鄂西地区柑橘灌溉需水指数时空变化规律

朱 士 江,于 颖,徐 文,李 虎,李 凯 凯,何 卫 平

(1.三峡大学 水电工程施工与管理湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443002; 2.三峡库区生态环境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002; 3.宜昌市气象局,湖北 宜昌 443000)

0 引 言

柑橘是中国南方地区重要的经济作物之一,能够适应多种气候条件,但其产量和品质对水分较为敏感,因此水分是提高柑橘产量和品质的关键因素之一[1]。柑橘生育期所需水分约有60%来自降水[2],但近年来受气候变化的影响,降水的时空分布极不均匀[3-4]。柑橘生育期遇降水较少或连续无降水天气,容易造成柑橘枯萎、落果等现象;相反,降水强度较大也极易导致果园内出现积水,造成柑橘根系受损,影响果实产量和品质[5]。宜昌市是鄂西重要的柑橘种植地区,属于亚热带季风性湿润气候带,雨热资源丰富,年平均降水量约为1 215.6 mm,年内降水时空分布不均,以夏季降水量最高,其次是春季和秋季,冬季降水量相对较少。目前宜昌市柑橘种植面临较多问题,其中主要问题是如何科学合理地进行灌溉决策[6]。宜昌市柑橘种植带大部分位于山区,柑橘生长所需水分大部分来自降水,由于降雨时空分布不均,及时掌握气候变化条件下柑橘不同生育期的需水量,才能制定合理的灌溉决策,提高水资源的利用效率[7]。

目前,国内外学者关于气候变化对作物需水量的影响开展了大量研究,研究发现随着气温升高,夏季降水量呈逐年上升趋势,而其他三季的降水量则呈逐年下降趋势,年内气候变化较为极端,由此导致的农田干旱和涝渍灾害发生更加频繁[8];也有研究表明气候变化引起温度等因子时间节律的改变,直接影响作物生育期长度,从而打破了农业供需水平衡[9]。因此研究气候变化对作物需水的影响能够揭示作物在气候变化条件下的需水趋势,有利于提高农业水资源的合理利用,以及为水资源供需预测提供依据[10-11]。关于作物需水的研究可以采用大田试验、统计模型、机理模型等,这些研究大多是基于不同灌溉方式或作物品种[12-13],进行作物需水方面的研究。作物需水量(Evaporationspiration,ET0)的主要方法中,Penman-Monteith公式计算精度较高,通常适用于任何地区;结合目前气象资料,本次研究选取该方法进行柑橘需水量(ETc)的计算[14],并且ET0作为展示作物需水情况的重要指标[15-16],是进行作物需水规律研究分析的必要内容。但是,仅仅研究气候变化对ET0的影响还不能直观地进行灌溉决策,而灌溉需水指数(Irrigation Requirement Index,IRI)是作物需水量和有效降雨量的综合体现,因此引入IRI作为直接衡量作物灌溉需水量的指标。

目前对柑橘需水的研究主要集中在灌溉方式、水肥管理、设施栽培等方面[17-18],较少有研究揭示了气候变化对柑橘需水的影响。因此本文选择宜昌市作为鄂西柑橘种植典型研究区域,探究气候变化条件下柑橘种植的灌溉需水情况,揭示柑橘不同生育期灌溉需水指数变化规律,以期为气候变化背景下柑橘灌溉制度的制定提供科学的决策支持。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

宜昌市位于湖北省西部、长江上游和中游的分界处,属于亚热带季风性湿润气候,年平均气温17.1℃。年平均降水量1 161.0 mm,夏季降雨集中,冬季较少。宜昌市地形比较复杂,高低相差悬殊,并且地处鄂西山区向江汉平原过渡地带,地势自西向东逐级下降,地貌类型依次为山地、丘陵和平原。本次研究根据宜昌地区柑橘实际种植情况,分别选取夷陵、枝江、秭归、长阳、当阳、兴山、宜都、远安、五峰等9个地区作为重点研究区域,其种植情况如表1所列,研究区位置如图1所示。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

表1 宜昌市下辖区县柑橘种植情况Tab.1 Citrus planting in districts and counties of Yichang City

1.2 数据来源

本文采用了1971～2019年宜昌市9个气象站的气象数据,包括日降雨量、相对湿度、最高温度、最低温度、风速、日照、蒸发量等逐日观测资料,数据来源于宜昌市气象局。为了保证所选气象数据的一致性和稳定性,在数据处理过程中对错误明显的数据进行修正,对漏测和缺失数据进行插值,确保该时段数据的完整性。

1.3 柑橘需水量

柑橘日需水量ETc由日参考作物蒸发蒸腾量ET0和作物系数Kc相乘而得,具体公式为

ETc=ET0×Kc

(1)

ET0采用Penman-Monteith模型进行日潜在蒸散量(ET0)计算:

(2)

式中:Δ是饱和水汽压与温度曲线斜率,kPa/℃;Rn是冠层表面净辐射,MJ/(m2·d);G是土壤热通量,MJ/(m2·d);γ是干湿计常数,kPa/℃;T是日平均气温,℃;U2是2 m高度的风速,m/s;es是饱和水汽压,kPa;ea是实际水汽压,kPa。

根据DB4205/T 90-2022《宜昌市柑橘灌溉用水定额标准》,并且参考南方柑橘种植区各果实生长发育期时间和温度指标[19],拟定宜昌市不同分区柑橘作物系数Kc值(见表2)。

表2 宜昌市柑橘生育期Kc值Tab.2 Kc value of citrus during different growth stages of Yichang City

1.4 柑橘净灌溉需水量和需水指数

柑橘净灌溉需水量等于柑橘需水量与有效降水量之差,表示满足渗漏损失、蒸散发和其他需水情况下的水量;柑橘灌溉需水指数等于柑橘净灌溉需水量与需水量的比值,可反映出柑橘生长对灌溉的依赖程度及柑橘相对缺水程度,也可在一定程度上反映柑橘生长的旱涝情况。

IR=ETc-Pe

(3)

IRI=IR/ETc

(4)

式中:IR为作物净灌溉需水量,mm;Pe为作物生育期有效降雨量,mm;IRI为作物灌溉需水指数。

另外柑橘各生育期的有效降雨量采用美国农业部土壤保持局(USDA)推荐的方法计算,该方法采用土壤水分平衡法,综合考虑蒸散、降水和灌溉等因素,是目前众多有效降水计算方法中得到公认和普遍推广的方法之一,在国内外得到广泛应用,并经过多年实践检验,具有较高的可靠性和准确性[20]。柑橘各生育期的有效降雨量表示为

(5)

式中:Pe为日有效降水量,mm;P为日降水量,mm。

1.5 分析方法

采用线性趋势法和Mann-Kendall检验对宜昌地区柑橘不同生育期需水量、有效降水量、灌溉需水量、灌溉需水指数进行趋势分析。对于给定的置信水平α(α=0.5或0.01),Z为正值表示增加趋势,负值表示减少趋势。当1.96≤|Z|<2.58时,表明序列在95%的置信水平上具有显著的变化趋势;当|Z|≥2.58时表明序列在99%的置信水平上具有显著的变化趋势。

2 结果与讨论

2.1 ETc、Pe和IRI的时间变化特征

根据式(1)～(5)分别计算得到近49 a宜昌市9个地区柑橘需水量、有效降水量和灌溉需水指数,然后结合线性趋势分析其时间变化特征(见图2)。由图2可知,1971～2019年宜昌地区柑橘全生育期ETc介于541.31～930.50 mm之间,Pe介于283.89～605.33 mm 之间,IRI介于-0.053～0.689 之间。

图2 1971～2019 年宜昌市不同地区柑橘ETc、Pe和IRI的年际变化Fig.2 Annual changes of citrus ETc,Pe and IRI in different regions of Yichang City from 1971 to 2019

在变化趋势方面,兴山、远安、夷陵、宜都4个地区ETc呈增加趋势,枝江、五峰、长阳、当阳、秭归5个地区ETc呈下降趋势,其中当阳(Z=-2.06)呈显著减小趋势,降幅为 12.2 mm/10 a,秭归地区ETc(Z=-4.266 8)呈极显著减小趋势,降幅为 23.3 mm/10 a;秭归、枝江和宜都3个地区Pe呈上升趋势,其中秭归Pe(Z=2.956 6)呈极显著增长趋势,增幅为21.18 mm/10 a,其余地区Pe均呈现下降趋势;五峰、兴山、远安和夷陵的IRI均呈上升趋势,并且其中兴山地区的IRI(Z=1.973 9)呈显著增加趋势,其余秭归、长阳、枝江、宜都和当阳5个地区IRI呈减小趋势,并且秭归地区IRI(Z=-3.784)呈极显著减小趋势。

就柑橘种植而言,影响ETc的主要因素包括降水和温度。温度上升可以促进柑橘蒸腾作用,散失的水分增多,因此需水量增加,一定范围内的降水量增多,也会导致柑橘蒸腾作用的增加,造成柑橘需水量增加[21]。而在ETc增加、Pe不变的情况下,会导致柑橘IRI的增加[22-23],因此在水资源相对匮乏的地区,人工灌溉不及时容易造成柑橘减产。

2.2 ETc的空间变化特征

柑橘各个生育期ETc值呈花芽分化期<果实成熟期<发芽期<花期<生理落果期<果实生长发育期的趋势(见表3)。在发芽期,柑橘需水量较小,生理落果期需水量开始增大,至果实生长发育期开始迅速生长[24],由于正值夏季,气温升高且空气湿度减小,造成蒸腾量增大,柑橘需水量达到高峰。果实成熟期之后气温开始下降,蒸腾量减小,柑橘需水量下降[25]。从空间分布来看(见图3),柑橘各生育期ETc的变化特征有明显的差异性。具体地,花期、生理落果期和果实生长发育期ETc呈西低东高的分布特征,果实成熟期ETc呈东高北低的分布特征,发芽期和花芽分化期ETc呈东西高、南北低的分布特征,全生育期ETc呈现东部高、西南和西北低的分布特征。

图3 宜昌市柑橘不同生育期ETc空间分布Fig.3 Spatial distributions of ETc during different growth stages of citrus in Yichang City

表3 宜昌市柑橘各生育期ETc、Pe、IRI均值Tab.3 Average values of ETc,Pe and IRI during each citrus growth period in Yichang City

生理落果期和果实生长发育期是柑橘关键生育期。柑橘生理落果期对水分需求较高,如果水分不足,则容易造成大量落果,影响柑橘产量。果实生长发育期正值夏秋季节气温较高,生理耗水量大,是柑橘生长年周期中需水量最大的时期。如果水分充足,则果实生长快,否则容易造成果实生长缓慢、果小、产量低,甚至造成柑橘树萎蔫、叶落、果掉[26]。从图3(c)和图3(d)可以看出,柑橘关键生育期ETc高值区分布在东部地区,主要为远安、枝江和当阳3个地区,低值区分布在西南和西北部,主要包括兴山和五峰两个地区。

2.3 柑橘Pe的空间变化特征

由表3可知,柑橘各个生育期Pe呈花芽分化期<花期<果实成熟期<生理落果期<发芽期<果实生长发育期的趋势。从空间分布来看(见图4),各地区发芽期Pe介于45.21～64.65 mm,花期Pe介于35.07～50.53 mm,生理落果期Pe介于41.8～58.41 mm,果实生长发育期Pe介于135.65～187.87 mm,果实成熟期Pe介于36.20～48.07 mm,花芽分化期Pe介于29.09～46.09 mm,全生育期的Pe介于335.76～453.54 mm,可知宜昌市各地区、不同生育期的柑橘降雨量均有较大差异,空间分布不均匀。花期、生理落果期、果实生长发育期和果实成熟期Pe整体上呈西南高东北低的趋势;发芽期和花芽分化期Pe则呈南高北低的分布特征;柑橘全生育期Pe整体上呈东北低西南高的分布特征,与全生育期ETc呈相反的分布特征。

图4 宜昌市柑橘不同生育期Pe空间分布Fig.4 Spatial distributions of Pe during different growth stages of citrus in Yichang City

果实生长发育期为柑橘关键生育期,该阶段果实快速膨大,光合作用旺盛,对水分需求较高。此阶段若遇降水较少或者连续无降水天气,则会严重影响果实发育并造成减产,而此阶段降雨过多,则会造成柑橘果实甜度降低,甚至病菌增多导致烂果情况严重[27]。由图4(d)可知果实生长发育期Pe高值区主要分布在西南部,为五峰和长阳地区,低值区主要分布在东北部,包括远安、当阳和枝江3个地区。

2.4 柑橘IRI的空间变化特征

由表3可知,柑橘各个生育期IRI呈花芽分化期<发芽期<果实成熟期<花期<生理落果期<果实生长发育期的趋势。从空间分布来看(见图5),各地区发芽期IRI介于-0.30～0.16,花期IRI介于-0.03～0.38,生理落果期IRI介于0.27～0.58,果实生长发育期IRI介于0.45～0.67,果实成熟期IRI介于-0.34～0.36,花芽分化期IRI介于-0.92～0.18,全生育期的IRI介于0.26～0.53,可知宜昌市各地区柑橘灌溉需水指数有较大的差异,并且不同生育期柑橘的灌溉需水指数也有较大差异。发芽期、花期、生理落果期和果实生长发育期IRI整体上呈西南低东北高的分布特征;果实成熟期和花芽分化期IRI整体上呈西南和西北低、东部高的分布特征;全生育期呈现东部高西南低的分布特征。

图5 宜昌市柑橘不同生育期IRI空间分布Fig.5 Spatial distribution of IRI during different growth stages of citrus in Yichang City

柑橘从生理落果期开始进入夏季,气温逐渐升高、空气湿度减小,蒸发蒸腾量大,柑橘需水量逐渐增加,并且进入果实生长发育期之后,果实开始迅速增长,其生理生态需水进一步增加,达到需水量高峰期,在此期间柑橘缺水风险相对较高[28]。由图5(c)和(d)可知,柑橘生理落果期和果实生长发育期IRI低值区分布在西南部,主要为长阳和五峰两个地区;高值区分布在东北部,主要包括远安、当阳和枝江3个地区。

3 结 论

灌溉需水指数IRI是衡量作物灌溉需水量多少的重要指标,本研究发现当前宜昌市IRI低值区主要分布在西南部,主要为长阳和五峰两地,这两个地区目前柑橘种植面积相对较小,未来可适当扩大柑橘种植面积,同时由于关键生育期的Pe较大,需要在柑橘种植区建设排水设施以防涝害;高值区主要分布在东北部,主要包括远安、当阳和枝江3个地区,其中当阳和枝江是目前宜昌市主要的柑橘种植地,种植面积广,未来更容易出现缺水现象,需要进行供水规划和合理灌溉,防止干旱情况的发生影响柑橘正常生长;IRI增幅高值区分布在西北部,主要为兴山地区,减幅高值区分布在中西部,主要为秭归地区,说明未来兴山地区干旱情况可能会进一步增加,要注意及时进行人工灌溉,以免造成减产,而秭归地区干旱情况可能会逐渐减轻。在气候变化的影响下,推测未来柑橘种植带可能从东北部逐渐向西南部转移。