吉林省中西部玉米需水量及水分虧缺量時空變化特征

邱美娟, 劉布春, 葛均筑, 宋曉慧, 周培祿, 張佳寧

(1.天津農學院 農學與資源環境學院,天津 300384;2.中國農業科學院 農業環境與可持續發展研究所,北京 100081)

水分是作物生長過程中不可或缺的必要條件之一,是限制作物產量和品質提高的一個重要因素[1]。水分過多或過少都會對作物的生長發育產生不利影響。種植于不同地區的玉米受氣候條件、地理條件等因素影響,其生長季的需水量往往存在較大差異,水分虧缺變化規律也不一致[2]。目前,我國農業灌溉用水占全國總用水量的70%以上[3],農業用水量大且利用效率低已成為限制我國農業快速、高效發展的重要原因之一。因此精確量化大宗作物玉米的需水量和缺水量具有重要意義。

近年來國內外開展了有關作物生長季降水量、需水量和水分虧缺方面的研究。莫昱晨等[4]利用黃淮海流域的氣象數據,基于Penman-Monteith公式和作物系數法等,計算了該地區主要作物夏玉米生長季有效降水量、需水量和缺水量,發現其需水量和缺水量在1961—2017年間呈現先下降、后上升的變化趨勢。邱美娟等[5]研究發現,吉林省西部地區玉米生長季的水分虧缺相對最嚴重,受旱災威脅,而東部地區水分虧缺相對較輕,中部地區則介于東西部之間。袁福香等[6]首先利用彭曼公式計算了吉林玉米需水量,然后通過田間實際觀測值對計算值進行驗證,確定了各生長季指標,并分析歷年自然降水滿足程度,發現中東部地區自然降水滿足度多在80%以上,而西部滿足度多在40%以下。高曉容等[7]利用作物系數法計算作物需水量,以作物水分盈虧指數作為旱澇評價指標,分析東北玉米不同生長階段的水分供需情況和旱澇變化,發現東北玉米4個生長階段及全生長季的需水量沒有顯著變化,4個生長階段需水量空間差異較大,基本呈帶狀分布。利用彭曼公式計算作物需水量,基于降水量與需水量的平衡關系分析水分虧缺情況被廣泛應用于各大作物[8-13]。例如,江學海等[11]集合貴州山地不同雜交秈稻生態區的田間試驗和氣象資料分析,發現黔西南稻區有效分蘗階段水分虧缺較大;黔北、黔東和黔中稻區的孕穗開花階段水分虧缺較大。李雙雙等[12]發現西南地區水稻水分虧缺率逐年增加,對灌溉蓄水依賴明顯,增大了區域農業脆弱性。黃維等[13]分析了柳州市甘蔗水分的供求情況,研究發現甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余,水分虧缺情況主要發生在伸長期后期和成熟期。上述研究揭示了當地不同作物的水分供需情況,對指導當地農業灌溉等具有重要意義。

玉米是吉林省中西部種植的主要農作物,其生長所需水分主要來自降水,但降水量在中西部間差異很大,且存在較大年際波動,是影響該地區玉米產量和品質的重要因素[14]。因此,探明吉林省中西部玉米生長季需水量和水分虧缺量的時空演變特征,對于指導當地開展科學灌溉、提高水資源利用率和保障玉米高產、穩產具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究選取的吉林省中西部主要為長春市、四平市、松原市及白城市,其氣象數據來源于中國氣象數據網(http://www.cma.gov.cn),數據范圍涵蓋了該地區1980—2019年間玉米生長季共計6個代表站點采集的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水量、風速和日照時數等數據。

1.2 玉米生長季

吉林省中西部玉米一般在5月初播種,9月底收獲。本研究將玉米生長季定為5—9月。

1.3 玉米生長季的需水量

需水量用作物系數(Kc)乘以作物參考蒸散量(ET0)得到[15],計算公式為:

(1)

式中:n為某一生長階段的日數,d;i為日序;ETc為作物某生長階段的需水量,mm;Kci為第i日的作物系數;ET0i為作物在第i日的參考蒸散量,mm。

玉米生長階段不同,作物系數也不同,本研究作物系數的取值主要參考《北方春玉米干旱等級》(QX/T 259—2015)[16](表1)。作物參考蒸散量的計算采用FAO(聯合國糧農組織)推薦的Penman-Monteith公式[17],即:

(2)

式中:ET0為參考蒸散量,為mm/d;Δ為溫度—飽和水汽壓關系曲線上在T處的切線斜率,kPa/℃,Δ=4 098×ea/(T+237.3)2;Rn為地面凈輻射蒸發量,MJ/m2/d;G為土壤熱通量(MJ/m2/d);γ為干濕表常數,kPa/℃;u2為離地面2 m高處的平均風速,m/s;T為計算時段內的平均氣溫,℃;ea為飽和水氣壓,kPa;ed為實際水氣壓,kPa。

表1 吉林省中西部地區玉米作物系數Table 1 Crop coefficient of corn in the midwest of Jilin Province

1.4 玉米生長季的水分虧缺量

玉米生長季的水分虧缺量為生長季需水量與降水量之差,即:

W=ETc-P

(3)

式中:W為玉米生長季水分虧缺量,ETC為玉米生長季的需水量,P為玉米生長季的降水量,單位均為mm;玉米生長季的降水量為生長季內日降水量的累積和。

1.5 其他方法

基于氣候傾向率分析玉米生長季的需水量、降水量及水分虧缺量的多年變化趨勢[18],并通過相關系數法檢驗其變化是否顯著[19]。采用兩因素方差分析[20]對不同城市不同月份的玉米生長季水分虧缺量進行分析。

2 結果與分析

2.1 降水量變化特征

1980—2019年吉林中西部玉米生長季(5—9月)平均降水量的年際變化如圖1所示。吉林省中西部玉米生長季降水量白城市為100.1～700.3 mm,平均為343.3 mm;松原市為195.8～667.2 mm,平均為368.2 mm;四平市為252～909.1 mm,平均為507.4 mm;長春市為244.1～737.7 mm,平均為499.4 mm?？傮w呈現西部低,中部高的空間分布特征。近40年來白城市玉米生長季的降水量呈下降趨勢,氣候傾向率為-9.8 mm/10 a;松原市、四平市和長春市的均呈增加趨勢,其氣候傾向率分別為6.8 mm/10 a、4.1 mm/10 a、10.6 mm/10 a,變化趨勢均未通過0.05水平的顯著性檢驗。

1980—2019年吉林省中西部玉米生長季月份降水量的變化特征如表2所示?？傮w上,相同月份降水量均呈西部少、中部多的空間分布特征。不同月份間,7月降水量最多,其次是8月和6月,5月和9月降水量相對最少。近40年來玉米生長季不同月份降水量的氣候傾向率有差異,5月為9.6～13.0 mm/10 a之間,中西部均呈上升趨勢,除四平市外,其他三市上升趨勢均達顯著水平(P<0.05);6月為-1.7～4.4 mm/10 a之間,除松原市呈下降趨勢外,其他三市均呈上升趨勢,但變化趨勢均未達顯著水平(P<0.05);7月為-19.5～-4.8 mm/10 a之間,中西部均呈下降趨勢,但只有四平市的變化趨勢達顯著水平(P<0.05);8月為-9.0～15.0 mm/10 a之間,除白城市呈下降趨勢外,其他均呈上升趨勢,且變化趨勢均未達顯著水平(P<0.05);9月為-1.6～1.5 mm/10 a之間,除四平市呈下降趨勢外,其他三市呈上升趨勢,但變化趨勢均未達顯著水平(P<0.05)?？梢?研究區域1980—2019年間7月的降水量總體呈下降趨勢且下降速率最快,而5月的降水量均呈增加趨勢且增加速率最快。6月、8月和9月的降水量多數呈增加趨勢。

圖1 吉林省中西部玉米生長季降水量變化特征Figure 1 Characteristics of precipitation changes during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

表2 吉林省中西部玉米生長季逐月降水量變化特征量Table 2 Monthly precipitation variation characteristics during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

2.2 需水量的變化特征

1980—2019年吉林省中西部玉米生長季(5—9月)需水量的年際變化如圖2所示。由圖可見,玉米生長季平均需水量白城市為526.7 mm(436.1～610.4 mm),松原市為525.3 mm(464.1～623.1 mm),四平市為481.8 mm(415.9～568.0 mm),長春市為506.4 mm(451.6～586.6 mm),總體呈現西部高、中部低的空間分布特征。近40年來玉米生長季需水量的氣候傾向率,白城市為1.6 mm/10 a,松原市為-3.2 mm/10 a,四平市為-6.1 mm/10 a,長春市為8.9 mm/10 a,松原市和四平市呈下降趨勢,白城市和長春市則呈上升趨勢,但變化趨勢均未達顯著性水平(P>0.05)。

圖2 吉林省中西部玉米生長季需水量變化特征Figure 2 Characteristics of water demand changes during the growing season of corn in the midwest of Jilin Province

1980—2019年研究區域玉米生長季月份需水量的變化特征量如表3所示。從空間上看,西部玉米各生長階段需水量高于中部需水量。從時間上看,7月需水量最高,其次是8月,5月和9月需水量相對都較少。近40年來玉米各生長階段需水量的氣候傾向率在各個生長階段有差異。5月為-1.1～0.5 mm/10 a之間,四平市呈上升趨勢,其他則呈下降趨勢;6月為-2.4～-1.0 mm/10 a之間,均呈不顯著的下降趨勢;7月為-0.7～6.3 mm/10 a之間,除了松原市外,其他均呈上升趨勢,且長春市上升趨勢通過0.05水平的顯著性檢驗。8月為-2.9～3.6 mm/10 a之間,僅白城市和長春市呈上升趨勢,且長春市上升趨勢顯著(P<0.05),松原市和四平市的下降趨勢不顯著;9月為-0.3～1.4 mm/10 a之間,四平市呈下降趨勢,其他三市均呈上升趨勢?？梢?研究區域1980—2019年玉米需水量不同生長階段存在差異,5月、6月的需水量基本呈下降趨勢;而7月和9月的需水量基本呈增加趨勢;8月部分地區呈上升趨勢。

2.3 水分虧缺量的變化特征

1980—2019年研究區域玉米生長季水分虧缺量的年際變化如圖3所示。其中,西部的白城市2001年虧缺量最大,虧缺量為488.3 mm,而1986年、1990年、1993年、1998年的降水量超過需水量,無水分虧缺;該市多年平均水分虧缺量為192.5 mm。松原市1982年水分虧缺量最大,為377.6 mm,而1998年、2005年、2012年、2014年和2019年無水分虧缺,其多年平均水分虧缺量為165.5 mm。中部的長春市1982年水分虧缺量最大,為342.5 mm,1980—2019年共有21個年份無水分虧缺,其多年平均水分虧缺量為57.6 mm。四平市2002年水分虧缺量最大,為315.8 mm,1981—2019年共有22個年份無水分虧缺,其多年平均水分虧缺量為46.8 mm?？傮w上,西部水分虧缺量較大,中部相對較小,且西部約有87.5%的年份都存在水分虧缺,而中部有約50%的年份無水分虧缺。

表3 吉林省中西部玉米生長季逐月需水量變化特征量Table 3 Monthly water demand variation characteristics during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

圖3 吉林省中西部玉米生長季水分虧缺量的變化Figure 3 Changes in water deficiency during the growing season of corn in the midwest of Jilin Province

采用兩因素方差分析法比較不同月份和不同城市間玉米生長季水分虧缺量的差異,通過主體間效應的檢驗結果可以看到(表4),不同月份的水分虧缺量差異顯著,不同城市間的水分虧缺量差異也顯著。

從多重比較結果看,空間上(表5),西部與中部的水分虧缺量差異顯著,而西部的兩個城市之間以及中部的兩個城市之間無顯著性差異。時間上(表6),5月和6月均與7月、8月的水分虧缺量差異顯著,而5月、6月、9月兩兩之間無顯著性差異,7月和8月、9月之間無顯著性差異,8月與9月的水分虧缺量差異顯著。

表4 主體間效應的檢驗Table 4 Testing of inter subject effects

表5 多重比較(空間)Table 5 Multiple comparisons(space)

表6 多重比較(時間)Table 6 Multiple comparisons(time)

3 討論與結論

3.1 討論

本文基于吉林省1980—2019年中西部的氣象數據和玉米生長期數據,分析了吉林省中西部玉米生長季的降水量、需水量、水分虧缺量的時空分布規律,以揭示吉林省中西部玉米的水分供需關系。

吉林省中西部玉米生長季需水量變化趨勢與降水量的變化幾乎一致,最高值集中在7月、8月,這與邱美娟等[5]的研究結果基本一致。但是邱美娟等[5]的研究表明玉米生長的前期和后期水分虧缺相對較重,而7月、8月水分虧缺相對較輕,與本研究結果不一致,導致這種結果的原因可能是兩者的研究年限不一樣。由于玉米生長季不同時段降水量和需水量的變化,相應水分虧缺量產生變化,吉林省中西部7月、8月降水量較多,但同時這一時期也是玉米生長最旺盛、對水分需求最多的時期,溫度在此時也最高,蒸發量大,因此其水分虧缺量也相對較大。缺水量能反映一個地區農作物生長季內所需的人工灌溉用水量,本研究指出7月降水量最多但是呈降低趨勢,需水量最高且呈增加趨勢,表明吉林省中西部玉米在7月的灌溉用水量未來可能會持續增加。

由于受站點數據獲取的限制,本文只選擇了吉林中西部地區各市代表站點分析研究,在一定程度上影響了計算結果的準確性。實際上,吉林省中西部范圍較廣,各地氣溫分布、海拔高度、植被覆蓋度等均存在一定差異,這些因素都會對研究結果的準確性有一定的影響。另外,本研究也沒有考慮降水強度大小的影響和自然降水形成的土壤底墑水對玉米需水量的影響。因此,將來的研究應綜合多方面因素加以考慮。

3.2 結論

(1)1980—2019年玉米生長季(5—9月)降水量總體呈現西部低、中部高的空間分布特征,除了白城市呈下降趨勢,其他均呈增加趨勢。各月降水量的空間分布與整個生長季相似,即西部低、中部高。7月降水量最多但呈下降趨勢,其次是8月和6月,5月和9月降水量相對最少,且多數呈增加趨勢。

(2)1980—2019年研究區域玉米生長季(5—9月)需水量的空間分布與降水量相反,呈西部高、中部低。松原市和四平市呈下降趨勢,白城市和長春市呈上升趨勢。各月需水量的空間分布與整個生長季相似,即西部高、中部低。7月需水量最高且呈增加趨勢,其次是8月,部分地區呈增加趨勢,5月和9月需水量相對都較少,且5月呈下降趨勢,9月呈增加趨勢。

(3)1980—2019年吉林省中西部玉米生長季水分虧缺量時空差異顯著?？傮w上,西部虧缺量較大,中部相對較小;7月、8月虧缺量相對較大,9月、6月和5月虧缺量相對較小。