甘蔗需水量及其與氣象因素的相關性分析

羅維鋼 褚俊英 黃忠華 廖婷 桑學鋒 譚文艷 莫凡 田軍

摘要：【目的】研究甘蔗品種新臺糖22號（ROC22）需水量的動態變化及其與氣象因素的關系，為制定適宜甘蔗生長的灌溉制度及探討氣候變化對甘蔗需水量的影響提供數據支撐和理論參考。【方法】在2012、2013年ROC22生長期間，采用坑測法測量甘蔗需水量及棵間蒸發量和葉面蒸騰量，計算α值和模系數，繪制甘蔗需水量與產量的關系曲線，同時利用測坑配套的氣象站觀測溫度、空氣濕度、蒸發量、降雨、風速、日照時數等氣象指標，運用DPS軟件分析甘蔗需水量與氣象因素的相關性。【結果】甘蔗需水量及棵間蒸發量、葉面蒸騰量均呈先上升后逐漸下降的變化趨勢；甘蔗伸長期需水量最高，其次是分蘗期，成熟期最低；α值和模系數在3～4月與9～11月較低，6～8月較高。甘蔗產量隨需水量、葉面蒸騰量的增加呈線性增高，而棵間蒸發量與產量的相關性不明顯。在甘蔗生長期間，氣溫、地面溫度及蒸發量呈拋物線趨勢變化；日照時數、風速、相對濕度、絕對濕度呈波動式下降；飽和差2012年變化較平穩，2013年則有較大的變幅。甘蔗需水量與氣溫、地面溫度、蒸發量呈極顯著正相關（P<0.01），與日照時數、絕對濕度、飽和差存在不同程度的正相關，但未達顯著水平（P>0.05），與風速和相對濕度無明顯的相關性。【結論】甘蔗需水量呈單峰曲線變化，幼苗期和成熟期需水量較低，伸長期需水量較高。甘蔗需水量與產量存在顯著的正相關，同時受氣候條件影響，其中氣溫、地面溫度的影響最大。

關鍵詞： 甘蔗；需水量；氣象因素；相關性

中圖分類號： S566.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）01-0074-09

0 引言

【研究意義】甘蔗是需水量較大的旱地作物，在生長過程中所需水分主要來源于降雨和灌溉。由于降雨時空分布不均及極端干旱氣候的頻繁發生（譚宏偉等，2008），灌溉的作用日益重要。傳統上蔗農根據生產經驗來灌溉，但由于不清楚甘蔗具體的需水特性，容易導致灌水不足或浪費。因此，開展甘蔗需水量研究，掌握其變化規律，對制定合理的灌溉制度具有重要指導意義。作物需水量并非恒定不變，會受到氣候變化等外界條件的影響（劉曉英和林而達，2004），特別是在全球變暖的趨勢下，研究氣象因素與甘蔗需水量之間的相關性尤為必要。【前人研究進展】楊祖德等（1996）利用常規灌溉試驗資料繪制甘蔗需水量和產量的回歸曲線，發現二者之間呈顯著的指數關系。葉志堅等（1997）探討雷州半島甘蔗的需水量和需水規律，并結合降雨情況，提出適宜當地甘蔗生長的灌溉制度。余小璐等（2014）研究了1968～2009年廣西甘蔗需水量和播種面積的時空變異特征，結果顯示，42年來甘蔗需水量不斷上升，占總水資源量的比重越來越高，認為應優化甘蔗種植布局，合理利用有限的水資源進行灌溉。關于氣候變化對作物需水量的影響，羅玉峰等（2008）認為日照縮短和風速下降是導致柳園口灌區參考作物ET0降低的主要原因；宋妮等（2011）研究發現長江流域早稻需水量與平均氣溫、平均相對濕度呈極顯著正相關；顧晶等（2015）總結近50年黑龍港流域氣候和棉花需水量的變化趨勢，指出日照時數和風速是影響棉花全期需水量的關鍵氣象因素。可見，不同地區影響作物需水量的主要氣象因素也有所不同。【本研究切入點】目前，關于甘蔗需水量及氣候條件對其影響的研究鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】以廣西甘蔗當家品種新臺糖22號（ROC22）為試驗對象，于2012和2013年采用坑測法測量ROC22的需水量，研究其在生長期間的變化規律，并分析各氣象因素與ROC22需水量的相關性，為制定適宜甘蔗生長的灌溉制度及探討氣候變化對甘蔗需水量的影響提供數據支撐和理論參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗區概況

試驗于2012、2013年在廣西南寧市灌溉試驗站測坑內進行，試驗區地處東經108°17′48″、北緯22°53′7″，海拔78.5 m，多年平均溫度22.9 ℃，年降雨量1274.2 mm，日照時數1252.6 h。測坑內土壤為黏土，容重1.34 g/cm3，田間持水率32.6%，pH 5.8，堿解氮含量69.3 g/kg。測坑上方裝有移動式防雨棚，天晴時開啟，下雨前關閉，除降雨外甘蔗生長條件與自然環境相同。

1. 2 試驗材料

選擇廣西甘蔗當家品種ROC22為參試材料，于2012年3月整地播種，種植前更新灌溉設施，每個測坑鋪設兩條管徑16 mm、流量5 L/h的貼片式滴灌帶，沿滴灌帶開好種植溝，按品字形擺種，覆土后噴灑芽前除草劑。其余噴藥、施肥、培土等管理措施與大田生產相同。新植蔗砍收后留下蔗蔸作為2013年的宿根蔗。新植、宿根蔗需水量試驗均重復3次。

1. 3 試驗方法

1. 3. 1 試驗設計 采用坑測法測量甘蔗需水量及棵間蒸發量和葉面蒸騰量。綜合李國章（1993）、陳海波等（2010）的研究成果，在甘蔗各生育期設置適宜的土壤水含量上下限（表1）。用TDR水分測定儀測量甘蔗根際10、20、30、40 cm 4個深度層次的土壤水含量，根據土壤實際水分狀況進行灌溉排水，以控制土壤水分含量在試驗設定的區間內。

1. 3. 2 測定項目及方法

1. 3. 2. 1 土壤儲水量 W=10×γ×H×θ。式中，W為土壤儲水量（mm），γ為土壤容重（g/cm3），H為土壤深度（cm），θ為10～40 cm深度的土壤平均含水率（%），10為單位換算系數。

1. 3. 2. 2 需水量 用水量平衡法計算甘蔗需水量（巴比江等，2004）。ET1-2=I1-2+W2-W1。式中，ET1-2為計算時段內需水量（mm），I1-2為同時段灌水量（mm），W1為開始時段的土壤儲水量（mm），W2為結束時段的土壤儲水量（mm）。

1. 3. 2. 3 棵間蒸發量 采用微型蒸發器測量。將微型蒸發器裝滿原狀土稱重后放置于甘蔗行間，每隔2～3 d的上午8：30～9：00換土稱重，前后兩次稱量之差即為棵間蒸發量（王健等，2004）。

1. 3. 2. 4 葉面蒸騰量 T=ET-E。式中，ET為總需水量（mm），T為葉面蒸騰量（mm），E為棵間蒸發量（mm）。

1. 3. 2. 5 日需水強度 ETc=ET/d。式中，ET為總需水量（mm），ETc為日需水強度（mm/d），d為測量天數。

1. 3. 2. 6 α值 α=ETi /E0。式中，ETi為階段需水量（mm），E0為同時期水面蒸發量（mm）。

1. 3. 2. 7 模系數 K=ETi×100/ET。式中，K為模系數（%），ETi為階段需水量（mm），ET為總需水量（mm）。

1. 3. 2. 8 氣象指標 本研究氣象觀測站位于南寧市灌溉試驗站中央位置，占地面積約333 m2，周圍地勢平坦開闊，半徑50 m內無建筑物、高桿作物阻擋。從甘蔗下種開始，每天8：00、14：00、20：00 3個時段觀測各氣象資料：采用601型蒸發皿測量蒸發量；采用SJ-I型虹吸雨量計測量降雨量；采用WQG-15地溫計測量地面溫度；在百葉箱內采用干濕球溫度計測量、計算氣溫和濕度；日照時數采用日照計測量；風速由10 m氣象風桿測量。

1. 3. 2. 9 蔗莖產量 收獲時各測坑的甘蔗單砍單收，稱量后換算為單位面積（每公頃）產量。

1. 4 統計分析

采用Excel 2003和DPS 6.55對試驗數據進行圖表制作和相關分析。

2 結果與分析

2. 1 甘蔗需水量及變化規律分析

2. 1. 1 甘蔗各旬需水量動態變化 圖1為2012和2013年甘蔗葉面蒸騰量、棵間蒸發量及需水量的逐旬動態變化。在甘蔗生長初期，其葉面蒸騰量較低；進入5月中、下旬后，由于植株的增長和葉面積指數的增大，葉面蒸騰量迅速飆升；于7月下旬左右達到峰值，此時甘蔗進入伸長盛期，生長旺盛，季節上又處于高溫高濕階段，因此葉片蒸騰非常強烈；在10～11月的秋冬季節，葉片逐漸衰老枯黃，葉面蒸騰量下降到較低水平。棵間蒸發量主要受氣象條件和植株蔭蔽的影響（孫仕軍等，2014），3～4月氣溫較低，棵間蒸發量增加較緩慢，隨著溫度上升及太陽輻射增強，棵間蒸發量不斷升高，在7月上旬達到峰值，之后由于葉面積的增加和冠層覆蓋度的增大，棵間蒸發量逐漸下降，尤其進入秋冬季節后，棵間蒸發量因氣溫變低下降更加明顯。需水量是葉面蒸騰量與棵間蒸發量之和，由圖1可以看出，在生長前期，棵間蒸發量高于葉面蒸騰量，需水量變化曲線與棵間蒸發量相似；進入伸長期后，葉面蒸騰量高于棵間蒸發量，此時需水量變化曲線與葉面蒸騰量相一致。總體來看，甘蔗全生育期需水量呈“低—高—低”的變化規律。

2. 1. 2 甘蔗各生育期需水量與日需水強度 從圖2可以看出，甘蔗各生育期需水量和日需水強度有較大的差異。幼苗期生育期短，需水量和日需水強度均較低；分蘗期植株群體逐漸增大，此期需水量高于幼苗期，同時由于葉面積指數迅速增加，其日需水強度也出現顯著升高；伸長期需水量和日需水強度均明顯大于其他時期，主要原因是伸長期所占的時間最長，從6月下旬持續到10月上旬，期間蔗株群體長勢旺盛，葉面蒸騰和棵間蒸發強烈，因而此期甘蔗需水量大、日均需水強度高；進入成熟期后，隨著葉片衰老和溫度降低，甘蔗需水量和日需水強度均回落到較低水平。綜上分析可知，伸長期是甘蔗水分需求最大期，應加大灌水量，以促進植株伸長和增粗；幼苗期、分蘗期及成熟期可適當控水，以提高水分利用效率。

2. 1. 3 α值和模系數動態變化 α值由作物需水量除以同時期水面蒸發量所得，用來表示作物騰發量與水面蒸發量的變化關系（陳玉民和郭國雙，1995）。圖3顯示， 在3～5月上旬的甘蔗幼苗生長時期，α值較低；進入5、6月蔗苗分蘗階段，α值呈波動上升趨勢；2012、2013年α峰值均出現在伸長期，此后α值不斷降低；在成熟期，2012年α值有所升高，估計是水面蒸發減弱所致，2013年α值先上升后下降，起伏較大。總體來看，α值在甘蔗生長前、后期兩頭較低，中間伸長期較高。

模系數是各時期需水量占總需水量的百分比，用以表示各生長期需水量占總需水量的權重程度（肖俊夫等，2008）。從圖3可以看出，甘蔗模系數與當年需水量的逐旬變化規律相同，呈“單峰”曲線變化。具體來看，2012年甘蔗伸長期（6月下旬～10月上旬）的模系數之和達61.6%，2013年為62.8%；其次是分蘗期，2012、2013年分別為18.8%和16.0%；成熟期模系數之和最低，2012、2013年分別為8.1%和10.1%。可見，模系數能真實反映需水量在作物不同生育階段的分配情況。

2. 1. 4 甘蔗需水量和降雨量 圖4為甘蔗各月需水量與降雨量的比較。2012年全年降雨量較低，除5月外，其他各月的降雨量均低于甘蔗需水量，尤其是6、7、9、10月，甘蔗水分需求缺口較大，應及時灌溉以防止干旱脅迫。2013年大多數月份降雨基本能滿足甘蔗水分需求且有余，但3、9、10、11月降雨量仍低于需水量，特別是10月降雨量與需水量差額較大，有迫切的灌溉需求。從圖4還可以看出，南寧地區降雨存在季節性分布不均的特點，夏季降雨集中，秋冬季、早春則比較干旱。甘蔗通常選擇在2、3月種植，蔗種萌發和幼苗生長容易遭遇春旱，苗期需水不多，但對水分虧缺非常敏感，因此適當進行春灌很有必要。秋冬季也要注意灌溉，防止降雨不足影響甘蔗產量形成和糖分積累。

2. 2 甘蔗需水量和產量

圖5顯示了甘蔗需水量、葉面蒸騰量及棵間蒸發量與產量的關系。甘蔗產量隨需水量的增加而不斷增高，其關系方程為：y=0.0775x+20.602（R2=0.7623），說明兩者間具有顯著的正相關性。甘蔗產量也隨葉面蒸騰量呈線性增加，二者的關系方程為：y=0.1227x+37.03（R2=0.7829），說明甘蔗產量與葉面蒸騰量也存在顯著的正相關性。甘蔗棵間蒸發量與產量的關系方程為：y=0.0759x+65.555（R2=0.2266），二者間沒有很明顯的相關性。上述分析結果表明，甘蔗需水量與產量存在密切的線性正相關，需水量的增加有助于產量的提高。需水量由葉面蒸騰量和棵間蒸發量組成，葉面蒸騰量和產量的正相關性也非常顯著，且R2值大于需水量；而棵間蒸發量對產量沒有直接影響，只是土壤水分的無效散失。因此，甘蔗需水量對產量的正效應本質上是葉面蒸騰量增加所致。在生產過程中通過抑制蔗地棵間蒸發、適當增強葉面蒸騰，可在降低水分消耗的同時提高蔗莖產量，達到節本增效的目的。

2. 3 甘蔗需水量與主要氣象因素的相關性分析

2. 3. 1 甘蔗生育期主要氣象因素變化特征

2. 3. 1. 1 溫度、蒸發量、日照時數的動態變化 圖6為溫度、蒸發量、日照時數在甘蔗全生育期的變化曲線。氣溫、地面溫度及蒸發量均呈拋物線趨勢變化，在3～7月波動上升，之后便波動下降。2012年氣溫、地面溫度在5月上中旬有個顯著的上升過程，蒸發量也在此時出現較大的突變值。2013年氣溫、地面溫度的峰值出現在7月中旬，蒸發量也在同期達到最大值，可見溫度（氣溫、地面溫度）與蒸發量存在較密切的關系。2012、2013年日照時數均在4月底～5月初最長，進入5月中旬后，南寧地區迎來雨季，日照時間相應變短；在7～9月，天氣干濕交替頻繁，日照時數起伏較大；11月入冬后，太陽輻射南移，日照時數明顯降低。總體來看，試驗站的日照情況具有明顯的季風氣候特點，冬春季日照時間短，而夏秋季較長。

2. 3. 1. 2 風速、空氣濕度、飽和差的動態變化 由圖7可見風速、空氣濕度、飽和差在甘蔗全生育期的動態變化過程。試驗站周圍有建筑物和山丘阻擋，風速不高，2012、2013年平均風速分別為1.04和1.00 m/s，最高風速分別為1.49和2.04 m/s。在甘蔗整個生長過程中，風速上下起伏較大，但總體上呈下降趨勢。空氣濕度主要受降雨、風速、溫度的影響，3月底～4月初正值春旱，且風速較大，因而相對濕度、絕對濕度基本上在趨勢線以下波動；7、8月降雨增多，空氣濕度也明顯增加，但個別時期出現較低的突變值；進入秋冬季節后，天氣變得干燥，相對濕度、絕對濕度也相應降低。與風速、空氣濕度相比，飽和差在2012年變化過程線較平緩，趨勢線也很平直，無明顯起伏；2013年飽和差變幅較大，趨勢線略微向下傾斜，顯示其波動下降的趨勢。

2. 3. 2 甘蔗需水量與各氣象因素的相關系數 將甘蔗需水量與溫度、日照時數、空氣濕度、風速、蒸發量等氣象因素進行相關分析，結果（表2）發現，2012、2013年甘蔗需水量與氣溫、地面溫度的相關系數均大于0.70，呈極顯著正相關（P<0.01，下同），與蒸發量的相關系數分別為0.52和0.51，相關性也達極顯著水平。此外，2012、2013年甘蔗需水量與日照時數、絕對濕度、飽和差也存在不同程度的正相關，但沒有達顯著水平（P>0.05）。風速和相對濕度方面，2012年的相關系數分別為-0.04和0.37，2013年則為0.13和-0.07，說明需水量與兩者間沒有明顯的相關性。上述分析結果表明，甘蔗需水量與氣溫、地面溫度及蒸發量的關系均非常密切。有研究指出，蒸發量與溫度呈線性或指數關系，特別是溫度上升較快時，蒸發量也會顯著增大（劉波等，2006）。表2數據也證實，2012、2013年蒸發量與氣溫、地面溫度均呈極顯著正相關。由此可見，蒸發量主要受溫度所左右，氣溫和地面溫度才是影響甘蔗需水量最主要的氣象因素。

3 討論

旱地作物需水量主要由棵間蒸發量和葉面蒸騰量兩部分組成，在作物生長前期，植株冠層覆蓋度較低，地表裸露較多，因而棵間蒸發量高于葉面蒸騰量；隨著植株長高和葉面積指數增大，葉面蒸騰量逐漸超過棵間蒸發量；在生長后期，由于葉片衰老和溫度降低，棵間蒸發量和葉面蒸騰量均下降到較低水平（劉小飛等，2007）。甘蔗需水量也呈現類似的變化規律，在3月～7月上旬，棵間蒸發量大于葉面蒸騰量，需水量變化曲線與棵間蒸發量相似；7月中、下旬之后，葉面蒸騰量大于棵間蒸發量，此時需水量變化曲線與葉面蒸騰量相近。具體到各生育期，甘蔗幼苗期和成熟期需水量較低，相應的α值和模系數也較低；伸長期需水量最高，模系數之和在62%左右，α值也在此期達到峰值。總體來看，甘蔗需水量呈典型的“單峰”曲線變化，兩頭較低而中間較高。因此，在甘蔗伸長期應加大灌水量，幼苗期和成熟期可適當控水，以提高水資源的利用率。作物需水量與產量的關系非常密切，在適宜的水分條件下，產量隨需水量的增加而增大（耿德剛和徐俊偉，2010）。葉面蒸騰量是作物蒸騰作用所消耗的水分，主要用于生長發育、光合作用等各項生命活動，因而蒸騰能力較強的作物產量也較高（金學泳等，2005）。棵間蒸發量雖然是需水量的主要構成部分，但其不參與作物的生長過程，對作物產量沒有直接影響（林同保等，2008）。本研究也發現，甘蔗需水量、葉面蒸騰量與產量均呈顯著正相關性，而棵間蒸發量與產量沒有密切的關系，因此，從節水角度來看，減少蔗田棵間蒸發、增加葉片蒸騰，有利于提高甘蔗產量和水分利用率。

作物生長受氣候環境的影響，不同氣候條件下，作物需水量必然會存在差異（張旭東等，1999）。研究表明，溫度、日照時數、蒸發量、空氣濕度、飽和差、風速等氣象因素均與作物需水量有關（李萍和魏曉妹，2013），特別是溫度上升時，由于棵間蒸發增大和葉面蒸騰加強，作物需水量會明顯增多（Scibek and Allen，2006）。日照時數和蒸發量與作物需水量也存在較密切的正相關性，隨著日照延長或蒸發加快，作物需水量呈線性或非線性增加（馬鵬里等，2006）。空氣濕度、飽和差、風速對作物需水量亦有較顯著的影響，在空氣濕度較低、飽和差較高的情況下，葉面和大氣之間的水汽壓差較大，有助于提高作物的蒸騰量，過高的空氣濕度則不利于葉面蒸騰和棵間水分蒸發；風速通過加快水汽擴散，從而促進作物蒸騰，但強風會使氣孔關閉導致蒸騰停止（陳玉民和郭國雙，1995）。可見，作物需水量受氣候條件影響。可見，在各氣象因素中，氣溫、地面溫度、蒸發量與甘蔗需水量呈極顯著正相關，而蒸發量與氣溫、地面溫度的正相關性也達極顯著水平，說明蒸發量增大是溫度升高所致。由此可見，溫度（氣溫、地面溫度）是影響甘蔗需水量最主要的氣象因素。在當今全球變暖的大背景下，持續升溫將使甘蔗需水量不斷增加，必將導致蔗區水資源供應緊張，進而影響蔗糖產業的發展。因此，必須大力推廣高效節水灌溉技術，提前做好預防工作，以應對將來可能出現的水資源危機。

4 結論

本研究結果表明，甘蔗需水量在其生長期間呈“兩頭低、中間高”的單峰曲線變化；在甘蔗各主要生育期中，伸長期的需水量和日均需水強度最高，分蘗期次之，幼苗期和成熟期較低；甘蔗需水量與產量呈顯著的線性正相關，生產上通過抑制蔗田棵間蒸發、適當增大葉面蒸騰量，能有效提高蔗莖的產量和水分利用效率；甘蔗需水量受氣候變化影響，其中氣溫、地面溫度的影響最大。

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（責任編輯 麻小燕）