大型灌区作物需水量计算与气象影响因素分析

侯晓丽，冯跃华，吴光辉，何印兴，常东明，杨会明

(1.河南省豫东水利工程管理局，河南 开封 475000；2.郑州大学，郑州 450001)

作物需水量主要指作物生长发育期间所需要消耗的水量，也可称为作物的腾发量或者蒸散发量，一般采用符号ETC表示。作物需水量主要受作物内部因素和外部环境因素，内部因素主要是植物的种类、品种、叶片类型和生理特征等；外部环境因素主要是种植地区气象条件、土质类型和土壤墒情等。植物蒸散发在土壤-植物-大气系统中起着重要的作用，影响循环系统中水、热的移动和交换；随着节水型农业发展，需要对水资源优化利用和科学管理，进一步提高水资源利用效率，促进农业生态系统健康发展[1]。

国际上常用的是FAO(联合国粮农组织)专家咨询会议推荐的Penman-Montieth公式计算作物ETC，为农作物灌溉提供技术参考。Singh Gurmeet等[2,3]研究了土豆生长发育过程中作物腾发量变化规律，同时采用敏感性分析方法研究了作物ETC的主要影响因素。韩宇平、李萍、罗玉峰、河萍等[4-7]建立作物需水量计算模型，模拟地区主要种植物的需水量变化规律，研究各种气象和土壤因素变化对作物用水安全和高产的影响。本文在国际上通用的Penman公式的基础上，采用国内Penman修正式，建立作物需水量数学模型，预测大型引黄三义寨灌区作物需水量，研究作物需水量与各气象因子之间的关系。

1 数据来源和作物需水量计算模型

1.1 数据来源

数据资料主要来自灌区附近的惠北科学试验站多年来的温度、湿度、太阳日照时数、湿度等实测气象数据。

1.2 作物需水量计算模型

通过采用国内Penman修正式，计算当地的日参考作物蒸散量ET0，计算公式如下。

(1)

P0/P=10

(2)

(3)

ea=6.1×107.45 t/(273+t)

(4)

(5)

Ea=0.26 (1+Bμ2)(ea-ed)

(6)

式中：P0为标准大气压；P为灌区的平均气压；Δ为饱和水汽压变化率；γ为温度计常数；Rn为太阳净辐射率；H为灌区的海拔高度；t为平均温度；Ra为太阳辐射值；n、N分别为日照时长、最大日照时间长度；σT4k为黑体辐射量；k为计算过程中的绝对温度；Ea为干燥力；ea为饱和水汽压；ed为实际水汽压；a、b为净辐射计算经验系数；μ2和B分别为距离地面2 m处的风速和修正系数。

1.3 作物系数的选取

作物系数通常指主要作物生长发育期间作物需水量和参考作物需水量之间的比值，一般采用Kc表示[8,9]，见表1。本文采用较为广泛的单作物系数法进行计算，公式如下：

ETc=Kc ET0 (7)

2 三义寨灌区主要作物需水量计算分析

2.1 灌区作物需水量计算

本文根据三义寨灌区多年来主要农作物的种植情况，选取计算了小麦、棉花和玉米的作物需水量。研究过程中主要采用国际上通用的Penman公式，根据公式计算结果分析主要参考农作物生长发育期间需水量的变化规律。

由图1可知，小麦生长过程中作物需水量基本处于一个稳定水平，其中1月份多年平均需水量最小，5月份多年平均需水量最大，分别为9.25和100.95 mm。小麦整个生育期需水量总体比较平稳，一般在350 mm附近波动。棉花历年月需水量变化与小麦相似，整个生育期间总体处于一个稳定水平，一般在每年的8月需水量达到最大值，为94.3 mm。由图1可以看出，多年来七八月期间作物需水量处于逐步减小趋势，生育期内的其他月份基本处于平稳态势，整个生育期棉花的需水量值一般处于415 mm左右。玉米需水量多年的平均值为307 mm，其中每年的9月份需水量达到最小值，为40.6 mm。分析多年来玉米需水量变化情况，可以看出玉米每年8月份需水量相对较大，为109 mm；多年来玉米整个生育期需水量变化规律呈锯齿状减小的态势(见表2)。

图1 小麦、棉花和玉米生育期多年来需水量变化情况

2.2 生育期需水量的波动分析

对1981-2012年小麦、玉米、棉花的作物需水量进行Matlab小波分析，分析结果如图2所示，小麦生育期需水量出现了3个波动周期，分别为8、15和20 a；玉米和棉花生育期都出现了微小的波动和较大的波动，其中较大的波动期都出现在20 a的时间段。

图2 小麦、玉米和棉花ET0波动变化图

系统分析3种主要农作物需水量变化情况，可以看出小麦、棉花和玉米在生育期都出现了明显的波动，其中20 a波动周期都比较明显，这也反映了作物生育期需水量波动变化呈现相似变化特征。

3 主要气象影响因素变化规律分析

作物需水量主要影响因素一般包括降雨量、平均气温、最高气温、最低气温、风速、日照时长、湿度等气象因子。本文选取2011年度为计算年份，分析需水量主要影响因素的变化情况。由图3和图4可以看出，气温最大值出现在每年7月，平均气温与最高气温、最低气温变化趋势基本一致；降水丰富的季节一般在每年7-9月，年内降雨量分配在一定程度上具有很大的随机性；风速最大值、日照时长最大值一般处于每年的春季；相对湿度一般在70%附近波动，不同月份变化趋势相对平稳。

图3 2011年度灌区温度变化规律

图4 2011年度灌区风速变化规律

4 作物需水量与其影响因子相关性分析

本文基于Spss软件的多元线性回归方法，在1981-2012年实测数据资料的基础上，构建了作物需水量与其影响因子之间的回归方程为：

y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+

β4x4+β5x5+β6x6+β7x7+ε

(8)

式中：y、x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7分别为平均气温、最低气温、最高气温、日照时数、平均风速、平均相对湿度、降水量；β0、ε分别为常数和随机误差。

计算分析结果如表3所示，进一步分析可以看出，作物需水量主要受平均风速、相对湿度、日照时数的影响，一般情况下主要影响作用为平均风速>平均相对湿度>日照时数；其他影响因素按照相关性大小依次为最低气温、最高气温、降水量、平均气温等。综合分析可以看出，平均风速对作物需水量的影响最大，是作物需水量的最主要影响因素。

表3 作物需水量和主要影响因子相关性表

5 结 语

本文主采用国际上通用的Penman公式，研究分析主要农作物生长发育期间需水量的变化规律，并对各气象因子主要影响作用进行了相关性分析。灌区小麦、棉花和玉米3个主要农作物需水量变化规律性比较明显，小麦整个生育期需要水量大约为350 mm，整个生育期棉花的要水量大约为415 mm，玉米生育期需水量大约为307 mm并呈锯齿状减小的态势；作物需水量主要受平均风速、平均相对湿度、日照时数的影响，主要影响作用大小为平均风速>平均相对湿度>日照时数。

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