固原市主要农作物生育期有效降水与需水量特征

马 芳, 张维江, 冯 娜, 黄 艳

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院, 银川 750021; 2.宁夏海原县水务局，海原，宁夏 755200)

全球气候变化，不仅对降水时空变化特点有影响[1]，并且还对作物需水及生长产生较大影响[2]。干旱半干旱地区，水资源短缺是直接影响该地区农业和经济发展的关键性因素，全球气候变化影响着降雨时空变化特点，进一步影响着作物需水和生长。作物有效降水量与需水量是确定作物生育期灌溉工作量的主要参数，作物需水量也是农业用水中最主要的消耗部分[3]，其大小主要受到植物自身、气象因子、土壤结构等诸多因素的影响。固原是宁夏主要的粮食产区，受地理位置和气候条件的影响，作物生长期间雨热同期，降雨时空分布不均，可利用的有效降雨量不足，对作物产量造成直接影响。

近年来，众多学者对不同地区有效降雨量和不同作物需水量进行了研究，魏钟博[4]针对黑龙港流域地下水超采严重现象，对夏玉米生育期降水量及需水量进行时空分布规律研究，为夏玉米的高效利用降水资源提供依据；吴卫熊等[5]对广西木薯有效降水和需水量进行分析，研究发现各生育阶段作物的需水现象差别较大，呈现出东南小、西北大的分布规律；张波等[6]为合理配置贵州地区烤烟灌溉及水资源高效利用，分析了烤烟各生育期有效降雨、需水量及需水指数；陈超、陈伟、靳春香、曹永强等对小麦、棉花、玉米、烤烟、水稻生育期的有效降雨及需水量进行时间和空间的特征研究[7-9,12,14]，研究结果为各地区农田灌溉规划和管理的提供了宝贵依据。但对宁夏固原地区主要农作物生育期有效降雨量及作物需水量等因素的变化规律研究较少。

因此，本文基于宁夏回族自治区固原市 1960—2018年2个气象站日观测资料和农业气象站马铃薯、春小麦、玉米生育期的观测资料，系统分析3种作物生育期降水量、需水量和水分盈亏指数时间上和空间上的变化规律，以期为3种作物生长过程中降水资源合理提供配置提供依据，进而提高降水资源的利用率。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区南部山区，坐标105°20′—106°58′E，35°14′—36°38′N，黄土丘陵地貌，海拔1 500～2 200 m。属于典型的大陆暖温带气候，由于该地区四季温差较大，使得该地区灾害性天气偏多，其平均气温为7.75℃，年降水量450 mm左右，年蒸发量800～1 200 mm。

1.2 材料来源

气象资料来源：本文所用的数据均来自宁夏固原市1960—2016年2个气象站日观测资料，包括：降水量、温湿度、风速风向、日照时数(中国气象数据网: http:∥data.cma.cn/site/index.html)及当地农业气象等。

各作物生育期来源：春小麦的生育期来源于徐华军[10]基于多年的分析宁夏各地区冬春小麦的资料，玉米和马铃薯来源于宁夏马铃薯、玉米种植规范。

1.3 研究方法

1.3.1 有效降水 有效降水量是指干旱地区，可以满足作物蒸发所消耗降雨量，不包括径流、渗漏至根区以外的区域及淋洗盐分所需要的深层渗漏部分[11-12]，因此使用USDA土壤保持局推荐的有效降水的方法计算[13-14]，其表达式为:

(1)

(2)

式中:Pei为每日有效降水量(mm/d)；P为每日降水量(mm/d)；Pe为农作物全生育阶段有效降水总量(mm)；n为生育期旬分组数。

1.3.2 作物需水量 大量的试验研究表明，Penman-Monteith公式与实际蒸散量最接近，因此本文选用1998年联合国粮农组织推荐的 Penman-Monteith[15-16]公式计算，表达式为：

(3)

式中:ET0是作物每日蒸散量(mm/d);Δ是温度和饱和水汽压拟合曲线的斜率值(kPa/℃);Rn是作物表面的净辐射量[MJ/(m·d)];γ是湿度计常数(kPa/℃);T是日平均气温(℃);u2为2 m高处风速(m/s);G是土壤热通量(MJ/m2d);es和ea分别是空气中饱和水汽压和实际水汽压(kPa)。

通过采用FAO(联合国与农业组织)对作物需水量的认定，3种农作物生育期需水量由需水系数与参考作物蒸散量乘积而得，表达式为：

ETc=Kc×ET0

(4)

式中:Kc为作物系数；ET0为逐日作物蒸散量(mm)。

作物系数Kc采用1998年联合国粮农组织推荐的分段单值平均法[17]计算，联合国粮农组织把作物系数Kc按生育阶段划分为：初始生长期(从播种期到作物覆盖率接近10%，此时的作物系数为Kcini)、快速发育期(从覆盖率10%到充分覆盖之间，此时的作物系数从Kcini增加到Kcmid)、生育中期(从充分覆盖到成熟期开始，此时作物系数为Kcmid)和成熟期(从叶片开始逐渐变黄到收获或者成熟，此时作物系数从Kcmi线性减小至Kcend)[18-20]。联合国粮农组织推荐使用的Kc主要针对半湿润气候条件下的平均值[21]。对于特定的地区需要根据当地的土壤、气候和作物的高度进行修订，王静等[22]对作物系数针对宁夏当地农作物实际情况进行修订，因此本文采用作物系数修订后的公式计算，修订公式为：

(5)

式中:Kc和Kc(tab)(Kcini，Kcmid，Kcend)分别为修正前后不同生育期的作物系数;U2为不同生育期高度2 m处的日平均风速(m/s);RHmin为不同生育期日最低相对湿度的平均值(%);h为不同生育期作物的平均高度(m)，表1为三种作物全生育周期。

表1 三种作物全生育周期

1.3.3 缺水量计算 缺水量也可以称为灌溉需水量，指作物生育期内同期需水和有效降水的差值，当W>0时，说明有效降水小于需水量，不能满足作物需水要求；相反，W≤0时，说明有效降水大于需水量，能满足作物需水要求[23]，表达式为：

W=ETc-Pe

(6)

式中：ETc为作物生育期内需水量(mm)；Pe为作物全生育期内有效降雨量(mm)。

1.3.4 水分盈亏指数 水分盈亏指数能很好地反映农业旱情。水分盈亏指数(Id)指作物某一生育期内农业有效雨量(Pe)与同一时期作物需水量(W)之差与作物需水量的比值[23-24]。苏永秀等[25]通过建立水分盈亏指数模型运用于广西农业干旱监测业务，其表达式为：

(7)

式中：Pe为作物生育期内有效雨量(mm)；W为作物生育期内缺水量(mm)。

1.3.5 变异系数 变异系数可以直观衡量有效降水量和需水量年际间的稳定性。n年作物有效降水和需水量的变异系数按(Cv)式(8)-(9)计算。

(8)

Cv=S/x′

(9)

式中:S为均方差;xi为第i年的需水量;x′为需水量多年平均值[26]。变异系数越大,越不稳定;变异系数越小,越稳定。

1.3.6 Mann-Kendall突变检验 时间序列的分析中，Mann-Kendal法不仅可以直观的反映时间序列的上升和下降趋势，而且可以精准计算时间序列的突变区域和突变点[27]。

对于时间序列Y(含n个样本)，构造一个秩序列：

(10)

(11)

式中:秩序列Sk是第i个时刻数值大于j个时刻时,数值个数的累加。时间序列的随机假设,定义统计量:

(12)

其中，UF1=0，E(Sk)和var(Sk)分别是Sk的均值和方差，且y1，y2，…，yn相互独立，它们具有相同连续分布，可以由式(13—14)分别求出：

(13)

(14)

UF呈标准正态分布，对于时间序列Y(y1,y2,…,yn)计算统计量，通过正态分布表查显著性水平α，当UFi>Uα时，说明时间序列变化趋势显著，反之变化趋势不显著。

取时间序列Y的逆序(yn,yn-1,…,y1)，进行重复上述过程，计算UBx，令UBk=UFk且UB1=0。取α=0.05，将UFk和UBk绘制在一张图上。当UFk和UBk的值均大于0，表明序列呈上升趋势，反之呈下降趋势。当两者超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，则交点对应的时刻即是突变开始[28]。

本文采用变异系数、小波方差、Mann-Kendall突变检验等方法分析宁夏固原市马铃薯、春小麦、玉米3种作物生育期有效降水量和需水量逐年变异系数、气候倾向率及周期变化，探讨宁夏固原市马铃薯、春小麦、玉米3种生育期有效降水和需水量的变化规律。

2 结果与分析

2.1 3种作物全生育期有效降雨量变化特征

图1为1960—2018年宁夏固原市3种作物的全生育期降水与有效降水的分布，通过分析3种作物全生育期降水年际变化趋势可得：马铃薯多年平均有效降水呈下降趋势，春小麦和马铃薯呈上升趋势。宁夏固原地区马铃薯全生育期降水量平均分布在185～503 mm，平均降水量为322 mm；全生育期有效降水量平均分布在95～196 mm，平均有效降雨量为132.5 mm，近60 a马铃薯全生育期年有效降水量的变化趋势介于-1.9～-3.2 mm/10 a；春小麦全生育期降水量平均值分布在53.3～253.9 mm，平均降水量为129.3 mm，全生育期有效降水量平均分布在30.09～134.88 mm，平均有效降水量为68.8 mm，有效降水量变化趋势在-1.3～0.6 mm/10 a；玉米全生育期降水量平均分布在200.6～709.2 mm，平均降雨量为378.9 mm;全生育期有效降水量平均分布在117.43～287 mm，平均有效降雨量为177 mm，有效降水变化趋势在-1.9～-3.1 mm/10 a。从图1中可以看出，由于宁夏南部山区降雨量主要集中在6—9月份，各作物生育期也不同，因此有效降雨量也有一定的差异。1960—2018年玉米和马铃薯生育期有效降雨量呈减小趋势，春小麦刚好相反，通过显著性分析，3种作物生育期有效降水量年际稳定性玉米(0.13)>马铃薯(0.15)>春小麦(0.21)。

图1 3种农作物生育期降水量及有效降水量年际变化

分析结果见小波方差图(图2)，该图较好的反映出3种作物生育期有效降雨量时间序列的波动能量在时间尺度上的变化情况，由此来判定有效降雨量变化过程中的主周期[29]。从图中可以看出，随时间的推移，3种作物有效降雨量呈“大—小—大”的变化趋势，且年际间差异较大。对应结合小波方差图，分别对应3个明显的峰值。马铃薯对应3个峰值为：5，13，28 a，28 a时间尺度震荡最强烈，为第一个主周期，后两个峰值分别为13 a和5 a，对应第二和第三主周期；春小麦3个峰值从大到小依次为25，10，6 a，其中25 a为第一个主周期；玉米为28，13，6 a的时间尺度，其中28 a为第一个主周期；对比分析3种作物的方差图与小波等值线，其分析结果均一致。

图2 3种农作物生育期有效降水小波变化

2.2 3种农作物需水量、缺水量的时空分布特征

根据已给定的公式计算出3种作物1960—2018年全生育期年平均需水量及缺水量，通过分析3种作物全生育期需水量及缺水量年际变化趋势可得：3种作物多年平均需水量均呈上升趋势，具体见图3。1960—2018年近60年宁夏固原地区马铃薯全生育期的平均需水量为376.2～472.3 mm，多年平均需水量为439.3 mm。近60 a马铃薯生育期需水量逐年增加，每10 a增加2.4 mm；缺水量与需水量年际变化体现出马铃薯全生育期缺水量每10 a增加9.6 mm，最大缺水量出现于2009年，为263.4 mm，最小值缺水量值出现于1967年，为26.1 mm，差值为273.3 mm，其多年平均缺水量为150.2 mm，2003年需水量最大，为472.3 mm；最小值于1967年出现，为376.2 mm，差值为96.1 mm。

图3 3种农作物全生育期需水量与缺水量年际变化

春小麦生育期雨水量平均每10 a增加0.8 mm，缺水量平均每10 a减少2.7 mm。分析多年平均需水量及缺水量年际变化，缺水量年际变化趋势比较大，其中2008年缺水量值最大，为194.6 mm;最小值于1984年出现，为49.3 mm，差值为145.3 mm，多年平均缺水量137.5 mm;需水量最大值为251 mm(1998年)，最小值为190.3 mm(1967年)，差值为60.7 mm，多年平均需水量为233.7 mm。

玉米生育期需水量也呈逐年增加趋势，平均每10 a增加2.3 mm，且缺水量年际变化趋势与需水量基本一致，每10 a增加6.0 mm；缺水量年际变化较大，其中，玉米缺水量最大值和最小值同马铃薯一样均出现在2009年和1967年，分别为298.3 mm和156.9 mm，差值141.4 mm，多年平均缺水量为240.5 mm;2003年需水量最大，为448.1 mm，1967年需水量最小，为365.9 mm，差值为82.2 mm，多年平均需水量为417.2 mm。

对3种作物进行全生育期需水量周期分析，从图4中可以看出，随时间的推移，3种作物周期呈“大—小—大”的变化趋势，且年际变化差异较大。对应结合小波方差图，马铃薯对应3个明显的峰值，28 a时间尺度对应最大的峰值，表明其震荡最强烈，为第一个主周期，12 a和4 a分别对应第二、三个主周期；分析春小麦和玉米小波方差图，两种作物均对应一个明显的峰值，为28 a时间尺度，对比3种作物的小波方差图与等值线分析结果，均一一对应。

图4 3种农作物生育期需水量小波变化

2.3 作物水分盈亏指数分析

水分盈亏指数[30]是反映农田湿度和作物缺水饱水状态的主要指标，它从降水量和蒸散发两个影响因素去考虑，判定作物需水和供水情况，图5为3种作物的水分盈亏指数分析结果。

图5 3种作物生育期平均水分亏缺率M-K突变检验

结果显示马铃薯、玉米、春小麦的平均水分盈亏指数分别为-38.0%，-57.5%，-58.7%，可以看出，固原市近60年降水资源处于严重短缺的状态，3种作物对灌溉需水的依赖程度均较高，尤其是春小麦。由M-K突变检验结果看出3种作物水分盈亏率的变化趋势都有突变点，马铃薯的水分盈亏率在1998年以前变化趋势较为稳定，1998年以后开始出现下降趋势；春小麦从1960—1987年经历了升降升的变化趋势，1987年以后突破显著性检验水平，水分盈亏率在一段时间内呈显著上升趋势；玉米的水分亏缺率在1960—1970年呈现升降升的变化趋势，在1970年以后呈下降趋势，1998年左右突破显著性检验水平，表现为显著性下降趋势，说明玉米生育期内水分亏缺越来越严重。

3 讨 论

宁夏固原年均降水量少、蒸发大，且降水主要分布在7—9月份，属于典型的季节性降雨地区。近年来，由于全球气候的变化，使得固原地区干旱缺水、土壤水分流失严重加剧了生态环境的恶化，农业产量也受到严重影响。本文以固原地区为研究区域，通过对该地区主要农作物生育期作物系数进行校正，采用Penman-Monteith公式对该地区3种主要农作物生育阶段蒸发量进行计算，进而分析有效降雨量及作物生育期需水量的时空变化趋势及分布特征。

利用3种农作物生育期的气候条件对作物系数进行修正，能提高有效降雨量与需水量的计算精准度，更好地反映研究区的实际情况；针对降水变化趋势，近年来大多学者采用M-K检验法，从年降水天数、年均降水量等单变量的角度去分析[31-32]，对于特定农作物在生育期的水分盈亏率研究较少，而本文针对研究区的3种主要农作物全生育期水分盈亏进行了分析。

研究发现3种作物全生育期内有效降水与作物需水的时间分布不均衡，导致该地区在某一时段内会出现严重干旱缺水的情况，且3种作物生育期需水量差异较大，水分盈亏较严重，有效降水量均不能满足作物水分需求，分析原因主要受3种农作物生育周期和气象因子的影响较大：尤其是春小麦缺水现状最为严重，春小麦生育周期主要分布在3—7月份且生育期内以小降雨为主，单次降雨量不能满足春小麦生长发育；玉米比马铃薯生育周期较长，生育期内降雨较为集中，但主要以大降雨为主，过大的降雨量来不及入渗至作物根区，利用率低，同样导致玉米和马铃薯生育期缺水严重。李祎君等[33]、居辉[34]分析全球气候变化对我国农作物影响，研究表明气候变化对小麦的影响最大，且建议应大面积的种植水稻代替玉米；雷学锋等[35]研究发现马铃薯花序形成后与降水对产量的影响很大，建议提前或推后播种期。所以本文从时间和气候变化的角度分析，建议研究区进一步优化农作物的种植结构：考虑春小麦生育期降水较少，不利于春小麦的生长，故可以适当减少春小麦的播种面积，增加马铃薯的播种面积或引进其他品种的春小麦；针对马铃薯和玉米可以采用间套作的种植模式或针对玉米可以进行双垄沟覆膜节水集水灌溉技术。

气候因子对农作物需水影响较大，从当前变化不定的气候条件可以看出，干旱地区农业水源除天然降雨外，灌溉水仍是农业生产的主要补给水源，若在农作物主要需水时期供给有效的水量，在一定程度上可以使农作物提高增产效益；另外精准了解不同作物生育阶段有效降雨和需水量的现状，为避免灌溉水过度浪费，可以采用适当的节水灌溉措施，如膜下滴灌、沟灌等。

本文主要针对3种作物生育期的需水量受降水量的变化进行分析，根据以往的研究表明，作物的需水量不仅仅只是随一种因素的呈相关关系，其他气象因子共同作用对3种作物需水量如何影响，还需进一步研究。

4 结 论

(1)3种作物有效降雨量研究表明，近60年固原地区马铃薯全生育期有效降雨平均分布在95～196 mm，春小麦全生育期有效降水量为22.1～134.88 mm，玉米全生育期有效降水量为117.43～287 mm；从整体分析，3种作物全生育期有效降雨量玉米>马铃薯>春小麦，有效降水量均呈现出“大—小—大”的周期变化趋势。

(2)3种作物生育期需水量均呈上升趋势：马铃薯全生育期需水量最大值出现于2003年，为472.3 mm；最小值出现于1967年，为376.2 mm，差值为96.1 mm，多年需水量为439.3 mm；春小麦生育期需水量平均每10 a增加0.8 mm，需水量最大值发生于1998年，为251 mm，最小值发生于1967年，为190.3 mm，差值为60.7 mm，年均需水量为233.7 mm；玉米生育期需水量平均每10 a上升2.3 mm，需水量最大值发生于2003年，为448.1 mm，最小值发生于1967年，为365.9 mm，差值为82.2 mm，多年平均需水量为417.2 mm。

(3)作物生育期水分盈亏指数：马铃薯、玉米、春小麦的平均水分盈亏指数为-38.0%，-57.5%和-58.7%，可以看出玉米和春小麦对灌溉需水的依赖较高。