馬鳳蓮, 溫永菁, 李春強, 劉園園

冀北地區(qū)近50 a馬鈴薯需水量及水分盈虧時空變化特征*

馬鳳蓮1,2, 溫永菁3, 李春強1,4**, 劉園園5

(1. 河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點實驗室 石家莊 050021; 2. 河北雄安新區(qū)氣象局 雄安 071700; 3. 天津市靜海區(qū)氣象局 靜海 301600; 4. 河北省氣象科學(xué)研究所 石家莊 050021; 5. 河北省承德市氣象局 承德 067000)

為高效利用水資源, 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益, 根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的參考作物蒸散計算方法和相關(guān)作物系數(shù)法, 利用河北省馬鈴薯主要種植區(qū)域(冀北地區(qū))23個地面氣象站的資料, 計算了冀北地區(qū)近50 a(1969—2018年)馬鈴薯生育期內(nèi)的需水量和缺水量, 并分析了馬鈴薯生育期內(nèi)降水量、有效降水量、需水量、缺水量變化趨勢, 以及不同區(qū)域不同生育期馬鈴薯需水量、缺水量的變化特征。結(jié)果表明: 1)近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)降水量、有效降水量年際變化可分為2個階段: 1969—2003年呈減少趨勢, 氣候傾向率分別為–15.68 mm?(10a)–1、–6.61 mm?(10a)–1; 而2004—2018年呈顯著增加趨勢, 氣候傾向率分別為60.07 mm?(10a)–1、9.68 mm?(10a)–1。近50 a平均降水量、有效降水量分別為356.5 mm和148.6 mm; 空間上均呈自西向東逐漸遞減的帶狀特征。2)近50 a馬鈴薯生育期需水量和缺水量年際變化也表現(xiàn)出1969—2003年減少、2004—2018年增多的趨勢, 且需水量多的年份缺水量也多, 近50 a平均需水量和缺水量分別為497.8 mm、349.1 mm; 空間分布上均呈自壩上高原向壩下山地增多特點, 且需水量大的地區(qū)缺水量也多。3)馬鈴薯塊莖膨大期需水量最多, 期間也是缺水量最多的時期。研究結(jié)果顯示1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)水資源一直處于嚴(yán)重虧缺狀態(tài), 在生產(chǎn)中需充分考慮馬鈴薯需水量對氣象要素變化的響應(yīng), 加強水分管理, 確保水資源高效利用。

冀北地區(qū); 馬鈴薯; 有效降水量; 需水量; 缺水量; 水分盈虧指數(shù)

河北省平均水資源為3 120 m3?hm–2, 人均水資源僅為311 m3, 按照聯(lián)合國人均1 000 m3為缺水、500 m3為極度缺水的標(biāo)準(zhǔn), 河北省已成為水資源嚴(yán)重危機的地區(qū)之一[1-2]。河北省又是我國主要糧食產(chǎn)區(qū), 目前, 在河北省的水資源利用中, 農(nóng)業(yè)灌溉用水已占河北省總用水量的70%以上[3]。開展區(qū)域作物需水量研究, 科學(xué)確定主要農(nóng)作物的需水量, 對水資源優(yōu)化管理, 高效利用水資源, 合理安排灌溉制度, 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益等均有著重要的指導(dǎo)意義。

作物需水量是指在最適宜的土壤水分和肥力條件下, 在田間作物正常生長發(fā)育、無病害并達(dá)到高產(chǎn)水平的農(nóng)田蒸散量, 即作物生長發(fā)育所需要消耗的水量。作物需水量的多少與氣候條件關(guān)系密切, 并隨氣候條件的變化而變化。近些年來, 我國學(xué)者對作物需水量與氣候的關(guān)系進(jìn)行了諸多研究, 取得了大量成果。鐘兆站等[4]分析了中國北方主要旱地作物需水量, 指出不同作物在不同發(fā)育期的需水量明顯不同; 劉曉英等[5-6]分析了華北地區(qū)主要作物需水量變化特征以及氣候變化對作物需水量的影響, 指出未來氣候變暖將使華北地區(qū)業(yè)已緊張的水資源供需矛盾更加突出; 劉宏誼等[7]分析了甘肅省主要農(nóng)作物需水量的變化特征, 認(rèn)為作物需水量在近40年呈下降趨勢; 郭曉麗等[8]分析了內(nèi)蒙古中部地區(qū)春玉米(L.)水分虧缺時空特征; 李喜平[9]分析了河南省夏玉米生長季水分供需時空變化特征; 曹永強等[10]、杜玲等[11]、吳云龍等[12]分別利用單站氣象資料分析了河北省典型區(qū)域內(nèi)的冬小麥(L.)、玉米等主要作物的需水量特征; 李春強等[13]、曹永強等[14]、康西言等[15]、劉玉春等[16]分別對河北省中南部的冬小麥、玉米、棉花(spp.)的需水量和缺水量進(jìn)行了相關(guān)研究, 確定了上述幾種作物需水量指標(biāo)。整體看來, 河北省對作物需水量的研究較多, 且各地作物需水量研究多以冬小麥、玉米為主[17-21]。當(dāng)前對馬鈴薯(L.)的研究大多側(cè)重于其生理特性和光合特性[22-23]、適宜播種期和品種變化[24-27]、不同種植模式[28-31]、以及關(guān)鍵生長期的氣象條件[32]等對馬鈴薯產(chǎn)量的影響, 而有關(guān)馬鈴薯生育期需水量的相關(guān)研究卻鮮見報道[33-35], 且目前多數(shù)研究主要針對作物全生育期水分盈虧及灌溉需水量的時空變化, 對各生育階段的研究相對較少, 同時研究結(jié)果因區(qū)域和作物不同而有差異。

馬鈴薯是世界性糧食作物, 其種植面積和產(chǎn)量僅次于水稻(L.)、小麥、玉米[36]。近年來, 河北省馬鈴薯種植面積在20萬km2左右, 總產(chǎn)量(鮮薯)360多萬t。馬鈴薯在河北省各地都有種植, 但以張家口、承德(即冀北地區(qū))最為集中。2015年冀北地區(qū)馬鈴薯種植面積為16.47萬km2, 占全省馬鈴薯播種面積的79%, 冀北地區(qū)已成為全國主要的商品薯生產(chǎn)基地、脫毒種薯繁育基地和銷售集散地。承德市圍場滿族蒙古族自治縣和張家口市沽源縣先后被命名為“中國馬鈴薯之鄉(xiāng)”。冀北地區(qū)地處干旱半干旱地區(qū), 受大陸性季風(fēng)氣候影響, 同樣面臨著氣候變化與水資源短缺這一嚴(yán)峻問題。所以, 有必要針對不同水文年份的作物需水量、缺水量進(jìn)行分析, 為優(yōu)化作物水分管理提供更為詳實、有針對性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)冀北地區(qū)的歷史氣象資料, 采用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的彭曼公式和作物系數(shù)法, 計算了近50 a(1969—2018年)馬鈴薯需水量, 并分析馬鈴薯生育期內(nèi)降水量、有效降水量、需水量和缺水量的時空變化規(guī)律, 以及不同地域不同發(fā)育期馬鈴薯需水量和缺水量特征, 以期為該地馬鈴薯生產(chǎn)和水資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文以河北省馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)(張家口、承德)為研究區(qū)域, 該區(qū)域內(nèi)地形分為壩上高原和壩下山地兩種類型。高原分布于河北省西北部, 系內(nèi)蒙古高原的南緣, 俗稱壩上高原, 面積約1.6萬km2, 海拔1 200~1 500 m, 包含張家口市的康保、沽源、張北、尚義4個縣和承德市的圍場、豐寧的部分區(qū)域; 壩下為燕山山地, 海拔500~1 000 m。該研究區(qū)域?qū)僦袦貛蚝疁貛? 半濕潤、半干旱向半濕潤過渡的大陸季風(fēng)性高原山地氣候, 壩上高原、壩下山地氣候差異明顯, 同時壩下地區(qū)因海拔高度不同, 受山地地形影響, 不同地區(qū)溫度、降水等分布也存在較大差異(圖1)。

1.2 資料來源

本文所用氣象資料和農(nóng)業(yè)氣象資料均來自河北省氣象信息中心。其中, 氣象資料選取河北省馬鈴薯主要種植區(qū)內(nèi)(冀北地區(qū))23個氣象站1969—2018年的地面氣象觀測資料, 包括逐日降水量、平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)、平均風(fēng)速和相對濕度等。農(nóng)業(yè)氣象資料主要為馬鈴薯各發(fā)育期的多年出現(xiàn)日期(表1)。

圖1 河北省馬鈴薯主要種植區(qū)域及地形特征

表1 河北省北部不同區(qū)域馬鈴薯多年平均發(fā)育期(月-日)

1.3 研究方法

1.3.1 需水量計算

采用參考作物蒸散量和作物系數(shù)法計算馬鈴薯需水量, 即:

ET=cET0(1)

式中:ET為作物需水量,c為作物系數(shù), ET0為參考作物蒸散量。作物系數(shù)c與作物生育階段有關(guān), 不同作物在不同發(fā)育階段的作物系數(shù)不同。根據(jù)馬鈴薯的需水規(guī)律, 將其劃分為3個生長階段[33](表2): 初期階段, 即出苗期; 塊莖形成和塊莖膨大期為生長中期; 淀粉積累期為生長后期。本研究采用文獻(xiàn)[37]提供的馬鈴薯不同生育階段c取值結(jié)果, 即馬鈴薯生長初期取值0.4, 生長中期1.15, 后期0.75, 馬鈴薯作物最大高度為0.8 m。

表2 河北省北部不同區(qū)域馬鈴薯各生長階段(月-日)

參考作物蒸散量采用FAO推薦的Penman- Monteith方程(FAO-PM)計算, 其公式為:

1.3.2 有效降水量計算

有效降水量即作物某一生育階段內(nèi), 降水中實際補充到作物根層土壤的凈水量, 代表總降水量中的有效部分, 本文利用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量分析方法[20,38-39], 即:

式中:e為有效降水量,為降水量(mm?d–1)

1.3.3 缺水量和水分盈虧指數(shù)計算

缺水量(w)是作物全生育期或各個生育階段需水量與同期有效降水量之差[40]。正值表示作物需水量大于有效降水量, 表明有效降水不能滿足作物需水要求; 負(fù)值表示有效降水可以滿足作物需水要求。即:

w=ET–e(4)

水分盈虧指數(shù)(crop water surplus deficit index, CWSDI)表征了作物各生育期的水分盈虧程度, 通過下式計算:

CWSDI=(e–ET)/ET (5)

1.3.4 統(tǒng)計方法

利用Microsoft Excel和SPSS統(tǒng)計軟件, 采用Pearson相關(guān)分析及線性回歸等方法對各統(tǒng)計量進(jìn)行時間序列分析, 并進(jìn)行顯著性檢驗。利用氣候傾向率分析氣象要素隨時間的變化趨勢, 用X表示樣本量為的某氣象變量, 用t表示X所對應(yīng)的時間, 建立X與t之間的一元線性回歸方程[41]:

X=at+(6)

式中:為回歸系數(shù),為常數(shù)項,和用最小二乘法進(jìn)行估計, 以的10倍作為每10 a氣候傾向率。>0表示各指標(biāo)隨時間的增加而增加,<0表示各指標(biāo)隨時間的增加而減少。

各要素的空間分布特征主要采用Surfer軟件對各站點要素數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值, 生成空間變化分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯生育期內(nèi)降水量、有效降水量的時空變化

2.1.1 降水量、有效降水量的年際變化

從圖2可以看出, 近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)降水量、有效降水量的年際變化大致分為2個階段: 1969—2003年降水量、有效降水量均呈減少趨勢, 氣候傾向率分別為-15.68 mm×(10a)-1、-6.61 mm×(10a)-1; 2004—2018年降水量、有效降水量均呈顯著增加趨勢(<0.05), 氣候傾向率分別為60.07 mm×(10a)-1、9.68 mm×(10a)-1。

圖2 1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)平均降水量、有效降水量的年際變化趨勢

馬鈴薯全生育期內(nèi)降水量的年際變化較大, 最高值為499.5 mm(1978年), 最低值為244.2 mm (2009年), 降水量最多年份與最少年份相差255.3 mm, 近50 a平均降水量為356.5 mm。馬鈴薯生育期內(nèi)平均有效降水量僅為148.6 mm, 且年際間變化較大, 最高值為185.1 mm(1979年), 最低值為109.7 mm(2002年), 有效降水量最多年份與最少年份相差75.4 mm。

近50 a冀北地區(qū)23個站點降水量、有效降水量年際變化趨勢大體一致, 所有站點降水量均呈減少趨勢(圖3a), 其中承德市中南部6個站點和張家口市中部4個站點平均每10 a減少10~24 mm, 其他站點平均每10 a減少2~9 mm, 但均未達(dá)顯著水平。23個站點有效降水量均呈減少趨勢(圖3b), 其中張家口市中西部6個站點和承德市中南部5個站點呈顯著減少趨勢(<0.05), 平均每10 a減少5~9 mm, 其他12個站點則平均每10 a減少2~4 mm, 未達(dá)顯著水平。

圖3 1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)降水量(a)和有效降水量(b)年際變化趨勢的空間分布

2.1.2 降水量、有效降水量的空間變化

近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯全生育期內(nèi)平均降水量、有效降水量在空間分布上表現(xiàn)為自壩上高原向壩下山地增多的帶狀分布, 壩下山地則表現(xiàn)為北少南多的特征(圖4)。其中張家口市的西北部及西南部的站點降水量不足300 mm, 張家口中東部及承德市北部等11個站點降水量為300~400 mm; 承德市中南部的6個站點降水量達(dá)400 mm以上, 其中興隆、寬城兩地降水量分別為588.9 mm、516.4 mm。

崇禮、赤城及承德市各站點有效降水量達(dá)150 mm以上, 其中興隆最多, 為187.1 mm; 尚義、張北、沽原、赤城等地有效降水量為140 mm左右, 康保及張家口中南部站點為130 mm左右, 其中宣化最少, 為128.8 mm。

圖4 1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)平均降水量(a)和有效降水量(b)的空間分布

綜上分析, 降水量、有效降水量多的地區(qū), 其近50 a降水量、有效降水量減少趨勢更為明顯。

2.2 馬鈴薯需水量、缺水量的時空變化

2.2.1 需水量、缺水量的年際變化

根據(jù)1.3.1和1.3.3給出的方法計算得出冀北地區(qū)1969—2018年馬鈴薯生育期內(nèi)平均需水量、缺水量, 整體上看其變化趨勢分為兩個階段(圖5): 1969—2003年馬鈴薯全生育期內(nèi)需水量呈減少趨勢, 平均每10 a減少5.0 mm, 此前李春強等[13]研究表明, 1965—1999年河北省冬小麥和玉米的需水量呈減少趨勢, 其結(jié)論與本研究結(jié)果一致, 但馬鈴薯需水量的減少幅度較冬小麥、玉米偏小。2004—2018年馬鈴薯需水量呈顯著增加趨勢(<0.05), 平均每10 a增加24.2 mm。

圖5 1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯全生育期內(nèi)平均需水量、缺水量年際變化趨勢

缺水量年際變化趨勢與需水量變化趨勢一致, 即1969—2003年馬鈴薯全生育期內(nèi)缺水量呈減少趨勢, 平均每10 a減少1.3 mm; 2004—2018年馬鈴薯缺水量則呈增加趨勢(<0.05), 平均每10 a增加20.0 mm。

馬鈴薯全生育期需水量年際間差異相對較小, 需水量最高達(dá)554.6 mm(1972年), 最低為462.7 mm(1979), 需水量最高年與最低年差值為91.9 mm, 近50 a平均需水量為497.8 mm。相對于需水量, 馬鈴薯全生育期缺水量年際間變化較大, 最高為441.2 mm(1972年), 最低為273.7 mm(1979年), 近50 a平均缺水量為349.1 mm。缺水量與需水量呈正相關(guān), 需水量多的年份也是缺水量多的年份, 反之需水量少時對應(yīng)的年份缺水量也少。

近50 a馬鈴薯種植區(qū)內(nèi)23個站點需水量的變化趨勢如圖6a所示, 承德市的8個站點(豐寧除外)及張家口的宣化、尚義、懷來3個站點的需水量呈減少趨勢, 氣候趨勢傾向率為-1.2~-10.3 mm×(10a)-1; 其他各站則呈增加趨勢, 氣候傾向率為0.5~ 7.0 mm×(10a)-1, 但其變化趨勢均未達(dá)顯著水平。

進(jìn)一步分析馬鈴薯種植區(qū)域內(nèi)各站點缺水量變化趨勢得出(圖6b), 承德市中東部6個站點缺水量呈減少趨勢, 氣候傾向率為-1.0~-4.9 mm×(10a)-1; 其他各站點均呈增加趨勢, 氣候傾向率為0.2~ 10.1 mm×(10a)-1。但各站點的年際變化趨勢均未達(dá)顯著水平。

近50 a馬鈴薯全生育期平均需水量呈增加趨勢的地區(qū), 其缺水量也呈增加趨勢, 反之需水量呈減少趨勢的地區(qū), 其缺水量也呈減少趨勢。

2.2.2 需水量、缺水量的空間變化

近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯全生育期平均需水量為430.9~570.0 mm。由圖7a可見, 近50 a平均需水量在空間分布上呈從壩上高原向壩下山地增多的特征, 其中壩上地區(qū)需水量為430~460 mm, 而壩下的承德市各站點以及張家口的赤城縣等地需水量為460~500 mm, 壩上高原南麓地區(qū)5個站點需水量達(dá)500 mm以上。

馬鈴薯全生育期平均缺水量的空間分布特征與需水量分布一致, 即需水量大的地區(qū)表現(xiàn)出缺水量多的明顯特征, 壩上高原南麓的6個站點缺水量達(dá)400 mm以上, 其他大部分站點缺水量為300~350 mm(圖7b)。

2.3 馬鈴薯各生育期需水量、缺水量變化

將近50 a馬鈴薯全生育期內(nèi)逐日平均需水量進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖8), 馬鈴薯出苗期(壩上5月1日—6月8日,壩下4月24日—5月25日)植株生長所需水分一部分來源于種塊本身, 所以日均需水量較少, 為1.4~1.9 mm。塊莖形成和塊莖膨大期(壩上6月9日—8月20日, 壩下5月26日—8月15日)是馬鈴薯植株生長和塊莖生長并進(jìn)期, 塊莖膨大期對水分需求尤為旺盛, 所以該階段馬鈴薯日均需水量明顯增多, 為3.8~5.5 mm。馬鈴薯淀粉積累期(壩上8月21日—9月11日, 壩下8月16日—9月6日)為干物質(zhì)積累期, 馬鈴薯植株生長基本停止, 日均需水量逐漸減少, 為2.3~2.7 mm。

馬鈴薯不同生育階段的需水量、缺水量如圖9所示, 馬鈴薯出苗期即作物生長初期需水量壩上為65.1 mm、壩下為53.3 mm, 缺水量壩上為38.4 mm、壩下為35.1 mm。隨著作物生長, 需水量開始迅速增加, 馬鈴薯塊莖形成和塊莖膨大期需水量壩上為338.8 mm、壩下為403.3 mm, 缺水量壩上為241.5 mm、壩下為293.2 mm。到作物成熟收獲期, 需水量下降, 馬鈴薯淀粉積累期需水量壩上為47.1 mm、壩下為55 mm, 缺水量壩上為24.5 mm、壩下為31.6 mm?？傮w來看, 馬鈴薯生長發(fā)育中需水量最多的時期也是缺水量最多的時期, 且馬鈴薯生長發(fā)育中后期, 壩下地區(qū)缺水量大于壩上地區(qū)。

2.4 馬鈴薯水分盈虧指數(shù)變化特征

水分盈虧指數(shù)不僅考慮了降水和作物蒸散量兩項因子, 也反映了實際供水情況與最大水分需要量的平衡關(guān)系, 可以較好地表征農(nóng)田濕潤度和作物旱澇情況。根據(jù)公式(5), 冀北地區(qū)近50 a馬鈴薯全生育期內(nèi)的水分盈虧指數(shù)如圖10所示, 1969—2018年逐年水分盈虧指數(shù)為-60%~-80%, 表現(xiàn)出近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)水資源一直處于嚴(yán)重虧缺狀態(tài)。

圖6 1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)需水量(a)和缺水量(b)年際變化趨勢的空間分布

圖7 1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)平均需水量(a)、缺水量(b)的空間分布

圖8 1969—2018年冀北不同區(qū)域馬鈴薯生育期內(nèi)逐日平均需水量

不同區(qū)域不同發(fā)育階段的水分盈虧指數(shù)表明(圖11), 壩上、壩下地區(qū)馬鈴薯塊莖形成和塊莖膨大期水分虧缺最多, 水分盈虧指數(shù)分別為-71%、-73%, 出苗期和淀粉積累期水分盈虧指數(shù)在-52%~-66%; 且壩下地區(qū)水分虧缺較壩上地區(qū)嚴(yán)重, 壩下地區(qū)水分盈虧指數(shù)較壩上地區(qū)平均低4.7%, 標(biāo)準(zhǔn)誤差為2.9%。尤其在典型水分虧缺年份兩個地區(qū)的水分盈虧差異更為明顯, 例如2007年沽源縣(壩上)馬鈴薯全生育期水分盈虧指數(shù)為-76.4%, 懷來縣(壩下)則為-84.3%, 出苗期分別為-70.1%、-69.6%, 塊莖形成和塊莖膨大期分別為-76.9%、-85.6%, 淀粉積累期則分別達(dá)-80.6%、-90.2%。

圖9 冀北不同地區(qū)馬鈴薯不同生育期內(nèi)平均需水量和缺水量的變化

圖10 1969—2018年冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)水分盈虧指數(shù)

圖11 1969—2018年冀北不同地區(qū)馬鈴薯不同發(fā)育期的水分盈虧指數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

馬鈴薯需水量可分為由天氣氣候決定的參考作物蒸散量和作物系數(shù)兩部分, 其中參考作物蒸散量受氣溫、空氣濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)等氣象因素影響。由表3可知馬鈴薯需水量、缺水量分別與平均氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)呈正相關(guān), 與空氣相對濕度、降水量、有效降水量呈負(fù)相關(guān), 且除缺水量與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗外, 其他相關(guān)系數(shù)均通過了<0.01水平的顯著性檢驗。

對各氣象要素的年際變化分析發(fā)現(xiàn), 近15 a(2004—2018年)氣象要素較前35 a(1969—2003年)表現(xiàn)出不同的變化趨勢, 尤其是風(fēng)速變化由明顯下降趨勢(平均每10 a下降0.33 m×s-1)轉(zhuǎn)為明顯上升趨勢(平均每10 a上升0.17 m×s-1), 日照時數(shù)由平均每10 a減少14.6 h, 轉(zhuǎn)為平均每10 a增加72.5 h, 且空氣相對濕度近15 a下降趨勢較前35 a明顯。

氣象因子對作物需水量的影響有兩個方面: 一方面氣溫上升會增加潛在蒸散量, 從而使馬鈴薯需水量增加; 另一方面日照時數(shù)、風(fēng)速的增加以及空氣相對濕度下降也會增加潛在蒸散量, 從而使需水量增加。馬鈴薯需水量的變化趨勢與日照、風(fēng)速的變化趨勢一致, 表明日照和風(fēng)速對其影響更為顯著, 這在生態(tài)需水量和氣象要素相關(guān)分析中也有所證明[15]。

表3 馬鈴薯全生育期需水量、缺水量與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

*表示通過<0.01水平的顯著性檢驗。* indicates significant correlation at the level of< 0.01.

缺水量與降水量、有效降水量呈負(fù)相關(guān), 即降水量、有效降水量多的年份, 缺水量則少, 反之降水量、有效降水量少的年份, 缺水量則大。

綜上, 近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)水資源一直處于嚴(yán)重虧缺狀態(tài), 除馬鈴薯自身生理生態(tài)特點影響需水量外, 環(huán)境氣象要素對作物需水量起著主要作用, 馬鈴薯全生育期需水量、缺水量的年際變化與空氣相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)等密切相關(guān), 尤其是近15 a空氣相對濕度減小、風(fēng)速增加、日照時數(shù)增加導(dǎo)致需水量、缺水量呈增加趨勢, 表現(xiàn)出與前35 a不同的變化特征。所以, 在馬鈴薯生產(chǎn)中, 需充分考慮馬鈴薯需水量對氣象要素變化的響應(yīng), 充分利用自然降水, 以同步提高自然降水與灌溉水的利用率, 確保水資源高效利用。

3.2 結(jié)論

1)近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)降水量和有效降水量均由前35 a的減少趨勢轉(zhuǎn)為近15 a年的增多趨勢, 且近15 a降水量、有效降水量的增多趨勢通過信度為0.05的顯著水平檢驗。近50 a平均降水量、有效降水量分別為356.5 mm和148.6 mm, 在空間分布上均表現(xiàn)為壩上高原少、壩下山地多的特征, 且自西向東呈逐漸遞減的帶狀分布。

2)近50 a冀北地區(qū)馬鈴薯全生育期內(nèi)需水量、缺水量均由前35 a的減少趨勢轉(zhuǎn)為近15 a的增多趨勢, 但其變化趨勢均未達(dá)顯著水平。近50 a平均需水量、缺水量分別為497.8 mm、349.1 mm, 在空間分布上均表現(xiàn)為自壩上高原向壩下山地增多, 且需水量大的地區(qū)表現(xiàn)出缺水量多的明顯特征, 壩上高原南麓地區(qū)需水量達(dá)500 mm以上, 缺水量達(dá)400 mm以上。

3)馬鈴薯不同發(fā)育期對水分需求不同, 塊莖形成和塊莖膨大期對水分需求旺盛, 需水量最多, 但此階段也是缺水量最多的時期, 水分盈虧指數(shù)為-70%~-80%, 且壩下地區(qū)水分虧缺相對壩上地區(qū)更為嚴(yán)重, 究其原因, 一是壩上與壩下地區(qū)氣候差異所致, 另一方面也與壩上、壩下兩地的馬鈴薯生長期不同有關(guān)。

4)冀北地區(qū)馬鈴薯全生育期內(nèi)缺水量與降水量、有效降水量呈負(fù)相關(guān), 即降水量、有效降水量多的年份, 缺水量則少, 反之降水量、有效降水量少的年份, 缺水量則大。

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Spatial-temporal characteristics of water demand, water surplus and deficit of potato in northern Hebei Province in the past 50 years*

MA Fenglian1,2,WEN Yongjing3, LI Chunqiang1,4**, LIU Yuanyuan5

(1. Key Laboratory of Meteorology and Ecological Environment of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China; 2. Meteorological Bureau of Xiong’an New Area, Xiong’an 071700, China; 3. Jinghai District Meteorological Bureau, Jinghai 301600, China; 4. Hebei Institute of Meteorological Science, Shijiazhuang 050021, China; 5. Chengde Meteorological Bureau of Hebei Province, Chengde 067000, China)

In order to efficiently use water resources and increase the agricultural production efficiency, the data from 23 meteorological stations in the main potato growing areas of Hebei Province (northern Hebei Province)were analyzed to calculate the water demand and water shortage during the growing period of potato from 1969 to 2018. The analyses involved the reference crop evapotranspiration calculation method and the related crop coefficient method recommended by the Food and Agriculture Organization of the United Nations. The changing trend of precipitation, effective precipitation, water demand, and water shortage during the 50-year potato growing period, and the changing characteristics of water demand and water shortage in different regions and different growing periods were analyzed. There were three main results. Firstly, the annual variation of precipitation and effective precipitation during the growing period of potato in northern Hebei Province in the past 50 years could be divided into two stages. In one stage, there was a decreasing trend from 1969 to 2003. The climatic tendency rates of precipitation and effective precipitation were –15.68 mm?(10a)–1and –6.61 mm?(10a)–1. In the stage from 2004 to 2018, the tendency rates was significantly increased, which were 60.07 mm?(10a)–1and 9.68 mm?(10a)–1. The average precipitation and effective precipitation in recent 50 years were 356.5 mm and 148.6 mm, respectively. Their spatial characteristics showed the zonal feature of decreasing gradually from west to east. Secondly, the interannual variation of water demand and water shortage during the growth period of potato in the past 50 years also showed a decreasing trend from 1969 to 2003 and an increasing trend from 2004 to 2018. In years of high water demand, there was also a great shortage of water. In the past 50 years, the average water requirement and water shortage were 497.8 mm and 349.1 mm, respectively. The spatial distribution showed an increase from Bashang plateau to the Baxia mountain area. In the region of high water demand, there was also a great shortage of water. Thirdly, the water demand of potato was largest during the expansion period, when the water shortage also reached its maximum. The water resources of potato in northern Hebei Province have been in a serious deficit state during the past 50 years. It is necessary to fully consider the response of potato water demand to the changes of meteorological factors in order to strengthen water management and ensure the efficient utilization of water resources.

Northern Hebei Province;Potato;Effective precipitation;Water demand;Water shortage;Water profit and loss index

, E-mail: 402724417@qq.com

Oct. 16, 2019;

10.13930/j.cnki.cjea.190730

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S532

* 公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201506001)資助

李春強, 主要從事農(nóng)業(yè)氣象和氣象災(zāi)害研究。E-mail: 402724417@qq.com

馬鳳蓮, 主要從事生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)工作。E-mail: mflian@126.com

2019-10-16

2020-01-03

* This study was supported by the Special Fund for Meteorology-scientific Research in the Public Interest of China (GYHY201506001).

Jan. 3, 2020