邱美娟, 劉布春, 葛均筑, 宋曉慧, 周培祿, 張佳寧

(1.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,天津 300384;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081)

水分是作物生長(zhǎng)過(guò)程中不可或缺的必要條件之一,是限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的一個(gè)重要因素[1]。水分過(guò)多或過(guò)少都會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響。種植于不同地區(qū)的玉米受氣候條件、地理?xiàng)l件等因素影響,其生長(zhǎng)季的需水量往往存在較大差異,水分虧缺變化規(guī)律也不一致[2]。目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水占全國(guó)總用水量的70%以上[3],農(nóng)業(yè)用水量大且利用效率低已成為限制我國(guó)農(nóng)業(yè)快速、高效發(fā)展的重要原因之一。因此精確量化大宗作物玉米的需水量和缺水量具有重要意義。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了有關(guān)作物生長(zhǎng)季降水量、需水量和水分虧缺方面的研究。莫昱晨等[4]利用黃淮海流域的氣象數(shù)據(jù),基于Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法等,計(jì)算了該地區(qū)主要作物夏玉米生長(zhǎng)季有效降水量、需水量和缺水量,發(fā)現(xiàn)其需水量和缺水量在1961—2017年間呈現(xiàn)先下降、后上升的變化趨勢(shì)。邱美娟等[5]研究發(fā)現(xiàn),吉林省西部地區(qū)玉米生長(zhǎng)季的水分虧缺相對(duì)最嚴(yán)重,受旱災(zāi)威脅,而東部地區(qū)水分虧缺相對(duì)較輕,中部地區(qū)則介于東西部之間。袁福香等[6]首先利用彭曼公式計(jì)算了吉林玉米需水量,然后通過(guò)田間實(shí)際觀測(cè)值對(duì)計(jì)算值進(jìn)行驗(yàn)證,確定了各生長(zhǎng)季指標(biāo),并分析歷年自然降水滿(mǎn)足程度,發(fā)現(xiàn)中東部地區(qū)自然降水滿(mǎn)足度多在80%以上,而西部滿(mǎn)足度多在40%以下。高曉容等[7]利用作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量,以作物水分盈虧指數(shù)作為旱澇評(píng)價(jià)指標(biāo),分析東北玉米不同生長(zhǎng)階段的水分供需情況和旱澇變化,發(fā)現(xiàn)東北玉米4個(gè)生長(zhǎng)階段及全生長(zhǎng)季的需水量沒(méi)有顯著變化,4個(gè)生長(zhǎng)階段需水量空間差異較大,基本呈帶狀分布。利用彭曼公式計(jì)算作物需水量,基于降水量與需水量的平衡關(guān)系分析水分虧缺情況被廣泛應(yīng)用于各大作物[8-13]。例如,江學(xué)海等[11]集合貴州山地不同雜交秈稻生態(tài)區(qū)的田間試驗(yàn)和氣象資料分析,發(fā)現(xiàn)黔西南稻區(qū)有效分蘗階段水分虧缺較大;黔北、黔東和黔中稻區(qū)的孕穗開(kāi)花階段水分虧缺較大。李雙雙等[12]發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)水稻水分虧缺率逐年增加,對(duì)灌溉蓄水依賴(lài)明顯,增大了區(qū)域農(nóng)業(yè)脆弱性。黃維等[13]分析了柳州市甘蔗水分的供求情況,研究發(fā)現(xiàn)甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余,水分虧缺情況主要發(fā)生在伸長(zhǎng)期后期和成熟期。上述研究揭示了當(dāng)?shù)夭煌魑锏乃止┬枨闆r,對(duì)指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉等具有重要意義。

玉米是吉林省中西部種植的主要農(nóng)作物,其生長(zhǎng)所需水分主要來(lái)自降水,但降水量在中西部間差異很大,且存在較大年際波動(dòng),是影響該地區(qū)玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[14]。因此,探明吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季需水量和水分虧缺量的時(shí)空演變特征,對(duì)于指導(dǎo)當(dāng)?shù)亻_(kāi)展科學(xué)灌溉、提高水資源利用率和保障玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本研究選取的吉林省中西部主要為長(zhǎng)春市、四平市、松原市及白城市,其氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.cma.gov.cn),數(shù)據(jù)范圍涵蓋了該地區(qū)1980—2019年間玉米生長(zhǎng)季共計(jì)6個(gè)代表站點(diǎn)采集的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)。

1.2 玉米生長(zhǎng)季

吉林省中西部玉米一般在5月初播種,9月底收獲。本研究將玉米生長(zhǎng)季定為5—9月。

1.3 玉米生長(zhǎng)季的需水量

需水量用作物系數(shù)(Kc)乘以作物參考蒸散量(ET0)得到[15],計(jì)算公式為:

(1)

式中:n為某一生長(zhǎng)階段的日數(shù),d;i為日序;ETc為作物某生長(zhǎng)階段的需水量,mm;Kci為第i日的作物系數(shù);ET0i為作物在第i日的參考蒸散量,mm。

玉米生長(zhǎng)階段不同,作物系數(shù)也不同,本研究作物系數(shù)的取值主要參考《北方春玉米干旱等級(jí)》(QX/T 259—2015)[16](表1)。作物參考蒸散量的計(jì)算采用FAO(聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織)推薦的Penman-Monteith公式[17],即:

(2)

式中:ET0為參考蒸散量,為mm/d;Δ為溫度—飽和水汽壓關(guān)系曲線(xiàn)上在T處的切線(xiàn)斜率,kPa/℃,Δ=4 098×ea/(T+237.3)2;Rn為地面凈輻射蒸發(fā)量,MJ/m2/d;G為土壤熱通量(MJ/m2/d);γ為干濕表常數(shù),kPa/℃;u2為離地面2 m高處的平均風(fēng)速,m/s;T為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均氣溫,℃;ea為飽和水氣壓,kPa;ed為實(shí)際水氣壓,kPa。

表1 吉林省中西部地區(qū)玉米作物系數(shù)Table 1 Crop coefficient of corn in the midwest of Jilin Province

1.4 玉米生長(zhǎng)季的水分虧缺量

玉米生長(zhǎng)季的水分虧缺量為生長(zhǎng)季需水量與降水量之差,即:

W=ETc-P

(3)

式中:W為玉米生長(zhǎng)季水分虧缺量,ETC為玉米生長(zhǎng)季的需水量,P為玉米生長(zhǎng)季的降水量,單位均為mm;玉米生長(zhǎng)季的降水量為生長(zhǎng)季內(nèi)日降水量的累積和。

1.5 其他方法

基于氣候傾向率分析玉米生長(zhǎng)季的需水量、降水量及水分虧缺量的多年變化趨勢(shì)[18],并通過(guò)相關(guān)系數(shù)法檢驗(yàn)其變化是否顯著[19]。采用兩因素方差分析[20]對(duì)不同城市不同月份的玉米生長(zhǎng)季水分虧缺量進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量變化特征

1980—2019年吉林中西部玉米生長(zhǎng)季(5—9月)平均降水量的年際變化如圖1所示。吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季降水量白城市為100.1～700.3 mm,平均為343.3 mm;松原市為195.8～667.2 mm,平均為368.2 mm;四平市為252～909.1 mm,平均為507.4 mm;長(zhǎng)春市為244.1～737.7 mm,平均為499.4 mm。總體呈現(xiàn)西部低,中部高的空間分布特征。近40年來(lái)白城市玉米生長(zhǎng)季的降水量呈下降趨勢(shì),氣候傾向率為-9.8 mm/10 a;松原市、四平市和長(zhǎng)春市的均呈增加趨勢(shì),其氣候傾向率分別為6.8 mm/10 a、4.1 mm/10 a、10.6 mm/10 a,變化趨勢(shì)均未通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

1980—2019年吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季月份降水量的變化特征如表2所示?？傮w上,相同月份降水量均呈西部少、中部多的空間分布特征。不同月份間,7月降水量最多,其次是8月和6月,5月和9月降水量相對(duì)最少。近40年來(lái)玉米生長(zhǎng)季不同月份降水量的氣候傾向率有差異,5月為9.6～13.0 mm/10 a之間,中西部均呈上升趨勢(shì),除四平市外,其他三市上升趨勢(shì)均達(dá)顯著水平(P<0.05);6月為-1.7～4.4 mm/10 a之間,除松原市呈下降趨勢(shì)外,其他三市均呈上升趨勢(shì),但變化趨勢(shì)均未達(dá)顯著水平(P<0.05);7月為-19.5～-4.8 mm/10 a之間,中西部均呈下降趨勢(shì),但只有四平市的變化趨勢(shì)達(dá)顯著水平(P<0.05);8月為-9.0～15.0 mm/10 a之間,除白城市呈下降趨勢(shì)外,其他均呈上升趨勢(shì),且變化趨勢(shì)均未達(dá)顯著水平(P<0.05);9月為-1.6～1.5 mm/10 a之間,除四平市呈下降趨勢(shì)外,其他三市呈上升趨勢(shì),但變化趨勢(shì)均未達(dá)顯著水平(P<0.05)?？梢?jiàn),研究區(qū)域1980—2019年間7月的降水量總體呈下降趨勢(shì)且下降速率最快,而5月的降水量均呈增加趨勢(shì)且增加速率最快。6月、8月和9月的降水量多數(shù)呈增加趨勢(shì)。

圖1 吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季降水量變化特征Figure 1 Characteristics of precipitation changes during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

表2 吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季逐月降水量變化特征量Table 2 Monthly precipitation variation characteristics during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

2.2 需水量的變化特征

1980—2019年吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季(5—9月)需水量的年際變化如圖2所示。由圖可見(jiàn),玉米生長(zhǎng)季平均需水量白城市為526.7 mm(436.1～610.4 mm),松原市為525.3 mm(464.1～623.1 mm),四平市為481.8 mm(415.9～568.0 mm),長(zhǎng)春市為506.4 mm(451.6～586.6 mm),總體呈現(xiàn)西部高、中部低的空間分布特征。近40年來(lái)玉米生長(zhǎng)季需水量的氣候傾向率,白城市為1.6 mm/10 a,松原市為-3.2 mm/10 a,四平市為-6.1 mm/10 a,長(zhǎng)春市為8.9 mm/10 a,松原市和四平市呈下降趨勢(shì),白城市和長(zhǎng)春市則呈上升趨勢(shì),但變化趨勢(shì)均未達(dá)顯著性水平(P>0.05)。

圖2 吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季需水量變化特征Figure 2 Characteristics of water demand changes during the growing season of corn in the midwest of Jilin Province

1980—2019年研究區(qū)域玉米生長(zhǎng)季月份需水量的變化特征量如表3所示。從空間上看,西部玉米各生長(zhǎng)階段需水量高于中部需水量。從時(shí)間上看,7月需水量最高,其次是8月,5月和9月需水量相對(duì)都較少。近40年來(lái)玉米各生長(zhǎng)階段需水量的氣候傾向率在各個(gè)生長(zhǎng)階段有差異。5月為-1.1～0.5 mm/10 a之間,四平市呈上升趨勢(shì),其他則呈下降趨勢(shì);6月為-2.4～-1.0 mm/10 a之間,均呈不顯著的下降趨勢(shì);7月為-0.7～6.3 mm/10 a之間,除了松原市外,其他均呈上升趨勢(shì),且長(zhǎng)春市上升趨勢(shì)通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。8月為-2.9～3.6 mm/10 a之間,僅白城市和長(zhǎng)春市呈上升趨勢(shì),且長(zhǎng)春市上升趨勢(shì)顯著(P<0.05),松原市和四平市的下降趨勢(shì)不顯著;9月為-0.3～1.4 mm/10 a之間,四平市呈下降趨勢(shì),其他三市均呈上升趨勢(shì)?？梢?jiàn),研究區(qū)域1980—2019年玉米需水量不同生長(zhǎng)階段存在差異,5月、6月的需水量基本呈下降趨勢(shì);而7月和9月的需水量基本呈增加趨勢(shì);8月部分地區(qū)呈上升趨勢(shì)。

2.3 水分虧缺量的變化特征

1980—2019年研究區(qū)域玉米生長(zhǎng)季水分虧缺量的年際變化如圖3所示。其中,西部的白城市2001年虧缺量最大,虧缺量為488.3 mm,而1986年、1990年、1993年、1998年的降水量超過(guò)需水量,無(wú)水分虧缺;該市多年平均水分虧缺量為192.5 mm。松原市1982年水分虧缺量最大,為377.6 mm,而1998年、2005年、2012年、2014年和2019年無(wú)水分虧缺,其多年平均水分虧缺量為165.5 mm。中部的長(zhǎng)春市1982年水分虧缺量最大,為342.5 mm,1980—2019年共有21個(gè)年份無(wú)水分虧缺,其多年平均水分虧缺量為57.6 mm。四平市2002年水分虧缺量最大,為315.8 mm,1981—2019年共有22個(gè)年份無(wú)水分虧缺,其多年平均水分虧缺量為46.8 mm?？傮w上,西部水分虧缺量較大,中部相對(duì)較小,且西部約有87.5%的年份都存在水分虧缺,而中部有約50%的年份無(wú)水分虧缺。

表3 吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季逐月需水量變化特征量Table 3 Monthly water demand variation characteristics during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

圖3 吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季水分虧缺量的變化Figure 3 Changes in water deficiency during the growing season of corn in the midwest of Jilin Province

采用兩因素方差分析法比較不同月份和不同城市間玉米生長(zhǎng)季水分虧缺量的差異,通過(guò)主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)結(jié)果可以看到(表4),不同月份的水分虧缺量差異顯著,不同城市間的水分虧缺量差異也顯著。

從多重比較結(jié)果看,空間上(表5),西部與中部的水分虧缺量差異顯著,而西部的兩個(gè)城市之間以及中部的兩個(gè)城市之間無(wú)顯著性差異。時(shí)間上(表6),5月和6月均與7月、8月的水分虧缺量差異顯著,而5月、6月、9月兩兩之間無(wú)顯著性差異,7月和8月、9月之間無(wú)顯著性差異,8月與9月的水分虧缺量差異顯著。

表4 主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)Table 4 Testing of inter subject effects

表5 多重比較(空間)Table 5 Multiple comparisons(space)

表6 多重比較(時(shí)間)Table 6 Multiple comparisons(time)

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本文基于吉林省1980—2019年中西部的氣象數(shù)據(jù)和玉米生長(zhǎng)期數(shù)據(jù),分析了吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季的降水量、需水量、水分虧缺量的時(shí)空分布規(guī)律,以揭示吉林省中西部玉米的水分供需關(guān)系。

吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季需水量變化趨勢(shì)與降水量的變化幾乎一致,最高值集中在7月、8月,這與邱美娟等[5]的研究結(jié)果基本一致。但是邱美娟等[5]的研究表明玉米生長(zhǎng)的前期和后期水分虧缺相對(duì)較重,而7月、8月水分虧缺相對(duì)較輕,與本研究結(jié)果不一致,導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是兩者的研究年限不一樣。由于玉米生長(zhǎng)季不同時(shí)段降水量和需水量的變化,相應(yīng)水分虧缺量產(chǎn)生變化,吉林省中西部7月、8月降水量較多,但同時(shí)這一時(shí)期也是玉米生長(zhǎng)最旺盛、對(duì)水分需求最多的時(shí)期,溫度在此時(shí)也最高,蒸發(fā)量大,因此其水分虧缺量也相對(duì)較大。缺水量能反映一個(gè)地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)季內(nèi)所需的人工灌溉用水量,本研究指出7月降水量最多但是呈降低趨勢(shì),需水量最高且呈增加趨勢(shì),表明吉林省中西部玉米在7月的灌溉用水量未來(lái)可能會(huì)持續(xù)增加。

由于受站點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的限制,本文只選擇了吉林中西部地區(qū)各市代表站點(diǎn)分析研究,在一定程度上影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)際上,吉林省中西部范圍較廣,各地氣溫分布、海拔高度、植被覆蓋度等均存在一定差異,這些因素都會(huì)對(duì)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定的影響。另外,本研究也沒(méi)有考慮降水強(qiáng)度大小的影響和自然降水形成的土壤底墑水對(duì)玉米需水量的影響。因此,將來(lái)的研究應(yīng)綜合多方面因素加以考慮。

3.2 結(jié)論

(1)1980—2019年玉米生長(zhǎng)季(5—9月)降水量總體呈現(xiàn)西部低、中部高的空間分布特征,除了白城市呈下降趨勢(shì),其他均呈增加趨勢(shì)。各月降水量的空間分布與整個(gè)生長(zhǎng)季相似,即西部低、中部高。7月降水量最多但呈下降趨勢(shì),其次是8月和6月,5月和9月降水量相對(duì)最少,且多數(shù)呈增加趨勢(shì)。

(2)1980—2019年研究區(qū)域玉米生長(zhǎng)季(5—9月)需水量的空間分布與降水量相反,呈西部高、中部低。松原市和四平市呈下降趨勢(shì),白城市和長(zhǎng)春市呈上升趨勢(shì)。各月需水量的空間分布與整個(gè)生長(zhǎng)季相似,即西部高、中部低。7月需水量最高且呈增加趨勢(shì),其次是8月,部分地區(qū)呈增加趨勢(shì),5月和9月需水量相對(duì)都較少,且5月呈下降趨勢(shì),9月呈增加趨勢(shì)。

(3)1980—2019年吉林省中西部玉米生長(zhǎng)季水分虧缺量時(shí)空差異顯著?？傮w上,西部虧缺量較大,中部相對(duì)較小;7月、8月虧缺量相對(duì)較大,9月、6月和5月虧缺量相對(duì)較小。