黑龙港流域夏玉米生育期需水量变化特征及影响因素

贾英全， 杜娜钦， 李积铭

(1.桃城区农业农村局，河北 衡水 053000； 2.安平县农业农村局，河北 衡水 053600；3.河北省农林科学院旱作农业研究所 河北省农作物抗旱研究实验室，河北 衡水 053000)

黑龙港流域地处河北省东南部，在全国农业生产中占有重要的战略地位，该地区玉米产量对于确保全国的粮食安全具有重要意义[1]。黑龙港流域是华北地区最大地下水漏斗区，水资源短缺已经成为制约当地农业发展的重要因素[2]。因此，分析当地玉米生长季需水变化特征对于减少地下水用水量、提高降水利用效率以及修复地下水环境具有重要意义。前人对河北省夏玉米生育期内需水特征、降水特征等做了相关研究[3-4]。孙宏勇等[5]梳理了三河市40 a来气温和降水的变化，分析了气候变化对三河市农业生产的影响。曹永强等[6]通过对河北省夏玉米主产区8个气象站点近50 a气象资料进行分析，发现河北省夏玉米需水量呈现逐渐下降趋势。代立芹等[7]以有效降水量代替实际降水量计算水分亏缺指数，对河北省玉米生长季干旱分布特征、变化趋势和变化成因进行了分析。魏钟博等[8]分析了黑龙港流域夏玉米生育期降水、需水和干旱时空分布特征，发现需水量的变化与平均日照时数、平均风速呈高度正相关。

近年来，关于河北省夏玉米需水变化特征的研究虽然多有报道，但河北省不同地点气候略有差异，目前针对黑龙港流域夏玉米生育期需水规律的相关研究鲜有报道。因此，为了更好地了解黑龙港流域夏玉米需水变化特征及气候影响因素，提高降水利用率，减少灌溉用水，本文利用黑龙港流域气象资料，通过分析当地1960—2010年夏玉米生育期需水特征、降水特征、气象因子的变化，为黑龙港流域夏玉米的科学用水及农业生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究所用气象资料来自中国气象数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，选取饶阳气象站自1960—2010年逐日气象资料，包括日最高气温、最低气温、降水量、日照时数、风速、相对湿度等指标。

1.2 研究方法

1.2.1 夏玉米需水量计算

利用FAO推荐的Penman-Monteith公式[9]计算ET0如下所示：

(1)

式中，Rn为冠层表面净辐射；G为土壤热通量；T为平均温度；es为饱和水汽压；ea为实际水汽压；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线在T处的切线斜率；r为湿度计常数；U2为2 m高处的风速。

采用FAO推荐的分段单值平均作物系数法[10]计算玉米逐日需水量。玉米各生育期内需水量及总需水量由生育期内逐日需水量累加得出。根据玉米不同生长阶段的作物系数可以计算得到玉米需水量，如下所示：

ETc=Kc·ET0。

(2)

式中：ETc为玉米逐日需水量；Kc为作物系数；ET0为逐日参考玉米蒸散量。黑龙港流域夏玉米生育期划分：初始生长期为6月19日—7月6日，快速发育期为7月7日—8月4日，生育中期为8月5日—9月4日，成熟期为9月5日—9月28日，初始生长期、快速发育期、生育中期和成熟期平均作物系数分别确定为0.49、1.15、1.24、0.56[6,8]。

1.2.2 有效降水量

有效降水量指总降水量中能够渗入土壤并储存在作物根系吸水层中的降雨量，采用下式计算[11]：

Pe=σ·P。

(3)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是该次降水总量；σ是降雨的有效利用系数。当P≤5 mm时，σ=0；当550 mm时，σ=0.74。

1.2.3 气候倾向率

将某一要素年际间变化趋势采用线性回归方程分析[12]，得到如下公式：

y=a0+a1t。

(4)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0为常数；a1为回归系数，10a1表示要素每10 a的变化率，即气候倾向率。

1.3 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013软件进行整理和图表绘制，Eviews 8.0对数据进行相关分析、回归分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 夏玉米生育期需水量及有效降雨量的变化

黑龙港流域夏玉米整个生育期多年平均需水量为417.42 mm，最大需水量为496.74 mm(1965年)，最小需水量为368.47 mm(1995年)。多年平均有效降水量为295.40 mm，最大有效降水量为592.20 mm(1985年)，最小有效降水量为84.6 mm(1997年)。需水量和有效降水量随年份变化均呈下降趋势，气候倾向率分别为-5.92 mm·(10 a)-1和-20.16 mm·(10 a)-1，两者都达到显著水平(图1、表1)。

表1 黑龙港流域夏玉米不同生育时期水分特征变化

图1 黑龙港流域夏玉米需水量、有效降水量以及水分亏缺年代变化特征

初始生长期多年平均需水量为95.53 mm，最大需水量为120.28 mm(2009年)，最小需水量为51.54 mm(2002年)。多年平均有效降水量为48.12 mm，最大有效降水量为145.54 mm(1981年)，最小有效降水量为0 mm。需水量和有效降水量随年份变化均呈下降趋势，气候倾向率分别为-2.16和-0.44 mm·(10 a)-1，但变化趋势不显著。

快速发育期多年平均需水量为129.16 mm，最大需水量为159.72 mm(1968年)，最小需水量为97.37 mm(1996年)。多年平均有效降水量为123.96 mm，最大有效降水量为378.03 mm(1994年)，最小有效降水量为4.95 mm(1998年)。需水量和有效降水量随年份变化均呈下降趋势，气候倾向率分别为-1.78和-10.79 mm·(10 a)-1，变化趋势不显著。

生长中期多年平均需水量为118.06 mm，最大需水量为140.13 mm(1997年)，最小需水量为91.84 mm(1995年)。多年平均有效降水量为97.21 mm，最大有效降水量为277.50 mm(1985年)，最小有效降水量为5.94 mm(1965年)。需水量和有效降水量随年份变化均呈下降趋势，气候倾向率分别为-1.75和-7.87 mm·(10 a)-1，变化趋势不显著。

成熟期多年平均需水量为74.67 mm，最大需水量为93.06 mm(1994年)，最小需水量为51.54 mm(1985年)。多年平均有效降水量为26.11 mm，最大有效降水量为101.58 mm(1964年)，最小有效降水量为0 mm。需水量和有效降水量随年份变化均呈下降趋势，气候倾向率分别为-0.23和-10.6 mm·(10 a)-1，变化趋势不显著。

2.2 夏玉米生育期缺水量及水分亏缺指数的变化

1960—2010年，全生育期内的缺水量在-197.66～345.17 mm，多年平均缺水量为122.02 mm，随时间推移整体呈现上升趋势，气候倾向率为14.24 mm·(10 a)-1。初始生长期缺水量在-48.56～116.48 mm，平均缺水量为47.41 mm，随时间推移整体上呈现下降趋势，气候倾向率为-1.71 mm·(10 a)-1。生长发育期缺水量在-239.52～138.98 mm，平均缺水量为5.20 mm，随时间推移整体上呈现上升趋势，气候倾向率为9.01 mm·(10 a)-1。生长中期缺水量在-165.76～134.01 mm，平均缺水量为20.85 mm，随时间推移整体上呈现上升趋势，气候倾向率为6.11 mm·(10 a)-1。生长末期缺水量在-43.27～85.73 mm，平均缺水量为48.56 mm，随时间推移整体上呈现上升趋势，气候倾向率为0.83 mm·(10 a)-1。各个生育时期缺水量均不显著，属于正常波动。

2.3 气象因子变化特征

图2显示，整个生育期多年平均气温为24.40 ℃，气温随年份变化均呈升高趋势，气候倾向率为0.07 ℃·(10 a)-1，未达显著水平。生育期内总日照时数为763.74 h，随年份变化均呈下降趋势，未达显著水平。整个生育期多年平均相对湿度为74.66%，随年份变化均呈下降趋势，气候倾向率为-0.47%·(10 a)-1；平均风速为1.95 m·s-1，随年份变化均呈升高趋势，气候倾向率为0.01 m·s-1·(10 a)-1，两者均未达显著水平。

图2 黑龙港流域夏玉米全生育期气象因子变化特征

由表1、2可知，4个生长时期中，平均气温随年份变化呈逐渐升高趋势，但未达显著水平，日照时数随年份变化呈减少趋势，且在初始生长期、生长发育期和生长中期均通过了显著性检验。相对湿度随年份变化也呈减少趋势，但仅在生长发育期通过了显著性检验。平均风速在初始生长期随年份变化呈减少趋势，在生长发育期、生长中期和生长末期均呈升高趋势，但均未达显著水平。

2.4 夏玉米需水量与气象因子的相关性分析及回归方程

夏玉米各生育时期需水量受多个气象因子的影响，但不同气象因子对需水量的影响程度不同。日最高气温、日照时数和平均相对湿度在4个生育时期均与夏玉米需水量呈显著相关，日最高气温、日照时数与需水量呈显著正相关，平均相对湿度与需水量呈显著负相关。平均气温在夏玉米初始生长期和生长发育期与需水量均呈显著正相关，降雨量在夏玉米初始生长期与需水量呈显著负相关(表3)。

表2 黑龙港流域夏玉米各生育时期气象因子随年代变化特征

表3 夏玉米生育期需水量与气象因子的相关性分析

通过多元回归分析，将影响夏玉米各生育阶段需水量的重要气象因子建立回归方程(表4)。

表4 黑龙港流域夏玉米不同生育时期需水量与重要气象因子的回归方程

3 小结与讨论

随着社会经济不断发展，农业生产环境也逐渐发生了改变，一些学者为了应对气候环境对农业生产带来的挑战，对河北省农作物需水量、缺水量等进行了一系列的研究。李春强等[13]研究结果表明，河北省夏玉米需水量在近35 a来呈减少趋势，每10 a全省平均下降9.7 mm。刘晓英等[14]研究了华北地区夏玉米需水量的变化，发现华北地区夏玉米生育期需水量同样呈下降趋势，每10 a下降8.3～24.3 mm。本研究结果表明，1960—2010年黑龙港流域夏玉米各生育时期需水量均呈减少趋势，生长发育期是其需水高峰期，整个生育期多年平均需水量为417.42 mm，气候倾向率为-5.92 mm·(10 a)-1，达显著水平，这与王宏等[15]研究结果一致。有效降水量在4个生长时期均呈减少趋势，多年平均有效降水量为295.40 mm，气候倾向率为-20.16 mm·(10 a)-1，初始生长期有效降水量减少幅度最小，生长发育期减少幅度最大。通过进一步分析发现，黑龙港流域夏玉米缺水量在初始生长期呈减少趋势，其他3个时期缺水量均呈增加趋势，说明黑龙港流域夏玉米缺水量受有效降水量的变化。黑龙港流域夏玉米生育期缺水量呈增加趋势，因此，未来干旱风险将会增加，应该通过培育抗旱玉米品种及节水栽培措施来规避干旱风险。

近年来，河北省大部分地区气温、日照时数、太阳辐射、风速等发生了明显的变化[16-17]，多气象要素的变化对夏玉米需水量等的影响至关重要，分析黑龙港流域夏玉米生长期内气象因子的变化趋势，对于当地农业生产、水资源利用等有重要意义及指导作用。本研究结果显示，黑龙港流域夏玉米生育期平均气温、平均风速随年度变化均呈升高趋势，平均风速在初始生长期呈降低趋势，在其他3个时期呈升高趋势；日照时数和相对湿度均呈降低趋势。日照时数的变化在初始生长期、生长发育期和生长中期达显著水平，相对湿度和平均风速变化分别在生长发育期和生长中期达显著水平。黑龙港流域夏玉米生育期需水量整体呈减少趋势，需水量变化趋势与日照下降趋势相一致，由于日照减少造成到达地面的能量减少，故1960—2010年来黑龙港流域日照的减小是作物需水量下降的主要原因。

黑龙港流域夏玉米需水量和气象因子关系密切，但不同生育时期各有差异，在初始生长期，夏玉米需水量与平均气温、日最高气温、日照时数呈极显著正相关关系，与降雨量及平均湿度呈极显著负相关关系，建立的回归方程为ETc=17.51+2.89X1+0.210X5-0.44X6+6.89X7；在快速发育期，夏玉米需水量与平均气温、日最高气温、日照时数呈极显著正相关，与相对湿度呈极显著负相关，回归方程为ETc=18.86+3.45X2+0.23X5-0.63X6+5.38X7；在生长中期，夏玉米需水量与日最高气温、日照时数呈极显著正相关关系，与相对湿度呈极显著负相关关系，回归方程为ETc=34.16+2.91X1+0.19X5-0.66X6+3.73X7；在成熟期，夏玉米需水量与日照时数、日最高气温呈极显著和显著正相关，与相对湿度呈极显著负相关关系，回归方程为ETc=36.97+3.89X1+0.14X5-0.58X6+4.91X7。本研究结果反映了黑龙港流域玉米不同生长时期的需水特征与各气象因子的关系，能够为黑龙港流域的夏玉米灌溉提供理论依据。