黑龍港流域夏玉米生育期需水量變化特征及影響因素

賈英全， 杜娜欽， 李積銘

(1.桃城區農業農村局，河北 衡水 053000； 2.安平縣農業農村局，河北 衡水 053600；3.河北省農林科學院旱作農業研究所 河北省農作物抗旱研究實驗室，河北 衡水 053000)

黑龍港流域地處河北省東南部，在全國農業生產中占有重要的戰略地位，該地區玉米產量對于確保全國的糧食安全具有重要意義[1]。黑龍港流域是華北地區最大地下水漏斗區，水資源短缺已經成為制約當地農業發展的重要因素[2]。因此，分析當地玉米生長季需水變化特征對于減少地下水用水量、提高降水利用效率以及修復地下水環境具有重要意義。前人對河北省夏玉米生育期內需水特征、降水特征等做了相關研究[3-4]。孫宏勇等[5]梳理了三河市40 a來氣溫和降水的變化，分析了氣候變化對三河市農業生產的影響。曹永強等[6]通過對河北省夏玉米主產區8個氣象站點近50 a氣象資料進行分析，發現河北省夏玉米需水量呈現逐漸下降趨勢。代立芹等[7]以有效降水量代替實際降水量計算水分虧缺指數，對河北省玉米生長季干旱分布特征、變化趨勢和變化成因進行了分析。魏鐘博等[8]分析了黑龍港流域夏玉米生育期降水、需水和干旱時空分布特征，發現需水量的變化與平均日照時數、平均風速呈高度正相關。

近年來，關于河北省夏玉米需水變化特征的研究雖然多有報道，但河北省不同地點氣候略有差異，目前針對黑龍港流域夏玉米生育期需水規律的相關研究鮮有報道。因此，為了更好地了解黑龍港流域夏玉米需水變化特征及氣候影響因素，提高降水利用率，減少灌溉用水，本文利用黑龍港流域氣象資料，通過分析當地1960—2010年夏玉米生育期需水特征、降水特征、氣象因子的變化，為黑龍港流域夏玉米的科學用水及農業生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究所用氣象資料來自中國氣象數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)，選取饒陽氣象站自1960—2010年逐日氣象資料，包括日最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、風速、相對濕度等指標。

1.2 研究方法

1.2.1 夏玉米需水量計算

利用FAO推薦的Penman-Monteith公式[9]計算ET0如下所示：

(1)

式中，Rn為冠層表面凈輻射；G為土壤熱通量；T為平均溫度；es為飽和水汽壓；ea為實際水汽壓；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線在T處的切線斜率；r為濕度計常數；U2為2 m高處的風速。

采用FAO推薦的分段單值平均作物系數法[10]計算玉米逐日需水量。玉米各生育期內需水量及總需水量由生育期內逐日需水量累加得出。根據玉米不同生長階段的作物系數可以計算得到玉米需水量，如下所示：

ETc=Kc·ET0。

(2)

式中：ETc為玉米逐日需水量；Kc為作物系數；ET0為逐日參考玉米蒸散量。黑龍港流域夏玉米生育期劃分：初始生長期為6月19日—7月6日，快速發育期為7月7日—8月4日，生育中期為8月5日—9月4日，成熟期為9月5日—9月28日，初始生長期、快速發育期、生育中期和成熟期平均作物系數分別確定為0.49、1.15、1.24、0.56[6,8]。

1.2.2 有效降水量

有效降水量指總降水量中能夠滲入土壤并儲存在作物根系吸水層中的降雨量，采用下式計算[11]：

Pe=σ·P。

(3)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是該次降水總量；σ是降雨的有效利用系數。當P≤5 mm時，σ=0；當550 mm時，σ=0.74。

1.2.3 氣候傾向率

將某一要素年際間變化趨勢采用線性回歸方程分析[12]，得到如下公式：

y=a0+a1t。

(4)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0為常數；a1為回歸系數，10a1表示要素每10 a的變化率，即氣候傾向率。

1.3 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2013軟件進行整理和圖表繪制，Eviews 8.0對數據進行相關分析、回歸分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 夏玉米生育期需水量及有效降雨量的變化

黑龍港流域夏玉米整個生育期多年平均需水量為417.42 mm，最大需水量為496.74 mm(1965年)，最小需水量為368.47 mm(1995年)。多年平均有效降水量為295.40 mm，最大有效降水量為592.20 mm(1985年)，最小有效降水量為84.6 mm(1997年)。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-5.92 mm·(10 a)-1和-20.16 mm·(10 a)-1，兩者都達到顯著水平(圖1、表1)。

表1 黑龍港流域夏玉米不同生育時期水分特征變化

圖1 黑龍港流域夏玉米需水量、有效降水量以及水分虧缺年代變化特征

初始生長期多年平均需水量為95.53 mm，最大需水量為120.28 mm(2009年)，最小需水量為51.54 mm(2002年)。多年平均有效降水量為48.12 mm，最大有效降水量為145.54 mm(1981年)，最小有效降水量為0 mm。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-2.16和-0.44 mm·(10 a)-1，但變化趨勢不顯著。

快速發育期多年平均需水量為129.16 mm，最大需水量為159.72 mm(1968年)，最小需水量為97.37 mm(1996年)。多年平均有效降水量為123.96 mm，最大有效降水量為378.03 mm(1994年)，最小有效降水量為4.95 mm(1998年)。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-1.78和-10.79 mm·(10 a)-1，變化趨勢不顯著。

生長中期多年平均需水量為118.06 mm，最大需水量為140.13 mm(1997年)，最小需水量為91.84 mm(1995年)。多年平均有效降水量為97.21 mm，最大有效降水量為277.50 mm(1985年)，最小有效降水量為5.94 mm(1965年)。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-1.75和-7.87 mm·(10 a)-1，變化趨勢不顯著。

成熟期多年平均需水量為74.67 mm，最大需水量為93.06 mm(1994年)，最小需水量為51.54 mm(1985年)。多年平均有效降水量為26.11 mm，最大有效降水量為101.58 mm(1964年)，最小有效降水量為0 mm。需水量和有效降水量隨年份變化均呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-0.23和-10.6 mm·(10 a)-1，變化趨勢不顯著。

2.2 夏玉米生育期缺水量及水分虧缺指數的變化

1960—2010年，全生育期內的缺水量在-197.66～345.17 mm，多年平均缺水量為122.02 mm，隨時間推移整體呈現上升趨勢，氣候傾向率為14.24 mm·(10 a)-1。初始生長期缺水量在-48.56～116.48 mm，平均缺水量為47.41 mm，隨時間推移整體上呈現下降趨勢，氣候傾向率為-1.71 mm·(10 a)-1。生長發育期缺水量在-239.52～138.98 mm，平均缺水量為5.20 mm，隨時間推移整體上呈現上升趨勢，氣候傾向率為9.01 mm·(10 a)-1。生長中期缺水量在-165.76～134.01 mm，平均缺水量為20.85 mm，隨時間推移整體上呈現上升趨勢，氣候傾向率為6.11 mm·(10 a)-1。生長末期缺水量在-43.27～85.73 mm，平均缺水量為48.56 mm，隨時間推移整體上呈現上升趨勢，氣候傾向率為0.83 mm·(10 a)-1。各個生育時期缺水量均不顯著，屬于正常波動。

2.3 氣象因子變化特征

圖2顯示，整個生育期多年平均氣溫為24.40 ℃，氣溫隨年份變化均呈升高趨勢，氣候傾向率為0.07 ℃·(10 a)-1，未達顯著水平。生育期內總日照時數為763.74 h，隨年份變化均呈下降趨勢，未達顯著水平。整個生育期多年平均相對濕度為74.66%，隨年份變化均呈下降趨勢，氣候傾向率為-0.47%·(10 a)-1；平均風速為1.95 m·s-1，隨年份變化均呈升高趨勢，氣候傾向率為0.01 m·s-1·(10 a)-1，兩者均未達顯著水平。

圖2 黑龍港流域夏玉米全生育期氣象因子變化特征

由表1、2可知，4個生長時期中，平均氣溫隨年份變化呈逐漸升高趨勢，但未達顯著水平，日照時數隨年份變化呈減少趨勢，且在初始生長期、生長發育期和生長中期均通過了顯著性檢驗。相對濕度隨年份變化也呈減少趨勢，但僅在生長發育期通過了顯著性檢驗。平均風速在初始生長期隨年份變化呈減少趨勢，在生長發育期、生長中期和生長末期均呈升高趨勢，但均未達顯著水平。

2.4 夏玉米需水量與氣象因子的相關性分析及回歸方程

夏玉米各生育時期需水量受多個氣象因子的影響，但不同氣象因子對需水量的影響程度不同。日最高氣溫、日照時數和平均相對濕度在4個生育時期均與夏玉米需水量呈顯著相關，日最高氣溫、日照時數與需水量呈顯著正相關，平均相對濕度與需水量呈顯著負相關。平均氣溫在夏玉米初始生長期和生長發育期與需水量均呈顯著正相關，降雨量在夏玉米初始生長期與需水量呈顯著負相關(表3)。

表2 黑龍港流域夏玉米各生育時期氣象因子隨年代變化特征

表3 夏玉米生育期需水量與氣象因子的相關性分析

通過多元回歸分析，將影響夏玉米各生育階段需水量的重要氣象因子建立回歸方程(表4)。

表4 黑龍港流域夏玉米不同生育時期需水量與重要氣象因子的回歸方程

3 小結與討論

隨著社會經濟不斷發展，農業生產環境也逐漸發生了改變，一些學者為了應對氣候環境對農業生產帶來的挑戰，對河北省農作物需水量、缺水量等進行了一系列的研究。李春強等[13]研究結果表明，河北省夏玉米需水量在近35 a來呈減少趨勢，每10 a全省平均下降9.7 mm。劉曉英等[14]研究了華北地區夏玉米需水量的變化，發現華北地區夏玉米生育期需水量同樣呈下降趨勢，每10 a下降8.3～24.3 mm。本研究結果表明，1960—2010年黑龍港流域夏玉米各生育時期需水量均呈減少趨勢，生長發育期是其需水高峰期，整個生育期多年平均需水量為417.42 mm，氣候傾向率為-5.92 mm·(10 a)-1，達顯著水平，這與王宏等[15]研究結果一致。有效降水量在4個生長時期均呈減少趨勢，多年平均有效降水量為295.40 mm，氣候傾向率為-20.16 mm·(10 a)-1，初始生長期有效降水量減少幅度最小，生長發育期減少幅度最大。通過進一步分析發現，黑龍港流域夏玉米缺水量在初始生長期呈減少趨勢，其他3個時期缺水量均呈增加趨勢，說明黑龍港流域夏玉米缺水量受有效降水量的變化。黑龍港流域夏玉米生育期缺水量呈增加趨勢，因此，未來干旱風險將會增加，應該通過培育抗旱玉米品種及節水栽培措施來規避干旱風險。

近年來，河北省大部分地區氣溫、日照時數、太陽輻射、風速等發生了明顯的變化[16-17]，多氣象要素的變化對夏玉米需水量等的影響至關重要，分析黑龍港流域夏玉米生長期內氣象因子的變化趨勢，對于當地農業生產、水資源利用等有重要意義及指導作用。本研究結果顯示，黑龍港流域夏玉米生育期平均氣溫、平均風速隨年度變化均呈升高趨勢，平均風速在初始生長期呈降低趨勢，在其他3個時期呈升高趨勢；日照時數和相對濕度均呈降低趨勢。日照時數的變化在初始生長期、生長發育期和生長中期達顯著水平，相對濕度和平均風速變化分別在生長發育期和生長中期達顯著水平。黑龍港流域夏玉米生育期需水量整體呈減少趨勢，需水量變化趨勢與日照下降趨勢相一致，由于日照減少造成到達地面的能量減少，故1960—2010年來黑龍港流域日照的減小是作物需水量下降的主要原因。

黑龍港流域夏玉米需水量和氣象因子關系密切，但不同生育時期各有差異，在初始生長期，夏玉米需水量與平均氣溫、日最高氣溫、日照時數呈極顯著正相關關系，與降雨量及平均濕度呈極顯著負相關關系，建立的回歸方程為ETc=17.51+2.89X1+0.210X5-0.44X6+6.89X7；在快速發育期，夏玉米需水量與平均氣溫、日最高氣溫、日照時數呈極顯著正相關，與相對濕度呈極顯著負相關，回歸方程為ETc=18.86+3.45X2+0.23X5-0.63X6+5.38X7；在生長中期，夏玉米需水量與日最高氣溫、日照時數呈極顯著正相關關系，與相對濕度呈極顯著負相關關系，回歸方程為ETc=34.16+2.91X1+0.19X5-0.66X6+3.73X7；在成熟期，夏玉米需水量與日照時數、日最高氣溫呈極顯著和顯著正相關，與相對濕度呈極顯著負相關關系，回歸方程為ETc=36.97+3.89X1+0.14X5-0.58X6+4.91X7。本研究結果反映了黑龍港流域玉米不同生長時期的需水特征與各氣象因子的關系，能夠為黑龍港流域的夏玉米灌溉提供理論依據。