河南省夏玉米生育期有效降雨量和需水量时空分布特征

张 杰，张 慧，陈丹丹，李国领，张建涛，臧贺藏，赵 晴，胡 峰，李国强，郑国清

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 2.河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450002； 3.河南中医药大学 管理学院，河南 郑州450046；4.河南省农业科学院 小麦研究所，河南 郑州 450002)

作物需水量计算是指导农田灌溉规划和管理的重要内容，作物需水量因土壤、气候、作物生长状况和管理方式等诸多因素的影响有所差异[1]。近年来，众多学者对作物需水量进行了大量研究[2-11]。聂堂哲等[12-13]利用逐日气象数据分别对黑龙江省水稻和玉米需水量的时空分布特征进行了分析。张华等[14-15]基于甘肃省28个气象站点 1967—2017年的逐日气象数据，结合美国农业部土壤保持局推荐的方法，分析了甘肃省小麦和玉米需水量和缺水量时空分布特征。黄志刚等[16]应用1970—2009年气象数据，分析了松嫩平原近40 a玉米生长期内特别是需水关键期的水分盈亏和时空分布规律。曹永强等[17-18]利用 FAO 推荐的 Penman-Monteith公式和分段单值平均作物系数法分析了冬小麦、夏玉米和棉花的有效降雨量及需水规律，同时结合《IPCC 排放情景特别报告》预估的未来气候情景(气温、降雨等)探讨了气候变化下未来河北省夏玉米需水量的时空演变规律。

河南省是农业大省，属暖温带-亚热带、湿润-半湿润季风气候，是我国玉米的重要产区。受地理位置和气候条件的影响，河南省夏玉米生育期(6—9月)，降雨时空分布不均，自然灾害频繁，可利用的有效降雨量不足，对夏玉米产量造成直接影响[19-21]。因此，明确夏玉米生育期内有效降雨量与需水量的时空分布特征，对河南省不同地区合理进行水资源配置、提高农田灌溉用水效率、保障夏玉米科学高效生产具有重要的指导和实践意义。目前，关于河南省夏玉米生育期需水量、降雨量的研究已有报道[22-26]，但未见关于夏玉米生育期灌溉需水量方面的研究。为此，基于河南省 1961—2015 年15个气象站点的逐日气象数据，根据地理位置将河南省分成5个区域，分析不同区域夏玉米生育期的降雨量、有效降雨量、需水量和灌溉需水量时空分布特征，以期为河南省夏玉米生产中水资源合理分配和灌溉方案制定提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

河南省位于我国中东部、黄河中下游，北纬31°23′～36°22′、东经110°21′～116°39′，东接安徽、山东省，北接河北、山西省，西接陕西省，南临湖北省。全省总面积为16.7万km2，占全国总面积的1.73%。耕地面积811.1万hm2，人均耕地0.085 hm2。全省多年平均水资源量403.53亿m3，人均水资源量约376 m3，不足全国平均水平的1/5。据统计，2006—2015年全省年平均气温为12.7～16.2 ℃，年平均降雨量为477.8～1 167.3 mm，年平均日照1 468.0～2 246.6 h，年无霜期207.9～271.7 d，适宜多种农作物生长。

1.2 数据来源

选取1961—2015年河南省下辖市、县15个气象站点的逐日气象观测资料，包括平均气温、最高气温、最低气温、降雨量、日照时数、平均水汽压、相对湿度、平均风速以及各站点的经纬度信息。上述气象资料来自中国气象局国家气象信息中心(http://data.cma.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 需水量 夏玉米生育期需水量根据FAO 推荐的Penman-Monteith和作物系数法计算[18,20]，公式如下：

ETc=ET0×kc

式中：ETc为作物需水量，kc为作物系数，ET0为参考作物蒸散量。

式中：Rn是作物表面净辐射量，Δ是饱和水汽压和温度关系曲线的斜率，T是平均空气温度，es是空气饱和水汽压，ea是空气实际水汽压，γ是湿度计常数，U2是地面之上2 m处的风速。

夏玉米在播种—拔节期、拔节期—灌浆期、灌浆期—成熟期的作物系数参考前人[25，27]的研究结果分别取值为0.47、1.09、0.67。河南省夏玉米生育期为6月15日—9月26日。

1.3.2 有效降雨量 有效降雨量采用美国农业部土壤保持局(USDA)推荐方法计算[28]，公式如下：

式中，P为日降水量；Pe为有效降雨量。

1.3.3 灌溉需水量 灌溉需水量即作物生育期内需水量与有效降雨量的差值，公式为Wc=ETc-Pe。式中，Wc为灌溉需水量。

1.4 数据处理

利用Excel 2010对气象数据进行整理、计算；利用Matlab软件分析夏玉米生育期需水量的年际变化趋势，并进行 Mann-Kendall 趋势检验；利用 ArcGIS 10.2的空间分析功能对夏玉米生育期降雨量、有效降雨量、需水量、灌溉需水量进行空间插值并作图。

2 结果与分析

2.1 河南省夏玉米生育期降雨量和有效降雨量的时空分布特征

对河南省1961—2015年夏玉米生育期降雨量和有效降雨量进行统计，见图1。河南省夏玉米生育期多年平均降雨量为416.45 mm，年际间波动变化，其中1997年的降雨量最低，为234.11 mm，低于多年平均降雨量43.78%；2000年的降雨量最高，为670.33 mm，高于多年平均降雨量60.96%。针对不同区域夏玉米生育期有效降雨量的时间分布进行分析发现，1961—2015年，豫西(孟津、卢氏、三门峡和栾川站点)和豫北地区(安阳、新乡站点)夏玉米生育期降雨量均呈不显著的下降趋势，豫东(商丘、开封、西华站点)、豫南(南阳、西峡和驻马店站点)和豫中(许昌、郑州和宝丰站点)地区均呈不显著的上升趋势。

由图1可知，河南省夏玉米生育期有效降雨量多年平均值为132.65 mm，年际变化总体呈下降趋势，但下降趋势不明显。其中，1997年夏玉米生育期有效降雨量最低，为83.02 mm，低于多年平均有效降雨量37.41%；2003年夏玉米生育期有效降雨量最高，为186.05 mm，高于多年平均有效降雨量40.26%。2000年河南省夏玉米生育期的降雨量最高，但有效降雨量低于2003年，为173.92 mm，这主要是因为2000年河南省多地出现罕见的特大暴雨，时间间隔短，强度大，导致有效降雨量减少。

1961—2015年河南省夏玉米生育期内年均降雨量和有效降雨量的空间分布如图2所示。河南省不同地区夏玉米生育期年均降雨量在310.04～536.40 mm，从西北向东南呈逐渐递增的趋势。豫西和豫北地区夏玉米生育期年均降雨量偏低，分别为376.22 mm和382.36 mm；豫中和豫东地区夏玉米生育期年均降雨量分别为410.02 mm和426.18 mm；豫南地区夏玉米生育期年均降雨量最高，为504.87 mm。15个站点中三门峡站点的夏玉米生育期年均降雨量最低，为310.04 mm，低于河南省年均降雨量25.55%；驻马店站点的年均降雨量最高，为534.50 mm，高于河南省年均降雨量28.35%。

图1 1961—2015年河南省夏玉米生育期降雨量和有效降雨量的年际变化

1961—2015年河南省不同地区夏玉米生育期年均有效降雨量在115.45～165.98 mm，并从西南向东北递减。其中，豫北地区夏玉米生育期的年均有效降雨量最低，为118.97 mm；其次是豫东和豫中地区，夏玉米生育期年均有效降雨量分别为127.83 mm和128.01 mm；豫西地区为135.31 mm；豫南地区夏玉米生育期年均有效降雨量最高，为147.53 mm。各站点中以三门峡站点夏玉米生育期的年均有效降雨量最低，为115.45 mm，低于河南省夏玉米生育期年均有效降雨量12.94%；栾川站点夏玉米生育期年均有效降雨量最高，为165.98 mm，高于河南省夏玉米生育期年均有效降雨量25.16%；西峡站点的年均有效降雨量次之，为156.75 mm，驻马店站点夏玉米生育期的年均降雨量在各站点中最高，但其年均有效降雨量却低于栾川和西峡站点，为149.24 mm，这主要是因为该地的降雨量较集中，水灾频发所致。其他站点中卢氏、南阳、西华和宝丰站点的夏玉米生育期年均有效降雨量均高于河南省年均有效降雨量，主要集中在133.18～138.50 mm；许昌、郑州、孟津和安阳站点的夏玉米生育期年均有效降雨量在120.22～129.39 mm；开封、新乡和三门峡站点的夏玉米生育期年均有效降雨量则在115.45～119.28 mm。

图2 1961—2015年河南省夏玉米生育期年均降雨量和有效降雨量的空间分布

2.2 河南省夏玉米生育期需水量的年际变化趋势及空间分布特征

由图3可知，1961—2015年河南省夏玉米生育期需水量总体呈下降趋势，多年平均需水量为337.76 mm，每10 a下降幅度为11.42 mm。研究区夏玉米需水量最小值出现在2011年，为290.50 mm，低于多年平均值13.99%；最大值出现在1966年，为410.62 mm，高于多年平均值21.57%。将河南省夏玉米需水量变化趋势分为2个阶段，1961—1990年，呈明显下降趋势；1991—2015年，下降趋势平缓。

图3 1961—2015年河南省夏玉米生育期需水量年际变化

1961—2015年河南省夏玉米生育期年均需水量空间分布如图4所示。河南省不同地区夏玉米生育期年均需水量为312.69～389.08 mm，各个区域差异不明显，其中，豫西地区夏玉米生育期年均需水量略高，为341.42 mm；豫东、豫南、豫北和豫中地区夏玉米生育期年均需水量分别为337.67、336.43、337.80 mm和334.02 mm。对15个站点的夏玉米生育期年均需水量进行分析发现，栾川和卢氏站点夏玉米生育期年均需水量较低，分别为312.69 mm和316.52 mm；三门峡站点夏玉米生育期年均需水量最高，为389.08 mm。其他站点中孟津、开封、西峡和新乡站点的夏玉米生育期年均需水量均在339.12～347.38 mm，高于河南省年均需水量337.71 mm；南阳、宝丰、安阳、商丘、许昌、西华和郑州站点的夏玉米生育期年均需水量则在330.80～337.34 mm，均低于河南省年均需水量。

图4 1961—2015年河南省夏玉米生育期年均需水量的空间分布

2.3 河南省夏玉米生育期灌溉需水量的年际变化趋势及空间分布特征

1961—2015年河南省夏玉米生育期灌溉需水量的年际变化如图5所示，整体呈明显少趋势，每10 a 减少10.95 mm，多年平均灌溉需水量为205.09 mm。2003年夏玉米生育期灌溉需水量最低，为99.37 mm，低于多年平均灌溉需水量51.55%；1966年灌溉需水量最高，为314.00 mm，高于多年平均灌溉需水量53.10%。

图5 1961—2015年河南省夏玉米生育期灌溉需水量的年际变化

1961—2015年夏玉米生育期年均灌溉需水量空间分布如图6所示。不同地区夏玉米生育期年均灌溉需水量在146.71～226.09 mm。豫南地区夏玉米生育期年均灌溉需水量最低，为188.90 mm；豫北地区夏玉米生育期年均灌溉需水量最高，为218.83 mm；豫东、豫西、豫中地区夏玉米生育期年均灌溉需水量差异不大，分别为209.83、206.11、206.00 mm。从15个气象站点的夏玉米生育期年均灌溉需水量来看，栾川站点的夏玉米生育期年均灌溉需水量最低，为146.71 mm；三门峡站点的夏玉米生育期年均灌溉需水量最高，为273.63.mm。其他站点中孟津、开封、新乡、安阳、郑州和商丘站点的夏玉米生育期年均灌溉需水量在205.34～226.09 mm，均高于河南省年均灌溉需水量205.09 mm；宝丰、许昌、南阳、西华、西峡、驻马店和卢氏站点的夏玉米生育期年均灌溉需水量在178.02～203.84 mm，均低于河南省年均灌溉需水量。

图6 1961—2015年河南省夏玉米生育期年均灌溉需水量的空间分布

3 结论与讨论

本研究结果表明，1961—2015年河南省夏玉米生育期年均降雨量在空间上从东南向西北呈逐渐递减趋势，这与杨森等[26]对1982—2012年河南省夏玉米生育期降雨量时空变化的研究结果一致。本研究夏玉米生育期年均有效降雨量则从西南向东北递减，这说明虽然豫东地区的年均降雨量仅次于豫南地区，但年均有效降雨量明显低于其他区域位列第4。本研究有效降雨量计算方法与杨森等[26]的计算方法不同，但研究结果中，河南省夏玉米生育期的年均有效降雨量整体空间分布相似，均是豫南地区年均有效降雨量最高，豫北地区最低。

本研究结果表明，豫西地区的夏玉米生育期年均需水量略高于其他地区，豫东、豫南、豫北和豫中地区的年均需水量没有差异；年均灌溉需水量则是豫北>豫东>豫西>豫中>豫南，其中豫北地区的年均灌溉需水量最高，豫南地区的年均灌溉需水量最低，豫东、豫西和豫中地区的年均灌溉需水量没有明显差异。1961—2015年河南省夏玉米生育期需水量和灌溉需水量均呈减少趋势，这与刘小刚等[25]的研究结果一致。其中，夏玉米生育期最大需水量为410.62 mm，出现在1966年；最低需水量为290.55 mm，出现在2011年。灌溉需水量最大为314.00 mm，出现在1966年；最小灌溉需水量为99.37 mm，出现在2003年。1961—2015年，总体上河南省夏玉米生育期有效降雨量均小于需水量，不能满足夏玉米生长需求，需要人工灌溉。