張建濤,李國強,臧賀藏,張 杰,趙 晴,陳丹丹,王 猛,鄭國清
(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450008)
【研究意義】花生是我國重要的經(jīng)濟作物和油料作物,其總產(chǎn)量居我國油料作物之首,在我國種植業(yè)結(jié)構(gòu)中占有重要地位[1]。河南是我國第一花生生產(chǎn)大省,2011-2015年花生年均種植面積、總產(chǎn)分別占全國的22 %和28 %,已成為河南繼小麥、玉米之后的第三大農(nóng)作物[2],花生的穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)對我省乃至全國的油料供應(yīng)具有重要的意義。河南屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),光熱資源豐富,雨熱同季,降水量年際間變化較大且集中在夏季,是我國氣候變化敏感區(qū)之一[3]。在氣候變化背景下,研究河南省不同區(qū)域花生生育期的水分供需狀況,對優(yōu)化花生種植規(guī)劃與布局,提高水資源利用率具有重要的意義?!厩叭搜芯窟M展】作物水分供需狀況在時間和空間上存在變異性和規(guī)律性,國內(nèi)外研究者對不同區(qū)域小麥[4-7]、玉米[8-11]、水稻[12-14]、棉花[15-16]近幾十年需水量的變化規(guī)律進行了大量的研究。河南是我國糧食的主產(chǎn)區(qū),氣候變化背景下河南主要作物需水量的研究較多。姬興杰等[17]利用30個氣象站點1981-2010年的氣象數(shù)據(jù)分析了30年來河南冬小麥需水量和缺水量的時空變化特征,并對其主要影響因子進行了探討。宋妮等[18]基于河南省17 個氣象監(jiān)測站點 1961-2012 年逐旬氣象數(shù)據(jù),分析了河南省冬小麥需水量近 51 年來的時空分布特征、變化規(guī)律及其主要影響因素。楊曉琳等[3,19]利用黃淮海50個站點1960-2009年氣象數(shù)據(jù)研究了該區(qū)域冬小麥、夏玉米和春玉米生育期需水量、適宜灌溉量的時空變化趨勢,各主要氣象因子時空變化趨勢以及需水量與氣象因子的相關(guān)性。劉曉英等[20-21]用6個城市氣象站(北京、天津、石家莊、鄭州、濟南和太原)分析了華北平原冬小麥和夏玉米近 50 年需水量的變化趨勢和原因。關(guān)于花生需水量在氣候變化背景下的變化規(guī)律,國內(nèi)研究較少,周迎平等[22]利用河南12個站點1971-2010年氣象數(shù)據(jù)分析了小麥、玉米、棉花、花生生育期需水量的變化規(guī)律;閻苗淵等[23]采用人民勝利渠灌區(qū)52年氣象資料,分析灌區(qū)主要作物(水稻、玉米、棉花、花生)需水量、灌溉需水量和相應(yīng)生育期內(nèi)氣象要素的變化趨勢及其相關(guān)性?!颈狙芯壳腥朦c】綜上所述,氣候變化背景下作物需水量的研究已經(jīng)成為當今農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的熱點,花生作為重要的油料作物,對其需水量的變化規(guī)律研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此,本文利用河南省17個氣象站點的逐日氣象數(shù)據(jù),計算并分析1960-2009年夏花生需水量、有效降水量、缺水量的變化趨勢和空間分布變化特征,為在氣候變化背景下優(yōu)化花生種植區(qū)劃調(diào)整、提高水資源利用效率、更好的發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)提供重要的參考。
本研究所用氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),包括河南省17個地面觀測站 1960-2009 年逐日氣象資料,主要有最高氣溫(℃) 、最低氣溫(℃) 、10 m 高處平均風(fēng)速(m·s-1) 、相對濕度(% ) 、日照時數(shù)(h) 、降雨量等。夏花生作物系數(shù)參考采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織Food and Agriculture Organization of the United Nations(FAO)推薦的參考值,空間圖形數(shù)據(jù)主要參照 1∶400 萬的全國政區(qū)圖。
1.2.1 花生需水量計算 花生生育期內(nèi)逐日需水量(ETc)計算公式如下:
ETc=Kc×ET0
(1)
式中:ET0為參考作物需水量,采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith(簡稱:PM)公式計算[24],見式(2);Kc為花生作物系數(shù),參考FAO推薦值,6月為0.40,7-8月為1.15,9月為0.60。河南花生種植分春播花生和夏播花生。夏播花生一般在小麥收獲后種植,生育期時間與河南各地夏玉米生育期時間基本重合,因此河南夏花生生育期一般為6-9月。
ET0={0.408Δ(Rn-G)+γ[900/(T+273)]u2(es-ea)}/Δ+γ(1+0.34u2)
(2)
式中:ET0是參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm ·d-1),Rn是各站作物冠層頂?shù)膬糨椛?MJ · m-2·day-1),G是土壤熱流強度,也叫土壤熱通量(MJ · m-2·day-1),γ為干濕表常數(shù)(kPa ·℃-1),u2是地面以上2 m處的風(fēng)速(m· s-1),es是飽和水汽壓(kPa),ea是實際水汽壓(kPa),△是飽和水汽壓一溫度曲線斜率(kPa ·℃-1),T是平均氣溫(℃)。公式中各參數(shù)計算過程見文獻[25],其中,太陽輻射項Rn計算公式如下:
(3)
式中,Rns、Rnl、Ra、Rs、Rso分別為凈短波輻射、凈長波輻射、碧空太陽總輻射、短波輻射、晴空太陽輻射(MJ/m2·d);a、b系數(shù)為根據(jù)日照時數(shù)估算太陽總輻射的系數(shù),根據(jù)地點、季節(jié)取值不同;n為日實際平均日照時數(shù),h;N為不同緯度每天可能的理論日照時數(shù);σ為 Stefan-Boltzmann常數(shù),為 4.903×10-9MJ/K4·m2·d;Tmax,K、Tmin,K分別為最大、最小絕對溫度(K=℃+273.16)。
1.2.2 有效降水量計算 作物生長期的有效降水量指總降水量中能夠保存在作物根系層中用于滿足作物蒸發(fā)蒸騰需要的降水量,不包括地表徑流和滲漏至作物根系吸水層以下的部分。本研究以旬為單位,采用 FAO推薦的參考作物蒸散量和降水量的比率法來計算有效降水量[8,26]。
(4)
(5)
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);Pe是作物生育期內(nèi)有效降水量(mm),i為夏花生生育期的旬數(shù)。
1.2.3 花生缺水量計算 缺水量為夏花生生育期內(nèi)需水量和同期有效降水量的差值,可以采用下式計算[8]。
WD=ETc-Pe
(6)
式中:WD為生育期內(nèi)缺水量(mm);Pe是作物生育期內(nèi)有效降水量,(mm);ETc為作物生育期內(nèi)需水量,正值表示夏花生需水量大于有效降水量,即有效降水不能滿足夏花生需水要求,而負值表示有效降水能夠滿足夏花生需水要求。
1.2.4 時間序列分析法 采用時間序列分析法中的氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率分析夏花生需水量、有效降水量、缺水量的年際變化趨勢[18]。氣候傾向率是指根據(jù)某一氣候變量的趨勢變化,建立Xi和ti間的一元線性回歸方程:
Xi=a+bti(i=1, 2, …,n)
(7)
式中:ti是Xi對應(yīng)的時間變化;Xi是氣候變量;n是樣本量;a與b是回歸系數(shù),當b為正或負時,表示要素在計算時段內(nèi)線性增加或減弱。10b即表示氣候傾向率,表示要素每10年的變化率。
氣候趨勢系數(shù)(rt) 為n個時刻(年) 所對應(yīng)的要素序列與自然數(shù)列 1,2,…,n的相關(guān)系數(shù):
(8)
1.2.5 空間分布圖繪制 采用 ArcGIS 軟件中地理統(tǒng)計分析的樣條函數(shù)方法繪制河南省17個站點不同年代的夏花生需水量、有效降水量、缺水量的空間分布圖。
2.1.1 需水量 由表1可知,河南17個站點1960-2009年及各個年代夏花生需水量均值在350.6~493.1 mm,其中,三門峽各個年代最高,欒川1960s、1970s、1990s和1960-2009年最低,盧氏1980s、2000s最低。1960-2009年,盧氏、欒川的夏花生需水量均低于400 mm,分別為386.5和378 mm,欒川最低,其余站點均高于400 mm,三門峽站最高,為452.1 mm。從代際差異來看,1960s河南17個站點夏花生需水量最高,2000s夏花生需水量最低的站點最多,為14個(盧氏、欒川、西峽除外)。從年際變化趨勢來看,1960-2009年,河南17個站點夏花生需水量氣候傾向率在-5.5~-24.5,全都隨年份呈下降趨勢,欒川呈顯著下降趨勢,其余16個站點呈極顯著下降趨勢。夏花生需水量隨年份下降最快的為商丘,平均每10年下降24.5 mm,寶豐次之,平均每10年下降23.1 mm;下降最慢的為欒川,平均每10年下降5.5 mm,新鄉(xiāng)次之,平均每10年下降9.9 mm。
表1 夏花生需水量年代均值及年際變化趨勢
2.1.2 有效降水量 由表2可知,河南17個站點1960-2009年及各個年代夏花生有效降水量均值在198.0~276.7 mm。從代際差異來看,不同年代有效降水量最高值、最低值均為不同站點,其中,1990s孟津站、2000s三門峽站有效降水量低于200 mm,其它年代各站點均大于200 mm。從年際變化趨勢來看,1960-2009年,盧氏、南陽、許昌、鄭州、駐馬店夏花生有效降水量氣候傾向率為正值,介于0.2~4.6,其它站點為負值,介于-1.3~-5.7,但是所有站點的變化趨勢均不顯著。
表2 夏花生有效降水量年代均值及年際變化趨勢
2.1.3 缺水量 由表3可知,河南17個站點1960-2009年及各個年代夏花生缺水量均值在88.2~281.3 mm,其中,除1980s之外,三門峽各個年代缺水量最高,欒川各個年代及1960-2009年缺水量最低;1960-2009年,孟津、三門峽的夏花生需水量均高于200 mm,分別為203.5和233.5 mm,其余站點均低于200 mm,其中最低的欒川站,夏花生缺水量為115.2 mm。
表3 夏花生缺水量年代均值及年際變化趨勢
從代際差異來看,除欒川和信陽外,1960s夏花生缺水量最高;1980s固始、盧氏、欒川、三門峽、西峽、信陽、駐馬店七個站點缺水量最低,其余站點2000s缺水量最低。從代際變化趨勢來看,1960-2009年,河南17個站點夏花生缺水量氣候傾向率在-2.5~-20.6,全都隨年份呈下降趨勢,寶豐、南陽、商丘、鄭州4個站點缺水量呈極顯著下降趨勢,盧氏、西華、許昌3個站點缺水量呈顯著下降趨勢,其余10個站點下降趨勢不顯著。夏花生缺水量隨年份下降最快的為寶豐,平均每10年下降21.6 mm,鄭州次之,平均每10年下降20.6 mm;下降最慢的為欒川,平均每10年下降2.5 mm,新鄉(xiāng)、安陽次之,平均每10年分別下降6.1和6.3 mm。
2.2.1 需水量 從圖1可以看出,河南省夏花生1960-2009年平均需水量多集中在411~427 mm,其范圍覆蓋豫北所有地區(qū);豫中鄭州、開封所有地區(qū)和平頂山(寶豐)、許昌、商丘的大部分地區(qū)及豫南信陽市、駐馬店、南陽和豫東周口(西華)大部分地區(qū)在393~410 mm;豫西盧氏、欒川最低,在376~392 mm。各個年代河南不同地區(qū)夏花生需水量差異較大,1960s除豫西盧氏、欒川和豫北新鄉(xiāng)、安陽小部分地區(qū)之外,其它所有站點和地區(qū)需水量都在460~480 mm。1970s豫西盧氏、欒川需水量在380~406 mm;豫北大部,豫中許昌、開封大部和豫南南陽小部分地區(qū)需水量在406~429 mm,其余地區(qū)需水量在430~464 mm。1980s需水量層次分布較為明顯,豫西洛陽(欒川)和三門峽(盧氏)小部分地區(qū)在347~365 mm,為低值區(qū)域;豫北濮陽、焦作,豫中鄭州、開封,豫南信陽,南陽小部分地區(qū)在402~419 mm,為高值區(qū)域;豫南南陽大部分地區(qū),駐馬店小部分地區(qū)及洛陽(欒川)、三門峽(盧氏)小部分地區(qū)在393~410 mm;其它地區(qū)在384~401 mm。1990s河南大部分地區(qū),包括豫北全部,豫中、豫南大部分地區(qū)夏花生需水量在405~426 mm之間,剩余地區(qū)大部分在284~405 mm。2000s豫北安陽、新鄉(xiāng),豫中開封大部分地區(qū)需水量在390~409 mm;豫中鄭州、許昌大部,豫西洛陽(孟津)小部,豫南信陽大部、南陽、駐馬店部分地區(qū)在370~389 mm;豫東商丘東部在330~350 mm,其余地區(qū)在351~369 mm。
圖1 河南省夏花生需水量的空間分布Fig.1 Spatial distribution of summer peanut water demand in Henan province
2.2.2 有效降水量 從圖 2 可以看出,河南省夏花生1960-2009年平均有效降水量大致分為三個梯度,豫北、豫中大部分地區(qū)及豫東西部、豫南南陽、駐馬店小部分和豫西洛陽(孟津)、三門峽部分地區(qū)在219~235 mm;豫西洛陽小部、豫東商丘東部和周口(西華)大部,豫南駐馬店、信陽大部、南陽小部分地區(qū)在236~252 mm;豫西洛陽(欒川)小部、豫南南陽(西峽)部分地區(qū)在253~269 mm。各個年代河南不同地區(qū)夏花生有效降水量差異較大,1960s豫北新鄉(xiāng)南部、焦作,豫中鄭州全部、開封西部、許昌北部地區(qū)夏花生有效降水量在176~202 mm,為低值區(qū)域;豫西洛陽(欒川)及豫南信陽、西峽小部分地區(qū)在256~283 mm,為高值區(qū)域,其它地區(qū)在229~255 mm。1970s豫中平頂山(寶豐)南部及豫南駐馬店西部、南陽東部區(qū)域夏花生有效降水量在191~207 mm,為低值區(qū)域;豫東商丘和周口(西華)東部,豫南南陽(西峽)西部在257~272 mm,為高值區(qū)域;豫東商丘和周口(西華)西部、豫南信陽和駐馬店西北部、豫西洛陽(欒川)北部區(qū)域在241~256 mm,其它區(qū)域在208~223 mm。1980s河南夏花生有效降水量分布層次明顯,豫北大部分區(qū)域在195~213 mm,為低值區(qū)域;豫西洛陽(孟津)及豫中鄭州、開封和豫東(商丘)北部區(qū)域在214~232 mm;豫中許昌和平頂山(寶豐)大部、豫東周口(西華)北部和商丘東南部、豫南南陽東部、豫西洛陽(欒川)西北部區(qū)域在233~250 mm;豫南駐馬店大部、豫東周口(西華)南部及豫西南欒川和西峽小部分地區(qū)在251~269 mm;豫南信陽大部南陽小部、豫西洛陽欒川周邊小部分地區(qū)在270~287 mm,為高值區(qū)域。1990s豫西洛陽以北、豫中鄭州西部、豫南南陽東部和信陽西部、豫東商丘東部區(qū)域有效降水量在192~210 mm,為低值區(qū)域;豫北新鄉(xiāng)北部、豫南信陽南部及南陽北部區(qū)域在229~246 mm;其它區(qū)域在211~228 mm,覆蓋范圍較廣。2000s豫北大部,豫中開封、鄭州、平頂山(寶豐)大部、豫南信陽東部區(qū)域夏花生有效降水量在191~221 mm;豫南南陽西部、豫西洛陽(欒川)南部在252~271 mm,是高值區(qū)域,省內(nèi)其他大部分地區(qū)在247~264 mm。
圖2 河南省夏花生有效降水量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of summer peanut effective precipitation in Henan province
2.2.3 缺水量 從圖3可以看出,1960-2009年及各個年代豫西洛陽(欒川)周邊小部分區(qū)域夏花生缺水量在114~147 mm,為低值區(qū)域;豫北安陽大部和焦作、豫中鄭州、開封及許昌、平頂山(北部),豫東商丘西部和豫南南陽南部在181~212 mm;省內(nèi)其它區(qū)域在148~180 mm。1960s豫西洛陽(欒川)周邊小部分區(qū)域夏花生缺水量在115~169 mm,為低值區(qū)域;豫中鄭州、開封、許昌、平頂山(寶豐)大部分區(qū)域及豫北焦作和濮陽、豫東商丘北部在224~277 mm;省內(nèi)其它區(qū)域在170~223 mm。1970s豫西洛陽(欒川)周邊小部分區(qū)域夏花生缺水量在124~161 mm之間,為低值區(qū)域;豫中鄭州、平頂山(寶豐)大部分區(qū)域、豫北焦作大部、新鄉(xiāng)和安陽西部,豫南南陽東部、信陽大部在199~234 mm;省內(nèi)其它區(qū)域夏花生缺水量在162~198 mm。1980s豫西洛陽(欒川)周邊小部分區(qū)域及豫南駐馬店、信陽,豫東周口(西華)南部,豫北新鄉(xiāng)北部區(qū)域夏花生缺水量在88~127 mm,為低值區(qū)域;豫中鄭州、開封,豫北焦作,豫西洛陽(孟津)東北部,豫東商丘東部在168~206 mm;豫北濮陽北部小部分區(qū)域在213~284 mm,為高值區(qū)域;省內(nèi)其它區(qū)域在128~167 mm。1990s豫西洛陽(欒川)周邊小部分區(qū)域夏花生缺水量在143~169 mm,為低值區(qū)域;豫北新鄉(xiāng)北部、安陽西北部,豫東周口(西華)、商丘,豫南駐馬店、信陽大部分區(qū)域、南陽西小部、豫中寶豐西部區(qū)域在170~194 mm;豫西北三門峽和洛陽(孟津)北小部分區(qū)域在220~270 mm,為高值區(qū)域;省內(nèi)其余部分在196~219 mm。2000s豫西(欒川)周邊小部分區(qū)域夏花生缺水量在74~107 mm,為低值區(qū)域;豫西北小部分區(qū)域、豫北安陽東部、濮陽、新鄉(xiāng)小部分區(qū)域及豫中開封東北部區(qū)域缺水量在173~205 mm,為高值區(qū)域;豫北新鄉(xiāng)大部、安陽西部、焦作,豫中鄭州、開封大部、平頂山(寶豐)北部,豫西洛陽(孟津)東北部,豫南信陽大部分區(qū)域夏花生缺水量在141~172 mm;省內(nèi)其余部分夏花生缺水量在108~140 mm。
圖3 河南省夏花生缺水量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of summer peanut water deficit in Henan province
由圖 4 可知,河南省夏花生1960-2009年全生育期需水量、有效降水量和缺水量的氣候傾向率分別為-15.6、-2.7和-12.9 mm·10b-1,其中需水量和缺水量的減少趨勢顯著,有效降水量的減少趨勢不顯著。夏花生生育期內(nèi)有效降水量與缺水量在年際變化上呈現(xiàn)出很好的反位對應(yīng)關(guān)系,即在有效降水量多的年份,缺水量顯著減少。
圖4 河南省夏花生全生育期水分供需平均值年際變化Fig.4 Variation of average water supply and demand in whole growing period of summer peanut in Henan province
閻苗淵等[23]利用1959-2010年人民勝利渠新鄉(xiāng)站的氣象數(shù)據(jù)研究了花生的需水量變化,結(jié)果表明花生需水量52年平均值為435.76 mm,每10年下降11.51 mm,與本文的新鄉(xiāng)站點夏花生需水量50年平均值為414.1 mm每10年下降9.9 mm接近。周迎平等[22]利用1971年12個站點的數(shù)據(jù)分析了河南主要作物需水量的變化趨勢及影響因素,表明花生需水量除孟津站為增加趨勢外,其余11個站點均呈不同程度的下降趨勢,且每10年平均下降水平最大的站點是商丘,下降11.596 mm,與本文研究結(jié)果略有差異,這一差異可能是1960s氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)致的,1960s花生需水量在1960-2009年中是最高的年代。同一地點不同作物的需水量跟作物生育期的氣象數(shù)據(jù)和作物系數(shù)有關(guān),其趨勢變化僅與氣象數(shù)據(jù)有關(guān),李喜平[27]、劉小剛[28]利用包含1960s的氣象資料,對與夏花生處于同一生長時期的河南多個站點夏玉米需水量變化趨勢研究結(jié)果也表明所有站點需水量都呈下降趨勢,跟本文夏花生需水量變化趨勢一致。
作物生長期的有效降水量指總降水量中能夠保存在作物根系層中用于滿足作物蒸發(fā)蒸騰需要的降水量,不包括地表徑流和滲漏至作物根系吸水層以下的部分。對于有效降水量的計算,大多地區(qū)采用當?shù)氐慕?jīng)驗公式,缺乏機理性,不同地區(qū)、不同模式計算差異較大[29]。本文在計算有效降水量時,采用的是 FAO 推薦的參考作物蒸散量與降水量的比率法,并進行了修正[8]。該有效降雨量計算方法以作物需水量ETc作為標準,充分考慮降水、作物的關(guān)系。在降雨量較多的時段內(nèi),超過作物需水量的降雨全部視為無效降雨量,因此計算結(jié)果小于經(jīng)驗系數(shù)法。影響作物有效降水量因素較多,和區(qū)域地形、降水強度有關(guān),因此需要綜合考慮各種計算方法的特點和適用范圍,選取最合適的方法。
在河南境內(nèi),夏玉米和夏花生的生育期基本一致,兩者水分供需狀況的差異主要由各自的作物系數(shù)決定,夏花生水分供需變化研究較少,因此夏玉米的水分供需狀況變化規(guī)律可為夏花生提供參考。劉小剛等[28]研究表明,1958-2013年河南省18個站點夏玉米生育期缺水量(凈灌溉需水量)隨年份均呈下降趨勢,欒川站點下降最慢,與本研究夏花生缺水量的變化趨勢結(jié)果一致。
在夏花生需水量和缺水量的計算過程中,雖然考慮了氣象條件和缺水量的影響,并且消除了無效降水帶來的誤差,使得其計算過程更為科學(xué)。但是,在夏花生實際的生產(chǎn)過程中,需水量和缺水量還受到不同土壤的理化性質(zhì)和土壤底墑水的影響,本研究中沒有考慮土壤的因素,因此計算的需水量和缺水量的具體數(shù)值可能還存在一定的不確定性,但是不影響總體的時間變化趨勢和空間分布特征。
從代際變化來看,河南17個站點1960-2009年夏花生需水量、有效降水量和缺水量全都隨年份呈下降趨勢,有效降水量下降趨勢不顯著。從分布區(qū)域來看,夏花生需水量、有效降水量和缺水量區(qū)域分布不均,不同年代差異較大;缺水量低值區(qū)域一般在豫西洛陽南部和豫南南陽西北部、豫東南駐馬店、周口、商丘大部分區(qū)域,高值區(qū)域分布范圍變異大,一般集中在豫中鄭州、開封、許昌和豫北新鄉(xiāng)、安陽、濮陽大部分地區(qū)。因豫西洛陽及豫南南陽西北部大部分地區(qū)為山地丘陵,所以不適宜大規(guī)模進行花生種植,而豫東南的商丘、周口、駐馬店大部分區(qū)域為平原地區(qū),夏花生需水量較省內(nèi)其它地方少,比較適宜大規(guī)模進行花生種植。