陕北黄土丘陵区主要作物需水与降水耦合分析

2019-12-27朱文哲高志永

节水灌溉 2019年12期

陆静，朱文哲，高志永

(1.杨凌职业技术学院水利工程分院, 陕西杨凌 712100； 2.清水县水务局，甘肃清水 741400； 3.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048)

0 引言

旱作农业主要分布在年均降水量约250～500 mm的黄土高原中部以西和以北，这里主要依靠自然降雨来维持作物生长，生产力低而不稳，生态环境极为脆弱[1]，干旱缺水与水土流失并存是制约该区经济与社会可持续发展的主要瓶颈，也是导致该区生态脆弱的关键原因[2]。降水是旱作农业获取水分的主要途径，而作物的蒸腾和植株的棵间蒸发(作物需水)是水分输出的主要方式。解决旱作农业水资源短缺，实现农业生产可持续性增长的一条重要路径是高效利用降水资源[3]。因此，分析作物生育期需水规律与降水特征，探讨作物需水与降水关系，是确定旱作生育期补灌时间和水量，科学高效利用降水资源，提高灌溉水利用效率的基础。陕北黄土丘陵区为典型的旱作农业区，是玉米、谷子和马铃薯的主产区，其中玉米和谷子种植面积占陕北粮食作物种植面积的34.43%[4]，马铃薯种植面积占陕西省马铃薯种植面积的52%，占粮食作物种植面积的30%[5]。目前关于陕北主要粮食作物需水与降水的耦合分析鲜有报道，陕北主要粮食作物需水研究相对较少，有部分学者[6,7]对玉米需水量特征、灌溉分区、补灌时期进行了研究，王幼奇等[8]采用称重式蒸渗仪和微型蒸渗仪探讨了神木六道沟流域谷子耗水量和棵间蒸发，关于马铃薯研究主要集中在发展趋势和病虫害防治方面[5,9]，缺乏有关马铃薯需水量的报道。本文试图利用陕北黄土丘陵区2000-2014年逐日监测气象数据，分析玉米、谷子和马铃薯在生育期内的需水规律和干旱分布特征，计算降雨对主要作物需水的耦合程度，探讨3种作物在未来对水分的需求趋势，并提出应对策略。为旱作农业充分利用有限水资源和提高水分利用效率提供事实依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

绥德县，东经110°04′～110°41′，北纬37°16′～37°45′，总面积为1 878 km2，属于温带大陆性半干旱气候，为典型的黄土丘陵沟壑区。该地区多年降水量变化范围为235.0～747.5 mm年平均降水量486 mm，降雨主要集中在7-9月，占年降水量61%。年气温差为31.5 ℃，年均气温为9.7 ℃，年极端最高和最低气温分别为38.4 ℃和-25.4 ℃，无霜期165 d。

1.2 数据来源

本文利用典型黄土丘陵区绥德县2000-2014年逐日监测气象数据，该数据主要包括大气温度、大气最高和最低气温、日平均相对湿度、日平均风速、日照时数等数据。

1.3 研究方法

1.3.1 作物需水量计算

玉米、谷子和马铃薯需水量利用(1)式计算，借助Penman-Monteith公式(2)计算[10]参考作物需水量，利用已有文献获取3种作物的作物系数[6,11,12]，作物系数具体见表1。

作物需水量：

ETC=kcET0

(1)

Penman-Monteith蒸散模型：

(2)

式中：ET0为潜在蒸腾量，mm/d；Rn为植物表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Δ是饱和水汽压与温度曲线斜率，kPa/℃；γ是温度计常数，kPa/℃；u2是2 m处风速，m/s；es-ea是饱和水汽压差，kPa；ETc是蒸腾量，mm/d；kc为作物系数(见表1)。

表1 主要作物在不同生育阶段的作物系数Tab.1 Crop coefficient of main crops in growth period

1.3.2 干旱指数(SPEI指数)

SPEI能够综合反映水资源输出和输入项的作用，它是通过计算逐月降水量和潜在蒸散发量差值Di的正态标准化处理而获得[13]，SPEI指数其等级划分见表2[14]。本文月尺度的SPEI指数的计算[13]过程为：

(1)利用Penman-Monteith蒸散模型公式(2)计算月尺度潜在蒸散发ET0；

(2)计算逐月降水量与蒸散发量的差值Di；

表2 SPEI干旱等级划分Tab.2 Drought classifications based on SPEI

(3)计算Di概率密度的累计概率密度函数F(x)；

(4)对累计概率密度函数F(x)进行正态标准化。

1.3.3 主要作物需水与降水的耦合度

有效降水量采用下式计算[15]：

(3)

式中：Pe为有效降水量，mm；P为降水量，mm。

作物在某个生育期需水与降水的耦合度计算方法为：

(4)

式中：λ为作物在某个生育期作物需水与降水的耦合度，数值变化范围0～1.0，λ越接近1，表明降雨满足作物需水的程度越高；Pe为相应生育期的有效降水量，mm；ETc为相应生育期的作物需水量，mm。

1.3.4R/S分析法

重标极差法(R/S)是一种时间序列统计方法，可用于计算Hurst指数，它能够探索事物现象的变化规律，更可靠地预测未来，其原理和计算方法参见相关文献[16]。

1.4 统计分析

借助Excel 2010和Spass 18.0进行数据分析，利用Origin 8.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 主要作物生育期需水量与干旱特征

2.1.1 主要作物生育期需水量

图1为2000-2014年玉米、谷子、马铃薯作物在各月份的需水量。图1(a)表明，玉米在6月份需水量均值达169.22 mm，显著高于其他月份(p<0.05)，是其他月份的1.21～3.80倍；玉米在7月和8月需水量均值分别为140.13和132.53 mm，无差异，分别占总需水量的24.94%和23.59%；在9月份需水量显著(p<0.05)降为75.39 mm。图1(b)显示，谷子在5-9月需水量均存在显著差异(p<0.05)，变化范围为26.57～157.71 mm,平均值为78.61 mm，其中需水量在6月份为157.71 mm，占总生育期需水量的40.13%，该时段内是谷子需水最多的时段。图1(c)显示，马铃薯需水量在整个生育期呈现双峰，在播种初期(5月)需水量低于玉米和谷子，需水量仅为19.48 mm；在6和8月份需水量出现峰值，且无差异，其值分别为147.06和145.59 mm。在7和9月份无差异，分别达到109.95和113.38 mm。图1(d)表明，谷子在全生育期需水量分别显著低于玉米和马铃薯168.75和142.44 mm(p<0.05)，玉米和马铃薯需水量无差异，但玉米需水量高于马铃薯需水量26.32 mm。

注：不同小写字母表示同一作物需水量在不同月份存在显著性差异P<0.05或不同作物在全生育期存在显著性差异P<0.05。图1 玉米、谷子和马铃薯在生育期及三者全生育期需水量Fig.1 Water demand of corn, Millet and potato in growth period and the whole growth period

2.1.2 主要作物生育期干旱

图2为2000-2014年降水量及干旱发生频率图。图2表明，2000-2014年年均降水量为439.9 mm，年降水量呈现增加趋势(斜率17.88)，降雨主要集中在7-9月，占全年降水量的58.52%，而7-9月份有效降水量总和为106.35 mm，占7-9月总降水量的41.31%，从而因降雨集中出现大面积土壤流失现象，能够被作物可利用的有效降水量有限[17,18]，此外，降水量在作物生育期内(5-9月)变异性强，变异系数变化范围为46.90～86.70%[图2(a)]。在作物生育期内，干旱时有发生，在降水量较少的5和6月，干旱发生频率可达15.29%和28.57%，降水量在7月份达104.2 mm，干旱发生频率最小，仅为7.14%，作物在生育期受旱发生大小次序为6月>8月>5月>9月>7月[图2(b)]。

2.2 主要作物生育期内需水与降水耦合程度

表3为主要作物在各月内需水与降水的耦合度。表3显示，马铃薯需水与降水的耦合度在5和6月份分别高于玉米和谷子的需水与降水的耦合度0.13和0.36(5月)，0.01和0.02(6月)；谷子的需水与降水的耦合度在7、8和9月份显著高于玉米和马铃薯的需水与降水的耦合度(p<0.05)，分别是玉米和马铃薯需水与降水的耦合度的1.38～1.67和1.29～1.88倍；3种作物需水与降水耦合度在6月达最小，无显著差异。此外，3种作物需水与降水的耦合度与月份表现出良好的3次多项式关系，拟合程度较高，决定系数(R2)在0.80以上(图3)。但是，在作物全生育期内，降雨均无法满足作物需水量(λ<1，表3)，如果需要保证较高的产量，需要采取灌溉等措施为作物补充生长所需的水分。

图2 主要作物生育期降水量及干旱发生频率Fig.2 Rainfall and drought frequency during the growth period of major crops

表3 主要作物各月份内需水与降水的耦合度Tab.3 Coupling degree between water demand of main crops and rainfall in the growth period of main crops

注：表中λC、λM、λP分别为玉米、谷子和马铃薯需水与降水耦合度，不同小写字母表示同一月份不同作物需水与降水的耦合度存在显著性差异p<0.05。

图3 玉米、谷子和马铃薯需水与降水耦合度在生育期动态变化Fig.3 Dynamic coupling degree between rainfall and water demand of maize, millet and potato

2.3 主要作物需水与降水耦合度及干旱指数趋势预测

对玉米、谷子和马铃薯生育期的需水与降水的耦合度和同期的干旱指数进行R/S预测分析，分析Hurst指数见表4。表4表明，干旱现象在未来5和9月份会持续出现(HSPEI>0.5)，而在6～8月会出现减弱趋势(HSPEI<0.5)，其中干旱指数在8月份为0.355，低于6和7月，干旱在8月减弱趋势强于6和7月。玉米和马铃薯需水与降水耦合度在未来7-9月会呈现增加趋势(HλC，HλP<0.5)，谷子需水与降水耦合度在未来7和8月也会出现增加趋势(HλM>0.5)，增加趋势要高于玉米和马铃薯(HλM0.5)。

表4 主要作物不同月份需水与降水耦合度和干旱指数的R/S趋势分析Tab.4 Hurst index (H) of R/S analysis for water demand of main crops of growth period

注：表中HλC、HλM、HλP分别为玉米、谷子和马铃薯需水与降水耦合度的Hurst指数,HSPEI为干旱指数的Hurst指数。

3 讨论

黄土丘陵干旱半干旱区农作物所需水分主要来源于降雨[19,20]，主要作物全生育期(5～9月)降水量为331.6 mm(图2)，玉米、谷子和马铃薯的需水量分别为561.79、393.03和535.47 mm(图1)，即生育期降水量无法满足玉米、谷子和马铃薯的需水量；2000-2014年年均降水量为439.9 mm，分别低于玉米和马铃薯需水量121.9和95.6 mm，高于谷子需水量46.9 mm。玉米、谷子和马铃薯在6月份的需水量达最大，分别为169.22、157.71和147.06 mm，此时为玉米拔节和大喇叭口期，也是马铃薯块茎形成期，是它们的需水关键期[12,21]，但6月份降水量为42.16 mm，有效降水量仅为22.16 mm，降水量变异系数高达72.75%，干旱发生频率为28.57%(图2)，3种作物需水与降水的耦合度低至0.14～0.16(图3)。

水分是限制旱作农业发展的突出因素，如何科学高效利用降水是北方旱作农业面临的重大课题，解决旱作农业水资源严重不足，实现农业生产可持续性增长的重要途径之一是发展集雨补灌技术[3]，该技术是人为利用人工或天然的集水面，在集水面上汇集雨水形成径流，将径流收集并储存于水窑、水窖、旱井等蓄水容器中，在作物水分亏缺期，及时调运补灌作物，此技术能够解决半干旱区降水严重不足而产生的作物缺水问题，可对天然降水在时间和空间上进行调节，是提高水资源利用效率和解决降雨与作物需水出现供需错位行之有效的措施[22]。另外，可以在田间开沟筑垄，垄上覆盖塑料膜等抗渗材料，使雨水汇集在沟中，沟内填充秸秆等材料，形成沟垄覆盖种植技术，该技术能增加有效降雨，抑制土壤蒸发，沟内侧渗的水分储存于垄下区域，可改善土壤水热状况，提高玉米、马铃薯等作物产量和水分利用效率[23-26]，Li和Gong的研究表明[27]，年均降水量400 mm以上的黄土丘陵谷子地没必要采取沟垄覆盖种植技术，Liang等[28]对年降水量为350～550 mm黄土丘陵谷子地采取适宜的沟垄覆盖种植技术并配施氮磷肥，降低谷子地蒸发蒸腾量，提高谷子产量和水分利用效率，王幼奇等[8]发现年降水量为437.4 mm的神木六道沟流域，当年的降水量就能够满足谷子需水量，但在谷子一些生育阶段会出现缺水现象。因此，对于陕北黄土丘陵区玉米和马铃薯作物，建议在其生育期采用集雨补灌和沟垄覆盖种植技术相结合，通过灌溉措施补充作物土壤水分，特别是6月份需进行充分灌溉，提升土壤水分，以满足作物对水分的需求。对于谷子地，可采用集雨补灌提高谷子关键需水期土壤水分，但是否需要采用沟垄覆盖种植技术还需后期进行探索。

谷子具有抗旱和适应能力强、水分利用率高、产量稳定等特点，是我国北方重要的旱作粮食作物，特别适宜我国北方干旱半干旱地区种植[29]。本研究也表明谷子在全生育期需水量分别显著低于玉米和马铃薯168.75和142.44 mm[p<0.05，图1(d)]，谷子的需水与降水的耦合度在7～9月份显著高于玉米和马铃薯的需水与降水的耦合度(p﹤0.05，表3)，同时，谷子需水与降水的耦合度在未来7、8和9月份还会持续高于玉米和马铃薯(表4)，甚至可达0.81(表3)。此外，谷子产品的营养保健价值较高，它富含维生素、蛋白质等，成为保健营养型和环境友好型作物，而高品质谷子具有较高的售价，据调查研究，农民谷子收购价3.4～3.8元/kg、绿色认证谷子售价约25～35元/kg、有机谷子为35.9～44.8元/kg[30]。建议在陕北黄土丘陵区适当扩大绿色有机谷子种植面积，缩减高耗水作物玉米和马铃薯种植面积，有利于当地脱贫攻坚，优化粮食产业结构。在未来，通过加大谷子产业育种、栽培等科研投入，同时鼓励流通企业和加工企业联合，发展和壮大农业服务型经营主体，积极拓展谷子市场，实施“名、优、特”品牌战略，不断促进谷子产业向区域规模化、种植标准化、无公害化发展[29,31]。