甘肅省冬小麥水分盈虧指數(shù)的改進(jìn)及其應(yīng)用*

賈建英, 韓蘭英, 萬 信

(西北區(qū)域氣候中心 蘭州 730020)

干旱是全球影響最廣泛、持續(xù)時間長、損失巨大的自然災(zāi)害[1-2], 而且隨著全球氣候變化, 呈現(xiàn)出干旱區(qū)域不斷增大、干旱損失日漸加劇的趨勢[3-5],如何應(yīng)對和減緩干旱及其影響已成為亟待解決的重大科學(xué)問題[6-8]?？茖W(xué)的評價指標(biāo)和評估方法是減輕干旱災(zāi)害損失與影響的重要途徑, 也是干旱研究的重要環(huán)節(jié)[9-12]。目前, 國內(nèi)外評價干旱采用的判別指標(biāo)大體可分為兩類[8-10]: 一類是基于遙感監(jiān)測技術(shù)[13-15],遙感具有覆蓋范圍廣、空間分辨率高、時效性強等優(yōu)點, 使大區(qū)域、實時動態(tài)的干旱監(jiān)測成為可能, 但在區(qū)分植被種類上還存在一定困難; 另一類是傳統(tǒng)的基于地面氣候數(shù)據(jù)的干旱指數(shù), 應(yīng)用廣泛的如降水距平百分率(Pa)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)[16]、標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)(SPI)[17]、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)[18]等主要針對氣象干旱的指標(biāo), 而針對農(nóng)業(yè)的干旱指數(shù)應(yīng)用較多的是土壤相對濕度指數(shù)[19]、作物水分盈虧指數(shù)[20-23]等。

冬小麥(Triticum aestivum)是甘肅省的主要糧食作物, 分散種植于隴西黃土高原、隴東黃土高原和隴南徽成盆地, 其區(qū)域橫跨半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)。一般上年9月中旬至10月中旬播種, 翌年6月收獲, 生長發(fā)育期間降水量為180～330 mm, 占全年降水的40%～50%, 水分是限制冬小麥生產(chǎn)的最主要因素, 素有“十年九旱”之說; 7、8、9月是麥田休閑期, 而該階段降水占全年降水的50%～60%[24]。黃土高原上覆蓋深厚的黃土層, 厚50～80 m, 100 cm土層儲存水分 250～340 mm, 是天然的“土壤水庫”[25-26], 土壤儲水量在很大程度上決定冬小麥生長發(fā)育及最終產(chǎn)量[27]。研究表明, 8—9月降水與翌年隴東黃土高原冬小麥產(chǎn)量相關(guān)較高, 也有研究表明甘肅冬麥區(qū)底墑對冬小麥產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為38.6%[26-29]。因此, 休閑期土壤儲水對冬小麥整個生育期都有重要作用。當(dāng)自然降水不能滿足冬小麥需水量時, 土壤儲水就如地下水庫不斷輸送水分滿足冬小麥生長所需水分[24]。研究發(fā)現(xiàn), 一個時段干旱的嚴(yán)重程度, 不僅與該時段水分盈虧量有關(guān), 還受前期水分盈虧量影響。若前期降水多, 水分盈余, 后期不易形成干旱, 或使干旱發(fā)生推遲; 反之, 若前期水分虧缺, 則易發(fā)生干旱, 或使旱情加重[20-22]。不同的地理分布、氣候、土壤造成甘肅省冬小麥干旱呈現(xiàn)不同特點: 隴東黃土高原、隴西黃土高原是天然的“土壤水庫”, 為降水資源轉(zhuǎn)化為土壤水分創(chuàng)造了得天獨厚的條件, 但地處半濕潤半干旱區(qū), 降水量在200～600 mm, 且休閑期降水占全年的60%以上, 干旱成為一種常態(tài); 而隴南徽成盆地地處秦巴山區(qū), 降水豐富, 但時空分布不均, 且丘陵坡土蓄水困難,干旱也時常發(fā)生。而目前一些普適性農(nóng)業(yè)干旱評價指標(biāo)對作物底墑的水分利用和土壤儲水能力考慮甚少[19]。

本文利用甘肅省不同氣候區(qū)長期定位冬小麥土壤水分觀測資料、生育狀況和產(chǎn)量要素觀測資料及同期常規(guī)氣象要素資料, 擬將冬小麥播前底墑和黃土儲水能力考慮進(jìn)去, 修訂作物水分盈虧指數(shù), 開展修訂后水分盈虧指數(shù)在研究區(qū)干旱對冬小麥產(chǎn)量影響評估研究, 以期能更客觀、準(zhǔn)確、定量、及時評估干旱對冬小麥生產(chǎn)的影響, 為西北旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

根據(jù)年降水量對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)滿足程度劃分水分氣候區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)[25], 選取甘肅省 3個不同氣候區(qū)冬小麥農(nóng)業(yè)氣象試驗(觀測)站作物觀測地段 1 m土層土壤水分觀測數(shù)據(jù)及冬小麥生育狀況觀測資料。所選測站通渭(農(nóng)業(yè)氣象觀測站, 年降水量 390.6 mm)定為半干旱區(qū), 西峰(農(nóng)業(yè)氣象試驗站, 年降水量 527.2 mm)定為半濕潤區(qū), 成縣(農(nóng)業(yè)氣象觀測站, 年降水量621.4 mm)定為濕潤區(qū)。測定時間通渭為1984年、1985年、1990年、1991年、1993—1996年、1998年、2004年和2010—2012年, 該觀測地段在其他年份改種其他作物; 西峰為 1981—2014年; 成縣為1991—2014年。不同氣候區(qū)冬小麥平均生育期見表1。3站觀測的小麥產(chǎn)量要素包括: 株成穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、小穗數(shù), 其中小穗數(shù)有51個樣本, 其余3要素各有86個樣本。1981—2014年38個冬小麥種植縣氣象資料來源于甘肅省氣象局信息中心, 產(chǎn)量資料和干旱災(zāi)情面積來源于《甘肅農(nóng)村年鑒》。

表1 甘肅省不同氣候區(qū)冬小麥平均生育期Table 1 Average developmental stages of winter wheat in different climate regions of Gansu Province

1.2 產(chǎn)量資料

通常將冬小麥產(chǎn)量(Y)分解為趨勢產(chǎn)量(Yt)和氣象產(chǎn)量(Yw)。氣象產(chǎn)量是受氣象因素影響的短時間尺度偏離時間變化的量, 由于水分是影響甘肅省冬小麥產(chǎn)量波動的最主要因素, 因此氣象產(chǎn)量主要是水分的年際變化導(dǎo)致的[30-31]。采用5 a滑動平均法計算趨勢產(chǎn)量, 從而進(jìn)行氣象產(chǎn)量分離。為減小地域差異造成的產(chǎn)量水平差異, 分析時均采用相對氣象產(chǎn)量(Ywr)[30-31], 即:

1.3 土壤水分資料

土壤水分測定時段為每年3月上旬至11月上旬,每旬逢8日測定(8日、18日、28日)。采用土鉆法在3個農(nóng)業(yè)氣象試驗(觀測)站觀測地段進(jìn)行土壤含水量的測定, 測定深度為100 cm, 每10 cm一層, 每個觀測站測定4個重復(fù)。烘干法測定土壤含水量(%)。參考賈建英等[24]、侯賢清等[32]方法計算儲水量、儲水效率。

1.4 基于土壤水分對冬小麥水分盈虧指數(shù)修訂

位于半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)、濕潤區(qū)的 3個觀測站小麥休閑期1 m土層多年平均儲水量分別為24.4 mm、85.6 mm和71.8 mm, 儲水效率分別為14.2%、32.0%和18.1%(圖1、表2), 且不同降水年型儲水量和儲水效率差別較大[24]。在半干旱區(qū), 冬小麥全生育期基本都處于干旱狀態(tài), 半濕潤區(qū)在拔節(jié)后易發(fā)生干旱, 濕潤區(qū)在冬小麥開花后可能遭受干旱危害[24]。

圖1 甘肅省不同氣候區(qū)1 m土層儲水量多年平均觀測值Fig. 1 Annual average values of 1 m soil water storages in different climate regions of Gansu Province

作物水分盈虧指數(shù)(L)表征作物需水量(W)與降水量(R)之間的盈虧程度, 是一個基于農(nóng)田水分收支原理的旱澇評價指標(biāo)[20-23]。

針對甘肅省黃土高原氣候特征、作物生長季及土壤儲水特點, 計算作物水分盈虧指數(shù), 引入休閑期土壤儲水及前期水分盈虧量, 式(2)可修訂為:

表2 甘肅省不同氣候區(qū)休閑期降水和土壤儲水狀況Table 2 Precipitations and soil water storages in fallow period in different climate regions of Gansu Province

式中:R0為休閑期降水; WSE為休閑期儲水效率, 數(shù)據(jù)見表2;R為播種至某一發(fā)育階段的降水量;W為與R相應(yīng)階段的作物需水量, 用參考作物蒸散量(ET0)和作物系數(shù)(Kc)之積得出, 參考作物蒸散量采用FAO推薦用Penman-Monteith計算。

式中:Rn為地表凈輻射, MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量,MJ·m-2·d-1;Tmean為日平均氣溫, ℃;u2為 2 m 高處風(fēng)速, m·s-1;es為飽和水汽壓, kPa;ea為實際水汽壓,kPa; Δ為飽和水汽壓曲線斜率, kPa·℃-1;γ為干濕表常數(shù), kPa·℃-1。

1.5 基于實際耗水量的冬小麥Kc值的確定

基于水量平衡原理, 作物耗水量(ET)計算公式為[32-33]:

式中: ET為作物耗水量, mm;R2為作物生育期降水量, mm;U為地下水補給量, mm;D為徑流量, mm;F為深層滲漏量, mm; ΔW為計算時段內(nèi)土壤儲水量的變化, mm。在黃土高原地區(qū),F、U、D可以忽略不計[32-33]。據(jù)此, 式(6)可簡化為:

利用式(8)中作物耗水量(ET)和參考作物蒸散量(ET0), 根據(jù)作物生育狀況觀測及災(zāi)情資料, 確定了甘肅省不同氣候區(qū)冬小麥各發(fā)育階段的Kc值(表3)。

1.6 修訂后作物水分盈虧指數(shù)等級的確定

根據(jù) GB/T 32136—2015農(nóng)業(yè)干旱等級標(biāo)準(zhǔn)中農(nóng)田與作物形態(tài)農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)等級, 結(jié)合 3個農(nóng)氣觀測站歷年對作物生長發(fā)育及災(zāi)害的記載及《甘肅農(nóng)村年鑒》中災(zāi)情資料, 并參考不同等級干旱對冬小麥造成的減產(chǎn)幅度和甘肅省實際生產(chǎn)情況[18], 確立了不同等級干旱的水分盈虧指數(shù)的等級(表4)。

表3 甘肅省不同氣候區(qū)冬小麥各發(fā)育階段的作物系數(shù)(Kc)Table 3 Crop coefficients (Kc) of winter wheat in different development stages in different climate regions of Gansu Province

2 結(jié)果與分析

2.1 修訂后作物水分盈虧指數(shù)與土壤儲水量的關(guān)系

從圖2可知, 作物水分盈虧指數(shù)與1 m土層總儲水量呈明顯正相關(guān)(R2=0.652 2), 作物水分盈虧指數(shù)能客觀反映土壤水分狀況。按照作物水分盈虧指數(shù)和1 m土層總儲水量的線性關(guān)系可以估算1 m土層儲水量。在缺少自動土壤水分儀監(jiān)測的地區(qū), 可以作為冬小麥土壤墑情監(jiān)測的一個理論參考。

2.2 干旱對冬小麥產(chǎn)量要素影響評估模型

從冬小麥不同發(fā)育階段水分盈虧指數(shù)與產(chǎn)量要素的相關(guān)關(guān)系可知(表5), 各產(chǎn)量要素與拔節(jié)期或開花期水分盈虧指數(shù)相關(guān)系數(shù)較高, 這兩個階段是冬小麥營養(yǎng)生長和生殖生長的需水關(guān)鍵期, 也是決定生長發(fā)育的關(guān)鍵時段。由于修訂后的作物水分盈虧

表4 甘肅省冬小麥水分盈虧指數(shù)干旱等級劃分Table 4 Drought classification according to revised water budget index of winter wheat in Gansu Province

圖2 冬小麥水分盈虧指數(shù)(L)與1 m土層總儲水量散點圖Fig. 2 Scatter plot of water budget index (L) of winter wheat and soil water storage in 1 m depth

指數(shù)是從上年休閑期至某一發(fā)育階段作物水分盈虧狀況的評估, 該指數(shù)綜合了不同發(fā)育時期冬小麥期的水分收支情況, 開花至成熟期隨著降水的增多,一定程度抵消了前期旱情的影響, 而干旱對冬小麥的影響已經(jīng)不可逆, 所以成熟期冬小麥水分盈虧指數(shù)與產(chǎn)量要素的相關(guān)性減小。因此, 分別選擇拔節(jié)期、開花期冬小麥水分盈虧指數(shù)與產(chǎn)量要素建立線性函數(shù)關(guān)系, 利用株成穗數(shù)86個樣本、穗粒數(shù)86個樣本、千粒重86個樣本、小穗數(shù)51個樣本, 分別建立各產(chǎn)量要素的評估模型(表6), 模型均通過 0.01水平顯著性檢驗。

2.3 干旱引起的冬小麥產(chǎn)量損失評估模型

除濕潤區(qū)(成縣), 開花至成熟期冬小麥不同生育階段水分盈虧指數(shù)與不同氣候區(qū)冬小麥產(chǎn)量損失都表現(xiàn)出較高的相關(guān)性(表7), 且都通過0.05水平信度檢驗, 說明該指數(shù)在評估干旱對作物產(chǎn)量損失方面有較好的應(yīng)用價值。由于濕潤區(qū)在拔節(jié)期以后降水逐漸增多, 對前期旱情的影響有一定的抵消作用,濕潤區(qū)主要參考拔節(jié)期冬小麥水分盈虧指數(shù)。因此,建立了甘肅省不同氣候區(qū)不同生育階段水分盈虧指數(shù)對冬小麥產(chǎn)量損失的評估模型(表7), 其中半濕潤區(qū)各發(fā)育階段均通過0.01水平顯著性檢驗; 半干旱區(qū)在越冬至拔節(jié)期通過 0.05水平顯著性檢驗, 開花和成熟期通過 0.01水平顯著性檢驗; 濕潤區(qū)在拔節(jié)期通過了 0.01水平的顯著性檢驗, 返青期和越冬期通過0.05水平檢驗。

表5 冬小麥不同生育階段水分盈虧指數(shù)與產(chǎn)量要素的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients of water budget indexes in different growth periods and yield components of winter wheat

表6 基于冬小麥拔節(jié)期、開花期水分盈虧指數(shù)(x)的產(chǎn)量要素(y)評估模型Table 6 Yield components (y) assessment models of winter wheat based on water budget indexes (x) in jointing and flowering periods

表7 基于不同生育階段水分盈虧指數(shù)(x)的甘肅省不同氣候區(qū)冬小麥產(chǎn)量損失(y)評估模型Table 7 Yield losses (y) assessment models of winter wheat based on water budget indexes (x) in different growth periods in different climate regions of Gansu Province

2.4 評估模型檢驗

2.4.1 產(chǎn)量要素評估模型回代檢驗

利用甘肅省冬小麥拔節(jié)期和開花期產(chǎn)量要素評估模型分別回代檢驗了干旱對 3個代表站冬小麥產(chǎn)量要素的影響(表8)。模擬結(jié)果與不同氣候區(qū)冬小麥產(chǎn)量要素實測值間均通過 0.01的F檢驗,其中拔節(jié)期模擬產(chǎn)量要素與實測值間平均相對誤差為1.8%～6.0%, 開花期為1.9%～6.8%。從對各產(chǎn)量要素評估效果來看, 小穗數(shù)相對誤差最小, 評估效果最好, 穗粒數(shù)相對誤差最大; 從兩個發(fā)育期的評估效果來看, 拔節(jié)期整體評估效果優(yōu)于開花期。

表8 基于不同生育階段水分盈虧指數(shù)冬小麥產(chǎn)量要素評價模型檢驗結(jié)果Table 8 Test results of yield components assessment models based on water budget indexes in different growth periods of winter wheat

2.4.2 產(chǎn)量損失評估模型檢驗

利用拔節(jié)期、開花期產(chǎn)量損失評估模型評估1981—2014年干旱對38個冬小麥種植縣產(chǎn)量損失,評估結(jié)果與冬小麥實際干旱產(chǎn)量損失的F檢驗結(jié)果顯示, 拔節(jié)期和開花期分別有26個種植縣通過0.05水平F檢驗, 占冬小麥種植縣的68.4%, 且該26個種植縣拔節(jié)期評估值與實測值間平均相對誤差為1.5%～11.7%, 開花期評估值與實測值間平均相對誤差為2.1%～13.3%; 未通過檢驗的冬麥區(qū)位于定西市中西部(隴西、渭源、臨洮)、慶陽市東南部(正寧、寧縣)、平?jīng)鍪袞|部(崆峒、涇川、靈臺)、天水市渭北地區(qū)(秦安、甘谷、武山)及臨夏縣。

3 結(jié)論與討論

1)鄧振鏞等[26-27]研究認(rèn)為土壤儲水量對黃土高原旱塬區(qū)冬小麥產(chǎn)量貢獻(xiàn)非常顯著, 產(chǎn)量年際波動主要受土壤儲水量的影響。賈建英等[24]研究表明黃土高原冬小麥休閑期為主要儲水階段, 返青—開花期為休閑期儲水的主要消耗階段。因此, 本文將休閑期土壤儲水考慮進(jìn)去修訂了作物水分盈虧指數(shù),并確立了不同等級干旱指標(biāo)閾值。修訂后水分盈虧指數(shù)與實測土壤濕度相關(guān)性較高, 能客觀、準(zhǔn)確反映甘肅省冬小麥干旱實況。

2)修訂后水分盈虧指數(shù)與冬小麥產(chǎn)量要素相關(guān)性較高, 特別是在拔節(jié)—開花期更為顯著, 建立的產(chǎn)量要素評估模型均通過 0.01水平顯著性檢驗, 回代檢驗表明產(chǎn)量要素評估模型與實際產(chǎn)量要素有顯著的一致性, 模型基本能準(zhǔn)確評估不同等級干旱對甘肅省冬小麥產(chǎn)量要素的影響, 且拔節(jié)期評估效果整體優(yōu)于開花期。

3)冬小麥不同生育階段水分盈虧指數(shù)與不同氣候區(qū)冬小麥產(chǎn)量損失都表現(xiàn)出較高的相關(guān)性, 建立的產(chǎn)量損失評估模型半濕潤區(qū)越冬—成熟期、半干旱區(qū)開花—成熟期、濕潤區(qū)拔節(jié)期均通過0.01水平顯著性檢驗, 半干旱區(qū)越冬—拔節(jié)期、濕潤區(qū)越冬—返青期通過0.05水平顯著性檢驗。模型驗證結(jié)果表明, 38個種植縣有26個通過0.05水平F檢驗, 基本能準(zhǔn)確評估甘肅省大部分地方干旱對冬小麥產(chǎn)量造成的損失。

姚小英等[34]用降水距平百分率作為干旱指標(biāo)研究表明, 甘肅省冬小麥主產(chǎn)區(qū)干旱以輕旱為主, 中旱次之, 由于降水的脈沖性及時空分布的不均一性與冬小麥生長的持續(xù)性不相匹配, 該研究結(jié)果要比實況輕。而本文將休閑期土壤儲水考慮進(jìn)去修訂了作物水分盈虧指數(shù), 能更客觀、準(zhǔn)確反映甘肅省冬小麥干旱實況。鄧振鏞等[27]研究表明黃土高原旱塬區(qū)冬小麥拔節(jié)期土壤儲水量與氣候產(chǎn)量關(guān)系最密切,返青至拔節(jié)期土壤儲水量是冬小麥需水和供水矛盾最突出的時期, 對產(chǎn)量影響最顯著。這與本文研究結(jié)果一致, 拔節(jié)期為整個評估階段產(chǎn)量要素評估模型效果最好時期; 產(chǎn)量要素和產(chǎn)量損失評估模型檢驗效果均為拔節(jié)期模型優(yōu)于開花期, 開花期隨著降水逐漸增多, 干旱有所緩和, 但對冬小麥造成的損失已不可逆, 說明修訂后水分盈虧指數(shù)在表達(dá)干旱對冬小麥不可逆影響效果不太理想。而產(chǎn)量損失評估模型仍有12個站未通過F檢驗, 且基本是連片分布, 可能是本研究分區(qū)是按氣候類型分為 3類, 并未考慮當(dāng)?shù)氐亩←溕a(chǎn)力水平、抗災(zāi)能力等因素。因此,今后需將干旱緩解過程及對作物影響的不可逆均考慮進(jìn)去進(jìn)一步改進(jìn)水分盈虧指數(shù), 還需將當(dāng)?shù)厣a(chǎn)力水平、抗災(zāi)救災(zāi)等社會因素考慮進(jìn)去, 進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化評估模型。

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