基于干旱生境的安定区玉米作物水分亏缺分析

郭奇旺，金彦兆

(甘肃省水利科学研究院，兰州 730000)

我国是一个水资源严重短缺的国家，尤其是旱灾已成为制约农业发展的重要因素，每年由于旱灾造成我国粮食减产大约300 亿kg，约占所有自然灾害损失的60%[1]。旱灾不仅造成农业的大幅度减产，同时影响粮食安全，与此同时对人类的生存环境和经济发展造成了严重威胁[2]。安定区位于甘肃省中部，多年平均降水量398.5 mm，水资源极为短缺，是一个典型的干旱、半干旱地区，十年九旱，十地九旱，粮食生产以雨养旱作农业为主，长期以来难以摆脱靠天吃饭的窘境。随着雨水集蓄利用技术研究的不断发展和示范推广的逐步深入，微地形雨水就地富集利用技术、集雨补充灌溉技术应运而生，为发展旱作农业提供了强有力的技术支撑。开展基于干旱生境的作物生育期水分亏缺研究，提出各生育期水分亏缺值、亏缺程度及主要亏缺时段，对实施旱作农业雨水就地富集利用和集雨补充灌溉，提高旱作农业生产水平具有重要指导作用。

1 研究区概况

安定区位于甘肃省中部，地跨北纬35°17′54″至36°02′40″、东经104°12′48″至105°01′06″之间，其地势自西南向东北倾斜，气候类型属于中温带干旱、半干旱，大陆性季风气候十分明显。年平均太阳辐射量141.4 kcal/cm2，年平均日照2 500 h，年均气温6.3 ℃，无霜期141 d。全区多年平均降水量398.5 mm左右，多集中在夏秋季节，最大4个月(6-9月)降水量占全年降水量的67.2%，蒸发量高达1 500 mm以上。降水稀少，水资源极为短缺，造就了安定区旱作雨养农业的基本现状，也形成了区域旱作特色农业的基础。安定区现有各类农作物种植面积12 万hm2，其中以玉米、小麦为主的粮食作物播种面积10.73 万hm2，尤其是随着垄沟覆膜集雨技术的推广应用，玉米种植面积逐年扩大，目前种植面积已仅次于马铃薯，占总播种面积的21.25%，已经成为当地主要种植作物和优势作物。

2 玉米生育期及需水量分析计算

2.1 玉米作物生育期确定

根据调研并查阅相关文献资料，安定区玉米4月中旬播种，10月中旬收获，主要包括出苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆期、成熟期等6个生育阶段，全生育期共180 d左右。安定区玉米作物生育期划分结果及各生育阶段生长特征表现见表1[4]。

表1 安定区玉米作物生育期划分结果及生长特征

2.2 玉米生育期需水量分析计算

作物需水量是指在作物生育期内，土壤水分条件适宜(即土壤含水量处于田间持水量的60%以上、最大田间持水量以下)、土壤肥力状态良好、农艺技术措施使用适当、作物能够充分发挥其生态生产力潜势的理想条件下的作物耗水量，即作物潜在耗水量或者最大可能耗水量[5]。

作物的需水量包括植物蒸散量和植物光合作用需水量，但进一步研究表明，植物的光合作用所用的需水量所占比例很小，可以忽略不计，所以玉米的理论需水量可以用蒸散量来代替[6]。具体计算可采用式(1)进行：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中：ETc为-作物需水量，mm/d；ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Kc为作物系数。

其中，作物系数根据世界粮农组织推荐的玉米作物系数，结合安定区气候条件，参考已有研究成果确定，安定区玉米作物系数见表2。

表2 安定区玉米作物系数(kc)

参考作物蒸散量计算比较复杂，与气压、风速、温度等多种气象因素有关。目前，国内外计算农田蒸散量普遍采用FAO推荐的Penman-Monteith公式(FAO-PM)[7]。

(2)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rn为冠层表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)，相当于Rn取值很小，尤其在计算步长接近1 d的情况下，取值忽略为0，即G≈0；Δ为饱和水汽压曲线在温度为T时的斜率，kPa/℃；T为日平均气温，℃；γ为干湿表常数，kPa/℃；U2为距离地面2 m处的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。

参考有关文献及相关研究成果[8]，确定了相关计算参数，采用式(2)计算玉米作物逐时段蒸散量，具体计算结果见表3。

表3 安定区春玉米作物不同生育阶段需水量

从表3，在特定的生态环境条件下，安定区玉米全生育期需水量呈现小-大-小-大-小的变化过程，在播种-出苗期需水量较小，从出苗-拔节期开始需水量增加，拔节-大喇叭口期有所减少，大喇叭口-吐丝期需水量又显著增加，随着灌浆期、成熟期的到来，需水量逐渐减少。玉米在整个生育期耗水强度2.61 mm/d，在出苗-拔节期耗水强度最大为5.07 mm/d，大喇叭口-吐丝期是第二个耗水高峰期，耗水强度4.34 mm/d，该时期是玉米产量形成的关键时期，因此，本阶段玉米的耗水强度增大。

3 玉米生育期天然降水量分析

3.1 安定区降水特性分析

通过对安定区长系列降水资料1958-2015年进行58年年平均降水量统计、分析。发现安定区降水量年内变化大，月分配不均，全年降水量主要集中在6-9月，其历年6-9月平均降水量占全年平均降水量的67%左右，最大降水月一般出现在7月或者8月，春季和冬季降水少，约占全年平均降水量的7%左右。

对安定区1958-2015年58年降水量系列进行频率计算，先确定变差系数Cv值[9]。由于年降水量相对稳定，偏差系数Cs取值一般用Cs/Cv值来反映[10]，用水文频率计算软件计算并绘制频率曲线见图1。

安定区多年平均降水量为398.5 mm，变差系数Cv为0.20，不同频率年降水量见表4[11]。

图1 安定区降水量频率曲线

表4 安定区降水量特征值表

3.2 不同保证率降水量及年内分配

根据安定区1958-2015年共58年的天然降水量数据，通过频率计算求得频率为20%、50%、75%的设计年降水量，分别作为丰水年，平水年，枯水年，P20%=461.7 mm,P50%=389.6 mm，P75%=341.0 mm。

根据典型年选择原则，确定采用1984年、1975年和2011年月降水过程分别为20%、50%和75%年的典型年。采用同倍比法计算不同频率降水量逐月分配见表5[13]。

表5 不同频率降水量月分配过程计算结果

3.3 不同保证率玉米作物生育期降水量及分配

根据前述分析确定的玉米作物生育期与需水量，结合不同频率降水量月分配过程，确定安定区玉米作物不同降水频率条件下玉米作物生育期水分亏缺见表6。

由于不同作物在不同的生育阶段具有不同的生长特征，其结果是作物各生育阶段的需水量也不相同，而且，不同的气候条件也是影响作物需水量变化的主要因素。从玉米作物生长发育特征来看，整个生育期需水量大致呈现小-大-小-大-小的变化规律，生长前期，植株矮小，需水量较小；生长盛期，枝繁叶茂，生长旺盛，需水量最大；进入成熟期，植株生长结束，水分需求减小。

4 玉米生育期水分亏缺特征分析

玉米作物生育期需水、天然降水柱状图见图2，水分亏缺特征分析结果见表7。由此可见：受降水量、需水量的共同影响，玉米作物在不同生育期水分亏缺各不相同，缺水量为玉米全生育期阶段的需水量和同时期降水量的差值，正值表示玉米需水量小于天然降水量，即天然降水可以满足玉米生育阶段的需水要求。负值表示玉米需水量大于天然降水量，也就是说天然降水量不能够满足玉米生育期的需水要求[12]。比较发现出苗-拔节期玉米的水分亏缺最大，大喇叭口-吐丝期次之，本阶段玉米的需水量大，天然降水无法满足玉米的需水要求，因此，玉米水分亏缺比较大。

表6 天然降水条件下玉米作物生育期水分亏缺分析结果表

图2 玉米生育阶段需水、天然降水量柱状图

表7 安定区玉米作物各生育期水分亏缺特征

5 结 语

本文对安定区1958-2015年共58年天然降水量资料分析计算发现玉米生育期需水量变化趋势与天然降水量的变化基本一致，通过对20%、50%、75%频率下的降水量及其年内分配与玉米生育期的需水量对比发现在玉米的出苗-拔节期和大喇叭-吐丝期仍存在水分亏缺且亏缺程度较大，在其他生育期可以基本满足玉米需水的要求，为了达到不减产和提高质量的要求，因此需要实施旱地农业雨水就地富集利用和雨水补充灌溉。