滇西玉米需水量变化及其气象影响因子研究

贾晗思

（云南省保山市隆阳区气象局 云南保山 678000）

玉米作为我国播种面积最大的粮食作物[1]，在农业生产中发挥着重要作用，近些年，玉米在工业、医药加工业等领域也有着广泛运用[2]。 国内外研究表明，玉米产量受诸如气温、降雨、太阳辐射、水肥管理措施等诸多因子的影响[3]，气象条件的年际变化是造成玉米产量年际波动的重要因素[4]。 近些年，人们对于气候变化的关注逐渐增多， 气候变化对农业的影响成了研究热点， 加之目前全球水资源面临的严峻形势， 众多学者也把关注点放在作物需水量计算及对气候变化响应上来。

前人关于玉米需水量变化及其与气象因子的关系研究已取得一定成果[5-6]。 贾英全等[7]研究发现，黑龙港流域夏玉米各生育期需水量均呈减少趋势，气象因子与夏玉米需水量显著相关， 夏玉米生育期需水量减少的主要原因与日照时数减少有关。 苏军德等[8]的研究表明，不同生长阶段的玉米需水量和缺水量均表现出明显的差异， 生长发育期需水量和缺水量显著高于其他时期，且甘肃省近50 年的玉米水分盈亏指数随有效降水量的下降呈明显的下降趋势。Nie 等[9]研究发现，极端干旱年、干旱年、正常年和湿润年四种水文年中，玉米需水量存在差异，在正常年份和湿润年份不需进行灌溉， 而在极端干旱和干旱的年份灌溉是必要的。Qiao 等[10]根据气象和农业观测数据计算了内蒙古玉米种植区的有效降水量、 需水量和灌溉需水量，结果表明，玉米在每个生长期应适当补充灌溉，以确保玉米的正常生长。

为更好地了解滇西地区玉米需水量变化与气象条件的相互关系，提高对自然降雨的利用率，科学合理利用水资源， 本研究根据保山市隆阳区多年气象资料， 利用气候趋势分析法研究了各气象要素变化趋势， 明确隆阳区玉米全生育期需水规律及其主要影响气象因子，探究滇西玉米水分供需变化规律，以期为当地玉米的高效生产提供理论依据， 为保障当地粮食安全、提高水资源利用效率、促进农业可持续发展提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玉米是云南省种植面积最大的粮食作物[11]， 保山市隆阳区是滇西主要的玉米种植区， 该区位于24°03′N、99°10′E，平均海拔1 653.5 m，年均降雨量约为963.8 mm，年均温16.8℃，年均日照2 432.3 h，属西南季风区亚热带高原气候类型， 土壤类型以红壤、紫壤土为主，有机质含量丰富。 2021 年保山市玉米种植面积168 万亩， 占全市粮食种植面积的42.5%，玉米总产量73.2 万t，其中隆阳区玉米种植面积为55.44 万亩，玉米总产量30.91 万t，占全市玉米产量的42.22%[12]。

1.2 资料来源

在本研究中， 气象数据来源于保山市隆阳区气象局，主要包含保山市1981-2021 年的降水、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；玉米生育期资料来源于保山市农业技术推广中心及前人的研究文献[13]。

1.3 计算方法

目前对参考作物蒸发蒸腾量（ET0）的计算主要是使用FAO 推荐的Penman-Monteith 方法， 该方法克服了其他计算方法 （太阳辐射法、Blaney-Criddle 公式及蒸发皿法等）参照作物腾发量偏高的问题，与单一作物系数法结合用以计算作物需水量及农作物或自然植被的耗水量[14]，同时利用气候趋势分析法研究各气象要素变化趋势。

1.3.1 参考作物蒸散量（ET0） 本研究采用FAO 推荐的Penman-Monteith 方法计算参考作物蒸发蒸腾量，具体计算公式如下[15]：

式中，ET0——参考作物蒸发蒸腾量，单位为mm/d；Rn——作物表面净辐射量，单位为MJ/（m2·d）；G——土壤热通量，单位为MJ/（m2·d）；T——2 m 高度处的日平均气温，单位为℃；U2——2 m 高度处的风速，单位为m/s；es——饱和水汽压，单位为kPa；ea——实际水汽压，单位为kPa；es-ea——饱和水汽压差，单位为kPa；Δ——水汽压曲线斜率，单位为kPa/℃；γ——湿度计常数，单位为kPa/℃。

1.3.2 作物系数（Kc） 作物系数表示参考作物蒸发蒸腾量和作物蒸发蒸腾之间的关系[16]。Kc的值随作物及其生长阶段、生长季节和主要天气条件而变化。 云南省玉米作物系数平均为1.002，其中5 月苗期植株较小，叶面积指数低，作物系数小；6 月进入拔节期，玉米快速生长， 作物系数逐渐增大；7 月和8 月作物系数保持在较高水平；9 月后植株开始衰老， 叶片枯黄，作物系数逐渐降低。Kc的取值见表1[13]。

表1 玉米生育期及作物系数

1.3.3 作物需水量（ETc） 玉米需水量依据参考作物蒸发蒸腾量（ET0）乘以作物各生育期作物系数（Kc）确定，计算公式如下：

式中，ETc——作物需水量，单位为mm；ET0——参考作物蒸发蒸腾量，单位为mm；Kc——作物系数。

1.3.4 作物水分盈亏 （σ） 春玉米水分盈亏由降雨量减去需水量计算得出，具体计算公式如下[17]：

式中，σ——水分盈亏值，单位为mm；ETc——作物需水量，单位为mm；P——同期降雨量，单位为mm。

1.3.5 气候倾向率 将某一要素年际间变化趋势进行线性回归方程分析，得到如下公式[7]：

式中，t——年份（t=1，2，…，n）；a0——回归常数；a1——回归系数，10a1表示气候要素每10 年的气候倾向率。

2 结果与分析

2.1 玉米需水量和缺水量年际变化

滇西地区玉米生育期一般为145 d 左右，1981-2021 年， 玉米平均生态需水量为687.0 mm， 需水强度为4.74 mm/d， 玉米需水量年际变化较小， 年最大需水量出现在2009 年， 为790.10 mm，2009 年为干旱年， 气温较高， 作物需水量较大； 年最小需水量出现在1985 年， 为597.83 mm， 年需水量基本在600～800 mm 范围内波动。 保山地区降雨主要集中在7-8 月， 1981-2021 年， 玉米生育期内多年平均降雨量为691.91 mm，年最大降雨量出现在2001 年，为1 111.30 mm； 年最小降雨量出现在1998 年，为464.30 mm， 年需水量基本在400～1 200 mm 范围内波动，年际变化较大（图1）。

玉米水分盈亏由降雨量减去需水量计算得出。由图1 可知，1981-2021 年， 保山市隆阳区玉米全生育期的水分盈亏平均为4.92 mm，玉米需水量与降雨量基本持平， 最大缺水年份出现在2009 年，2009 年由于出现干旱缺水最多，缺水量为224.70 mm；最大水分盈余出现在2001 年，2001 年降雨量最大， 水分盈余471.39 mm。 从近40 年隆阳区玉米需水量及水分盈余的年际变化来看， 玉米需水量随时间变化呈缓慢下降趋势，且年际变化较小，对玉米需水量趋势进行线性拟合， 拟合方程为y=-0.489 6x+697.28，平均每10 年玉米需水量下降4.90 mm， 而水分盈亏值呈缓慢上升趋势，且年际变化较大，对水分盈亏值趋势进行线性拟合，拟合方程为y=1.165 1x+19.549，平均每10 年水分盈亏值上升11.65 mm，这与保山地区降雨量逐年上升有关。

图1 1981-2021 年保山市隆阳区玉米需水量和水分盈亏变化曲线

2.2 玉米生育期需水量变化

图2为隆阳区玉米全生育期日平均需水量，玉米生育期内的需水量总体呈现开口向下是抛物线趋势，拟合方程为y=-0.000 1x2+12.993x-290.845，R2为0.573 1。 从玉米各生育期需水量来看（表2），5 月玉米处于苗期， 植株较小， 蒸腾作用较弱， 总需水量为118.63 mm；6 月玉米进入拔节期，玉米生长迅速，株高、叶面积快速增大，玉米耗水增多，总需水量为141.36 mm； 7-8 月为玉米的抽穗灌浆期， 蒸腾速率达到最大值， 耗水量达到高峰期， 需水量分别为146.84 mm 和145.44 mm，9 月玉米进入成熟衰老期，玉米叶片枯黄凋萎，玉米蒸腾作用减弱，耗水速率逐渐降低，需水量为108.56 mm。

图2 春玉米全生育期日平均需水量变化

表2 玉米各生育阶段需水量

2.3 玉米需水量与气象要素的关系

图3为隆阳区玉米全生育期气象因子的变化特征，包括降雨量、气温、气压、地温、日照时数和最大风速。由图3（A）可知，隆阳区玉米生育期总降雨量多年平均值为691.91 mm，总降雨量随年份呈缓慢上升趋势，拟合方程为y=0.675 5x-659.74，10 年气候倾向率为6.76 mm，玉米生育期总降雨量与玉米需水量的呈负相关， 但经检验， 相关性未达到显著水平，在1981-2021 年， 有15 年玉米生育期降雨量高于多年平均值，其余25 年均低于平均值。 玉米全生育期多年平均气温为20.94℃，气温随年份变化呈升高趋势，拟合方程为y=0.040 7x-60.487，R2为0.670 7， 气候倾向率为0.407℃/10 年，其中日平均气温与玉米需水量呈正相关，且相关性达到了显著性水平。

由图3（B）可知， 隆阳区全生育期多年平均气压为831.52 kPa， 气压随年份变化呈升高趋势， 拟合方程为y=0.008 1x+815.27， 10 年气候倾向率为0.081 kPa，平均气压与玉米需水量呈负相关，但经检验，相关性未达到显著水平。 玉米生育期地温多年平均值为23.47℃，地温随年份呈上升趋势，拟合方程为y=0.042 5x-61.584，R2为0.364 9，10 年气候倾 向率为0.425℃，地温与玉米需水量的呈负相关，但相关性未达到显著性水平。

由图3 （C） 可知， 隆阳区全生育期日照时数为157.11 h， 日照时数随年份变化呈缓慢下降趋势，拟合方程为y=-0.222 4x+602.2，气候倾向率为2.22 h，日照时数与玉米需水量呈正相关， 相关性系数达0.992 且相关系数通过了0.01 的信度检验。玉米生育期最大风速多年平均值为7.4 m/s， 最大风速随年份呈缓慢下降趋势， 拟合方程为y=-0.007 1x+21.584，10 年气候倾向率为0.071 m/s，最大风速与玉米需水量呈正相关，但相关性未达到显著水平。

图3 隆阳区玉米全生育期气象因子变化特征

3 讨论与结论

3.1 讨论

作物需水量（ETc）在评估农业生态系统中相关的农业灌溉和作物水分胁迫方面发挥着重要作用，探索ETc 和气象要素之间的关系将有助于最大限度地利用雨水资源，优化区域水资源的配置。 影响作物需水量的因素较复杂，包括作物特性、农业技术管理措施、土壤水分状况等，本研究主要关注气象要素对玉米需水量的影响，使用Penman-Monteith 公式和单一作物系数法对玉米需水量的时空变化进行了研究，通过有效降水量和ETc 之间的差异来指导农业用水管理， 同时利用气候趋势分析法研究了各气象要素变化趋势， 明确了滇西地区玉米全生育期需水规律及其主要影响气象因子。

众多学者也对玉米需水量及其影响因子进行了研究，袁宇霞通过ET0-Calculator 软件对山西太谷区玉米需水量进行研究，结果表明，丰平枯3 种年型下玉米生育季的需水量存在较大差异[18]。 刘小刚等[19]研究了河南省主粮作物需水量变化趋势并进行了成因分析，结果表明，气温、水汽压、日照、最高气温、风速都对玉米需水量有影响。李尤亮等[20]对云南金沙江干热河谷区夏玉米需水量的变化特征及气候因素进行研究，结果表明，夏玉米全生育期平均需水量呈下降趋势，下降幅度为0.584 mm/年，本研究中玉米需水量下降幅度为0.49 mm/年， 二者较为接近， 同时李尤亮等也发现了日照时数是夏玉米需水量的重要影响因子， 并认为日照时数减少是影响夏玉米需水量呈下降趋势的主要因素。 贾秋兰等[21]利用Penmen-Monteith 公式及作物系数法计算了夏玉米全生育期和各生育阶段的需水量并运用线性趋势分析、 相关系数等方法分析了需水量的时空分布特征及气象影响因子，结果表明，1972-2014 年，邢台地区夏玉米需水量呈下降趋势， 夏玉米需水量和气象因子的关系密切，其中日照时数和需水量呈最大正相关，这与本研究的结论一致。

研究发现保山地区年平均降雨量与玉米需水量几乎持平， 正常年份和湿润年份的降水量几乎可以满足玉米需水量，但降雨年际变化较大，加之降雨存在时空分布不均和降雨利用率不高等问题， 在降雨较少年份玉米生产会出现水分胁迫， 限制玉米产量的提高，因此为了保证玉米的稳产高产，在干旱年份需要进行补充灌溉， 以缓解因降水分布不均而造成的产量损失。

3.2 结论

研究发现， 保山地区玉米全生育期平均需水量呈下降趋势，下降幅度为0.49 mm/年，在1981-2021的40 年中，超过一半的年份出现了缺水；玉米的日平均需水量呈开口向下的抛物线分布规律， 其中抽穗灌浆期为需水高峰期，是玉米旺盛生长阶段，进入乳熟期后，玉米日需水量开始下降；玉米需水量与降雨量、地温、气温、气压、风速和日照时数均存在一定的关系，但部分指标未达到显著水平，其中日照时数对春玉米需水量的影响最大； 保山地区降雨存在时空分布不均和降雨利用率不高等问题， 在干旱年份需要进行补充灌溉。