邱美娟，郭春明，王冬妮，袁福香，曲思邈，任景全，李忠輝，穆 佳

(吉林省氣象科學(xué)研究所， 吉林 長春 130062)

吉林省是我國玉米主產(chǎn)區(qū)和重要的商品糧基地[1-2]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以雨養(yǎng)為主，降水是吉林省作物需水量的主要來源[3]，降水量地域間差異很大[4-5]，并且存在一定的年際波動，導(dǎo)致各地水分虧缺程度差異較大，因此研究吉林省有效降水量及水分虧缺指數(shù)的時空演變特征，對于指導(dǎo)當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)合理節(jié)水灌溉、緩解水資源的供需矛盾具有重要意義。

氣候變暖導(dǎo)致吉林省氣候和農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生了明顯變化[6]，降水、蒸散量等的變化可能引起作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和耗水量等產(chǎn)生相應(yīng)的變化[7-8]。近年來國內(nèi)外開展了大量有關(guān)作物生育期降水量、需水量和水分盈虧方面的研究[9-13]。在有效降水量研究方面，龐艷梅等[14]分析了四川盆地玉米有效降水量的變化特征，結(jié)果表明，近50年來，除乳熟到成熟期外，玉米全生育期及播種到乳熟期的有效降水量總體呈下降趨勢；李勇[15]等研究得出1961—2007年長江中下游地區(qū)早稻和單季稻生育期有效降水量均表現(xiàn)為增加趨勢，而晚稻生育期有效降水量表現(xiàn)為減少趨勢。在作物需水和水分盈虧變化研究方面，劉曉英[16]等計算了華北主要旱地作物冬小麥、夏玉米的需水量，并分析其變化趨勢；劉宏誼[17]等、楊艷昭[18]等和封志明[19]等采用農(nóng)田水量平衡模型，計算并分析了甘肅省春小麥、冬小麥等主要旱地作物的需水變化規(guī)律和水分盈虧特征；邵曉梅[20]等對黃河流域主要農(nóng)作物的降水盈虧格局進行了分析。以上關(guān)于作物有效降水量、需水量和水分盈虧方面的研究，均取得了一定的成果。而涉及吉林省，關(guān)于作物生育期降水量變化特征的研究較多[21-22]，但是對于作物生育期有效降水量和水分虧缺的研究還較少。

因此，本研究利用吉林省50個氣象站的氣象數(shù)據(jù)，采用作物蒸散和降水量的比率法計算有效降水量，進而計算水分虧缺指數(shù)，利用GIS的空間化技術(shù)，采用反距離加權(quán)(IDW，inverse distance weighted)插值法對各計算量的空間分布及其隨時間的變化趨勢進行插值，分析其時空演變特征，以期對吉林省有效降水量和水分虧缺情況的空間分布和時間演變特征有全面而詳細的了解，有助于深化對氣候變暖背景下的干旱發(fā)生規(guī)律的認識。

1 資料與方法

1.1 資料來源及處理

所用數(shù)據(jù)為吉林省1960—2015年50個氣象站逐日氣象資料，包括：平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、露點溫度、日照時數(shù)、降水量、風(fēng)速和相對濕度。圖1為研究區(qū)內(nèi)氣象站點分布。

圖1 氣象站點分布

Fig.1 Distribution of meteorological station

吉林省玉米生長季一般在5—9月，根據(jù)吉林省農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981—2014年玉米生育期觀測資料，假定研究時段內(nèi)玉米品種保持不變，確定玉米平均生育期。綜合玉米不同生育期對溫度要求的相關(guān)資料，將玉米生育期劃分為營養(yǎng)生長期(vegetative phase，從播種到拔節(jié)，5月上旬—6月下旬)、營養(yǎng)生長與生殖生長并進期(vegetative and reproductive phase，簡稱并進期，從拔節(jié)到開花，7月上旬—7月下旬)、生殖生長期(reproductive phase，從開花到成熟，8月上旬—9月下旬)3 個階段。計算玉米生長季及各階段的有效降水量、需水量以及水分虧缺指數(shù)。

氣象數(shù)據(jù)處理及玉米生長季有效降水量、需水量和水分虧缺指數(shù)的計算采用Fortran編程處理，空間分布采用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS作圖。

1.2 研究方法

1.2.1 有效降水量 作物生長期的有效降雨量指能夠提供給作物蒸發(fā)蒸騰，從而減少作物對灌溉水需求的雨量。對于旱作物，有效降雨量指總降雨量中能夠保存在作物根系層中用于滿足作物蒸發(fā)蒸騰需要的那部分雨量，不包括地表徑流和滲漏至作物根系吸水層以下的部分[23]。作物有效降雨量需逐時段(日、旬或月)計算，由于不同作物需水量不同，生長期內(nèi)的降雨量和降雨分布也有很大差別，因此，降雨的有效利用比例也因作物不同而異。研究表明，作物有效降雨量的計算方法與計算時段長度的選取有關(guān)，本研究以旬為單位，采用FAO參考作物蒸散量和降水量的比率法來計算有效降水量，逐旬有效降雨量可采用以下簡化方法計算[24]：

(1)

式中，Pei是逐旬有效降水量，mm；P是逐旬累積自然降水量，mm；Etc是逐旬作物需水量，mm。則玉米生育時段內(nèi)有效降水的計算公式：

(2)

其中，Pe是玉米生育時段內(nèi)的有效降水量，mm；n是該生育時段包含的旬數(shù)。

已有研究表明[25]，以旬為時段計算不同作物有效降雨量的簡化方法，其精度能夠滿足規(guī)劃和設(shè)計的要求。但當以日為計算時段時，該方法計算的有效降雨量會過小，而以月為計算時段時，該方法計算的有效降雨量會偏大。本研究中有效降雨量以旬為計算時段。

1.2.2 玉米需水量 作物需水量是指作物在土壤水分和養(yǎng)分適宜、管理良好、生長正常和大面積高產(chǎn)條件下棵間土面(或水面)蒸發(fā)量與植株蒸騰量之和。玉米生長季需水量利用FAO推薦的作物系數(shù)法計算：

ETc=Kc×ET0

(3)

式中，ET0是參考作物蒸散量，mm·d-1；ETc是作物需水量，mm·d-1；Kc是作物系數(shù)，本研究采用吉林省氣象局農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中應(yīng)用的Kc指標(表1)，該指標是通過不斷試驗調(diào)整，最后確定的一套指標。通過玉米生長季逐日需水量累積得到不同時段的需水量。

其中，參考作物蒸散量(ET0)也稱可能蒸發(fā)量或潛在蒸發(fā)量，計算ET0的方法很多，本研究采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的改進Penman-Monteith公式計算：

(4)

式中，Rn是作物表面凈輻射量，MJ·m-2；Δ是飽和水汽壓和溫度關(guān)系曲線的斜率，kPa·℃-1；T是平均空氣溫度，℃；es是空氣飽和水汽壓，kPa；ea是空氣實際水汽壓，kPa；γ是濕度計常數(shù)，kPa·℃-1；U2是地面之上2 m處的風(fēng)速，m·s-1。

表1 作物系數(shù)Kc Table 1 Crop coefficient (Kc)

1.2.3 水分虧缺指數(shù) 作物水分虧缺指數(shù)是表征作物水分虧缺程度的指標之一，在不考慮灌溉條件下作物水分虧缺指數(shù)可表達為：

(5)

式中，D為水分虧缺指數(shù)，D越大表示水分虧缺越明顯，ETc是玉米生育時段內(nèi)作物需水量，Pe是玉米生育時段內(nèi)有效降水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 有效降水量變化特征

1960—2015年吉林省玉米生長季有效降水空間分布如圖2a。吉林省玉米生長季平均有效降水量為242～374mm，平均值為321mm，總體上以東南部的舒蘭—吉林城郊—煙筒山—東豐—通化縣—集安—東崗—蛟河一帶以內(nèi)為中心，分別呈向西北、向東逐步遞減的趨勢。最高值在東崗，平均為364mm，其次是集安，為360mm；最低值分布在西部的鎮(zhèn)賚，平均為262mm,其次是白城，為265mm。對有效降水量隨年際變化趨勢的統(tǒng)計檢驗顯示，近56a來玉米生長季有效降水量的變化趨勢在-12.0～4.9mm·10a-1之間(圖3a)，除伊通、永吉和圖們生長季有效降水量呈不顯著的上升趨勢外，其余大部地區(qū)均呈下降趨勢，其中長嶺、農(nóng)安、德惠、榆樹、四平、梅河口、柳河、輝南和東崗等約18%的站點變化趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗。

1960—2015年吉林省玉米各生長階段有效降水的空間分布如圖2b～2d。由圖2b可見，營養(yǎng)生長期平均有效降水量為80～121mm，平均值為104mm，總體上分布特征與生長季一致，東南部高，向西北、向東呈逐步遞減的趨勢特點；營養(yǎng)生長與生殖生長并進期(圖2c)有效降水量為84～115mm,平均值為103mm，最高值分布在東崗，東部的和龍、龍井以東是平均有效降水最低的區(qū)域，最低值在圖們；生殖生長期(圖2d)平均有效降水量為84～132mm,平均值為113mm,最高值分布在柳河，最低值為鎮(zhèn)賚?？梢姡魃A段有效降水量的空間分布基本與生長季一致，但除了并進期有效降水最低區(qū)分布在東部外，其它各階段有效降水最低區(qū)均分布在吉林省的西部地區(qū)。比較玉米各生育階段有效降水量看出，生殖生長期有效降水總是大于營養(yǎng)生長期；中西部部分地區(qū)，并進期有效降水量最多；其它大部分地區(qū)并進期有效降水量最少。

圖3b～d為吉林省玉米各個生育階段有效降水量的氣候傾向率空間分布特征。營養(yǎng)生長期有效降水量氣候傾向率在-3.9～5.4mm·10a-1(圖3b)，中西部大部分地區(qū)、東部個別地區(qū)呈增加趨勢，增加的站點占總數(shù)的58%，但只有鎮(zhèn)賚通過0.05水平的顯著性檢驗；其余呈減少趨勢的站點均未通過任何水平的顯著性檢驗。并進期有效降水量氣候傾向率在-10.2～3.6mm·10a-1(圖3c),東部部分地區(qū)呈增加趨勢，但均未通過任何水平顯著性檢驗；全省大部呈減少趨勢，減少的站點總數(shù)的82%，其中有76%站點通過0.05水平的顯著性檢驗。生殖生長期氣候傾向率在-6.2～2.2mm·10a-1(圖3d),只有松原、四平、伊通、永吉、和龍等5個站呈不顯著增加趨勢；其余90%的站點均呈減少趨勢，且僅9%站點通過了0.05水平的顯著性檢驗。由統(tǒng)計結(jié)果可見，吉林省1960—2015年玉米并進期和生殖生長期的有效降水量總體呈減少趨勢，并進期的減少速率最快，而營養(yǎng)生長期中西部大部、東部個別地區(qū)的有效降水量呈增加趨勢。

圖2 1960—2015年玉米生長季有效降水量的空間分布Fig.2 Distribution characteristics of effective precipitation during maize growth season in 1960—2015

圖3 1960—2015年玉米生長季有效降水變化趨勢空間分布

Fig.3Spatialdistributionofthechangingtrendofeffectiveprecipitationduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.2 需水量變化特征

1960—2015年吉林省玉米生長季需水量空間分布如圖4a。吉林省玉米生長季平均需水量為452～637mm，平均值為523mm，總體上呈從東南到西北遞增的趨勢特征。需水量最多的是西部的洮南，最少的是東部的圖們。近56a吉林省玉米生長季需水量氣候傾向率在-16.5～10.3mm·10a-1(圖5a),其中，中西部大部、東部部分地區(qū)等80%的站點呈下降趨勢，并且有37.5%站點通過0.05水平的顯著性檢驗；呈上升趨勢的站點中只有長白通過了0.05水平的顯著性檢驗。

1960—2015年吉林省玉米各生長階段需水量的空間分布如圖4b～d。營養(yǎng)生長期平均需水量為150～231mm,平均為187mm,最高值分布在通榆，最低值在琿春；營養(yǎng)生長與生殖生長并進期需水量在127～183mm,平均值為151mm，最高值分布在洮南，最低值在琿春；生殖生長期需水量在164～225mm,平均值為185mm，最高值分布在洮南，最低值在靖宇?？傮w上，各個階段需水量的分布趨勢與生長季需水量分布趨勢一致，均呈由東南向西北遞增的趨勢特點。比較玉米各生育階段需水量看出，并進期需水量最少，中西部營養(yǎng)生長期需水量大于生殖生長期，東部地區(qū)營養(yǎng)生長期需水量小于生殖生長期。

圖5b～d為吉林省玉米各個生育階段需水量的氣候傾向率空間分布特征。營養(yǎng)生長期需水量氣候傾向率在-7.6～1.9mm·10a-1(圖5b)，且94%的站點呈下降趨勢，其中61.7%的站點通過0.05水平的顯著性檢驗；只有煙筒山、二道、長白呈上升趨勢，其中只有長白通過了0.05水平的顯著性檢驗。營養(yǎng)生長與生殖生長并進期需水量氣候傾向率在-4.7～3.2mm·10a-1(圖5c),呈下降趨勢的站點占78%，其中10%的站點通過0.05水平顯著性檢驗；呈上升站點中只有長白通過0.05水平的顯著性檢驗。生殖生長期需水量氣候傾向率在-4.2～5.2mm·10a-1(圖5d)，其中白城、扶余、農(nóng)安、德惠、雙遼、梨樹、四平和通化縣等8個站點呈下降趨勢，且扶余、農(nóng)安、雙遼的下降趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗；其余84%的站點呈上升趨勢，其中僅19%的站點上升趨勢通過了0.05水平的顯著性檢驗。可見，營養(yǎng)生長期和并進期需水量普遍呈下降趨勢，而生殖生長期需水量多數(shù)呈上升趨勢。

圖4 1960—2015年玉米生長季需水量的空間分布Fig.4 Spatial distribution of water requirement during maize growth season in 1960—2015

圖5 1960—2015年玉米生育期需水量變化趨勢空間分布

Fig.5Spatialdistributionofthechangingtrendofwaterrequirementduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.3 水分虧缺指數(shù)變化特征

1960—2015年吉林省玉米生長季水分虧缺指數(shù)空間分布如圖6a。全省玉米生長季水分虧缺指數(shù)在23%～58%，平均為37%，總體上呈東南向西部逐步遞增的趨勢特點，水分虧缺最嚴重的地區(qū)分布在西部的洮南，水分虧缺最輕的地區(qū)分布在東部的靖宇。玉米生長季水分虧缺指數(shù)氣候傾向率在-0.8～1.9·10a-1之間(圖7a)，其中只有扶余、雙遼、伊通、永吉、吉林城郊、和龍、龍井以及圖們等8個站點呈不顯著的下降趨勢；其余大部分地區(qū)水分虧缺指數(shù)呈上升趨勢，但只有長白通過了0.05水平的顯著性檢驗，且以1.9·10a-1的速率上升。

1960—2015年吉林省玉米各生育階段水分虧缺指數(shù)空間分布如圖6b～d。營養(yǎng)生長期水分虧缺指數(shù)在25%～63%(圖6b)，平均為42%，水分虧缺最嚴重的地區(qū)是白城，水分虧缺最輕的地區(qū)是東崗；營養(yǎng)生長與生殖生長并進期水分虧缺指數(shù)在17%～46%(圖6c)，平均為30%，水分虧缺最嚴重的地區(qū)分布在洮南，水分虧缺最輕的地區(qū)分布在靖宇；生殖生長期水分虧缺指數(shù)在24%～61%(圖6d)，平均為37%，最嚴重地區(qū)為洮南，最輕地區(qū)為靖宇。各階段水分虧缺指數(shù)總體上均呈由東南向西北逐步遞增的趨勢特點，與整個生長季的分布特征一致。比較各生育階段水分虧缺指數(shù)可知，營養(yǎng)生長期水分虧缺最嚴重，其次是生殖生長期。

1960—2015年吉林省玉米各生育階段水分虧缺指數(shù)變化趨勢空間分布如圖7b～d。營養(yǎng)生長期水分虧缺指數(shù)氣候傾向率在-2.9～1.4·10a-1(圖7b)，呈下降趨勢的站點占總站點數(shù)的84%，其中21%的站點通過了0.05水平的顯著性檢驗；其余呈上升趨勢的16%的站點中均未通過顯著性檢驗。營養(yǎng)生長與生殖生長并進期水分虧缺指數(shù)氣候傾向率在-2.5～5.7·10a-1(圖7c),且只有東部的永吉、安圖、和龍、龍井、琿春、延吉和圖們呈不顯著的下降趨勢；其余86%的站點均呈上升趨勢，僅有16%的站點上升趨勢通過0.05水平的顯著性檢驗。生殖生長期水分虧缺指數(shù)氣候傾向率在-1.5～3.6·10a-1(圖7d),其中，松原、雙遼、四平、永吉和吉林城郊呈不顯著下降趨勢；其它90%的站點均呈上升趨勢，其中僅11%的站點通過0.05水平的顯著性檢驗。由以上分析可見，營養(yǎng)生長期水分虧缺指數(shù)以下降趨勢為主，而并進期和生殖生長期水分虧缺指數(shù)以上升趨勢為主。

圖6 1960—2015年玉米生長季水分虧缺指數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of water deficit index during maize growth season in 1960—2015

圖7 1960—2015年玉米生育期水分虧缺指數(shù)變化趨勢空間分布

Fig.7Spatialdistributionofthechangingtrendofwaterdeficitindexduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.4 典型站點玉米生長季水分變化特征

為深入比較吉林省不同區(qū)域玉米生長季內(nèi)有效降水、需水和水分虧缺情況，選取3個典型站點進行分析，分別為西部的白城、中部的公主嶺、東部的靖宇。典型站點玉米生長季內(nèi)有效降水量、需水量、水分虧缺指數(shù)如表2所示。由表2可見，從不同站點看，玉米生長季和各生育階段有效降水量由西向東呈增加趨勢，需水量由西向東呈減少趨勢，因而西部白城水分虧缺最嚴重，其次是中部公主嶺。從不同生育階段看，營養(yǎng)生長期和生殖生長期需水量較多，水分虧缺相對嚴重，而并進期需水量相對較少，水分虧缺較輕。

3 結(jié)論與討論

通過對1960—2015年吉林省玉米生長季及不同生育階段有效降水、需水量及水分虧缺指數(shù)的變化特征的分析研究，得出以下主要結(jié)論：

1960—2015年吉林省玉米生長季平均有效降水量為242～374mm，總體上以東南部為中心，分別呈向西北、向東逐步遞減的趨勢。其它各生育階段空間分布特征與生長季一致，但并進期有效降水最低區(qū)分布在東部，其它各階段有效降水最低區(qū)均分布在吉林省的西部地區(qū)。近56a來玉米生長季有效降水量的變化趨勢在-12.0～4.9mm·10a-1之間，總體呈下降趨勢。玉米并進期和生殖生長期的有效降水量普遍呈下降趨勢，而營養(yǎng)生長期中西部大部、東部個別地區(qū)的有效降水量呈上升趨勢。

1960—2015年吉林省玉米生長季平均需水量為452～637mm，其它各生育階段需水量的分布趨勢與生長季需水量分布趨勢一致，均呈由東南向西北遞增的趨勢特點。比較玉米各生育階段需水量看出，并進期需水量最少，中西部營養(yǎng)生長期需水量大于生殖生長期，東部地區(qū)營養(yǎng)生長期需水量小于生殖生長期。近56a吉林省玉米生長季需水量氣候傾向率在-16.5～10.3mm·10a-1，以下降趨勢為主。營養(yǎng)生長期和并進期需水量普遍呈下降趨勢，而生殖生長期需水量多數(shù)呈上升趨勢。

表2 吉林省典型站點玉米生長季及不同生育階段的有效降水量、需水量、缺水量及水分盈虧指數(shù)Table 2 Effective precipitation, water requirement, water deficit and water deficit index of maize ingrowing season and different growth stages of the typical sites in Jilin Province

1960—2015年吉林省玉米生長季水分虧缺指數(shù)在23%～58%，各階段水分虧缺指數(shù)總體上均呈由東南向西北逐步遞增的趨勢特點，與整個生長季的分布特征一致。營養(yǎng)生長期水分虧缺最嚴重，其次是生殖生長期。玉米生長季水分虧缺指數(shù)氣候傾向率在-0.8～1.9·10a-1之間，總體以上升趨勢為主。營養(yǎng)生長期以下降趨勢為主，而并進期和生殖生長期以上升趨勢為主。

研究指出，由于吉林省的特殊氣候條件，中西部是有效降水量的低值區(qū)，卻是需水量的高值區(qū)，因而導(dǎo)致吉林省中西部水分虧缺嚴重，而東部是有效降水量的高值區(qū)，需水量的低值區(qū)，水分虧缺相對較輕。

本文采用FAO推薦的Penman-Monteith方法計算作物需水量、參考作物蒸散量和降水量的比率法計算有效降水量時，該方法是目前得到公認和普遍推廣的方法之一。但是，由于研究區(qū)域涉及全省，而全省的地形、地貌區(qū)域差異性比較大，Penman-Monteith公式的a，b系數(shù)采用的是推薦值，有效降水也沒有考慮到降水強度和地表徑流的影響，因此計算精度肯定會存在一定的誤差，在以后的研究中應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的具體情況進一步深入研究。

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