广元市主要农作物需水量时空特征分析

刘会斌，王 勤，甘建辉，黄明德，刘运成，罗小华，王和训，顾洪国

(1.四川省广元市气象局，四川 广元 628017;2.四川省剑阁县气象局，四川 剑阁 628300)

广元市主要农作物需水量时空特征分析

刘会斌1，王 勤1，甘建辉1，黄明德2，刘运成1，罗小华1，王和训1，顾洪国1

(1.四川省广元市气象局，四川 广元 628017;2.四川省剑阁县气象局，四川 剑阁 628300)

选取广元地区1971—2000年(30a)地面气象资料及1985—2009年(25a)农气观测站发育期资料，采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式及作物系数，计算出广元市主要农作物逐月(日)平均需水量，并利用Kriging插值法得到各作物需水量的空间分布。根据典型年(丰水年、枯水年及平常年)作物需水量与当月降水量相关分析结果，降水接近多年平均时，腾发量与之基本持平，丰水年腾发量小于降水量，枯水年腾发量远大于降水量;作物需水量空间分布上，东部与南部大于西部与北部。

彭曼公式;Kriging插值;作物需水量;时空分布特征;广元市

1 前言

广元市位于四川盆地北部边缘，地处米仓山、龙门山和盆北低山三大地貌单元的交汇地带，具有典型的季风气候特点。广元降水丰富，但时空分布不均，是导致季节性干旱的根本原因。国内对气象干旱研究作了大量研究［1，2］，而气象干旱不一定对农业致害。当农作物体内水分发生亏缺，影响正常生长发育时才形成一种农业气象灾害，即所谓的农业干旱［3］。评判作物的水分亏缺需考虑作物所处的发育期及作物本身对水分的需求。本文通过作物需水量的时空分布特征分析，研究作物需水规律［4］，对农业干旱预警，计算灌溉用水量，制订抗旱规划，为有效防御干旱提供理论依据。

2 资料与方法

2.1 资料

气象资料来自广元市5个国家气象站1971—2000年(30 a)的逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、平均水汽压、平均风速。作物发育期资料源于农业气象观测站(广元1985—2002，苍溪2003—2009年)水稻、冬小麦、夏玉米、油菜生育期资料，取各生育期平均值作为本文分析的发育期资料，再计算作物生育期内平均逐日需水量。

2.2 方法

本文采用联合国粮食及农业组织(简称FAO)推荐的Penman-Monteith公式，计算参照作物蒸腾蒸发量(Reference Evapotranspiration，以下简称作物腾发量)。该公式全面考虑了空气动力学阻抗和作物冠层阻抗对农田蒸散的影响，具有很好的适用性。据FAO定义，作物需水量为“一种作物生长在开阔的田地中，土壤条件(水、肥)不受限制，在给定的生长环境中充分发挥生产潜力的状况下，满足作物蒸散耗水所需的水分”。

Penman-Monteith计算公式为：

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，单位mm/d;△：温度—饱和水汽压关系曲线上在T处的切线斜率 kpa/℃，△ =4098 × еa/(T+237.3)2;Rn：地面净辐射蒸发量(MJ·m-2·d-1);G：土壤热通量(MJ·m-2·d-1)，G=Ti-Ti-1(Ti计算当日的平均气温，Ti-1计算前3d的平均气温);γ：干湿表常数，pa/℃，γ=0.00163 ×p/λ;p：气压，p=101.3 ×((293-0.0065×Z)/293))5.26，(式中：Z为计算地点海拔高程，m);T：平均气温(℃);λ：潜热(MJ·kg-1)，λ =2.501-(2.361 ×10-3) ×T;еa-еd：饱和水汽压与实际水汽压的差值，kpa;еa=0.611×exp×(17.27×T/(T+237.3))，kpa;u2：2m 高处的风速(m/s)。

利用彭曼公式可以通过编程或利用电子表格Excel计算，本文采用Excel表，计算结果略。

2.3 作物需水量

式中，ETm为作物需水量;Kc为作物系数;ET0为参考作物蒸散量。在考虑取值时将作物的生长发育划分为4个阶段(见图1)。

图1 作物生育期作物系数Kc变化曲线

不同时段需水量不同，对不同作物又有不同的划分。作物系数取值见表1。

表1 主要农作物作物系数表

3 主要农作物需水量空间分析

3.1 广元地区各站作物需水量

图2 广元各站参考作物腾发量逐月变化

表2 各月作物腾发量与各月降水的相关分析

3.1.1 作物腾发量的四季变化 从参考作物腾发量季节变化(见图2)可以看出，以夏季腾发量最大，冬季最小，7-8月为全年的高值段，春季稳步上升，秋季迅速下降，12—次年1月则处于较低水平。对各月作物腾发量与各月平均降雨量进行相关分析(见表2)，发现两者存在明显的正相关，这可能与广元雨热同季有关。3.1.2 三种典型年参考作物腾发量的计算 分别计算各站丰水年(30 a降水量最大值)、枯水年(30 a最小值)及平年(接近30 a平均值)3种典型年份逐月(日)腾发量ETo，并计算该值与当年逐月降水量R的差值(见表3)，得到结果是丰水年大于平年大于枯水年，与高惠嫣［5］等人的研究结论类似。降水量与腾发量的差值，枯水年为负值，丰水年呈现较大的正值，正常年份两者差值或正或负，绝对值较小。降水量小，腾发量大的年份，干旱重;降水量大，腾发量小，为丰水年或者发生洪涝年。降水量与腾发量两者的差值体现出水份平衡状况或盈亏，水份失衡是形成旱涝的重要致因。

表3 典型年份作物腾发量与同期降水量的差值(mm/d)

3.1.3 主要农作物的需水量分析 主要农作物全生育期平均需水量(见表4)，同一地区不同种作物需水量关系是：水稻＞玉米＞冬小麦＞油菜。不同种作物全生育期处于全年中不同的季节(见图3)，需水量不同。冬小麦与油菜(图3c、图3d)属越冬作物，冬前对水份需求较小，春季随着气温回暖，作物生育进程加快，进入积极生长阶段，作物需水量逐步增加，而后稳定在较高水平，灌浆成熟(绿熟)后，需水量迅速下降。夏玉米与水稻(图3a、图3b)主要生育期在夏半年，需水量较大。

表4 全生育期作物需水量(mm/d)

3.2 基于GIS的需水量空间分布

地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，在气象上也得到广泛关注和应用［6］。采用 GIS中克里金(Kriging)插值法又称空间自协方差最佳插值法，将上面点需水量的计算结果，作出广元地区主要农作物的需水量分布图(图4)。可以看出，水稻、冬小麦、夏玉米、油菜各作物的需水量空间分布规律不尽相同，因为作物的生育期不同，参考作物蒸散量会有所不同，导致实际需水量不同。

4 结论

从多年平均来看，作物腾发量与降水量变化基本一致，夏季多，冬季少。变化规律是春季逐步增加，夏季达到最大，秋季迅速减少，这与雨热同季的气候特点有关。统计分析典型年作物腾发量与降水量的关系，反映出平年降水与腾发量基本持平，丰水年腾发量大于降水量，枯水年腾发量远大于降水量。各种作物全生育期处于全年中不同时段，需水量差异较大。

［1］ 李玉柱，吉廷艳，杨利群.贵州气候灾害综合分析方法研究［J］.贵州气象，2000，24(03)：21-24.

［2］ 高阳华，冉荣生，唐云辉，等.重庆市干旱的分类与指标［J］］.贵州气象，2001，25(06)：16-18.

［3］ 李星敏，杨文峰，高蓓，等.气象与农业业务化干旱指标的研究与应用现状［J］.西北农林科技大学学报，2007，35(7)：111-116.

［4］ 刘宏谊，马鹏里，杨兴国，等.甘肃省主要农作物需水量时空变化特征分析［J］.干旱地区农业研究，2004，23(1)：40-44.

［5］ 高惠嫣，杨路华，杜秀萍，等.参照作物蒸发量变化规律的探讨［J］.河北农业大学学报，2005，28(4)：104-107.

［6］ 郜邦勋，武江林.基于GIS环境的降雨量等值线(面)分析方法［J］.贵州气象，2004，28(05)：30-33.

S161

B

1003-6598(2011)03-0031-03

2011-01-25

刘会斌(1962-)，男，工程师，主要从事天气预报及业务管理等工作。

四川省气象局科学技术研究开发课题川气课题2009—13“灾害风险评估与作物适应性气候区划相关问题研究”;川气课题2009-13-02“广元市农业干旱的风险性评价指标与模型研究”。