柳州市甘蔗生长季内水分供求情况分析

黄维 李家文 吴炫柯 刘永裕 刘梅 唐国敏

摘要：利用柳州市8个气象站1961—2014年的气象资料，在考虑甘蔗作物系数的基础上采用彭曼公式计算甘蔗需水量，结合生长季内的降水情况，分析柳州市甘蔗水分的供求情况。结果表明，甘蔗在幼苗期和分蘖期水分盈余，水分亏缺情况主要发生在伸长期后期和成熟期，其中以伸长期后期最为显著;柳州市甘蔗生长季内降水中心主要集中在融安县、融水县一带，南部降水偏少而甘蔗需水量较大，是水分亏缺的主要地区，干旱风险最大，可为有关部门制定甘蔗的防旱减灾对策时提供科学依据。

关键词：生育阶段;降水量;甘蔗需水量;干旱;柳州市

中图分类号：S566.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）02-0088-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.020           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

广西是中国甘蔗最大生产适宜区之一，年种植面积4.5×105～5.2×105 hm2，产糖量约占全国食糖总量的40%。经过多年的发展，制糖产业已成为广西经济支柱产业。但广西90%以上的甘蔗种植在无灌溉条件的旱地上，甘蔗的水分主要来源于降水[1]。广西是中国年降水量最丰富的省份之一，但因地处东亚季风气候区，受季风影响，降水时空分布不均，季节性干旱频繁发生[2]。如果甘蔗遭遇春旱，会影响冬春甘蔗出苗，减少有效茎数，抑制苗期生长[3，4];而秋季甘蔗正处于糖分积累的茎伸长后期，如遭受干旱灾害，光合作用强度降低，呼吸作用加强，糖分含量降低，胶质比例增大，出糖率和回收率就会下降，影响甘蔗的伸长，甘蔗的产量和品质都将会大幅度下降[2，5]。

目前，关于广西甘蔗干旱的研究已有报道，遥感、指标指数以及数理统计方法构建的甘蔗干旱风险评估模型也被廣泛地应用于甘蔗干旱评估中。匡昭敏等[6]以干旱指数遥感监测模型为工具，对甘蔗干旱进行精细动态监测，应用效果较好;陆耀凡等[7]以甘蔗水分盈亏指数为指标，指出近40年广西右江河谷甘蔗的水分盈亏指数呈下降的变化趋势;莫建飞等[8]以甘蔗干旱灾害指数为指标，构建了广西甘蔗萌芽分蘖期干旱等级灾害空间分布模型，并得出甘蔗干旱灾害等级在水平分布上由北向南、由东向西逐渐递增的结论;卢小凤等[9]结合甘蔗需水量的特点，发现中度和重度干旱的高发区主要位于桂中和桂东北甘蔗区，且20世纪90年代以后，广西甘蔗秋季中度和重度以上干旱发生的频率和强度总体呈增加和加重趋势。以上学者采用不同方法研究甘蔗干旱，为甘蔗防旱避灾工作提供了科学依据。

柳州市处于桂中甘蔗区，是广西甘蔗的主产区之一。由于受热带海洋气团和极地大陆气团的交替控制，柳州市冬冷夏热，雨热同季，受降水空间分布不均和灌溉条件的限制，干旱灾害成为制约该市甘蔗生产发展的主要农业气象灾害之一。目前，关于柳州地区的干旱研究多数基于降水资料[10，11]，缺乏对作物需水量的考虑，对农业生产的指导效果缺乏针对性。因此，本研究结合甘蔗作物系数，利用彭曼公式计算甘蔗作物需水量，分析柳州市甘蔗在不同生育阶段需水量和降水量的时空分布特征以及供求关系，旨在为柳州市甘蔗的生产发展和合理布局提供科学参考。

1  数据与方法

1.1  研究区概况

柳州市地处桂中北部，属中亚热带季风气候，由于受季风环流影响，夏半年盛行偏南风，高温、高湿、多雨，冬半年盛行偏北风，寒冷、干燥、少雨。夏长冬短、雨热同季，光、温、水气候资源丰富，但地区差异较大，北部各县具有较明显的山地气候特征。柳州市共有8个国家气象观测站。

1.2  数据来源

从柳州市气象局获取柳江、鹿寨、柳州、沙塘、柳城、融安、融水和三江共8个气象站1961—2014年逐日气象资料，包括平均温度、最高温度、最低温度、相对湿度、降水量、风速、水气压等;甘蔗发育期资料主要来源于柳州市农业气象试验站;地理辅助数据主要包括柳州市矢量边界。

1.3  研究方法

1）生育期划分。将甘蔗生育期划分为4个主要生育阶段，即幼苗期、分蘖期、伸长期、成熟期。根据柳州市农业气象试验站2003—2013年甘蔗生育期观测资料，并参考文献[12]，综合得出甘蔗整个生长季平均需要24旬，本研究以3月下旬作为甘蔗生长季的第一旬，11月上旬作为甘蔗生长季的最后一旬，并将各旬划入对应的生育阶段内，如表1所示。

2）甘蔗需水量计算。甘蔗需水量由公式（1）计算而得，其表达式如下：

式中，ETc为甘蔗需水量（mm）;Kc为甘蔗作物系数;ETo为参考作物蒸发量（mm）。ETo由彭曼公式计算而得，其计算方法如下：

式中，ETo为作物参考蒸散量（mm/d）;Δ为饱和水气压曲线斜率（kPa/℃）;Rn为地表净辐射

[MJ/（m·d）];G为土壤热通量[MJ/（m2·d）];γ为干湿表常数（kPa/℃）;Tmean为日平均气温（℃）;u2为2 m高处风速（m/s）;es为饱和水气压（kPa）;ea为实际水气压（kPa）。

甘蔗作物系数是计算甘蔗需水量的重要参数，它反映了甘蔗本身的生物学特性、产量水平以及土壤耕作条件对作物需水量的影响[13]，为了得到甘蔗生长季内每旬作物系数，参考文献[12]，并结合南宁市气象站对应时段的气象资料，利用实测甘蔗需水量（ETc）与参考作物蒸发量（ETo）的比率计算生长季内各旬甘蔗需水量的作物系数，即：

Kc计算结果。Kc范围在0.6～2.8，在伸长期时Kc较高，处于1.0～2.8，在幼苗期和成熟期Kc较低，都在1.0以下。

2  结果与分析

2.1  甘蔗需水量与降水量的时间变化

柳州市甘蔗1961—2014年各旬平均需水量和降水量随时间的变化。甘蔗需水量随时间的延长呈先增后减的变化趋势，需水量在幼苗期变化较为平缓，并维持在20 mm以下，在分蘖期迅速增加，分蘖末期接近100 mm，伸长期需水量又下降，在第12旬时才开始上升，第13旬时达到需水量的第二个峰值点，为96 mm，此后开始快速下降，该趋势一直延续到成熟期。在幼苗期和分蘖期，降水量远高于甘蔗需水量，因此，在这两个生育阶段甘蔗干旱风险较小，而在伸长期和成熟期，甘蔗需水量和降水量曲线存在多个交点。从总水量来看，甘蔗在伸长期和成熟期总需水量分别为677、87 mm，而对应的总降水量分别为590、99 mm。甘蔗在伸长期时处于水分亏缺状态，而在成熟期降水量基本满足甘蔗需水量，因此，甘蔗在伸长期最易遭受干旱威胁。甘蔗的伸长期一般从6月下旬开始，10月上旬结束，6、7、8月降水量丰富，而到9、10月降水开始减少，因此，甘蔗干旱主要发生在伸长期后期。

2.2  甘蔗生长季内降水量的空间分布

甘蔗各生育阶段1961—2014年平均降水量的空间分布。研究区在幼苗期的降水量处于225～342 mm，平均降水量为274 mm，空间差异明显，从西南向东北递增，柳江区、柳城县降水量相对较少，降水量高值区集中在融安县境内;在分蘖期降水量处于306～460 mm，平均降水量为307 mm，空间差异明显，总体表现为北多南少，柳城站降水量相对较少，为307 mm，降水量高值区集中在融水县、融安县境内，其中融安站降水量最多，达459 mm;在伸长期降水量处于528～708 mm，平均降水量为589 mm，空间差异明显，总体表现为北多南少，柳城站降水量仍最少，为528 mm，降水量高值区仍集中在融水县、融安县境内，但高值中心较幼苗期和分蘖期向西偏移，其中融水站降水量最多，达699 mm;在成熟期降水量处于90～124 mm，平均降水量为101 mm，是降水量最少的生育阶段，空间分布与前三个生育阶段基本一致，柳城站降水量仍最少，为90 mm，降水高值区仍集中在融水县、融安县境内，其中融安站降水量最多，达124 mm。

2.3  甘蔗生长季内需水量的空间分布

甘蔗各生育阶段1961—2014年平均需水量的空间分布。研究区甘蔗在幼苗期需水量处于80～91 mm，表现为南多北少的空间格局，鹿寨县、柳州市区、柳江区大部分区域需水量都在90～91 mm，三江县甘蔗需水量最少，在80～81 mm;在分蘖期需水量处于185～222 mm，空间差异明显，但空间变化趋势与幼苗期基本一致，都为南多北少，鹿寨县、柳州市区、柳江区大部分区域需水量都在215～222 mm，三江县甘蔗需水量最少，在185～191 mm;在伸长期需水量处于619～727 mm，空间差异明显，整体表现为南多北少，鹿寨县、柳州市区、柳江区大部分区域需水量最大，在697～727 mm，三江县甘蔗需水量仍最少，在619～636 mm，南北需水量差异最大达108 mm;在成熟期需水量处于69～102 mm，空间差异明显，南多北少，鹿寨县大部分区域需水量较大，在99～102 mm，三江县甘蔗需水量仍最少，在69～74 mm。

2.4  甘蔗生长季内降水量与需水量差的空间分布

1961—2014年甘蔗生长季内降水量与需水量差的空间分布。在幼苗期和分蘖期研究区降水量都远高于甘蔗需水量，因此发生甘蔗干旱灾害的概率较低，而在伸长期和成熟期研究区南部有较大区域都处于水分亏缺状态，是甘蔗干旱发生的重点时期。从伸长期降水量与甘蔗需水量差的空间分布可知，仅融水县和融安县小部分区域降水量能满足甘蔗需水量需求，其他地区表现为不同程度的水分亏缺状况，研究区南部表现得最为明显，水分亏缺最严重的地区主要集中在柳州市区、鹿寨县南部和柳城县中部，亏缺量在132.3～192.7 mm。从成熟期降水量与甘蔗需水量差的空间分布可知，鹿寨县、柳江区中部处于水分亏缺状态，但亏缺量不大，在10.1 mm以下，研究区其他区域都能满足甘蔗需水量，三江县、融安县北部和融水县西部盈余量在26.6～41.7 mm，其他地区盈余量较低。

2.5  甘蔗需水量的年际变化

1961—2014年甘蔗在不同生育阶段需水量的年际变化。幼苗期时甘蔗需水量范围在65.7～102.4 mm，年均需水量为85.9 mm，年际波动性较大，甘蔗需水量在1961—1991年時缓慢微下降趋势，之后开始上升，呈一个开口朝下的抛物线;分蘖期甘蔗需水量范围在162.1～282.8 mm，年均需水量为206.1 mm，相比而言，1961—1971年甘蔗需水量偏多，并于1964年左右时达到最高，之后开始递减，1977年后变化趋于平缓;伸长期甘蔗需水量范围在547.4～777.9 mm，年均需水量为677.2 mm，波动性较大，变化趋势大致可从两个阶段进行分析，即1961—1981年和1982—2009年，以上两个阶段都表现出先减后增的变化趋势，1961—1981年阶段，1970年附近时需水量达到最低，而1982—2009年阶段，1998年附近时需水量达到最低;成熟期甘蔗需水量范围在63.0～131.8 mm，年均需水量为87.7 mm，虽然需水量在该生育阶段波动性较大，但未表现出明显的变化。

2.6  甘蔗降水量与需水量差的年际变化

1961—2014年甘蔗在不同生育阶段降水量与需水量差的年际变化。幼苗期降水量与甘蔗需水量之差在15～389 mm，都处于水分盈余状态，并于1996年时水分盈余量达到最高，为389 mm;分蘖期降水量与甘蔗需水量之差在 -193～528 mm，大部分年份都处于水分盈余状态，水分亏缺年份仅有5年，即1963、1964、1970、1988、1996年，占所有研究年份的9.3%，但1964、1970和1966年水分亏缺量相对较低;伸长期降水量与甘蔗需水量之差在-427～430 mm，水分亏缺年份居多，占所有研究年份的66.7%，亏缺年份的水分/亏缺平均量为213 mm，其中，1985年水分亏缺量最大，达427 mm;成熟期降水量与需水量之差在-120～164 mm，水分亏缺年份仍居多，占所有研究年份的53.7%，亏缺年份的水分亏缺平均量为42 mm，其中，1974年水分亏缺量最大，达120 mm。

3  讨论

根据卢小凤等[9]研究，甘蔗在柳州县、来宾市等地发生中度干旱和重度干旱的概率较高，且集中在9月到10月。本研究得出，柳州市甘蔗水分亏缺地区主要集中在柳州市南部，以伸长期后期最为严重，这与卢小凤[9]等的研究基本一致。通过对柳州市甘蔗生长季内降水量和需水量分析可知，研究区降水呈现出明显的空间差异，南少北多，降水中心主要集中在融安县、融水县一带，而柳州市南部气温高于北部，导致蒸发量较大，甘蔗需水量却呈现出明显的南多北少的空间格局，与降水量的空间分布刚好相反，这是导致柳州市南部甘蔗水分亏缺的主要原因。此外，本研究得出，研究区甘蔗在幼苗期和分蘖期基本都处于水分盈余状态，与莫建飞等[8]关于广西甘蔗萌芽分蘖期干旱研究差异较大，这可能与选取的研究方法和研究区大小有较大的关系。随着全球变暖的进一步加剧，降水时空分布发生了巨大的变化，卢小凤等[9]研究指出，在气候变化背景下，20世纪90年代以后，广西甘蔗秋季中度和重度以上干旱发生的频率和强度总体呈增加和加重趋势，一些年份秋季干旱日数增加，本研究通过对甘蔗伸长期水分供求情况的年际分析可知，甘蔗水分亏缺状况主要集中在1976—1991和2000—2014年这两个时间段，但未表现出明显的变化趋势。

本研究借鉴前人研究结果，得出一套甘蔗作物系数，但该参数仍需进一步本地化，以增强其在研究中的准确性和代表性。关于甘蔗干旱的计算方法很多，本研究仅从降水量与需水量之差的角度来分析甘蔗在不同生育阶段的水分盈余状态，口径较粗，因此，在今后的研究中应采用多种方法进行分析，在时间尺度上细分到旬，并充分考虑水分前期的累积效应，从而得到更加精确和准确的甘蔗水分盈余情况。

4  结论

本研究以彭曼公式为工具，结合甘蔗作物系数计算出柳州市甘蔗需水量，并分析其生长季内的水分供求情况。研究区甘蔗在幼苗期和分蘖期水分盈余，水分亏缺情况主要发生在伸长期后期和成熟期，其中以伸长期后期最为显著。柳州市甘蔗生长季内降水中心主要集中在融安县、融水县一带，南部降水偏少且甘蔗需水量较大，是水分亏缺的主要地区，干旱风险最高。研究结果可为有关部门合理安排种植布局、制定科学灌溉用水调配计划提供科学参考。

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