辽西北玉米耗水特征及其与降水和气温的关系

曹永强,张亭亭,常 静,苏 阳,路 璐

(辽宁师范大学城市与环境学院, 辽宁 大连 116029)

近年来,随着人口的增长和经济的迅速发展,水资源短缺问题日趋严重,与人类生存密切相关的干旱问题益发突出,给农业生产、生活和社会经济造成了严重的影响[1]。辽西北地区(以下简称辽西北)以玉米种植为主,是辽宁省农业干旱灾害多发的地区[2],干旱缺水危机已成为该地区最难解决的水安全问题,并日益成为影响辽西北粮食安全和经济可持续发展的一个重要而紧迫的问题。气候变化对作物耗水有着深刻影响,进而影响作物的生长发育[3]。在作物耗水量的研究方面,常见的计算方法有水量平衡法、蒸渗仪测定法、FAO Penman-Monteith公式法、波文比-能量平衡法等。蒸渗仪测定法精度较高,但造价昂贵;波文比-能量平衡法精度较低;FAO Penman-Monteith法计算参数较多;而水量平衡法原理清晰,适用性强,得到了广泛的应用[3-7]。李占玲等[4]分析了黑河流域气温和降水量的突变特征；郭亮等[5]利用气象卫星AVHRR数据反演归一化植被指数,监测了蒸发蒸腾量,取得了显著成效;詹志民等[6]利用SEBS模型和NOAA数据对陇西黄土高原地区的区域蒸散量及其分布特征进行讨论;庞治国等[7]提出了基于SEBS方法遥感反演腾发量的计算模型,对模型中各参数的计算采用了经验、半经验公式进行反演,并推导出日蒸散量的经验模型,提高了计算精度。目前,作物耗水量在国内的研究成果很多,但在降水与气温对作物耗水特征影响方面的研究较少。赵凌玉等[3]以北方农牧交错带内蒙古呼和浩特市武川县为例,分析了作物生育期耗水特征及气温和降水对作物耗水量的影响。本文采用水量平衡法,利用土壤、降水及气温等数据,结合GIS软件分析辽西北玉米耗水特征,探讨降水和气温变化对玉米耗水量的影响。

1 研究区域概况

研究区域位于北纬39°59′～43°29′、东经118°50′～124°26′之间,包括朝阳、阜新、锦州、葫芦岛4市的所有县市,以及沈阳的康平县、法库县、新民市和铁岭的昌图县。辽西北风沙干旱,雨量较少。所用资料为代表性较好且数据完整的辽西北1986—2007年降水数据、气温数据和土壤含水量数据[8]。

2 分析方法

2.1 作物耗水量计算方法

作物耗水量由作物蒸腾量和棵间蒸发量构成,根据水量平衡原理,农田水量平衡方程一般可表示为

ΔW=P+I+G-ET-R-D

(1)

式中:ΔW为土壤水分在某一时段的变化量;P为同期降水量;I为灌溉量;G为毛管抬升量;ET为农田蒸散量;R为径流量;D为渗漏量。辽西北地下水位较低,G和D可忽略不计。2007年以前,辽西北玉米种植区灌溉设施较少,多为雨养旱农区,且山地较少,I和R也可忽略不计。

玉米根系分布于0～100 cm土层内[9],60 cm以下根系相对较少,在玉米整个生育期内各土层土壤含水量变化趋势基本一致[10],且50 cm以内的土壤数据连续性较好,因此可以利用0～50 cm的土壤含水量分析玉米的耗水特征。

辽西北玉米种植区的农田水量平衡方程可简化为

ET=P-ΔW+w

(2)

式中:ΔW为作物生育期内土壤(0～50 cm土层)储水变化量,等于生育期末土壤储水量与生育期初土壤储水量之差[11-12];w为误差项。

土壤水分储存量是指一定深度或厚度的土壤中的含水量,以单位面积水层的深度表示，计算公式为

V=10RHW

(3)

式中:V为土壤水分最大储存水量,mm;R为土壤密度,g/cm3;H为土层厚度,cm;W为土壤田间持水量,%。

2.2 Kriging插值法

Kriging插值法[13]应用多种变异函数模型,考虑各已知点的空间相关性,根据给未知点周围的已知点配以权重来估算未知点,即

(4)

式中:λi为权重系数,即各空间样本点在xi处观测值y(xi)对估计值y(x0)的贡献程度。

Kriging插值法不仅应用于线性空间变化关系,同时能够自动识别样本点的空间分布,如果若干个样本距离较近而且在同一方向,那么离待估点较近的点的权值较大,其他点的权值较小,从而消除由采样不均带来的误差,提高了插值精度。此外,本文仅对耗水量进行空间变化分析,不考虑“平滑效益”对分析结果的影响。

2.3 Z指数法

假设月降水量服从Person-Ⅲ型分布,其概率密度分布为

P(X)=[βΤ(γ)]-1[(X-α)/β]γ-1e-(X-α)/β

(5)

文献[14]对降水量X进行正态化处理,其转换公式为

(6)

式中:Cs为偏态系数;φi为标准变量。Cs和φi均可由降水资料序列计算求得:

(7)

依据上面计算得出的Z值按照表2划分单站旱涝等级[15]。

表2 以Z值为指标的旱涝等级

2.4 多元回归分析

当影响因变量的自变量是多个时,可以建立因变量y与各自变量xj(j=1,2,…,n)之间的多元线性回归模型[16-17]:

y=b0+b1x1+b2x2+…+bnxn+e

(8)

式中:b0为回归常数;bk(k=1,2,…,n)为回归参数;e为随机误差。

3 辽西北玉米耗水量特性分析

3.1 气象要素变化特征

图1 1986—2007年辽西北气候变化特征

根据辽西北1986—2007年的气候资料,绘制了辽西北气候变化特征图(图1)。由图1可知,辽西北多年平均降水量为522.5 mm,4—9月玉米生长季多年平均降水量为469.7 mm,玉米生长季降水量占全年降水量的89.9%。近40年来,降水量呈一定的减少趋势,1986年以来玉米生长季年均降水量下降趋势更为明显,每年减少6.3 mm。1986—2007年辽西北平均温度为9.04℃,年平均升高0.04℃,温度呈明显升高趋势; 4—9月玉米生长季多年平均活动积温为3 453℃·d,生长季活动积温年均升高13.57℃·d,辽西北干暖化趋势明显。在空间上,玉米生长季辽西北多年平均降水量从东向西、从南向北递减,大于或等于10℃活动积温由北向南递增。

3.2 玉米耗水时空特性

为了分析辽西北玉米耗水的时间变化趋势,利用13个站点(九连洞、王宝庆、朝阳、团山子、胡家、章景营子、大城子、凌海、赵家甸、八家子、新民、义县、彰武)的土壤数据和降水量,求出各站点玉米的逐年耗水量,然后将每年的各站数据进行算术平均,得出辽西北玉米逐年耗水量数据,并绘制了变化特征曲线(图2)。由图2可知,辽西北玉米耗水量总体呈下降趋势,并且下降速率比较大。1992年玉米耗水量最小,为312 mm;而1994年玉米耗水量最大,达498 mm。20世纪80年代,辽西北玉米耗水量下降趋势明显;90年代为剧烈的震荡期;21世纪以来,玉米耗水量进入相对平稳期。

图2 辽西北玉米耗水量变化特征曲线

利用辽西北13个测站的逐年耗水量求出13个测站的多年平均耗水量数据,再应用Kriging插值法将辽西北玉米耗水量值绘制成空间分布图,能更直观地观察空间分布情况,如图3所示。从图3看出,辽西北玉米耗水量的等值线梯度较小,空间分布比较均匀,与降水量关系明显;高值中心和低值中心的分布较为分散,玉米耗水量的高值区位于彰武县,达494 mm,其次是义县、朝阳市和黑山县等;而玉米耗水量的低值区位于新民市,为331 mm。

图3 辽西北玉米耗水量空间分布(单位：mm)

3.3 不同旱涝等级下的玉米耗水特征

利用辽西北49个站点1986—2007年的降水量,通过计算得出相应的旱涝等级分别为大涝、偏涝、正常、偏旱和大旱5个等级。大旱发生在1999年,所占比例最小，为5%;大涝、偏涝和偏旱所占比例均为9%,1994和1998两年发生了大涝,1986和1991两年发生了偏涝,偏旱发生年份为1992年和2006年;正常年份所占比例为68%。

进一步分析辽西北玉米的耗水特征,玉米在不同旱涝等级下其耗水特征与降水量呈极显著的相关关系,不同旱涝等级下耗水量从大到小排序为大涝、偏涝、正常、偏旱、大旱。在大旱年份中,生育期耗水量大于降水量,降水量无法满足玉米的耗水需求,而其他年份降水量都能满足玉米的耗水需求,生育期降水量与耗水量基本持平,说明玉米在辽西北大田雨养农业中需水量与降水量匹配效果较好,适应性较强,能够较好地利用水分。同时,培育抗旱品种、开展抗旱栽培管理措施是今后适应气候变化的重要途径。

3.4 玉米耗水量与气温和降水的关系

降水与温度是影响土壤含水量及作物耗水量的主要气象因子,对辽西北玉米耗水量与同期生长季降水量、积温(≥10℃活动积温)进行相关分析,如图4所示,玉米耗水量与降水量呈正相关关系,达到极显著水平(P<0.01),而玉米耗水量与积温呈负相关关系,相关性较小,未达到显著水平。

图4 玉米耗水量与生长季内同期降水量、活动积温的相关关系

从单因子线性拟合可以看出单一要素对作物耗水量的影响程度,但没有考虑因子之间的相互作用,为进一步研究降水量与积温对玉米耗水量的综合影响,进行多元回归分析。玉米耗水量y与降水量x1、积温x2之间的回归关系式为

y=0.73x1+0.04x2-21.54 (R2=0.793)

(9)

回归效果达到P=0.01的极显著水平。总体来看,积温对作物耗水量的影响较小,而降水量与耗水量呈明显正相关关系。玉米的需水期与当地的水热条件基本吻合,因此在当地得到广泛种植。

4 结 论

a. 近年来,辽西北干暖化趋势明显:全年降水量年均减少约5.3 mm,玉米生长季降水量下降趋势更为明显,每年减少6.3 mm;温度年均升高0.04℃,生长季内活动积温年均升高13.57℃。

b. 辽西北玉米耗水量总体呈下降趋势,并且下降速率比较大。在20多年中,1992年玉米耗水量最小,为312 mm;1994年玉米耗水量最大,达498 mm。20世纪80年代,辽西北玉米耗水量下降趋势明显;90年代为剧烈的震荡期;21世纪以来进入平稳期,但依然呈下降趋势。

c. 辽西北玉米耗水量的等值线梯度较小,空间分布比较均匀;高值中心和低值中心的分布较为分散,玉米耗水量的高值区位于彰武县,达494 mm,其次是义县、朝阳市和黑山县等,而玉米耗水量低值区位于新民市,为331 mm。

d. 玉米在不同旱涝等级下的耗水特征与降水量呈极显著相关关系,不同旱涝等级下耗水量从大到小排序为大涝、偏涝、正常、偏旱、大旱。总体来看,降水和气温的变化对作物耗水量均有影响,其中积温对作物耗水量的影响较小,而降水量与耗水量呈明显正相关关系。

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