遼西北玉米耗水特征及其與降水和氣溫的關(guān)系

曹永強(qiáng),張亭亭,常 靜,蘇 陽(yáng),路 璐

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連 116029)

近年來(lái),隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,水資源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重,與人類生存密切相關(guān)的干旱問(wèn)題益發(fā)突出,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響[1]。遼西北地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱遼西北)以玉米種植為主,是遼寧省農(nóng)業(yè)干旱災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)[2],干旱缺水危機(jī)已成為該地區(qū)最難解決的水安全問(wèn)題,并日益成為影響遼西北糧食安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要而緊迫的問(wèn)題。氣候變化對(duì)作物耗水有著深刻影響,進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育[3]。在作物耗水量的研究方面,常見(jiàn)的計(jì)算方法有水量平衡法、蒸滲儀測(cè)定法、FAO Penman-Monteith公式法、波文比-能量平衡法等。蒸滲儀測(cè)定法精度較高,但造價(jià)昂貴;波文比-能量平衡法精度較低;FAO Penman-Monteith法計(jì)算參數(shù)較多;而水量平衡法原理清晰,適用性強(qiáng),得到了廣泛的應(yīng)用[3-7]。李占玲等[4]分析了黑河流域氣溫和降水量的突變特征；郭亮等[5]利用氣象衛(wèi)星AVHRR數(shù)據(jù)反演歸一化植被指數(shù),監(jiān)測(cè)了蒸發(fā)蒸騰量,取得了顯著成效;詹志民等[6]利用SEBS模型和NOAA數(shù)據(jù)對(duì)隴西黃土高原地區(qū)的區(qū)域蒸散量及其分布特征進(jìn)行討論;龐治國(guó)等[7]提出了基于SEBS方法遙感反演騰發(fā)量的計(jì)算模型,對(duì)模型中各參數(shù)的計(jì)算采用了經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行反演,并推導(dǎo)出日蒸散量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?提高了計(jì)算精度。目前,作物耗水量在國(guó)內(nèi)的研究成果很多,但在降水與氣溫對(duì)作物耗水特征影響方面的研究較少。趙凌玉等[3]以北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣為例,分析了作物生育期耗水特征及氣溫和降水對(duì)作物耗水量的影響。本文采用水量平衡法,利用土壤、降水及氣溫等數(shù)據(jù),結(jié)合GIS軟件分析遼西北玉米耗水特征,探討降水和氣溫變化對(duì)玉米耗水量的影響。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于北緯39°59′～43°29′、東經(jīng)118°50′～124°26′之間,包括朝陽(yáng)、阜新、錦州、葫蘆島4市的所有縣市,以及沈陽(yáng)的康平縣、法庫(kù)縣、新民市和鐵嶺的昌圖縣。遼西北風(fēng)沙干旱,雨量較少。所用資料為代表性較好且數(shù)據(jù)完整的遼西北1986—2007年降水?dāng)?shù)據(jù)、氣溫?cái)?shù)據(jù)和土壤含水量數(shù)據(jù)[8]。

2 分析方法

2.1 作物耗水量計(jì)算方法

作物耗水量由作物蒸騰量和棵間蒸發(fā)量構(gòu)成,根據(jù)水量平衡原理,農(nóng)田水量平衡方程一般可表示為

ΔW=P+I+G-ET-R-D

(1)

式中:ΔW為土壤水分在某一時(shí)段的變化量;P為同期降水量;I為灌溉量;G為毛管抬升量;ET為農(nóng)田蒸散量;R為徑流量;D為滲漏量。遼西北地下水位較低,G和D可忽略不計(jì)。2007年以前,遼西北玉米種植區(qū)灌溉設(shè)施較少,多為雨養(yǎng)旱農(nóng)區(qū),且山地較少,I和R也可忽略不計(jì)。

玉米根系分布于0～100 cm土層內(nèi)[9],60 cm以下根系相對(duì)較少,在玉米整個(gè)生育期內(nèi)各土層土壤含水量變化趨勢(shì)基本一致[10],且50 cm以內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)連續(xù)性較好,因此可以利用0～50 cm的土壤含水量分析玉米的耗水特征。

遼西北玉米種植區(qū)的農(nóng)田水量平衡方程可簡(jiǎn)化為

ET=P-ΔW+w

(2)

式中:ΔW為作物生育期內(nèi)土壤(0～50 cm土層)儲(chǔ)水變化量,等于生育期末土壤儲(chǔ)水量與生育期初土壤儲(chǔ)水量之差[11-12];w為誤差項(xiàng)。

土壤水分儲(chǔ)存量是指一定深度或厚度的土壤中的含水量,以單位面積水層的深度表示，計(jì)算公式為

V=10RHW

(3)

式中:V為土壤水分最大儲(chǔ)存水量,mm;R為土壤密度,g/cm3;H為土層厚度,cm;W為土壤田間持水量,%。

2.2 Kriging插值法

Kriging插值法[13]應(yīng)用多種變異函數(shù)模型,考慮各已知點(diǎn)的空間相關(guān)性,根據(jù)給未知點(diǎn)周圍的已知點(diǎn)配以權(quán)重來(lái)估算未知點(diǎn),即

(4)

式中:λi為權(quán)重系數(shù),即各空間樣本點(diǎn)在xi處觀測(cè)值y(xi)對(duì)估計(jì)值y(x0)的貢獻(xiàn)程度。

Kriging插值法不僅應(yīng)用于線性空間變化關(guān)系,同時(shí)能夠自動(dòng)識(shí)別樣本點(diǎn)的空間分布,如果若干個(gè)樣本距離較近而且在同一方向,那么離待估點(diǎn)較近的點(diǎn)的權(quán)值較大,其他點(diǎn)的權(quán)值較小,從而消除由采樣不均帶來(lái)的誤差,提高了插值精度。此外,本文僅對(duì)耗水量進(jìn)行空間變化分析,不考慮“平滑效益”對(duì)分析結(jié)果的影響。

2.3 Z指數(shù)法

假設(shè)月降水量服從Person-Ⅲ型分布,其概率密度分布為

P(X)=[βΤ(γ)]-1[(X-α)/β]γ-1e-(X-α)/β

(5)

文獻(xiàn)[14]對(duì)降水量X進(jìn)行正態(tài)化處理,其轉(zhuǎn)換公式為

(6)

式中:Cs為偏態(tài)系數(shù);φi為標(biāo)準(zhǔn)變量。Cs和φi均可由降水資料序列計(jì)算求得:

(7)

依據(jù)上面計(jì)算得出的Z值按照表2劃分單站旱澇等級(jí)[15]。

表2 以Z值為指標(biāo)的旱澇等級(jí)

2.4 多元回歸分析

當(dāng)影響因變量的自變量是多個(gè)時(shí),可以建立因變量y與各自變量xj(j=1,2,…,n)之間的多元線性回歸模型[16-17]:

y=b0+b1x1+b2x2+…+bnxn+e

(8)

式中:b0為回歸常數(shù);bk(k=1,2,…,n)為回歸參數(shù);e為隨機(jī)誤差。

3 遼西北玉米耗水量特性分析

3.1 氣象要素變化特征

圖1 1986—2007年遼西北氣候變化特征

根據(jù)遼西北1986—2007年的氣候資料,繪制了遼西北氣候變化特征圖(圖1)。由圖1可知,遼西北多年平均降水量為522.5 mm,4—9月玉米生長(zhǎng)季多年平均降水量為469.7 mm,玉米生長(zhǎng)季降水量占全年降水量的89.9%。近40年來(lái),降水量呈一定的減少趨勢(shì),1986年以來(lái)玉米生長(zhǎng)季年均降水量下降趨勢(shì)更為明顯,每年減少6.3 mm。1986—2007年遼西北平均溫度為9.04℃,年平均升高0.04℃,溫度呈明顯升高趨勢(shì); 4—9月玉米生長(zhǎng)季多年平均活動(dòng)積溫為3 453℃·d,生長(zhǎng)季活動(dòng)積溫年均升高13.57℃·d,遼西北干暖化趨勢(shì)明顯。在空間上,玉米生長(zhǎng)季遼西北多年平均降水量從東向西、從南向北遞減,大于或等于10℃活動(dòng)積溫由北向南遞增。

3.2 玉米耗水時(shí)空特性

為了分析遼西北玉米耗水的時(shí)間變化趨勢(shì),利用13個(gè)站點(diǎn)(九連洞、王寶慶、朝陽(yáng)、團(tuán)山子、胡家、章景營(yíng)子、大城子、凌海、趙家甸、八家子、新民、義縣、彰武)的土壤數(shù)據(jù)和降水量,求出各站點(diǎn)玉米的逐年耗水量,然后將每年的各站數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均,得出遼西北玉米逐年耗水量數(shù)據(jù),并繪制了變化特征曲線(圖2)。由圖2可知,遼西北玉米耗水量總體呈下降趨勢(shì),并且下降速率比較大。1992年玉米耗水量最小,為312 mm;而1994年玉米耗水量最大,達(dá)498 mm。20世紀(jì)80年代,遼西北玉米耗水量下降趨勢(shì)明顯;90年代為劇烈的震蕩期;21世紀(jì)以來(lái),玉米耗水量進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)期。

圖2 遼西北玉米耗水量變化特征曲線

利用遼西北13個(gè)測(cè)站的逐年耗水量求出13個(gè)測(cè)站的多年平均耗水量數(shù)據(jù),再應(yīng)用Kriging插值法將遼西北玉米耗水量值繪制成空間分布圖,能更直觀地觀察空間分布情況,如圖3所示。從圖3看出,遼西北玉米耗水量的等值線梯度較小,空間分布比較均勻,與降水量關(guān)系明顯;高值中心和低值中心的分布較為分散,玉米耗水量的高值區(qū)位于彰武縣,達(dá)494 mm,其次是義縣、朝陽(yáng)市和黑山縣等;而玉米耗水量的低值區(qū)位于新民市,為331 mm。

圖3 遼西北玉米耗水量空間分布(單位：mm)

3.3 不同旱澇等級(jí)下的玉米耗水特征

利用遼西北49個(gè)站點(diǎn)1986—2007年的降水量,通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)的旱澇等級(jí)分別為大澇、偏澇、正常、偏旱和大旱5個(gè)等級(jí)。大旱發(fā)生在1999年,所占比例最小，為5%;大澇、偏澇和偏旱所占比例均為9%,1994和1998兩年發(fā)生了大澇,1986和1991兩年發(fā)生了偏澇,偏旱發(fā)生年份為1992年和2006年;正常年份所占比例為68%。

進(jìn)一步分析遼西北玉米的耗水特征,玉米在不同旱澇等級(jí)下其耗水特征與降水量呈極顯著的相關(guān)關(guān)系,不同旱澇等級(jí)下耗水量從大到小排序?yàn)榇鬂场⑵珴?、正常、偏旱、大旱。在大旱年份?生育期耗水量大于降水量,降水量無(wú)法滿足玉米的耗水需求,而其他年份降水量都能滿足玉米的耗水需求,生育期降水量與耗水量基本持平,說(shuō)明玉米在遼西北大田雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)中需水量與降水量匹配效果較好,適應(yīng)性較強(qiáng),能夠較好地利用水分。同時(shí),培育抗旱品種、開(kāi)展抗旱栽培管理措施是今后適應(yīng)氣候變化的重要途徑。

3.4 玉米耗水量與氣溫和降水的關(guān)系

降水與溫度是影響土壤含水量及作物耗水量的主要?dú)庀笠蜃?對(duì)遼西北玉米耗水量與同期生長(zhǎng)季降水量、積溫(≥10℃活動(dòng)積溫)進(jìn)行相關(guān)分析,如圖4所示,玉米耗水量與降水量呈正相關(guān)關(guān)系,達(dá)到極顯著水平(P<0.01),而玉米耗水量與積溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性較小,未達(dá)到顯著水平。

圖4 玉米耗水量與生長(zhǎng)季內(nèi)同期降水量、活動(dòng)積溫的相關(guān)關(guān)系

從單因子線性擬合可以看出單一要素對(duì)作物耗水量的影響程度,但沒(méi)有考慮因子之間的相互作用,為進(jìn)一步研究降水量與積溫對(duì)玉米耗水量的綜合影響,進(jìn)行多元回歸分析。玉米耗水量y與降水量x1、積溫x2之間的回歸關(guān)系式為

y=0.73x1+0.04x2-21.54 (R2=0.793)

(9)

回歸效果達(dá)到P=0.01的極顯著水平?？傮w來(lái)看,積溫對(duì)作物耗水量的影響較小,而降水量與耗水量呈明顯正相關(guān)關(guān)系。玉米的需水期與當(dāng)?shù)氐乃疅釛l件基本吻合,因此在當(dāng)?shù)氐玫綇V泛種植。

4 結(jié) 論

a. 近年來(lái),遼西北干暖化趨勢(shì)明顯:全年降水量年均減少約5.3 mm,玉米生長(zhǎng)季降水量下降趨勢(shì)更為明顯,每年減少6.3 mm;溫度年均升高0.04℃,生長(zhǎng)季內(nèi)活動(dòng)積溫年均升高13.57℃。

b. 遼西北玉米耗水量總體呈下降趨勢(shì),并且下降速率比較大。在20多年中,1992年玉米耗水量最小,為312 mm;1994年玉米耗水量最大,達(dá)498 mm。20世紀(jì)80年代,遼西北玉米耗水量下降趨勢(shì)明顯;90年代為劇烈的震蕩期;21世紀(jì)以來(lái)進(jìn)入平穩(wěn)期,但依然呈下降趨勢(shì)。

c. 遼西北玉米耗水量的等值線梯度較小,空間分布比較均勻;高值中心和低值中心的分布較為分散,玉米耗水量的高值區(qū)位于彰武縣,達(dá)494 mm,其次是義縣、朝陽(yáng)市和黑山縣等,而玉米耗水量低值區(qū)位于新民市,為331 mm。

d. 玉米在不同旱澇等級(jí)下的耗水特征與降水量呈極顯著相關(guān)關(guān)系,不同旱澇等級(jí)下耗水量從大到小排序?yàn)榇鬂?、偏澇、正常、偏旱、大旱?？傮w來(lái)看,降水和氣溫的變化對(duì)作物耗水量均有影響,其中積溫對(duì)作物耗水量的影響較小,而降水量與耗水量呈明顯正相關(guān)關(guān)系。

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