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。

1 研究區(qū)概況

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。

2 玉米生育期及需水量分析計算

2.1 玉米作物生育期確定

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

2.2 玉米生育期需水量分析計算

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。

3 玉米生育期天然降水量分析

3.1 安定區(qū)降水特性分析

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

3.2 不同保證率降水量及年內分配

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

3.3 不同保證率玉米作物生育期降水量及分配

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。

4 玉米生育期水分虧缺特征分析

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

5 結 語

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。