甘肃省冬小麦水分盈亏指数的改进及其应用*

贾建英, 韩兰英, 万 信

(西北区域气候中心 兰州 730020)

干旱是全球影响最广泛、持续时间长、损失巨大的自然灾害[1-2], 而且随着全球气候变化, 呈现出干旱区域不断增大、干旱损失日渐加剧的趋势[3-5],如何应对和减缓干旱及其影响已成为亟待解决的重大科学问题[6-8]。科学的评价指标和评估方法是减轻干旱灾害损失与影响的重要途径, 也是干旱研究的重要环节[9-12]。目前, 国内外评价干旱采用的判别指标大体可分为两类[8-10]: 一类是基于遥感监测技术[13-15],遥感具有覆盖范围广、空间分辨率高、时效性强等优点, 使大区域、实时动态的干旱监测成为可能, 但在区分植被种类上还存在一定困难; 另一类是传统的基于地面气候数据的干旱指数, 应用广泛的如降水距平百分率(Pa)、帕默尔干旱指数(PDSI)[16]、标准降水指数(SPI)[17]、综合气象干旱指数(CI)[18]等主要针对气象干旱的指标, 而针对农业的干旱指数应用较多的是土壤相对湿度指数[19]、作物水分盈亏指数[20-23]等。

冬小麦(Triticum aestivum)是甘肃省的主要粮食作物, 分散种植于陇西黄土高原、陇东黄土高原和陇南徽成盆地, 其区域横跨半干旱区、半湿润区和湿润区。一般上年9月中旬至10月中旬播种, 翌年6月收获, 生长发育期间降水量为180～330 mm, 占全年降水的40%～50%, 水分是限制冬小麦生产的最主要因素, 素有“十年九旱”之说; 7、8、9月是麦田休闲期, 而该阶段降水占全年降水的50%～60%[24]。黄土高原上覆盖深厚的黄土层, 厚50～80 m, 100 cm土层储存水分 250～340 mm, 是天然的“土壤水库”[25-26], 土壤储水量在很大程度上决定冬小麦生长发育及最终产量[27]。研究表明, 8—9月降水与翌年陇东黄土高原冬小麦产量相关较高, 也有研究表明甘肃冬麦区底墒对冬小麦产量的贡献率为38.6%[26-29]。因此, 休闲期土壤储水对冬小麦整个生育期都有重要作用。当自然降水不能满足冬小麦需水量时, 土壤储水就如地下水库不断输送水分满足冬小麦生长所需水分[24]。研究发现, 一个时段干旱的严重程度, 不仅与该时段水分盈亏量有关, 还受前期水分盈亏量影响。若前期降水多, 水分盈余, 后期不易形成干旱, 或使干旱发生推迟; 反之, 若前期水分亏缺, 则易发生干旱, 或使旱情加重[20-22]。不同的地理分布、气候、土壤造成甘肃省冬小麦干旱呈现不同特点: 陇东黄土高原、陇西黄土高原是天然的“土壤水库”, 为降水资源转化为土壤水分创造了得天独厚的条件, 但地处半湿润半干旱区, 降水量在200～600 mm, 且休闲期降水占全年的60%以上, 干旱成为一种常态; 而陇南徽成盆地地处秦巴山区, 降水丰富, 但时空分布不均, 且丘陵坡土蓄水困难,干旱也时常发生。而目前一些普适性农业干旱评价指标对作物底墒的水分利用和土壤储水能力考虑甚少[19]。

本文利用甘肃省不同气候区长期定位冬小麦土壤水分观测资料、生育状况和产量要素观测资料及同期常规气象要素资料, 拟将冬小麦播前底墒和黄土储水能力考虑进去, 修订作物水分盈亏指数, 开展修订后水分盈亏指数在研究区干旱对冬小麦产量影响评估研究, 以期能更客观、准确、定量、及时评估干旱对冬小麦生产的影响, 为西北旱作农业生产防灾减灾提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

根据年降水量对当地农业满足程度划分水分气候区的标准[25], 选取甘肃省 3个不同气候区冬小麦农业气象试验(观测)站作物观测地段 1 m土层土壤水分观测数据及冬小麦生育状况观测资料。所选测站通渭(农业气象观测站, 年降水量 390.6 mm)定为半干旱区, 西峰(农业气象试验站, 年降水量 527.2 mm)定为半湿润区, 成县(农业气象观测站, 年降水量621.4 mm)定为湿润区。测定时间通渭为1984年、1985年、1990年、1991年、1993—1996年、1998年、2004年和2010—2012年, 该观测地段在其他年份改种其他作物; 西峰为 1981—2014年; 成县为1991—2014年。不同气候区冬小麦平均生育期见表1。3站观测的小麦产量要素包括: 株成穗数、穗粒数、千粒重、小穗数, 其中小穗数有51个样本, 其余3要素各有86个样本。1981—2014年38个冬小麦种植县气象资料来源于甘肃省气象局信息中心, 产量资料和干旱灾情面积来源于《甘肃农村年鉴》。

表1 甘肃省不同气候区冬小麦平均生育期Table 1 Average developmental stages of winter wheat in different climate regions of Gansu Province

1.2 产量资料

通常将冬小麦产量(Y)分解为趋势产量(Yt)和气象产量(Yw)。气象产量是受气象因素影响的短时间尺度偏离时间变化的量, 由于水分是影响甘肃省冬小麦产量波动的最主要因素, 因此气象产量主要是水分的年际变化导致的[30-31]。采用5 a滑动平均法计算趋势产量, 从而进行气象产量分离。为减小地域差异造成的产量水平差异, 分析时均采用相对气象产量(Ywr)[30-31], 即:

1.3 土壤水分资料

土壤水分测定时段为每年3月上旬至11月上旬,每旬逢8日测定(8日、18日、28日)。采用土钻法在3个农业气象试验(观测)站观测地段进行土壤含水量的测定, 测定深度为100 cm, 每10 cm一层, 每个观测站测定4个重复。烘干法测定土壤含水量(%)。参考贾建英等[24]、侯贤清等[32]方法计算储水量、储水效率。

1.4 基于土壤水分对冬小麦水分盈亏指数修订

位于半干旱区、半湿润区、湿润区的 3个观测站小麦休闲期1 m土层多年平均储水量分别为24.4 mm、85.6 mm和71.8 mm, 储水效率分别为14.2%、32.0%和18.1%(图1、表2), 且不同降水年型储水量和储水效率差别较大[24]。在半干旱区, 冬小麦全生育期基本都处于干旱状态, 半湿润区在拔节后易发生干旱, 湿润区在冬小麦开花后可能遭受干旱危害[24]。

图1 甘肃省不同气候区1 m土层储水量多年平均观测值Fig. 1 Annual average values of 1 m soil water storages in different climate regions of Gansu Province

作物水分盈亏指数(L)表征作物需水量(W)与降水量(R)之间的盈亏程度, 是一个基于农田水分收支原理的旱涝评价指标[20-23]。

针对甘肃省黄土高原气候特征、作物生长季及土壤储水特点, 计算作物水分盈亏指数, 引入休闲期土壤储水及前期水分盈亏量, 式(2)可修订为:

表2 甘肃省不同气候区休闲期降水和土壤储水状况Table 2 Precipitations and soil water storages in fallow period in different climate regions of Gansu Province

式中:R0为休闲期降水; WSE为休闲期储水效率, 数据见表2;R为播种至某一发育阶段的降水量;W为与R相应阶段的作物需水量, 用参考作物蒸散量(ET0)和作物系数(Kc)之积得出, 参考作物蒸散量采用FAO推荐用Penman-Monteith计算。

式中:Rn为地表净辐射, MJ·m-2·d-1;G为土壤热通量,MJ·m-2·d-1;Tmean为日平均气温, ℃;u2为 2 m 高处风速, m·s-1;es为饱和水汽压, kPa;ea为实际水汽压,kPa; Δ为饱和水汽压曲线斜率, kPa·℃-1;γ为干湿表常数, kPa·℃-1。

1.5 基于实际耗水量的冬小麦Kc值的确定

基于水量平衡原理, 作物耗水量(ET)计算公式为[32-33]:

式中: ET为作物耗水量, mm;R2为作物生育期降水量, mm;U为地下水补给量, mm;D为径流量, mm;F为深层渗漏量, mm; ΔW为计算时段内土壤储水量的变化, mm。在黄土高原地区,F、U、D可以忽略不计[32-33]。据此, 式(6)可简化为:

利用式(8)中作物耗水量(ET)和参考作物蒸散量(ET0), 根据作物生育状况观测及灾情资料, 确定了甘肃省不同气候区冬小麦各发育阶段的Kc值(表3)。

1.6 修订后作物水分盈亏指数等级的确定

根据 GB/T 32136—2015农业干旱等级标准中农田与作物形态农业干旱指标等级, 结合 3个农气观测站历年对作物生长发育及灾害的记载及《甘肃农村年鉴》中灾情资料, 并参考不同等级干旱对冬小麦造成的减产幅度和甘肃省实际生产情况[18], 确立了不同等级干旱的水分盈亏指数的等级(表4)。

表3 甘肃省不同气候区冬小麦各发育阶段的作物系数(Kc)Table 3 Crop coefficients (Kc) of winter wheat in different development stages in different climate regions of Gansu Province

2 结果与分析

2.1 修订后作物水分盈亏指数与土壤储水量的关系

从图2可知, 作物水分盈亏指数与1 m土层总储水量呈明显正相关(R2=0.652 2), 作物水分盈亏指数能客观反映土壤水分状况。按照作物水分盈亏指数和1 m土层总储水量的线性关系可以估算1 m土层储水量。在缺少自动土壤水分仪监测的地区, 可以作为冬小麦土壤墒情监测的一个理论参考。

2.2 干旱对冬小麦产量要素影响评估模型

从冬小麦不同发育阶段水分盈亏指数与产量要素的相关关系可知(表5), 各产量要素与拔节期或开花期水分盈亏指数相关系数较高, 这两个阶段是冬小麦营养生长和生殖生长的需水关键期, 也是决定生长发育的关键时段。由于修订后的作物水分盈亏

表4 甘肃省冬小麦水分盈亏指数干旱等级划分Table 4 Drought classification according to revised water budget index of winter wheat in Gansu Province

图2 冬小麦水分盈亏指数(L)与1 m土层总储水量散点图Fig. 2 Scatter plot of water budget index (L) of winter wheat and soil water storage in 1 m depth

指数是从上年休闲期至某一发育阶段作物水分盈亏状况的评估, 该指数综合了不同发育时期冬小麦期的水分收支情况, 开花至成熟期随着降水的增多,一定程度抵消了前期旱情的影响, 而干旱对冬小麦的影响已经不可逆, 所以成熟期冬小麦水分盈亏指数与产量要素的相关性减小。因此, 分别选择拔节期、开花期冬小麦水分盈亏指数与产量要素建立线性函数关系, 利用株成穗数86个样本、穗粒数86个样本、千粒重86个样本、小穗数51个样本, 分别建立各产量要素的评估模型(表6), 模型均通过 0.01水平显著性检验。

2.3 干旱引起的冬小麦产量损失评估模型

除湿润区(成县), 开花至成熟期冬小麦不同生育阶段水分盈亏指数与不同气候区冬小麦产量损失都表现出较高的相关性(表7), 且都通过0.05水平信度检验, 说明该指数在评估干旱对作物产量损失方面有较好的应用价值。由于湿润区在拔节期以后降水逐渐增多, 对前期旱情的影响有一定的抵消作用,湿润区主要参考拔节期冬小麦水分盈亏指数。因此,建立了甘肃省不同气候区不同生育阶段水分盈亏指数对冬小麦产量损失的评估模型(表7), 其中半湿润区各发育阶段均通过0.01水平显著性检验; 半干旱区在越冬至拔节期通过 0.05水平显著性检验, 开花和成熟期通过 0.01水平显著性检验; 湿润区在拔节期通过了 0.01水平的显著性检验, 返青期和越冬期通过0.05水平检验。

表5 冬小麦不同生育阶段水分盈亏指数与产量要素的相关系数Table 5 Correlation coefficients of water budget indexes in different growth periods and yield components of winter wheat

表6 基于冬小麦拔节期、开花期水分盈亏指数(x)的产量要素(y)评估模型Table 6 Yield components (y) assessment models of winter wheat based on water budget indexes (x) in jointing and flowering periods

表7 基于不同生育阶段水分盈亏指数(x)的甘肃省不同气候区冬小麦产量损失(y)评估模型Table 7 Yield losses (y) assessment models of winter wheat based on water budget indexes (x) in different growth periods in different climate regions of Gansu Province

2.4 评估模型检验

2.4.1 产量要素评估模型回代检验

利用甘肃省冬小麦拔节期和开花期产量要素评估模型分别回代检验了干旱对 3个代表站冬小麦产量要素的影响(表8)。模拟结果与不同气候区冬小麦产量要素实测值间均通过 0.01的F检验,其中拔节期模拟产量要素与实测值间平均相对误差为1.8%～6.0%, 开花期为1.9%～6.8%。从对各产量要素评估效果来看, 小穗数相对误差最小, 评估效果最好, 穗粒数相对误差最大; 从两个发育期的评估效果来看, 拔节期整体评估效果优于开花期。

表8 基于不同生育阶段水分盈亏指数冬小麦产量要素评价模型检验结果Table 8 Test results of yield components assessment models based on water budget indexes in different growth periods of winter wheat

2.4.2 产量损失评估模型检验

利用拔节期、开花期产量损失评估模型评估1981—2014年干旱对38个冬小麦种植县产量损失,评估结果与冬小麦实际干旱产量损失的F检验结果显示, 拔节期和开花期分别有26个种植县通过0.05水平F检验, 占冬小麦种植县的68.4%, 且该26个种植县拔节期评估值与实测值间平均相对误差为1.5%～11.7%, 开花期评估值与实测值间平均相对误差为2.1%～13.3%; 未通过检验的冬麦区位于定西市中西部(陇西、渭源、临洮)、庆阳市东南部(正宁、宁县)、平凉市东部(崆峒、泾川、灵台)、天水市渭北地区(秦安、甘谷、武山)及临夏县。

3 结论与讨论

1)邓振镛等[26-27]研究认为土壤储水量对黄土高原旱塬区冬小麦产量贡献非常显著, 产量年际波动主要受土壤储水量的影响。贾建英等[24]研究表明黄土高原冬小麦休闲期为主要储水阶段, 返青—开花期为休闲期储水的主要消耗阶段。因此, 本文将休闲期土壤储水考虑进去修订了作物水分盈亏指数,并确立了不同等级干旱指标阈值。修订后水分盈亏指数与实测土壤湿度相关性较高, 能客观、准确反映甘肃省冬小麦干旱实况。

2)修订后水分盈亏指数与冬小麦产量要素相关性较高, 特别是在拔节—开花期更为显著, 建立的产量要素评估模型均通过 0.01水平显著性检验, 回代检验表明产量要素评估模型与实际产量要素有显著的一致性, 模型基本能准确评估不同等级干旱对甘肃省冬小麦产量要素的影响, 且拔节期评估效果整体优于开花期。

3)冬小麦不同生育阶段水分盈亏指数与不同气候区冬小麦产量损失都表现出较高的相关性, 建立的产量损失评估模型半湿润区越冬—成熟期、半干旱区开花—成熟期、湿润区拔节期均通过0.01水平显著性检验, 半干旱区越冬—拔节期、湿润区越冬—返青期通过0.05水平显著性检验。模型验证结果表明, 38个种植县有26个通过0.05水平F检验, 基本能准确评估甘肃省大部分地方干旱对冬小麦产量造成的损失。

姚小英等[34]用降水距平百分率作为干旱指标研究表明, 甘肃省冬小麦主产区干旱以轻旱为主, 中旱次之, 由于降水的脉冲性及时空分布的不均一性与冬小麦生长的持续性不相匹配, 该研究结果要比实况轻。而本文将休闲期土壤储水考虑进去修订了作物水分盈亏指数, 能更客观、准确反映甘肃省冬小麦干旱实况。邓振镛等[27]研究表明黄土高原旱塬区冬小麦拔节期土壤储水量与气候产量关系最密切,返青至拔节期土壤储水量是冬小麦需水和供水矛盾最突出的时期, 对产量影响最显著。这与本文研究结果一致, 拔节期为整个评估阶段产量要素评估模型效果最好时期; 产量要素和产量损失评估模型检验效果均为拔节期模型优于开花期, 开花期随着降水逐渐增多, 干旱有所缓和, 但对冬小麦造成的损失已不可逆, 说明修订后水分盈亏指数在表达干旱对冬小麦不可逆影响效果不太理想。而产量损失评估模型仍有12个站未通过F检验, 且基本是连片分布, 可能是本研究分区是按气候类型分为 3类, 并未考虑当地的冬小麦生产力水平、抗灾能力等因素。因此,今后需将干旱缓解过程及对作物影响的不可逆均考虑进去进一步改进水分盈亏指数, 还需将当地生产力水平、抗灾救灾等社会因素考虑进去, 进一步改进优化评估模型。

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