1958-2015年广西木薯有效降雨量和需水量的变化规律

2020-05-25吴卫熊莫明珠

节水灌溉 2020年2期

吴卫熊，莫明珠

(1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056038；2.广西水利科学研究院，南宁 530023；3.广西水工程重点实验室，南宁 530023)

木薯是广西的主要经济作物之一，种植面积约23.3 万hm2。广西木薯的种植面积和产量约占全国的60%以上，是我国木薯主产区，有着悠久的木薯种植历史，目前共有83个县(市、区)、近800万人种植木薯，木薯已成为当地农民增收和地方财政收入的重要来源。随着气候的变化，木薯的需水量也随之变化，研究利用降雨来提高农业水资源的高效利用是目前农业水利研究人员逐渐关注的重点之一。

目前，尽管部分学者对木薯需水规律和灌溉制度开展了研究，取得了一些成果[1,2]；也有部分学者研究玉米、小麦和水稻等作物在气候变化背景下其需水量发生了显著变化[3,4]；对于木薯生育期内有效降雨量、需水量特征及变化趋势研究较少。

本文拟采用1958-2015年南宁站、北海站、玉林站、龙州站气象站的气象资料以及2014-2015年木薯生育期的观测资料，研究木薯主产区内有效降雨量和木薯各生育期的需水量，为广西木薯生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文采用的数据为：1958-2015年南宁站、北海站、玉林站、龙州站气象站的气象资料，含气温、日照时数、降雨量、风速、相对湿度等；以及2014-2015年木薯生育期的观测资料。

1.2 木薯种植分区

根据广西自然条件、木薯种植结构和需水特性，结合当地灌溉经验和试验资料分析计算，把广西主要木薯种植区分为桂中(含南宁市、来宾市、贵港市)、桂南(北海市、钦州市、防城港市)、桂西(崇左市、百色市、河池市)和桂东南(玉林市、梧州市)4个分区；其中，桂中区代表站为南宁站，桂南区代表站位北海站，桂西区代表站为龙州站，桂东南区代表站位玉林站。

1.3 木薯生育期

木薯生育期分为苗期、块根形成期、块根膨大期、块根成熟期4个时期。以木薯当家品种华南205为例，划定4个主产区的木薯生育期，见表1。

表1 广西木薯主产区木薯全生育期划分Tab.1 Stages of the whole growth period of cassava in main production regions in Guangxi

1.4 有效降雨量

有效降雨量是指总降雨量扣除深层渗漏量、作物截留量和径流量，并保留在作物的根区，能被作物利用的水量。有效降雨量Pe可采用下式进行计算：

Pe=αP

(1)

式中：P为计算时段降雨总量，mm；α为计算时段降雨有效利用系数。

采用下式进行计算[5]：

(2)

1.5 参考作物需水量

参考作物需水量采用Penman-Monteith公式计算[6]，公式如下：

(3)

式中：ET0为参考作物的腾发量，mm/d；Rn为地表净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；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；Δ为饱和水气压曲线斜率，kPa/℃；γ为干湿表场数，kPa/℃。

1.6 木薯需水量

木薯需水量由维持木薯正常生长发育的蒸腾水量和颗间土壤蒸发水量组成。本文主要通过参考作物腾发量(ET0)和木薯不同生育阶段的作物系数(Kc)计算木薯需水量，计算公式如下：

ETc=KcEt0

(4)

式中：ETc为木薯需水量；Kc为木薯不同生育阶段的作物系数。

根据联合国粮农组织出版的《FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56：Crop Evapotranspiration》，结合本人开展的木薯灌溉试验，Kc值在苗期、块根形成期、块根膨大期和块根成熟期分别取0.3、0.5、1.0和0.5；ET0为参考作物腾发量。

1.7 水分盈亏指数

木薯水分盈亏指数是指木薯生育期内有效降雨量与需水量的差值再与需水量的比值，可用下式进行计算：

(5)

式中：I为水分盈亏指数。

2 结果与分析

2.1 木薯生育期有效降雨量的变化特征

1959-2015年广西木薯主产区木薯生育期有效降雨量时间变化图如图1所示。由图1可见，广西木薯主产区木薯生育期有效降雨量为603.33～694.09 mm，平均值为649.15 mm，整体呈现东南高、西北低的分布特点。近60 a来木薯全生育期有效降雨量的变化在每10年-57.77～85.48 mm，平均值每10年-7.44 mm。从有效降雨量趋势线可以看出，近60 a来木薯全生育期有效降雨量呈现出逐步降低的趋势。1961-1970年平均有效降雨量比上10 a下降39.35 mm，2011-2015年平均有效降雨量比上10 a下降57.77 mm。

从生育期来分，广西木薯主产区有效降雨量在播种至苗期为76.86～147.52 mm，苗期至块根形成期为141.90～186.34 mm，块根形成期至块根膨大期为301.53～403.74 mm，块根膨大期至块根成熟期为11.73～77.12 mm，整体上也呈现东南高、西北低的分布特点，与全生育期的有效降雨分布特征相似。比较木薯各生育期的有效降雨量可知，块根形成期至块根膨大期的有效降雨量最大，占52%，苗期至块根形成期次之，占26%，播种至苗期、块根膨大期至块根成熟期较小。其原因主要是块根形成期和块根膨大期时间较长，且分布在雨季。

图1 1958-2015年广西木薯主产区有效降雨量时间变化图Fig.1 Change chart of effective precipitation over time in main cassava producing areas of Guangxi from 1958 to 2015

2.2 木薯需水量的变化特征

1959-2015年广西木薯主产区木薯需水量时间变化见图2。由图2可知，广西木薯主产区木薯生育期需水量为740.57～789.94 mm，平均值为758.05 mm，整体呈现东南高、西北低的分布特点。近60 a来木薯全生育期需水量的变化为每10年-27.73～24.81 mm，平均值为每10年-2.29 mm。从需水量趋势线可以看出，近60 a来木薯需水量呈现出逐步降低的趋势。

图2 1958-2015年广西木薯主产区木薯需水量时间变化图Fig.2 Change chart of water requirement of cassava in main cassava producing areas of Guangxi from 1958 to 2015

从生育期来分，广西木薯主产区需水量在播种至苗期为84.13～111.90 mm，苗期至块根形成期为189.30～241.02 mm，块根形成期至块根膨大期为350.56～464.83 mm，块根膨大期至块根成熟期为14.42～77.12 mm，整体上呈现东南高、西北低的分布特点，与全生育期的需水量分布特征相似。比较木薯各生育期的需水量可知，块根形成期至块根膨大期的有效降雨量最大，占53%，苗期至块根形成期次之，占27%，播种至苗期14%，块根膨大期至块根成熟期较小，仅占7%。

各主产区木薯需水量变化见图3。由图3可知，桂南区(北海站)木薯总需水量最大，桂东南区(玉林站)次之，桂中区(南宁站)第三，桂西区(龙州站)最小。总体而言，东南部靠近赤道，蒸发量大，木薯生长旺盛，光合作用强，需水量较大，越往北需水量就越小。从表2可知，除了块根膨大期至块根成熟期外，其他生育期大都呈现东南大、西北小的特点。

图3 广西4个木薯主产区木薯需水量变化图Fig.3 Change chart of water requirement of cassava in four main cassava producing areas in Guangxi

表2 广西木薯主产区木薯全生育期及不同生育阶段的有效降水量、需水量Tab.2 Effective precipitation and water requirement of cassava in its whole growth period and different growth stages in main cassava producing areas of Guangxi

站点指标播种-苗期苗期-块根形成期块根形成期-块根膨大期块根膨大期-块根成熟期全生育期北海站有效降雨量/mm147.52 186.34 403.74 38.82 776.42 需水量/mm111.90 241.02 464.83 43.04 860.80 水分亏缺指数0.32 -0.23 -0.13 -0.10 -0.10 南宁站有效降雨量/mm99.73 164.26 310.91 11.73 586.63 需水量/mm100.92 194.64 410.90 14.42 720.88 水分亏缺指数-0.01 -0.16 -0.24 -0.19 -0.19 玉林站有效降雨量/mm80.80 188.53 350.13 53.87 673.33 需水量/mm114.07 205.32 395.43 68.44 760.45 水分亏缺指数-0.29 -0.08 -0.11 -0.21 -0.11 龙州站有效降雨量/mm76.86 141.90 301.53 70.95 591.24 需水量/mm84.13 189.30 350.56 77.12 701.12 水分亏缺指数-0.09 -0.25 -0.14 -0.08 -0.16

2.3 典型站点木薯水分亏缺指数的变化特征

通过分析北海站(桂南区)、南宁站(桂中区)、龙州站(桂西区)、玉林站(桂东南站)的数据，可以得到广西4个木薯主产区的有效降雨量、需水量和水分亏缺指数，见表2。由表2可知，南宁站(桂中区)木薯水分亏缺度最为严重，龙州站(桂西区)、玉林站(桂东南站)次之，北海站(桂南区)水分亏缺度最轻，以上4个主产区木薯全生育期的水分亏缺量分别为134.25、109.88、 87.12和84.38 mm，水分亏缺度分别为：-0.19、-0.16、-0.11和-0.10。

从各生育期来看，除了北海站(桂南区)木薯播种至苗期降雨量充足外，其他主产区的各生育期均出现不同程度的缺水，特别是苗期-块根形成期、块根形成期-块根膨大期缺水尤为严重。在块根形成期-块根膨大期，各站点水分亏缺量分别为61.09、99.99、45.30和49.03mm，水分亏缺度分别为：-0.13、-0.24、-0.11和-0.14。在苗期-块根形成期，各站点水分亏缺量分别为54.68、30.38、16.79和47.41mm，水分亏缺度分别为：-0.23、-0.16、-0.08和-0.25。其主要原因为：这个时期是木薯生长最旺盛的块根形成期和块根膨大期，需要较大的水分和养分来维持块根的形成和膨大，而此时广西木薯主产区正值秋季，尽管降雨量也较大，但多以台风雨为主，有效降雨较少，造成木薯生长发育产生缺水情况。