張 波, 裴興云, 曹 華, 古書鴻, 莫建國(guó)

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所, 貴陽 550002; 2.貴州省氣象服務(wù)中心, 貴陽 550002;3.貴州省氣象信息中心, 貴陽 550002; 4.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽 550002)

作物需水量是進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃的依據(jù)，也是水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及節(jié)水農(nóng)業(yè)研究中重要的參數(shù)，研究作物的需水規(guī)律是制定作物合理灌溉制度和作物水分科學(xué)管理的基礎(chǔ)[1]。烤煙作為貴州省重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，同時(shí)烤煙是一種需水量較多的作物，貴州降水資源相對(duì)豐富，但各產(chǎn)煙地區(qū)水資源時(shí)空分布嚴(yán)重不均，嚴(yán)重制約區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此明確貴州烤煙需水量及灌溉需求指數(shù)變化特征很有必要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

目前關(guān)于作物需水量和灌溉需求指數(shù)的相關(guān)研究已有報(bào)道，曹永強(qiáng)等[2]分析了氣候變化背景下遼西北春玉米生育期需水量，研究結(jié)果為遼西北春玉米種植的農(nóng)業(yè)用水以及合理灌溉提供依據(jù)；邱美娟[3]、郭曉麗[4]等分析了吉林省和內(nèi)蒙古玉米生長(zhǎng)季水分虧缺指數(shù)的變化特征；龐艷梅等[5]、環(huán)海軍等[6]、陳超等[7]分別以不同地區(qū)的水稻、小麥等糧食作物作為研究對(duì)象，分析了生育期內(nèi)有效降水量和需水量的變化規(guī)律。而針對(duì)烤煙需水量的研究一般是通過測(cè)定伸根期、旺長(zhǎng)期和成熟期3個(gè)階段的需水量或需水模系數(shù)，來研究煙草不同時(shí)期的需水規(guī)律[8]，高曉麗等[9]在修文縣中心試驗(yàn)站開展烤煙等相關(guān)作物需水規(guī)律與作物系數(shù)的研究，確定了烤煙不同生育階段的作物系數(shù)；冷璐等[10]通過田間試驗(yàn)研究烤煙需水特征和各生育期土壤水分的動(dòng)態(tài)變化，表明烤煙生長(zhǎng)季內(nèi)需水量具有明顯的階段性；陳佳勃[11]采用大田試驗(yàn)法確定了烤煙各生育期的蒸散量，為優(yōu)化煙田水分管理提供依據(jù)。對(duì)于大田試驗(yàn)來說，方便、可操作性強(qiáng)，但容易忽略氣候因素的影響，尤其在氣候變化的大背景下，貴州氣溫逐漸升高，夏季降水顯著增加[12-13]，勢(shì)必會(huì)影響研究結(jié)果科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

因此本研究基于貴州省1961—2015年81個(gè)氣象觀測(cè)站逐日氣象資料，在前人研究基礎(chǔ)上，采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量和聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的參考作物蒸散量分別計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)烤煙不同生育階段的有效降水量和需水量，并分析了烤煙不同生育階段灌溉需求指數(shù)的變化特征，以期為合理配置灌溉計(jì)劃和提高水資源的利用效率提供重要的參數(shù)，也為烤煙種植制定適應(yīng)氣候變化措施提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于貴州省氣象信息中心。選取數(shù)據(jù)較完整的81個(gè)地面氣象觀測(cè)站1961—2015年逐日氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

1.2 烤煙生育期

根據(jù)烤煙實(shí)際生產(chǎn)情況，并結(jié)合前人的研究結(jié)果[14]，確定貴州烤煙移栽期，見表1，烤煙的移栽期確定后，各生育期的時(shí)間長(zhǎng)短基本穩(wěn)定，將烤煙大田生育期(移栽至成熟采收)120 d，劃分為：伸根期(還苗到團(tuán)棵)30 d、旺長(zhǎng)期(團(tuán)棵到現(xiàn)蕾)30 d、成熟期(現(xiàn)蕾到采收)60 d，以此計(jì)算各生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指數(shù)。

表1 貴州烤煙移栽期

1.3 有效降水量

有效降水量是指烤煙不同生育期內(nèi)的降水量滿足其蒸發(fā)散、蒸騰需要的凈水量，是烤煙生育期內(nèi)總降水量的有效部分，本研究中有效降水量是采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法，該方法是目前眾多的有效降水計(jì)算方法中得到公認(rèn)和普遍推廣的方法之一[15-16]，公式如下所示

(1)

式中：Pe為有效降水量(mm/d)；P為日降水量(mm/d)。

1.4 作物需水量

烤煙生育期需水量計(jì)算模型如公式(2) 所示。

ETc=Kc·ET0

(2)

式中：ETc為烤煙需水量(mm/d)；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸散量，由FAO推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算，如公式(3)所示。

(3)

式中：ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Δ為飽和水汽壓—溫度曲線斜率(kPa/℃)；Rn為作物表面的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T為2 m處的日平均氣溫(℃)；r為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；u2為2 m處的風(fēng)速(m/s)。

烤煙作物系數(shù)參考高曉麗等[9]研究結(jié)果，并根據(jù)貴州當(dāng)?shù)貧夂驐l件，對(duì)烤煙生育期作物系數(shù)進(jìn)行修正，即：

Kc=Kc(Tab)+[0.04(U2-2)-0.004(RHmin-45)](h/3)0.3

(4)

式中：Kc為烤煙不同生育階段訂正后的作物系數(shù)；Kc(Tab)為烤煙不同生育階段標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)的作物系數(shù)；U2為2 m 高度處的日平均風(fēng)速(m/s)；RHmin為日最低相對(duì)濕度的平均值；h為作物的平均高度(m)。

1.5 灌溉需求指數(shù)

為表征烤煙不同生育階段的水分盈虧程度，將灌溉需水量與需水量的比值定義為灌溉需求指數(shù)，見公式(5)。

(5)

式中：I為灌溉需求指數(shù)，表征農(nóng)田濕潤(rùn)程度和作物旱澇狀況，若I為正值，則表示作物需水量大于有效降雨量，說明有效降雨量不能滿足作物需水需求，若I為0或負(fù)值，則說明有效降雨能夠滿足作物需水需求；I值越高表明對(duì)灌溉的依賴程度越大，反之越小。

1.6 氣候傾向率

氣候傾向率表征表征氣象要素的變化趨勢(shì)，烤煙不同生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指數(shù)的氣候傾向率由最小二乘法計(jì)算得出，計(jì)算公式：

Yi=aXi+b(i=1,2,…,n)

(6)

式中：Yi為要素?cái)M合值；Xi為時(shí)間序列；a為回歸系數(shù)；b為回歸常數(shù)。

1.7 空間插值

利用ArcGIS 軟件中的反距離權(quán)重插值方法(IDW)對(duì)各研究要素進(jìn)行插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段有效降水量、需水量和灌溉需求指數(shù)多年平均值變化特征見圖2。由圖2A可知，貴州烤煙伸根期有效降水量為26.9～75.4 mm，多年平均值為48.8 mm，最小值發(fā)生在2011年，最大值發(fā)生在1964年，有效降水量呈顯著遞減趨勢(shì)，通過α=0.01極顯著性檢驗(yàn)，遞減速率為2.4 mm/10 a；需水量在51.9～78.8 mm，多年平均值為64.4 mm，最小值發(fā)生在1996年，最大值發(fā)生在1969年，烤煙伸根期需水量整體呈遞減趨勢(shì)，但遞減趨勢(shì)不顯著；灌溉需求指數(shù)變化范圍為-0.16～0.58，多年平均值為0.20，伸根期灌溉需求指數(shù)隨時(shí)間變化呈顯著遞增趨勢(shì)，遞增速率為0.035/10 a。

由圖2B可知，烤煙旺長(zhǎng)期有效降水量變化范圍為45.2～88.9 mm，多年平均值為67.1 mm，最小值發(fā)生在2011年，最大值發(fā)生在1978年，隨時(shí)間變化呈遞減趨勢(shì)，遞減速率為0.4 mm/10 a；需水量變化范圍為85.2～122.8 mm，多年平均值為102.2 mm，最小值發(fā)生在2012年，最大值發(fā)生在1963年，整體呈弱遞減趨勢(shì)，氣候傾向率為0.51 mm/10 a；灌溉需求指數(shù)變化范圍為0.03～0.61，多年平均值0.32，其中1964年、1991年、2011年灌溉需求指數(shù)在0.5以上，表明旺長(zhǎng)期間有效降水量不能滿足烤煙的需水量，旺長(zhǎng)期灌溉需求指數(shù)隨時(shí)間變化呈遞增趨勢(shì)，遞增趨勢(shì)不顯著。

由圖2C可知，烤煙成熟期有效降水量變化范圍為66.4～167.6 mm，多年平均值為126.7 mm，最小值發(fā)生在2013年，最大值發(fā)生在1979年，成熟期有效降水量隨時(shí)間變化呈遞減趨勢(shì)，遞減速率為0.7 mm/10 a；需水量變化范圍為148.8～202.2 mm，多年平均值為173.3 mm，最小值發(fā)生在1998年，最大值發(fā)生在2013年，整體呈弱遞減趨勢(shì)，氣候傾向率為2 mm/10 a；灌溉需求指數(shù)變化范圍為-0.06～0.67，多年平均值0.26，其中僅1998年灌溉需求指數(shù)為負(fù)值，表明成熟期有效降水量可以滿足烤煙的需水量，1971年、1975年、1981年、2011年、2013年灌溉需求指數(shù)在0.5以上，從整體情況可以看出，成熟期有效降水量不能滿足烤煙的需水量，成熟期灌溉需求指數(shù)隨時(shí)間變化呈弱遞減趨勢(shì)。

圖2 烤煙不同生育階段有效降水量、需水量和灌溉需求指數(shù)多年平均值變化特征

由圖2D可知，烤煙整個(gè)大田生育期有效降水量變化范圍在152.8～284.8 mm，多年平均值為238.2 mm，最小值發(fā)生在2011年，最大值發(fā)生在1977年，大田生育期有效降水量隨時(shí)間變化呈遞減趨勢(shì)，遞減趨勢(shì)不顯著，遞減速率為3.4 mm/10 a；需水量變化范圍在332.5～412.6 mm之間，多年平均值為371.1 mm，最小值發(fā)生在1996年，最大值發(fā)生在1988年，整體呈遞減趨勢(shì)，氣候傾向率為2.6 mm/10 a；大田生育期灌溉需求指數(shù)變化范圍在0.18～0.62，多年平均值0.35，表明貴州烤煙大田生育期內(nèi)有效降水量無法滿足烤煙需水量，且大田生育期灌溉需求指數(shù)隨時(shí)間變長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)。比較烤煙各個(gè)生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，成熟期需水總量最大，旺長(zhǎng)期平均日需水量最高，為3.4 mm/d。

2.2 有效降水量空間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段有效降水量多年平均值空間變化特征如圖3所示。從圖3A中可以看出，烤煙伸根期有效降水量空間變化范圍為30.4～60.1 mm，多年平均值為48.8 mm，空間分布特征顯著，自東向西呈遞減趨勢(shì)，中東部大部分地區(qū)有效降水量顯著高于西部地區(qū)；進(jìn)入旺長(zhǎng)期，圖3B所示，烤煙有效降水量空間變化范圍為57.4～86.7 mm，多年平均值為67.1 mm，空間分布較伸根期發(fā)生偏移，高值區(qū)域分布在畢節(jié)市南部及六盤水和安順市局地等區(qū)域，低值區(qū)域分布在黔西南州大部和遵義市局地等地；成熟有效降水量，圖3C所示，空間變化范圍為104～175.5 mm，多年平均值為126.7 mm，空間分布特征顯著，自東向西呈遞增變化趨勢(shì)，六盤水市、安順市西部和黔西南州西部有效降水量為146.9～175.5 mm，東部大部有效降水量為104.～118.3 mm；圖3D所示，整個(gè)大田生育期有效降水量空間變化范圍為209～296.8 mm，多年平均值238.1 mm，空間分布上，高值區(qū)域分布六盤水、安順市和黔西南州交匯處，變化范圍為261.7～296.8 mm，全省低值區(qū)域分布在遵義市大部和銅仁市東部有效降水量。

2.3 需水量空間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段需水量多年平均值空間變化特征如圖4所示。從圖4A中可以看出，烤煙伸根期需水量為52.5～88.1 mm，多年平均值為64.3 mm，空間分布特征顯著，自東向西呈遞增趨勢(shì)，東部大部分地區(qū)需水量為52.5～66.7 mm，西部需水量為73.8～88.1 mm左右；圖4B表明，旺長(zhǎng)期需水量93.1～126.8 mm，多年平均值為102.1 mm，空間上呈現(xiàn)西南高、東北部低的空間特征，黔西南州大部分地區(qū)需水量在113.3～126.8 mm，遵義市和銅仁市大部、黔南州東部等地需水量在93.1～99.8 mm左右；圖4C表明，成熟期需水量變化范圍為152.8～198.9 mm，多年平均值為173.3 mm，空間分布較旺長(zhǎng)期呈相反趨勢(shì)，高值分布在遵義市北部及銅仁市西部等地，變化范圍在180.5～198.9 mm，低值分布在畢節(jié)市西部及六盤水和黔西南州局地等區(qū)域，變化范圍為152.8～162.1 mm；圖4D表明，烤煙大田生育期需水量為336.2～425.3 mm，多年平均值為370.9 mm，空間分布上，高值分布在黔西南州大部等地，變化范圍為389.7～425.3 mm，低值區(qū)域分布在東部大部等地，變化范圍為336.2～371.9 mm。

圖3 烤煙生育期有效降水量多年平均值空間分布特征

2.4 灌溉需求指數(shù)空間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段灌溉需求指數(shù)多年平均值空間變化特征如圖5所示。伸根期灌溉需求指數(shù)(圖5A)，變化范圍為-0.14～0.68，多年平均值為0.20，空間上自東向西呈遞增趨勢(shì)，低值區(qū)域主要分布在東部邊緣等地，西部大部分區(qū)域灌溉需求指數(shù)在0.34～0.68之間，有效降水不能滿足伸根期需水量，對(duì)灌溉有一定的依賴性；圖5B可以看出，旺長(zhǎng)期灌溉需求指數(shù)為0.12～0.53，多年平均值為0.32，空間分布上，灌溉需求指數(shù)高值分布在黔西南州大部，在0.46～0.53之間，六盤水北部和畢節(jié)市南部以及東部邊緣等地的灌溉需求指數(shù)較小，在0.12～0.28之間；圖5C可以看出，成熟期灌溉需求指數(shù)為-0.07～0.47，多年平均值為0.26，空間分布特征顯著，自西南向東北呈遞增的變化趨勢(shì)，遵義市大部、銅仁市東部和黔東南州東部的灌溉需求指數(shù)最高，為0.37～0.47，表明該區(qū)域的有效降水量無法滿足烤煙生育期的需水量；圖5D可以看出，烤煙大田生育灌溉需求指數(shù)為0.19～0.49，多年平均值為0.35，空間分布上，對(duì)灌溉依賴性較高的區(qū)域分布在遵義市大部、銅仁市西部、黔西南州南部等地，變化范圍為0.38～0.49，低值區(qū)域分布自六盤水市和安順市大部以及黔南州中部，變化范圍為0.19～0.31。

圖4 烤煙不同生育階段需水量多年平均值空間分布特征

圖5 烤煙不同生育階段灌溉需求指數(shù)多年平均值空間分布特征

3 結(jié) 論

本研究基于貴州省1961—2015年81個(gè)氣象觀測(cè)站逐日氣象資料，采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量和FAO推薦的Penman-Monteith公式，分析了貴州烤煙不同生育階段的有效降水量、需水量和灌溉需求指數(shù)變化特征，結(jié)果表明：近55 a，貴州省烤煙伸根期、旺長(zhǎng)期、成熟期和大田生育期有效降水量分別為26.9～75.4 mm，45.2～88.9 mm，66.4～167.6 mm，152.8～284.8 mm；需水量分別為51.9～78.8 mm，148.8～202.2 mm，85.2～122.8 mm和332.5～412.6 mm，以旺長(zhǎng)期日均需水量最大；平均灌溉需求指數(shù)分別為0.20，0.32，0.26，0.35，有效降雨量無法滿足烤煙需求；烤煙不同生育階段有效降水量和需水量隨時(shí)間變化均呈遞減趨勢(shì)，伸根期灌溉需求指數(shù)呈遞增變化趨勢(shì)，其他生育期呈遞減趨勢(shì)；空間分布上，伸根期、旺長(zhǎng)期灌溉需求指數(shù)自西南向東北遞減的變化趨勢(shì)，而成熟期和大田期呈相反趨勢(shì)。