近59年保定市谷子生育期需水变化特征和影响因素分析

刘朋程，王占彪，郝洪波，崔海英，李明哲*

(1.河北省农林科学院 旱作农业研究所/河北省农作物抗旱研究实验室，河北 衡水 053000；2.中国农业科学院 棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000)

保定市位于河北省中部，谷子种植面积约1.5万hm2，是我国小米的重要产区。但随着经济发展和气候变化，保定市地下水资源逐渐减少，成为了全国较大的地下水漏斗区。因此，如何充分利用自然降水，减少地下水压成为人们关注的重点。

作物需水量资料是进行农业水资源规划的重要依据，分析作物需水量变化特征及影响因素有助于充分利用降水资源，为作物提供科学的灌溉制度。国内一些学者对河北省主要农作物需水变化特征进行了系统的研究[1～3]，总结了不同作物在不同生育时期的需水规律。于海磊等[4]分析了衡水地区冬小麦生长期需水量年代变化特征，表明生长后期冬小麦需水量和灌溉需水量均呈减少趋势，且灌溉需水量的减少趋势明显快于需水量的变化。曹永强等[5]研究了鸡泽县夏玉米、冬小麦和棉花需水变化特征，发现3种作物需水量均呈显著减少趋势，有效降雨量均呈不显著减少的趋势，冬小麦水分盈亏指数相对较低，因此缺水形势更为严峻。为了更直观的反映出作物生育阶段水分亏缺状况，有学者将应用较广泛的水分亏缺指数(CWDI)作为代表作物水分亏缺程度的指标，进行了相关研究[6，7]，评价了作物不同生育阶段水分供需规律及干旱发生情况，为灌溉制度的制定提供了理论依据。在当前一定时期内，农业生产仍无法摆脱对气候条件的依赖。气候变化极大程度上影响作物的生长水分供需变化[8，9]。杨晓琳等[10]研究了冬小麦需水量与气候因子的变化特征，分析了气候变化对作物需水量的变化。王宏等[11，12]研究表明，河北省承德地区春玉米需水量与发育中期的日最高气温、平均气温、风速、日照时数呈正相关。

目前，对河北省作物需水量及其影响因素的研究主要集中在棉花、小麦、玉米等作物上，对谷子需水量的变化及其影响因素研究鲜见报道，为此，本研究基于河北省保定市农业气象观测站1955—2013年谷子发育期资料及其对应的气象资料，采用Penman-Monteith公式和作物系数法估算不同降水年型下谷子生育阶段需水量，分析气候变化下保定市谷子需水变化规律及其主要气象影响因素，以期为农业合理用水、优化灌溉方案提供科学依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文所用气象数据为河北省黑龙港流域典型地区——保定气象站自1955—2013年的气象资料。包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、日降水量、日照时数、日平均风速、日平均相对湿度等气象资料。

本文将河北省谷子的整个生育期确定为6月20日-9月18日，共91 d。并结合谷子的生育过程[13]确定6月20日-7月14日为初始生长期(播种-拔节，25 d)、7月15日-8月2日为快速发育期(拔节-抽穗，19 d)、8月3日-8月14日为生育中期(抽穗-灌浆，12 d)、8月15日-9月18日为成熟期(灌浆-成熟，35 d)。

1.2 研究方法

1.2.1 谷子需水量计算

采用作物系数法[14]计算谷子需水量ETc。

ETc=Kc×ET0

(1)

式中，ETc/mm·d-1为作物需水量；kc为作物系数；ET0/mm·d-1为参考作物腾发量。

采用FAO推荐的分段单值平均作物系数法[15]，参考中国的相关研究成果[16]确定谷子各生育阶段作物系数的多年平均值，初始生长期、快速发育期、生育中期和成熟期分别确定为0.56、1.20、2.16和0.84。

利用FAO推荐的Penman-Monteith公式[14]计算ET0。

(2)

式中，Rn/MJ·m-2·d-1为冠层表面净辐射；G/MJ·m-2·d-1为土壤热通量；T/℃为平均温度；es/kPa为饱和水汽压；ea/kPa为实际水汽压；Δ/kPa·℃-1为饱和水汽压与温度关系曲线在T处的切线斜率；r/kPa·℃-1为湿度计常数；U2/m·s-1为2 m高处的风速。

1.2.2 降水年型和降水量

将谷子生育期降水量划分为不同降水年型,根据如下公式计算[17]：

DI=(AnP-M1)/σ

(3)

式中，DI表示干旱指数，AnP表示生育期降水量，M1表示多年平均降水量，σ表示多年降水量的标准差。当DI>0.35为丰水年，-0.35≤DI≤0.35为平水年，DI<-0.35为干旱年。

有效降水量指总降水量中能够渗入土壤并储存在作物根系吸水层中的降雨量，采用下式计算[18]：

Pe=σP

(4)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是该次降水总量；σ是降雨的有效利用系数，当P≤5 mm时，σ=0；当5 mm50 mm时，σ=0.74。

1.2.3 作物水分亏缺指数

结合前人研究[19]，作物水分亏缺指数(CWDI)采用下式进行计算：

(5)

式中:CWDIi为第i时间作物水分亏缺指数,ETc为第i时间作物需水量/mm,Pi为第i时间降水量/mm。

1.2.4 气候倾向率

将某一要素年际间变化趋势采用线性回归方程分析，得到如下公式[20]：

y=a0+a1t

(6)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0为常数；a1为回归系数，10a1表示要素每10年的变化率，即气候倾向率。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel2013软件进行整理和图表绘制，Eviews8.0对数据进行相关分析、回归分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 谷子全生育期需水量、有效降水量和水分亏缺指数年代变化特征

由图1可见，谷子全生育期的需水量为303.32～450.29 mm，平均值372.44 mm，有效降水量为97.31～573.39 mm，平均值301.49 mm，保定市谷子生育期缺水量多年平均为70.95 mm。通过需水量指标随年际变化趋势的统计检验可知，需水量呈极显著递减趋势(P<0.01)，气候倾向率为-1.93 mm·10a-1。1955—2013年保定市谷子生育期水分亏缺指数变化范围为0.09～0.78，平均为0.45。根据前人对水分亏缺指数的划分可知[21]：CWDI≤0.5为无旱，0.5

图1 谷子全生育期需水量、有效降水量和水分亏缺指数年代变化特征Fig.1 Change characteristics of water requirement, effective precipitation and water deficit index of foxtail millet during the whole growth period in different years

2.2 谷子旬需水量、有效降水量和水分亏缺指数变化特征

为了较全面的研究保定市生育期需水变化规律，把谷子全生育期分为9旬，并对逐旬需水量(ETc)、有效降水量(Pe)和水分亏缺指数(CWDI)进行分析的结果表明，谷子需水量和有效降水量随生育时期呈单峰曲线变化，需水量变化范围在21.18～79.15 mm，有效降水量变化范围在12.24～55.01 mm。需水量在8月上旬达到最大值，此时为谷子需水敏感期,抽穗-灌浆期。有效降水量在7月下旬(拔节-抽穗期)达到最大值，需水量和有效降水量均在9月中旬(成熟期)达到最小值。水分亏缺指数呈先降低后升高，再降低再升高的变化规律，其值在8月上旬、9月上旬和9月中旬超过了0.5，根据干旱等级分级标准可知，谷子在这3个时期达到了轻度干旱(图2)。

图2 谷子旬需水量、有效降水量和水分亏缺指数变化特征Fig.2 Change characteristics of water requirement, effective precipitation and water deficit index of foxtail millet in ten days

通过谷子逐旬需水量、有效降水量和水分亏缺指数随年际变化趋势的统计检验可知(表1)，谷子需水量在6月下旬呈极显著减少趋势(P≤0.01)，而有效降水量呈不显著增加趋势，所以水分亏缺指数呈降低趋势；7月中旬需水量呈显著减少趋势(P≤0.05)。8月上旬有效降水量呈极显著减少趋势，虽然需水量也呈不显著减少趋势，但趋势明显慢于有效降水量，导致水分亏缺指数显著升高，干旱风险增加。9月上旬和下旬水分亏缺指数均呈不显著降低趋势，说明这2个时期干旱风险可能会降低。

表1谷子需水量、有效降水量和水分亏缺指数年代变化趋势

Table1Thetrendofwaterdemand,effectiveprecipitationandirrigationwaterdemandinfoxtailmilletduring1955—2013

项目Item时间Time6月下旬7月上旬7月中旬7月下旬8月上旬8月中旬8月下旬9月上旬9月中旬ETc气候倾向率-1.51-0.15-1.19-0.82-0.52-0.77-0.33-0.52-0.45相关系数0.452∗∗0.0730.320∗0.1380.0820.1660.1280.2150.238Pe气候倾向率2.72-0.57-1.18-0.69-12.30-3.65-3.242.59-0.318相关系数0.1680.030.0520.0320.342∗∗0.1560.1990.2270.031CWDI气候倾向率-0.050.002-0.0040.020.010.010.04-0.05-0.01相关系数0.2140.0100.0180.0740.313∗0.0410.1600.1900.048

注：*和**分别表示相关性达显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。下同。

Note：*and**indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same below．

图3 不同降水年型下谷子旬需水量、有效降水量和水分亏缺指数变化特征Fig.3 Change characteristics of water requirement, effective precipitation and water deficit index of foxtail millet in ten days during different precipitation patterns

2.3 不同降水年型下旬需水量、有效降水量和水分亏缺指数变化特征

由图3可见，在不同降水年型下，谷子生育期内需水量和有效降水量均呈单峰曲线变化，需水量最大值出现在8月上旬，丰水年、平水年和干旱年的旬需水量最大值分别为72.94 mm、79.77 mm和83.23 mm。不同年型下有效降水量最大值出现时间有所不同，丰水年为8月上旬，平水年和干旱年均为7月下旬，其值分别为96.28 mm、56.06 mm和32.90 mm。需水量和有效降水量最小值均出现在9月中旬。

在丰水年，谷子于9月上旬和中旬出现水分亏缺，但未形成干旱，其它阶段均为水分盈余状态。生育期需水量为355.01 mm，有效降水量为463.75 mm。在平水年，谷子仅在7月份为水分盈余状态，其它时间段均为水分亏缺状态，且在8月上旬和9月中旬达到轻度干旱。生育期需水量为364.12 mm，有效降水量为296.10 mm。在干旱年，谷子有效降水量在各生育阶段均低于需水量。整个生育阶段均处于水分亏缺状态，8月上旬水分亏缺指数达到最大值0.71，为中旱水平，8月下旬～9月中旬均处于轻旱。

2.4 影响谷子需水量的气象因子分析

为了分析各气象因子对谷子需水量的影响，了解保定地区谷子需水特征，对ETc与主要气象因子进行相关性分析，并分析各气象因子年际变化特征，结果如表2、图4所示。

表2 影响谷子需水量的气象因子分析Table 2 Analysis of meteorological factor affecting water requirement of foxtail millet

图4 谷子全生育期内主要气候要素的时间变化Fig.4 Time variation of main climatic factors during the whole growth period of foxtail millet注：“t”表示年份。Note：“t”represent year.

结果表明，谷子全生育期需水量与平均气温、最高气温、日照时数和风速均呈极显著正相关关系(P<0.01)，与相对湿度呈极显著负相关关系。各气候因素对谷子全生育期需水量影响顺序为：日照时数>最高气温>相对湿度>平均气温>风速。各气象因子随年际变化趋势的统计检验(表2)表明，谷子生育期最低气温呈极显著升高趋势，气候倾向率为0.26 ℃·10a-1，受最高气温和最低气温的不对称增温影响，平均气温呈显著升高趋势(图4)，气候倾向率为0.13 ℃·10a-1。相对湿度和风速均呈显著降低趋势，日照时数呈极显著降低趋势，气候倾向率分别为-0.67 %·10a-1、-0.04 m·s-1·10a-1和-38.1 h·10a-1。建立各气象因子与谷子需水量的回归方程：ETc=13.89Tmean-2.20Tmax-1.53RH+0.22n+30.43U2-1.15。

3 讨论与结论

保定市谷子生育期需水量、有效降水量多年平均值为372.44 mm和301.49 mm。有研究表明，中国大部分地区潜在蒸散量逐渐减少[22]，近59年来，保定市谷子生育期需水量整体上也呈显著减少趋势，其中6月下旬(播种-拔节)和7月中旬(拔节-抽穗)需水量的减少通过了显著性检验，全生育期需水量每10 a减少1.93 mm。为了优化谷子生育期水分管理，提供更为详实、有针对性的基础数据，本文针对不同水文年份作物需水量特征进行统计分析。结果表明，丰水年、平水年和干旱年谷子生育期需水量分别为355.01 mm、364.12 mm和390.36 mm，有效降水量分别为463.75 mm、296.10 mm和186.79 mm。

本文利用水分亏缺指数分析保定市谷子生育期逐旬时段变化特征，水分亏缺指数可以较好的反映作物水分亏缺情况[19]。前人利用水分亏缺指数作为干旱诊断指标对不同作物进行了系统的研究[23，24]，但在谷子上却鲜有报道。本文分析结果表明，1955—2013年保定市谷子生育期水分亏缺指数变化范围为0.09～0.78，平均为0.45，发生干旱的概率为33.90%。从谷子不同生长发育阶段看，季节性干旱明显，8月上旬、9月上旬和中旬均出现干旱，8月上旬(抽穗-灌浆期)水分亏缺指数显著升高，说明此阶段在未来时间里干旱风险增加；9月上旬和中旬(灌浆-成熟)水分亏缺指数下降，说明干旱程度有所下降。不同降水年型下谷子水分亏缺指数的变化结果显示，在丰水年，9月上旬和中旬出现水分亏缺，但未形成干旱；在平水年，仅在7月份为水分盈余状态，其它时间段均为水分亏缺状态，且在8月上旬和9月中旬达到轻度干旱；在干旱年，整个生育阶段均处于水分亏缺状态，8月上旬水分亏缺指数达到最大值0.71，为中旱水平，8月下旬～9月中旬均处于轻旱。8月上旬是谷子对水分敏感的时期，此时若遭受干旱缺水会使结实率降低，导致产量下降[25]。因此在保定市谷子农业生产中，应当注意完善抽穗-灌浆期灌溉制度，提高该时期谷子水分利用效率。

国内一些学者研究了气候条件对作物需水量的影响，发现长期以来气温呈明显升高趋势，但作物需水量并未增加[1,26]，原因是作物需水量的变化是由太阳辐射、风速、相对湿度等多气候因素影响的。本文通过各气候因素与需水量的相关性检验表明，谷子全生育期需水量与平均气温、最高气温、日照时数和风速均呈极显著正相关关系(P<0.01)，与相对湿度呈极显著负相关关系。气候倾向率分别为0.13 ℃·10a-1、0.001 ℃·10a-1、-38.1 h·10a-1、-0.04 m·s-1·10a-1和-0.67 %·10a-1。通过各气象因素与需水量的回归方程ETc=13.89Tmean-2.20Tmax-1.53RH+0.22n+30.43U2-1.15可知，造成谷子生育期需水量的原因是日照时数减少和风速降低引起的，这也与申双和等[27～29]研究结果一致。

在保定市当前气候变化背景下，由于谷子需水量和有效降水量的变化，谷子的灌溉制度也会随之改变，因此，为合理利用农业水资源，应根据谷子需水量和有效降水变化，开展节水灌溉，提高水分利用效率。