和平均風(fēng)速變化分別在生長(zhǎng)發(fā)育期和生長(zhǎng)中期達(dá)顯著水平。黑龍港流域夏玉米生育期需水量整體呈減少趨勢(shì)，需水量變化趨勢(shì)與日照下降趨勢(shì)相一致，由于日照減少造成到達(dá)地面的能量減少，故1960—2010年來(lái)黑龍港流域日照的減小是作物需水量下降的主要原因。

黑龍港流域夏玉米需水量和氣象因子關(guān)系密切，但不同生育時(shí)期各有差異，在初始生長(zhǎng)期，夏玉米需水量與平均氣溫、日最高氣溫、日照時(shí)數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與降雨量及平均濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，建立的回歸方程為ETc=17.51+2.89X1+0.210X5-0.44X6+6.89X7；在快速發(fā)育期，夏玉米需水量與平均氣溫、日最高氣溫、日照時(shí)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)，回歸方程為ETc=18.86+3.45X2+0.23X5-0.63X6+5.38X7；在生長(zhǎng)中期，夏玉米需水量與日最高氣溫、日照時(shí)數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，回歸方程為ETc=34.16+2.91X1+0.19X5-0.66X6+3.73X7；在成熟期，夏玉米需水量與日照時(shí)數(shù)、日最高氣溫呈極顯著和顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，回歸方程為ETc=36.97+3.89X1+0.14X5-0.58X6+4.91X7。本研究結(jié)果反映了黑龍港流域玉米不同生長(zhǎng)時(shí)期的需水特征與各氣象因子的關(guān)系，能夠?yàn)楹邶埜哿饔虻南挠衩坠喔忍峁├碚撘罁?jù)。