劉朋程，王占彪，郝洪波，崔海英，李明哲*

(1.河北省農(nóng)林科學(xué)院 旱作農(nóng)業(yè)研究所/河北省農(nóng)作物抗旱研究實驗室，河北 衡水 053000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南 安陽 455000)

保定市位于河北省中部，谷子種植面積約1.5萬hm2，是我國小米的重要產(chǎn)區(qū)。但隨著經(jīng)濟發(fā)展和氣候變化，保定市地下水資源逐漸減少，成為了全國較大的地下水漏斗區(qū)。因此，如何充分利用自然降水，減少地下水壓成為人們關(guān)注的重點。

作物需水量資料是進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃的重要依據(jù)，分析作物需水量變化特征及影響因素有助于充分利用降水資源，為作物提供科學(xué)的灌溉制度。國內(nèi)一些學(xué)者對河北省主要農(nóng)作物需水變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[1～3]，總結(jié)了不同作物在不同生育時期的需水規(guī)律。于海磊等[4]分析了衡水地區(qū)冬小麥生長期需水量年代變化特征，表明生長后期冬小麥需水量和灌溉需水量均呈減少趨勢，且灌溉需水量的減少趨勢明顯快于需水量的變化。曹永強等[5]研究了雞澤縣夏玉米、冬小麥和棉花需水變化特征，發(fā)現(xiàn)3種作物需水量均呈顯著減少趨勢，有效降雨量均呈不顯著減少的趨勢，冬小麥水分盈虧指數(shù)相對較低，因此缺水形勢更為嚴(yán)峻。為了更直觀的反映出作物生育階段水分虧缺狀況，有學(xué)者將應(yīng)用較廣泛的水分虧缺指數(shù)(CWDI)作為代表作物水分虧缺程度的指標(biāo)，進(jìn)行了相關(guān)研究[6，7]，評價了作物不同生育階段水分供需規(guī)律及干旱發(fā)生情況，為灌溉制度的制定提供了理論依據(jù)。在當(dāng)前一定時期內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍無法擺脫對氣候條件的依賴。氣候變化極大程度上影響作物的生長水分供需變化[8，9]。楊曉琳等[10]研究了冬小麥需水量與氣候因子的變化特征，分析了氣候變化對作物需水量的變化。王宏等[11，12]研究表明，河北省承德地區(qū)春玉米需水量與發(fā)育中期的日最高氣溫、平均氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)呈正相關(guān)。

目前，對河北省作物需水量及其影響因素的研究主要集中在棉花、小麥、玉米等作物上，對谷子需水量的變化及其影響因素研究鮮見報道，為此，本研究基于河北省保定市農(nóng)業(yè)氣象觀測站1955—2013年谷子發(fā)育期資料及其對應(yīng)的氣象資料，采用Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法估算不同降水年型下谷子生育階段需水量，分析氣候變化下保定市谷子需水變化規(guī)律及其主要氣象影響因素，以期為農(nóng)業(yè)合理用水、優(yōu)化灌溉方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用氣象數(shù)據(jù)為河北省黑龍港流域典型地區(qū)——保定氣象站自1955—2013年的氣象資料。包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、日照時數(shù)、日平均風(fēng)速、日平均相對濕度等氣象資料。

本文將河北省谷子的整個生育期確定為6月20日-9月18日，共91 d。并結(jié)合谷子的生育過程[13]確定6月20日-7月14日為初始生長期(播種-拔節(jié)，25 d)、7月15日-8月2日為快速發(fā)育期(拔節(jié)-抽穗，19 d)、8月3日-8月14日為生育中期(抽穗-灌漿，12 d)、8月15日-9月18日為成熟期(灌漿-成熟，35 d)。

1.2 研究方法

1.2.1 谷子需水量計算

采用作物系數(shù)法[14]計算谷子需水量ETc。

ETc=Kc×ET0

(1)

式中，ETc/mm·d-1為作物需水量；kc為作物系數(shù)；ET0/mm·d-1為參考作物騰發(fā)量。

采用FAO推薦的分段單值平均作物系數(shù)法[15]，參考中國的相關(guān)研究成果[16]確定谷子各生育階段作物系數(shù)的多年平均值，初始生長期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期分別確定為0.56、1.20、2.16和0.84。

利用FAO推薦的Penman-Monteith公式[14]計算ET0。

(2)

式中，Rn/MJ·m-2·d-1為冠層表面凈輻射；G/MJ·m-2·d-1為土壤熱通量；T/℃為平均溫度；es/kPa為飽和水汽壓；ea/kPa為實際水汽壓；Δ/kPa·℃-1為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在T處的切線斜率；r/kPa·℃-1為濕度計常數(shù)；U2/m·s-1為2 m高處的風(fēng)速。

1.2.2 降水年型和降水量

將谷子生育期降水量劃分為不同降水年型,根據(jù)如下公式計算[17]：

DI=(AnP-M1)/σ

(3)

式中，DI表示干旱指數(shù)，AnP表示生育期降水量，M1表示多年平均降水量，σ表示多年降水量的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)DI>0.35為豐水年，-0.35≤DI≤0.35為平水年，DI<-0.35為干旱年。

有效降水量指總降水量中能夠滲入土壤并儲存在作物根系吸水層中的降雨量，采用下式計算[18]：

Pe=σP

(4)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是該次降水總量；σ是降雨的有效利用系數(shù)，當(dāng)P≤5 mm時，σ=0；當(dāng)5 mm50 mm時，σ=0.74。

1.2.3 作物水分虧缺指數(shù)

結(jié)合前人研究[19]，作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)采用下式進(jìn)行計算：

(5)

式中:CWDIi為第i時間作物水分虧缺指數(shù),ETc為第i時間作物需水量/mm,Pi為第i時間降水量/mm。

1.2.4 氣候傾向率

將某一要素年際間變化趨勢采用線性回歸方程分析，得到如下公式[20]：

y=a0+a1t

(6)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0為常數(shù)；a1為回歸系數(shù)，10a1表示要素每10年的變化率，即氣候傾向率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2013軟件進(jìn)行整理和圖表繪制，Eviews8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析、回歸分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子全生育期需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)年代變化特征

由圖1可見，谷子全生育期的需水量為303.32～450.29 mm，平均值372.44 mm，有效降水量為97.31～573.39 mm，平均值301.49 mm，保定市谷子生育期缺水量多年平均為70.95 mm。通過需水量指標(biāo)隨年際變化趨勢的統(tǒng)計檢驗可知，需水量呈極顯著遞減趨勢(P<0.01)，氣候傾向率為-1.93 mm·10a-1。1955—2013年保定市谷子生育期水分虧缺指數(shù)變化范圍為0.09～0.78，平均為0.45。根據(jù)前人對水分虧缺指數(shù)的劃分可知[21]：CWDI≤0.5為無旱，0.5

圖1 谷子全生育期需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)年代變化特征Fig.1 Change characteristics of water requirement, effective precipitation and water deficit index of foxtail millet during the whole growth period in different years

2.2 谷子旬需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)變化特征

為了較全面的研究保定市生育期需水變化規(guī)律，把谷子全生育期分為9旬，并對逐旬需水量(ETc)、有效降水量(Pe)和水分虧缺指數(shù)(CWDI)進(jìn)行分析的結(jié)果表明，谷子需水量和有效降水量隨生育時期呈單峰曲線變化，需水量變化范圍在21.18～79.15 mm，有效降水量變化范圍在12.24～55.01 mm。需水量在8月上旬達(dá)到最大值，此時為谷子需水敏感期,抽穗-灌漿期。有效降水量在7月下旬(拔節(jié)-抽穗期)達(dá)到最大值，需水量和有效降水量均在9月中旬(成熟期)達(dá)到最小值。水分虧缺指數(shù)呈先降低后升高，再降低再升高的變化規(guī)律，其值在8月上旬、9月上旬和9月中旬超過了0.5，根據(jù)干旱等級分級標(biāo)準(zhǔn)可知，谷子在這3個時期達(dá)到了輕度干旱(圖2)。

圖2 谷子旬需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)變化特征Fig.2 Change characteristics of water requirement, effective precipitation and water deficit index of foxtail millet in ten days

通過谷子逐旬需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)隨年際變化趨勢的統(tǒng)計檢驗可知(表1)，谷子需水量在6月下旬呈極顯著減少趨勢(P≤0.01)，而有效降水量呈不顯著增加趨勢，所以水分虧缺指數(shù)呈降低趨勢；7月中旬需水量呈顯著減少趨勢(P≤0.05)。8月上旬有效降水量呈極顯著減少趨勢，雖然需水量也呈不顯著減少趨勢，但趨勢明顯慢于有效降水量，導(dǎo)致水分虧缺指數(shù)顯著升高，干旱風(fēng)險增加。9月上旬和下旬水分虧缺指數(shù)均呈不顯著降低趨勢，說明這2個時期干旱風(fēng)險可能會降低。

表1谷子需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)年代變化趨勢

Table1Thetrendofwaterdemand,effectiveprecipitationandirrigationwaterdemandinfoxtailmilletduring1955—2013

項目Item時間Time6月下旬7月上旬7月中旬7月下旬8月上旬8月中旬8月下旬9月上旬9月中旬ETc氣候傾向率-1.51-0.15-1.19-0.82-0.52-0.77-0.33-0.52-0.45相關(guān)系數(shù)0.452??0.0730.320?0.1380.0820.1660.1280.2150.238Pe氣候傾向率2.72-0.57-1.18-0.69-12.30-3.65-3.242.59-0.318相關(guān)系數(shù)0.1680.030.0520.0320.342??0.1560.1990.2270.031CWDI氣候傾向率-0.050.002-0.0040.020.010.010.04-0.05-0.01相關(guān)系數(shù)0.2140.0100.0180.0740.313?0.0410.1600.1900.048

注：*和**分別表示相關(guān)性達(dá)顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。下同。

Note：*and**indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same below．

圖3 不同降水年型下谷子旬需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)變化特征Fig.3 Change characteristics of water requirement, effective precipitation and water deficit index of foxtail millet in ten days during different precipitation patterns

2.3 不同降水年型下旬需水量、有效降水量和水分虧缺指數(shù)變化特征

由圖3可見，在不同降水年型下，谷子生育期內(nèi)需水量和有效降水量均呈單峰曲線變化，需水量最大值出現(xiàn)在8月上旬，豐水年、平水年和干旱年的旬需水量最大值分別為72.94 mm、79.77 mm和83.23 mm。不同年型下有效降水量最大值出現(xiàn)時間有所不同，豐水年為8月上旬，平水年和干旱年均為7月下旬，其值分別為96.28 mm、56.06 mm和32.90 mm。需水量和有效降水量最小值均出現(xiàn)在9月中旬。

在豐水年，谷子于9月上旬和中旬出現(xiàn)水分虧缺，但未形成干旱，其它階段均為水分盈余狀態(tài)。生育期需水量為355.01 mm，有效降水量為463.75 mm。在平水年，谷子僅在7月份為水分盈余狀態(tài)，其它時間段均為水分虧缺狀態(tài)，且在8月上旬和9月中旬達(dá)到輕度干旱。生育期需水量為364.12 mm，有效降水量為296.10 mm。在干旱年，谷子有效降水量在各生育階段均低于需水量。整個生育階段均處于水分虧缺狀態(tài)，8月上旬水分虧缺指數(shù)達(dá)到最大值0.71，為中旱水平，8月下旬～9月中旬均處于輕旱。

2.4 影響谷子需水量的氣象因子分析

為了分析各氣象因子對谷子需水量的影響，了解保定地區(qū)谷子需水特征，對ETc與主要氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，并分析各氣象因子年際變化特征，結(jié)果如表2、圖4所示。

表2 影響谷子需水量的氣象因子分析Table 2 Analysis of meteorological factor affecting water requirement of foxtail millet

圖4 谷子全生育期內(nèi)主要氣候要素的時間變化Fig.4 Time variation of main climatic factors during the whole growth period of foxtail millet注：“t”表示年份。Note：“t”represent year.

結(jié)果表明，谷子全生育期需水量與平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)和風(fēng)速均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。各氣候因素對谷子全生育期需水量影響順序為：日照時數(shù)>最高氣溫>相對濕度>平均氣溫>風(fēng)速。各氣象因子隨年際變化趨勢的統(tǒng)計檢驗(表2)表明，谷子生育期最低氣溫呈極顯著升高趨勢，氣候傾向率為0.26 ℃·10a-1，受最高氣溫和最低氣溫的不對稱增溫影響，平均氣溫呈顯著升高趨勢(圖4)，氣候傾向率為0.13 ℃·10a-1。相對濕度和風(fēng)速均呈顯著降低趨勢，日照時數(shù)呈極顯著降低趨勢，氣候傾向率分別為-0.67 %·10a-1、-0.04 m·s-1·10a-1和-38.1 h·10a-1。建立各氣象因子與谷子需水量的回歸方程：ETc=13.89Tmean-2.20Tmax-1.53RH+0.22n+30.43U2-1.15。

3 討論與結(jié)論

保定市谷子生育期需水量、有效降水量多年平均值為372.44 mm和301.49 mm。有研究表明，中國大部分地區(qū)潛在蒸散量逐漸減少[22]，近59年來，保定市谷子生育期需水量整體上也呈顯著減少趨勢，其中6月下旬(播種-拔節(jié))和7月中旬(拔節(jié)-抽穗)需水量的減少通過了顯著性檢驗，全生育期需水量每10 a減少1.93 mm。為了優(yōu)化谷子生育期水分管理，提供更為詳實、有針對性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文針對不同水文年份作物需水量特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，豐水年、平水年和干旱年谷子生育期需水量分別為355.01 mm、364.12 mm和390.36 mm，有效降水量分別為463.75 mm、296.10 mm和186.79 mm。

本文利用水分虧缺指數(shù)分析保定市谷子生育期逐旬時段變化特征，水分虧缺指數(shù)可以較好的反映作物水分虧缺情況[19]。前人利用水分虧缺指數(shù)作為干旱診斷指標(biāo)對不同作物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[23，24]，但在谷子上卻鮮有報道。本文分析結(jié)果表明，1955—2013年保定市谷子生育期水分虧缺指數(shù)變化范圍為0.09～0.78，平均為0.45，發(fā)生干旱的概率為33.90%。從谷子不同生長發(fā)育階段看，季節(jié)性干旱明顯，8月上旬、9月上旬和中旬均出現(xiàn)干旱，8月上旬(抽穗-灌漿期)水分虧缺指數(shù)顯著升高，說明此階段在未來時間里干旱風(fēng)險增加；9月上旬和中旬(灌漿-成熟)水分虧缺指數(shù)下降，說明干旱程度有所下降。不同降水年型下谷子水分虧缺指數(shù)的變化結(jié)果顯示，在豐水年，9月上旬和中旬出現(xiàn)水分虧缺，但未形成干旱；在平水年，僅在7月份為水分盈余狀態(tài)，其它時間段均為水分虧缺狀態(tài)，且在8月上旬和9月中旬達(dá)到輕度干旱；在干旱年，整個生育階段均處于水分虧缺狀態(tài)，8月上旬水分虧缺指數(shù)達(dá)到最大值0.71，為中旱水平，8月下旬～9月中旬均處于輕旱。8月上旬是谷子對水分敏感的時期，此時若遭受干旱缺水會使結(jié)實率降低，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[25]。因此在保定市谷子農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)注意完善抽穗-灌漿期灌溉制度，提高該時期谷子水分利用效率。

國內(nèi)一些學(xué)者研究了氣候條件對作物需水量的影響，發(fā)現(xiàn)長期以來氣溫呈明顯升高趨勢，但作物需水量并未增加[1,26]，原因是作物需水量的變化是由太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度等多氣候因素影響的。本文通過各氣候因素與需水量的相關(guān)性檢驗表明，谷子全生育期需水量與平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)和風(fēng)速均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣候傾向率分別為0.13 ℃·10a-1、0.001 ℃·10a-1、-38.1 h·10a-1、-0.04 m·s-1·10a-1和-0.67 %·10a-1。通過各氣象因素與需水量的回歸方程ETc=13.89Tmean-2.20Tmax-1.53RH+0.22n+30.43U2-1.15可知，造成谷子生育期需水量的原因是日照時數(shù)減少和風(fēng)速降低引起的，這也與申雙和等[27～29]研究結(jié)果一致。

在保定市當(dāng)前氣候變化背景下，由于谷子需水量和有效降水量的變化，谷子的灌溉制度也會隨之改變，因此，為合理利用農(nóng)業(yè)水資源，應(yīng)根據(jù)谷子需水量和有效降水變化，開展節(jié)水灌溉，提高水分利用效率。