李尤亮,王 杰,曹 言,張 雷,王樹(shù)鵬
(云南省水利水電科學(xué)研究院,昆明 650228)
農(nóng)業(yè)用水是我國(guó)主要用水方式之一,2016年我國(guó)水資源總量為32 466 億m3,農(nóng)業(yè)用水占全社會(huì)用水比例達(dá)62.4%[1],作物需水量是農(nóng)業(yè)用水中最主要的消耗部分[2]。作物需水量是確定灌溉制度和灌溉定額的參數(shù),也為農(nóng)田水利工程及節(jié)水灌溉工程的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)[3]。作物需水量的大小受到植物自身、氣象要素、土壤等諸多因素的影響。在水資源供需矛盾突出及全球氣候變暖的大背景下,對(duì)于作物需水量的時(shí)空變化特征受到廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)南京[4]、河南等地主要在作物需水量受氣候變化的影響進(jìn)行了研究,均得出玉米需水量呈下降趨勢(shì)的結(jié)論,而河南省玉米需水量下降主要由平均風(fēng)速降低所致[5]。劉曉英[6]等在分析華北主要作物需水量變化趨勢(shì)及原因中表明,玉米需水量下降的主要原因是日照與風(fēng)速的減小。孫璐等[7]對(duì)貴州省夏玉米生育階段內(nèi)需水量和降雨的分布特征研究發(fā)現(xiàn),夏玉米各生育階段需水量空間差異明顯,降雨量空間分布不均。王新華[8]等對(duì)云南蒙自壩子主要作物需水量與灌溉需水量的研究指出,玉米需水量小于定額標(biāo)準(zhǔn)。吳灝[9]等對(duì)昆明地區(qū)玉米需水量與灌溉用水量的研究中表明,玉米需水量與日照、風(fēng)速、溫度呈正相關(guān),與濕度、降雨呈負(fù)相關(guān)。在全球和區(qū)域氣候變暖的背景下,金沙江流域水循環(huán)的時(shí)空變化過(guò)程將發(fā)生改變,可能引起降水與水資源的時(shí)空分布不均,加劇旱澇等水文極端事件的發(fā)生概率與強(qiáng)度[10,11]。金沙江干熱河谷區(qū)光熱資源條件好,是云南省蔬菜的主要產(chǎn)地之一,但水分缺乏是影響干熱河谷區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素,國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)金沙江干熱河谷區(qū)干旱化程度有加劇的趨勢(shì)[12,13],典型區(qū)元謀短期降水總體呈減少趨勢(shì)[14]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于作物需水量的變化特征研究較多,在全球氣候變化顯著的趨勢(shì)下,干熱河谷特殊氣候區(qū)域的夏玉米需水量變化特征還未見(jiàn)報(bào)道。本文以金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))為研究對(duì)象,探討了夏玉米需水量的變化特征及影響因素,以降低氣候變化對(duì)夏玉米生產(chǎn)的不利影響,旨在為該區(qū)域夏玉米灌溉定額和灌溉制度的優(yōu)化提供依據(jù)。
在云南省農(nóng)業(yè)灌溉用水分區(qū)中賓川、華坪、永仁、元謀、巧家、東川均屬于干熱河谷區(qū),鶴慶、大姚、永勝處于金沙江河谷的區(qū)域?qū)儆诟蔁岷庸葏^(qū)[15],本文以此選取金沙江干熱河谷區(qū)的研究范圍。金沙江流域(云南省境內(nèi))分為上游、中游、下游,其中鶴慶、賓川、永勝、華坪位于上游,大姚、永仁、元謀處于中游,東川、巧家處于下游[16]。金沙江干熱河谷區(qū)氣候干燥,蒸發(fā)劇烈,暖冬特征明顯,年降雨量約600 mm,主要集中在5-10月,11月至次年4月為干旱期,降雨量時(shí)空分布不均[17]。金沙江干熱河谷區(qū)光熱條件充足,熟制為一年兩熟,大部分耕地為坡耕地,以種植飼用夏玉米為主,典型區(qū)元謀夏玉米單位面積產(chǎn)量可達(dá)9 000 kg/hm2[18]。少部分耕地沿河谷分布,以種植經(jīng)濟(jì)作物為主。氣象站點(diǎn)在金沙江流域(云南境內(nèi))的分布見(jiàn)圖1。

圖1 氣象站點(diǎn)在金沙江流域(云南境內(nèi))分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in Jinsha river(Yunnan Province) area
氣象數(shù)據(jù)采用處于金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))鶴慶、賓川、永勝、華坪、大姚、永仁、元謀、東川、巧家9個(gè)氣象站1960-2013年的逐日氣象資料,包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均氣壓、日照時(shí)數(shù)、最小相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)。夏玉米播種日期、生育階段時(shí)長(zhǎng)、收獲日期等生育數(shù)據(jù)資料通過(guò)查閱當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)物候資料獲得,其播種時(shí)間為5月,收獲時(shí)間為9月。FAO將作物的生育階段劃分為初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生長(zhǎng)中期、生長(zhǎng)后期4個(gè)時(shí)期[19],本文按此劃分玉米的生育階段:5月上旬至5月下旬為生長(zhǎng)初期,6月上旬至7月上旬為快速發(fā)育期,7月中旬至8月下旬為生長(zhǎng)中期,9月上旬至9月下旬為生長(zhǎng)后期。
(1)作物需水量。本文采用FAO-56推薦的單作物系數(shù)法計(jì)算作物各階段的需水量[19],對(duì)各階段需水量累加求和進(jìn)而得到作物全生育期需水量,計(jì)算公式如下:
ETc=ET0Kc
(1)
式中:ETc為實(shí)際作物需水量,mm;ET0為參考作物騰發(fā)量,mm;Kc為作物系數(shù)。
FAO-56推薦的Penman-Monteith公式經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多年的理論研究與實(shí)踐已成為計(jì)算ET0所采用的公認(rèn)方法:
(2)
式中:Rn為到達(dá)作物表面的凈輻射,MJ/(m2· d);G為土壤熱通量,MJ/(m2· d),在逐日估算時(shí),G=0;T為日平均氣溫,℃,按日最高氣溫和日最低氣溫的算術(shù)平均值計(jì)算;u2為2 m高處的平均風(fēng)速,m/s;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實(shí)際水汽壓,kPa;Δ飽和水汽壓曲線的斜率,kPa/℃;γ為濕度計(jì)常數(shù),kPa/℃。
FAO推薦作物的不同生育期的作物系數(shù)值為Kcini=0.3,Kcmid=1.2,Kcend=0.6。鑒于云南省干熱河谷區(qū)實(shí)際氣候特征與FAO標(biāo)準(zhǔn)條件有所差異,在推薦值基礎(chǔ)上采用當(dāng)?shù)貧夂驐l件(最小相對(duì)濕度、2 m處平均風(fēng)速)與作物高度對(duì)Kcmid、Kcend值進(jìn)行修正,其公式如下:
Kc=Kc(s)+
(3)
式中:Kc(s)為FAO推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件下的不同生育時(shí)期作物系數(shù);u2(s)為作物不同階段2 m處的平均風(fēng)速,m/s;RHmin(s)為作物不同生育時(shí)期平均最小相對(duì)濕度,%;h(s)為不同生育時(shí)期作物平均高度,m。
對(duì)于各站點(diǎn)缺測(cè)的日最小相對(duì)濕度值,本文采用日最高氣溫和最低氣溫計(jì)算,即:
(4)
式中:RHmin為日最小相對(duì)濕度,%;Tmax為日最高氣溫,℃;Tmin為日最低氣溫,℃。
(2)有效降雨量。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)中的降雨量數(shù)據(jù),計(jì)算夏玉米各生育階段有效降雨量值。本文采用USDA-SCS方法計(jì)算夏玉米各生育階段的有效降雨量,即:
(5)
式中:Pe為有效降雨量,mm;P為時(shí)段內(nèi)降雨總量,mm。
(3)水分盈虧指數(shù)。為更準(zhǔn)確地反映作物需水特性及水分供應(yīng)情況,通過(guò)水分盈虧指數(shù)CWSDI(Crop Water Surplus Deficit Index)來(lái)表征水分盈虧程度[20],計(jì)算方法如下:
(6)
式中:ETc為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的作物需水量,mm;CWSDI為水分盈虧指數(shù),當(dāng)CWSDI=0時(shí),表示水分收支平衡,當(dāng)CWSDI>0時(shí),表示水分盈余,反之則為虧缺。
不同風(fēng)門(mén)開(kāi)度下的橫向配風(fēng)不均勻系數(shù)模擬結(jié)果如圖11所示。增加風(fēng)室進(jìn)口風(fēng)門(mén)開(kāi)度,減小尾部風(fēng)門(mén)開(kāi)度可以很大程度降低爐排橫向配風(fēng)不均勻系數(shù)。通過(guò)對(duì)比各種工況可以得出:此鏈條爐排在布置擋板以后最佳風(fēng)門(mén)開(kāi)度(從風(fēng)室進(jìn)口到尾部)依次為100%、70%、50%、50%、50%,其配風(fēng)不均勻系數(shù)為7%,與風(fēng)門(mén)全開(kāi)時(shí)相比降低了69.5%。
金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))各站點(diǎn)1-12月月平均參考作物騰發(fā)量年內(nèi)變化趨勢(shì)大體一致,但各站點(diǎn)之間有所差異(見(jiàn)圖2)。金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))1-12月平均參考作物騰發(fā)量為56.1~155.2 mm,區(qū)域內(nèi)元謀、東川月參考作物騰發(fā)量最高,永勝、鶴慶參考作物騰發(fā)量最小。研究區(qū)大部分區(qū)域參考作物騰發(fā)量年內(nèi)變化成單峰型曲線,而東川、巧家呈雙峰型曲線。總體來(lái)看,4月或5月份的參考作物騰發(fā)量最大,而12月份的參考作物騰發(fā)量最小,東川、巧家區(qū)域參考作物騰發(fā)量最大值的出現(xiàn)較其他區(qū)域提前了1個(gè)月。
1960-2013年金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))各站點(diǎn)夏玉米全生育期平均參考作物騰發(fā)量見(jiàn)圖3。金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))夏玉米全生育期平均參考作物騰發(fā)量為458.3~631.9 mm,最大值分布在元謀、東川區(qū)域,其值分別為631.9、606.9 mm,最小值分布在鶴慶和永勝區(qū)域,分別為458.3、472.5 mm。在夏玉米生育期內(nèi)年平均參考作物騰發(fā)量自金沙江上游至下游呈上升趨勢(shì)。

圖2 各站點(diǎn)年內(nèi)平均參考作物騰發(fā)量變化趨勢(shì)Fig.2 The trend of average ET0 in each station in the year

圖3 各站點(diǎn)夏玉米全生育期平均參考作物騰發(fā)量分布Fig.3 The average ET0 distribution of summer maize during the whole growth period in each station
對(duì)9個(gè)站點(diǎn)54 a夏玉米需水量的統(tǒng)計(jì)分析可知,夏玉米全生育期需水量平均值為425.07 mm。夏玉米不同生育階段需水量差異較大,其中生長(zhǎng)中期需水量最大,為188.72 mm;其次是快速生長(zhǎng)期,為117.96 mm;生長(zhǎng)初期需水量最小,為37.02 mm;生長(zhǎng)末期為81.37 mm。從1960-2013年夏玉米全生育期需水量呈顯著下降趨勢(shì),每10 a下降幅度為5.84 mm(見(jiàn)圖4)。研究區(qū)夏玉米需水量最小值出現(xiàn)在2004年,其值為385.36 mm,最大值出現(xiàn)在1963年,為463.71 mm。夏玉米全生育期有效降雨量呈不顯著的下降趨勢(shì),下降幅度為0.224 mm/a。全生育期水分虧缺指數(shù)呈不顯著的上升趨勢(shì),且變化幅度較小。全生育期平均水分虧缺指數(shù)為-0.342,最小值出現(xiàn)在2011年,其值為-0.55,其次出現(xiàn)在1992年,為-0.51。

圖4 需水量、有效降雨量、水分虧缺指數(shù)年際變化趨勢(shì)Fig.4 The interannual trends of water demand, effective precipitation and CWSDI
夏玉米不同生育階段需水量均呈下降趨勢(shì),其中生長(zhǎng)初期、生長(zhǎng)中期、生長(zhǎng)末期呈顯著下降趨勢(shì),下降幅度分別為0.116、0.224、0.179 mm/a,下降幅度均高于快速生長(zhǎng)期(見(jiàn)圖5)。有效降雨量除生長(zhǎng)初期呈增加趨勢(shì)外,在其余生育期呈下降趨勢(shì),生長(zhǎng)中期下降趨勢(shì)顯著,下降幅度分別為0.156、0.256、0.049 mm/a。夏玉米各生育階段均存在不同程度的水分虧缺,在生長(zhǎng)中期尤為嚴(yán)重,水分虧缺指數(shù)達(dá)-0.43。在生長(zhǎng)中期水分虧缺最嚴(yán)重的年份是1982年、2006年、2011年,水分虧缺指數(shù)均低于-0.60。1982年、2006年、2011年均是云南省發(fā)生大旱的年份,降水偏少是干旱的主要因素[22],因此水分虧缺最為嚴(yán)重。
據(jù)表1知,研究區(qū)夏玉米全生育期需水量最大的站點(diǎn)是元謀、東川,其值分別為490.5、483.8 mm,鶴慶、永勝需水量最小,分別為349.5、359.9 mm。夏玉米全生育期存在水分虧缺的區(qū)域是賓川、元謀、東川、巧家,其中賓川、元謀、東川水分虧缺程度遠(yuǎn)大于巧家,水分虧缺指數(shù)分別為-0.24、-0.26、-0.21。在不同生育階段,元謀的需水量均最大,分別為42.5、138.2、218.7、97.7 mm;鶴慶的需水量最小,分別為30.5、99.3、153.9、65.8 mm。在生長(zhǎng)初期、快速生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)末期,除賓川、元謀、東川存在不同程度的水分虧缺外,大部分區(qū)域存在水分盈余。在生長(zhǎng)中期,東川、巧家區(qū)域的ET0有所回升,元謀的ET0有所下降,3者的值相差不大,此時(shí)玉米需水量在各生育階段達(dá)到最大值,有效降雨量未能完全滿足玉米的生長(zhǎng),大部分區(qū)域存在不同程度的水分虧缺,其中東川、元謀、巧家最為嚴(yán)重,水分虧缺指數(shù)分別為-0.47、-0.43、-0.41。


圖5 夏玉米不同生育期需水量、有效降雨量、水分虧缺指數(shù)年際變化趨勢(shì)Fig.5 The interannual trends of water demand, effective precipitation and CWSDI of summer maize in different growth periods

生育期指標(biāo)鶴慶賓川永勝華坪大姚永仁元謀東川巧家生長(zhǎng)初期需水量/mm30.5 37.4 32.4 38.0 36.0 37.9 42.5 39.9 38.4 有效降雨量/mm45.9 32.1 46.5 48.1 47.8 46.9 44.5 61.3 63.3 水分盈虧指數(shù)0.50 -0.14 0.44 0.27 0.33 0.24 0.05 0.54 0.65 快速生長(zhǎng)期需水量/mm99.3 127.0 101.1 118.6 114.0 120.1 138.2 127.5 115.7 有效降雨量/mm135.7 95.8 131.7 139.9 125.3 128.0 112.9 130.2 140.7 水分盈虧指數(shù)0.37 -0.25 0.30 0.18 0.10 0.07 -0.18 0.02 0.22 生長(zhǎng)中期需水量/mm153.9 190.0 158.1 194.0 168.5 191.5 215.8 218.7 208.0 有效降雨量/mm161.1 132.1 160.0 162.5 145.1 144.4 123.2 115.2 122.9 水分盈虧指數(shù)0.05 -0.30 0.01 -0.16 -0.14 -0.25 -0.43 -0.47 -0.41 生長(zhǎng)末期需水量/mm65.8 88.7 68.3 80.0 73.7 80.9 94.0 97.7 83.2 有效降雨量/mm119.5 77.3 114.9 128.2 97.4 109.1 80.0 75.5 97.4 水分盈虧指數(shù)0.82 -0.13 0.68 0.60 0.32 0.35 -0.15 -0.23 0.17 全生育期需水量/mm349.5 443.1 359.9 430.6 392.2 430.4 490.5 483.8 445.3 有效降雨量/mm462.2 337.3 453.1 478.7 415.6 428.3 360.6 382.2 424.3 水分盈虧指數(shù)0.32 -0.24 0.26 0.11 0.06 0.00 -0.26 -0.21 -0.05

表2 不同站點(diǎn)夏玉米需水量變化趨勢(shì)Tab.2 Change trend of summer maize water demand in different stations
注:**為通過(guò)置信度0.01的顯著性檢驗(yàn),*為通過(guò)置信度0.05的顯著性檢驗(yàn)。
東川下降趨勢(shì)最顯著,東川下降幅度最大;在快速生長(zhǎng)期除永仁、元謀、東川、巧家呈下降趨勢(shì)外,其他站點(diǎn)呈輕微的不顯著上升趨勢(shì);在生長(zhǎng)中期,除大姚呈輕微上升趨勢(shì)外,其他區(qū)域呈下降趨勢(shì),永仁和東川呈極顯著的下降趨勢(shì);在生長(zhǎng)末期9個(gè)站均呈下降趨勢(shì),永仁、東川、巧家呈極顯著下降趨勢(shì),東川下降幅度最大。
夏玉米需水量及年際變化趨勢(shì)均存在明顯的地域差異,而這種差異受到區(qū)域氣候及其變化特征的影響。由表3知,金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))大部分區(qū)域日照、風(fēng)速呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),而對(duì)于氣溫、相對(duì)濕度、降雨量呈不顯著上升或下降趨勢(shì)。在全球氣候變暖的背景下,鶴慶、賓川、永勝、大姚平均氣溫呈輕微的上升趨勢(shì),僅賓川上升趨勢(shì)較顯著,其他區(qū)域呈不顯著的下降趨勢(shì)。除鶴慶外,其他區(qū)域日照時(shí)數(shù)均呈下降趨勢(shì),其中賓川、永勝、永仁、元謀、東川下降趨勢(shì)顯著。除賓川、永勝的相對(duì)濕度呈不顯著下降趨勢(shì)外,其余均呈上升趨勢(shì),元謀、東川上升趨勢(shì)顯著,每10 a增加幅度分別為1.27%、0.88%;風(fēng)速除賓川外,其余大部分區(qū)域均呈顯著下降趨勢(shì);降雨量除巧家、元謀呈不顯著增加趨勢(shì)外,其他區(qū)域均呈不顯著下降趨勢(shì)。

表3 氣象要素變化趨勢(shì)及與夏玉米需水量相關(guān)分析Tab.3 Trend test of meteorological factors and correlation analysis of summer corn water requirement
注:**為通過(guò)置信度0.01的顯著性檢驗(yàn);*為通過(guò)置信度0.05的顯著性檢驗(yàn);_表示相關(guān)系數(shù)最大值。
通過(guò)夏玉米需水量與各氣象要素的相關(guān)關(guān)系可知,夏玉米需水量與氣溫、日照、風(fēng)速呈顯著的正相關(guān),而與濕度、降雨呈顯著的負(fù)相關(guān),與國(guó)內(nèi)學(xué)者研究結(jié)果一致[6]。近54 a來(lái)金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))日照和風(fēng)速呈下降趨勢(shì),相對(duì)濕度呈增加趨勢(shì),大部分區(qū)域溫度呈減小趨勢(shì),在這些因素的綜合影響下,導(dǎo)致夏玉米需水量呈下降趨勢(shì)。大部分區(qū)域?qū)ο挠衩仔杷坑绊懽畲蟮氖侨照眨绊懽钚〉氖墙涤炅俊S醒芯勘砻鳎颇鲜∪照諘r(shí)數(shù)以減少趨勢(shì)為主,四季日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)最快的區(qū)域在滇中以北金沙江流域一帶[22]。從本文相關(guān)系數(shù)與變化幅度看,日照時(shí)數(shù)的減少是引起金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))夏玉米需水量減少的主要因素(見(jiàn)表3)。各氣象要素對(duì)需水量的影響大小因地域的差異而有所不同。對(duì)于玉米全生育期需水量顯著下降的4個(gè)區(qū)域,永仁為日照>相對(duì)濕度>風(fēng)速>氣溫>降雨量;元謀為相對(duì)濕度>氣溫>日照>風(fēng)速>降雨量;東川為風(fēng)速>日照>相對(duì)濕度>氣溫>降雨量;巧家為日照>氣溫>風(fēng)速>相對(duì)濕度>降雨量。
(1)金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))1-12月月平均參考作物騰發(fā)量為56.1~155.2 mm,4月或5月最大,大部分區(qū)域參考作物騰發(fā)量年內(nèi)變化成單峰型曲線,而東川、巧家呈雙峰型曲線;夏玉米全生育期平均參考作物騰發(fā)量為458.3~631.9 mm,夏玉米全生育期平均參考作物騰發(fā)量自上游至下游呈上升趨勢(shì)。
(2)夏玉米全生育期平均需水量為425.07 mm,研究區(qū)夏玉米需水量呈下降趨勢(shì),每10 a下降幅度為5.84 mm。夏玉米全生育期平均水分虧缺指數(shù)為0.342,各生育階段均存在不同程度的水分虧缺,在生長(zhǎng)中期尤為嚴(yán)重,水分虧缺指數(shù)達(dá)0.426。
(3)研究區(qū)元謀、東川夏玉米需水量最大,為490.5、483.8 mm,鶴慶、永勝需水量最小,為349.5、359.9 mm。夏玉米全生育期存在水分虧缺的區(qū)域是賓川、元謀、東川、巧家,其中賓川、元謀、東川水分虧缺程度遠(yuǎn)大于巧家,水分虧缺指數(shù)分別為-0.24、-0.26、-0.21。大部分站點(diǎn)夏玉米需水量呈下降趨勢(shì),其中永仁、元謀、巧家、東川下降趨勢(shì)較顯著。
(4)各氣象要素對(duì)需水量的影響大小因地域的差異而有所不同,而日照是影響夏玉米需水量呈下降趨勢(shì)的主要因素。
在全球氣候變暖的背景下,云南省金沙江干熱河谷區(qū)表現(xiàn)出獨(dú)特的氣候變化特征,部分區(qū)域溫度呈下降趨勢(shì),大部分區(qū)域相對(duì)濕度呈增加趨勢(shì),這與國(guó)內(nèi)對(duì)元謀干熱河谷區(qū)有關(guān)研究中表現(xiàn)的氣候變化特征一致[23]。金沙江干熱河谷區(qū)(云南境內(nèi))日照和風(fēng)速呈下降趨勢(shì),相對(duì)濕度呈增加趨勢(shì),大部分區(qū)域溫度呈減小趨勢(shì),在這些因素的綜合影響下,導(dǎo)致夏玉米需水量呈下降趨勢(shì)。研究中并未考慮地形地貌、土壤墑情等非氣候因素對(duì)需水量的影響,相關(guān)方面的工作有待后續(xù)進(jìn)一步研究。
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