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(xué)院農(nóng)田灌溉研究所 新鄉(xiāng) 453003;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院 北京 100081;3.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院 昆明 650000;4.浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)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(dá)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(shí)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(zāi)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(shí)不可或缺的重要參數(shù),研究其數(shù)量大小及其在時(shí)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(yùn)行管理至關(guān)重要[5]。

作物需水量的計(jì)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(xué)者使用該方法對區(qū)域尺度不同作物需水量時(shí)空變化進(jìn)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(jì)算作物缺水量,已在眾多研究區(qū)得到了較好的實(shí)踐[4,6-9]。20 世紀(jì)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(jì)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(chǔ)上從灌溉的角度將全國春玉米帶進(jìn)行分區(qū),并針對不同分區(qū)春玉米灌溉制度進(jìn)行了分析與研究。以上研究大都基于20 世紀(jì)80 年代的灌溉試驗(yàn)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(shí)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(gè)隨機(jī)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(gè)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(jìn)行了計(jì)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(shí)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(jìn)而有效指導(dǎo)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(bào)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(gè)站點(diǎn)的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(jì)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(chǔ)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(jìn)行空間化處理,進(jìn)而準(zhǔn)確地描述研究區(qū)域需水量及水分虧缺狀況的時(shí)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(shè)計(jì)以及對農(nóng)田水資源的科學(xué)管理,同時(shí)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(jì)局?jǐn)?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?yàn)樘攸c(diǎn),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(yán)重,干旱持續(xù)時(shí)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(xué)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(diǎn)的位置、可獲得的氣象數(shù)據(jù)等因素,共選取26 個(gè)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(diǎn)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(jì)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(yàn)頻率P=25%、P=50%、P=75%和P=95%時(shí)所對應(yīng)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(gè)代表點(diǎn)的參考作物需水量值,得出各代表點(diǎn)的逐年參考作物需水量值;最終通過參考作物法來計(jì)算作物需水量,計(jì)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(jìn)行計(jì)算;ET0為參考作物需水量(mm?d-1),亦采用FAO 推薦的計(jì)算方法即Penman-Monteith 模型計(jì)算,計(jì)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(dāng)計(jì)算時(shí)段為1 d 和10 d 時(shí),土壤熱通量相對較小,忽略不計(jì);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(fēng)速(m?s-1);es為飽和水汽壓(kPa),ea為實(shí)測水汽壓(kPa)。

1.3.2 作物缺水量計(jì)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(jì)算方法為春玉米需水量與有效降水量的差值,計(jì)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(diǎn)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(xué)者提出的有效降雨量計(jì)算公式[18],即當(dāng)旬降雨量大于40 mm 時(shí),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(jì)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(jìn)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(shí)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(jī)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(jì)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(yàn)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)?yīng)的需水量較大,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(dá)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(shí)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(gè)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(shí),缺水量高值區(qū)的范圍隨經(jīng)驗(yàn)頻率的升高逐漸擴(kuò)大,豐水年時(shí)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(diǎn)多年平均缺水量高達(dá)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(diǎn)多年平均缺水量為282.0 mm,需要補(bǔ)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(diǎn)多年平均缺水量僅218.5 mm,需要補(bǔ)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(shí)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(yàn)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(bǔ)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(dá)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(rèn)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。空間上,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(jì)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?yàn)楸疚乃?jì)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(fù)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(yīng)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(bǔ)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(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域,生產(chǎn)中應(yīng)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(shí)需適當(dāng)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)抗旱與蓄水設(shè)施的建設(shè)[26];灌溉需求指數(shù)高的地區(qū)在進(jìn)行灌溉時(shí)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(dǎo)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(shè)和科學(xué)的抗旱減災(zāi)策略的制定,然而東北地區(qū)地形地勢復(fù)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(dǎo)趨勢分析的宏觀規(guī)劃,下一步研究需選擇更多的觀測點(diǎn)數(shù)據(jù),采用布局更為合理的插值點(diǎn)資料,以提高數(shù)據(jù)精度來指導(dǎo)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(kuò)大春玉米種植面積,以最大化利用降雨并實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。