近50年甘肃省玉米需水量、缺水量及水分盈亏指数时空特征分析

苏军德，李国霞，赵晓冏

(1.甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100；2.甘肃省生态环境科学设计研究院，兰州 730000；3.中国科学院北生态环境资源研究院，兰州 730000)

【研究意义】农业作为我国经济社会发展的基础，直接影响着粮食生产和国家安全[1]，但近年来，由全球气候变暖而引起的水资源短缺已严重影响了农业的生产发展[2]。甘肃省地处黄河上游，在季风的影响下大部分地区气候干燥[3]，干旱、半干旱区占区域总面积的75%，由于干旱少雨而导致农作物产量低而不稳的情况时有发生，玉米作为区域内主要的粮食作物，占全省农作物播种面积的27.85%[4]。尤其是近几十年，由于气候变暖而引起的西北地区降水量下降致使区域内玉米干旱越发严重，因此精确量化玉米需水量、缺水量以及水分盈亏指数，对保证区域内水资源的合理利用和灌溉制度的制定都具有十分重要的意义，同时也能够为农业灌溉工程设计提供有利的科学依据。【前人研究进展】近年来，我国学者已在不同区域对农作物需水量、缺水量以及水分盈亏指数进行了不同程度的研究，王磊等[5]通过调查分析，深入研究了我国衢江地区农田灌溉用水的变化趋势，认为在农业用水量下降趋势下，农田灌溉水量仍然占有较高的比重；祁嘉郁等[6]运用56 a的气象数据，分析了北疆小麦不同生育阶段需水量的时空变化，结果显示降水量对小麦不同生长阶段需水量有较大影响；黄绍琳等[7]对张家口市2005—2015年主要农作物需水量的空间格局及其变化特征进行了分析研究；陈伟等[8]就黄土高原东部玉米需水量空间变化趋势进行了分析；王鹤龄等[9]针对河西走廊玉米需水量未来变化趋势进行了预测；魏堃等[10]对甘肃省河东地区春雨米需水量演变特征进行了分析。【本研究切入点】基于ArcGIS并选取甘肃省34个气象站点数据，在更大区域、更长时间尺度上对甘肃省内玉米需水量、缺水量以及水分盈亏指数进行时空特征分析，定量化估算区域内玉米的干旱程度。【拟解决的关键问题】为区域内水资源的合理分配、农业制度的制定以及农业工程灌溉设计提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省位于青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交会带[11]，介于32°11′～42°57′N，92°13′～106°46′E，总面积为4.54×105km2，常年受季风的影响，区域内75%的干旱、半干旱地区，省内各地年均气温为0～15 ℃，年降水量为36.53～785.48 mm，主要集中在6—8月，从东南到西北逐渐减少，属温带大陆性气候。据不完全统计，2017年甘肃省玉米种植面积约1.05×104km2，占全省农作物种植面积的27.85%。区域内植被类型丰富，从东南到西北依次为森林、草原和荒漠，且具有明显的垂直梯带性，土壤以黄绵土为主。

1.2 研究方法及数据处理

1.2.1 玉米需水量 玉米需水量按照ETC=KC×ET0[12]进行计算，其中，ETC为玉米需水量(mm/d)，KC为作物系数，ET0为作物某阶段参考蒸腾量(mm)，计算公式如下：

式中，es、ea分别为饱和水汽压和实际水汽压(kPa)；μ2为风速(m/s)；△为饱和水汽压斜率；G和Rn分别为土壤热通量和净辐射[MJ/(m2·d)]；γ为湿度计常数(kPa/℃)，玉米不同时期作物系数按照联合国粮食与农业组织(FAO)推荐分段单值平均法[13]进行计算，结果如表1所示。

1.2.2 玉米缺水量 玉米缺水量(W)=ETC-Pe，有效降雨量(Pe)[14]按以下公式计算：

式中，P为实际降水量(mm)。

1.2.3 玉米水分盈亏指数 水分盈亏指数(α)=(Pe-ETc)/ETc[15]。

1.2.4 数据处理 所得数据采用Origin Lab 2018和MatLab 2015进行线性回归分析和Mann-Kendall非参数统计检验分析，空间数据运用ArcGIS 10.6中反距离权重插值法(Inverse Distance Weighted,IDW)获得。

2 结果与分析

2.1 玉米需水量与缺水量时间变化

2.1.1 玉米全生育期需水量与缺水量年际变化 近50 a甘肃省玉米全生育期需水量和缺水量均呈波动增长趋势(图1)，1974—2002年玉米需水量和1972—1990年玉米缺水量增长显著，超过了显著性水平0.05的临界线，1999—2008年玉米缺水量呈下降趋势，但下降趋势不明显。总体来看，在近50年(1976—2017年)需水量和缺水量都未通过0.05水平的显著性检验，属于正常波动。玉米需水量维持在497.24～590.00 mm，分别于1974和1993年达到最大值和最小值，平均值为545.51 mm；玉米缺水量维持在358.12～476.00 mm，分别于1997和1979年达到最大值和最小值，平均值为423.51 mm。

表1 甘肃省玉米不同时期作物系数

甘肃省玉米需水量和缺水量的Mann-Kendall 突变检验结果(图1)显示，需水量Mann-Kendall 突变检验正序曲线(UB)和逆序曲线(UF)曲线分别于1968、1971、2013、2015和2017年在置信区间内相交(图1-a)，缺水量Mann-Kendall 突变检验正序曲线(UB)和逆序曲线(UF)曲线分别于1969、2002和2013年在置信区间内相交(图1-b)，再通过滑动t检验，确定1971年为玉米需水量上升到下降的突变点，玉米缺水量在研究时段内不存在突变点。

2.1.2 不同生长阶段玉米需水量和缺水量年际变化 近50 a甘肃省玉米不同生长阶段需水量和缺水量均存在明显的差异(P<0.001)，生长发育期玉米需水量和缺水量都较高，为223.07和179.74 mm，分别占整个生育期玉米需水量和缺水量的40.99%和41.65%；生长初期和生长末期需水量和缺水量基本一致，约为89.30和61.57 mm，分别占整个生育期玉米需水量和缺水量的16.41%和14.26%。

图1 甘肃省玉米全生育期需水量、缺水量年际变化及其Mann-Kendall 突变检验Fig.1 Interannual variation of water requirement and water deficiency during the whole growth period of maize in Gansu province and its Mann-Kendall test

近50 a甘肃省玉米生长初期需水量和缺水量都呈缓慢增长趋势，均未通过显著性检验(图2-a)，属于正常波动，回归方程分别为：y=0.0869x-83.22(R=0.239，P<0.01)，y=0.0169x-311.01(R=0.247，P<0.01)。需水量分别于2013和1967年达到最大值和最小值，分别为80.56和100.38 mm，平均需水量为89.90 mm；缺水量分别于2008和1967年达到最大值和最小值，为31.07和81.18 mm，平均缺水量为61.28 mm。

近50 a甘肃省玉米生长发育期需水量和缺水量都呈波动增长趋势，均未通过显著性检验(图2-b)，增长不明显，回归方程分别为：y=0.1198x-11.65(相关系数R=0.140，P<0.01)，y=0.3670x-551.25(R=0.272，P<0.01)。需水量基本维持在195.93～250.40 mm，最大值和最小值分别出现在2017和1993年，平均需水量为223.07 mm；缺水量分别于2017和1979年达到最大值和最小值，为126.23和215.37 mm，平均缺水量为179.74 mm。

近50 a甘肃省玉米生长中期需水量呈缓慢下降趋势，缺水量呈波动增长趋势，但均未通过显著性检验(图2-c)，回归方程分别为y=-0.1229x-386.84(R=-0.176，P<0.01)和y=0.0002x+127.47(R=0.002，P<0.01)。需水量于1975和2009年达到最大值和最小值，为124.83和167.65 mm，平均需水量为141.96 mm；缺水量分别于1972和1995年达到最大值和最小值，为96.71和146.44 mm，平均缺水量为121.92 mm。

近50 a甘肃省玉米生长末期需水量呈波动增长趋势，缺水量呈缓慢下降趋势，但都未通过显著性检验(图2-d)，变化不明显，回归方程分别为y=0.0370x+15.67(R=0.084，P<0.01)和y=0.0415x-151.33(R=-0.060，P<0.01)。需水量分别于1997和2007年达到最大值和最小值，为74.28和104.57 mm，平均需水量为89.29 mm；缺水量分别于1997和1982年达到最大值和最小值，为42.68和90.65 mm，平均缺水量为68.58 mm。

2.1.3 不同区域玉米需水量和缺水量年际变化 近50 a玉米平均需水量和缺水量Mann-Kendall 趋势检验结果(表2)表明，甘肃省34个站点玉米需水量回归系数在-2.3012～2.1253，其中定西、古浪、会宁、临洮、岷县、通渭、高台、张掖、民勤、永昌、威武、甘南、宕昌13个站点玉米需水量呈显著上升趋势，占站点总数的38.24%，安西、白银、靖远、兰州、榆中、玉门镇6个站点玉米需水量呈下降趋势，占站点总数的17.65%，其余站点需水量变化均不明显。34个站点缺水量回归系数在-2.1108～2.4052，其中定西、古浪、会宁、临洮、岷县、通渭、马鬃山、高台、张掖、民勤、武威、宕昌12个站点玉米缺水量呈显著上升趋势，占站点总数的35.29%，安西、白银、靖远、玉门镇4个站点玉米缺水量呈显著下降趋势，占站点总数的11.76%，其余站点玉米缺水量变化均不明显。

图2 不同生长阶段玉米需水量和缺水量年际变化Fig.2 Interannual variations of water requirement and water deficiency in different growth stages of maize

2.2 玉米需水量与缺水量空间变化

2.2.1 玉米全生育期需水量与缺水量空间变化 甘肃省玉米全育期需水量和缺水量存在明显的空间异质性(P<0.001)，两者基本呈现出从东南到西北增加的趋势，尤其是甘肃省西北部缺水严重(图3)。34个站点中，需水量基本在365.13～842.21 mm，需水量最高的区域为马鬃山，最低的区域为甘南，各站点平均需水量为544.05 mm；缺水量基本在64.08～819.03 mm，缺水量最大的区域为马鬃山，最小的区域为乌鞘岭，各站点平均缺水量为359.67 mm。

表2 不同区域玉米需水量和缺水量Mann-Kendall 检验

2.2.2 不同生长阶段玉米需水量和缺水量空间变化 不同生长阶段34个站点玉米需水量和缺水量具有明显的空间差异性。生长初期玉米需水量和缺水量基本一致，呈现出从东南到西北递增的趋势，除岷县、甘南降雨量能够满足玉米需水量的要求外(图4-d)，其余地区都要进行不同程度的人工灌溉。生长初期34个站点玉米需水量基本维持在57.12～129.99 mm，需水量最大区域为鼎兴，最小区域为岷县，平均需水量为83.73 mm(图4-a)；缺水量基本维持在-11.22～124.99 mm，缺水量最大区域为马鬃山，最小区域为甘南，平均缺水量为60.23 mm(图4-b)。生长发育期34个站点玉米需水量和缺水量空间变化趋势基本一致(图4-c，4-d)，呈现出从东南到西北增加的趋势，区域内降水均不能满足玉米需水量的要求(图4-c)，需水量基本维持在137.10～344.59 mm，平均需水量为211.09 mm，缺水量基本维持在61.69～323.27 mm，平均缺水量为157.61 mm，最大值和最小值分别为马鬃山和甘南。生长中期和生长末期34个站点玉米需水量和缺水量在空间变化上并无明显的差异，均呈现出从东南到西北增加的趋势，但两个时期内所有区域降雨量均不能满足生长需水量的需求，不同地区玉米生长均需不同程度的灌溉。生长中期和生长末期需水量分别维持在86.40～113.61和59.97～149.94 mm(图4-e，图4-g)，平均需水量分别为130.91和88.03 mm，需水量最大的区域均为马鬃山，最小的区均为甘南；生长中期和生长末期缺水量分别维持在60.30～215.15和19.71～146.09 mm，平均缺水量分别为110.92和62.50 mm，缺水量最大区域均为马鬃山，最小区域均为甘南。

2.3 玉米水分盈亏指数变化

近50 a甘肃省全育期玉米有效平均降雨量和需水量分别呈下降和上升趋势(图5)，但有效降雨量下降更为显著，线性回归方程为y=0.4119x+934.23(R=0.3643，P<0.05)，最大值和最小值分别出现在1967和2009年，值分别为145.29和79.34 mm。玉米水分盈亏指数随着有效降雨量的下降呈波动下降趋势(图5)，通过了0.05的显著性检验，变化趋势明显，线性回归方程为：y=0.0008x+0.8421(R=0.3223，P<0.05)，在-0.7164～-0.8532变化，分别于1967和2009年达到最大值和最小值，平均盈亏指数为-0.7905。

3 讨 论

全球气候变暖已成为不争的事实[16]，甘肃省作为西北地区气候变暖最敏感的地区之一，过去50年，平均气温上升了约0.5 ℃[17]。本文研究发现过去50 a玉米需水量和缺水量都呈波动增长趋势，但未通过Mann-Kendall 0.05水平的显著性检验，属于正常波动，这说明研究区内玉米需水量和缺水量是降雨量、相对湿度、风速、日照时数等气象因子共同作用的结果[18]。近50 a甘肃省陇南、甘南、陇东、陇中、河西地区的日平均风速分别为1.65、1.47、2.18、1.92、2.79 m/s，日平均日照时长分别为6.9、6.5、6.9、7.1、9.6 h，日相对湿度分别为65%、70%、60%、59%、42%，日平均气温分别为19.08、12.10、17.19、14.97、17.38 ℃，这种气象因子在空间的共同作用形成了甘肃省玉米需水量和缺水量从东南到西北递增的分布格局。尹海霞等[19]在对黑河流域近43 a主要农作物需水量研究中表明，作物需水量与气温、日照时数呈正相关，与降雨量、相对湿度呈负相关；王鹤龄等[9]对河西走廊绿洲灌溉渠主要农作物需水量研究发现，由气温升高而引起的区域内降水量的减少将严重影响农作物需水量和缺水量的变化，本文的研究同样表明，近50 a研究区内有效降雨量的减少引起玉米水分盈亏指数的显著下降，是引起玉米缺水量增长的主要因素[20]。

图3 近50 a来甘肃省玉米全育期玉米需水量与缺水量空间变化Fig.3 Spatial variation of maize water requirement and water deficit during maize growing period in Gansu Province in recent 50 years

图4 不同生长阶段玉米需水量和缺水量空间变化Fig.4 Spatial variation of water requirement and water deficit of maize at different growth stages

不同生长时期作物对水分的需求也有所差异，张华等[21]研究表明，甘肃省小麦生长发育期需水量显著高于生长初期和生长末期；曹永强等[22]对保定市玉米需水量研究表明，玉米快速发育期需水量高于发育中期和成熟期；魏堃等[10]对甘肃省河东地区春玉米干旱演变特征分析同样表明，6—9月玉米需水量显著高于玉米全育期其他月份。本文研究也发现，近50 a来甘肃省玉米平均需水量和缺水量远大于有效降水量，不同生长阶段需水量和缺水量表现出生长发育期>生长中期>生长初期>生长末期的变化趋势。由此可见，在甘肃省这样旱情较为严重的区域[23]，尤其是在水资源不断减少的情况下，合理调整灌溉时间，在不同时间内合理控制土壤水分含量，不仅能够提高农作物光合作用效率，也能有效减少植物的奢侈蒸腾[24]，从而提高农作物水分利用效率[25]。值得一提的是，近50 a，甘南、岷县、乌鞘岭等部分区域降雨量相对丰沛，基本属于雨养农业区[26]，但区域内降水分布极不均匀，主要集中在夏季和秋季，容易造成水土流失，直接威胁农作物的生长，因此，水利灌溉仍然是区域内农业发展的重要措施。

图5 近50 a甘肃省玉米水分盈亏指数变化Fig.5 Changes of water profit and deficit index of maize in Gansu province in recent 50 years

近年来，不少学者对不同地区不同农作物需水量进行了大量研究，但关于缺水量和水分盈亏指数的研究却不多见，尤其是甘肃省农作物缺水量和水分盈亏指数的研究，目前还未见报道。缺水量能很好地反映某区域农作物的灌溉用水量[27]，水分盈亏指数是区域内作物干旱情况的重要指标[28]，本文利用美国农业部土壤保持局推荐的方法，分析了甘肃玉米缺水量和水分盈亏指数的时空变化，说明未来一段时间甘肃省玉米需水量和缺水量有轻微的增长趋势，水分盈亏指数有显著的下降趋势，但在实际生产中，降水时间和作物需水时间并非保持一致，因此这并不意味着区域内农业灌溉用水趋近于短缺状态，只要在农业生产过程中，合理利用有效水，保证水分利用的时效性，提高水分利用效率，仍可缓解农业需水量的要求。总体来看，与以往研究相比，本文选取的研究区域更广、时间尺度更大、分析指标更多、涉及站点更密集，更能真实反映甘肃省玉米用水的情况，能够为区域内作物精细化灌溉提供科学依据。

4 结 论

(1)近50年甘肃省玉米需水量和缺水量都呈波动增长趋势，但均未通过Mann-Kendall 0.05水平的显著性检验，属于正常波动。1971年为玉米需水量上升到下降的突变点，玉米缺水量在研究时段内不存在突变点。

(2)不同生长阶段玉米需水量和缺水量存在明显的差异，生长发育期需水量和缺水量显著高于其它时期，分别占整个生育期需水量和缺水量的40.99%和41.65%。

(3)甘肃省玉米需水量和缺水量在空间上表现出从东南到西北递增的趋势，其中河西地区需水量和缺水量显著高于其他地区，陇南、陇中、陇中区域蓄水了和缺水量基本相等，甘南等部分区域需水量和缺水量相对较小。

(4)近50年甘肃省有效降雨量和玉米水分盈亏指数呈显著下降趋势，且二者之间具有明显的正相关关系。