1960—2015年吉林省玉米生长季有效降水和水分亏缺指数的变化特征

2018-03-20邱美娟郭春明王冬妮袁福香曲思邈任景全李忠辉

干旱地区农业研究 2018年1期

邱美娟，郭春明，王冬妮，袁福香，曲思邈，任景全，李忠辉，穆佳

(吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062)

吉林省是我国玉米主产区和重要的商品粮基地[1-2]，农业生产以雨养为主，降水是吉林省作物需水量的主要来源[3]，降水量地域间差异很大[4-5]，并且存在一定的年际波动，导致各地水分亏缺程度差异较大，因此研究吉林省有效降水量及水分亏缺指数的时空演变特征，对于指导当地农业生产、科学合理节水灌溉、缓解水资源的供需矛盾具有重要意义。

气候变暖导致吉林省气候和农业气候资源发生了明显变化[6]，降水、蒸散量等的变化可能引起作物生长发育、产量和耗水量等产生相应的变化[7-8]。近年来国内外开展了大量有关作物生育期降水量、需水量和水分盈亏方面的研究[9-13]。在有效降水量研究方面，庞艳梅等[14]分析了四川盆地玉米有效降水量的变化特征，结果表明，近50年来，除乳熟到成熟期外，玉米全生育期及播种到乳熟期的有效降水量总体呈下降趋势；李勇[15]等研究得出1961—2007年长江中下游地区早稻和单季稻生育期有效降水量均表现为增加趋势，而晚稻生育期有效降水量表现为减少趋势。在作物需水和水分盈亏变化研究方面，刘晓英[16]等计算了华北主要旱地作物冬小麦、夏玉米的需水量，并分析其变化趋势；刘宏谊[17]等、杨艳昭[18]等和封志明[19]等采用农田水量平衡模型，计算并分析了甘肃省春小麦、冬小麦等主要旱地作物的需水变化规律和水分盈亏特征；邵晓梅[20]等对黄河流域主要农作物的降水盈亏格局进行了分析。以上关于作物有效降水量、需水量和水分盈亏方面的研究，均取得了一定的成果。而涉及吉林省，关于作物生育期降水量变化特征的研究较多[21-22]，但是对于作物生育期有效降水量和水分亏缺的研究还较少。

因此，本研究利用吉林省50个气象站的气象数据，采用作物蒸散和降水量的比率法计算有效降水量，进而计算水分亏缺指数，利用GIS的空间化技术，采用反距离加权(IDW，inverse distance weighted)插值法对各计算量的空间分布及其随时间的变化趋势进行插值，分析其时空演变特征，以期对吉林省有效降水量和水分亏缺情况的空间分布和时间演变特征有全面而详细的了解，有助于深化对气候变暖背景下的干旱发生规律的认识。

1 资料与方法

1.1 资料来源及处理

所用数据为吉林省1960—2015年50个气象站逐日气象资料，包括：平均气温、最低气温、最高气温、露点温度、日照时数、降水量、风速和相对湿度。图1为研究区内气象站点分布。

图1 气象站点分布

Fig.1 Distribution of meteorological station

吉林省玉米生长季一般在5—9月，根据吉林省农业气象观测站1981—2014年玉米生育期观测资料，假定研究时段内玉米品种保持不变，确定玉米平均生育期。综合玉米不同生育期对温度要求的相关资料，将玉米生育期划分为营养生长期(vegetative phase，从播种到拔节，5月上旬—6月下旬)、营养生长与生殖生长并进期(vegetative and reproductive phase，简称并进期，从拔节到开花，7月上旬—7月下旬)、生殖生长期(reproductive phase，从开花到成熟，8月上旬—9月下旬)3 个阶段。计算玉米生长季及各阶段的有效降水量、需水量以及水分亏缺指数。

气象数据处理及玉米生长季有效降水量、需水量和水分亏缺指数的计算采用Fortran编程处理，空间分布采用地理信息系统软件ArcGIS作图。

1.2 研究方法

1.2.1 有效降水量作物生长期的有效降雨量指能够提供给作物蒸发蒸腾，从而减少作物对灌溉水需求的雨量。对于旱作物，有效降雨量指总降雨量中能够保存在作物根系层中用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分雨量，不包括地表径流和渗漏至作物根系吸水层以下的部分[23]。作物有效降雨量需逐时段(日、旬或月)计算，由于不同作物需水量不同，生长期内的降雨量和降雨分布也有很大差别，因此，降雨的有效利用比例也因作物不同而异。研究表明，作物有效降雨量的计算方法与计算时段长度的选取有关，本研究以旬为单位，采用FAO参考作物蒸散量和降水量的比率法来计算有效降水量，逐旬有效降雨量可采用以下简化方法计算[24]：

(1)

式中，Pei是逐旬有效降水量，mm；P是逐旬累积自然降水量，mm；Etc是逐旬作物需水量，mm。则玉米生育时段内有效降水的计算公式：

(2)

其中，Pe是玉米生育时段内的有效降水量，mm；n是该生育时段包含的旬数。

已有研究表明[25]，以旬为时段计算不同作物有效降雨量的简化方法，其精度能够满足规划和设计的要求。但当以日为计算时段时，该方法计算的有效降雨量会过小，而以月为计算时段时，该方法计算的有效降雨量会偏大。本研究中有效降雨量以旬为计算时段。

1.2.2 玉米需水量作物需水量是指作物在土壤水分和养分适宜、管理良好、生长正常和大面积高产条件下棵间土面(或水面)蒸发量与植株蒸腾量之和。玉米生长季需水量利用FAO推荐的作物系数法计算：

ETc=Kc×ET0

(3)

式中，ET0是参考作物蒸散量，mm·d-1；ETc是作物需水量，mm·d-1；Kc是作物系数，本研究采用吉林省气象局农业气象业务服务中应用的Kc指标(表1)，该指标是通过不断试验调整，最后确定的一套指标。通过玉米生长季逐日需水量累积得到不同时段的需水量。

其中，参考作物蒸散量(ET0)也称可能蒸发量或潜在蒸发量，计算ET0的方法很多，本研究采用联合国粮农组织推荐的改进Penman-Monteith公式计算：

(4)

式中，Rn是作物表面净辐射量，MJ·m-2；Δ是饱和水汽压和温度关系曲线的斜率，kPa·℃-1；T是平均空气温度，℃；es是空气饱和水汽压，kPa；ea是空气实际水汽压，kPa；γ是湿度计常数，kPa·℃-1；U2是地面之上2 m处的风速，m·s-1。

表1 作物系数Kc Table 1 Crop coefficient (Kc)

1.2.3 水分亏缺指数作物水分亏缺指数是表征作物水分亏缺程度的指标之一，在不考虑灌溉条件下作物水分亏缺指数可表达为：

(5)

式中，D为水分亏缺指数，D越大表示水分亏缺越明显，ETc是玉米生育时段内作物需水量，Pe是玉米生育时段内有效降水量。

2 结果与分析

2.1 有效降水量变化特征

1960—2015年吉林省玉米生长季有效降水空间分布如图2a。吉林省玉米生长季平均有效降水量为242～374mm，平均值为321mm，总体上以东南部的舒兰—吉林城郊—烟筒山—东丰—通化县—集安—东岗—蛟河一带以内为中心，分别呈向西北、向东逐步递减的趋势。最高值在东岗，平均为364mm，其次是集安，为360mm；最低值分布在西部的镇赉，平均为262mm,其次是白城，为265mm。对有效降水量随年际变化趋势的统计检验显示，近56a来玉米生长季有效降水量的变化趋势在-12.0～4.9mm·10a-1之间(图3a)，除伊通、永吉和图们生长季有效降水量呈不显著的上升趋势外，其余大部地区均呈下降趋势，其中长岭、农安、德惠、榆树、四平、梅河口、柳河、辉南和东岗等约18%的站点变化趋势通过了0.05水平的显著性检验。

1960—2015年吉林省玉米各生长阶段有效降水的空间分布如图2b～2d。由图2b可见，营养生长期平均有效降水量为80～121mm，平均值为104mm，总体上分布特征与生长季一致，东南部高，向西北、向东呈逐步递减的趋势特点；营养生长与生殖生长并进期(图2c)有效降水量为84～115mm,平均值为103mm，最高值分布在东岗，东部的和龙、龙井以东是平均有效降水最低的区域，最低值在图们；生殖生长期(图2d)平均有效降水量为84～132mm,平均值为113mm,最高值分布在柳河，最低值为镇赉。可见，各生育阶段有效降水量的空间分布基本与生长季一致，但除了并进期有效降水最低区分布在东部外，其它各阶段有效降水最低区均分布在吉林省的西部地区。比较玉米各生育阶段有效降水量看出，生殖生长期有效降水总是大于营养生长期；中西部部分地区，并进期有效降水量最多；其它大部分地区并进期有效降水量最少。

图3b～d为吉林省玉米各个生育阶段有效降水量的气候倾向率空间分布特征。营养生长期有效降水量气候倾向率在-3.9～5.4mm·10a-1(图3b)，中西部大部分地区、东部个别地区呈增加趋势，增加的站点占总数的58%，但只有镇赉通过0.05水平的显著性检验；其余呈减少趋势的站点均未通过任何水平的显著性检验。并进期有效降水量气候倾向率在-10.2～3.6mm·10a-1(图3c),东部部分地区呈增加趋势，但均未通过任何水平显著性检验；全省大部呈减少趋势，减少的站点总数的82%，其中有76%站点通过0.05水平的显著性检验。生殖生长期气候倾向率在-6.2～2.2mm·10a-1(图3d),只有松原、四平、伊通、永吉、和龙等5个站呈不显著增加趋势；其余90%的站点均呈减少趋势，且仅9%站点通过了0.05水平的显著性检验。由统计结果可见，吉林省1960—2015年玉米并进期和生殖生长期的有效降水量总体呈减少趋势，并进期的减少速率最快，而营养生长期中西部大部、东部个别地区的有效降水量呈增加趋势。

图2 1960—2015年玉米生长季有效降水量的空间分布Fig.2 Distribution characteristics of effective precipitation during maize growth season in 1960—2015

图3 1960—2015年玉米生长季有效降水变化趋势空间分布

Fig.3Spatialdistributionofthechangingtrendofeffectiveprecipitationduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.2 需水量变化特征

1960—2015年吉林省玉米生长季需水量空间分布如图4a。吉林省玉米生长季平均需水量为452～637mm，平均值为523mm，总体上呈从东南到西北递增的趋势特征。需水量最多的是西部的洮南，最少的是东部的图们。近56a吉林省玉米生长季需水量气候倾向率在-16.5～10.3mm·10a-1(图5a),其中，中西部大部、东部部分地区等80%的站点呈下降趋势，并且有37.5%站点通过0.05水平的显著性检验；呈上升趋势的站点中只有长白通过了0.05水平的显著性检验。

1960—2015年吉林省玉米各生长阶段需水量的空间分布如图4b～d。营养生长期平均需水量为150～231mm,平均为187mm,最高值分布在通榆，最低值在珲春；营养生长与生殖生长并进期需水量在127～183mm,平均值为151mm，最高值分布在洮南，最低值在珲春；生殖生长期需水量在164～225mm,平均值为185mm，最高值分布在洮南，最低值在靖宇。总体上，各个阶段需水量的分布趋势与生长季需水量分布趋势一致，均呈由东南向西北递增的趋势特点。比较玉米各生育阶段需水量看出，并进期需水量最少，中西部营养生长期需水量大于生殖生长期，东部地区营养生长期需水量小于生殖生长期。

图5b～d为吉林省玉米各个生育阶段需水量的气候倾向率空间分布特征。营养生长期需水量气候倾向率在-7.6～1.9mm·10a-1(图5b)，且94%的站点呈下降趋势，其中61.7%的站点通过0.05水平的显著性检验；只有烟筒山、二道、长白呈上升趋势，其中只有长白通过了0.05水平的显著性检验。营养生长与生殖生长并进期需水量气候倾向率在-4.7～3.2mm·10a-1(图5c),呈下降趋势的站点占78%，其中10%的站点通过0.05水平显著性检验；呈上升站点中只有长白通过0.05水平的显著性检验。生殖生长期需水量气候倾向率在-4.2～5.2mm·10a-1(图5d)，其中白城、扶余、农安、德惠、双辽、梨树、四平和通化县等8个站点呈下降趋势，且扶余、农安、双辽的下降趋势通过了0.05水平的显著性检验；其余84%的站点呈上升趋势，其中仅19%的站点上升趋势通过了0.05水平的显著性检验。可见，营养生长期和并进期需水量普遍呈下降趋势，而生殖生长期需水量多数呈上升趋势。

图4 1960—2015年玉米生长季需水量的空间分布Fig.4 Spatial distribution of water requirement during maize growth season in 1960—2015

图5 1960—2015年玉米生育期需水量变化趋势空间分布

Fig.5Spatialdistributionofthechangingtrendofwaterrequirementduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.3 水分亏缺指数变化特征

1960—2015年吉林省玉米生长季水分亏缺指数空间分布如图6a。全省玉米生长季水分亏缺指数在23%～58%，平均为37%，总体上呈东南向西部逐步递增的趋势特点，水分亏缺最严重的地区分布在西部的洮南，水分亏缺最轻的地区分布在东部的靖宇。玉米生长季水分亏缺指数气候倾向率在-0.8～1.9·10a-1之间(图7a)，其中只有扶余、双辽、伊通、永吉、吉林城郊、和龙、龙井以及图们等8个站点呈不显著的下降趋势；其余大部分地区水分亏缺指数呈上升趋势，但只有长白通过了0.05水平的显著性检验，且以1.9·10a-1的速率上升。

1960—2015年吉林省玉米各生育阶段水分亏缺指数空间分布如图6b～d。营养生长期水分亏缺指数在25%～63%(图6b)，平均为42%，水分亏缺最严重的地区是白城，水分亏缺最轻的地区是东岗；营养生长与生殖生长并进期水分亏缺指数在17%～46%(图6c)，平均为30%，水分亏缺最严重的地区分布在洮南，水分亏缺最轻的地区分布在靖宇；生殖生长期水分亏缺指数在24%～61%(图6d)，平均为37%，最严重地区为洮南，最轻地区为靖宇。各阶段水分亏缺指数总体上均呈由东南向西北逐步递增的趋势特点，与整个生长季的分布特征一致。比较各生育阶段水分亏缺指数可知，营养生长期水分亏缺最严重，其次是生殖生长期。

1960—2015年吉林省玉米各生育阶段水分亏缺指数变化趋势空间分布如图7b～d。营养生长期水分亏缺指数气候倾向率在-2.9～1.4·10a-1(图7b)，呈下降趋势的站点占总站点数的84%，其中21%的站点通过了0.05水平的显著性检验；其余呈上升趋势的16%的站点中均未通过显著性检验。营养生长与生殖生长并进期水分亏缺指数气候倾向率在-2.5～5.7·10a-1(图7c),且只有东部的永吉、安图、和龙、龙井、珲春、延吉和图们呈不显著的下降趋势；其余86%的站点均呈上升趋势，仅有16%的站点上升趋势通过0.05水平的显著性检验。生殖生长期水分亏缺指数气候倾向率在-1.5～3.6·10a-1(图7d),其中，松原、双辽、四平、永吉和吉林城郊呈不显著下降趋势；其它90%的站点均呈上升趋势，其中仅11%的站点通过0.05水平的显著性检验。由以上分析可见，营养生长期水分亏缺指数以下降趋势为主，而并进期和生殖生长期水分亏缺指数以上升趋势为主。

图6 1960—2015年玉米生长季水分亏缺指数的空间分布Fig.6 Spatial distribution of water deficit index during maize growth season in 1960—2015

图7 1960—2015年玉米生育期水分亏缺指数变化趋势空间分布

Fig.7Spatialdistributionofthechangingtrendofwaterdeficitindexduringmaizegrowthseasonin1960—2015

2.4 典型站点玉米生长季水分变化特征

为深入比较吉林省不同区域玉米生长季内有效降水、需水和水分亏缺情况，选取3个典型站点进行分析，分别为西部的白城、中部的公主岭、东部的靖宇。典型站点玉米生长季内有效降水量、需水量、水分亏缺指数如表2所示。由表2可见，从不同站点看，玉米生长季和各生育阶段有效降水量由西向东呈增加趋势，需水量由西向东呈减少趋势，因而西部白城水分亏缺最严重，其次是中部公主岭。从不同生育阶段看，营养生长期和生殖生长期需水量较多，水分亏缺相对严重，而并进期需水量相对较少，水分亏缺较轻。

3 结论与讨论

通过对1960—2015年吉林省玉米生长季及不同生育阶段有效降水、需水量及水分亏缺指数的变化特征的分析研究，得出以下主要结论：

1960—2015年吉林省玉米生长季平均有效降水量为242～374mm，总体上以东南部为中心，分别呈向西北、向东逐步递减的趋势。其它各生育阶段空间分布特征与生长季一致，但并进期有效降水最低区分布在东部，其它各阶段有效降水最低区均分布在吉林省的西部地区。近56a来玉米生长季有效降水量的变化趋势在-12.0～4.9mm·10a-1之间，总体呈下降趋势。玉米并进期和生殖生长期的有效降水量普遍呈下降趋势，而营养生长期中西部大部、东部个别地区的有效降水量呈上升趋势。

1960—2015年吉林省玉米生长季平均需水量为452～637mm，其它各生育阶段需水量的分布趋势与生长季需水量分布趋势一致，均呈由东南向西北递增的趋势特点。比较玉米各生育阶段需水量看出，并进期需水量最少，中西部营养生长期需水量大于生殖生长期，东部地区营养生长期需水量小于生殖生长期。近56a吉林省玉米生长季需水量气候倾向率在-16.5～10.3mm·10a-1，以下降趋势为主。营养生长期和并进期需水量普遍呈下降趋势，而生殖生长期需水量多数呈上升趋势。

表2 吉林省典型站点玉米生长季及不同生育阶段的有效降水量、需水量、缺水量及水分盈亏指数Table 2 Effective precipitation, water requirement, water deficit and water deficit index of maize ingrowing season and different growth stages of the typical sites in Jilin Province

1960—2015年吉林省玉米生长季水分亏缺指数在23%～58%，各阶段水分亏缺指数总体上均呈由东南向西北逐步递增的趋势特点，与整个生长季的分布特征一致。营养生长期水分亏缺最严重，其次是生殖生长期。玉米生长季水分亏缺指数气候倾向率在-0.8～1.9·10a-1之间，总体以上升趋势为主。营养生长期以下降趋势为主，而并进期和生殖生长期以上升趋势为主。

研究指出，由于吉林省的特殊气候条件，中西部是有效降水量的低值区，却是需水量的高值区，因而导致吉林省中西部水分亏缺严重，而东部是有效降水量的高值区，需水量的低值区，水分亏缺相对较轻。

本文采用FAO推荐的Penman-Monteith方法计算作物需水量、参考作物蒸散量和降水量的比率法计算有效降水量时，该方法是目前得到公认和普遍推广的方法之一。但是，由于研究区域涉及全省，而全省的地形、地貌区域差异性比较大，Penman-Monteith公式的a，b系数采用的是推荐值，有效降水也没有考虑到降水强度和地表径流的影响，因此计算精度肯定会存在一定的误差，在以后的研究中应结合研究区域的具体情况进一步深入研究。

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