贵州烤烟需水量及灌溉需求指数特征

张 波, 裴兴云, 曹 华, 古书鸿, 莫建国

(1.贵州省山地环境气候研究所, 贵阳 550002; 2.贵州省气象服务中心, 贵阳 550002;3.贵州省气象信息中心, 贵阳 550002; 4.贵州省山地气候与资源重点实验室, 贵阳 550002)

作物需水量是进行农业水资源规划的依据，也是水利工程规划设计及节水农业研究中重要的参数，研究作物的需水规律是制定作物合理灌溉制度和作物水分科学管理的基础[1]。烤烟作为贵州省重要的经济作物之一，在国民经济中占有重要地位，同时烤烟是一种需水量较多的作物，贵州降水资源相对丰富，但各产烟地区水资源时空分布严重不均，严重制约区域农业生产，因此明确贵州烤烟需水量及灌溉需求指数变化特征很有必要的现实意义[2]。

目前关于作物需水量和灌溉需求指数的相关研究已有报道，曹永强等[2]分析了气候变化背景下辽西北春玉米生育期需水量，研究结果为辽西北春玉米种植的农业用水以及合理灌溉提供依据；邱美娟[3]、郭晓丽[4]等分析了吉林省和内蒙古玉米生长季水分亏缺指数的变化特征；庞艳梅等[5]、环海军等[6]、陈超等[7]分别以不同地区的水稻、小麦等粮食作物作为研究对象，分析了生育期内有效降水量和需水量的变化规律。而针对烤烟需水量的研究一般是通过测定伸根期、旺长期和成熟期3个阶段的需水量或需水模系数，来研究烟草不同时期的需水规律[8]，高晓丽等[9]在修文县中心试验站开展烤烟等相关作物需水规律与作物系数的研究，确定了烤烟不同生育阶段的作物系数；冷璐等[10]通过田间试验研究烤烟需水特征和各生育期土壤水分的动态变化，表明烤烟生长季内需水量具有明显的阶段性；陈佳勃[11]采用大田试验法确定了烤烟各生育期的蒸散量，为优化烟田水分管理提供依据。对于大田试验来说，方便、可操作性强，但容易忽略气候因素的影响，尤其在气候变化的大背景下，贵州气温逐渐升高，夏季降水显著增加[12-13]，势必会影响研究结果科学性和准确性。

因此本研究基于贵州省1961—2015年81个气象观测站逐日气象资料，在前人研究基础上，采用美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量和联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的参考作物蒸散量分别计算研究区域内烤烟不同生育阶段的有效降水量和需水量，并分析了烤烟不同生育阶段灌溉需求指数的变化特征，以期为合理配置灌溉计划和提高水资源的利用效率提供重要的参数，也为烤烟种植制定适应气候变化措施提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象数据来源于贵州省气象信息中心。选取数据较完整的81个地面气象观测站1961—2015年逐日气象资料，包括平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数等，气象站点分布如图1所示。

1.2 烤烟生育期

根据烤烟实际生产情况，并结合前人的研究结果[14]，确定贵州烤烟移栽期，见表1，烤烟的移栽期确定后，各生育期的时间长短基本稳定，将烤烟大田生育期(移栽至成熟采收)120 d，划分为：伸根期(还苗到团棵)30 d、旺长期(团棵到现蕾)30 d、成熟期(现蕾到采收)60 d，以此计算各生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指数。

表1 贵州烤烟移栽期

1.3 有效降水量

有效降水量是指烤烟不同生育期内的降水量满足其蒸发散、蒸腾需要的净水量，是烤烟生育期内总降水量的有效部分，本研究中有效降水量是采用美国农业部土壤保持局推荐的方法，该方法是目前众多的有效降水计算方法中得到公认和普遍推广的方法之一[15-16]，公式如下所示

(1)

式中：Pe为有效降水量(mm/d)；P为日降水量(mm/d)。

1.4 作物需水量

烤烟生育期需水量计算模型如公式(2) 所示。

ETc=Kc·ET0

(2)

式中：ETc为烤烟需水量(mm/d)；Kc为作物系数；ET0为参考作物蒸散量，由FAO推荐的Penman-Monteith模型计算，如公式(3)所示。

(3)

式中：ET0为潜在蒸散量(mm/d)；Δ为饱和水汽压—温度曲线斜率(kPa/℃)；Rn为作物表面的净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；T为2 m处的日平均气温(℃)；r为干湿表常数(kPa/℃)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；u2为2 m处的风速(m/s)。

烤烟作物系数参考高晓丽等[9]研究结果，并根据贵州当地气候条件，对烤烟生育期作物系数进行修正，即：

Kc=Kc(Tab)+[0.04(U2-2)-0.004(RHmin-45)](h/3)0.3

(4)

式中：Kc为烤烟不同生育阶段订正后的作物系数；Kc(Tab)为烤烟不同生育阶段标准条件时的作物系数；U2为2 m 高度处的日平均风速(m/s)；RHmin为日最低相对湿度的平均值；h为作物的平均高度(m)。

1.5 灌溉需求指数

为表征烤烟不同生育阶段的水分盈亏程度，将灌溉需水量与需水量的比值定义为灌溉需求指数，见公式(5)。

(5)

式中：I为灌溉需求指数，表征农田湿润程度和作物旱涝状况，若I为正值，则表示作物需水量大于有效降雨量，说明有效降雨量不能满足作物需水需求，若I为0或负值，则说明有效降雨能够满足作物需水需求；I值越高表明对灌溉的依赖程度越大，反之越小。

1.6 气候倾向率

气候倾向率表征表征气象要素的变化趋势，烤烟不同生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指数的气候倾向率由最小二乘法计算得出，计算公式：

Yi=aXi+b(i=1,2,…,n)

(6)

式中：Yi为要素拟合值；Xi为时间序列；a为回归系数；b为回归常数。

1.7 空间插值

利用ArcGIS 软件中的反距离权重插值方法(IDW)对各研究要素进行插值。

2 结果与分析

2.1 时间变化特征

1961—2015年贵州烤烟不同生育阶段有效降水量、需水量和灌溉需求指数多年平均值变化特征见图2。由图2A可知，贵州烤烟伸根期有效降水量为26.9～75.4 mm，多年平均值为48.8 mm，最小值发生在2011年，最大值发生在1964年，有效降水量呈显著递减趋势，通过α=0.01极显著性检验，递减速率为2.4 mm/10 a；需水量在51.9～78.8 mm，多年平均值为64.4 mm，最小值发生在1996年，最大值发生在1969年，烤烟伸根期需水量整体呈递减趋势，但递减趋势不显著；灌溉需求指数变化范围为-0.16～0.58，多年平均值为0.20，伸根期灌溉需求指数随时间变化呈显著递增趋势，递增速率为0.035/10 a。

由图2B可知，烤烟旺长期有效降水量变化范围为45.2～88.9 mm，多年平均值为67.1 mm，最小值发生在2011年，最大值发生在1978年，随时间变化呈递减趋势，递减速率为0.4 mm/10 a；需水量变化范围为85.2～122.8 mm，多年平均值为102.2 mm，最小值发生在2012年，最大值发生在1963年，整体呈弱递减趋势，气候倾向率为0.51 mm/10 a；灌溉需求指数变化范围为0.03～0.61，多年平均值0.32，其中1964年、1991年、2011年灌溉需求指数在0.5以上，表明旺长期间有效降水量不能满足烤烟的需水量，旺长期灌溉需求指数随时间变化呈递增趋势，递增趋势不显著。

由图2C可知，烤烟成熟期有效降水量变化范围为66.4～167.6 mm，多年平均值为126.7 mm，最小值发生在2013年，最大值发生在1979年，成熟期有效降水量随时间变化呈递减趋势，递减速率为0.7 mm/10 a；需水量变化范围为148.8～202.2 mm，多年平均值为173.3 mm，最小值发生在1998年，最大值发生在2013年，整体呈弱递减趋势，气候倾向率为2 mm/10 a；灌溉需求指数变化范围为-0.06～0.67，多年平均值0.26，其中仅1998年灌溉需求指数为负值，表明成熟期有效降水量可以满足烤烟的需水量，1971年、1975年、1981年、2011年、2013年灌溉需求指数在0.5以上，从整体情况可以看出，成熟期有效降水量不能满足烤烟的需水量，成熟期灌溉需求指数随时间变化呈弱递减趋势。

图2 烤烟不同生育阶段有效降水量、需水量和灌溉需求指数多年平均值变化特征

由图2D可知，烤烟整个大田生育期有效降水量变化范围在152.8～284.8 mm，多年平均值为238.2 mm，最小值发生在2011年，最大值发生在1977年，大田生育期有效降水量随时间变化呈递减趋势，递减趋势不显著，递减速率为3.4 mm/10 a；需水量变化范围在332.5～412.6 mm之间，多年平均值为371.1 mm，最小值发生在1996年，最大值发生在1988年，整体呈递减趋势，气候倾向率为2.6 mm/10 a；大田生育期灌溉需求指数变化范围在0.18～0.62，多年平均值0.35，表明贵州烤烟大田生育期内有效降水量无法满足烤烟需水量，且大田生育期灌溉需求指数随时间变长呈递增趋势。比较烤烟各个生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指数可以发现，成熟期需水总量最大，旺长期平均日需水量最高，为3.4 mm/d。

2.2 有效降水量空间变化特征

1961—2015年贵州烤烟不同生育阶段有效降水量多年平均值空间变化特征如图3所示。从图3A中可以看出，烤烟伸根期有效降水量空间变化范围为30.4～60.1 mm，多年平均值为48.8 mm，空间分布特征显著，自东向西呈递减趋势，中东部大部分地区有效降水量显著高于西部地区；进入旺长期，图3B所示，烤烟有效降水量空间变化范围为57.4～86.7 mm，多年平均值为67.1 mm，空间分布较伸根期发生偏移，高值区域分布在毕节市南部及六盘水和安顺市局地等区域，低值区域分布在黔西南州大部和遵义市局地等地；成熟有效降水量，图3C所示，空间变化范围为104～175.5 mm，多年平均值为126.7 mm，空间分布特征显著，自东向西呈递增变化趋势，六盘水市、安顺市西部和黔西南州西部有效降水量为146.9～175.5 mm，东部大部有效降水量为104.～118.3 mm；图3D所示，整个大田生育期有效降水量空间变化范围为209～296.8 mm，多年平均值238.1 mm，空间分布上，高值区域分布六盘水、安顺市和黔西南州交汇处，变化范围为261.7～296.8 mm，全省低值区域分布在遵义市大部和铜仁市东部有效降水量。

2.3 需水量空间变化特征

1961—2015年贵州烤烟不同生育阶段需水量多年平均值空间变化特征如图4所示。从图4A中可以看出，烤烟伸根期需水量为52.5～88.1 mm，多年平均值为64.3 mm，空间分布特征显著，自东向西呈递增趋势，东部大部分地区需水量为52.5～66.7 mm，西部需水量为73.8～88.1 mm左右；图4B表明，旺长期需水量93.1～126.8 mm，多年平均值为102.1 mm，空间上呈现西南高、东北部低的空间特征，黔西南州大部分地区需水量在113.3～126.8 mm，遵义市和铜仁市大部、黔南州东部等地需水量在93.1～99.8 mm左右；图4C表明，成熟期需水量变化范围为152.8～198.9 mm，多年平均值为173.3 mm，空间分布较旺长期呈相反趋势，高值分布在遵义市北部及铜仁市西部等地，变化范围在180.5～198.9 mm，低值分布在毕节市西部及六盘水和黔西南州局地等区域，变化范围为152.8～162.1 mm；图4D表明，烤烟大田生育期需水量为336.2～425.3 mm，多年平均值为370.9 mm，空间分布上，高值分布在黔西南州大部等地，变化范围为389.7～425.3 mm，低值区域分布在东部大部等地，变化范围为336.2～371.9 mm。

图3 烤烟生育期有效降水量多年平均值空间分布特征

2.4 灌溉需求指数空间变化特征

1961—2015年贵州烤烟不同生育阶段灌溉需求指数多年平均值空间变化特征如图5所示。伸根期灌溉需求指数(图5A)，变化范围为-0.14～0.68，多年平均值为0.20，空间上自东向西呈递增趋势，低值区域主要分布在东部边缘等地，西部大部分区域灌溉需求指数在0.34～0.68之间，有效降水不能满足伸根期需水量，对灌溉有一定的依赖性；图5B可以看出，旺长期灌溉需求指数为0.12～0.53，多年平均值为0.32，空间分布上，灌溉需求指数高值分布在黔西南州大部，在0.46～0.53之间，六盘水北部和毕节市南部以及东部边缘等地的灌溉需求指数较小，在0.12～0.28之间；图5C可以看出，成熟期灌溉需求指数为-0.07～0.47，多年平均值为0.26，空间分布特征显著，自西南向东北呈递增的变化趋势，遵义市大部、铜仁市东部和黔东南州东部的灌溉需求指数最高，为0.37～0.47，表明该区域的有效降水量无法满足烤烟生育期的需水量；图5D可以看出，烤烟大田生育灌溉需求指数为0.19～0.49，多年平均值为0.35，空间分布上，对灌溉依赖性较高的区域分布在遵义市大部、铜仁市西部、黔西南州南部等地，变化范围为0.38～0.49，低值区域分布自六盘水市和安顺市大部以及黔南州中部，变化范围为0.19～0.31。

图4 烤烟不同生育阶段需水量多年平均值空间分布特征

图5 烤烟不同生育阶段灌溉需求指数多年平均值空间分布特征

3 结 论

本研究基于贵州省1961—2015年81个气象观测站逐日气象资料，采用美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量和FAO推荐的Penman-Monteith公式，分析了贵州烤烟不同生育阶段的有效降水量、需水量和灌溉需求指数变化特征，结果表明：近55 a，贵州省烤烟伸根期、旺长期、成熟期和大田生育期有效降水量分别为26.9～75.4 mm，45.2～88.9 mm，66.4～167.6 mm，152.8～284.8 mm；需水量分别为51.9～78.8 mm，148.8～202.2 mm，85.2～122.8 mm和332.5～412.6 mm，以旺长期日均需水量最大；平均灌溉需求指数分别为0.20，0.32，0.26，0.35，有效降雨量无法满足烤烟需求；烤烟不同生育阶段有效降水量和需水量随时间变化均呈递减趋势，伸根期灌溉需求指数呈递增变化趋势，其他生育期呈递减趋势；空间分布上，伸根期、旺长期灌溉需求指数自西南向东北递减的变化趋势，而成熟期和大田期呈相反趋势。