陆耀凡,廖雪萍,陈欣,史彩霞,林振敏
(1.百色市气象局,广西百色533000;2.广西气象减灾研究所,南宁530022;3.田东县气象局,广西田东531500;4.广西气象服务中心,南宁530022)
全球气候变暖使持续性和季节性的干旱成为威胁农业生产的重要因素之一,保障有效灌溉仍然是确保农作物稳产高产的重要手段[1]。研究区域作物灌溉需水量,对有效利用水资源提高作物产量以及实现水资源合理调配具有十分重要的意义。作物需水量及其灌溉需水量与变化规律的研究一直受到国内外许多学者的重视,20世纪20年代丁颖教授在广州进行水稻需水量试验,到了20世纪80年代初我国作物需水量研究与灌溉试验工作进入第2次高潮[2],有很多学者主要运用能量平衡法即彭曼方程开展了农田、作物需水量及灌溉量的计算方法、预测模型、空间分布规律等方面的研究,取得了系列成果[3-9],之后随着全球气候变暖导致干旱极端事件频发、水资源匮乏,不少学者开始关注气候变化对作物灌溉量影响的研究[10-11]。右江河谷是广西少雨地区之一,且降水量季节分布不均,年际变化大,春旱和秋旱频繁发生,其中春旱发生的频率达70%~90%;随着气候的变暖,该区除3、6、7月份外,其余月份干旱有所加剧[12]。旱灾已成为制约右江河谷甘蔗、玉米等旱地作物生长发育以及产量提高的主要气象因素[13-15]。因此开展右江河谷旱作灌溉需水量研究,通过计算右江河谷甘蔗、玉米旱作生育期有效降水量、水分盈亏指数和灌溉需水量,掌握需水量的变化规律,为制定旱作灌溉决策和水资源规划提供重要依据。
右江河谷位于云贵高原余脉之内,在广西百色市的中部,包括右江区、田阳县、田东和平果县的平原地带,呈东南一西北走向,东西长1.30×105m,南北宽2×104m,土地总面积3.4×106m2,其中耕地面积7.04×104km2,占百色市耕地的27.2%,人口75万[16]。该区年平均气温22.0℃,≥10℃活动积温7730℃,无霜期345d,太阳辐射年总量460KJ/cm2左右,是广西辐射量最丰富的地区之一;年降雨量1086~1325mm,年降水变率15%。研究区以早玉米-晚稻-冬菜一年三熟为主,在旱地较多的地方,主要是春秋季玉米复种、玉米与甘蔗间种。右江河谷已于2008年列入我国甘蔗布局优势区域之一,同时也是广西玉米主产区之一[17]。截止2010年,右江河谷甘蔗种植面积约4.7×104km2,约占百色市甘蔗种植面积的98%;玉米种植面积也达到了3.3×104km2,约占百色市玉米种植面积的三分之一。
表1 右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各发育期需水量
所用1971-2013年历年逐日降水量资料取自百色、田阳、田东和平果4个县区气象观测站历年实测值。
考虑到右江河谷各县区的气候条件相差不大,甘蔗(宿根)、(春)玉米的播种、生长发育进度差异不大,因此各站甘蔗、玉米平均发育期由平果站1990~2013年甘蔗、1994~2013玉米各发育期实测值统计所得。
1.3.1 作物需水量ETc
为方便起见,本文参考易燕明等人用彭曼公式计算得到的百色甘蔗、玉米逐旬需水量[10],推算出右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各发育期的平均每日需水量。
1.3.2 水分盈亏指数CWSDI
用水分盈亏指数表征旱作各生育期水分盈亏程度[13]。即
其中ETc为研究对象甘蔗、玉米生育期阶段内的需水量,Pe为相应生育期阶段内有效降水量。CWSDI>0表示水分盈余,CWSDI=0表示水分收支平衡,CWSDI<0表示水分亏缺。本文采用美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量分析法[19]计算Pe,即:
1.3.3 灌溉需水量Is
灌溉需水量是作物生育期内总需水量与总有效降水量之差[12]。表达式为:
式中,∑ETc是作物生育期总需水量,∑Pe是作物生育期总有效降水量。
气象要素的趋势变化采用一元线性回归方程X(t)=at+b(t=l,2,…n)来拟合,其中x为气象要素值,t为年序数,a为趋势变化率,它的绝对值大小可表示气象要素随时间变化的速率,用最小二乘法确定,一般采用a×10年来衡量气候倾向率,单位为某要素单位/10a,当a为正时表示序列随时间呈上升趋势,反之则为下降趋势。采用气象要素与时间之间的线性相关系数(r)对线性趋势进行显著性检验,给定显著性信度水平α,若|r|>rα,表示气象要素随时间的变化趋势显著,否则表明变化趋势不显著[14]。
表2 右江河谷甘蔗、玉米全生育期有效降水量、水分盈亏指数和灌溉需水量年代际变化
根据平果站甘蔗、玉米生育期观测资料,统计出作物各发育期平均普遍期:甘蔗发株3月13日、茎伸长6月25日、成熟11月17日,全生育期(发株-成熟)为3月13日至11月17日。玉米播种2月10日、出苗2月26日、拔节5月1日、抽雄5月18日、乳熟6月11日、成熟7月1日,全生育期(播种-成熟)为2月10日至7月1日。参考易燕明等人研究结果,右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各发育期的需水量见表1。
2.2.1 甘蔗生育期有效降水量及其变化特征
右江河谷甘蔗全生育期有效降水量333mm(田阳、百色)~381mm(平果),平均为350mm。由图1可见,1971~2013年右江河谷甘蔗全生育期及各发育期有效降水量的变化呈减少趋势,减幅全生育期为11mm~15mm/10a,茎伸长-成熟期为9mm~13mm/10a,发株-茎伸长期为1mm~4mm/10a。其中全生育期的减少趋势平果达到极显著水平(p<0.01),田阳、百色的减少趋势达到显著水平(p<0.05),田东的减少趋势则不显著;茎伸长-成熟期的减少趋势除百色达到了极显著水平外,其余各县减少趋势达到显著水平;发株期-茎伸长期各县区的减少趋势均不显著。由表2可看出右江河谷甘蔗全生育期有效降水量的年代际变化特征呈现出不断减少的趋势。
2.2.2 玉米生育期有效降水量及其变化特征
右江河谷玉米全生育期有效降水量155mm(田阳)~194mm(平果),平均为169mm。由图1可见,1971~2013年右江河谷玉米除乳熟-成熟期有效降水量的变化呈微弱增加趋势外,全生育期及其余各生育期的有效降水量的变化呈微弱减少或不明显趋势。右江河谷玉米全生育期及各生育期有效降水量的变化趋势均不显著。由表2可看出右江河谷玉米90年代的有效降水量较其它年代偏少,21世纪前10年次少。
2.3.1 甘蔗生育期水分盈亏指数及其变化特征
右江河谷甘蔗全生育期水分盈亏指数为-0.31~-0.21,平均为-0.27,表示各县区甘蔗全生育期水分亏缺,百色和田阳水分亏缺最多;发株-茎伸长期水分盈亏指数为1.93~2.60,表示各县区该生育期阶段的水分有盈余;茎伸长-成熟期水分盈亏指数为-0.53~-0.48,表示各县区该生育期阶段的水分均亏缺。
由图1可见,1971~2013年右江河谷甘蔗全生育期及各生育期水分盈亏指数的变化呈下降趋势,全生育期降速为0.02~0.03/10a,表明水分亏缺呈现出增大趋势。全生育期各县区水分盈亏指数的下降趋势均达到显著水平;茎伸长-成熟期百色、平果的下降趋势达到显著水平,其余县的下降趋势不显著;发株-茎伸长期各县区的下降趋势均不显著。由表2可看出右江河谷甘蔗水分盈亏指数的年代际变化特征呈现出不断下降的趋势。
图1 1971-2013年右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各生育期的有效降水量
2.3.2 玉米生育期水分盈亏指数及其变化特征
右江河谷玉米全生育期水分盈亏指数-0.12(田阳)~0.10(平果),平均为-0.04,除平果全生育期水分盈余外,其余3个县区水分亏缺,以田阳亏缺最大。各生育期情况:除播种-出苗及乳熟-成熟期各县区水分亏缺外,其余各生育期均为盈余,其中播种-出苗的水分亏缺最大,平均水分盈亏指数达到-0.77。
图2 右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各生育期多年平均灌溉需水量
由图1可见,1971~2013年右江河谷大部分县区玉米全生育期及出苗-拔节期、拔节-抽雄期的水分盈亏指数的变化呈微弱下降趋势,其余生育期部分县区水分盈亏指数的变化呈微弱上升趋势。右江河谷玉米全生育期及各生育期的水分盈亏指数的变化趋势均不显著。由表2可看出90年代右江河谷玉米全生育期水分盈亏指数因其同年代平均有效降水量最少也呈现出最低的特征。
2.4.1 甘蔗生育期灌溉需水量及其变化特征
由图2可见,右江河谷甘蔗全生育期灌溉需水量为97mm(平果)~146mm(田阳),平均为128mm。其中发株-茎伸长期各地水分盈余平均为95mm,不需灌溉;茎伸长-成熟期各地灌溉需水量为210mm~232mm。
由图1可见,1971~2013年右江河谷甘蔗全生育期及茎伸长-成熟期的灌溉需水量的变化呈上升趋势,全生育期平均升幅为13mm/10a,除田东上升趋势不显著外,百色、田阳上升趋势达到显著水平,平果达到了极显著水平;茎伸长-成熟期平均升幅为11mm/10a,百色的上升趋势达到极显著水平,其余三县的上升趋势均达到显著水平。由表2可看出右江河谷甘蔗全生育期灌溉需水量的年代际变化特征呈现出与有效降水量相反的变化趋势。
2.4.2 玉米生育期灌溉需水量及其变化特征
由图2可见,右江河谷玉米全生育期灌溉需水量平均为7mm,其中,百色、田阳灌溉需水量最大,约为20mm,平果水分有盈余。但各生育期灌溉需水量有所不同:除出苗-拔节、拔节-抽雄、抽雄-乳熟各地的水分有盈余外,播种-出苗及乳熟-成熟各地均需灌溉,播种-出苗各县区平均灌溉需水量为30mm,乳熟-成熟期平均灌溉需水量为7mm。
由图1可见,1971~2013年右江河谷玉米全生育期及拔节-抽雄期的灌溉需水量的变化呈微弱增加趋势,其余各生育期灌溉需水量的变化呈微弱减少或不明显趋势。右江河谷各地玉米全生育期及各生育期灌溉需水量的变化趋势均不显著。由表2可看出右江河谷玉米全生育期灌溉需水量以90年代的最大,21世纪前10年的次之。
(1)右江河谷甘蔗、玉米全生育期的平均有效降水量分别占其平均需水量的73%、96%,说明该区的自然降水基本能满足春玉米生长发育的要求,但不能满足甘蔗生长发育的要求。从各生育期来看,玉米播种-出苗期、甘蔗茎伸长-成熟期的平均有效降水量分别仅占其平均需水量的23%、48%,可见自然降水远不能满足右江河谷玉米播种以及甘蔗关键生长期的需水要求。
(2)右江河谷各县区甘蔗以及除平果外大部分县区玉米的全生育期平均水分条件是亏缺的,甘蔗亏缺比玉米的大,其中百色、田阳的亏缺最大。甘蔗全生育期水分亏缺主要由茎伸长-成熟期缺水引起,该发育期正是甘蔗生长发育需水关键期,其多年平均灌溉需水量为220mm,与李国章[5]研究结果基本一致;玉米全生育期水分亏缺则主要由播种-出苗及乳熟-成熟期缺水引起,其中以播种-出苗期缺水最多,该发育阶段多年平均灌溉需水量为30mm,与刘钰等人[22]研究结果基本相符。平果因出苗-拔节期水分盈余较多而使其全生育期平均水分有盈余,但实际上平果的播种-出苗期水分仍亏缺而需要依赖灌溉来保障正常的播种出苗。
(3)近40a来,右江河谷甘蔗全生育期及各生育期的有效降水量和水分盈亏指数的变化呈减少和下降的趋势,灌溉需水量的变化则呈增加趋势;大部分县区玉米除乳熟-成熟期外,全生育期及其余各生育期有效降水量和水分盈亏指数的变化呈微弱减少和下降趋势,灌溉需水量的变化则呈微弱增加趋势。
本文关于右江河谷甘蔗、春玉米生育期的需水量是直接引用前人研究结果,没有考虑因参考作物蒸散量变化而引起作物需水量的变化,以后将加强右江河谷旱作蒸散量变化规律研究,进一步修订完善该区旱作需水量以及灌溉定额。
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