陜北黃土丘陵區主要作物需水與降水耦合分析

陸 靜，朱文哲，高志永

(1.楊凌職業技術學院水利工程分院, 陜西 楊凌 712100； 2.清水縣水務局，甘肅 清水 741400； 3.西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048)

0 引 言

旱作農業主要分布在年均降水量約250～500 mm的黃土高原中部以西和以北，這里主要依靠自然降雨來維持作物生長，生產力低而不穩，生態環境極為脆弱[1]，干旱缺水與水土流失并存是制約該區經濟與社會可持續發展的主要瓶頸，也是導致該區生態脆弱的關鍵原因[2]。降水是旱作農業獲取水分的主要途徑，而作物的蒸騰和植株的棵間蒸發(作物需水)是水分輸出的主要方式。解決旱作農業水資源短缺，實現農業生產可持續性增長的一條重要路徑是高效利用降水資源[3]。因此，分析作物生育期需水規律與降水特征，探討作物需水與降水關系，是確定旱作生育期補灌時間和水量，科學高效利用降水資源，提高灌溉水利用效率的基礎。陜北黃土丘陵區為典型的旱作農業區，是玉米、谷子和馬鈴薯的主產區，其中玉米和谷子種植面積占陜北糧食作物種植面積的34.43%[4]，馬鈴薯種植面積占陜西省馬鈴薯種植面積的52%，占糧食作物種植面積的30%[5]。目前關于陜北主要糧食作物需水與降水的耦合分析鮮有報道，陜北主要糧食作物需水研究相對較少，有部分學者[6,7]對玉米需水量特征、灌溉分區、補灌時期進行了研究，王幼奇等[8]采用稱重式蒸滲儀和微型蒸滲儀探討了神木六道溝流域谷子耗水量和棵間蒸發，關于馬鈴薯研究主要集中在發展趨勢和病蟲害防治方面[5,9]，缺乏有關馬鈴薯需水量的報道。本文試圖利用陜北黃土丘陵區2000-2014年逐日監測氣象數據，分析玉米、谷子和馬鈴薯在生育期內的需水規律和干旱分布特征，計算降雨對主要作物需水的耦合程度，探討3種作物在未來對水分的需求趨勢，并提出應對策略。為旱作農業充分利用有限水資源和提高水分利用效率提供事實依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

綏德縣，東經110°04′～110°41′，北緯37°16′～37°45′，總面積為1 878 km2，屬于溫帶大陸性半干旱氣候，為典型的黃土丘陵溝壑區。該地區多年降水量變化范圍為235.0～747.5 mm年平均降水量486 mm，降雨主要集中在7-9月，占年降水量61%。年氣溫差為31.5 ℃，年均氣溫為9.7 ℃，年極端最高和最低氣溫分別為38.4 ℃和-25.4 ℃，無霜期165 d。

1.2 數據來源

本文利用典型黃土丘陵區綏德縣2000-2014年逐日監測氣象數據，該數據主要包括大氣溫度、大氣最高和最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風速、日照時數等數據。

1.3 研究方法

1.3.1 作物需水量計算

玉米、谷子和馬鈴薯需水量利用(1)式計算，借助Penman-Monteith公式(2)計算[10]參考作物需水量，利用已有文獻獲取3種作物的作物系數[6,11,12]，作物系數具體見表1。

作物需水量：

ETC=kcET0

(1)

Penman-Monteith蒸散模型：

(2)

式中：ET0為潛在蒸騰量，mm/d；Rn為植物表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ是飽和水汽壓與溫度曲線斜率，kPa/℃；γ是溫度計常數，kPa/℃；u2是2 m處風速，m/s；es-ea是飽和水汽壓差，kPa；ETc是蒸騰量，mm/d；kc為作物系數(見表1)。

表1 主要作物在不同生育階段的作物系數Tab.1 Crop coefficient of main crops in growth period

1.3.2 干旱指數(SPEI指數)

SPEI能夠綜合反映水資源輸出和輸入項的作用，它是通過計算逐月降水量和潛在蒸散發量差值Di的正態標準化處理而獲得[13]，SPEI指數其等級劃分見表2[14]。本文月尺度的SPEI指數的計算[13]過程為：

(1)利用Penman-Monteith蒸散模型公式(2)計算月尺度潛在蒸散發ET0；

(2)計算逐月降水量與蒸散發量的差值Di；

表2 SPEI干旱等級劃分Tab.2 Drought classifications based on SPEI

(3)計算Di概率密度的累計概率密度函數F(x)；

(4)對累計概率密度函數F(x)進行正態標準化。

1.3.3 主要作物需水與降水的耦合度

有效降水量采用下式計算[15]：

(3)

式中：Pe為有效降水量，mm；P為降水量，mm。

作物在某個生育期需水與降水的耦合度計算方法為：

(4)

式中：λ為作物在某個生育期作物需水與降水的耦合度，數值變化范圍0～1.0，λ越接近1，表明降雨滿足作物需水的程度越高；Pe為相應生育期的有效降水量，mm；ETc為相應生育期的作物需水量，mm。

1.3.4R/S分析法

重標極差法(R/S)是一種時間序列統計方法，可用于計算Hurst指數，它能夠探索事物現象的變化規律，更可靠地預測未來，其原理和計算方法參見相關文獻[16]。

1.4 統計分析

借助Excel 2010和Spass 18.0進行數據分析，利用Origin 8.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 主要作物生育期需水量與干旱特征

2.1.1 主要作物生育期需水量

圖1為2000-2014年玉米、谷子、馬鈴薯作物在各月份的需水量。圖1(a)表明，玉米在6月份需水量均值達169.22 mm，顯著高于其他月份(p<0.05)，是其他月份的1.21～3.80倍；玉米在7月和8月需水量均值分別為140.13和132.53 mm，無差異，分別占總需水量的24.94%和23.59%；在9月份需水量顯著(p<0.05)降為75.39 mm。圖1(b)顯示，谷子在5-9月需水量均存在顯著差異(p<0.05)，變化范圍為26.57～157.71 mm,平均值為78.61 mm，其中需水量在6月份為157.71 mm，占總生育期需水量的40.13%，該時段內是谷子需水最多的時段。圖1(c)顯示，馬鈴薯需水量在整個生育期呈現雙峰，在播種初期(5月)需水量低于玉米和谷子，需水量僅為19.48 mm；在6和8月份需水量出現峰值，且無差異，其值分別為147.06和145.59 mm。在7和9月份無差異，分別達到109.95和113.38 mm。圖1(d)表明，谷子在全生育期需水量分別顯著低于玉米和馬鈴薯168.75和142.44 mm(p<0.05)，玉米和馬鈴薯需水量無差異，但玉米需水量高于馬鈴薯需水量26.32 mm。

注：不同小寫字母表示同一作物需水量在不同月份存在顯著性差異P<0.05或不同作物在全生育期存在顯著性差異P<0.05。圖1 玉米、谷子和馬鈴薯在生育期及三者全生育期需水量Fig.1 Water demand of corn, Millet and potato in growth period and the whole growth period

2.1.2 主要作物生育期干旱

圖2為2000-2014年降水量及干旱發生頻率圖。圖2表明，2000-2014年年均降水量為439.9 mm，年降水量呈現增加趨勢(斜率17.88)，降雨主要集中在7-9月，占全年降水量的58.52%，而7-9月份有效降水量總和為106.35 mm，占7-9月總降水量的41.31%，從而因降雨集中出現大面積土壤流失現象，能夠被作物可利用的有效降水量有限[17,18]，此外，降水量在作物生育期內(5-9月)變異性強，變異系數變化范圍為46.90～86.70%[圖2(a)]。在作物生育期內，干旱時有發生，在降水量較少的5和6月，干旱發生頻率可達15.29%和28.57%，降水量在7月份達104.2 mm，干旱發生頻率最小，僅為7.14%，作物在生育期受旱發生大小次序為6月>8月>5月>9月>7月[圖2(b)]。

2.2 主要作物生育期內需水與降水耦合程度

表3為主要作物在各月內需水與降水的耦合度。表3顯示，馬鈴薯需水與降水的耦合度在5和6月份分別高于玉米和谷子的需水與降水的耦合度0.13和0.36(5月)，0.01和0.02(6月)；谷子的需水與降水的耦合度在7、8和9月份顯著高于玉米和馬鈴薯的需水與降水的耦合度(p<0.05)，分別是玉米和馬鈴薯需水與降水的耦合度的1.38～1.67和1.29～1.88倍；3種作物需水與降水耦合度在6月達最小，無顯著差異。此外，3種作物需水與降水的耦合度與月份表現出良好的3次多項式關系，擬合程度較高，決定系數(R2)在0.80以上(圖3)。但是，在作物全生育期內，降雨均無法滿足作物需水量(λ<1，表3)，如果需要保證較高的產量，需要采取灌溉等措施為作物補充生長所需的水分。

圖2 主要作物生育期降水量及干旱發生頻率Fig.2 Rainfall and drought frequency during the growth period of major crops

表3 主要作物各月份內需水與降水的耦合度Tab.3 Coupling degree between water demand of main crops and rainfall in the growth period of main crops

注：表中λC、λM、λP分別為玉米、谷子和馬鈴薯需水與降水耦合度，不同小寫字母表示同一月份不同作物需水與降水的耦合度存在顯著性差異p<0.05。

圖3 玉米、谷子和馬鈴薯需水與降水耦合度在生育期動態變化Fig.3 Dynamic coupling degree between rainfall and water demand of maize, millet and potato

2.3 主要作物需水與降水耦合度及干旱指數趨勢預測

對玉米、谷子和馬鈴薯生育期的需水與降水的耦合度和同期的干旱指數進行R/S預測分析，分析Hurst指數見表4。表4表明，干旱現象在未來5和9月份會持續出現(HSPEI>0.5)，而在6～8月會出現減弱趨勢(HSPEI<0.5)，其中干旱指數在8月份為0.355，低于6和7月，干旱在8月減弱趨勢強于6和7月。玉米和馬鈴薯需水與降水耦合度在未來7-9月會呈現增加趨勢(HλC，HλP<0.5)，谷子需水與降水耦合度在未來7和8月也會出現增加趨勢(HλM>0.5)，增加趨勢要高于玉米和馬鈴薯(HλM0.5)。

表4 主要作物不同月份需水與降水耦合度和干旱指數的R/S趨勢分析Tab.4 Hurst index (H) of R/S analysis for water demand of main crops of growth period

注：表中HλC、HλM、HλP分別為玉米、谷子和馬鈴薯需水與降水耦合度的Hurst指數,HSPEI為干旱指數的Hurst指數。

3 討 論

黃土丘陵干旱半干旱區農作物所需水分主要來源于降雨[19,20]，主要作物全生育期(5～9月)降水量為331.6 mm(圖2)，玉米、谷子和馬鈴薯的需水量分別為561.79、393.03和535.47 mm(圖1)，即生育期降水量無法滿足玉米、谷子和馬鈴薯的需水量；2000-2014年年均降水量為439.9 mm，分別低于玉米和馬鈴薯需水量121.9和95.6 mm，高于谷子需水量46.9 mm。玉米、谷子和馬鈴薯在6月份的需水量達最大，分別為169.22、157.71和147.06 mm，此時為玉米拔節和大喇叭口期，也是馬鈴薯塊莖形成期，是它們的需水關鍵期[12,21]，但6月份降水量為42.16 mm，有效降水量僅為22.16 mm，降水量變異系數高達72.75%，干旱發生頻率為28.57%(圖2)，3種作物需水與降水的耦合度低至0.14～0.16(圖3)。

水分是限制旱作農業發展的突出因素，如何科學高效利用降水是北方旱作農業面臨的重大課題，解決旱作農業水資源嚴重不足，實現農業生產可持續性增長的重要途徑之一是發展集雨補灌技術[3]，該技術是人為利用人工或天然的集水面，在集水面上匯集雨水形成徑流，將徑流收集并儲存于水窯、水窖、旱井等蓄水容器中，在作物水分虧缺期，及時調運補灌作物，此技術能夠解決半干旱區降水嚴重不足而產生的作物缺水問題，可對天然降水在時間和空間上進行調節，是提高水資源利用效率和解決降雨與作物需水出現供需錯位行之有效的措施[22]。另外，可以在田間開溝筑壟，壟上覆蓋塑料膜等抗滲材料，使雨水匯集在溝中，溝內填充秸稈等材料，形成溝壟覆蓋種植技術，該技術能增加有效降雨，抑制土壤蒸發，溝內側滲的水分儲存于壟下區域，可改善土壤水熱狀況，提高玉米、馬鈴薯等作物產量和水分利用效率[23-26]，Li和Gong的研究表明[27]，年均降水量400 mm以上的黃土丘陵谷子地沒必要采取溝壟覆蓋種植技術，Liang等[28]對年降水量為350～550 mm黃土丘陵谷子地采取適宜的溝壟覆蓋種植技術并配施氮磷肥，降低谷子地蒸發蒸騰量，提高谷子產量和水分利用效率，王幼奇等[8]發現年降水量為437.4 mm的神木六道溝流域，當年的降水量就能夠滿足谷子需水量，但在谷子一些生育階段會出現缺水現象。因此，對于陜北黃土丘陵區玉米和馬鈴薯作物，建議在其生育期采用集雨補灌和溝壟覆蓋種植技術相結合，通過灌溉措施補充作物土壤水分，特別是6月份需進行充分灌溉，提升土壤水分，以滿足作物對水分的需求。對于谷子地，可采用集雨補灌提高谷子關鍵需水期土壤水分，但是否需要采用溝壟覆蓋種植技術還需后期進行探索。

谷子具有抗旱和適應能力強、水分利用率高、產量穩定等特點，是我國北方重要的旱作糧食作物，特別適宜我國北方干旱半干旱地區種植[29]。本研究也表明谷子在全生育期需水量分別顯著低于玉米和馬鈴薯168.75和142.44 mm[p<0.05，圖1(d)]，谷子的需水與降水的耦合度在7～9月份顯著高于玉米和馬鈴薯的需水與降水的耦合度(p﹤0.05，表3)，同時，谷子需水與降水的耦合度在未來7、8和9月份還會持續高于玉米和馬鈴薯(表4)，甚至可達0.81(表3)。此外，谷子產品的營養保健價值較高，它富含維生素、蛋白質等，成為保健營養型和環境友好型作物，而高品質谷子具有較高的售價，據調查研究，農民谷子收購價3.4～3.8元/kg、綠色認證谷子售價約25～35元/kg、有機谷子為35.9～44.8元/kg[30]。建議在陜北黃土丘陵區適當擴大綠色有機谷子種植面積，縮減高耗水作物玉米和馬鈴薯種植面積，有利于當地脫貧攻堅，優化糧食產業結構。在未來，通過加大谷子產業育種、栽培等科研投入，同時鼓勵流通企業和加工企業聯合，發展和壯大農業服務型經營主體，積極拓展谷子市場，實施“名、優、特”品牌戰略，不斷促進谷子產業向區域規模化、種植標準化、無公害化發展[29,31]。

4 結 論

(1)陜北黃土丘陵區玉米、谷子、馬鈴薯作物在全生育期內(5-9月)的需水量要高于同期降水量，谷子在全生育期需水量最小，顯著低于玉米和馬鈴薯168.75和142.44 mm(p<0.05)；

(2)作物在生育期受旱發生頻率大小為6月>8月>5月>9月>7月；

(3)3種作物需水與降水的耦合度與生育期月份呈現良好的3次多項式關系，擬合程度較高，決定系數(R2)在0.80以上，3種作物的需水與降水耦合度在6月份最低，谷子的需水與降水的耦合度在7、8和9月份顯著高于玉米和馬鈴薯的需水與降水耦合度(p<0.05)；

(4)干旱現象在未來5和9月份會持續出現，而在6-8月會出現減弱趨勢，3種作物需水與降水的耦合度在未來5和6月會持續前期不變。玉米和馬鈴薯需水與降水耦合度在未來7-9月會呈現增加趨勢，谷子需水與降水耦合度增加趨勢要高于同期玉米和馬鈴薯。

(5)建議加大谷子產業，縮減高耗水作物種植面積，采用集雨補灌和溝壟覆蓋種植技術相結合來滿足作物對水分的需求，達到增產增收目的。