豫西烤煙大田期需水量和灌溉需水量的時空變化及其原因分析

蔡濤 王國安

（1 中國氣象局河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2 河南省三門峽市氣象局，三門峽 472000；3 河南省氣象探測數據中心，鄭州 450003）

0 引言

近百年來，氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化[1]。IPCC指出，近百年來全球平均氣溫升高0.74 ℃，且近50年升溫率是過去100年的2倍[2]，迄今為止，地球的溫室效應比歷史上任何一個時點都更加嚴重[3]。研究表明，氣候變化已經使得作物參考蒸散量和需水量都發生了明顯變化，但不同區域、不同作物變化存在差異[4］，21世紀全球氣候變暖條件下的水資源危機在我國將更加嚴重，水資源不足已經成為制約我國農業生產和發展的主要因素。

近年來有不少專家學者對氣象變化條件下作物需水量變化規律進行了相關研究[5-7]。劉小剛等[8]分析了河南省主糧作物需水量和灌溉需求指數時空分布特征和變化趨勢，并使用通徑分析法分析了需水量的變化成因；黎世民等[9]等用作物系數法計算了河南省葡萄需水量，分析了其年際變化趨勢和主要影響因子；針對烤煙需水量的研究，冷璐等[10]通過田間試驗研究了烤煙不同生階段的需水特征，表明烤煙生長季內需水量具有明顯的階段性；鄭東方等[11]利用Penman-Monteith公式對云南省烤煙需水量時空變化及灌溉指數進行了系統研究，結果表明，云南省烤煙大田期多年平均需水量為528.18～764.08 mm，且呈逐年減少趨勢；張波等[12]分析了1961—2015年貴州省烤煙的水分供需變化特征，得出其大田期多年平均有效降水量和需水量分別為152.8～284.8 mm、332.5～412.6 mm，烤煙在不同生育階段有效降水量和需水量隨時間變化均呈遞減趨勢。目前，針對河南省區域內烤煙水分供需特征的研究卻不多見。在需水量計算方法方面，聯合國糧食與農業組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式法，考慮了影響蒸散的大氣物理特性和植物生理機制，具有很好的物理基礎，被廣泛應用[13]。

河南省西部（以下簡稱豫西）地處秦嶺山脈東延與伏牛山、熊耳山、崤山交匯地帶,海拔高度300～1600 m，屬山地丘陵地貌，山地、丘陵面積占總面積的90%以上[14]，跨長江、黃河兩大流域，土壤富含有機質和磷、鉀等微量元素，適宜優質烤煙的種植，是河南省烤煙主產區。2019年豫西地區烤煙種植面積為3.44 萬hm2，占河南省烤煙總種植面積的40%；總產量為8.56 萬t，占河南省烤煙總產量的38%[15]。本研究基于豫西地區烤煙種植縣9個氣象站1970—2019年的逐日氣象數據和2017—2019年土壤水分自動站水分貯存量數據，結合Penman-Monteith公式和作物系數法計算烤煙大田期需水量和灌溉需水量，以此分析豫西地區烤煙大田期的水分供需時空特征，為烤煙種植布局以及水資源合理利用提供科學參考，也為氣候變化背景下的節水灌溉和農田水利工程規劃提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 資料來源

使用了豫西煙區盧氏、靈寶、三門峽、澠池、洛寧、欒川、嵩縣、宜陽、新安共9個氣象站點（空間分布見圖1）1970—2019年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、相對濕度、平均風速、日照時數數據、2017—2019年土壤水分自動站水分貯存量數據、以及各站點的經緯度和海拔高度等信息，上述數據均來源于河南省氣象檔案館。豫西烤煙大田期起止時間依據吳璐等[16]的研究結果定為5月10日—9月20日。

圖1 豫西烤煙種植區氣象站點分布Fig.1 The distribution of weather stations in flue-cured tobacco growing area in western Henan Province

1.2 計算方法

1）烤煙需水量

烤煙需水量是指滿足烤煙生長并發揮全部生產潛力而蒸發蒸散的水分總量，其生育期內需水量由生育階段內逐日需水量累加得到。需水量使用FAO推薦的作物系數法計算求得，計算公式如下：

式中，ETC為作物需水量（mm·d-1）；KC為作物系數，受作物生長期、種類、生育期、葉面積指數、地域差異等各方面的影響，不同環境下作物系數有所差別，作物系數反映的是作物本身的生物學特性對作物需水量的影響[17]。采用FAO推薦的分段單值平均作物系數法[18],確定烤煙作物系數伸根期為0.7，旺長期為1.0，成熟期為0.8；ET0為參考作物蒸散量(mm·d-1)，采用FAO修訂的Penman-Monteith模型計算，公式如下：

式中，ET0為參考作物蒸散量為飽和水汽壓—溫度曲線斜率（kPa·℃-1），Rn為太陽凈輻射（MJ·m-2），由日照時數計算得到，G是土壤熱通量為濕度計常數（kPa·℃-1），T為日平均氣溫（℃），es為飽和水汽壓（kPa），ea為實際水汽壓（kPa），u2為2 m高處的風速（m·s-1）。其中u2均可通過本文所用氣象數據計算求得，具體計算方法參考文獻[19]。大田期需水量即為大田期內每日作物需水量之和。

2）有效降水量

有效降水量是指總降水量保存在作物根系層中滿足作物蒸發—蒸騰所需的那部分水量，即代表總降水量中的有效部分。影響有效降雨的主要因子有降雨強度、土壤質地及結構、地形及平整度、降水前的土壤含水率、作物種類及生育階段等[20]。本研究使用有效降水系數法[21]求得有效降水量，公式為：

式中，Pe為有效降水量（mm），a為有效降水系數，P為日降水量（mm）。本研究使用各氣象站點土壤水分貯存量實測數據（即降水量滲入到土壤中的那部分降水）代表有效降水，進而分析降水量和土壤水分貯存量的變化關系，確立了有效降水系數與降水量的指數方程（圖2），得出有效降水系數圖2中α為有效降水系數，P為日降水量，n為樣本個數。

圖2 降水量與有效降水系數的相關關系Fig.2 The correlation between precipitation and effective precipitation

3）灌溉需水量

灌溉需水量即作物生育期內需水量與有效降水量之差，公式為：Wc=ETc-Pe。Wc即為灌溉需水量（mm/d）。灌溉需水量考慮了作物需水量和降水量兩項因子，可以較好地表征作物灌溉需求狀況。大田期作物灌溉需水量即為大田期內每日作物灌溉需水量之和。

1.3 數據處理和研究方法

根據上述公式計算各氣象站點逐日有效降水量、作物參考蒸散量、作物需水量、灌溉需水量等指標，統計生育期時段內單站多年平均值、研究區多站點逐年平均值、多站點多年平均值等。采用氣候傾向率法計算變化速率[22]，用趨勢系數法進行各指標變化趨勢分析[23]，使用MATLAB 2016a軟件進行Morlet小波分析[23]，SPSS 21.0軟件進行偏相關分析，使用ArcGIS 10.2軟件的克里金法進行插值繪制各指標空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 降水量和有效降水量的時空變化特征

1970—2019 年，豫西烤煙歷年大田期降水量在232.2～653.3 mm，平均值為425.1 mm，最大值出現在2003年，為653.3 mm；最小值出現在2001年，為232.2 mm；歷年大田期有效降水量在174.2～463.3 mm，平均值為309.3 mm，最大值出現在2003年，為463.3 mm；最小值出現在1997年，為174.2 mm（圖3）。降水量和有效降水量多年來整體上均呈緩慢上升趨勢，氣候傾向率分別為1.15 mm/10 a、1.752 mm/10 a，但均未通過α=0.05的顯著性檢驗，變化趨勢不顯著。

圖3 1970—2019年豫西烤煙大田期降水量、有效降水量年際變化Fig.3 Interannual variation of precipitation and effective precipitation during the field period of flue-cured tobacco in western Henan Province during 1970-2019

1970—2019年，豫西烤煙大田期平均降水量和有效降水量的空間分布如圖4所示。大田期內年均降水量為372.75～548.81 mm，呈現出從北部向南部呈逐漸遞增的趨勢。其中北部的三門峽站年均降水量最少，為372.75 mm，比豫西年均降水量偏少12%；次少站點為洛寧站379.20 mm，比豫西年均降水量偏少11%；南部欒川站大田期年均降水量最多，為548.81 mm，高于豫西地區年平均降水量29%；次多站點為嵩縣，年均降水量為442.95 mm，比豫西地區年平均值偏多4%，其他站點年均降水量在388.39～431.21 mm。豫西地區烤煙大田期年均有效降水量為277.17～395.10 mm，空間分布和降水量的空間分布幾乎一致，以三門峽站點最少，為277.17 mm，占該站年均降水量的74%，比豫西地區有效降水量年平均值偏少10%；欒川站有效降水量最多，為395.10 mm，占該站年均降水量的72%，比豫西地區有效降水量年平均值偏多28%。有效降水量的空間分布與降水量的空間分布高度相似，充分表明了兩者具有較強的相關性。

圖4 1970—2019年豫西烤煙大田期降水量（a）和有效降水量（b）的空間分布Fig.4 Spatial distribution of precipitation and effective precipitation during the field period of flue-cured tobacco in western Henan Province during 1970-2019

2.2 需水量和灌溉需水量的時空變化及其周期特征

1970—2019 年，豫西烤煙大田期需水量在422.6～544.9 mm，歷年平均值為473.7 mm，最大值出現在1997年，最小值出現在2010年，氣候傾向率為-8.436 mm/10 a，通過了α=0.01的顯著性檢驗，呈極顯著性下降趨勢。灌溉需水量在-30.1～370.6 mm，平均值為167.5 mm，其中最大值出現在1997年，為370.6mm，最小值出現在2003年，為-30.1 mm，氣候傾向率為-10.188 mm/10 a，通過了α=0.05水平顯著性檢驗（圖5）。近50年內只有1984年和2003年有效降水量大于作物需水量，說明豫西地區烤煙大田期內有效降水量不能滿足烤煙的生育需求，需要以人工灌溉等方式補充水分彌補自然降水的不足。

圖5 1970—2019年豫西烤煙大田期需水量和灌溉需水量年際變化Fig.5 Interannual variation of water requirement and irrigation water demand during the field period of fluecured tobacco in western Henan Province during 1970-2019

1970—2019年，豫西地區烤煙大田期需水量和灌溉需水量多年平均值空間分布特征見圖6，大田期需水量高值區在506～522 mm，主要分布在三門峽和澠池區域；低值區在442～458 mm，主要分布在欒川、盧氏和嵩縣區域，區域間差值較小，整體平均值為473.7 mm（圖6a）。由圖6b可知，大田期50年平均灌溉需水量高值區在206～245 mm，低值區在50～89 mm，整體平均值為167.5 mm，高值區是低值區的3～4倍，不同區域之間差值較大。需水量和灌溉需水量均呈現出由北部向南部逐漸遞減的變化特征，在欒川境內的小部分區域自然降水基本可以滿足烤煙需水量的需求，其他區域均需要人工灌補充水分，尤其是三門峽、澠池以及靈寶西部等偏北區域，烤煙需水量大，但是有效降水量卻明顯偏少，在兩個因素的共同作用下灌溉需求程度更為明顯。

圖6 1970—2019年豫西烤煙大田期需水量（a）和灌溉需水量（b）的空間分布Fig.6 Spatial distribution of water requirement and irrigation water demand during the field period of flue-cured tobacco in western Henan Province during 1970-2019

對豫西煙區需水量和灌溉需水量進行Morlet小波分析，得到了小波變換實部等值線圖和方差圖（圖7），近50年需水量和灌溉需水量在不同時間尺度上的振蕩周期與變化特征，通過灰度表示信號振蕩的強弱。灰度越大，需水量和灌溉需水量比常年值越偏少；灰度越小，需水量和灌溉需水量比常年值越偏多。從圖7a可知需水量在15～33 a尺度上周期振蕩很明顯，高－低交替震蕩變化穩定，50 a間呈現出“多－少－多”的變化特征，結合小波方差圖（圖7b）可知在25 a小波方差為第一峰值，說明需水量存在一個25 a的變化主周期，即在25 a左右會經歷一個由大到小的過程，另外還有7 a和43 a的次周期。從圖7c中可以看到灌溉需水量則在13～24 a周期振蕩明顯，且具有全域性。由圖7d可知，17 a尺度下的小波方差值為第一峰值，所以灌溉需水量變化主周期為17 a，此外還存在非常明顯的第二峰值和第三峰值，分別為7 a和38 a的次周期。

圖7 1970—2019年豫西烤煙大田期需水量和灌溉需水量小波變換實部等值線圖和方差圖Fig.7 Morlet wavelet transform real-contour maps and wavelet variance maps of flue-cured tobacco field water requirement and irrigation water demand in western Henan during 1970-2019

2.3 需水量和灌溉需水量相關氣象因子的變化及其主要氣象影響因子

氣象因子影響著烤煙需水量和灌溉需水量的變化，不同氣象因子之間又相互作用，如果直接計算各氣象因子與統計量之間的相關系數難以真實反映變量之間的本質聯系，因此，采用偏相關分析法，在控制其它氣象因子不變的前提下計算不同氣象因子與統計量的偏相關系數（表1），偏相關分析更能真實地反映氣象因子與統計量之間的關系。從表1可知，需水量與日照時數、風速呈顯著性正相關，與相對濕度呈顯著性負相關，與降水量、平均氣溫相關性不顯著。灌溉需水量與日照時數和平均氣溫呈顯著性正相關，與降火量和相對濕度呈顯著性負相關，與風速相關性不顯著。由圖8可知，近50 a日照時數和相對濕度呈顯著性下降趨勢，平均氣溫和降水量均呈不顯著上升趨勢，風速呈不顯著下降趨勢。由日照時數、風速導致需水量下降的負增量大于由相對濕度以及平均氣溫引起需水量上升的增量值，從而使需水量呈現出逐年下降的趨勢。灌溉需水量在需水量下降和降水量增多的雙重作用下呈現出比需水量更加明顯的下降趨勢。日照時數與需水量相關系數最大，而降水量與灌溉需水量關系最密切，日照時數次之，但這一時段內降水量的變化趨勢并不顯著，充分說明日照時數下降是引起需水量和灌溉需水量下降的最主要原因。

圖8 影響豫西烤煙大田期需水量、灌溉需水量主要氣象因子50年氣候變化Fig.8 Climate change of the main meteorological factor 50a affecting field water requirement and irrigation water demand of flue-cured tobacco in western Henan Province

表1 豫西烤煙大田期需水量、灌溉需水量與主要氣象因子的偏相關系數Table 1 Partial correlation coefficients between water requirement,irrigation water demand and main meteorological factors during the field period of fluecured tobacco in western Henan Province

3 結論

1）1970—2019年豫西烤煙大田期作物需水量平均值為473.7 mm，灌溉需水量平均值為167.5 mm，均呈顯著性下降趨勢的變化趨勢。小波分析表明，需水量和灌溉需水量在大田期內存在不同的振蕩周期，其中需水量存在15～33 a的振蕩周期，25 a為主周期；灌溉需水量在13～24 a周期振蕩明顯，17 a為主周期。

2）在空間變化上，豫西地區烤煙大田期作物需水量和灌溉需水量從南向北呈逐漸增加趨勢，以欒川最小，向北逐漸增加，三門峽站最大。

3）研究區烤煙大田期需水量與日照時數相關性最強，灌溉需水量與降水量關系最密切，日照時數次之。

4）日照時數的顯著性下降是影響豫西烤煙需水量和灌溉需水量顯著性下降的主導因子。

4 討論

由于目前對河南省區域內烤煙水分供需變化的研究較少，而在河南省內烤煙與夏玉米、夏花生的大田生育期相接近，因此夏玉米和夏花生的水分供需變化規律可為烤煙提供參考。本研究結果表明，1970—2019年豫西烤煙大田期作物需水量和灌溉需水量呈顯著性下降趨勢，這與張杰等[24]、黃仲冬等[25]對河南省夏玉米和張建濤等[26]對河南省夏花生的研究結果相一致。姬興杰等[27]也發現河南省1971—2010年參考作物蒸發蒸騰量總體呈下降趨勢。從總體上看由于日照時數減少使得到達地面的輻射減少、能量下降，風速下降削弱了陸地與大氣的水分和能量交換強度[28]，日照時數和風速的下降引起烤煙需水量的下降抵消了相對濕度下降和氣溫升高引起需水量升高的增量。另一方面，需水量下降和降水量的上升使得灌溉需水量呈現出更加明顯的下降趨勢，這與黃仲冬等[25]的研究結果一致。

從豫西烤煙大田期近50年灌溉需水量年際變化來看僅有1984年和2003年小于0，說明豫西烤煙大田期內自然降雨量大多數年份不能滿足需水量的要求，特別是在北部低值區有效降水嚴重不足，需要依賴人工灌溉等方式以彌補充自然降水的不足，以保證烤煙正常的生長發育。楊森等[29]也表明除豫南外河南省其它產區均有不同程度的農田水分虧缺，尤其豫西地區自然降雨量少且農田耗水量大，水分虧缺最為嚴重。

本文在計算有效降水量時利用研究區實測數據確立了貼合本地實際情況的有效降水系數，進而提高了有效降水量和灌溉需水量的計算精確性，為豫西煙區合理灌溉提供了理論依據。本文僅從氣象因素方面分析了需水量的時空分布，沒有考慮地形地勢、土壤質地、下墊面狀態等其他因子的影響，還需在今后做進一步的分析研究。