鄂西地區(qū)柑橘灌溉需水指數(shù)時(shí)空變化規(guī)律

朱 士 江,于 穎,徐 文,李 虎,李 凱 凱,何 衛(wèi) 平

(1.三峽大學(xué) 水電工程施工與管理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002; 2.三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.宜昌市氣象局,湖北 宜昌 443000)

0 引 言

柑橘是中國(guó)南方地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,能夠適應(yīng)多種氣候條件,但其產(chǎn)量和品質(zhì)對(duì)水分較為敏感,因此水分是提高柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一[1]。柑橘生育期所需水分約有60%來(lái)自降水[2],但近年來(lái)受氣候變化的影響,降水的時(shí)空分布極不均勻[3-4]。柑橘生育期遇降水較少或連續(xù)無(wú)降水天氣,容易造成柑橘枯萎、落果等現(xiàn)象;相反,降水強(qiáng)度較大也極易導(dǎo)致果園內(nèi)出現(xiàn)積水,造成柑橘根系受損,影響果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。宜昌市是鄂西重要的柑橘種植地區(qū),屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候帶,雨熱資源豐富,年平均降水量約為1 215.6 mm,年內(nèi)降水時(shí)空分布不均,以夏季降水量最高,其次是春季和秋季,冬季降水量相對(duì)較少。目前宜昌市柑橘種植面臨較多問(wèn)題,其中主要問(wèn)題是如何科學(xué)合理地進(jìn)行灌溉決策[6]。宜昌市柑橘種植帶大部分位于山區(qū),柑橘生長(zhǎng)所需水分大部分來(lái)自降水,由于降雨時(shí)空分布不均,及時(shí)掌握氣候變化條件下柑橘不同生育期的需水量,才能制定合理的灌溉決策,提高水資源的利用效率[7]。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣候變化對(duì)作物需水量的影響開(kāi)展了大量研究,研究發(fā)現(xiàn)隨著氣溫升高,夏季降水量呈逐年上升趨勢(shì),而其他三季的降水量則呈逐年下降趨勢(shì),年內(nèi)氣候變化較為極端,由此導(dǎo)致的農(nóng)田干旱和澇漬災(zāi)害發(fā)生更加頻繁[8];也有研究表明氣候變化引起溫度等因子時(shí)間節(jié)律的改變,直接影響作物生育期長(zhǎng)度,從而打破了農(nóng)業(yè)供需水平衡[9]。因此研究氣候變化對(duì)作物需水的影響能夠揭示作物在氣候變化條件下的需水趨勢(shì),有利于提高農(nóng)業(yè)水資源的合理利用,以及為水資源供需預(yù)測(cè)提供依據(jù)[10-11]。關(guān)于作物需水的研究可以采用大田試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)理模型等,這些研究大多是基于不同灌溉方式或作物品種[12-13],進(jìn)行作物需水方面的研究。作物需水量(Evaporationspiration,ET0)的主要方法中,Penman-Monteith公式計(jì)算精度較高,通常適用于任何地區(qū);結(jié)合目前氣象資料,本次研究選取該方法進(jìn)行柑橘需水量(ETc)的計(jì)算[14],并且ET0作為展示作物需水情況的重要指標(biāo)[15-16],是進(jìn)行作物需水規(guī)律研究分析的必要內(nèi)容。但是,僅僅研究氣候變化對(duì)ET0的影響還不能直觀地進(jìn)行灌溉決策,而灌溉需水指數(shù)(Irrigation Requirement Index,IRI)是作物需水量和有效降雨量的綜合體現(xiàn),因此引入IRI作為直接衡量作物灌溉需水量的指標(biāo)。

目前對(duì)柑橘需水的研究主要集中在灌溉方式、水肥管理、設(shè)施栽培等方面[17-18],較少有研究揭示了氣候變化對(duì)柑橘需水的影響。因此本文選擇宜昌市作為鄂西柑橘種植典型研究區(qū)域,探究氣候變化條件下柑橘種植的灌溉需水情況,揭示柑橘不同生育期灌溉需水指數(shù)變化規(guī)律,以期為氣候變化背景下柑橘灌溉制度的制定提供科學(xué)的決策支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

宜昌市位于湖北省西部、長(zhǎng)江上游和中游的分界處,屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫17.1℃。年平均降水量1 161.0 mm,夏季降雨集中,冬季較少。宜昌市地形比較復(fù)雜,高低相差懸殊,并且地處鄂西山區(qū)向江漢平原過(guò)渡地帶,地勢(shì)自西向東逐級(jí)下降,地貌類(lèi)型依次為山地、丘陵和平原。本次研究根據(jù)宜昌地區(qū)柑橘實(shí)際種植情況,分別選取夷陵、枝江、秭歸、長(zhǎng)陽(yáng)、當(dāng)陽(yáng)、興山、宜都、遠(yuǎn)安、五峰等9個(gè)地區(qū)作為重點(diǎn)研究區(qū)域,其種植情況如表1所列,研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

表1 宜昌市下轄區(qū)縣柑橘種植情況Tab.1 Citrus planting in districts and counties of Yichang City

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用了1971～2019年宜昌市9個(gè)氣象站的氣象數(shù)據(jù),包括日降雨量、相對(duì)濕度、最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、日照、蒸發(fā)量等逐日觀測(cè)資料,數(shù)據(jù)來(lái)源于宜昌市氣象局。為了保證所選氣象數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性,在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)錯(cuò)誤明顯的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,對(duì)漏測(cè)和缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,確保該時(shí)段數(shù)據(jù)的完整性。

1.3 柑橘需水量

柑橘日需水量ETc由日參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0和作物系數(shù)Kc相乘而得,具體公式為

ETc=ET0×Kc

(1)

ET0采用Penman-Monteith模型進(jìn)行日潛在蒸散量(ET0)計(jì)算:

(2)

式中:Δ是飽和水汽壓與溫度曲線(xiàn)斜率,kPa/℃;Rn是冠層表面凈輻射,MJ/(m2·d);G是土壤熱通量,MJ/(m2·d);γ是干濕計(jì)常數(shù),kPa/℃;T是日平均氣溫,℃;U2是2 m高度的風(fēng)速,m/s;es是飽和水汽壓,kPa;ea是實(shí)際水汽壓,kPa。

根據(jù)DB4205/T 90-2022《宜昌市柑橘灌溉用水定額標(biāo)準(zhǔn)》,并且參考南方柑橘種植區(qū)各果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期時(shí)間和溫度指標(biāo)[19],擬定宜昌市不同分區(qū)柑橘作物系數(shù)Kc值(見(jiàn)表2)。

表2 宜昌市柑橘生育期Kc值Tab.2 Kc value of citrus during different growth stages of Yichang City

1.4 柑橘凈灌溉需水量和需水指數(shù)

柑橘凈灌溉需水量等于柑橘需水量與有效降水量之差,表示滿(mǎn)足滲漏損失、蒸散發(fā)和其他需水情況下的水量;柑橘灌溉需水指數(shù)等于柑橘凈灌溉需水量與需水量的比值,可反映出柑橘生長(zhǎng)對(duì)灌溉的依賴(lài)程度及柑橘相對(duì)缺水程度,也可在一定程度上反映柑橘生長(zhǎng)的旱澇情況。

IR=ETc-Pe

(3)

IRI=IR/ETc

(4)

式中:IR為作物凈灌溉需水量,mm;Pe為作物生育期有效降雨量,mm;IRI為作物灌溉需水指數(shù)。

另外柑橘各生育期的有效降雨量采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局(USDA)推薦的方法計(jì)算,該方法采用土壤水分平衡法,綜合考慮蒸散、降水和灌溉等因素,是目前眾多有效降水計(jì)算方法中得到公認(rèn)和普遍推廣的方法之一,在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,并經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐檢驗(yàn),具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性[20]。柑橘各生育期的有效降雨量表示為

(5)

式中:Pe為日有效降水量,mm;P為日降水量,mm。

1.5 分析方法

采用線(xiàn)性趨勢(shì)法和Mann-Kendall檢驗(yàn)對(duì)宜昌地區(qū)柑橘不同生育期需水量、有效降水量、灌溉需水量、灌溉需水指數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。對(duì)于給定的置信水平α(α=0.5或0.01),Z為正值表示增加趨勢(shì),負(fù)值表示減少趨勢(shì)。當(dāng)1.96≤|Z|<2.58時(shí),表明序列在95%的置信水平上具有顯著的變化趨勢(shì);當(dāng)|Z|≥2.58時(shí)表明序列在99%的置信水平上具有顯著的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 ETc、Pe和IRI的時(shí)間變化特征

根據(jù)式(1)～(5)分別計(jì)算得到近49 a宜昌市9個(gè)地區(qū)柑橘需水量、有效降水量和灌溉需水指數(shù),然后結(jié)合線(xiàn)性趨勢(shì)分析其時(shí)間變化特征(見(jiàn)圖2)。由圖2可知,1971～2019年宜昌地區(qū)柑橘全生育期ETc介于541.31～930.50 mm之間,Pe介于283.89～605.33 mm 之間,IRI介于-0.053～0.689 之間。

圖2 1971～2019 年宜昌市不同地區(qū)柑橘ETc、Pe和IRI的年際變化Fig.2 Annual changes of citrus ETc,Pe and IRI in different regions of Yichang City from 1971 to 2019

在變化趨勢(shì)方面,興山、遠(yuǎn)安、夷陵、宜都4個(gè)地區(qū)ETc呈增加趨勢(shì),枝江、五峰、長(zhǎng)陽(yáng)、當(dāng)陽(yáng)、秭歸5個(gè)地區(qū)ETc呈下降趨勢(shì),其中當(dāng)陽(yáng)(Z=-2.06)呈顯著減小趨勢(shì),降幅為 12.2 mm/10 a,秭歸地區(qū)ETc(Z=-4.266 8)呈極顯著減小趨勢(shì),降幅為 23.3 mm/10 a;秭歸、枝江和宜都3個(gè)地區(qū)Pe呈上升趨勢(shì),其中秭歸Pe(Z=2.956 6)呈極顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),增幅為21.18 mm/10 a,其余地區(qū)Pe均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);五峰、興山、遠(yuǎn)安和夷陵的IRI均呈上升趨勢(shì),并且其中興山地區(qū)的IRI(Z=1.973 9)呈顯著增加趨勢(shì),其余秭歸、長(zhǎng)陽(yáng)、枝江、宜都和當(dāng)陽(yáng)5個(gè)地區(qū)IRI呈減小趨勢(shì),并且秭歸地區(qū)IRI(Z=-3.784)呈極顯著減小趨勢(shì)。

就柑橘種植而言,影響ETc的主要因素包括降水和溫度。溫度上升可以促進(jìn)柑橘蒸騰作用,散失的水分增多,因此需水量增加,一定范圍內(nèi)的降水量增多,也會(huì)導(dǎo)致柑橘蒸騰作用的增加,造成柑橘需水量增加[21]。而在ETc增加、Pe不變的情況下,會(huì)導(dǎo)致柑橘I(mǎi)RI的增加[22-23],因此在水資源相對(duì)匱乏的地區(qū),人工灌溉不及時(shí)容易造成柑橘減產(chǎn)。

2.2 ETc的空間變化特征

柑橘各個(gè)生育期ETc值呈花芽分化期<果實(shí)成熟期<發(fā)芽期<花期<生理落果期<果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期的趨勢(shì)(見(jiàn)表3)。在發(fā)芽期,柑橘需水量較小,生理落果期需水量開(kāi)始增大,至果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期開(kāi)始迅速生長(zhǎng)[24],由于正值夏季,氣溫升高且空氣濕度減小,造成蒸騰量增大,柑橘需水量達(dá)到高峰。果實(shí)成熟期之后氣溫開(kāi)始下降,蒸騰量減小,柑橘需水量下降[25]。從空間分布來(lái)看(見(jiàn)圖3),柑橘各生育期ETc的變化特征有明顯的差異性。具體地,花期、生理落果期和果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期ETc呈西低東高的分布特征,果實(shí)成熟期ETc呈東高北低的分布特征,發(fā)芽期和花芽分化期ETc呈東西高、南北低的分布特征,全生育期ETc呈現(xiàn)東部高、西南和西北低的分布特征。

圖3 宜昌市柑橘不同生育期ETc空間分布Fig.3 Spatial distributions of ETc during different growth stages of citrus in Yichang City

表3 宜昌市柑橘各生育期ETc、Pe、IRI均值Tab.3 Average values of ETc,Pe and IRI during each citrus growth period in Yichang City

生理落果期和果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期是柑橘關(guān)鍵生育期。柑橘生理落果期對(duì)水分需求較高,如果水分不足,則容易造成大量落果,影響柑橘產(chǎn)量。果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期正值夏秋季節(jié)氣溫較高,生理耗水量大,是柑橘生長(zhǎng)年周期中需水量最大的時(shí)期。如果水分充足,則果實(shí)生長(zhǎng)快,否則容易造成果實(shí)生長(zhǎng)緩慢、果小、產(chǎn)量低,甚至造成柑橘樹(shù)萎蔫、葉落、果掉[26]。從圖3(c)和圖3(d)可以看出,柑橘關(guān)鍵生育期ETc高值區(qū)分布在東部地區(qū),主要為遠(yuǎn)安、枝江和當(dāng)陽(yáng)3個(gè)地區(qū),低值區(qū)分布在西南和西北部,主要包括興山和五峰兩個(gè)地區(qū)。

2.3 柑橘Pe的空間變化特征

由表3可知,柑橘各個(gè)生育期Pe呈花芽分化期<花期<果實(shí)成熟期<生理落果期<發(fā)芽期<果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期的趨勢(shì)。從空間分布來(lái)看(見(jiàn)圖4),各地區(qū)發(fā)芽期Pe介于45.21～64.65 mm,花期Pe介于35.07～50.53 mm,生理落果期Pe介于41.8～58.41 mm,果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期Pe介于135.65～187.87 mm,果實(shí)成熟期Pe介于36.20～48.07 mm,花芽分化期Pe介于29.09～46.09 mm,全生育期的Pe介于335.76～453.54 mm,可知宜昌市各地區(qū)、不同生育期的柑橘降雨量均有較大差異,空間分布不均勻?；ㄆ凇⑸砺涔凇⒐麑?shí)生長(zhǎng)發(fā)育期和果實(shí)成熟期Pe整體上呈西南高東北低的趨勢(shì);發(fā)芽期和花芽分化期Pe則呈南高北低的分布特征;柑橘全生育期Pe整體上呈東北低西南高的分布特征,與全生育期ETc呈相反的分布特征。

圖4 宜昌市柑橘不同生育期Pe空間分布Fig.4 Spatial distributions of Pe during different growth stages of citrus in Yichang City

果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期為柑橘關(guān)鍵生育期,該階段果實(shí)快速膨大,光合作用旺盛,對(duì)水分需求較高。此階段若遇降水較少或者連續(xù)無(wú)降水天氣,則會(huì)嚴(yán)重影響果實(shí)發(fā)育并造成減產(chǎn),而此階段降雨過(guò)多,則會(huì)造成柑橘果實(shí)甜度降低,甚至病菌增多導(dǎo)致?tīng)€果情況嚴(yán)重[27]。由圖4(d)可知果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期Pe高值區(qū)主要分布在西南部,為五峰和長(zhǎng)陽(yáng)地區(qū),低值區(qū)主要分布在東北部,包括遠(yuǎn)安、當(dāng)陽(yáng)和枝江3個(gè)地區(qū)。

2.4 柑橘I(mǎi)RI的空間變化特征

由表3可知,柑橘各個(gè)生育期IRI呈花芽分化期<發(fā)芽期<果實(shí)成熟期<花期<生理落果期<果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期的趨勢(shì)。從空間分布來(lái)看(見(jiàn)圖5),各地區(qū)發(fā)芽期IRI介于-0.30～0.16,花期IRI介于-0.03～0.38,生理落果期IRI介于0.27～0.58,果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期IRI介于0.45～0.67,果實(shí)成熟期IRI介于-0.34～0.36,花芽分化期IRI介于-0.92～0.18,全生育期的IRI介于0.26～0.53,可知宜昌市各地區(qū)柑橘灌溉需水指數(shù)有較大的差異,并且不同生育期柑橘的灌溉需水指數(shù)也有較大差異。發(fā)芽期、花期、生理落果期和果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期IRI整體上呈西南低東北高的分布特征;果實(shí)成熟期和花芽分化期IRI整體上呈西南和西北低、東部高的分布特征;全生育期呈現(xiàn)東部高西南低的分布特征。

圖5 宜昌市柑橘不同生育期IRI空間分布Fig.5 Spatial distribution of IRI during different growth stages of citrus in Yichang City

柑橘?gòu)纳砺涔陂_(kāi)始進(jìn)入夏季,氣溫逐漸升高、空氣濕度減小,蒸發(fā)蒸騰量大,柑橘需水量逐漸增加,并且進(jìn)入果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期之后,果實(shí)開(kāi)始迅速增長(zhǎng),其生理生態(tài)需水進(jìn)一步增加,達(dá)到需水量高峰期,在此期間柑橘缺水風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高[28]。由圖5(c)和(d)可知,柑橘生理落果期和果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期IRI低值區(qū)分布在西南部,主要為長(zhǎng)陽(yáng)和五峰兩個(gè)地區(qū);高值區(qū)分布在東北部,主要包括遠(yuǎn)安、當(dāng)陽(yáng)和枝江3個(gè)地區(qū)。

3 結(jié) 論

灌溉需水指數(shù)IRI是衡量作物灌溉需水量多少的重要指標(biāo),本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)前宜昌市IRI低值區(qū)主要分布在西南部,主要為長(zhǎng)陽(yáng)和五峰兩地,這兩個(gè)地區(qū)目前柑橘種植面積相對(duì)較小,未來(lái)可適當(dāng)擴(kuò)大柑橘種植面積,同時(shí)由于關(guān)鍵生育期的Pe較大,需要在柑橘種植區(qū)建設(shè)排水設(shè)施以防澇害;高值區(qū)主要分布在東北部,主要包括遠(yuǎn)安、當(dāng)陽(yáng)和枝江3個(gè)地區(qū),其中當(dāng)陽(yáng)和枝江是目前宜昌市主要的柑橘種植地,種植面積廣,未來(lái)更容易出現(xiàn)缺水現(xiàn)象,需要進(jìn)行供水規(guī)劃和合理灌溉,防止干旱情況的發(fā)生影響柑橘正常生長(zhǎng);IRI增幅高值區(qū)分布在西北部,主要為興山地區(qū),減幅高值區(qū)分布在中西部,主要為秭歸地區(qū),說(shuō)明未來(lái)興山地區(qū)干旱情況可能會(huì)進(jìn)一步增加,要注意及時(shí)進(jìn)行人工灌溉,以免造成減產(chǎn),而秭歸地區(qū)干旱情況可能會(huì)逐漸減輕。在氣候變化的影響下,推測(cè)未來(lái)柑橘種植帶可能從東北部逐漸向西南部轉(zhuǎn)移。