丁大偉，陳金平，申孝軍，宋妮*，謝坤，任文，王景雷*

商丘地區(qū)不同降水年型冬小麥-夏玉米需水量和缺水量分析

丁大偉1,2,4，陳金平1,2，申孝軍2,3，宋妮1,2*，謝坤1,2，任文1,2，王景雷1,2*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/國家農(nóng)業(yè)環(huán)境商丘觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展長期固定觀測(cè)商丘試驗(yàn)站，河南 商丘 476000；3.天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300392；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081）

【目的】研究不同降水年型下冬小麥、夏玉米的作物需水規(guī)律及成因?！痉椒ā炕?954—2019年商丘市氣象數(shù)據(jù)、1999—2019年河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站作物生育期觀測(cè)數(shù)據(jù)和2011—2018年大型蒸滲儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用描述性統(tǒng)計(jì)和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法，探究作物需水量和缺水量變化趨勢(shì)，并通過主導(dǎo)分析法探索氣象因子對(duì)作物需水量的影響?！窘Y(jié)果】1954—2019年，周年有效降水量呈上升趨勢(shì)，冬小麥季、夏玉米季有效降水量上升速率為3.09、5.23 mm/10 a；僅豐水年下冬小麥季和周年有效降水量呈下降趨勢(shì)。周年作物需水量呈極顯著下降趨勢(shì)（<0.01），冬小麥季、夏玉米季作物需水量下降速率為6.72 mm/10 a（<0.01）、18.47 mm/10 a（<0.01）；不同降水年型下冬小麥季、夏玉米季和作物周年需水量均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。周年作物缺水量呈極顯著下降趨勢(shì)（<0.01），冬小麥季、夏玉米季作物缺水量下降速率為9.81、23.70 mm/10 a（<0.01）；僅豐水年冬小麥季缺水量呈上升趨勢(shì)。在平水年和枯水年，日照時(shí)間是影響冬小麥需水量的首要因子，但在豐水年相對(duì)濕度為影響冬小麥需水量的首要因子；夏玉米需水量的主要影響因子為日照時(shí)間、平均風(fēng)速和最高溫度，在3種降水年型下日照時(shí)間均為首要因子，其次是平均風(fēng)速和最高溫度?！窘Y(jié)論】在豐水年型下，商丘地區(qū)冬小麥應(yīng)在拔節(jié)—抽穗期灌溉，夏玉米季不灌溉；在平水年型下，冬小麥季應(yīng)在拔節(jié)—抽穗期灌溉，夏玉米抽雄期灌溉；在枯水年型下，冬小麥和夏玉米在播前灌溉的基礎(chǔ)上，還需分別在拔節(jié)—抽穗期和拔節(jié)—抽雄期進(jìn)行灌溉。

作物需水量；冬小麥-夏玉米連作；降水年型；氣象因子；主導(dǎo)分析法

0 引 言

【研究意義】冬小麥-夏玉米連作是我國北方主要的耕作模式，近年來，人們對(duì)食物多樣性的要求不斷提高，各種作物的種植面積逐漸擴(kuò)大，冬小麥、夏玉米的種植面積被持續(xù)壓縮，糧食危機(jī)瀕臨，以冬小麥-夏玉米連作為主的麥-玉兩熟區(qū)必須以更為優(yōu)化的灌溉制度來緩解糧食增加與水資源不足的矛盾。商丘市地處豫、魯、蘇、皖四省結(jié)合部，是豫東地區(qū)冬小麥-夏玉米連作一年兩熟種植模式的典型代表區(qū)。2020年冬小麥產(chǎn)量為447.35萬t，夏玉米產(chǎn)量為274.32萬t，人均糧食占有量為790 kg，遠(yuǎn)高于全國人均470 kg和國際糧食安全人均400 kg標(biāo)準(zhǔn)線[1]。但是商丘市人均水資源占有量不足300 m3，是全國重度缺水地區(qū)之一[2]。因此，探明冬小麥-夏玉米周年、作物季及作物不同生育階段需水規(guī)律，掌握影響作物需水量的主要?dú)庀笠蜃蛹捌湮磥碜兓厔?shì)，有助于麥-玉兩熟區(qū)作物生育階段灌水策略的選擇和制定，對(duì)豫東地區(qū)優(yōu)化農(nóng)田水分管理和區(qū)域水資源調(diào)配至關(guān)重要?！狙芯窟M(jìn)展】作物需水量和作物缺水量是農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃的基礎(chǔ)資料和重要指標(biāo)[3-4]，眾多學(xué)者利用FAO推薦的Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法對(duì)作物需水量做了大量研究工作[5-7]。近年來，黃仲冬等[8]利用土壤水分密度函數(shù)量化河南省作物灌溉需水量。李志等[9]根據(jù)1996—2015年氣象資料，明確了蘇北地區(qū)不同水文年型冬小麥生育階段及冬小麥季作物需水量和灌溉需水量。Wu等[10]量化了華北平原冬小麥生長季、夏玉米生長季及周年灌溉需水量，認(rèn)為周年灌溉需水量變化趨勢(shì)并不顯著。探究氣象因子與作物需水量、缺水量之間的關(guān)系，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來作物需水狀況至關(guān)重要。宋妮等[11]基于氣象數(shù)據(jù)采用主導(dǎo)分析法，揭示了影響河南地區(qū)參考作物蒸散量變化的主要?dú)庀笠蜃訛槿照諘r(shí)間和平均風(fēng)速。張力等[12]采用敏感性分析方法研究表明，相對(duì)濕度和氣溫是影響黃淮海區(qū)域作物需水量的敏感因子，而Jia等[13]采用相同的研究方法，認(rèn)為日照時(shí)間、平均風(fēng)速是影響作物需水量的主要因子，溫度升高對(duì)作物需水量的影響有限。鄭潤橋等[14]利用相關(guān)分析法，得出相對(duì)濕度和日照時(shí)間是影響魯西北冬小麥缺水量的重要因素。姬興杰等[15]采用偏相關(guān)分析法研究指出，導(dǎo)致河南省冬小麥需水量下降的原因是平均風(fēng)速減小?！厩腥朦c(diǎn)】在分析氣象因子對(duì)作物需水量的影響時(shí)，不同站點(diǎn)和不同統(tǒng)計(jì)方法導(dǎo)致結(jié)論不一致，眾多學(xué)者大多考慮日照時(shí)間、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、溫度的影響，忽視了降水對(duì)其影響，降水雖未直接參與作物需水量的計(jì)算，但其間接影響其他因子變化，不同降水年型下氣象因子對(duì)作物需水量的影響尚不清晰，有待進(jìn)一步研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】根據(jù)河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站作物生育期資料和大型稱質(zhì)量式蒸滲儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合1955—2019年歷史氣象數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法[16]，明確冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式區(qū)作物需水量和缺水量在作物季、周年及不同降水年型下的變化特征，并采用主導(dǎo)分析方法探明不同降水年型下作物需水量的主控氣象因子，為農(nóng)區(qū)開展科學(xué)的灌溉管理方式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（115°34′09′′E，34°35′04′′N，海拔50.2 m）地處黃淮平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，屬半干旱、亞濕潤暖溫帶季風(fēng)氣候類型，種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟連作。冬小麥生長季為每年的10月中旬—翌年6月上旬，夏玉米生長季為每年6月上旬—9月下旬。研究區(qū)多年平均（1955—2019年）降水量為712.9 mm，年蒸發(fā)量為1 735.0 mm，年日照時(shí)間為2 149.1 h（冬小麥季1 289.3 h、夏玉米季737.8 h），年平均溫度14.3 ℃（冬小麥季8.3 ℃、夏玉米季25.6 ℃），≥0 ℃積溫5 292.5 ℃（冬小麥季2 029.8 ℃、夏玉米季2 829.7 ℃），無霜期206 d左右。區(qū)域土壤類型主要為黃河沉積物發(fā)育的潮土，并伴有部分鹽堿土、沙土和沼澤土的交錯(cuò)分布。自1994年來持續(xù)開展引黃補(bǔ)源工程以補(bǔ)充地下水，通過電力、機(jī)械井水提灌的方式進(jìn)行灌溉。

1.2 降水年型的劃分

采用配線法進(jìn)行降水年型劃分。以冬小麥播種至次年夏玉米收獲為周年時(shí)間單位，將周年降水量由大到小排列，計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，繪制經(jīng)驗(yàn)曲線并與皮爾遜III型曲線進(jìn)行配線，降水量≤25%降水保證率年型為豐水年，75%降水保證率年型為枯水年，其余年份為平水年[17]，各降水年型下冬小麥季、夏玉米季及周年平均降水量見表1。

表1 商丘地區(qū)不同降水年型下各作物季1955—2019年平均降水量

1.3 作物生育階段與作物系數(shù)

本研究將冬小麥生育期分為播種—返青期、返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期、抽穗—收獲期4個(gè)生育階段，夏玉米生育期分為播種—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期、抽雄—收獲期3個(gè)生育階段，作物生育期日期來自河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（http://sqa.cern.acs.cn/meta/metaData）1999—2019年作物生育動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算各生育階段日期平均值，結(jié)果見表2。

根據(jù)河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站2011—2018年大型稱質(zhì)量式蒸滲儀觀測(cè)的作物需水量數(shù)據(jù)，結(jié)合同時(shí)期參考作物需水量計(jì)算冬小麥、夏玉米逐旬作物系數(shù)并取平均值，結(jié)果見表3。

1.4 氣象因子和參考作物需水量

氣象資料來自國家氣象中心（http://data.cma.cn/），數(shù)據(jù)起始時(shí)間為1954年10月—2019年9月，包括逐日平均溫度、最高溫度和最低溫度（℃）、相對(duì)濕度（%）、降水量（mm）、平均風(fēng)速（m/s）、日照時(shí)間（h）。冬小麥季氣象數(shù)據(jù)為每年10月至翌年6月，夏玉米季氣象數(shù)據(jù)為每年6—9月，周年氣象數(shù)據(jù)自1954年10月—2019年9月，冬小麥季、夏玉米季和冬小麥-夏玉米周年均為65 a數(shù)據(jù)，文中均以1955—2019年表示。參考作物需水量（0）采用FAO56推薦的Penman-Monteith方程計(jì)算，具體見文獻(xiàn)[16]，本文不再詳述。

表3 商丘地區(qū)冬小麥、夏玉米逐旬作物系數(shù)

1.5 有效降水量、作物需水量、缺水量的計(jì)算

商丘地區(qū)冬小麥種植期間降水強(qiáng)度不大，不產(chǎn)生深層滲漏或地表徑流，可將生長期內(nèi)所有降水量視為有效降水量，有效降水量計(jì)算式為[18]：

式中：e-W為冬小麥播種前半月與整個(gè)冬小麥生長期內(nèi)的有效降水量之和；hm為冬小麥播前半月的降水量（mm），計(jì)入冬小麥播種—返青期；W為冬小麥生育期內(nèi)的降水量（mm）。

夏玉米有效降水量采用分段系數(shù)法計(jì)算，計(jì)算式為[19]：

式中：e-M為夏玉米日有效降水量（mm）；M為夏玉米日降水量（mm）。

采用作物系數(shù)法[16]計(jì)算冬小麥、夏玉米需水量，即c=c×0。式中：c為作物需水量（mm/d）；c為冬小麥、夏玉米作物系數(shù)。

缺水量為作物生育階段內(nèi)的需水量與有效降水量之差[18]。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用Mann-Kendall法對(duì)不同時(shí)間尺度有效降水量、作物需水量和作物缺水量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)變量＞0時(shí)表示該指標(biāo)呈上升趨勢(shì)，<0時(shí)表示該指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，當(dāng)││＞1.96時(shí)變化趨勢(shì)顯著（<0.05）[20]；采用主導(dǎo)分析法分析氣象因子對(duì)作物需水量的貢獻(xiàn)率并進(jìn)行排序[11]；使用R 4.2.1進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有效降水量

2.1.1 冬小麥、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年有效降水量

圖1為1955—2019年冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年有效降水量。由圖1可知，商丘地區(qū)冬小麥季有效降水量平均為242.8 mm，占周年有效降水量的40.68%，最高值出現(xiàn)在1963年（505.5 mm），最低值出現(xiàn)在1970年（109.3 mm）。夏玉米季有效降水量平均為354.1 mm，在107.9～663.4 mm之間波動(dòng)，最高值出現(xiàn)在1979年，最低值出現(xiàn)在1966年。冬小麥-夏玉米周年有效降水量在268.8～998.8 mm之間變化，最高值和最低值分別出現(xiàn)在1979年和1966年，最高值和最低值出現(xiàn)時(shí)間與夏玉米季相同，可能是因?yàn)?979年夏玉米季降水量較大，而1966年夏玉米季和冬小麥季降水量均較少所致。對(duì)1955—2019年冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年有效降水量進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三者分別以3.09、5.23、8.32 mm/10 a的速率緩慢上升。

圖1 商丘地區(qū)1955—2019年冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年有效降水量年際變化

2.1.2 冬小麥、夏玉米各生育階段有效降水量

冬小麥、夏玉米各生育階段有效降水量變化趨勢(shì)指標(biāo)見表4。冬小麥在播種—返青期內(nèi)有效降水量最高，占整個(gè)冬小麥季有效降水量的41.74%，其次是抽穗—收獲期，且均呈緩慢上升趨勢(shì)，但在冬小麥返青—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽穗期有效降水量分別占冬小麥季的7.97%和12.59%，且均呈緩慢下降趨勢(shì)，故這2個(gè)生育階段的灌溉需求增加。夏玉米各生育階段有效降水量差別相對(duì)較小，除在播種—拔節(jié)期有效降水量呈緩慢下降趨勢(shì)外，其他生育階段均呈緩慢上升趨勢(shì)，故夏玉米應(yīng)在播種時(shí)適時(shí)灌溉，確保出苗，苗期管理好，可充分利用降水，后期基本不需要灌溉。

枯水年冬小麥-夏玉米周年和平水年冬小麥抽穗—收獲期有效降水量呈顯著上升趨勢(shì)（<0.05），枯水年和平水年冬小麥季有效降水量呈上升趨勢(shì)，豐水年冬小麥季有效降水量呈下降趨勢(shì)；不同降水年型下夏玉米季有效降水量呈上升趨勢(shì)，但豐水年拔節(jié)—抽雄期有效降水量呈顯著下降趨勢(shì)（<0.05）。

表4 冬小麥、夏玉米各生育階段有效降水量變化及其趨勢(shì)檢驗(yàn)

注 *代表在<0.05水平趨勢(shì)顯著，下同。

2.2 作物需水量

2.2.1 冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年作物需水量

圖2為1955—2019年冬小麥、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年作物需水量年際變化。由圖2可知，商丘地區(qū)冬小麥季需水量平均為416.7 mm，最高值出現(xiàn)在1968年（504.5 mm），最低值出現(xiàn)在1991年（330.7 mm）。夏玉米季需水量平均為443.9 mm，最高值出現(xiàn)在1966年（611.2 mm），最低值出現(xiàn)在2003年（356.7 mm），可發(fā)現(xiàn)最高值均出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，最低值均出現(xiàn)在20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初期。冬小麥-夏玉米周年作物需水量總體在703.0～1 086.3 mm之間變化，作物需水量平均為860.6 mm，最高值和最低值分別出現(xiàn)在1966年（枯水年）和2004年（豐水年）。1955—2019年冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米作物需水量進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三者分別以6.72、18.47、25.19 mm/10 a速率呈極顯著下降趨勢(shì)（<0.01），冬小麥季下降趨勢(shì)略緩于夏玉米季，但二者的極顯著下降趨勢(shì)加劇了周年作物需水量的下降趨勢(shì)。

圖2 商丘地區(qū)1955—2019年冬小麥、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年作物需水量年際變化

2.2.2 冬小麥、夏玉米各生育階段需水量

冬小麥、夏玉米各生育階段需水量變化趨勢(shì)指標(biāo)見表5。冬小麥抽穗—收獲期需水量最高，播種—返青期次之，這2個(gè)生育階段作物需水量占全生育期71.41%，1955—2019年這2個(gè)生育階段作物需水量分別以4.67 mm/10 a和2.00 mm/10 a的速率呈極顯著下降趨勢(shì)，結(jié)合表4有效降水量的上升趨勢(shì)可知，未來這2個(gè)生育階段灌溉需求可能減少。返青—拔節(jié)期冬小麥需水量呈不顯著上升趨勢(shì)，拔節(jié)—抽穗期呈不顯著下降趨勢(shì)。結(jié)合表4可知，返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期有效降水量均呈下降趨勢(shì)，且后者下降趨勢(shì)高于前者，表明未來這2個(gè)生育階段的灌溉需求可能增加，而播種—返青期和抽穗—收獲期灌溉需求可能減少，尤其抽穗—收獲期作物需水量雖占比最大，但下降趨勢(shì)也更高，未來灌溉需求可能減少。

表5 冬小麥、夏玉米各生育階段需水量變化及其趨勢(shì)檢驗(yàn)

注 **代表在<0.01水平趨勢(shì)顯著，下同。

夏玉米各生育階段需水量均隨時(shí)間呈極顯著下降趨勢(shì)（<0，<0.01），抽雄—收獲期需水量最高，需水模數(shù)為49.95%，其中1959年和1966年均超過300 mm；由表4可知，拔節(jié)—收獲期有效降水量呈上升趨勢(shì)，且抽雄—收獲期上升趨勢(shì)略高于拔節(jié)—抽雄期，因此，拔節(jié)—收獲期需水量的下降趨勢(shì)與降水量的升高趨勢(shì)有助于減少灌溉量，故拔節(jié)—收獲期未來灌溉需求可能降低；而播種—拔節(jié)期，雖然作物需水量呈下降趨勢(shì)，但降水量也呈下降趨勢(shì)，故播種—拔節(jié)期的灌溉需求可能仍存在。

不同降水年型下冬小麥-夏玉米周年、冬小麥和夏玉米全生育期需水量排序均為枯水年>平水年>豐水年，但彼此之間相差不大。枯水年冬小麥和夏玉米各生育階段需水量均呈下降趨勢(shì)，在冬小麥季的返青—拔節(jié)期和夏玉米的播種—抽雄期下降趨勢(shì)緩慢；平水年冬小麥返青—抽穗期需水量呈上升趨勢(shì)，夏玉米各生育階段需水量均呈極顯著下降趨勢(shì)；豐水年僅冬小麥返青—拔節(jié)期需水量呈上升趨勢(shì)，而冬小麥其他生育階段和夏玉米各生育階段需水量均為下降趨勢(shì)。

2.3 作物缺水量

2.3.1 冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年缺水量

圖3為1955—2019年冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年缺水量年際變化。由圖3可知，商丘地區(qū)冬小麥季缺水量以9.81 mm/10 a的速率緩慢下降（=-1.73）。1955—2019年冬小麥季缺水量平均為173.9 mm，最高值出現(xiàn)在1968年（383.3 mm）；最低值出現(xiàn)在1963年（-149.2 mm），因該年有效降水量達(dá)505.5 mm（圖1），而需水量為356.3 mm。1955—2019年夏玉米季缺水量以23.70 mm/10 a的速率呈顯著下降趨勢(shì)（=-2.50，<0.05）。1955—2019年夏玉米季缺水量平均為89.9 mm，最高值出現(xiàn)在1966年（503.3 mm），最低值出現(xiàn)在2003年（-233.7 mm）。冬小麥-夏玉米周年缺水量平均為263.8 mm，最高值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代（1961、1966、1968年），其中1966年缺水量最高（817.5 mm），2003年缺水量最低（-181.4 mm）；與冬小麥-夏玉米周年需水量變化趨勢(shì)一致，1955—2019年周年缺水量以33.51 mm/10 a的速率呈極顯著下降趨勢(shì)（=-2.97，<0.01）。

圖3 商丘地區(qū)1955—2019年冬小麥季、夏玉米季及冬小麥-夏玉米周年缺水量年際變化

綜上可知，冬小麥季、夏玉米季缺水量均呈下降趨勢(shì)，夏玉米季下降趨勢(shì)高于冬小麥季，表明商丘地區(qū)未來仍有一定節(jié)水空間，夏玉米季節(jié)水潛力高于冬小麥季，或可適當(dāng)提高種植密度增加產(chǎn)量。

2.3.2 冬小麥、夏玉米各生育階段缺水量

冬小麥、夏玉米各生育階段缺水量變化趨勢(shì)見表6。冬小麥抽穗—收獲期缺水量最高，平均缺水量為110.4 mm，1955—2019年缺水量以6.42 mm/10 a的速率緩慢下降（=-1.81），1981年缺水量最高（251.4 mm），其次是1968、1967、2001、1960、1978、1971年，該生育階段缺水量均超過200 mm，缺水量較高的年份基本在20世紀(jì)60—70年代，而2010—2019年，抽穗—收獲期缺水量均值為94.0 mm，可能與該生育階段需水量下降、降水量上升有關(guān)；拔節(jié)—抽穗期缺水量占冬小麥全生育期缺水量的33.63%，1955—2019年缺水量以1.66 mm/10 a的速率緩慢上升（=0.41），返青—拔節(jié)期缺水量以0.32 mm/10 a速率緩慢上升（=0.66），

表6 冬小麥、夏玉米各生育階段缺水量變化及其趨勢(shì)檢驗(yàn)

夏玉米各生育階段缺水量與其需水量變化趨勢(shì)一致，均呈下降趨勢(shì)，尤其在抽雄—收獲期呈極顯著下降趨勢(shì)（=-2.81，<0.01），這與抽雄—收獲期降水量呈上升趨勢(shì)和需水量呈下降趨勢(shì)有關(guān)；夏玉米播種—拔節(jié)期缺水量下降速率最小，且缺水量均值為負(fù)，表明該期水分盈余，但歷史僅有23 a出現(xiàn)水分盈余，且個(gè)別年份缺水量超過100.0 mm，最近出現(xiàn)在2013年，缺水量為103.9 mm，因此未來仍需重視播種—拔節(jié)期灌溉。

枯水年冬小麥-夏玉米周年、冬小麥和夏玉米全生育期缺水量均呈下降趨勢(shì)，尤其在冬小麥季和冬小麥-夏玉米周年缺水量呈極顯著下降趨勢(shì)（<0.01）；平水年冬小麥-夏玉米周年缺水量呈極顯著下降趨勢(shì)（<0.01），主要是因?yàn)槠剿甑亩←溂竞拖挠衩准救彼烤氏陆第厔?shì)；表明未來枯水年和平水年冬小麥-夏玉米周年可減少灌溉量。豐水年冬小麥季缺水量緩慢上升，夏玉米季缺水量緩慢減少。

2.4 不同年代不同降水年型作物缺水量

表7為1955—2019年、2000—2019年和2010—2019年冬小麥、夏玉米不同降水年型下各生育階段缺水量均值。由表7可知，1955—2019年，冬小麥-夏玉米周年、冬小麥和夏玉米全生育期及各生育階段缺水量均表現(xiàn)為枯水年>平水年>豐水年；2000—2019年，平水年、豐水年、枯水年分別有11、7、2 a，冬小麥、夏玉米全生育期及冬小麥季的返青—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽穗期、夏玉米季的播種—拔節(jié)期和抽雄—收獲期階段缺水量表現(xiàn)為枯水年>平水年>豐水年，冬小麥季的播種—返青期、抽穗—收獲期和夏玉米季的拔節(jié)—抽雄期缺水量各降水年型排序有所變化，冬小麥播種—返青期缺水量表現(xiàn)為平水年>枯水年>豐水年，抽穗—收獲期缺水量表現(xiàn)為枯水年>豐水年>平水年，夏玉米拔節(jié)—抽雄期缺水量表現(xiàn)為枯水年>豐水年>平水年；這種特殊的排序在2010—2019年冬小麥缺水量變化中仍在持續(xù)，甚至擴(kuò)展到拔節(jié)—抽穗期，各降水年型缺水量表現(xiàn)為平水年>豐水年>枯水年，2010—2019年3種降水年型下夏玉米拔節(jié)—抽雄期缺水量排序與2000—2019年略有不同，具體表現(xiàn)為豐水年>枯水年>平水年，這可能與降水量在各生育階段的分配比例在不同降水年型下不同有關(guān)，表明以降水年型來區(qū)分降水對(duì)各生育階段作物缺水量的影響仍不夠準(zhǔn)確，未來或可以生育階段降水量進(jìn)行不同降水年型的劃分。由表7可知，1955—2019年、2000—2019年和2010—2019年豐水年型下，除夏玉米拔節(jié)—抽雄期外，夏玉米全生育期及播種—拔節(jié)期、抽雄—收獲期缺水量均為負(fù)值，表明商丘地區(qū)未來若遇豐水年，可不灌溉；2000—2019年平水年型下，夏玉米拔節(jié)—抽雄期缺水量為負(fù)值，2010—2019年和1955—2019年拔節(jié)—抽雄期缺水量較?。?.6、10.6 mm），3個(gè)時(shí)間尺度下抽雄—收獲期缺水量均超過了60 mm，表明平水年時(shí)商丘地區(qū)應(yīng)考慮在抽雄期灌溉。2000—2019年和2010—2019年3種水文年型下冬小麥播種—返青期缺水量為負(fù)值或較小，這可能是由于在計(jì)算冬小麥有效降水量時(shí)考慮了播種前半月的降水所致，但也說明商丘地區(qū)冬小麥在播種—返青期缺水量較少。

表7 不同降水年型下冬小麥、夏玉米全生育期及各生育階段缺水量均值

2.5 影響作物需水量的主要因子

表8為各氣象因子在不同降水年型下的變化趨勢(shì)及其對(duì)需水量的貢獻(xiàn)率。由表8可知，日照時(shí)間和平均風(fēng)速在不同降水年型下均呈下降趨勢(shì)，相對(duì)濕度除冬小麥季和周年枯水年型時(shí)為上升趨勢(shì)外，其他時(shí)段均為下降趨勢(shì)，最高溫度和平均溫度除夏玉米季枯水年、平水年為下降趨勢(shì)外，其他時(shí)段均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。

表8 不同降水年型下氣象因子變化趨勢(shì)及對(duì)作物需水量的影響

除冬小麥季豐水年相對(duì)濕度是作物需水量的第一影響因子外，其他年型、時(shí)段下日照時(shí)間均為第一影響因子；第二因子大部分年型和時(shí)段下均為平均風(fēng)速，偶有最高溫度。

對(duì)3種降水年型下周年需水量分析發(fā)現(xiàn)，影響作物需水量的第一因子和第二因子均為日照時(shí)間和平均風(fēng)速，且這2個(gè)氣象因子均呈極顯著下降趨勢(shì)，導(dǎo)致商丘地區(qū)冬小麥-夏玉米周年作物需水量呈極顯著下降（枯水年、平水年）趨勢(shì)；第三因子在枯水年和豐水年為相對(duì)濕度，平水年為最低溫度。

對(duì)冬小麥季3種降水年型作物需水量影響因素分析發(fā)現(xiàn)，豐水年與其他降水年型不同，相對(duì)濕度為作物需水量第一影響因子，日照時(shí)間和最高溫度共同為第二因子，且與其他因子差異較大；對(duì)3種年型下相對(duì)濕度年際變化分析發(fā)現(xiàn)，由于豐水年冬小麥季降水較多，且呈不顯著下降趨勢(shì)，而日照時(shí)間呈顯著下降趨勢(shì)、最高溫度呈極顯著上升趨勢(shì)，三者共同作用導(dǎo)致豐水年冬小麥季需水量下降趨勢(shì)不明顯。其他年型下第二因子和第三因子均為相對(duì)濕度或平均風(fēng)速，但2010—2019年商丘地區(qū)枯水年出現(xiàn)概率較小（僅出現(xiàn)1 a），故相對(duì)濕度對(duì)冬小麥季需水量的影響不可忽視。

對(duì)夏玉米季3種降水年型作物需水量影響因素分析發(fā)現(xiàn)，第二因子除枯水年為最高溫度外，其他年型均為平均風(fēng)速，但枯水年平均風(fēng)速和最高溫度貢獻(xiàn)率差異較小，所有降水年型下日照時(shí)間和平均風(fēng)速均呈極顯著或顯著下降趨勢(shì)，同期，夏玉米需水量呈極顯著或顯著下降趨勢(shì)，故未來商丘地區(qū)夏玉米種植季應(yīng)主要關(guān)注日照時(shí)間和平均風(fēng)速的變化。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，1955—2019年，冬小麥需水量呈極顯著下降趨勢(shì)（<0.01），缺水量以9.81 mm/10 a的速率緩慢下降（=-1.73），夏玉米全生育期作物需水量以18.47 mm/10 a的速率呈極顯著下降趨勢(shì)，缺水量以23.70 mm/10 a的速率呈極顯著下降趨勢(shì)，這與黃仲冬等[8]和劉小剛等[21]對(duì)豫東地區(qū)的分析結(jié)果一致；夏玉米季各生育階段需水量也呈極顯著下降趨勢(shì)，且下降幅度遠(yuǎn)高于冬小麥季，這與劉曉英等[22]在華北地區(qū)的研究結(jié)果相同。冬小麥和夏玉米缺水量的下降均是由于其需水量的下降和降水量的上升所致，這與黃仲冬等[8]的研究結(jié)果一致。王景雷[3]和孫爽等[23]認(rèn)為日照時(shí)間、平均風(fēng)速和相對(duì)濕度是影響冬小麥需水量的主要因子，本文對(duì)3種降水年型下作物需水量影響因子分析發(fā)現(xiàn)，在豐水年，相對(duì)濕度是首要因子，日照時(shí)間和最高溫度次之；而其他年型，日照時(shí)間為第一影響因子，相對(duì)濕度或平均風(fēng)速為第二影響因子；3種降水年型下促使夏玉米需水量下降的主要原因均是日照時(shí)間和平均風(fēng)速下降。

冬小麥全生育期有效降水量相對(duì)較少，占周年有效降水量的40.68%，缺水量占周年缺水量的65.93%，但播種—返青期在豐水年型下出現(xiàn)水分盈余，表明豐水年型下降水可滿足冬小麥基本出苗和前期正常生長，孫爽等[23]從全國尺度分析冬小麥各生育階段需水量，認(rèn)為黃淮冬麥區(qū)冬小麥在各個(gè)生育階段的降水均不能滿足需水要求，這可能與其忽略了冬小麥播種前半月的降水有關(guān)。Zhang等[24]和Fang等[25]指出拔節(jié)期是冬小麥水分敏感期，本文發(fā)現(xiàn)冬小麥拔節(jié)前，除枯水年缺水量較大外，平水年和豐水年缺水量均較少，冬小麥拔節(jié)后，3種降水年型下缺水量均顯著上升。房全孝等[26]指出播前灌溉是確保冬小麥出苗和苗期生長發(fā)育良好的關(guān)鍵舉措，Xu等[27]研究表明，在冬小麥拔節(jié)期、開花期各灌溉75 mm，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率最高，本研究認(rèn)為3種降水年型下均要在拔節(jié)—抽穗期灌溉，尤其枯水年還需在播前灌溉。

孫晉鍇等[28]研究表明，豫東夏玉米拔節(jié)—抽雄期、抽雄—灌漿期進(jìn)行2次灌水，灌水定額分別為85、75 mm，可實(shí)現(xiàn)夏玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目標(biāo)。陳金平等[29]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夏玉米拔節(jié)期和灌漿期各灌60 mm可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的產(chǎn)量并保持較高的水分利用效率。Fang等[30]和Liu等[31]發(fā)現(xiàn)，山東禹城夏玉米季降水豐沛，水分滲漏和養(yǎng)分淋溶風(fēng)險(xiǎn)高，后期不宜灌溉。本研究發(fā)現(xiàn)，豐水年夏玉米季降水量大，可不予灌溉，若遇極端降水，則應(yīng)及時(shí)采取排水措施[32]，枯水年和平水年則需考慮在拔節(jié)—抽雄期灌溉，此外，枯水年應(yīng)在播前灌溉保苗。灌溉制度的優(yōu)化不僅是基于理論計(jì)算作物需水量和作物缺水量，還應(yīng)該考慮當(dāng)?shù)夭デ巴寥纼?chǔ)水量[33-34]、土壤物理性狀[35]等因素的綜合影響，后續(xù)研究工作中將結(jié)合作物模型和田間試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化灌溉制度。

4 結(jié) 論

1）1955—2019年，商丘地區(qū)冬小麥季和冬小麥-夏玉米周年有效降水量僅在豐水年型下表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，在平水年和枯水年則表現(xiàn)為上升趨勢(shì)；夏玉米季有效降水量在不同降水年型下均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。冬小麥季、夏玉米季和冬小麥-夏玉米周年作物需水量在不同降水年型下均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。冬小麥季缺水量僅在豐水年呈上升趨勢(shì)，在平水年和枯水年則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；夏玉米季和冬小麥-夏玉米周年缺水量在不同降水年型下均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

2）影響冬小麥需水量的主要因子在不同降水年型下排序不同，豐水年為相對(duì)濕度、日照時(shí)間、最高溫度，平水年為日照時(shí)間、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速，枯水年為日照時(shí)間、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度；影響夏玉米需水量的主要因子在豐水年和平水年均為日照時(shí)間、平均風(fēng)速、最高溫度，枯水年為日照時(shí)間、最高溫度、平均風(fēng)速。

3）商丘地區(qū)豐水年應(yīng)在冬小麥拔節(jié)—抽穗期灌溉，夏玉米季可不灌溉；平水年應(yīng)在冬小麥季拔節(jié)—抽穗期灌溉，夏玉米季在抽雄期灌溉；枯水年應(yīng)確保冬小麥和夏玉米正常出苗前提下，還需分別在冬小麥季拔節(jié)—抽穗期和夏玉米季拔節(jié)—抽雄期灌溉。

（作者聲明本文無實(shí)際或潛在的利益沖突）

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Changes in Water Requirement and Water Deficit of Winter Wheat and Summer Maize with Precipitation in Shangqiu, Henan Province

DING Dawei1,2,4, CHEN Jinping1,2, SHEN Xiaojun2,3, SONG Ni1,2*, XIE Kun1,2, REN Wen1,2, WANG Jinglei1,2*

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China;2. National Agro-ecological System Observation and Research Station of Shangqiu/National Agricultural Experimental Station for Agricultural Environment, Shangqiu/National Long-term Agricultural Green Development Experiment and Observation Station, Shangqiu 476000, China; 3. College of Water Conservancy Engineering, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China;4. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

【Objective】Rotating winter wheat and summer maize is a common cultivation method in northern and central China. Their water consumption and the occurrence of water deficit vary with prediction. Taking Shangqiu in easter Henan province as an example, this paper investigates the relationship between them with meteorological factors.【Method】The analysis was based on meteorological data measured from 1954 to 2019, and crop index data measured from 1999 to 2019 at the National Agro-ecological System Observation and Research Station of Shangqiu. The evapotranspiration used in the analysis was those measured from 2011 to 2018 from a large lysimeter. Statistics and the Mann-Kendall trend test were used to analyze the changing in crop water requirement and water deficit; the dominant analysis was used to elucidate the influence of the meteorological factors on water requirement of the two crops.【Result】On average, the annual effective precipitation has been increasing over the past 65 years, at a rate of 3.09 mm/10a during the wheat growing season and 5.23 mm/10a during the maize growing season, despite that in wet years the effective precipitation during the wheat season declined. In contrast, the annual crop water requirement showed a decline (<0.01), at a rate of 6.72 mm/10a for the winter wheat and 18.47 mm/10a for the maize, regardless of precipitations. The annual crop water deficit had also shown a falling trend (<0.01), at a rate of 9.81 mm/10a for the winter wheat and 23.70 mm/10a for the maize, despite that it decreased for the winter wheat in wet years. In normal and dry years, sunshine was the primary meteorological factor affecting water requirement of the winter wheat, whine in wet years, humidity was the primary factor. The primary factors affecting water requirement of summer maize were sunshine, regardless of precipitation, despite that wind speed and high temperature also played a role.【Conclusion】Our analysis revealed that in wet years, winter wheat should be irrigated during jointing - heading stage, while maize can grow under rain-fed condition. In normal years, winter wheat needs irrigation at jointing - heading stage and maize needs irrigation at tasseling stage. In dry years, in addition to an irrigation before seeding, winter wheat needs irrigation at joint-heading stage and summer maize at joint-tasseling stage.

crop water requirement; winter wheat-summer maize continuous cropping; precipitation years; meteorological factors; dominant analysis

1672 - 3317（2023）09 - 0009 - 10

S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023050

丁大偉, 陳金平, 申孝軍, 等. 商丘地區(qū)不同降水年型冬小麥-夏玉米需水量和缺水量分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 9-18.

DING Dawei, CHEN Jinping, SHEN Xiaojun, et al. Changes in Water Requirement and Water Deficit of Winter Wheat and Summer Maize with Precipitation in Shangqiu, Henan Province[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 9-18.

2023-02-16

2023-05-05

2023-09-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題（2022YFD1900502）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（IFI2023-18，Y2022LM29）；國家農(nóng)業(yè)環(huán)境商丘觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站（NAES038AE05）

丁大偉（1990-），男。碩士研究生，主要從事作物高效用水理論與技術(shù)研究。E-mail: dingdawei@caas.cn

宋妮（1979-），女。副研究員，主要從事作物需水尺度轉(zhuǎn)化及氣候變化對(duì)作物需水過程的影響。E-mail: ngssongni@163.com

王景雷（1972-），男。研究員，主要從事新理論新技術(shù)在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究。E-mail: firiwjl@126.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：白芳芳