吉林省中西部玉米需水量及水分亏缺量时空变化特征

邱美娟, 刘布春, 葛均筑, 宋晓慧, 周培禄, 张佳宁

(1.天津农学院 农学与资源环境学院,天津 300384;2.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所,北京 100081)

水分是作物生长过程中不可或缺的必要条件之一,是限制作物产量和品质提高的一个重要因素[1]。水分过多或过少都会对作物的生长发育产生不利影响。种植于不同地区的玉米受气候条件、地理条件等因素影响,其生长季的需水量往往存在较大差异,水分亏缺变化规律也不一致[2]。目前,我国农业灌溉用水占全国总用水量的70%以上[3],农业用水量大且利用效率低已成为限制我国农业快速、高效发展的重要原因之一。因此精确量化大宗作物玉米的需水量和缺水量具有重要意义。

近年来国内外开展了有关作物生长季降水量、需水量和水分亏缺方面的研究。莫昱晨等[4]利用黄淮海流域的气象数据,基于Penman-Monteith公式和作物系数法等,计算了该地区主要作物夏玉米生长季有效降水量、需水量和缺水量,发现其需水量和缺水量在1961—2017年间呈现先下降、后上升的变化趋势。邱美娟等[5]研究发现,吉林省西部地区玉米生长季的水分亏缺相对最严重,受旱灾威胁,而东部地区水分亏缺相对较轻,中部地区则介于东西部之间。袁福香等[6]首先利用彭曼公式计算了吉林玉米需水量,然后通过田间实际观测值对计算值进行验证,确定了各生长季指标,并分析历年自然降水满足程度,发现中东部地区自然降水满足度多在80%以上,而西部满足度多在40%以下。高晓容等[7]利用作物系数法计算作物需水量,以作物水分盈亏指数作为旱涝评价指标,分析东北玉米不同生长阶段的水分供需情况和旱涝变化,发现东北玉米4个生长阶段及全生长季的需水量没有显著变化,4个生长阶段需水量空间差异较大,基本呈带状分布。利用彭曼公式计算作物需水量,基于降水量与需水量的平衡关系分析水分亏缺情况被广泛应用于各大作物[8-13]。例如,江学海等[11]集合贵州山地不同杂交籼稻生态区的田间试验和气象资料分析,发现黔西南稻区有效分蘖阶段水分亏缺较大;黔北、黔东和黔中稻区的孕穗开花阶段水分亏缺较大。李双双等[12]发现西南地区水稻水分亏缺率逐年增加,对灌溉蓄水依赖明显,增大了区域农业脆弱性。黄维等[13]分析了柳州市甘蔗水分的供求情况,研究发现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。上述研究揭示了当地不同作物的水分供需情况,对指导当地农业灌溉等具有重要意义。

玉米是吉林省中西部种植的主要农作物,其生长所需水分主要来自降水,但降水量在中西部间差异很大,且存在较大年际波动,是影响该地区玉米产量和品质的重要因素[14]。因此,探明吉林省中西部玉米生长季需水量和水分亏缺量的时空演变特征,对于指导当地开展科学灌溉、提高水资源利用率和保障玉米高产、稳产具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究选取的吉林省中西部主要为长春市、四平市、松原市及白城市,其气象数据来源于中国气象数据网(http://www.cma.gov.cn),数据范围涵盖了该地区1980—2019年间玉米生长季共计6个代表站点采集的平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、降水量、风速和日照时数等数据。

1.2 玉米生长季

吉林省中西部玉米一般在5月初播种,9月底收获。本研究将玉米生长季定为5—9月。

1.3 玉米生长季的需水量

需水量用作物系数(Kc)乘以作物参考蒸散量(ET0)得到[15],计算公式为:

(1)

式中:n为某一生长阶段的日数,d;i为日序;ETc为作物某生长阶段的需水量,mm;Kci为第i日的作物系数;ET0i为作物在第i日的参考蒸散量,mm。

玉米生长阶段不同,作物系数也不同,本研究作物系数的取值主要参考《北方春玉米干旱等级》(QX/T 259—2015)[16](表1)。作物参考蒸散量的计算采用FAO(联合国粮农组织)推荐的Penman-Monteith公式[17],即:

(2)

式中:ET0为参考蒸散量,为mm/d;Δ为温度—饱和水汽压关系曲线上在T处的切线斜率,kPa/℃,Δ=4 098×ea/(T+237.3)2;Rn为地面净辐射蒸发量,MJ/m2/d;G为土壤热通量(MJ/m2/d);γ为干湿表常数,kPa/℃;u2为离地面2 m高处的平均风速,m/s;T为计算时段内的平均气温,℃;ea为饱和水气压,kPa;ed为实际水气压,kPa。

表1 吉林省中西部地区玉米作物系数Table 1 Crop coefficient of corn in the midwest of Jilin Province

1.4 玉米生长季的水分亏缺量

玉米生长季的水分亏缺量为生长季需水量与降水量之差,即:

W=ETc-P

(3)

式中:W为玉米生长季水分亏缺量,ETC为玉米生长季的需水量,P为玉米生长季的降水量,单位均为mm;玉米生长季的降水量为生长季内日降水量的累积和。

1.5 其他方法

基于气候倾向率分析玉米生长季的需水量、降水量及水分亏缺量的多年变化趋势[18],并通过相关系数法检验其变化是否显著[19]。采用两因素方差分析[20]对不同城市不同月份的玉米生长季水分亏缺量进行分析。

2 结果与分析

2.1 降水量变化特征

1980—2019年吉林中西部玉米生长季(5—9月)平均降水量的年际变化如图1所示。吉林省中西部玉米生长季降水量白城市为100.1～700.3 mm,平均为343.3 mm;松原市为195.8～667.2 mm,平均为368.2 mm;四平市为252～909.1 mm,平均为507.4 mm;长春市为244.1～737.7 mm,平均为499.4 mm。总体呈现西部低,中部高的空间分布特征。近40年来白城市玉米生长季的降水量呈下降趋势,气候倾向率为-9.8 mm/10 a;松原市、四平市和长春市的均呈增加趋势,其气候倾向率分别为6.8 mm/10 a、4.1 mm/10 a、10.6 mm/10 a,变化趋势均未通过0.05水平的显著性检验。

1980—2019年吉林省中西部玉米生长季月份降水量的变化特征如表2所示。总体上,相同月份降水量均呈西部少、中部多的空间分布特征。不同月份间,7月降水量最多,其次是8月和6月,5月和9月降水量相对最少。近40年来玉米生长季不同月份降水量的气候倾向率有差异,5月为9.6～13.0 mm/10 a之间,中西部均呈上升趋势,除四平市外,其他三市上升趋势均达显著水平(P<0.05);6月为-1.7～4.4 mm/10 a之间,除松原市呈下降趋势外,其他三市均呈上升趋势,但变化趋势均未达显著水平(P<0.05);7月为-19.5～-4.8 mm/10 a之间,中西部均呈下降趋势,但只有四平市的变化趋势达显著水平(P<0.05);8月为-9.0～15.0 mm/10 a之间,除白城市呈下降趋势外,其他均呈上升趋势,且变化趋势均未达显著水平(P<0.05);9月为-1.6～1.5 mm/10 a之间,除四平市呈下降趋势外,其他三市呈上升趋势,但变化趋势均未达显著水平(P<0.05)。可见,研究区域1980—2019年间7月的降水量总体呈下降趋势且下降速率最快,而5月的降水量均呈增加趋势且增加速率最快。6月、8月和9月的降水量多数呈增加趋势。

图1 吉林省中西部玉米生长季降水量变化特征Figure 1 Characteristics of precipitation changes during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

表2 吉林省中西部玉米生长季逐月降水量变化特征量Table 2 Monthly precipitation variation characteristics during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

2.2 需水量的变化特征

1980—2019年吉林省中西部玉米生长季(5—9月)需水量的年际变化如图2所示。由图可见,玉米生长季平均需水量白城市为526.7 mm(436.1～610.4 mm),松原市为525.3 mm(464.1～623.1 mm),四平市为481.8 mm(415.9～568.0 mm),长春市为506.4 mm(451.6～586.6 mm),总体呈现西部高、中部低的空间分布特征。近40年来玉米生长季需水量的气候倾向率,白城市为1.6 mm/10 a,松原市为-3.2 mm/10 a,四平市为-6.1 mm/10 a,长春市为8.9 mm/10 a,松原市和四平市呈下降趋势,白城市和长春市则呈上升趋势,但变化趋势均未达显著性水平(P>0.05)。

图2 吉林省中西部玉米生长季需水量变化特征Figure 2 Characteristics of water demand changes during the growing season of corn in the midwest of Jilin Province

1980—2019年研究区域玉米生长季月份需水量的变化特征量如表3所示。从空间上看,西部玉米各生长阶段需水量高于中部需水量。从时间上看,7月需水量最高,其次是8月,5月和9月需水量相对都较少。近40年来玉米各生长阶段需水量的气候倾向率在各个生长阶段有差异。5月为-1.1～0.5 mm/10 a之间,四平市呈上升趋势,其他则呈下降趋势;6月为-2.4～-1.0 mm/10 a之间,均呈不显著的下降趋势;7月为-0.7～6.3 mm/10 a之间,除了松原市外,其他均呈上升趋势,且长春市上升趋势通过0.05水平的显著性检验。8月为-2.9～3.6 mm/10 a之间,仅白城市和长春市呈上升趋势,且长春市上升趋势显著(P<0.05),松原市和四平市的下降趋势不显著;9月为-0.3～1.4 mm/10 a之间,四平市呈下降趋势,其他三市均呈上升趋势。可见,研究区域1980—2019年玉米需水量不同生长阶段存在差异,5月、6月的需水量基本呈下降趋势;而7月和9月的需水量基本呈增加趋势;8月部分地区呈上升趋势。

2.3 水分亏缺量的变化特征

1980—2019年研究区域玉米生长季水分亏缺量的年际变化如图3所示。其中,西部的白城市2001年亏缺量最大,亏缺量为488.3 mm,而1986年、1990年、1993年、1998年的降水量超过需水量,无水分亏缺;该市多年平均水分亏缺量为192.5 mm。松原市1982年水分亏缺量最大,为377.6 mm,而1998年、2005年、2012年、2014年和2019年无水分亏缺,其多年平均水分亏缺量为165.5 mm。中部的长春市1982年水分亏缺量最大,为342.5 mm,1980—2019年共有21个年份无水分亏缺,其多年平均水分亏缺量为57.6 mm。四平市2002年水分亏缺量最大,为315.8 mm,1981—2019年共有22个年份无水分亏缺,其多年平均水分亏缺量为46.8 mm。总体上,西部水分亏缺量较大,中部相对较小,且西部约有87.5%的年份都存在水分亏缺,而中部有约50%的年份无水分亏缺。

表3 吉林省中西部玉米生长季逐月需水量变化特征量Table 3 Monthly water demand variation characteristics during the corn growing season in the midwest of Jilin Province

图3 吉林省中西部玉米生长季水分亏缺量的变化Figure 3 Changes in water deficiency during the growing season of corn in the midwest of Jilin Province

采用两因素方差分析法比较不同月份和不同城市间玉米生长季水分亏缺量的差异,通过主体间效应的检验结果可以看到(表4),不同月份的水分亏缺量差异显著,不同城市间的水分亏缺量差异也显著。

从多重比较结果看,空间上(表5),西部与中部的水分亏缺量差异显著,而西部的两个城市之间以及中部的两个城市之间无显著性差异。时间上(表6),5月和6月均与7月、8月的水分亏缺量差异显著,而5月、6月、9月两两之间无显著性差异,7月和8月、9月之间无显著性差异,8月与9月的水分亏缺量差异显著。

表4 主体间效应的检验Table 4 Testing of inter subject effects

表5 多重比较(空间)Table 5 Multiple comparisons(space)

表6 多重比较(时间)Table 6 Multiple comparisons(time)

3 讨论与结论

3.1 讨论

本文基于吉林省1980—2019年中西部的气象数据和玉米生长期数据,分析了吉林省中西部玉米生长季的降水量、需水量、水分亏缺量的时空分布规律,以揭示吉林省中西部玉米的水分供需关系。

吉林省中西部玉米生长季需水量变化趋势与降水量的变化几乎一致,最高值集中在7月、8月,这与邱美娟等[5]的研究结果基本一致。但是邱美娟等[5]的研究表明玉米生长的前期和后期水分亏缺相对较重,而7月、8月水分亏缺相对较轻,与本研究结果不一致,导致这种结果的原因可能是两者的研究年限不一样。由于玉米生长季不同时段降水量和需水量的变化,相应水分亏缺量产生变化,吉林省中西部7月、8月降水量较多,但同时这一时期也是玉米生长最旺盛、对水分需求最多的时期,温度在此时也最高,蒸发量大,因此其水分亏缺量也相对较大。缺水量能反映一个地区农作物生长季内所需的人工灌溉用水量,本研究指出7月降水量最多但是呈降低趋势,需水量最高且呈增加趋势,表明吉林省中西部玉米在7月的灌溉用水量未来可能会持续增加。

由于受站点数据获取的限制,本文只选择了吉林中西部地区各市代表站点分析研究,在一定程度上影响了计算结果的准确性。实际上,吉林省中西部范围较广,各地气温分布、海拔高度、植被覆盖度等均存在一定差异,这些因素都会对研究结果的准确性有一定的影响。另外,本研究也没有考虑降水强度大小的影响和自然降水形成的土壤底墒水对玉米需水量的影响。因此,将来的研究应综合多方面因素加以考虑。

3.2 结论

(1)1980—2019年玉米生长季(5—9月)降水量总体呈现西部低、中部高的空间分布特征,除了白城市呈下降趋势,其他均呈增加趋势。各月降水量的空间分布与整个生长季相似,即西部低、中部高。7月降水量最多但呈下降趋势,其次是8月和6月,5月和9月降水量相对最少,且多数呈增加趋势。

(2)1980—2019年研究区域玉米生长季(5—9月)需水量的空间分布与降水量相反,呈西部高、中部低。松原市和四平市呈下降趋势,白城市和长春市呈上升趋势。各月需水量的空间分布与整个生长季相似,即西部高、中部低。7月需水量最高且呈增加趋势,其次是8月,部分地区呈增加趋势,5月和9月需水量相对都较少,且5月呈下降趋势,9月呈增加趋势。

(3)1980—2019年吉林省中西部玉米生长季水分亏缺量时空差异显著。总体上,西部亏缺量较大,中部相对较小;7月、8月亏缺量相对较大,9月、6月和5月亏缺量相对较小。