廣西右江河谷旱作灌溉需水量變化特征

陸耀凡，廖雪萍，陳欣，史彩霞，林振敏

（1.百色市氣象局，廣西百色533000；2.廣西氣象減災(zāi)研究所，南寧530022；3.田東縣氣象局，廣西田東531500；4.廣西氣象服務(wù)中心，南寧530022）

全球氣候變暖使持續(xù)性和季節(jié)性的干旱成為威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一，保障有效灌溉仍然是確保農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要手段［1］。研究區(qū)域作物灌溉需水量，對(duì)有效利用水資源提高作物產(chǎn)量以及實(shí)現(xiàn)水資源合理調(diào)配具有十分重要的意義。作物需水量及其灌溉需水量與變化規(guī)律的研究一直受到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的重視，20世紀(jì)20年代丁穎教授在廣州進(jìn)行水稻需水量試驗(yàn)，到了20世紀(jì)80年代初我國(guó)作物需水量研究與灌溉試驗(yàn)工作進(jìn)入第2次高潮［2］，有很多學(xué)者主要運(yùn)用能量平衡法即彭曼方程開展了農(nóng)田、作物需水量及灌溉量的計(jì)算方法、預(yù)測(cè)模型、空間分布規(guī)律等方面的研究，取得了系列成果［3-9］，之后隨著全球氣候變暖導(dǎo)致干旱極端事件頻發(fā)、水資源匱乏，不少學(xué)者開始關(guān)注氣候變化對(duì)作物灌溉量影響的研究［10-11］。右江河谷是廣西少雨地區(qū)之一，且降水量季節(jié)分布不均，年際變化大，春旱和秋旱頻繁發(fā)生，其中春旱發(fā)生的頻率達(dá)70%～90%；隨著氣候的變暖，該區(qū)除3、6、7月份外，其余月份干旱有所加?。?2］。旱災(zāi)已成為制約右江河谷甘蔗、玉米等旱地作物生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量提高的主要?dú)庀笠蛩兀?3-15］。因此開展右江河谷旱作灌溉需水量研究，通過計(jì)算右江河谷甘蔗、玉米旱作生育期有效降水量、水分盈虧指數(shù)和灌溉需水量，掌握需水量的變化規(guī)律，為制定旱作灌溉決策和水資源規(guī)劃提供重要依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

右江河谷位于云貴高原余脈之內(nèi)，在廣西百色市的中部，包括右江區(qū)、田陽縣、田東和平果縣的平原地帶，呈東南一西北走向，東西長(zhǎng)1.30×105m，南北寬2×104m，土地總面積3.4×106m2，其中耕地面積7.04×104km2，占百色市耕地的27.2%，人口75萬［16］。該區(qū)年平均氣溫22.0℃，≥10℃活動(dòng)積溫7730℃，無霜期345d，太陽輻射年總量460KJ/cm2左右，是廣西輻射量最豐富的地區(qū)之一；年降雨量1086～1325mm，年降水變率15%。研究區(qū)以早玉米-晚稻-冬菜一年三熟為主，在旱地較多的地方，主要是春秋季玉米復(fù)種、玉米與甘蔗間種。右江河谷已于2008年列入我國(guó)甘蔗布局優(yōu)勢(shì)區(qū)域之一，同時(shí)也是廣西玉米主產(chǎn)區(qū)之一［17］。截止2010年，右江河谷甘蔗種植面積約4.7×104km2，約占百色市甘蔗種植面積的98%；玉米種植面積也達(dá)到了3.3×104km2，約占百色市玉米種植面積的三分之一。

表1 右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各發(fā)育期需水量

1.2 資料來源

所用1971-2013年歷年逐日降水量資料取自百色、田陽、田東和平果4個(gè)縣區(qū)氣象觀測(cè)站歷年實(shí)測(cè)值。

考慮到右江河谷各縣區(qū)的氣候條件相差不大，甘蔗（宿根）、（春）玉米的播種、生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)度差異不大，因此各站甘蔗、玉米平均發(fā)育期由平果站1990～2013年甘蔗、1994～2013玉米各發(fā)育期實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)所得。

1.3 灌溉需水量計(jì)算方法

1.3.1 作物需水量ETc

為方便起見，本文參考易燕明等人用彭曼公式計(jì)算得到的百色甘蔗、玉米逐旬需水量［10］，推算出右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各發(fā)育期的平均每日需水量。

1.3.2 水分盈虧指數(shù)CWSDI

用水分盈虧指數(shù)表征旱作各生育期水分盈虧程度［13］。即

其中ETc為研究對(duì)象甘蔗、玉米生育期階段內(nèi)的需水量，Pe為相應(yīng)生育期階段內(nèi)有效降水量。CWSDI＞0表示水分盈余，CWSDI=0表示水分收支平衡，CWSDI＜0表示水分虧缺。本文采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量分析法［19］計(jì)算Pe，即：

1.3.3 灌溉需水量Is

灌溉需水量是作物生育期內(nèi)總需水量與總有效降水量之差［12］。表達(dá)式為：

式中，∑ETc是作物生育期總需水量，∑Pe是作物生育期總有效降水量。

1.4 氣候傾向率

氣象要素的趨勢(shì)變化采用一元線性回歸方程X（t）=at＋b（t=l，2，…n）來擬合，其中x為氣象要素值，t為年序數(shù)，a為趨勢(shì)變化率，它的絕對(duì)值大小可表示氣象要素隨時(shí)間變化的速率，用最小二乘法確定，一般采用a×10年來衡量氣候傾向率，單位為某要素單位/10a，當(dāng)a為正時(shí)表示序列隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，反之則為下降趨勢(shì)。采用氣象要素與時(shí)間之間的線性相關(guān)系數(shù)（r）對(duì)線性趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，給定顯著性信度水平α，若｜r｜＞rα，表示氣象要素隨時(shí)間的變化趨勢(shì)顯著，否則表明變化趨勢(shì)不顯著［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物需水量

表2 右江河谷甘蔗、玉米全生育期有效降水量、水分盈虧指數(shù)和灌溉需水量年代際變化

根據(jù)平果站甘蔗、玉米生育期觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)出作物各發(fā)育期平均普遍期：甘蔗發(fā)株3月13日、莖伸長(zhǎng)6月25日、成熟11月17日，全生育期（發(fā)株-成熟）為3月13日至11月17日。玉米播種2月10日、出苗2月26日、拔節(jié)5月1日、抽雄5月18日、乳熟6月11日、成熟7月1日，全生育期（播種-成熟）為2月10日至7月1日。參考易燕明等人研究結(jié)果，右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各發(fā)育期的需水量見表1。

2.2 有效降水量及其變化特征

2.2.1 甘蔗生育期有效降水量及其變化特征

右江河谷甘蔗全生育期有效降水量333mm（田陽、百色）～381mm（平果），平均為350mm。由圖1可見，1971～2013年右江河谷甘蔗全生育期及各發(fā)育期有效降水量的變化呈減少趨勢(shì)，減幅全生育期為11mm～15mm／10a，莖伸長(zhǎng)-成熟期為9mm～13mm／10a，發(fā)株-莖伸長(zhǎng)期為1mm～4mm／10a。其中全生育期的減少趨勢(shì)平果達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），田陽、百色的減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平（p＜0.05），田東的減少趨勢(shì)則不顯著；莖伸長(zhǎng)-成熟期的減少趨勢(shì)除百色達(dá)到了極顯著水平外，其余各縣減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平；發(fā)株期-莖伸長(zhǎng)期各縣區(qū)的減少趨勢(shì)均不顯著。由表2可看出右江河谷甘蔗全生育期有效降水量的年代際變化特征呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢(shì)。

2.2.2 玉米生育期有效降水量及其變化特征

右江河谷玉米全生育期有效降水量155mm（田陽）～194mm（平果），平均為169mm。由圖1可見，1971～2013年右江河谷玉米除乳熟-成熟期有效降水量的變化呈微弱增加趨勢(shì)外，全生育期及其余各生育期的有效降水量的變化呈微弱減少或不明顯趨勢(shì)。右江河谷玉米全生育期及各生育期有效降水量的變化趨勢(shì)均不顯著。由表2可看出右江河谷玉米90年代的有效降水量較其它年代偏少，21世紀(jì)前10年次少。

2.3 水分盈虧指數(shù)及其變化特征

2.3.1 甘蔗生育期水分盈虧指數(shù)及其變化特征

右江河谷甘蔗全生育期水分盈虧指數(shù)為-0.31～-0.21，平均為-0.27，表示各縣區(qū)甘蔗全生育期水分虧缺，百色和田陽水分虧缺最多；發(fā)株-莖伸長(zhǎng)期水分盈虧指數(shù)為1.93～2.60，表示各縣區(qū)該生育期階段的水分有盈余；莖伸長(zhǎng)-成熟期水分盈虧指數(shù)為-0.53～-0.48，表示各縣區(qū)該生育期階段的水分均虧缺。

由圖1可見，1971～2013年右江河谷甘蔗全生育期及各生育期水分盈虧指數(shù)的變化呈下降趨勢(shì)，全生育期降速為0.02～0.03／10a，表明水分虧缺呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。全生育期各縣區(qū)水分盈虧指數(shù)的下降趨勢(shì)均達(dá)到顯著水平；莖伸長(zhǎng)-成熟期百色、平果的下降趨勢(shì)達(dá)到顯著水平，其余縣的下降趨勢(shì)不顯著；發(fā)株-莖伸長(zhǎng)期各縣區(qū)的下降趨勢(shì)均不顯著。由表2可看出右江河谷甘蔗水分盈虧指數(shù)的年代際變化特征呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。

圖1 1971-2013年右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各生育期的有效降水量

2.3.2 玉米生育期水分盈虧指數(shù)及其變化特征

右江河谷玉米全生育期水分盈虧指數(shù)-0.12（田陽）～0.10（平果），平均為-0.04，除平果全生育期水分盈余外，其余3個(gè)縣區(qū)水分虧缺，以田陽虧缺最大。各生育期情況：除播種-出苗及乳熟-成熟期各縣區(qū)水分虧缺外，其余各生育期均為盈余，其中播種-出苗的水分虧缺最大，平均水分盈虧指數(shù)達(dá)到-0.77。

圖2 右江河谷甘蔗、玉米全生育期及各生育期多年平均灌溉需水量

由圖1可見，1971～2013年右江河谷大部分縣區(qū)玉米全生育期及出苗-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽雄期的水分盈虧指數(shù)的變化呈微弱下降趨勢(shì)，其余生育期部分縣區(qū)水分盈虧指數(shù)的變化呈微弱上升趨勢(shì)。右江河谷玉米全生育期及各生育期的水分盈虧指數(shù)的變化趨勢(shì)均不顯著。由表2可看出90年代右江河谷玉米全生育期水分盈虧指數(shù)因其同年代平均有效降水量最少也呈現(xiàn)出最低的特征。

2.4 灌溉需水量及其變化特征

2.4.1 甘蔗生育期灌溉需水量及其變化特征

由圖2可見，右江河谷甘蔗全生育期灌溉需水量為97mm（平果）～146mm（田陽），平均為128mm。其中發(fā)株-莖伸長(zhǎng)期各地水分盈余平均為95mm，不需灌溉；莖伸長(zhǎng)-成熟期各地灌溉需水量為210mm～232mm。

由圖1可見，1971～2013年右江河谷甘蔗全生育期及莖伸長(zhǎng)-成熟期的灌溉需水量的變化呈上升趨勢(shì)，全生育期平均升幅為13mm／10a，除田東上升趨勢(shì)不顯著外，百色、田陽上升趨勢(shì)達(dá)到顯著水平，平果達(dá)到了極顯著水平；莖伸長(zhǎng)-成熟期平均升幅為11mm／10a，百色的上升趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平，其余三縣的上升趨勢(shì)均達(dá)到顯著水平。由表2可看出右江河谷甘蔗全生育期灌溉需水量的年代際變化特征呈現(xiàn)出與有效降水量相反的變化趨勢(shì)。

2.4.2 玉米生育期灌溉需水量及其變化特征

由圖2可見，右江河谷玉米全生育期灌溉需水量平均為7mm，其中，百色、田陽灌溉需水量最大，約為20mm，平果水分有盈余。但各生育期灌溉需水量有所不同：除出苗-拔節(jié)、拔節(jié)-抽雄、抽雄-乳熟各地的水分有盈余外，播種-出苗及乳熟-成熟各地均需灌溉，播種-出苗各縣區(qū)平均灌溉需水量為30mm，乳熟-成熟期平均灌溉需水量為7mm。

由圖1可見，1971～2013年右江河谷玉米全生育期及拔節(jié)-抽雄期的灌溉需水量的變化呈微弱增加趨勢(shì)，其余各生育期灌溉需水量的變化呈微弱減少或不明顯趨勢(shì)。右江河谷各地玉米全生育期及各生育期灌溉需水量的變化趨勢(shì)均不顯著。由表2可看出右江河谷玉米全生育期灌溉需水量以90年代的最大，21世紀(jì)前10年的次之。

3 結(jié)論與討論

（1）右江河谷甘蔗、玉米全生育期的平均有效降水量分別占其平均需水量的73%、96%，說明該區(qū)的自然降水基本能滿足春玉米生長(zhǎng)發(fā)育的要求，但不能滿足甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育的要求。從各生育期來看，玉米播種-出苗期、甘蔗莖伸長(zhǎng)-成熟期的平均有效降水量分別僅占其平均需水量的23%、48%，可見自然降水遠(yuǎn)不能滿足右江河谷玉米播種以及甘蔗關(guān)鍵生長(zhǎng)期的需水要求。

（2）右江河谷各縣區(qū)甘蔗以及除平果外大部分縣區(qū)玉米的全生育期平均水分條件是虧缺的，甘蔗虧缺比玉米的大，其中百色、田陽的虧缺最大。甘蔗全生育期水分虧缺主要由莖伸長(zhǎng)-成熟期缺水引起，該發(fā)育期正是甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育需水關(guān)鍵期，其多年平均灌溉需水量為220mm，與李國(guó)章［5］研究結(jié)果基本一致；玉米全生育期水分虧缺則主要由播種-出苗及乳熟-成熟期缺水引起，其中以播種-出苗期缺水最多，該發(fā)育階段多年平均灌溉需水量為30mm，與劉鈺等人［22］研究結(jié)果基本相符。平果因出苗-拔節(jié)期水分盈余較多而使其全生育期平均水分有盈余，但實(shí)際上平果的播種-出苗期水分仍虧缺而需要依賴灌溉來保障正常的播種出苗。

（3）近40a來，右江河谷甘蔗全生育期及各生育期的有效降水量和水分盈虧指數(shù)的變化呈減少和下降的趨勢(shì)，灌溉需水量的變化則呈增加趨勢(shì)；大部分縣區(qū)玉米除乳熟-成熟期外，全生育期及其余各生育期有效降水量和水分盈虧指數(shù)的變化呈微弱減少和下降趨勢(shì)，灌溉需水量的變化則呈微弱增加趨勢(shì)。

本文關(guān)于右江河谷甘蔗、春玉米生育期的需水量是直接引用前人研究結(jié)果，沒有考慮因參考作物蒸散量變化而引起作物需水量的變化，以后將加強(qiáng)右江河谷旱作蒸散量變化規(guī)律研究，進(jìn)一步修訂完善該區(qū)旱作需水量以及灌溉定額。

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