馬 芳, 張維江, 馮 娜, 黃 艷

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 銀川 750021; 2.寧夏海原縣水務(wù)局，海原，寧夏 755200)

全球氣候變化，不僅對降水時空變化特點(diǎn)有影響[1]，并且還對作物需水及生長產(chǎn)生較大影響[2]。干旱半干旱地區(qū)，水資源短缺是直接影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性因素，全球氣候變化影響著降雨時空變化特點(diǎn)，進(jìn)一步影響著作物需水和生長。作物有效降水量與需水量是確定作物生育期灌溉工作量的主要參數(shù)，作物需水量也是農(nóng)業(yè)用水中最主要的消耗部分[3]，其大小主要受到植物自身、氣象因子、土壤結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響。固原是寧夏主要的糧食產(chǎn)區(qū)，受地理位置和氣候條件的影響，作物生長期間雨熱同期，降雨時空分布不均，可利用的有效降雨量不足，對作物產(chǎn)量造成直接影響。

近年來，眾多學(xué)者對不同地區(qū)有效降雨量和不同作物需水量進(jìn)行了研究，魏鐘博[4]針對黑龍港流域地下水超采嚴(yán)重現(xiàn)象，對夏玉米生育期降水量及需水量進(jìn)行時空分布規(guī)律研究，為夏玉米的高效利用降水資源提供依據(jù)；吳衛(wèi)熊等[5]對廣西木薯有效降水和需水量進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)各生育階段作物的需水現(xiàn)象差別較大，呈現(xiàn)出東南小、西北大的分布規(guī)律；張波等[6]為合理配置貴州地區(qū)烤煙灌溉及水資源高效利用，分析了烤煙各生育期有效降雨、需水量及需水指數(shù)；陳超、陳偉、靳春香、曹永強(qiáng)等對小麥、棉花、玉米、烤煙、水稻生育期的有效降雨及需水量進(jìn)行時間和空間的特征研究[7-9,12,14]，研究結(jié)果為各地區(qū)農(nóng)田灌溉規(guī)劃和管理的提供了寶貴依據(jù)。但對寧夏固原地區(qū)主要農(nóng)作物生育期有效降雨量及作物需水量等因素的變化規(guī)律研究較少。

因此，本文基于寧夏回族自治區(qū)固原市 1960—2018年2個氣象站日觀測資料和農(nóng)業(yè)氣象站馬鈴薯、春小麥、玉米生育期的觀測資料，系統(tǒng)分析3種作物生育期降水量、需水量和水分盈虧指數(shù)時間上和空間上的變化規(guī)律，以期為3種作物生長過程中降水資源合理提供配置提供依據(jù)，進(jìn)而提高降水資源的利用率。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)南部山區(qū)，坐標(biāo)105°20′—106°58′E，35°14′—36°38′N，黃土丘陵地貌，海拔1 500～2 200 m。屬于典型的大陸暖溫帶氣候，由于該地區(qū)四季溫差較大，使得該地區(qū)災(zāi)害性天氣偏多，其平均氣溫為7.75℃，年降水量450 mm左右，年蒸發(fā)量800～1 200 mm。

1.2 材料來源

氣象資料來源：本文所用的數(shù)據(jù)均來自寧夏固原市1960—2016年2個氣象站日觀測資料，包括：降水量、溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、日照時數(shù)(中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng): http:∥data.cma.cn/site/index.html)及當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象等。

各作物生育期來源：春小麥的生育期來源于徐華軍[10]基于多年的分析寧夏各地區(qū)冬春小麥的資料，玉米和馬鈴薯來源于寧夏馬鈴薯、玉米種植規(guī)范。

1.3 研究方法

1.3.1 有效降水 有效降水量是指干旱地區(qū)，可以滿足作物蒸發(fā)所消耗降雨量，不包括徑流、滲漏至根區(qū)以外的區(qū)域及淋洗鹽分所需要的深層滲漏部分[11-12]，因此使用USDA土壤保持局推薦的有效降水的方法計(jì)算[13-14]，其表達(dá)式為:

(1)

(2)

式中:Pei為每日有效降水量(mm/d)；P為每日降水量(mm/d)；Pe為農(nóng)作物全生育階段有效降水總量(mm)；n為生育期旬分組數(shù)。

1.3.2 作物需水量 大量的試驗(yàn)研究表明，Penman-Monteith公式與實(shí)際蒸散量最接近，因此本文選用1998年聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的 Penman-Monteith[15-16]公式計(jì)算，表達(dá)式為：

(3)

式中:ET0是作物每日蒸散量(mm/d);Δ是溫度和飽和水汽壓擬合曲線的斜率值(kPa/℃);Rn是作物表面的凈輻射量[MJ/(m·d)];γ是濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃);T是日平均氣溫(℃);u2為2 m高處風(fēng)速(m/s);G是土壤熱通量(MJ/m2d);es和ea分別是空氣中飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓(kPa)。

通過采用FAO(聯(lián)合國與農(nóng)業(yè)組織)對作物需水量的認(rèn)定，3種農(nóng)作物生育期需水量由需水系數(shù)與參考作物蒸散量乘積而得，表達(dá)式為：

ETc=Kc×ET0

(4)

式中:Kc為作物系數(shù)；ET0為逐日作物蒸散量(mm)。

作物系數(shù)Kc采用1998年聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的分段單值平均法[17]計(jì)算，聯(lián)合國糧農(nóng)組織把作物系數(shù)Kc按生育階段劃分為：初始生長期(從播種期到作物覆蓋率接近10%，此時的作物系數(shù)為Kcini)、快速發(fā)育期(從覆蓋率10%到充分覆蓋之間，此時的作物系數(shù)從Kcini增加到Kcmid)、生育中期(從充分覆蓋到成熟期開始，此時作物系數(shù)為Kcmid)和成熟期(從葉片開始逐漸變黃到收獲或者成熟，此時作物系數(shù)從Kcmi線性減小至Kcend)[18-20]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦使用的Kc主要針對半濕潤氣候條件下的平均值[21]。對于特定的地區(qū)需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐寥馈夂蚝妥魑锏母叨冗M(jìn)行修訂，王靜等[22]對作物系數(shù)針對寧夏當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物實(shí)際情況進(jìn)行修訂，因此本文采用作物系數(shù)修訂后的公式計(jì)算，修訂公式為：

(5)

式中:Kc和Kc(tab)(Kcini，Kcmid，Kcend)分別為修正前后不同生育期的作物系數(shù);U2為不同生育期高度2 m處的日平均風(fēng)速(m/s);RHmin為不同生育期日最低相對濕度的平均值(%);h為不同生育期作物的平均高度(m)，表1為三種作物全生育周期。

表1 三種作物全生育周期

1.3.3 缺水量計(jì)算 缺水量也可以稱為灌溉需水量，指作物生育期內(nèi)同期需水和有效降水的差值，當(dāng)W>0時，說明有效降水小于需水量，不能滿足作物需水要求；相反，W≤0時，說明有效降水大于需水量，能滿足作物需水要求[23]，表達(dá)式為：

W=ETc-Pe

(6)

式中：ETc為作物生育期內(nèi)需水量(mm)；Pe為作物全生育期內(nèi)有效降雨量(mm)。

1.3.4 水分盈虧指數(shù) 水分盈虧指數(shù)能很好地反映農(nóng)業(yè)旱情。水分盈虧指數(shù)(Id)指作物某一生育期內(nèi)農(nóng)業(yè)有效雨量(Pe)與同一時期作物需水量(W)之差與作物需水量的比值[23-24]。蘇永秀等[25]通過建立水分盈虧指數(shù)模型運(yùn)用于廣西農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)，其表達(dá)式為：

(7)

式中：Pe為作物生育期內(nèi)有效雨量(mm)；W為作物生育期內(nèi)缺水量(mm)。

1.3.5 變異系數(shù) 變異系數(shù)可以直觀衡量有效降水量和需水量年際間的穩(wěn)定性。n年作物有效降水和需水量的變異系數(shù)按(Cv)式(8)-(9)計(jì)算。

(8)

Cv=S/x′

(9)

式中:S為均方差;xi為第i年的需水量;x′為需水量多年平均值[26]。變異系數(shù)越大,越不穩(wěn)定;變異系數(shù)越小,越穩(wěn)定。

1.3.6 Mann-Kendall突變檢驗(yàn) 時間序列的分析中，Mann-Kendal法不僅可以直觀的反映時間序列的上升和下降趨勢，而且可以精準(zhǔn)計(jì)算時間序列的突變區(qū)域和突變點(diǎn)[27]。

對于時間序列Y(含n個樣本)，構(gòu)造一個秩序列：

(10)

(11)

式中:秩序列Sk是第i個時刻數(shù)值大于j個時刻時,數(shù)值個數(shù)的累加。時間序列的隨機(jī)假設(shè),定義統(tǒng)計(jì)量:

(12)

其中，UF1=0，E(Sk)和var(Sk)分別是Sk的均值和方差，且y1，y2，…，yn相互獨(dú)立，它們具有相同連續(xù)分布，可以由式(13—14)分別求出：

(13)

(14)

UF呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，對于時間序列Y(y1,y2,…,yn)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量，通過正態(tài)分布表查顯著性水平α，當(dāng)UFi>Uα?xí)r，說明時間序列變化趨勢顯著，反之變化趨勢不顯著。

取時間序列Y的逆序(yn,yn-1,…,y1)，進(jìn)行重復(fù)上述過程，計(jì)算UBx，令UBk=UFk且UB1=0。取α=0.05，將UFk和UBk繪制在一張圖上。當(dāng)UFk和UBk的值均大于0，表明序列呈上升趨勢，反之呈下降趨勢。當(dāng)兩者超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，則交點(diǎn)對應(yīng)的時刻即是突變開始[28]。

本文采用變異系數(shù)、小波方差、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等方法分析寧夏固原市馬鈴薯、春小麥、玉米3種作物生育期有效降水量和需水量逐年變異系數(shù)、氣候傾向率及周期變化，探討寧夏固原市馬鈴薯、春小麥、玉米3種生育期有效降水和需水量的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種作物全生育期有效降雨量變化特征

圖1為1960—2018年寧夏固原市3種作物的全生育期降水與有效降水的分布，通過分析3種作物全生育期降水年際變化趨勢可得：馬鈴薯多年平均有效降水呈下降趨勢，春小麥和馬鈴薯呈上升趨勢。寧夏固原地區(qū)馬鈴薯全生育期降水量平均分布在185～503 mm，平均降水量為322 mm；全生育期有效降水量平均分布在95～196 mm，平均有效降雨量為132.5 mm，近60 a馬鈴薯全生育期年有效降水量的變化趨勢介于-1.9～-3.2 mm/10 a；春小麥全生育期降水量平均值分布在53.3～253.9 mm，平均降水量為129.3 mm，全生育期有效降水量平均分布在30.09～134.88 mm，平均有效降水量為68.8 mm，有效降水量變化趨勢在-1.3～0.6 mm/10 a；玉米全生育期降水量平均分布在200.6～709.2 mm，平均降雨量為378.9 mm;全生育期有效降水量平均分布在117.43～287 mm，平均有效降雨量為177 mm，有效降水變化趨勢在-1.9～-3.1 mm/10 a。從圖1中可以看出，由于寧夏南部山區(qū)降雨量主要集中在6—9月份，各作物生育期也不同，因此有效降雨量也有一定的差異。1960—2018年玉米和馬鈴薯生育期有效降雨量呈減小趨勢，春小麥剛好相反，通過顯著性分析，3種作物生育期有效降水量年際穩(wěn)定性玉米(0.13)>馬鈴薯(0.15)>春小麥(0.21)。

圖1 3種農(nóng)作物生育期降水量及有效降水量年際變化

分析結(jié)果見小波方差圖(圖2)，該圖較好的反映出3種作物生育期有效降雨量時間序列的波動能量在時間尺度上的變化情況，由此來判定有效降雨量變化過程中的主周期[29]。從圖中可以看出，隨時間的推移，3種作物有效降雨量呈“大—小—大”的變化趨勢，且年際間差異較大。對應(yīng)結(jié)合小波方差圖，分別對應(yīng)3個明顯的峰值。馬鈴薯對應(yīng)3個峰值為：5，13，28 a，28 a時間尺度震蕩最強(qiáng)烈，為第一個主周期，后兩個峰值分別為13 a和5 a，對應(yīng)第二和第三主周期；春小麥3個峰值從大到小依次為25，10，6 a，其中25 a為第一個主周期；玉米為28，13，6 a的時間尺度，其中28 a為第一個主周期；對比分析3種作物的方差圖與小波等值線，其分析結(jié)果均一致。

圖2 3種農(nóng)作物生育期有效降水小波變化

2.2 3種農(nóng)作物需水量、缺水量的時空分布特征

根據(jù)已給定的公式計(jì)算出3種作物1960—2018年全生育期年平均需水量及缺水量，通過分析3種作物全生育期需水量及缺水量年際變化趨勢可得：3種作物多年平均需水量均呈上升趨勢，具體見圖3。1960—2018年近60年寧夏固原地區(qū)馬鈴薯全生育期的平均需水量為376.2～472.3 mm，多年平均需水量為439.3 mm。近60 a馬鈴薯生育期需水量逐年增加，每10 a增加2.4 mm；缺水量與需水量年際變化體現(xiàn)出馬鈴薯全生育期缺水量每10 a增加9.6 mm，最大缺水量出現(xiàn)于2009年，為263.4 mm，最小值缺水量值出現(xiàn)于1967年，為26.1 mm，差值為273.3 mm，其多年平均缺水量為150.2 mm，2003年需水量最大，為472.3 mm；最小值于1967年出現(xiàn)，為376.2 mm，差值為96.1 mm。

圖3 3種農(nóng)作物全生育期需水量與缺水量年際變化

春小麥生育期雨水量平均每10 a增加0.8 mm，缺水量平均每10 a減少2.7 mm。分析多年平均需水量及缺水量年際變化，缺水量年際變化趨勢比較大，其中2008年缺水量值最大，為194.6 mm;最小值于1984年出現(xiàn)，為49.3 mm，差值為145.3 mm，多年平均缺水量137.5 mm;需水量最大值為251 mm(1998年)，最小值為190.3 mm(1967年)，差值為60.7 mm，多年平均需水量為233.7 mm。

玉米生育期需水量也呈逐年增加趨勢，平均每10 a增加2.3 mm，且缺水量年際變化趨勢與需水量基本一致，每10 a增加6.0 mm；缺水量年際變化較大，其中，玉米缺水量最大值和最小值同馬鈴薯一樣均出現(xiàn)在2009年和1967年，分別為298.3 mm和156.9 mm，差值141.4 mm，多年平均缺水量為240.5 mm;2003年需水量最大，為448.1 mm，1967年需水量最小，為365.9 mm，差值為82.2 mm，多年平均需水量為417.2 mm。

對3種作物進(jìn)行全生育期需水量周期分析，從圖4中可以看出，隨時間的推移，3種作物周期呈“大—小—大”的變化趨勢，且年際變化差異較大。對應(yīng)結(jié)合小波方差圖，馬鈴薯對應(yīng)3個明顯的峰值，28 a時間尺度對應(yīng)最大的峰值，表明其震蕩最強(qiáng)烈，為第一個主周期，12 a和4 a分別對應(yīng)第二、三個主周期；分析春小麥和玉米小波方差圖，兩種作物均對應(yīng)一個明顯的峰值，為28 a時間尺度，對比3種作物的小波方差圖與等值線分析結(jié)果，均一一對應(yīng)。

圖4 3種農(nóng)作物生育期需水量小波變化

2.3 作物水分盈虧指數(shù)分析

水分盈虧指數(shù)[30]是反映農(nóng)田濕度和作物缺水飽水狀態(tài)的主要指標(biāo)，它從降水量和蒸散發(fā)兩個影響因素去考慮，判定作物需水和供水情況，圖5為3種作物的水分盈虧指數(shù)分析結(jié)果。

圖5 3種作物生育期平均水分虧缺率M-K突變檢驗(yàn)

結(jié)果顯示馬鈴薯、玉米、春小麥的平均水分盈虧指數(shù)分別為-38.0%，-57.5%，-58.7%，可以看出，固原市近60年降水資源處于嚴(yán)重短缺的狀態(tài)，3種作物對灌溉需水的依賴程度均較高，尤其是春小麥。由M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果看出3種作物水分盈虧率的變化趨勢都有突變點(diǎn)，馬鈴薯的水分盈虧率在1998年以前變化趨勢較為穩(wěn)定，1998年以后開始出現(xiàn)下降趨勢；春小麥從1960—1987年經(jīng)歷了升降升的變化趨勢，1987年以后突破顯著性檢驗(yàn)水平，水分盈虧率在一段時間內(nèi)呈顯著上升趨勢；玉米的水分虧缺率在1960—1970年呈現(xiàn)升降升的變化趨勢，在1970年以后呈下降趨勢，1998年左右突破顯著性檢驗(yàn)水平，表現(xiàn)為顯著性下降趨勢，說明玉米生育期內(nèi)水分虧缺越來越嚴(yán)重。

3 討 論

寧夏固原年均降水量少、蒸發(fā)大，且降水主要分布在7—9月份，屬于典型的季節(jié)性降雨地區(qū)。近年來，由于全球氣候的變化，使得固原地區(qū)干旱缺水、土壤水分流失嚴(yán)重加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量也受到嚴(yán)重影響。本文以固原地區(qū)為研究區(qū)域，通過對該地區(qū)主要農(nóng)作物生育期作物系數(shù)進(jìn)行校正，采用Penman-Monteith公式對該地區(qū)3種主要農(nóng)作物生育階段蒸發(fā)量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而分析有效降雨量及作物生育期需水量的時空變化趨勢及分布特征。

利用3種農(nóng)作物生育期的氣候條件對作物系數(shù)進(jìn)行修正，能提高有效降雨量與需水量的計(jì)算精準(zhǔn)度，更好地反映研究區(qū)的實(shí)際情況；針對降水變化趨勢，近年來大多學(xué)者采用M-K檢驗(yàn)法，從年降水天數(shù)、年均降水量等單變量的角度去分析[31-32]，對于特定農(nóng)作物在生育期的水分盈虧率研究較少，而本文針對研究區(qū)的3種主要農(nóng)作物全生育期水分盈虧進(jìn)行了分析。

研究發(fā)現(xiàn)3種作物全生育期內(nèi)有效降水與作物需水的時間分布不均衡，導(dǎo)致該地區(qū)在某一時段內(nèi)會出現(xiàn)嚴(yán)重干旱缺水的情況，且3種作物生育期需水量差異較大，水分盈虧較嚴(yán)重，有效降水量均不能滿足作物水分需求，分析原因主要受3種農(nóng)作物生育周期和氣象因子的影響較大：尤其是春小麥缺水現(xiàn)狀最為嚴(yán)重，春小麥生育周期主要分布在3—7月份且生育期內(nèi)以小降雨為主，單次降雨量不能滿足春小麥生長發(fā)育；玉米比馬鈴薯生育周期較長，生育期內(nèi)降雨較為集中，但主要以大降雨為主，過大的降雨量來不及入滲至作物根區(qū)，利用率低，同樣導(dǎo)致玉米和馬鈴薯生育期缺水嚴(yán)重。李祎君等[33]、居輝[34]分析全球氣候變化對我國農(nóng)作物影響，研究表明氣候變化對小麥的影響最大，且建議應(yīng)大面積的種植水稻代替玉米；雷學(xué)鋒等[35]研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯花序形成后與降水對產(chǎn)量的影響很大，建議提前或推后播種期。所以本文從時間和氣候變化的角度分析，建議研究區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)：考慮春小麥生育期降水較少，不利于春小麥的生長，故可以適當(dāng)減少春小麥的播種面積，增加馬鈴薯的播種面積或引進(jìn)其他品種的春小麥；針對馬鈴薯和玉米可以采用間套作的種植模式或針對玉米可以進(jìn)行雙壟溝覆膜節(jié)水集水灌溉技術(shù)。

氣候因子對農(nóng)作物需水影響較大，從當(dāng)前變化不定的氣候條件可以看出，干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)水源除天然降雨外，灌溉水仍是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要補(bǔ)給水源，若在農(nóng)作物主要需水時期供給有效的水量，在一定程度上可以使農(nóng)作物提高增產(chǎn)效益；另外精準(zhǔn)了解不同作物生育階段有效降雨和需水量的現(xiàn)狀，為避免灌溉水過度浪費(fèi)，可以采用適當(dāng)?shù)墓?jié)水灌溉措施，如膜下滴灌、溝灌等。

本文主要針對3種作物生育期的需水量受降水量的變化進(jìn)行分析，根據(jù)以往的研究表明，作物的需水量不僅僅只是隨一種因素的呈相關(guān)關(guān)系，其他氣象因子共同作用對3種作物需水量如何影響，還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1)3種作物有效降雨量研究表明，近60年固原地區(qū)馬鈴薯全生育期有效降雨平均分布在95～196 mm，春小麥全生育期有效降水量為22.1～134.88 mm，玉米全生育期有效降水量為117.43～287 mm；從整體分析，3種作物全生育期有效降雨量玉米>馬鈴薯>春小麥，有效降水量均呈現(xiàn)出“大—小—大”的周期變化趨勢。

(2)3種作物生育期需水量均呈上升趨勢：馬鈴薯全生育期需水量最大值出現(xiàn)于2003年，為472.3 mm；最小值出現(xiàn)于1967年，為376.2 mm，差值為96.1 mm，多年需水量為439.3 mm；春小麥生育期需水量平均每10 a增加0.8 mm，需水量最大值發(fā)生于1998年，為251 mm，最小值發(fā)生于1967年，為190.3 mm，差值為60.7 mm，年均需水量為233.7 mm；玉米生育期需水量平均每10 a上升2.3 mm，需水量最大值發(fā)生于2003年，為448.1 mm，最小值發(fā)生于1967年，為365.9 mm，差值為82.2 mm，多年平均需水量為417.2 mm。

(3)作物生育期水分盈虧指數(shù)：馬鈴薯、玉米、春小麥的平均水分盈虧指數(shù)為-38.0%，-57.5%和-58.7%，可以看出玉米和春小麥對灌溉需水的依賴較高。