吉林四平地區(qū)玉米和大豆灌溉需水量分析

劉鈺　譚軍利　李王成　劉海軍

摘要：采用聯(lián)合國糧農組織（FAO）推薦的方法Penman-Monteith公式（PM公式）和作物系數(shù)，結合當?shù)氐臍庀筚Y料，研究了吉林四平地區(qū)玉米和大豆生育期內多年平均降水量與需水量的變化特征，利用皮爾遜Ⅲ型分布曲線，通過頻率分析確定不同水文年份的有效降水量和需水量。結果表明：四平地區(qū)玉米多年平均有效降水量、需水量和缺水量值分別為423.24 mm、503.73 mm、80.49 mm；大豆多年平均有效降水量、需水量和缺水量分別為442.62 mm、484.18 mm、41.56 mm。在豐水年（P=25%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=75%），玉米生育期內平均有效降水量分別為517.47 mm、425.60 mm、352.79 mm，需水量分別為504.88 mm、467.83 mm、506.29 mm；大豆生育期內有效降水量分別為540.23 mm、452.26 mm、371.42 mm，需水量分別為434.67 mm、498.80 mm、450.77 mm。因此在作物生長快速的生長期和開花-結實期若能進行補充灌溉，可顯著保障糧食高產穩(wěn)產。

關鍵詞：四平地區(qū)；參考作物蒸散發(fā)；需水量；缺水量；頻率分析

中圖分類號：S274.1 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2015）06-1225-04

Abstract：Temporal distributions of precipitation and water requirements of maize and soybean during the growth period in Siping region were analyzed.Crop water requirement was computed using the Penman - Monteith equation （FAO 56 PM formula）and crop coefficients.Effective precipitation and water requirements （ETc）for maize and soybean sin different hydrological years were analyzed using the P-III distribution curve.Results showed that the average effective precipitation，water requirement （ETc），and water deficit are 423.24，503.73，and 80.49 mm respectively for maize，and 442.62，484.18，and 41.56 mm respectively for soybean in Siping region.During the wet year （P=25%），normal year （P=50%），and dry year （P=75%），the effective precipitation is 517.47，425.60，and 352.79 mm respectively，and the corresponding water requirement is 504.88，467.83，and 506.29 mm respectively for maize；whereas the effective precipitation is 540.23，452.26，and 371.42 mm respectively，and the corresponding water requirement is 434.67，498.80，and 450.77 mm respectively for soybean.Supplementary irrigations at the fast development stage of maize and at the blossom and productive stage of soybean are important for maintaining high yields in Siping region.

Key words：Siping region；reference crop evapotranspiration；water requirement；water deficit；frequency analysis

我國糧食增產需求與農業(yè)可供水短缺矛盾突出[1]。緩解糧食增產需求與農業(yè)用水短缺的矛盾主要通過高效利用水資源來解決。吉林省地處松遼平原，是我國重要的商品糧基地之一[2]。2013 年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報顯示，吉林省玉米產量為2 276萬t，占東北糧食產量的19.29%，全國的3.77%。吉林省1981年-2010年大豆平均種植面積4 479.9萬 hm2，總產93.89萬 t，面積和總產分別占全國的5.30%和7.09% [3]。科學的玉米和大豆的灌溉需水量、灌溉制度有助于吉林四平地區(qū)優(yōu)化水資源管理措施的提出。

作物需水量和灌溉需水量資料是進行農業(yè)水資源規(guī)劃的重要依據(jù)。近年來，國內對玉米生育期內需水量的研究主要集中在基于多年氣象資料分析作物需水量變化，或者基于氣象資料預測未來氣候變化對作物需水量的影響，而對于大豆生育期內需水量的研究鮮有報道。劉鈺等[4]對中國主要農作物的需水量和灌水量特征進行了研究，研究表明夏玉米全生育期需水量300～400 mm，春玉米全生育期需水量為500～600 mm；肖俊夫等[5]研究了中國玉米需水量及需水規(guī)律，研究表明春玉米需水量變化在400～700 mm之間，夏玉米需水量變化在350～400 mm之間；亢振軍等[6]應用CROPWAT模型研究分析了遼西半干旱區(qū)玉米的需水量及灌水量，結果表明玉米生育期需水趨勢呈正態(tài)分布，其灌溉需水量曲線因降雨差異在不同的年份呈拋物線型、中期平臺型和雙峰型3種；張建平等[7]研究探討了未來氣候變化情景下東北三省玉米需水量的變化趨勢。國內對作物需水量和灌溉需水量的研究多為多年平均統(tǒng)計結果，而不同水文年份的降水量與作物需水量的差異較大，因此有必要分析不同水文年份的作物需水量與灌溉用水量，為優(yōu)化水資源管理提供更多基礎數(shù)據(jù)。endprint

本文根據(jù)聯(lián)合國糧農組織（FAO）推薦的方法Penman -Monteith公式（PM公式）[8]和作物系數(shù)法[9]計算玉米和大豆需水量；利用皮爾遜Ⅲ型分布曲線，通過頻率分析確定不同水文年份的有效降水量和需水量，分析玉米和大豆生育期內的降水與需水分布特征，探究缺水的主要階段，并提出適宜的灌溉水量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四平地區(qū)（124°15′-124°34′E，42°57′-43°13′N）位于吉林省西南部，地處松遼平原腹地，屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年降雨量為570 mm，但是年際間差別較大，降水主要分布在每年的6月-8月份，凍土層深度約為1.3～1.7 m，近年來由于氣溫升高，凍土層深度減少為1.3～1.4 m。地下水位一般在10 m左右，但是部分旱區(qū)已達40～50 m。2012 年統(tǒng)計資料顯示，全市糧食種植面積為85.8 萬 hm2，占農作物總播種面積的93.7%。其中玉米種植面積為77.0 萬 hm2，大豆種植面積為1.0 萬 hm2，分別占糧食作物面積的89.8%，1.2%。四平地區(qū)土地肥沃、日照充足、雨熱同季、氣候宜農，是東北三大糧倉之一，被國家列為重點商品糧生產基地和玉米出口基地[10]。

本文所用的數(shù)據(jù)為四平氣象站（國家氣象臺站編號54157）1951年-2014年的氣象數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、日照時數(shù)、日平均風速、日平均相對濕度等氣象資料。

1.2 作物需水量

1.3 玉米和大豆生育期內有效降水量

根據(jù)當?shù)氐恼{研和氣候資料，玉米一般在4月中旬播種，8月中下旬收獲，生長期約為120～130 d；大豆在4月底至五月上旬播種，8月中下旬收獲，生長期約為120～130 d。結合玉米和大豆播種時對溫度的要求，以4月16日作為該研究區(qū)玉米的播種日期，8月23日為玉米收獲日期；5月1日為大豆的播種日期，9月2日為大豆收獲日期。根據(jù)聯(lián)合國糧農組織FAO56對作物生長階段的劃分，將玉米和大豆的生長階段劃分為苗期、快速生長期、開花結實期、成熟期。玉米和大豆各個生長階段的日期見表1。

玉米和大豆生育期內的降水量除了考慮播種—收獲期的降水量外，同時將4月6日至4月15日、4月21日至4月30日內的降水量作為玉米和大豆的前期雨量，以便充分利用降水量。

四平地區(qū)地勢平坦，當日降水量不大時，一般不會產生地表徑流，大都會儲存在田間。本文將當日降水量小于3 mm日降水量不計入有效降水量[11]，當日降水量3～50 mm的日降水量作為有效降水量，當日降水量大于50 mm時，以日降水量的0.8倍作為有效降水量[12]。

將歷年玉米和大豆生育期內的有效降水量從大到小排列，計算經驗頻率；并采用皮爾遜Ⅲ型頻率分布曲線計算出玉米和大豆生育期內有效降水量的理論頻率曲線，據(jù)此分析不同水文年份（設計豐水年P=25%、平水年P=50%、枯水年P=75%）玉米和大豆的有效降水量。

2 結果與分析

2.1 玉米和大豆生育期內有效降水量分析

表2為四平地區(qū)1951年-2014年玉米和大豆生育期內多年平均有效降水量統(tǒng)計表。由表可知，四平地區(qū)多年平均降水量為631.16 mm，其中玉米生育期內有效降水量為465.01 mm，占多年平均降水量的73.7%，開花-結實期有效降水量最大，為179.4 mm，占多年平均玉米全生育期有效降水量的38.6%；其次是成熟期和生長期，多年平均有效降水量為144.23 mm和67.20 mm，分別占多年平均生育期內有效降水量的31%和14.5%；苗期多年平均有效降水量最少，占生育期內有效降水量的5.7%。大豆全生育期有效降水量為484.19 mm，占多年平均降水量的76.7%，開花-結實期有效降水量最大，為244.96 mm，占多年平均大豆全生育期有效降水量的50.6%；其次是成熟期和生長期，多年平均有效降水量為93.73 mm和63.52 mm，分別占多年平均生育期內有效降水量的19.4%和13.1%；苗期多年平均有效降水量最少，占生育期內有效降水量的2.7%。

表3為玉米和大豆生育期內有效降水量的頻率分析結果，由表可知，豐水年、平水年、枯水年玉米生育期內的有效降水量分別為516.47 mm、358.76 mm、245.21 mm；大豆生育期內的有效降水量分別為562.08 mm、390.45 mm、266.86 mm。

利用氣象數(shù)據(jù)和公式（2）計算了參考作物蒸散量ET0，結合作物系數(shù)（圖1），計算了（公式1）四平地區(qū)玉米和大豆的需水量（ETc），見表4。從表中可以看出，四平地區(qū)玉米整個生育階段內，玉米多年平均需水量ETc為503.73 mm，其中苗期最少，為25.11 mm，占玉米全生育期需水量的5%；生長期和成熟期較大，分別為136.40 mm和104.14 mm，分別占玉米全生育期需水量的27%和20.7%；開花-結實期最大，為238.08 mm，占玉米全生育期需水量的47.3%，日平均需水量為5.29 mm。大豆多年平均需水量ETc為484.18 mm，其中苗期最少，為37.70 mm，占大豆全生育期需水量的7.8%；生長期和成熟期較大，分別為101.23 mm和72.59 mm，分別占大豆全生育期需水量的20.9%和15%；開花-結實期最大，為272.68 mm，占大豆全生育期需水量的56.3%，日平均需水量為4.95 mm。

根據(jù)表3有效降水量頻率分析結果，確定不同的水文年。在選取水文年過程中，按照與頻率分析結果相近的原則確定2 ～3個年份，將其作物需水量的平均值作為最終結果。表5給出了四平地區(qū)不同水文年份玉米和大豆生育期內需水量的分析結果。由表可知，豐水年、平水年和枯水年玉米平均需水量分別為504.88 mm、467.83 mm、506.29 mm；大豆需水量分別為434.67 mm、498.80 mm、450.77 mm。endprint

2.3 缺水量計算

四平地區(qū)玉米和大豆灌溉水量統(tǒng)計結果見表6。由表可知，四平地區(qū)玉米和大豆生育期內多年平均缺水量分別為80.49 mm和41.56 mm。玉米除苗期（4-16-5-5）和成熟期（7-25-8-23）能夠滿足其需水外，其他階段的有效降水量均不能滿足作物的需水量，其中生長期（5-6-6-9）缺水量最大，為69.2 mm，開花-結實期（6-10-7-24）缺水量為58.68 mm；大豆除成熟期（8-10-9-2）能夠滿足其需水量外，其他階段均不能滿足，其中生長期（5-21-6-14）缺水量最大，為37.71 mm，苗期和開花-結實期缺水量分別為10.22 mm、27.72 mm。若不及時進行灌溉，將會對產量造成較大影響[14-15]。

3 結論

本文基于四平地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith公式（PM公式）和作物系數(shù)法分別確定了玉米和大豆需水量，通過分析玉米和大豆生育期內的降水量與需水量，據(jù)此確定缺水量。分析結果如下。

（1）四平地區(qū)玉米多年平均有效降水量、需水量和缺水量分別為423.24、503.73、80.49 mm，除苗期和成熟期能夠滿足其需水外，其他階段的有效降水量均不能滿足作物的需水量，其中生長期缺水量最大，為69.2 mm；大豆多年平均有效降水量、需水量和缺水量分別為442.62、484.18、41.56 mm，除成熟期能夠滿足其需水量外，其他階段均不能滿足，其中生長期缺水量最大，為37.71 mm。

（2）頻率分析表明豐水年（P=25%）、平水年（P=50%）、枯水年（P=75%）玉米生育期內平均有效降水量分別為517.47、425.60、352.79 mm，平均需水量分別為504.88、467.83、506.29 mm；大豆生育期內平均有效降水量分別為540.23、452.26、371.42 mm，需水量分別為434.67、498.80、450.77 mm。

（3）考慮到生長期和開花-結實期是玉米和大豆的快速生長階段，對產量的形成有重要影響。因此建議在該階段補充灌溉1～2次，每次30～40 mm，可顯著緩解作物虧水狀況，實現(xiàn)穩(wěn)產和高產。

參考文獻（References）：

[1]康紹忠，李萬紅，霍再林.糧食生產中水資源高效利用的科學問題—第74期"雙清論壇"綜述[J].中國科學基金，2012（6）：321-324，329.（KANG Shao-zhong，LI Wan-hong，HUO Zai-lin.Scientific issues on high efficient utilization of water resources in food production process—Summary of 74th Shuangqing Forum of NSFC[J].Bulletin of National Natural Science Foundation of China，2012（6）：321-324，329.（in Chinese））

[2]蘇明濤，張郁，靳英華.吉林省主要農作物的生產水足跡研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012，26（7）：26-30.（SU Ming-tao，ZHANG Yu，JIN Ying-hua.The water footprint of main crops in Jilin province from a production perspective[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2012，26（7）：26-30.（in Chinese ））

[3]薛慶喜.中國及東北三省30年大豆種植面積總產、單產、變化分析[J].中國農學通報，2013，29（35）：102-106.（XUE Qing-xi.Analysis on the change of 30 years soybean areas，production and yield in China and northeast China[J].Chinese Agricultural Science Bulletin，2013，29（35）：102-106.（in Chinese ））

[4]劉鈺，汪林，倪廣恒，等.中國主要作物灌溉需水量空間分布特征[J].農業(yè)工程學報，2009，25 （12）：6-12.（LIU Yu，WANG Lin，NI Guang-heng，et al.Spatial distribution characteristics of irrigation water requirement for main crops in China[J].Transactions of the CSAE，2009，25（12）：6-12.（in Chinese ））

[5]肖俊夫，劉戰(zhàn)東，陳玉民.中國玉米需水量與需水規(guī)律研究[J].玉米科學，2008，16（4）：21-25.（XIAO Jun-fu，LIU Zhan-dong，CHEN Yu-min.Study on the water requirement and water requirement regulation of maize in China[J].Journal of Maize Science，2008，16（4）：21-25.（in Chinese ））

[6]亢振軍，尹光華，劉作新，等.遼西玉米需水規(guī)律及灌溉預報研究[J].中國科學院研究生院學報，2010，27（5）：615-620.（KANG Zhen-jun，YIN Guang-hua，LIU Zuo-xin，et al.Water requirement regulation and irrigation forecast of corn in western Liaoning[J].Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，2010，27 （5）：615-620.（in Chinese ））endprint

[7]張建平，王春乙，楊曉光，等.未來氣候變化對中國東北三省玉米需水量的影響預測[J].農業(yè)工程學報，2009，25（7）：50-55.（ZHANG Jian-ping，WANG Chun-yi，YANG Xiao-guang，et al.Impact forecast of future climate change on maize water requirement in three provinces of northeast China，2009，25（7）：50-55.（in Chinese ））

[8]王旭明，劉海軍，張睿昊，等.河套灌區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量估算方法研究[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2014，32（3）：95-101.（WANG Xu-ming，LIU Hai-jun，ZHANG Rui-hao，et al.Research on the estimating methods for reference crop evapotranspiration in Hetao irrigation district[J].Agricultural Research In the Arid Areas，2014，32（3）：95-101.（in Chinese ））

[9]趙娜娜，劉鈺，蔡甲冰.夏玉米作物系數(shù)計算與耗水量研究[J].水利學報，2010，41（8）：953-959，969.（ZHAO Na-na，LIU Yu，CAI Jia-bing.Calculation of crop coefficient and water consumption of summer maize[J].Journal of Hydraulic Engineering，2010，41（8）：953-959，969.（in Chinese ））

[10]張雪娜.吉林省農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展與農業(yè)基地布局研究[D].吉林：東北師范大學，2008.（ZHANG Xue-na.Study on agricultural modernization development and agricultural base configuration of Jilin province[D].Jilin：Northeast Normal University，2008.（in Chinese ））

[11]單新蘭，蘇占勝，張智，等.寧夏山區(qū)春季降水對冬小麥生長發(fā)育的影響[J].干旱氣象，2012，30（3）：426-430.（SHAN Xin-lan，SU Zhan-sheng，ZHANG Zhi，et al.Impact of spring precipitation on the growing period and production of winter wheat in Ningxia southern mountain region[J].Journal of Arid Meteorology，2012，30（3）：426-430.（in Chinese ））

[12]郭元裕.農田水利學[M].三版.北京：中國水利水電出版社，1997.（GUO Yuan-tu.Irrigation and Drainage Engineering[M].3 edition.Beijing：China Water & Power Press，1997.（in Chinese ））

[13]楊曉娟，劉園，白薇，等.黑龍江省大豆作物系數(shù)的確定[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2014，32（6）：53-56.（YANG Xiao-juan，LIU Yuan，Bai Wei，et al.Estimation of crop coefficients for soybean in Heilongjiang province[J].Agricultural Research in the Arid Areas，2014，32（6）：53-56.（in Chinese ））

[14]任禾，李月英，韓成偉，等.吉林省玉米增產潛力分析[J].玉米科學，2010，18（6）：148-152.（REN He，LI Yue-ying，HAN Cheng-wei，et al.Analysis on increasing production potential of maize in Jilin province[J].Journal of Maize Sciences，2010，18（6）：148-152.（in Chinese ））

[15]趙宏偉，李秋祝，魏永霞.不同生育時期干旱對大豆主要生理參數(shù)及產量的影響[J].大豆科學，2006，25（3）：329-332.（ZHAO Hong-wei，LI Qiu-zhu，WEI Yong-xia.Effect of drought at different growth stages on main physiological parameters and yield in soybean[J].Soybean Science，2006，25（3）：329-332.（in Chinese ））endprint