1971—2018年黑龍江省玉米需水量與有效降水量耦合度演變特征

曲輝輝 王冬冬 閆敏慧 翟墨 劉丹 閆平 王曉明 姜麗霞

（1.黑龍江省氣象科學(xué)研究所／中國(guó)氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室／黑龍江省氣象院士工作站，黑龍江哈爾濱 150030；2.黑龍江省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱 150030；3.黑龍江省氣象服務(wù)中心，黑龍江哈爾濱 150030；4.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，黑龍江哈爾濱 150030）

引言

作物需水量指在水分供應(yīng)充足且其他因素不成為限制因子的條件下，作物為獲得最高產(chǎn)量所需要的水分總量［1］，作物需水包括植物的同化作用過(guò)程需水、植物體內(nèi)的水、植物蒸騰和土壤蒸發(fā)及植株表面蒸發(fā)［2］，其中同化作用需水量、植物體內(nèi)的水和植株表面蒸發(fā)耗水量?jī)H占作物需水總量的1%左右，故植物需水主要用于植物蒸騰和土壤蒸發(fā)［3］。作物需水除與品種特性、生長(zhǎng)階段及農(nóng)技措施有關(guān)外，還受土壤條件與氣象要素影響［4-5］。生長(zhǎng)季內(nèi)作物需水量與自然降水量匹配程度常被用于農(nóng)田水分管理［6-10］和種植制度優(yōu)化［10-15］的參考依據(jù)，如曲輝輝等［6］基于作物需水量與自然降水量的耦合度對(duì)湖南省種植制度進(jìn)行了以防旱避災(zāi)為目的優(yōu)化；王明田等［7］以降水對(duì)作物需水的保證程度為指標(biāo)對(duì)四川省種植指數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；左余寶等［8］利用主要作物不同生育期生理需水量與自然降水量的吻合程度進(jìn)行了種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化；張秋平等［12］通過(guò)計(jì)算作物需水量確定了不同年型旱稻各生育階段降水與作物需水量耦合程度和灌溉量；王文佳等［13］通過(guò)研究不同降水年型冬小麥的需水量規(guī)律，制定了以產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益最高為目標(biāo)的灌溉制度。自然降水中，一部分或被冠層截留或形成地表徑流或向深層滲漏，其余部分被根層土壤吸收，用于滿足作物蒸散需要，被稱(chēng)為有效降水量［16-18］，指定時(shí)段內(nèi)有效降水量與作物需水量的匹配程度可更加科學(xué)準(zhǔn)確地描述當(dāng)?shù)刈匀唤邓畬?duì)作物需水的滿足程度［19-21］，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)與決策服務(wù)更具指導(dǎo)性。但目前研究中，少見(jiàn)關(guān)于黑龍江省玉米產(chǎn)區(qū)有效降水量與玉米需水量匹配度的詳細(xì)研究。

黑龍江省是中國(guó)重要玉米產(chǎn)區(qū)，玉米產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的15%以上［22］，其穩(wěn)定性關(guān)系到中國(guó)玉米生產(chǎn)大局。受氣候變化、季風(fēng)氣候及地理環(huán)境等條件影響，黑龍江省自然降水量年代際和年際變異大，季節(jié)間和空間分布不均，造成玉米需水量與自然降水量匹配不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量受到不同程度影響［23-25］。本文基于1971—2018年黑龍江省玉米生長(zhǎng)季內(nèi)不同階段有效降水量和作物需水量，分析明確有效降水量對(duì)作物需水量的滿足程度及其演變特征，借以為合理進(jìn)行農(nóng)田灌溉、實(shí)現(xiàn)玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

黑龍江省橫跨14個(gè)經(jīng)度，縱跨10個(gè)緯度，省內(nèi)氣候條件及地形地勢(shì)變化較大，綜合考慮上述因素，將黑龍江省劃分為東、南、西、北和中部5個(gè)區(qū)域，并選取集賢、五常、龍江、嘉蔭和青岡分別為各區(qū)域代表站點(diǎn)（圖1）。

圖1 黑龍江省區(qū)域劃分及代表站點(diǎn)Fig.1 Geographic division of Heilongjiang province and representative stations

1.2 資料來(lái)源

使用1971—2018年黑龍江省69個(gè)臺(tái)站逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括降水、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均氣壓、平均水汽壓、平均相對(duì)濕度和風(fēng)速等。玉米發(fā)育期資料為農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站1981—2018年觀測(cè)資料。以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于黑龍江省氣象局整編資料。

1.3 玉米需水與有效降水耦合度

1.3.1 參考作物蒸散量（ET0）

采用1998年FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸散量，計(jì)算公式如下［26］

式（1）中，ET0為參考作物蒸散量（mm·d-1）；Rn為到達(dá)作物表面的凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤熱通量密度（MJ·m-2·d-1）；t為2 m高處的空氣溫度（℃）；U2為2 m高處的風(fēng)速（m·s-1）；ed為飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)際水汽壓（kPa）；Δ為水汽壓對(duì)溫度的斜率（kPa·℃-1）；γ為干濕球常數(shù)。

1.3.2 作物系數(shù)（KC）

采用“中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線圖協(xié)作組”推薦的作物系數(shù)［27］，黑龍江省春玉米作物系數(shù)平均為0.80，其中5月苗期植株小，葉面積系數(shù)低，作物系數(shù)小；6月以后植株葉面積逐漸增加，作物系數(shù)逐漸增大；7月和8月達(dá)最大值；9月后植株衰老，葉片枯黃，作物系數(shù)逐漸降低。

1.3.3 作物需水量（ETC）

作物需水量計(jì)算公式如下［26］

式（2）中，ETC為某一時(shí)段的作物需水量（mm）；ET0為對(duì)應(yīng)時(shí)段的參考作物蒸散量（mm）；KC為同一時(shí)段的作物系數(shù)。

1.3.4 有效降水量（Pe）

自然降水中一少部分無(wú)法為作物吸收利用，可被作物利用的部分稱(chēng)為有效降水，本文采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法計(jì)算［28-30］

式（3）中，Pe為某一時(shí)段有效降水量（mm）；P為對(duì)應(yīng)時(shí)段自然降水量（mm）。

1.3.5 作物需水與有效降水耦合度

作物需水與有效降水耦合度計(jì)算公式如下［31］

式（4）中，Λi為第i生育時(shí)段作物需水量與有效降水量耦合度；Pi為第i生育時(shí)段有效降水量（mm）；ETci為第i生育時(shí)段作物需水量（mm）。

全生育期內(nèi)作物需水量與有效降水量的耦合度Λ為各生育時(shí)段耦合度Λi以各生育時(shí)段的需水模系數(shù)為權(quán)重的加權(quán)平均值，計(jì)算公式如下

式（5）中，ETci為第i生育時(shí)段作物需水量（mm）；ETc為全生育期內(nèi)作物需水量（mm）；Λi為第i生育時(shí)段的作物需水量與有效降水的耦合度；Λ為全生育期內(nèi)作物需水量與有效降水耦合度。

1.4 氣候趨勢(shì)分析

氣象要素的變化趨勢(shì)以氣候傾向率表示，氣候傾向率采用最小二乘法計(jì)算，公式為

1.5 空間分析

本文應(yīng)用ArcGIS 10.2反距離加權(quán)法插值，實(shí)現(xiàn)研究對(duì)象的空間分析。

2 結(jié)果分析

2.1 玉米生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水量與需水量變化

采用趨勢(shì)分析法對(duì)1971—2018年黑龍江省5個(gè)代表站點(diǎn)玉米生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水量和需水量進(jìn)行分析（表1）。由表1可知，1971—2018年黑龍江省各地玉米不同生育階段有效降水量變化趨勢(shì)不一致。黑龍江省全省玉米播種—出苗期有效降水量均呈增加趨勢(shì)；出苗—拔節(jié)期黑龍江省東部和南部有效降水量減少，中部、西部和北部增加；拔節(jié)—抽穗期西部和北部有效降水量增加，南部、東部和中部減少；抽穗—乳熟期西部有效降水量增加，其他地區(qū)減少；乳熟—成熟期東部和北部有效降水量增加，南部、西部和中部減少。黑龍江省西部和北部玉米多數(shù)生育階段有效降水量增加，整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水量均呈增加趨勢(shì)，中部、南部和東部多數(shù)生育階段有效降水量減少，整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水量呈減少趨勢(shì)。各區(qū)域玉米不同發(fā)育階段有效降水變化趨勢(shì)均不顯著。

表1 1971—2018年黑龍江省玉米生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水量與需水量氣候傾向率Table 1 Climate tendency rate of effective precipitation and water need during maize growing season from 1971 to 2018

玉米需水量受多種因素影響，忽略作物品種、栽培措施等，單從氣象條件對(duì)需水量影響的角度入手，分析黑龍江省各區(qū)域玉米各生育階段需水量變化趨勢(shì)。黑龍江省北部播種—出苗期和出苗—拔節(jié)期需水量減少，其余生育時(shí)段需水量增加，變化均不顯著；其他區(qū)域各生育階段玉米需水量均呈降低趨勢(shì)，其中播種—出苗期需水量下降極顯著，黑龍江省東部生長(zhǎng)季玉米需水量下降最顯著。從空間分布看，黑龍江省東部玉米需水量降低速度最快，北部最慢。影響玉米需水量的主要?dú)庀笠蜃影ㄈ照諘r(shí)數(shù)、風(fēng)速、氣溫及相對(duì)濕度，其中相對(duì)濕度的貢獻(xiàn)為負(fù)值［33］，在氣溫升高、風(fēng)速降低、日照時(shí)數(shù)減少、相對(duì)濕度減小的總體氣候背景下［34-35］，風(fēng)速降低和日照時(shí)數(shù)減少為黑龍江省玉米需水量減少的主要?dú)庀筘暙I(xiàn)因子。

2.2 耦合度時(shí)空分布

從1971—2018年黑龍江省玉米不同生育階段作物需水量與有效降水耦合度空間分布來(lái)看（圖2），在玉米整個(gè)生長(zhǎng)季中，黑龍江省東北部及中部部分地區(qū)耦合度最高，除此之外總體表現(xiàn)為西低東高。各發(fā)育階段分布特點(diǎn)不同，播種—出苗期耦合度分布特征為西低東高，西部最低，東南部和東北部最高；出苗以后耦合度中部和東北部最高，東部總體高于西部。

圖2 1971—2018年黑龍江省玉米整個(gè)生長(zhǎng)季（a）、播種—出苗期（b）、出苗—拔節(jié)期（c）、拔節(jié)—抽穗期（d）、抽穗—乳熟期（e）和乳熟—成熟期（f）作物需水與有效降水耦合度空間分布Fig.2 Spatial distribution of coupling degree between maize water need and effective precipitation for the whole growing season（a），sowing to emergence（b），emergence to jointing（c），jointing to heading（d），heading to milk maturity（e），milk maturity to physiology maturity（f）from 1971 to 2018 in Heilongjiang province

不同發(fā)育階段相比較，播種—出苗期和出苗—拔節(jié)期自然降水較少，耦合度較低，拔節(jié)后黑龍江省進(jìn)入降水集中時(shí)段，降水量增加，耦合度增大。

1971—2018年不同時(shí)段內(nèi)，黑龍江省玉米生長(zhǎng)季作物需水量與有效降水量耦合度均呈現(xiàn)西南部低、東北部和中部高的變化趨勢(shì)（圖3）。不同時(shí)段間相較，1981—1990年和2011—2018年兩個(gè)時(shí)段耦合度相對(duì)較高，1971—1980年和2001—2010年兩個(gè)時(shí)段耦合度較低。

圖3 1971—1980年（a）、1981—1990年（b）、1991—2000年（c）、2001—2010年（d）和2011—2018年（e）黑龍江省玉米生長(zhǎng)季作物需水量與有效降水量耦合度空間分布Fig.3 Spatial distribution of coupling degree between maize water need and effective precipitation during 1971 to 1980（a），1981 to 1990（b），1991 to 2000（c），2001 to 2010（d），and 2011 to 2018（e）in Heilongjiang province

2.3 耦合度對(duì)氣候變化的響應(yīng)

1971—2018年黑龍江省不同區(qū)域作物需水量與有效降水量耦合度M-K檢驗(yàn)表明（圖4），黑龍江全省耦合度UF曲線呈波動(dòng)變化，1986年以前呈下降趨勢(shì)，且1975—1980年超過(guò)置信水平，下降趨勢(shì)達(dá)顯著水平，1987—2000年呈上升趨勢(shì)，2001—2013年為下降趨勢(shì)，之后為上升趨勢(shì)；在置信區(qū)間內(nèi)，UF曲線與UB曲線有3個(gè)交點(diǎn)，分別為2012年、2015年和2017年。累積距平分析表明，研究時(shí)段內(nèi)，黑龍江省玉米生長(zhǎng)季耦合度1973—1982年為下降趨勢(shì)，1983—1994年為上升趨勢(shì)，在經(jīng)歷短暫波動(dòng)過(guò)后，1998年開(kāi)始耦合度再次下降，至2012年以后開(kāi)始回升。結(jié)合兩種曲線分析結(jié)果，可以判定玉米生長(zhǎng)季耦合度在2012年發(fā)生突變，突變方向?yàn)轳詈隙扔傻偷礁摺?個(gè)區(qū)域的耦合度M-K曲線變化趨勢(shì)與黑龍江全省變化趨勢(shì)相似，基本變化趨勢(shì)均為“兩落兩起”；結(jié)合累積距平曲線（圖4），2012年為黑龍江省北部和中部地區(qū)耦合度由低到高突變點(diǎn)，2011年黑龍江省為西部和南部地區(qū)耦合度由低到高的突變點(diǎn)，東部地區(qū)無(wú)明顯突變點(diǎn)，耦合度突變年份與黑龍江省降水由少水到多水突變年份較一致［36］。

圖4 1971—2018年黑龍江全省玉米耦合度M-K突變（a）和累積距平（b）、黑龍江省北部玉米耦合度M-K突變（c）和累積距平（d）、西部玉米耦合度M-K突變（e）和累積距平（f）、中部玉米耦合度M-K突變（g）和累積距平（h）、東部玉米耦合度M-K突變（i）和累積距平（j）、南部玉米耦合度M-K突變（k）和累積距平（l）變化Fig.4 Mann-Kendall test and accumulative anomaly of coupling degree between maize water need and effective precipitation for Heilongjiang province（a，b），and north（c，d），west（e，f），middle（g，h），east（i，j），south（k，l）of Heilongjiang province from 1971 to 2018

3 結(jié)論與討論

（1）1971—2018年黑龍江省玉米生長(zhǎng)季內(nèi)，拔節(jié)期以前生育時(shí)段全部或大部地區(qū)有效降水量增加，拔節(jié)期以后各生育階段大部地區(qū)有效降水量呈減少趨勢(shì)，這與李天霄等［37］對(duì)黑龍江省降水量變化趨勢(shì)研究結(jié)果及聶堂哲等［38］對(duì)黑龍江省各月份有效降水量變化趨勢(shì)研究結(jié)果較一致。黑龍江省西部和北部玉米生長(zhǎng)季內(nèi)有效降水增加，中部、南部和東部呈減少趨勢(shì)。

（2）僅考慮氣象條件，受風(fēng)速降低和日照時(shí)數(shù)減少等因子影響，黑龍江省大部地區(qū)玉米生長(zhǎng)季內(nèi)需水量減少，這與朱紅蕊等［39］對(duì)黑龍江省蒸發(fā)量變化特征研究結(jié)果及聶堂哲等［38］對(duì)黑龍江省玉米需水量變化趨勢(shì)研究結(jié)果較一致，其中東部減速最快，北部最慢。

（3）玉米生長(zhǎng)季內(nèi)，黑龍江省中部和東北部耦合度較高，西部耦合度較低，這與聶堂哲［34］等對(duì)黑龍江省玉米灌溉需水量研究結(jié)果及馬建勇等［40］對(duì)東北地區(qū)干旱趨勢(shì)研究結(jié)果較一致，拔節(jié)期以前耦合度較低，拔節(jié)期以后耦合度較高。

（4）1971—2018年黑龍江省各區(qū)域耦合度均呈“兩落兩起”變化趨勢(shì)，拐點(diǎn)分別為20世紀(jì)80年代初、90年代中期及21世紀(jì)初，這與顧金普等［41］對(duì)黑龍江省降水年際演變特征研究結(jié)果較為一致，1981—1990年和2011—2018年兩個(gè)時(shí)段耦合度相對(duì)較高，1971—1980年和2001—2010年兩個(gè)時(shí)段耦合度較低；2011—2012年為耦合度由低到高突變點(diǎn)，這與靳春香等［36］對(duì)黑龍江省降水變化趨勢(shì)研究結(jié)果較一致。

（5）作物需水量與有效降水量的耦合度可較好反映出某一生育階段內(nèi)降水對(duì)作物需水的滿足程度。但實(shí)際生產(chǎn)中，土壤對(duì)水分的貯存能力使得降水有一定累加效應(yīng)，即上一生育階段內(nèi)降水儲(chǔ)存在土壤中仍可為下一生育階段作物所吸收利用，尤其抽穗—開(kāi)花期和開(kāi)花—吐絲期均歷時(shí)較短，可能僅持續(xù)2～3 d，若恰逢無(wú)降水或少降水，對(duì)應(yīng)生育階段耦合度值低，但如前期降水多、土壤濕度大，作物生長(zhǎng)發(fā)育不會(huì)受到影響。因此，農(nóng)田水分管理過(guò)程中，需重點(diǎn)關(guān)注黑龍江省西南部耦合度低值區(qū)和播種期與苗期耦合度低值時(shí)段，不僅要考慮當(dāng)前階段耦合度，還需考慮降水累積效應(yīng)和土壤濕度，將有限的水資源用于最需要的地區(qū)和時(shí)段，提高水的利用效率，以期達(dá)到作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的目的。