劉栩辰,敬峰,婁家熙,馬守田,黃超,孟曄,陳海情,王鵬飛,劉戰(zhàn)東**

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所 新鄉(xiāng) 453003;2.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院 北京 100081;3.中國電建集團昆明勘測設計研究院 昆明 650000;4.浙江工商大學信息與電子工程學院 杭州 310018)

東北地區(qū)是我國的商品糧基地,春玉米(Zea mays)是該地區(qū)主要糧食作物之一[1],目前春玉米播種面積達600 多萬hm2,產(chǎn)量近4000 萬t,在保障國家糧食安全方面作用重大[2]。松遼流域1994-2002年平均用水量583.82×108m3,其中農(nóng)業(yè)用水占70.3%[3]。春玉米需水主要來自降雨和灌溉水。東北地區(qū)降雨量時空差異很大,且由于氣溫不斷升高,東北地區(qū)的降水量有減少趨勢,因此,氣候干旱和水資源短缺已成為東北地區(qū)春玉米產(chǎn)量提高的主要限制因素。僅依靠雨養(yǎng)條件無法保障春玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[4],而不合理的灌溉制度亦使得該區(qū)域頻繁遭受旱澇災害。因此,為春玉米生產(chǎn)制定合理灌溉制度的需求逐漸凸顯。作物需水量與缺水量作為制定灌溉制度時不可或缺的重要參數(shù),研究其數(shù)量大小及其在時間和空間上的變化,對制定水資源最優(yōu)分配策略以及灌溉系統(tǒng)日常運行管理至關(guān)重要[5]。

作物需水量的計算方法目前已較為成熟,使用最為廣泛的是世界糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith 公式與作物系數(shù)相結(jié)合的方法。許多學者使用該方法對區(qū)域尺度不同作物需水量時空變化進行了相關(guān)研究。作物缺水量的確定有賴于作物需水量與降雨量的確定,通過有效降雨量與需水量差值計算作物缺水量,已在眾多研究區(qū)得到了較好的實踐[4,6-9]。20 世紀80 年代,茆智等[6]基于Penman-Monteith 公式繪制出了全國作物需水量等值線圖;隨后陳玉民等[7]依據(jù)春玉米需水量與生育期內(nèi)有效降雨量平衡計算并繪制出了我國春玉米多年平均缺水量等值線圖;肖俊夫等[4]在此基礎上從灌溉的角度將全國春玉米帶進行分區(qū),并針對不同分區(qū)春玉米灌溉制度進行了分析與研究。以上研究大都基于20 世紀80 年代的灌溉試驗數(shù)據(jù),隨著品種更替和種植模式變化,目前已不具代表性。為此,高曉容等[8]研究了東北地區(qū)1961-2010 年玉米生育階段旱澇時空變化,但其研究未涉及需水量和缺水量的空間變化趨勢。由于天然降水是個隨機變量[10],故作物的灌溉定額也有水文年型的概念,從而灌溉制度也有水文年型的概念[11]。如曹大禹等[12]以華北地區(qū)為研究范圍,對幾個典型水文年型下冬小麥(Triticum aestvium)和夏玉米的需水量和缺水量進行了計算,但僅確定不同水文年型下的作物缺水量空間分布,對區(qū)域整體灌溉需求程度缺乏量化。實際工作中,可通過灌溉需求指數(shù)來量化不同水文年型下作物對灌溉的需求程度,進而有效指導灌溉[13]。目前針對東北地區(qū)不同水文年型下灌溉需求指數(shù)的變化研究鮮有報道。

本研究依據(jù)東北地區(qū)1951-2020 年(70 a)分布于東北地區(qū)26 個站點的試驗統(tǒng)計資料,從不同降水年型的春玉米需水量、有效降雨量和缺水量入手,計算東北地區(qū)春玉米在不同水文年型的需水量和缺水量數(shù)據(jù),建立東北地區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展所需的基礎數(shù)據(jù)庫;并通過灌溉需求指數(shù)衡量不同水文年型春玉米對灌溉的依賴程度,利用GIS 技術(shù)對作物需水要素進行空間化處理,進而準確地描述研究區(qū)域需水量及水分虧缺狀況的時空分布狀況。研究結(jié)果可為中國東北地區(qū)水資源的最優(yōu)分配及相關(guān)灌溉制度的制定提供參考,有助于對灌溉工程的規(guī)劃與設計以及對農(nóng)田水資源的科學管理,同時也為東北地區(qū)節(jié)水灌溉的可持續(xù)與穩(wěn)定發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東北農(nóng)業(yè)區(qū)是中國主要農(nóng)業(yè)中心之一,根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)[14],該區(qū)耕地面積約為3.24×107hm2,占全國總耕地面積的24.07%,有效灌溉面積約為1.34×107hm2,占全國有效灌溉面積的19%左右。該區(qū)域以半濕潤半干旱與干旱氣候為特點,環(huán)境受人類活動影響較大。年平均降雨量為260～1100 mm,且從東到西遞減;年平均蒸發(fā)量為500～2500 mm,且從東北向西南遞增;春旱十分嚴重,干旱持續(xù)時間較長,這已成為糧食穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究氣象資料取自國家氣象科學數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/),根據(jù)水利部水資源北部分區(qū)圖,綜合考慮區(qū)域地形條件的變化、代表點的位置、可獲得的氣象數(shù)據(jù)等因素,共選取26 個氣象站的數(shù)據(jù)納入本研究,具體分布如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)域和觀測站點分布圖Fig.1 Study area and distribution of observation stations in the study area

1.3 研究方法

1.3.1 作物需水量計算模型

本文按照生育期有效降水量來確定4 種典型水文年[15],分別選取經(jīng)驗頻率P=25%、P=50%、P=75%和P=95%時所對應的有效降雨量作為豐水年、平水年、枯水年和特枯水年;然后利用皮爾遜-Ⅲ型曲線和聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的最新版本Penman-Monteith 模型確定26 個代表點的參考作物需水量值,得出各代表點的逐年參考作物需水量值;最終通過參考作物法來計算作物需水量,計算公式如下[7]:

式中: ETc為作物需水量(mm?d-1);Kc為特定生長階段的作物系數(shù),使用FAO 建議的“分段單值平均法”[16]進行計算;ET0為參考作物需水量(mm?d-1),亦采用FAO 推薦的計算方法即Penman-Monteith 模型計算,計算公式如下:

式中:Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率;Rn為作物表面凈輻射量(MJ?m-2?d-1);G為土壤熱通量密度(MJ?m-2?d-1),當計算時段為1 d 和10 d 時,土壤熱通量相對較小,忽略不計;γ為干濕表常數(shù)(kPa?℃-1);T為2 m 高處的日平均氣溫(℃);U2為2 m 高處風速(m?s-1);es為飽和水汽壓(kPa),ea為實測水汽壓(kPa)。

1.3.2 作物缺水量計算

春玉米缺水量是指需要通過灌溉來滿足的那部分春玉米需水量,其計算方法為春玉米需水量與有效降水量的差值,計算公式如下:

式中: IR為作物缺水量(mm),Pe為有效降雨量(mm)。

1.3.3 典型水文年型下各站點年降雨量及有效降雨量的確定

本文一方面參考我國常用的有效降雨量確定方法[17],即將0～40 mm 的旬降雨量視為全部有效,另一方面也借鑒美國學者提出的有效降雨量計算公式[18],即當旬降雨量大于40 mm 時,利用下式確定各旬的有效降雨量:

式中:Pt為旬平均有效降雨量(mm);SF為土壤水分貯存因子(mm);D為土壤有效貯水量(mm),即作物根區(qū)土壤有效持水量的40%～60%,取決于各地區(qū)所用的灌溉管理措施。

1.3.4 灌溉需求指數(shù)

將灌溉需水量與作物需水量的比值定義為灌溉需求指數(shù)(IDI),反映作物生長對灌溉的依賴程度。計算公式如下[19]:

1.3.5 ArcMap 作圖

本文利用ArcMap10.7 工具箱的反距離權(quán)重法對研究區(qū)域春玉米需水量、缺水量和灌溉需求指數(shù)進行空間插值[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 東北地區(qū)春玉米需水量時空特征分析

春玉米是東北地區(qū)春季主要種植作物,由于生長期正值盛夏高溫天氣,且植株高大,生長期間需要制造大量有機物,故全生育期需水量較大,研究區(qū)域春玉米多年平均需水量為614.73 mm、3.9 mm?d-1。研究區(qū)域春玉米需水量的統(tǒng)計分布結(jié)果見圖2,不同年型下相同區(qū)域春玉米需水量隨經(jīng)驗頻率的升高(水文年型由濕潤到干旱)而增大,豐水年、平水年、枯水年和特枯水年春玉米需水量均值分別為561.88 mm、591.27 mm、615.58 mm、638.13 mm,4 種水文年下各區(qū)域間最大值與最小值差值分別為153.71 mm、168.41 mm、173.19 mm、183.53 mm。其中,以遼寧本溪、沈陽為代表的南部地區(qū)需水量波動較大,特枯水年相較于豐水年增幅超過17.2%;而以黑龍江富錦、嫩江為代表的東北部地區(qū)需水量在不同年型下波動較小,即使是特枯水年相較豐水年增幅仍不超過11.6%。

圖2 1951——2020 年東北地區(qū)不同水文年型春玉米需水量空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of spring maize water requirement in different hydrological year types in Northeast China from 1951 to 2020

空間上,由于種植方式、播種日期、土壤質(zhì)地、氣象條件的不同,研究區(qū)域春玉米需水量存在差異,西南部區(qū)域?qū)男杷枯^大,北部和東部較小,整體趨勢表現(xiàn)為由東北向西南遞增,其中北部地區(qū)春玉米需水量最低。以內(nèi)蒙古赤峰、通遼,遼寧本溪、沈陽為代表的西南部區(qū)域春玉米需水量較大,多年平均值達到685.32 mm,豐水年、平水年、枯水年和特枯水年分別為620.89 mm、655.66 mm、687.86 mm、712.02 mm;以黑龍江哈爾濱、泰來,吉林長春為代表的中部區(qū)域春玉米需水量較小,多年平均值為616.08 mm,各水文年型需水量分別為565.24 mm、592.37 mm、618.45 mm、637.23 mm;以黑龍江黑河、伊春為代表的北部區(qū)域春玉米需水量最小,多年平均值為538.67 mm,各水文年型需水量分別為493.32 mm、517.85 mm、540.26 mm、557.57 mm。

2.2 東北地區(qū)春玉米缺水量時空特征分析

研究區(qū)域春玉米缺水量多年平均值為310.44 mm,由于土壤保墑能力、降雨分布以及各個地區(qū)蓄水條件的不同,各區(qū)域缺水量分布存在差異(圖3)。

圖3 1951——2020 年東北地區(qū)不同水文年型春玉米缺水量空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of spring maize irrigation requirement in different hydrological year types in Northeast China from 1951 to 2020

不同水文年型下,隨著降雨量的減少,研究區(qū)域春玉米缺水量明顯增加,豐水年、平水年、枯水年和特枯水年春玉米缺水量均值分別為208.49 mm、264.96 mm、309.49 mm、354.20 mm,各年型下各地平均缺水量相較于豐水年分別增大27.1%、48.4%、69.9%,其中黑龍江虎林、伊春,吉林樺甸、吉安,遼寧本溪、丹東等缺水量較小的地區(qū)波動較大,特枯水年相較于豐水年增幅超過98%,而相對缺水的地區(qū)(如內(nèi)蒙古赤峰、通遼等)春玉米缺水量受水文年型變化的影響較小,特枯水年相較于豐水年增幅不超過47%;同時,缺水量高值區(qū)的范圍隨經(jīng)驗頻率的升高逐漸擴大,豐水年時只有內(nèi)蒙古赤峰、通遼局部區(qū)域缺水量超過300 mm,特枯水年以黑龍江泰來、內(nèi)蒙古通遼、遼寧彰武為代表的西部區(qū)域缺水量均超過400 mm。

在空間上,東北地區(qū)西部區(qū)域春玉米多年平均缺水量最高,整體上呈西高東低的趨勢。內(nèi)蒙古東部和遼西地區(qū)春玉米多年平均缺水量最多,以內(nèi)蒙古赤峰、扎魯特旗,遼寧錦州、彰武為代表的站點多年平均缺水量高達409.8 mm,其中內(nèi)蒙古扎魯特旗多年平均缺水量最高,為433.9 mm;研究區(qū)域東部缺水量較小,以黑龍江虎林、牡丹江,吉林延吉為代表的站點多年平均缺水量為282.0 mm,需要補充灌溉的水量比西部區(qū)域少35%;中部區(qū)域缺水量最低,以黑龍江黑河和伊春、吉林樺甸和吉安為代表的站點多年平均缺水量僅218.5 mm,需要補充灌溉的水量比西部區(qū)域少50%。

2.3 東北地區(qū)春玉米灌溉需求指數(shù)時空特征分析

研究區(qū)域春玉米灌溉需求指數(shù)分析結(jié)果見圖4。該區(qū)域灌溉需求指數(shù)在不同水文年型間差異較大,隨經(jīng)驗頻率升高而增加,由豐水年至特枯水年,東北地區(qū)各地各年型下春玉米灌溉需求指數(shù)分別為0.18～0.53、0.28～0.60、0.35～0.64、0.42～0.69;在枯水年和特枯水年條件下,東北地區(qū)絕大部分區(qū)域的春玉米生長都需要依賴灌溉,尤其是特枯水年東北地區(qū)西部的內(nèi)蒙古赤峰、通遼等地春玉米的灌溉需求指數(shù)均在0.65 以上,該地區(qū)春玉米種植對于補充灌溉的需求最高。

空間分布上,研究區(qū)域的灌溉需求指數(shù)由西向東整體呈先減小再增大的趨勢。東北地區(qū)西部的灌溉需求指數(shù)均明顯高于東北地區(qū)南部。尤以遼寧彰武、內(nèi)蒙古赤峰、黑龍江泰來為代表的西部城市,平均灌溉需求指數(shù)在4 種水文年型下分別達到了0.50、0.57、0.62、0.66,均比東北地區(qū)各年型下的多年平均灌溉需求指數(shù)高出20%以上;而研究區(qū)域的中部和東部區(qū)域,灌溉需求指數(shù)低于0.5,對于灌溉的需求相對較小。

3 討論

在本研究中,春玉米在平水年、枯水年和特枯水年對灌溉的依賴程度較大,而在豐水年對灌溉的需求相對較低。劉鈺等[19]認為: 東北地區(qū)春玉米多年平均作物需水量在200～500 mm,缺水量多年平均值為10～220 mm,灌溉需求指數(shù)范圍在0.05～0.45。陳玉民等[7]研究表明,東北地區(qū)春玉米全生育期需水量在420～480 mm。與他們的研究結(jié)果相比,本研究的春玉米需水量與缺水量均相對偏高,灌溉需求指數(shù)也相對偏高,這與研究范圍差異有關(guān),前人研究的東北地區(qū)即黑吉遼三省,而本研究中的東北地區(qū)還包括內(nèi)蒙古通遼、赤峰等為代表的西南部平原丘陵,該區(qū)域春玉米需水量較大,因此使得整體平均值偏高?？臻g上,東北地區(qū)西南部各年型下春玉米生育期內(nèi)需水量明顯高于東北部,以內(nèi)蒙古東部(赤峰、通遼)、遼寧西部(錦州、彰武)為代表的西北部區(qū)域明顯高于平均水平,這與南紀琴等[21]、魏新光等[22]現(xiàn)有研究結(jié)果一致。另外,研究結(jié)果表明相較于平水年,干旱年型下東北地區(qū)春玉米需水量更高,這可能是因為本文所計算的需水量為潛在蒸散量,主要受種植模式和氣溫的影響[23-24],陳莉等[25]亦得出東北地區(qū)作物生長季潛在蒸散量與降雨量呈負相關(guān)的結(jié)論。

作物品種的選擇、種植空間布局、耕作方式、有效降雨量與作物生長過程耦合度對春玉米灌溉需求指數(shù)都將產(chǎn)生重要影響。本研究中東北地區(qū)春玉米缺水量和灌溉需求指數(shù)所呈現(xiàn)的規(guī)律相似,整體上遵循由東北向西南逐漸增大的趨勢,具體還表現(xiàn)為同一水文年型下對應的缺水量西高東低,同一地域缺水量和灌溉需求指數(shù)隨干旱程度加劇而增加。結(jié)合春玉米生育期內(nèi)有效降雨量及灌溉需求指數(shù)來看,西部地區(qū)(內(nèi)蒙古東部、黑龍江西南部、遼寧西北部)有效降雨量即使在豐水年仍無法滿足春玉米的生長需要,因此對于灌溉的依賴程度最高,特枯水年需要補充440～480 mm 的灌水量才能滿足春玉米的生長需求,是發(fā)生旱災風險最高的區(qū)域,生產(chǎn)中應最大化利用降雨,采用非充分灌溉制度,優(yōu)先保證春玉米需水關(guān)鍵期的用水,必要時需適當調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、加強農(nóng)業(yè)抗旱與蓄水設施的建設[26];灌溉需求指數(shù)高的地區(qū)在進行灌溉時要合理調(diào)度水資源,以保證水資源的高效利用。本研究結(jié)果有助于指導東北地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源合理調(diào)配、農(nóng)業(yè)水利工程建設和科學的抗旱減災策略的制定,然而東北地區(qū)地形地勢復雜,南北緯度跨度很大,降雨量與光熱資源存在空間差異,因此本文所得出的結(jié)論更側(cè)重指導趨勢分析的宏觀規(guī)劃,下一步研究需選擇更多的觀測點數(shù)據(jù),采用布局更為合理的插值點資料,以提高數(shù)據(jù)精度來指導田間灌水。

4 結(jié)論

1)東北地區(qū)春玉米生育期內(nèi)需水量、缺水量和灌溉需求指數(shù)在同一地域呈隨干旱程度的升高而增大的規(guī)律,同一水文年型下呈由東北向西南先減小后增大的規(guī)律。

2)遼東地區(qū)春玉米的需水量較高,但降雨充足,故缺水量和灌溉需求指數(shù)均低于東北地區(qū)平均水平,該地區(qū)即使在枯水年對灌溉的需求仍較低,可以適度擴大春玉米種植面積,以最大化利用降雨并實現(xiàn)增產(chǎn)增收。