1971—2018年黑龙江省玉米需水量与有效降水量耦合度演变特征

曲辉辉 王冬冬 闫敏慧 翟墨 刘丹 闫平 王晓明 姜丽霞

（1.黑龙江省气象科学研究所／中国气象局东北地区生态气象创新开放实验室／黑龙江省气象院士工作站，黑龙江哈尔滨 150030；2.黑龙江省气象局机关服务中心，黑龙江哈尔滨 150030；3.黑龙江省气象服务中心，黑龙江哈尔滨 150030；4.黑龙江省气象数据中心，黑龙江哈尔滨 150030）

引言

作物需水量指在水分供应充足且其他因素不成为限制因子的条件下，作物为获得最高产量所需要的水分总量［1］，作物需水包括植物的同化作用过程需水、植物体内的水、植物蒸腾和土壤蒸发及植株表面蒸发［2］，其中同化作用需水量、植物体内的水和植株表面蒸发耗水量仅占作物需水总量的1%左右，故植物需水主要用于植物蒸腾和土壤蒸发［3］。作物需水除与品种特性、生长阶段及农技措施有关外，还受土壤条件与气象要素影响［4-5］。生长季内作物需水量与自然降水量匹配程度常被用于农田水分管理［6-10］和种植制度优化［10-15］的参考依据，如曲辉辉等［6］基于作物需水量与自然降水量的耦合度对湖南省种植制度进行了以防旱避灾为目的优化；王明田等［7］以降水对作物需水的保证程度为指标对四川省种植指数进行优化；左余宝等［8］利用主要作物不同生育期生理需水量与自然降水量的吻合程度进行了种植结构优化；张秋平等［12］通过计算作物需水量确定了不同年型旱稻各生育阶段降水与作物需水量耦合程度和灌溉量；王文佳等［13］通过研究不同降水年型冬小麦的需水量规律，制定了以产量和经济效益最高为目标的灌溉制度。自然降水中，一部分或被冠层截留或形成地表径流或向深层渗漏，其余部分被根层土壤吸收，用于满足作物蒸散需要，被称为有效降水量［16-18］，指定时段内有效降水量与作物需水量的匹配程度可更加科学准确地描述当地自然降水对作物需水的满足程度［19-21］，对实际生产与决策服务更具指导性。但目前研究中，少见关于黑龙江省玉米产区有效降水量与玉米需水量匹配度的详细研究。

黑龙江省是中国重要玉米产区，玉米产量占全国总产量的15%以上［22］，其稳定性关系到中国玉米生产大局。受气候变化、季风气候及地理环境等条件影响，黑龙江省自然降水量年代际和年际变异大，季节间和空间分布不均，造成玉米需水量与自然降水量匹配不协调，导致其生长发育和产量受到不同程度影响［23-25］。本文基于1971—2018年黑龙江省玉米生长季内不同阶段有效降水量和作物需水量，分析明确有效降水量对作物需水量的满足程度及其演变特征，借以为合理进行农田灌溉、实现玉米稳产增产提供参考。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

黑龙江省横跨14个经度，纵跨10个纬度，省内气候条件及地形地势变化较大，综合考虑上述因素，将黑龙江省划分为东、南、西、北和中部5个区域，并选取集贤、五常、龙江、嘉荫和青冈分别为各区域代表站点（图1）。

图1 黑龙江省区域划分及代表站点Fig.1 Geographic division of Heilongjiang province and representative stations

1.2 资料来源

使用1971—2018年黑龙江省69个台站逐日气象观测数据，包括降水、平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、平均气压、平均水汽压、平均相对湿度和风速等。玉米发育期资料为农业气象试验站1981—2018年观测资料。以上数据均来源于黑龙江省气象局整编资料。

1.3 玉米需水与有效降水耦合度

1.3.1 参考作物蒸散量（ET0）

采用1998年FAO推荐的Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量，计算公式如下［26］

式（1）中，ET0为参考作物蒸散量（mm·d-1）；Rn为到达作物表面的净辐射（MJ·m-2·d-1）；G为土壤热通量密度（MJ·m-2·d-1）；t为2 m高处的空气温度（℃）；U2为2 m高处的风速（m·s-1）；ed为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；Δ为水汽压对温度的斜率（kPa·℃-1）；γ为干湿球常数。

1.3.2 作物系数（KC）

采用“中国主要农作物需水量等值线图协作组”推荐的作物系数［27］，黑龙江省春玉米作物系数平均为0.80，其中5月苗期植株小，叶面积系数低，作物系数小；6月以后植株叶面积逐渐增加，作物系数逐渐增大；7月和8月达最大值；9月后植株衰老，叶片枯黄，作物系数逐渐降低。

1.3.3 作物需水量（ETC）

作物需水量计算公式如下［26］

式（2）中，ETC为某一时段的作物需水量（mm）；ET0为对应时段的参考作物蒸散量（mm）；KC为同一时段的作物系数。

1.3.4 有效降水量（Pe）

自然降水中一少部分无法为作物吸收利用，可被作物利用的部分称为有效降水，本文采用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算［28-30］

式（3）中，Pe为某一时段有效降水量（mm）；P为对应时段自然降水量（mm）。

1.3.5 作物需水与有效降水耦合度

作物需水与有效降水耦合度计算公式如下［31］

式（4）中，Λi为第i生育时段作物需水量与有效降水量耦合度；Pi为第i生育时段有效降水量（mm）；ETci为第i生育时段作物需水量（mm）。

全生育期内作物需水量与有效降水量的耦合度Λ为各生育时段耦合度Λi以各生育时段的需水模系数为权重的加权平均值，计算公式如下

式（5）中，ETci为第i生育时段作物需水量（mm）；ETc为全生育期内作物需水量（mm）；Λi为第i生育时段的作物需水量与有效降水的耦合度；Λ为全生育期内作物需水量与有效降水耦合度。

1.4 气候趋势分析

气象要素的变化趋势以气候倾向率表示，气候倾向率采用最小二乘法计算，公式为

1.5 空间分析

本文应用ArcGIS 10.2反距离加权法插值，实现研究对象的空间分析。

2 结果分析

2.1 玉米生长季内有效降水量与需水量变化

采用趋势分析法对1971—2018年黑龙江省5个代表站点玉米生长季内有效降水量和需水量进行分析（表1）。由表1可知，1971—2018年黑龙江省各地玉米不同生育阶段有效降水量变化趋势不一致。黑龙江省全省玉米播种—出苗期有效降水量均呈增加趋势；出苗—拔节期黑龙江省东部和南部有效降水量减少，中部、西部和北部增加；拔节—抽穗期西部和北部有效降水量增加，南部、东部和中部减少；抽穗—乳熟期西部有效降水量增加，其他地区减少；乳熟—成熟期东部和北部有效降水量增加，南部、西部和中部减少。黑龙江省西部和北部玉米多数生育阶段有效降水量增加，整个生长季内有效降水量均呈增加趋势，中部、南部和东部多数生育阶段有效降水量减少，整个生长季内有效降水量呈减少趋势。各区域玉米不同发育阶段有效降水变化趋势均不显著。

表1 1971—2018年黑龙江省玉米生长季内有效降水量与需水量气候倾向率Table 1 Climate tendency rate of effective precipitation and water need during maize growing season from 1971 to 2018

玉米需水量受多种因素影响，忽略作物品种、栽培措施等，单从气象条件对需水量影响的角度入手，分析黑龙江省各区域玉米各生育阶段需水量变化趋势。黑龙江省北部播种—出苗期和出苗—拔节期需水量减少，其余生育时段需水量增加，变化均不显著；其他区域各生育阶段玉米需水量均呈降低趋势，其中播种—出苗期需水量下降极显著，黑龙江省东部生长季玉米需水量下降最显著。从空间分布看，黑龙江省东部玉米需水量降低速度最快，北部最慢。影响玉米需水量的主要气象因子包括日照时数、风速、气温及相对湿度，其中相对湿度的贡献为负值［33］，在气温升高、风速降低、日照时数减少、相对湿度减小的总体气候背景下［34-35］，风速降低和日照时数减少为黑龙江省玉米需水量减少的主要气象贡献因子。

2.2 耦合度时空分布

从1971—2018年黑龙江省玉米不同生育阶段作物需水量与有效降水耦合度空间分布来看（图2），在玉米整个生长季中，黑龙江省东北部及中部部分地区耦合度最高，除此之外总体表现为西低东高。各发育阶段分布特点不同，播种—出苗期耦合度分布特征为西低东高，西部最低，东南部和东北部最高；出苗以后耦合度中部和东北部最高，东部总体高于西部。

图2 1971—2018年黑龙江省玉米整个生长季（a）、播种—出苗期（b）、出苗—拔节期（c）、拔节—抽穗期（d）、抽穗—乳熟期（e）和乳熟—成熟期（f）作物需水与有效降水耦合度空间分布Fig.2 Spatial distribution of coupling degree between maize water need and effective precipitation for the whole growing season（a），sowing to emergence（b），emergence to jointing（c），jointing to heading（d），heading to milk maturity（e），milk maturity to physiology maturity（f）from 1971 to 2018 in Heilongjiang province

不同发育阶段相比较，播种—出苗期和出苗—拔节期自然降水较少，耦合度较低，拔节后黑龙江省进入降水集中时段，降水量增加，耦合度增大。

1971—2018年不同时段内，黑龙江省玉米生长季作物需水量与有效降水量耦合度均呈现西南部低、东北部和中部高的变化趋势（图3）。不同时段间相较，1981—1990年和2011—2018年两个时段耦合度相对较高，1971—1980年和2001—2010年两个时段耦合度较低。

图3 1971—1980年（a）、1981—1990年（b）、1991—2000年（c）、2001—2010年（d）和2011—2018年（e）黑龙江省玉米生长季作物需水量与有效降水量耦合度空间分布Fig.3 Spatial distribution of coupling degree between maize water need and effective precipitation during 1971 to 1980（a），1981 to 1990（b），1991 to 2000（c），2001 to 2010（d），and 2011 to 2018（e）in Heilongjiang province

2.3 耦合度对气候变化的响应

1971—2018年黑龙江省不同区域作物需水量与有效降水量耦合度M-K检验表明（图4），黑龙江全省耦合度UF曲线呈波动变化，1986年以前呈下降趋势，且1975—1980年超过置信水平，下降趋势达显著水平，1987—2000年呈上升趋势，2001—2013年为下降趋势，之后为上升趋势；在置信区间内，UF曲线与UB曲线有3个交点，分别为2012年、2015年和2017年。累积距平分析表明，研究时段内，黑龙江省玉米生长季耦合度1973—1982年为下降趋势，1983—1994年为上升趋势，在经历短暂波动过后，1998年开始耦合度再次下降，至2012年以后开始回升。结合两种曲线分析结果，可以判定玉米生长季耦合度在2012年发生突变，突变方向为耦合度由低到高。5个区域的耦合度M-K曲线变化趋势与黑龙江全省变化趋势相似，基本变化趋势均为“两落两起”；结合累积距平曲线（图4），2012年为黑龙江省北部和中部地区耦合度由低到高突变点，2011年黑龙江省为西部和南部地区耦合度由低到高的突变点，东部地区无明显突变点，耦合度突变年份与黑龙江省降水由少水到多水突变年份较一致［36］。

图4 1971—2018年黑龙江全省玉米耦合度M-K突变（a）和累积距平（b）、黑龙江省北部玉米耦合度M-K突变（c）和累积距平（d）、西部玉米耦合度M-K突变（e）和累积距平（f）、中部玉米耦合度M-K突变（g）和累积距平（h）、东部玉米耦合度M-K突变（i）和累积距平（j）、南部玉米耦合度M-K突变（k）和累积距平（l）变化Fig.4 Mann-Kendall test and accumulative anomaly of coupling degree between maize water need and effective precipitation for Heilongjiang province（a，b），and north（c，d），west（e，f），middle（g，h），east（i，j），south（k，l）of Heilongjiang province from 1971 to 2018

3 结论与讨论

（1）1971—2018年黑龙江省玉米生长季内，拔节期以前生育时段全部或大部地区有效降水量增加，拔节期以后各生育阶段大部地区有效降水量呈减少趋势，这与李天霄等［37］对黑龙江省降水量变化趋势研究结果及聂堂哲等［38］对黑龙江省各月份有效降水量变化趋势研究结果较一致。黑龙江省西部和北部玉米生长季内有效降水增加，中部、南部和东部呈减少趋势。

（2）仅考虑气象条件，受风速降低和日照时数减少等因子影响，黑龙江省大部地区玉米生长季内需水量减少，这与朱红蕊等［39］对黑龙江省蒸发量变化特征研究结果及聂堂哲等［38］对黑龙江省玉米需水量变化趋势研究结果较一致，其中东部减速最快，北部最慢。

（3）玉米生长季内，黑龙江省中部和东北部耦合度较高，西部耦合度较低，这与聂堂哲［34］等对黑龙江省玉米灌溉需水量研究结果及马建勇等［40］对东北地区干旱趋势研究结果较一致，拔节期以前耦合度较低，拔节期以后耦合度较高。

（4）1971—2018年黑龙江省各区域耦合度均呈“两落两起”变化趋势，拐点分别为20世纪80年代初、90年代中期及21世纪初，这与顾金普等［41］对黑龙江省降水年际演变特征研究结果较为一致，1981—1990年和2011—2018年两个时段耦合度相对较高，1971—1980年和2001—2010年两个时段耦合度较低；2011—2012年为耦合度由低到高突变点，这与靳春香等［36］对黑龙江省降水变化趋势研究结果较一致。

（5）作物需水量与有效降水量的耦合度可较好反映出某一生育阶段内降水对作物需水的满足程度。但实际生产中，土壤对水分的贮存能力使得降水有一定累加效应，即上一生育阶段内降水储存在土壤中仍可为下一生育阶段作物所吸收利用，尤其抽穗—开花期和开花—吐丝期均历时较短，可能仅持续2～3 d，若恰逢无降水或少降水，对应生育阶段耦合度值低，但如前期降水多、土壤湿度大，作物生长发育不会受到影响。因此，农田水分管理过程中，需重点关注黑龙江省西南部耦合度低值区和播种期与苗期耦合度低值时段，不仅要考虑当前阶段耦合度，还需考虑降水累积效应和土壤湿度，将有限的水资源用于最需要的地区和时段，提高水的利用效率，以期达到作物高产、稳产和节约农业用水的目的。