金沙江干热河谷区(云南境内)夏玉米需水量的变化特征

李尤亮，王 杰，曹 言，张 雷，王树鹏

(云南省水利水电科学研究院，昆明 650228)

农业用水是我国主要用水方式之一，2016年我国水资源总量为32 466 亿m3，农业用水占全社会用水比例达62.4%[1]，作物需水量是农业用水中最主要的消耗部分[2]。作物需水量是确定灌溉制度和灌溉定额的参数，也为农田水利工程及节水灌溉工程的设计提供重要依据[3]。作物需水量的大小受到植物自身、气象要素、土壤等诸多因素的影响。在水资源供需矛盾突出及全球气候变暖的大背景下，对于作物需水量的时空变化特征受到广泛关注。国内学者对南京[4]、河南等地主要在作物需水量受气候变化的影响进行了研究，均得出玉米需水量呈下降趋势的结论，而河南省玉米需水量下降主要由平均风速降低所致[5]。刘晓英[6]等在分析华北主要作物需水量变化趋势及原因中表明，玉米需水量下降的主要原因是日照与风速的减小。孙璐等[7]对贵州省夏玉米生育阶段内需水量和降雨的分布特征研究发现，夏玉米各生育阶段需水量空间差异明显，降雨量空间分布不均。王新华[8]等对云南蒙自坝子主要作物需水量与灌溉需水量的研究指出，玉米需水量小于定额标准。吴灏[9]等对昆明地区玉米需水量与灌溉用水量的研究中表明，玉米需水量与日照、风速、温度呈正相关，与湿度、降雨呈负相关。在全球和区域气候变暖的背景下，金沙江流域水循环的时空变化过程将发生改变，可能引起降水与水资源的时空分布不均，加剧旱涝等水文极端事件的发生概率与强度[10,11]。金沙江干热河谷区光热资源条件好，是云南省蔬菜的主要产地之一，但水分缺乏是影响干热河谷区农业生产的主要因素，国内学者研究发现金沙江干热河谷区干旱化程度有加剧的趋势[12,13]，典型区元谋短期降水总体呈减少趋势[14]。目前国内对于作物需水量的变化特征研究较多，在全球气候变化显著的趋势下，干热河谷特殊气候区域的夏玉米需水量变化特征还未见报道。本文以金沙江干热河谷区(云南境内)为研究对象，探讨了夏玉米需水量的变化特征及影响因素，以降低气候变化对夏玉米生产的不利影响，旨在为该区域夏玉米灌溉定额和灌溉制度的优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

在云南省农业灌溉用水分区中宾川、华坪、永仁、元谋、巧家、东川均属于干热河谷区，鹤庆、大姚、永胜处于金沙江河谷的区域属于干热河谷区[15]，本文以此选取金沙江干热河谷区的研究范围。金沙江流域(云南省境内)分为上游、中游、下游，其中鹤庆、宾川、永胜、华坪位于上游，大姚、永仁、元谋处于中游，东川、巧家处于下游[16]。金沙江干热河谷区气候干燥，蒸发剧烈，暖冬特征明显，年降雨量约600 mm，主要集中在5-10月，11月至次年4月为干旱期，降雨量时空分布不均[17]。金沙江干热河谷区光热条件充足，熟制为一年两熟，大部分耕地为坡耕地，以种植饲用夏玉米为主，典型区元谋夏玉米单位面积产量可达9 000 kg/hm2[18]。少部分耕地沿河谷分布，以种植经济作物为主。气象站点在金沙江流域(云南境内)的分布见图1。

图1 气象站点在金沙江流域(云南境内)分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in Jinsha river(Yunnan Province) area

1.2 数 据

气象数据采用处于金沙江干热河谷区(云南境内)鹤庆、宾川、永胜、华坪、大姚、永仁、元谋、东川、巧家9个气象站1960-2013年的逐日气象资料，包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、平均相对湿度、平均风速、平均气压、日照时数、最小相对湿度等数据。夏玉米播种日期、生育阶段时长、收获日期等生育数据资料通过查阅当地农业物候资料获得，其播种时间为5月，收获时间为9月。FAO将作物的生育阶段划分为初始生长期、快速发育期、生长中期、生长后期4个时期[19]，本文按此划分玉米的生育阶段：5月上旬至5月下旬为生长初期，6月上旬至7月上旬为快速发育期，7月中旬至8月下旬为生长中期，9月上旬至9月下旬为生长后期。

1.3 计算方法

(1)作物需水量。本文采用FAO-56推荐的单作物系数法计算作物各阶段的需水量[19]，对各阶段需水量累加求和进而得到作物全生育期需水量，计算公式如下：

ETc=ET0Kc

(1)

式中：ETc为实际作物需水量，mm；ET0为参考作物腾发量，mm；Kc为作物系数。

FAO-56推荐的Penman-Monteith公式经过国内外多年的理论研究与实践已成为计算ET0所采用的公认方法：

(2)

式中：Rn为到达作物表面的净辐射，MJ/(m2· d)；G为土壤热通量，MJ/(m2· d)，在逐日估算时，G=0；T为日平均气温，℃，按日最高气温和日最低气温的算术平均值计算；u2为2 m高处的平均风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ饱和水汽压曲线的斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。

FAO推荐作物的不同生育期的作物系数值为Kcini=0.3，Kcmid=1.2，Kcend=0.6。鉴于云南省干热河谷区实际气候特征与FAO标准条件有所差异，在推荐值基础上采用当地气候条件(最小相对湿度、2 m处平均风速)与作物高度对Kcmid、Kcend值进行修正，其公式如下：

Kc=Kc(s)+

(3)

式中：Kc(s)为FAO推荐的标准条件下的不同生育时期作物系数；u2(s)为作物不同阶段2 m处的平均风速，m/s；RHmin(s)为作物不同生育时期平均最小相对湿度，%；h(s)为不同生育时期作物平均高度，m。

对于各站点缺测的日最小相对湿度值，本文采用日最高气温和最低气温计算，即：

(4)

式中：RHmin为日最小相对湿度，%；Tmax为日最高气温，℃；Tmin为日最低气温，℃。

(2)有效降雨量。根据气象数据中的降雨量数据，计算夏玉米各生育阶段有效降雨量值。本文采用USDA-SCS方法计算夏玉米各生育阶段的有效降雨量，即：

(5)

式中：Pe为有效降雨量，mm；P为时段内降雨总量，mm。

(3)水分盈亏指数。为更准确地反映作物需水特性及水分供应情况，通过水分盈亏指数CWSDI(Crop Water Surplus Deficit Index)来表征水分盈亏程度[20]，计算方法如下：

(6)

式中：ETc为计算时段内的作物需水量，mm；CWSDI为水分盈亏指数，当CWSDI=0时，表示水分收支平衡，当CWSDI>0时，表示水分盈余，反之则为亏缺。

不同风门开度下的横向配风不均匀系数模拟结果如图11所示。增加风室进口风门开度，减小尾部风门开度可以很大程度降低炉排横向配风不均匀系数。通过对比各种工况可以得出：此链条炉排在布置挡板以后最佳风门开度(从风室进口到尾部)依次为100%、70%、50%、50%、50%，其配风不均匀系数为7%，与风门全开时相比降低了69.5%。

2 结果分析

2.1 参考作物腾发量的时空特征

金沙江干热河谷区(云南境内)各站点1-12月月平均参考作物腾发量年内变化趋势大体一致，但各站点之间有所差异(见图2)。金沙江干热河谷区(云南境内)1-12月平均参考作物腾发量为56.1～155.2 mm，区域内元谋、东川月参考作物腾发量最高，永胜、鹤庆参考作物腾发量最小。研究区大部分区域参考作物腾发量年内变化成单峰型曲线，而东川、巧家呈双峰型曲线。总体来看，4月或5月份的参考作物腾发量最大，而12月份的参考作物腾发量最小，东川、巧家区域参考作物腾发量最大值的出现较其他区域提前了1个月。

1960-2013年金沙江干热河谷区(云南境内)各站点夏玉米全生育期平均参考作物腾发量见图3。金沙江干热河谷区(云南境内)夏玉米全生育期平均参考作物腾发量为458.3～631.9 mm，最大值分布在元谋、东川区域，其值分别为631.9、606.9 mm，最小值分布在鹤庆和永胜区域，分别为458.3、472.5 mm。在夏玉米生育期内年平均参考作物腾发量自金沙江上游至下游呈上升趋势。

图2 各站点年内平均参考作物腾发量变化趋势Fig.2 The trend of average ET0 in each station in the year

图3 各站点夏玉米全生育期平均参考作物腾发量分布Fig.3 The average ET0 distribution of summer maize during the whole growth period in each station

2.2 夏玉米需水量与水分盈亏指数时间变化特征

对9个站点54 a夏玉米需水量的统计分析可知，夏玉米全生育期需水量平均值为425.07 mm。夏玉米不同生育阶段需水量差异较大，其中生长中期需水量最大，为188.72 mm；其次是快速生长期，为117.96 mm；生长初期需水量最小，为37.02 mm；生长末期为81.37 mm。从1960-2013年夏玉米全生育期需水量呈显著下降趋势，每10 a下降幅度为5.84 mm(见图4)。研究区夏玉米需水量最小值出现在2004年，其值为385.36 mm，最大值出现在1963年，为463.71 mm。夏玉米全生育期有效降雨量呈不显著的下降趋势，下降幅度为0.224 mm/a。全生育期水分亏缺指数呈不显著的上升趋势，且变化幅度较小。全生育期平均水分亏缺指数为-0.342，最小值出现在2011年，其值为-0.55，其次出现在1992年，为-0.51。

图4 需水量、有效降雨量、水分亏缺指数年际变化趋势Fig.4 The interannual trends of water demand, effective precipitation and CWSDI

夏玉米不同生育阶段需水量均呈下降趋势，其中生长初期、生长中期、生长末期呈显著下降趋势，下降幅度分别为0.116、0.224、0.179 mm/a，下降幅度均高于快速生长期(见图5)。有效降雨量除生长初期呈增加趋势外，在其余生育期呈下降趋势，生长中期下降趋势显著，下降幅度分别为0.156、0.256、0.049 mm/a。夏玉米各生育阶段均存在不同程度的水分亏缺，在生长中期尤为严重，水分亏缺指数达-0.43。在生长中期水分亏缺最严重的年份是1982年、2006年、2011年，水分亏缺指数均低于-0.60。1982年、2006年、2011年均是云南省发生大旱的年份，降水偏少是干旱的主要因素[22]，因此水分亏缺最为严重。

2.3 夏玉米需水量空间变化特征

据表1知，研究区夏玉米全生育期需水量最大的站点是元谋、东川，其值分别为490.5、483.8 mm，鹤庆、永胜需水量最小，分别为349.5、359.9 mm。夏玉米全生育期存在水分亏缺的区域是宾川、元谋、东川、巧家，其中宾川、元谋、东川水分亏缺程度远大于巧家，水分亏缺指数分别为-0.24、-0.26、-0.21。在不同生育阶段，元谋的需水量均最大，分别为42.5、138.2、218.7、97.7 mm；鹤庆的需水量最小，分别为30.5、99.3、153.9、65.8 mm。在生长初期、快速生长期、生长末期，除宾川、元谋、东川存在不同程度的水分亏缺外，大部分区域存在水分盈余。在生长中期，东川、巧家区域的ET0有所回升，元谋的ET0有所下降，3者的值相差不大，此时玉米需水量在各生育阶段达到最大值，有效降雨量未能完全满足玉米的生长，大部分区域存在不同程度的水分亏缺，其中东川、元谋、巧家最为严重，水分亏缺指数分别为-0.47、-0.43、-0.41。

图5 夏玉米不同生育期需水量、有效降雨量、水分亏缺指数年际变化趋势Fig.5 The interannual trends of water demand, effective precipitation and CWSDI of summer maize in different growth periods

生育期指标鹤庆宾川永胜华坪大姚永仁元谋东川巧家生长初期需水量/mm30.5 37.4 32.4 38.0 36.0 37.9 42.5 39.9 38.4 有效降雨量/mm45.9 32.1 46.5 48.1 47.8 46.9 44.5 61.3 63.3 水分盈亏指数0.50 -0.14 0.44 0.27 0.33 0.24 0.05 0.54 0.65 快速生长期需水量/mm99.3 127.0 101.1 118.6 114.0 120.1 138.2 127.5 115.7 有效降雨量/mm135.7 95.8 131.7 139.9 125.3 128.0 112.9 130.2 140.7 水分盈亏指数0.37 -0.25 0.30 0.18 0.10 0.07 -0.18 0.02 0.22 生长中期需水量/mm153.9 190.0 158.1 194.0 168.5 191.5 215.8 218.7 208.0 有效降雨量/mm161.1 132.1 160.0 162.5 145.1 144.4 123.2 115.2 122.9 水分盈亏指数0.05 -0.30 0.01 -0.16 -0.14 -0.25 -0.43 -0.47 -0.41 生长末期需水量/mm65.8 88.7 68.3 80.0 73.7 80.9 94.0 97.7 83.2 有效降雨量/mm119.5 77.3 114.9 128.2 97.4 109.1 80.0 75.5 97.4 水分盈亏指数0.82 -0.13 0.68 0.60 0.32 0.35 -0.15 -0.23 0.17 全生育期需水量/mm349.5 443.1 359.9 430.6 392.2 430.4 490.5 483.8 445.3 有效降雨量/mm462.2 337.3 453.1 478.7 415.6 428.3 360.6 382.2 424.3 水分盈亏指数0.32 -0.24 0.26 0.11 0.06 0.00 -0.26 -0.21 -0.05

表2 不同站点夏玉米需水量变化趋势Tab.2 Change trend of summer maize water demand in different stations

注：**为通过置信度0.01的显著性检验，*为通过置信度0.05的显著性检验。

东川下降趋势最显著，东川下降幅度最大；在快速生长期除永仁、元谋、东川、巧家呈下降趋势外，其他站点呈轻微的不显著上升趋势；在生长中期，除大姚呈轻微上升趋势外，其他区域呈下降趋势，永仁和东川呈极显著的下降趋势；在生长末期9个站均呈下降趋势，永仁、东川、巧家呈极显著下降趋势，东川下降幅度最大。

2.4 需水量与气象要素的相关性分析

夏玉米需水量及年际变化趋势均存在明显的地域差异，而这种差异受到区域气候及其变化特征的影响。由表3知，金沙江干热河谷区(云南境内)大部分区域日照、风速呈现显著下降趋势，而对于气温、相对湿度、降雨量呈不显著上升或下降趋势。在全球气候变暖的背景下，鹤庆、宾川、永胜、大姚平均气温呈轻微的上升趋势，仅宾川上升趋势较显著，其他区域呈不显著的下降趋势。除鹤庆外，其他区域日照时数均呈下降趋势，其中宾川、永胜、永仁、元谋、东川下降趋势显著。除宾川、永胜的相对湿度呈不显著下降趋势外，其余均呈上升趋势，元谋、东川上升趋势显著，每10 a增加幅度分别为1.27%、0.88%；风速除宾川外，其余大部分区域均呈显著下降趋势；降雨量除巧家、元谋呈不显著增加趋势外，其他区域均呈不显著下降趋势。

表3 气象要素变化趋势及与夏玉米需水量相关分析Tab.3 Trend test of meteorological factors and correlation analysis of summer corn water requirement

注：**为通过置信度0.01的显著性检验；*为通过置信度0.05的显著性检验；_表示相关系数最大值。

通过夏玉米需水量与各气象要素的相关关系可知，夏玉米需水量与气温、日照、风速呈显著的正相关，而与湿度、降雨呈显著的负相关，与国内学者研究结果一致[6]。近54 a来金沙江干热河谷区(云南境内)日照和风速呈下降趋势，相对湿度呈增加趋势，大部分区域温度呈减小趋势，在这些因素的综合影响下，导致夏玉米需水量呈下降趋势。大部分区域对夏玉米需水量影响最大的是日照，影响最小的是降雨量。有研究表明，云南省日照时数以减少趋势为主，四季日照时数减少趋势最快的区域在滇中以北金沙江流域一带[22]。从本文相关系数与变化幅度看，日照时数的减少是引起金沙江干热河谷区(云南境内)夏玉米需水量减少的主要因素(见表3)。各气象要素对需水量的影响大小因地域的差异而有所不同。对于玉米全生育期需水量显著下降的4个区域，永仁为日照>相对湿度>风速>气温>降雨量；元谋为相对湿度>气温>日照>风速>降雨量；东川为风速>日照>相对湿度>气温>降雨量；巧家为日照>气温>风速>相对湿度>降雨量。

3 结 语

(1)金沙江干热河谷区(云南境内)1-12月月平均参考作物腾发量为56.1～155.2 mm，4月或5月最大，大部分区域参考作物腾发量年内变化成单峰型曲线，而东川、巧家呈双峰型曲线；夏玉米全生育期平均参考作物腾发量为458.3～631.9 mm，夏玉米全生育期平均参考作物腾发量自上游至下游呈上升趋势。

(2)夏玉米全生育期平均需水量为425.07 mm，研究区夏玉米需水量呈下降趋势，每10 a下降幅度为5.84 mm。夏玉米全生育期平均水分亏缺指数为0.342，各生育阶段均存在不同程度的水分亏缺，在生长中期尤为严重，水分亏缺指数达0.426。

(3)研究区元谋、东川夏玉米需水量最大，为490.5、483.8 mm，鹤庆、永胜需水量最小，为349.5、359.9 mm。夏玉米全生育期存在水分亏缺的区域是宾川、元谋、东川、巧家，其中宾川、元谋、东川水分亏缺程度远大于巧家，水分亏缺指数分别为-0.24、-0.26、-0.21。大部分站点夏玉米需水量呈下降趋势，其中永仁、元谋、巧家、东川下降趋势较显著。

(4)各气象要素对需水量的影响大小因地域的差异而有所不同，而日照是影响夏玉米需水量呈下降趋势的主要因素。

在全球气候变暖的背景下，云南省金沙江干热河谷区表现出独特的气候变化特征，部分区域温度呈下降趋势，大部分区域相对湿度呈增加趋势，这与国内对元谋干热河谷区有关研究中表现的气候变化特征一致[23]。金沙江干热河谷区(云南境内)日照和风速呈下降趋势，相对湿度呈增加趋势，大部分区域温度呈减小趋势，在这些因素的综合影响下，导致夏玉米需水量呈下降趋势。研究中并未考虑地形地貌、土壤墒情等非气候因素对需水量的影响，相关方面的工作有待后续进一步研究。

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