郭奇旺,金彥兆
(甘肅省水利科學研究院,蘭州 730000)
我國是一個水資源嚴重短缺的國家,尤其是旱災已成為制約農業(yè)發(fā)展的重要因素,每年由于旱災造成我國糧食減產大約300 億kg,約占所有自然災害損失的60%[1]。旱災不僅造成農業(yè)的大幅度減產,同時影響糧食安全,與此同時對人類的生存環(huán)境和經濟發(fā)展造成了嚴重威脅[2]。安定區(qū)位于甘肅省中部,多年平均降水量398.5 mm,水資源極為短缺,是一個典型的干旱、半干旱地區(qū),十年九旱,十地九旱,糧食生產以雨養(yǎng)旱作農業(yè)為主,長期以來難以擺脫靠天吃飯的窘境。隨著雨水集蓄利用技術研究的不斷發(fā)展和示范推廣的逐步深入,微地形雨水就地富集利用技術、集雨補充灌溉技術應運而生,為發(fā)展旱作農業(yè)提供了強有力的技術支撐。開展基于干旱生境的作物生育期水分虧缺研究,提出各生育期水分虧缺值、虧缺程度及主要虧缺時段,對實施旱作農業(yè)雨水就地富集利用和集雨補充灌溉,提高旱作農業(yè)生產水平具有重要指導作用。
安定區(qū)位于甘肅省中部,地跨北緯35°17′54″至36°02′40″、東經104°12′48″至105°01′06″之間,其地勢自西南向東北傾斜,氣候類型屬于中溫帶干旱、半干旱,大陸性季風氣候十分明顯。年平均太陽輻射量141.4 kcal/cm2,年平均日照2 500 h,年均氣溫6.3 ℃,無霜期141 d。全區(qū)多年平均降水量398.5 mm左右,多集中在夏秋季節(jié),最大4個月(6-9月)降水量占全年降水量的67.2%,蒸發(fā)量高達1 500 mm以上。降水稀少,水資源極為短缺,造就了安定區(qū)旱作雨養(yǎng)農業(yè)的基本現(xiàn)狀,也形成了區(qū)域旱作特色農業(yè)的基礎。安定區(qū)現(xiàn)有各類農作物種植面積12 萬hm2,其中以玉米、小麥為主的糧食作物播種面積10.73 萬hm2,尤其是隨著壟溝覆膜集雨技術的推廣應用,玉米種植面積逐年擴大,目前種植面積已僅次于馬鈴薯,占總播種面積的21.25%,已經成為當?shù)刂饕N植作物和優(yōu)勢作物。
根據(jù)調研并查閱相關文獻資料,安定區(qū)玉米4月中旬播種,10月中旬收獲,主要包括出苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿期、成熟期等6個生育階段,全生育期共180 d左右。安定區(qū)玉米作物生育期劃分結果及各生育階段生長特征表現(xiàn)見表1[4]。
表1 安定區(qū)玉米作物生育期劃分結果及生長特征
作物需水量是指在作物生育期內,土壤水分條件適宜(即土壤含水量處于田間持水量的60%以上、最大田間持水量以下)、土壤肥力狀態(tài)良好、農藝技術措施使用適當、作物能夠充分發(fā)揮其生態(tài)生產力潛勢的理想條件下的作物耗水量,即作物潛在耗水量或者最大可能耗水量[5]。
作物的需水量包括植物蒸散量和植物光合作用需水量,但進一步研究表明,植物的光合作用所用的需水量所占比例很小,可以忽略不計,所以玉米的理論需水量可以用蒸散量來代替[6]。具體計算可采用式(1)進行:
ETc=Kc×ET0
(1)
式中:ETc為-作物需水量,mm/d;ET0為參考作物蒸散量,mm/d;Kc為作物系數(shù)。
其中,作物系數(shù)根據(jù)世界糧農組織推薦的玉米作物系數(shù),結合安定區(qū)氣候條件,參考已有研究成果確定,安定區(qū)玉米作物系數(shù)見表2。
表2 安定區(qū)玉米作物系數(shù)(kc)
參考作物蒸散量計算比較復雜,與氣壓、風速、溫度等多種氣象因素有關。目前,國內外計算農田蒸散量普遍采用FAO推薦的Penman-Monteith公式(FAO-PM)[7]。
(2)
式中:ET0為參考作物蒸散量,mm/d;Rn為冠層表面凈輻射,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,MJ/(m2·d);G為土壤熱通量,MJ/(m2·d),相當于Rn取值很小,尤其在計算步長接近1 d的情況下,取值忽略為0,即G≈0;Δ為飽和水汽壓曲線在溫度為T時的斜率,kPa/℃;T為日平均氣溫,℃;γ為干濕表常數(shù),kPa/℃;U2為距離地面2 m處的風速,m/s;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實際水汽壓,kPa。
參考有關文獻及相關研究成果[8],確定了相關計算參數(shù),采用式(2)計算玉米作物逐時段蒸散量,具體計算結果見表3。
表3 安定區(qū)春玉米作物不同生育階段需水量
從表3,在特定的生態(tài)環(huán)境條件下,安定區(qū)玉米全生育期需水量呈現(xiàn)小-大-小-大-小的變化過程,在播種-出苗期需水量較小,從出苗-拔節(jié)期開始需水量增加,拔節(jié)-大喇叭口期有所減少,大喇叭口-吐絲期需水量又顯著增加,隨著灌漿期、成熟期的到來,需水量逐漸減少。玉米在整個生育期耗水強度2.61 mm/d,在出苗-拔節(jié)期耗水強度最大為5.07 mm/d,大喇叭口-吐絲期是第二個耗水高峰期,耗水強度4.34 mm/d,該時期是玉米產量形成的關鍵時期,因此,本階段玉米的耗水強度增大。
通過對安定區(qū)長系列降水資料1958-2015年進行58年年平均降水量統(tǒng)計、分析。發(fā)現(xiàn)安定區(qū)降水量年內變化大,月分配不均,全年降水量主要集中在6-9月,其歷年6-9月平均降水量占全年平均降水量的67%左右,最大降水月一般出現(xiàn)在7月或者8月,春季和冬季降水少,約占全年平均降水量的7%左右。
對安定區(qū)1958-2015年58年降水量系列進行頻率計算,先確定變差系數(shù)Cv值[9]。由于年降水量相對穩(wěn)定,偏差系數(shù)Cs取值一般用Cs/Cv值來反映[10],用水文頻率計算軟件計算并繪制頻率曲線見圖1。
安定區(qū)多年平均降水量為398.5 mm,變差系數(shù)Cv為0.20,不同頻率年降水量見表4[11]。
圖1 安定區(qū)降水量頻率曲線
表4 安定區(qū)降水量特征值表
根據(jù)安定區(qū)1958-2015年共58年的天然降水量數(shù)據(jù),通過頻率計算求得頻率為20%、50%、75%的設計年降水量,分別作為豐水年,平水年,枯水年,P20%=461.7 mm,P50%=389.6 mm,P75%=341.0 mm。
根據(jù)典型年選擇原則,確定采用1984年、1975年和2011年月降水過程分別為20%、50%和75%年的典型年。采用同倍比法計算不同頻率降水量逐月分配見表5[13]。
表5 不同頻率降水量月分配過程計算結果
根據(jù)前述分析確定的玉米作物生育期與需水量,結合不同頻率降水量月分配過程,確定安定區(qū)玉米作物不同降水頻率條件下玉米作物生育期水分虧缺見表6。
由于不同作物在不同的生育階段具有不同的生長特征,其結果是作物各生育階段的需水量也不相同,而且,不同的氣候條件也是影響作物需水量變化的主要因素。從玉米作物生長發(fā)育特征來看,整個生育期需水量大致呈現(xiàn)小-大-小-大-小的變化規(guī)律,生長前期,植株矮小,需水量較??;生長盛期,枝繁葉茂,生長旺盛,需水量最大;進入成熟期,植株生長結束,水分需求減小。
玉米作物生育期需水、天然降水柱狀圖見圖2,水分虧缺特征分析結果見表7。由此可見:受降水量、需水量的共同影響,玉米作物在不同生育期水分虧缺各不相同,缺水量為玉米全生育期階段的需水量和同時期降水量的差值,正值表示玉米需水量小于天然降水量,即天然降水可以滿足玉米生育階段的需水要求。負值表示玉米需水量大于天然降水量,也就是說天然降水量不能夠滿足玉米生育期的需水要求[12]。比較發(fā)現(xiàn)出苗-拔節(jié)期玉米的水分虧缺最大,大喇叭口-吐絲期次之,本階段玉米的需水量大,天然降水無法滿足玉米的需水要求,因此,玉米水分虧缺比較大。
表6 天然降水條件下玉米作物生育期水分虧缺分析結果表
圖2 玉米生育階段需水、天然降水量柱狀圖
表7 安定區(qū)玉米作物各生育期水分虧缺特征
本文對安定區(qū)1958-2015年共58年天然降水量資料分析計算發(fā)現(xiàn)玉米生育期需水量變化趨勢與天然降水量的變化基本一致,通過對20%、50%、75%頻率下的降水量及其年內分配與玉米生育期的需水量對比發(fā)現(xiàn)在玉米的出苗-拔節(jié)期和大喇叭-吐絲期仍存在水分虧缺且虧缺程度較大,在其他生育期可以基本滿足玉米需水的要求,為了達到不減產和提高質量的要求,因此需要實施旱地農業(yè)雨水就地富集利用和雨水補充灌溉。