孫 朋, 謝新洲,2, 劉 娜, 蘇海民

(1. 宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院, 安徽 宿州 234000;2. 安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 安徽 蕪湖 241002)

近百年來,全球平均氣溫升高0.78 ℃, 且近50年氣溫升高的速度達(dá)到近百年來氣溫升高速度的2倍[1], 氣候變暖導(dǎo)致氣溫等因子節(jié)律的變化, 因而使作物生長期需水量產(chǎn)生變動. 作物需水量指的是農(nóng)田中未遭受病蟲害的作物, 當(dāng)土壤含水量及肥力適合作物生長時的葉面蒸騰量和棵間蒸發(fā)量之和, 是作物特性和環(huán)境彼此作用的后果[2].

近些年以來,對于作物需水量和有效降水量的探討被諸多國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[3-5].韓宇平等[6]分析了淮河地區(qū)近50a的氣象數(shù)據(jù),采用彭曼公式和作物系數(shù)分析了淮河地區(qū)主要作物的需水量以及變化規(guī)律;王曉東等[7]使用淮河流域171個氣象站的資料,對作物需水量和有效降水量進(jìn)行計算,得到了淮河流域主要作物水分盈虧情況;李勇等[8]對長江中下游水稻的有效降水量和作物需水量進(jìn)行研究,分析不同地區(qū)、不同品種水稻的缺水量,該方法在安徽、貴州等地區(qū)被推廣使用[9-11];胡慧杰等[12]使用SIMETAW模型對東北地區(qū)大豆需水量進(jìn)行計算;高超等[13]基于淮河站點55a氣象資料,利用彭曼公式分析夏玉米各生長期需水量和水分盈虧指數(shù),預(yù)估了淮河流域夏玉米生長期干旱發(fā)生的可能性.

綜上發(fā)現(xiàn),以往缺少對典型氣候區(qū)的研究. 蚌埠市是安徽省的農(nóng)業(yè)大市,位于淮河中下游, 河湖眾多, 流經(jīng)該地水量充足, 但該地調(diào)蓄能力不足, 水資源利用能力弱, 加之水污染嚴(yán)重,水資源問題依舊突出[14]. 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 農(nóng)村人口遷至城鎮(zhèn), 水資源需求量加大, 農(nóng)業(yè)用水進(jìn)一步減少.這種情勢下,研究作物需水量, 分配水資源尤為重要, 且蚌埠地處中國南北分界地帶, 水田與旱田并存, 因而本文以淮河流域的蚌埠市作為案例, 以種植面積較大的水稻和冬小麥作為對象開展探究.

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

蚌埠市坐落于安徽省東北部,經(jīng)緯坐標(biāo)為32°43′～33°30′N,116°45′～118°04′E之間,全市東西跨度最長為135 km,南北最長距離為86.5 km.總面積為5 952 km2.蚌埠位于800 mm等降水量線,即淮河中游兩岸,具有重要的戰(zhàn)略地位.蚌埠位于季風(fēng)氣候區(qū),風(fēng)向有季節(jié)性變化特征,一年中以東北風(fēng)最多,夏季盛行風(fēng)向為偏南風(fēng),冬季盛行風(fēng)向為偏北風(fēng),全市年際間平均降水量為920 mm.蚌埠市汛期為每年5—9月,在此期間平均降水量比例高達(dá)全年的69%,9月—次年4月為干旱期.多年平均日照時數(shù)為2 167 h,且年際日照時數(shù)變化很大.1月日均溫僅1 ℃,7月日均溫為28.1 ℃.2017年蚌埠市水稻種植規(guī)模為11.2萬公頃,小麥種植規(guī)模為24.8萬公頃.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選擇的數(shù)據(jù)來源于蚌埠市氣象局, 該數(shù)據(jù)測量時間久,科學(xué)性強(qiáng), 本文運用了 1959—2017 年逐日氣象觀測資料, 其中有日最高、最低氣溫,風(fēng)速,氣壓,日照時長等. 氣象數(shù)據(jù)在發(fā)布前已經(jīng)過檢驗. 作物生育期數(shù)據(jù)查找自蚌埠市農(nóng)業(yè)林業(yè)局, 對2種主要作物(水稻、冬小麥)生長期時間進(jìn)行收集整理后取均值, 統(tǒng)計結(jié)果如表1所示. 其中水稻和冬小麥的作物系數(shù)變化主要分為生長初期(S1)、生長中期(S2)和成熟期(S3)共3個階段.

表1 2種主要作物生長日期Table 1 Growth dates of two main crops

2 研究方法

2.1 作物需水量計算

美國灌溉與水文技術(shù)委員會測得FAO-56推薦的彭曼公式計算作物蒸散量,在不同的情境下都與實測值較為接近.因此,本文應(yīng)用彭曼公式來計算.該方法運用難度低,被大量應(yīng)用于作物需水量的計算[15].FAO-56推薦使用的公式為

(1)

式中:ET0為參考作物蒸散量,mm;Δ為飽和水汽壓和溫度曲線的斜率值,kPa ·℃-1;γ為濕度計常數(shù);G是土壤熱通量,MJ·m-2·d-1;u2為離地2 m處風(fēng)速,m·s-1;Rn為表面凈輻射量,MJ·m-2;es為大氣飽和水汽壓,kPa;t為日平均氣溫,℃;ea為實際水汽壓,kPa ·℃-1.

聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織表示,在供水充足的情況下,通常把某一時間段作物系數(shù)與作物蒸散量之積作為它某一時間段需水量.如式(2).

ETC=KCET0.

(2)

式中:KC為作物系數(shù);ETC為該時段作物需水量,mm;ET0為該時段作物蒸散量,mm.

2.2 有效降水量計算

有效降水量特指旱地作物用來滿足作物蒸騰需要的那部分的降水量(不包含淋洗鹽分所需的降水深層滲漏部分以及地表徑流和滲漏到作物根系以下部分).降水的有效性不僅和眾多因素相關(guān),鑒于影響有效降水量的因素眾多,因此很難準(zhǔn)確地計算,所以本文采用式(3)經(jīng)驗公式[4]

Pe=α×P.

(3)

式中:α是有效降水系數(shù);Pe是有效降水量,mm;P是降水總量,mm.

通過分析土壤儲水量和降水量關(guān)系可以得出有效降水系數(shù).淮河流域大部分是平原,土壤主要是水稻土和沙壤土2種,安徽淮北地區(qū)的土壤類型具有代表性,所以本文應(yīng)用2011年安徽省淮北地區(qū)的土壤水分觀測數(shù)據(jù),并得到了有效降水系數(shù)(α)與日降水量之間的相關(guān)方程.由于小于5 mm的降水量被視為無效降水[16],因此,有效降水系數(shù)可表示為

(4)

式中:α為有效降水系數(shù);P為降水總量,mm.

2.3 缺水量計算

作物缺水量是指不同生長階段作物需水量與有效降水量之差,

W=ETC-Pe.

(5)

若W<0,則表示作物不缺水;若W=0,則表示水分供需平衡;若W>0,則表示作物缺水,需進(jìn)行灌溉.

2.4 分段單值平均系數(shù)法

分段單值平均作物系數(shù)法是指一種只需要較少數(shù)據(jù)且比較容易的計算作物系數(shù)的辦法,可以大量地運用于作物需水量的研究.該方法是按照各生長階段土壤蒸發(fā)與葉子表面蒸騰的關(guān)系,用某一階段平均數(shù)表達(dá)該時段的作物系數(shù)[17].

作物系數(shù)受到了作物生長期、類別、地域差異等方面的影響,情況不同作物系數(shù)亦不同.作物系數(shù)體現(xiàn)了作物自身特點對需水量的作用[18].本文采用分段單值平均系數(shù)法計算,通過表1作物生長期情況,得到2種主要作物不同階段的作物系數(shù).結(jié)果如表2所示.

表2 2種作物不同生長期作物系數(shù)

2.5 曼-肯德爾(M-K)法

曼-肯德爾(M-K)法適用于檢測氣溫、降水、徑流等要素的長時間變化趨勢和突變情況,該方法對樣本具體分布情況不作要求,且不被少數(shù)的異常數(shù)值影響.M-K突變檢驗法應(yīng)用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)計算,得到UK和UF曲線,若UK、UF的數(shù)值大于0,就代表序列的上升變化趨勢,小于0就代表序列的下降趨勢.若UK和UF曲線相交,該交叉點所對應(yīng)的時間點就是突變開始時刻[19].本文計算方法參考了文獻(xiàn)[20]中的M-K突變檢驗法對水文時間序列的研究.

3 結(jié)果與分析

3.1 作物需水量分析

依據(jù)蚌埠市氣象站近60a的氣象資料, 通過式(1)可得1959—2017年蚌埠市蒸散量, 具體變化形式如圖1所示. 近60a蚌埠市年蒸散量整體變化趨勢較小, 蒸散量以3.6 mm·10a-1的幅度不明顯上升, 年平均蒸散量是1 042.1 mm. 蚌埠市年蒸散量最低為912.1 mm, 出現(xiàn)在1985年. 年蒸散量最高值出現(xiàn)在1994年, 最高值為1 191.5 mm,高于年際平均蒸散量149.4 mm. 年際變化波動較小, 從整體看呈現(xiàn)出增減交替趨勢.

圖1 1959—2017年蚌埠市蒸散量變化趨勢Fig.1 Trends in the amount of evapotranspiration in Bengbu City from 1959 to 2017

依據(jù)表2所得結(jié)果,處于不同生長期的冬小麥KC在[0.63,1.36]區(qū)間內(nèi)變化,水稻KC在[1.02,1.29]區(qū)間內(nèi)變化.通過式(2)可得1959—2017年蚌埠市2種作物不同階段的作物需水量數(shù)值如圖2所示.縱觀60年以來,不同生長期水稻和冬小麥的平均需水量為181.0、192.6 mm,并且水稻的需水量在不同階段的差異較大.生長初期,2種作物需水量有所差異,水稻需水量大于冬小麥.冬小麥在生長初期的需水量最大,是平均需水量的171.3%,是下一階段需水量的147.3%.生長中期冬小麥需水量大于水稻,水稻的需水量相對于生長初期減少了58.3%.成熟期2種作物需水量皆大量減少.

運用式(1)、式(2)計算2種主要作物1959—2017年的作物需水量,變化如圖3和圖4所示.總體上, 2種作物需水量的變化都是高低起伏的趨勢.水稻需水量呈現(xiàn)6.3 mm·10 a-1的下降趨勢,需水量多年均值為543.3 mm;1959—1979年呈現(xiàn)幅度較小的減少趨勢;1980—1994年呈現(xiàn)幅度較小增加趨勢;1995年以后水稻需水量呈現(xiàn)幅度較小減少趨勢,1959—2017年共出現(xiàn)6個突變點,突變點集中在1960—1970年及1990—2000年;最大需水量為695.3 mm,出現(xiàn)在1959年;最小需水量為428.0 mm,出現(xiàn)在1980年.冬小麥需水量以9.2 mm·10 a-1呈增加趨勢,需水量均值為577.4 mm;1964—1976年呈幅度較小減少趨勢;1977—2003年呈幅度較小增加趨勢,在1988年出現(xiàn)1個突變點;2004年至今呈幅度較大的增加趨勢;需水量最大值為685.5 mm,出現(xiàn)在2010年;需水量最小值為486.8 mm,出現(xiàn)在1971年.

圖2 1959—2017年不同生長期作物需水量變化

Fig.2 Changes of crop water requirement at different growth stages from 1959 to 2017

圖5為蚌埠市水稻和冬小麥需水量百分比圖,如圖5所示,1959—2017年蚌埠市冬小麥需水量比例與水稻需水量大致相當(dāng).其中1959年水稻需水量所占比例最大,為57%,2003年水稻需水量所占比例最小,為42%.二者比例整體呈增減交替趨勢.

圖3 1959—2017年蚌埠市主要作物需水量變化趨勢(水稻、冬小麥)Fig.3 Water requirement trend of main crops in Bengbu City from 1959 to 2017 (rice and winter wheat)

圖4 1959—2017年蚌埠市水稻、冬小麥需水量M-K檢驗Fig.4 M-K test of water requirement of rice and winter wheat in Bengbu City from 1959 to 2017

圖5 1959—2017年蚌埠市2種主要作物需水量百分比Fig.5 Percentage of water requirement of two main crops in Bengbu City from 1959 to 2017

3.2 作物有效降水量分析

如圖6所示,不同生長階段水稻、冬小麥有效降水量的均值分別為179.6、105.1 mm,其中生育初期2種作物的有效降水量最高,生長中期和成熟期有所下降. 生長初期冬小麥的有效降水量為均值的198.6%,水稻的有效降水量為均值的213.2%,成熟期與生長中期有效降水量大量減少.

圖6 1959—2017年不同生長期有效降水量變化

Fig.6 Diagram of effective rainfall variation in different growth periods from 1959 to 2017

通過對水稻和冬小麥的作物系數(shù)和需水量計算分析, 運用式(3)、式(4),可得蚌埠市2種主要作物1959—2017年有效降水量增減趨勢圖, 如圖7和圖8所示. 從年際變化來看,水稻變化趨勢大于冬小麥變化趨勢. 其中,水稻有效降水量以21.3 mm·10 a-1呈現(xiàn)較大幅度增加趨勢,有效降水量多年均值為538.6 mm; 1959—1991年呈升降交替趨勢; 1992—2007年呈小幅度增加趨勢; 2008年至今呈小幅度減少趨勢; 1966年有效降水量值最少,僅為178 mm ;2007年有效降水量最大,為943 mm; 1959—2017年共出現(xiàn)8次突變點, 突變點集中在1960—1970年及1985—1995年.冬小麥有效降水量以8.7 mm·10 a-1的幅度明顯增加; 有效降水量多年均值為315.4 mm. 1959—1991年呈升降交替趨勢,1992—2011年呈現(xiàn)小幅度減少趨勢; 2010—2017年呈現(xiàn)小幅度增加趨勢; 2010年有效降水量最低,為88 mm;1997年有效降水量最高,為597 mm; 1959—2017年共出現(xiàn)10次突變點,突變點集中在1980—1990年.

圖7 1959—2017年蚌埠市主要作物有效降水量變化(水稻、冬小麥)Fig.7 Schematic map of effective rainfall change of main crops in Bengbu City from 1959 to 2017(rice and winter wheat)

圖8 1959—2017年蚌埠市水稻、冬小麥有效降水量M-K檢驗Fig.8 M-K test of effective rainfall of rice and winter wheat in Bengbu City from 1959 to 2017

圖9為蚌埠市水稻和冬小麥有效降水量百分比圖,如圖9所示,水稻有效降水量比例大于小麥有效降水量,水稻有效降水量約占二者之和的62%.其中1991年水稻所占有效降水量比例最大,為83%;1994年所占比例最小,為39%.

圖9 1959—2017年蚌埠市2種作物有效降水量百分比變化Fig.9 Percentage change of effective rainfall of two crops in Bengbu City from 1959 to 2017

3.3 作物缺水量分析

圖10為蚌埠市水稻和冬小麥不同生長期的缺水量變化示意圖.不同生長期水稻和冬小麥平均缺水量分別為1.5和87.3 mm.生長中期水稻和冬小麥缺水量最多,分別為23.6和150.2 mm,分別是平均缺水量的1 573.3%和172.0%.水稻生長初期缺水量最小,缺水量為-22.8 mm,冬小麥成熟期缺水量最小為-8.2 mm.

圖10 1959—2017年不同生長期作物缺水量變化

Fig.10 Changes of water deficit in different growingperiods from 1959 to 2017

依據(jù)式(5)計算1959—2017年蚌埠市缺水量,并做出作物缺水量變化圖.結(jié)果如圖11和圖12所示.冬小麥的需水量遠(yuǎn)超過有效降水量,故冬小麥的缺水量大于0.水稻的不同生長期缺水量差距不大且缺水量都較小,需水量和有效降水量大致相當(dāng),大體上處于不缺水的狀態(tài).水稻缺水量整體以-27.5 mm·10 a-1呈小幅度下降的趨勢,缺水量均值為4.7 mm;1959—1978年呈升降交替變化趨勢;1979—1991年呈小幅度減少趨勢;1993—2001年呈小幅度增加變化趨勢;2002—2017年升降交替變化趨勢;1959—2017年共出現(xiàn)14個突變點,突變點集中在1960—1975年及1985—1995年;最大缺水量為476.6 mm,出現(xiàn)在1966年;最小缺水量為-449.4 mm,出現(xiàn)在2007年.冬小麥缺水量整體上以0.5 mm·10 a-1呈小幅度增加的變化趨勢,缺水量多年均值為262.0 mm;1959—1977年呈小幅度減少的變化趨勢;1978—2004年呈小幅度增加的變化趨勢;2004—2017年呈小幅度減少的變化趨勢;1959—2017年共出現(xiàn)10個突變點,突變點集中在1960—1970年及1980—1995年;最大缺水量為597.5 mm,出現(xiàn)在2010年;最小缺水量為-51.4 mm,出現(xiàn)在1997年.

圖11 1959—2017年蚌埠市2種主要作物的缺水量變化Fig.11 Schematic map of water shortage change of two main crops in Bengbu City from 1959 to 2017

圖12 1959—2017年蚌埠市水稻、冬小麥缺水量M-K檢驗Fig.12 M-K test of water deficiency of rice and winter wheat in Bengbu City from 1959 to 2017

如圖13所示,1959—2017年中水稻有29a處于不缺水狀態(tài),冬小麥僅2a處于不缺水狀態(tài).在小麥和水稻缺水的年份中,冬小麥缺水比例在1959—1970年之間呈小幅度增長;1971—1993年呈增減交替趨勢;1994—2017年呈小幅度降低趨勢;在1970年達(dá)到最大比例為99%;在1974年達(dá)到最小比例為28%.水稻缺水比例在1959年達(dá)到最大為75%;在1977年達(dá)到最小比例為5%.

圖13 1959—2017年蚌埠市2種作物缺水量百分比Fig.13 Diagram of water deficiency percentage of two crops in Bengbu City from 1959 to 2017

4 結(jié) 論

1) 據(jù)作物需水量研究顯示,近60a來蚌埠市水稻需水量呈不顯著減少的變化趨勢,冬小麥需水量呈不顯著增加的變化趨勢,冬小麥需水量均值大于水稻.其中水稻最大需水量為695.3 mm;最大比例為57%,出現(xiàn)在1959年;突變點集中在1960—1970年、1990—2000年.冬小麥最大需水量為685.5 mm,出現(xiàn)在2010年;需水量最大比例為58%,出現(xiàn)在2003年;在1988年出現(xiàn)突變點.從不同的生長期看作物需水量的變化,生長初期和成熟期水稻需水量大于冬小麥,生長中期冬小麥需水量大于水稻.

2) 據(jù)有效降水量研究顯示,1959—2017年蚌埠市水稻與冬小麥的有效降水量都呈小幅度增加的變化趨勢,天然降水量逐漸增加.水稻有效降水量均值大于小麥,其中水稻最大有效降水量出現(xiàn)在2007年,降水量為943 mm;最大降水比例為83%,出現(xiàn)在1991年;突變點出現(xiàn)在1960—1970年、1985—1995年.冬小麥的最大有效降水量出現(xiàn)在1997年,降水量為597 mm;最大降水比例為61%,出現(xiàn)在1994年;突變點集中在1980—1990年.從不同生長期看來,2種作物有效降水量峰值都出現(xiàn)在生長初期.

3) 作物缺水量研究表明,水稻缺水量呈下降趨勢,冬小麥缺水量呈上升趨勢,冬小麥缺水量均值大于水稻.水稻最大缺水量出現(xiàn)在1966年,缺水量為476.6 mm,最小缺水量出現(xiàn)在2007年,缺水量為-449.4 mm,最大缺水比例為75%,出現(xiàn)在1959年;突變點集中在1960—1975年、1985—1995年.冬小麥最大缺水量出現(xiàn)在2010年,缺水量為597.5 mm,最小缺水量出現(xiàn)在1997年,缺水量為-51.4 mm,最大缺水比例為99%,出現(xiàn)在1970年;突變點集中在1960—1970年、1980—1995年.水稻和冬小麥最大缺水量都出現(xiàn)在生長中期.