柳州市甘蔗生長季內(nèi)水分供求情況分析

黃維 李家文 吳炫柯 劉永裕 劉梅 唐國敏

摘要：利用柳州市8個氣象站1961—2014年的氣象資料，在考慮甘蔗作物系數(shù)的基礎(chǔ)上采用彭曼公式計算甘蔗需水量，結(jié)合生長季內(nèi)的降水情況，分析柳州市甘蔗水分的供求情況。結(jié)果表明，甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余，水分虧缺情況主要發(fā)生在伸長期后期和成熟期，其中以伸長期后期最為顯著;柳州市甘蔗生長季內(nèi)降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，南部降水偏少而甘蔗需水量較大，是水分虧缺的主要地區(qū)，干旱風(fēng)險最大，可為有關(guān)部門制定甘蔗的防旱減災(zāi)對策時提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生育階段;降水量;甘蔗需水量;干旱;柳州市

中圖分類號：S566.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）02-0088-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.020? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

廣西是中國甘蔗最大生產(chǎn)適宜區(qū)之一，年種植面積4.5×105～5.2×105 hm2，產(chǎn)糖量約占全國食糖總量的40%。經(jīng)過多年的發(fā)展，制糖產(chǎn)業(yè)已成為廣西經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)。但廣西90%以上的甘蔗種植在無灌溉條件的旱地上，甘蔗的水分主要來源于降水[1]。廣西是中國年降水量最豐富的省份之一，但因地處東亞季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，降水時空分布不均，季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生[2]。如果甘蔗遭遇春旱，會影響冬春甘蔗出苗，減少有效莖數(shù)，抑制苗期生長[3，4];而秋季甘蔗正處于糖分積累的莖伸長后期，如遭受干旱災(zāi)害，光合作用強度降低，呼吸作用加強，糖分含量降低，膠質(zhì)比例增大，出糖率和回收率就會下降，影響甘蔗的伸長，甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)都將會大幅度下降[2，5]。

目前，關(guān)于廣西甘蔗干旱的研究已有報道，遙感、指標指數(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計方法構(gòu)建的甘蔗干旱風(fēng)險評估模型也被廣泛地應(yīng)用于甘蔗干旱評估中。匡昭敏等[6]以干旱指數(shù)遙感監(jiān)測模型為工具，對甘蔗干旱進行精細動態(tài)監(jiān)測，應(yīng)用效果較好;陸耀凡等[7]以甘蔗水分盈虧指數(shù)為指標，指出近40年廣西右江河谷甘蔗的水分盈虧指數(shù)呈下降的變化趨勢;莫建飛等[8]以甘蔗干旱災(zāi)害指數(shù)為指標，構(gòu)建了廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱等級災(zāi)害空間分布模型，并得出甘蔗干旱災(zāi)害等級在水平分布上由北向南、由東向西逐漸遞增的結(jié)論;盧小鳳等[9]結(jié)合甘蔗需水量的特點，發(fā)現(xiàn)中度和重度干旱的高發(fā)區(qū)主要位于桂中和桂東北甘蔗區(qū)，且20世紀90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強度總體呈增加和加重趨勢。以上學(xué)者采用不同方法研究甘蔗干旱，為甘蔗防旱避災(zāi)工作提供了科學(xué)依據(jù)。

柳州市處于桂中甘蔗區(qū)，是廣西甘蔗的主產(chǎn)區(qū)之一。由于受熱帶海洋氣團和極地大陸氣團的交替控制，柳州市冬冷夏熱，雨熱同季，受降水空間分布不均和灌溉條件的限制，干旱災(zāi)害成為制約該市甘蔗生產(chǎn)發(fā)展的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。目前，關(guān)于柳州地區(qū)的干旱研究多數(shù)基于降水資料[10，11]，缺乏對作物需水量的考慮，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)效果缺乏針對性。因此，本研究結(jié)合甘蔗作物系數(shù)，利用彭曼公式計算甘蔗作物需水量，分析柳州市甘蔗在不同生育階段需水量和降水量的時空分布特征以及供求關(guān)系，旨在為柳州市甘蔗的生產(chǎn)發(fā)展和合理布局提供科學(xué)參考。

1? 數(shù)據(jù)與方法

1.1? 研究區(qū)概況

柳州市地處桂中北部，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，由于受季風(fēng)環(huán)流影響，夏半年盛行偏南風(fēng)，高溫、高濕、多雨，冬半年盛行偏北風(fēng)，寒冷、干燥、少雨。夏長冬短、雨熱同季，光、溫、水氣候資源豐富，但地區(qū)差異較大，北部各縣具有較明顯的山地氣候特征。柳州市共有8個國家氣象觀測站。

1.2? 數(shù)據(jù)來源

從柳州市氣象局獲取柳江、鹿寨、柳州、沙塘、柳城、融安、融水和三江共8個氣象站1961—2014年逐日氣象資料，包括平均溫度、最高溫度、最低溫度、相對濕度、降水量、風(fēng)速、水氣壓等;甘蔗發(fā)育期資料主要來源于柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站;地理輔助數(shù)據(jù)主要包括柳州市矢量邊界。

1.3? 研究方法

1）生育期劃分。將甘蔗生育期劃分為4個主要生育階段，即幼苗期、分蘗期、伸長期、成熟期。根據(jù)柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站2003—2013年甘蔗生育期觀測資料，并參考文獻[12]，綜合得出甘蔗整個生長季平均需要24旬，本研究以3月下旬作為甘蔗生長季的第一旬，11月上旬作為甘蔗生長季的最后一旬，并將各旬劃入對應(yīng)的生育階段內(nèi)，如表1所示。

2）甘蔗需水量計算。甘蔗需水量由公式（1）計算而得，其表達式如下：

式中，ETc為甘蔗需水量（mm）;Kc為甘蔗作物系數(shù);ETo為參考作物蒸發(fā)量（mm）。ETo由彭曼公式計算而得，其計算方法如下：

式中，ETo為作物參考蒸散量（mm/d）;Δ為飽和水氣壓曲線斜率（kPa/℃）;Rn為地表凈輻射

[MJ/（m·d）];G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）];γ為干濕表常數(shù)（kPa/℃）;Tmean為日平均氣溫（℃）;u2為2 m高處風(fēng)速（m/s）;es為飽和水氣壓（kPa）;ea為實際水氣壓（kPa）。

甘蔗作物系數(shù)是計算甘蔗需水量的重要參數(shù)，它反映了甘蔗本身的生物學(xué)特性、產(chǎn)量水平以及土壤耕作條件對作物需水量的影響[13]，為了得到甘蔗生長季內(nèi)每旬作物系數(shù)，參考文獻[12]，并結(jié)合南寧市氣象站對應(yīng)時段的氣象資料，利用實測甘蔗需水量（ETc）與參考作物蒸發(fā)量（ETo）的比率計算生長季內(nèi)各旬甘蔗需水量的作物系數(shù)，即：

Kc計算結(jié)果。Kc范圍在0.6～2.8，在伸長期時Kc較高，處于1.0～2.8，在幼苗期和成熟期Kc較低，都在1.0以下。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 甘蔗需水量與降水量的時間變化

柳州市甘蔗1961—2014年各旬平均需水量和降水量隨時間的變化。甘蔗需水量隨時間的延長呈先增后減的變化趨勢，需水量在幼苗期變化較為平緩，并維持在20 mm以下，在分蘗期迅速增加，分蘗末期接近100 mm，伸長期需水量又下降，在第12旬時才開始上升，第13旬時達到需水量的第二個峰值點，為96 mm，此后開始快速下降，該趨勢一直延續(xù)到成熟期。在幼苗期和分蘗期，降水量遠高于甘蔗需水量，因此，在這兩個生育階段甘蔗干旱風(fēng)險較小，而在伸長期和成熟期，甘蔗需水量和降水量曲線存在多個交點。從總水量來看，甘蔗在伸長期和成熟期總需水量分別為677、87 mm，而對應(yīng)的總降水量分別為590、99 mm。甘蔗在伸長期時處于水分虧缺狀態(tài)，而在成熟期降水量基本滿足甘蔗需水量，因此，甘蔗在伸長期最易遭受干旱威脅。甘蔗的伸長期一般從6月下旬開始，10月上旬結(jié)束，6、7、8月降水量豐富，而到9、10月降水開始減少，因此，甘蔗干旱主要發(fā)生在伸長期后期。

2.2? 甘蔗生長季內(nèi)降水量的空間分布

甘蔗各生育階段1961—2014年平均降水量的空間分布。研究區(qū)在幼苗期的降水量處于225～342 mm，平均降水量為274 mm，空間差異明顯，從西南向東北遞增，柳江區(qū)、柳城縣降水量相對較少，降水量高值區(qū)集中在融安縣境內(nèi);在分蘗期降水量處于306～460 mm，平均降水量為307 mm，空間差異明顯，總體表現(xiàn)為北多南少，柳城站降水量相對較少，為307 mm，降水量高值區(qū)集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，其中融安站降水量最多，達459 mm;在伸長期降水量處于528～708 mm，平均降水量為589 mm，空間差異明顯，總體表現(xiàn)為北多南少，柳城站降水量仍最少，為528 mm，降水量高值區(qū)仍集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，但高值中心較幼苗期和分蘗期向西偏移，其中融水站降水量最多，達699 mm;在成熟期降水量處于90～124 mm，平均降水量為101 mm，是降水量最少的生育階段，空間分布與前三個生育階段基本一致，柳城站降水量仍最少，為90 mm，降水高值區(qū)仍集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，其中融安站降水量最多，達124 mm。

2.3? 甘蔗生長季內(nèi)需水量的空間分布

甘蔗各生育階段1961—2014年平均需水量的空間分布。研究區(qū)甘蔗在幼苗期需水量處于80～91 mm，表現(xiàn)為南多北少的空間格局，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量都在90～91 mm，三江縣甘蔗需水量最少，在80～81 mm;在分蘗期需水量處于185～222 mm，空間差異明顯，但空間變化趨勢與幼苗期基本一致，都為南多北少，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量都在215～222 mm，三江縣甘蔗需水量最少，在185～191 mm;在伸長期需水量處于619～727 mm，空間差異明顯，整體表現(xiàn)為南多北少，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量最大，在697～727 mm，三江縣甘蔗需水量仍最少，在619～636 mm，南北需水量差異最大達108 mm;在成熟期需水量處于69～102 mm，空間差異明顯，南多北少，鹿寨縣大部分區(qū)域需水量較大，在99～102 mm，三江縣甘蔗需水量仍最少，在69～74 mm。

2.4? 甘蔗生長季內(nèi)降水量與需水量差的空間分布

1961—2014年甘蔗生長季內(nèi)降水量與需水量差的空間分布。在幼苗期和分蘗期研究區(qū)降水量都遠高于甘蔗需水量，因此發(fā)生甘蔗干旱災(zāi)害的概率較低，而在伸長期和成熟期研究區(qū)南部有較大區(qū)域都處于水分虧缺狀態(tài)，是甘蔗干旱發(fā)生的重點時期。從伸長期降水量與甘蔗需水量差的空間分布可知，僅融水縣和融安縣小部分區(qū)域降水量能滿足甘蔗需水量需求，其他地區(qū)表現(xiàn)為不同程度的水分虧缺狀況，研究區(qū)南部表現(xiàn)得最為明顯，水分虧缺最嚴重的地區(qū)主要集中在柳州市區(qū)、鹿寨縣南部和柳城縣中部，虧缺量在132.3～192.7 mm。從成熟期降水量與甘蔗需水量差的空間分布可知，鹿寨縣、柳江區(qū)中部處于水分虧缺狀態(tài)，但虧缺量不大，在10.1 mm以下，研究區(qū)其他區(qū)域都能滿足甘蔗需水量，三江縣、融安縣北部和融水縣西部盈余量在26.6～41.7 mm，其他地區(qū)盈余量較低。

2.5? 甘蔗需水量的年際變化

1961—2014年甘蔗在不同生育階段需水量的年際變化。幼苗期時甘蔗需水量范圍在65.7～102.4 mm，年均需水量為85.9 mm，年際波動性較大，甘蔗需水量在1961—1991年時緩慢微下降趨勢，之后開始上升，呈一個開口朝下的拋物線;分蘗期甘蔗需水量范圍在162.1～282.8 mm，年均需水量為206.1 mm，相比而言，1961—1971年甘蔗需水量偏多，并于1964年左右時達到最高，之后開始遞減，1977年后變化趨于平緩;伸長期甘蔗需水量范圍在547.4～777.9 mm，年均需水量為677.2 mm，波動性較大，變化趨勢大致可從兩個階段進行分析，即1961—1981年和1982—2009年，以上兩個階段都表現(xiàn)出先減后增的變化趨勢，1961—1981年階段，1970年附近時需水量達到最低，而1982—2009年階段，1998年附近時需水量達到最低;成熟期甘蔗需水量范圍在63.0～131.8 mm，年均需水量為87.7 mm，雖然需水量在該生育階段波動性較大，但未表現(xiàn)出明顯的變化。

2.6? 甘蔗降水量與需水量差的年際變化

1961—2014年甘蔗在不同生育階段降水量與需水量差的年際變化。幼苗期降水量與甘蔗需水量之差在15～389 mm，都處于水分盈余狀態(tài)，并于1996年時水分盈余量達到最高，為389 mm;分蘗期降水量與甘蔗需水量之差在 -193～528 mm，大部分年份都處于水分盈余狀態(tài)，水分虧缺年份僅有5年，即1963、1964、1970、1988、1996年，占所有研究年份的9.3%，但1964、1970和1966年水分虧缺量相對較低;伸長期降水量與甘蔗需水量之差在-427～430 mm，水分虧缺年份居多，占所有研究年份的66.7%，虧缺年份的水分/虧缺平均量為213 mm，其中，1985年水分虧缺量最大，達427 mm;成熟期降水量與需水量之差在-120～164 mm，水分虧缺年份仍居多，占所有研究年份的53.7%，虧缺年份的水分虧缺平均量為42 mm，其中，1974年水分虧缺量最大，達120 mm。

3? 討論

根據(jù)盧小鳳等[9]研究，甘蔗在柳州縣、來賓市等地發(fā)生中度干旱和重度干旱的概率較高，且集中在9月到10月。本研究得出，柳州市甘蔗水分虧缺地區(qū)主要集中在柳州市南部，以伸長期后期最為嚴重，這與盧小鳳[9]等的研究基本一致。通過對柳州市甘蔗生長季內(nèi)降水量和需水量分析可知，研究區(qū)降水呈現(xiàn)出明顯的空間差異，南少北多，降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，而柳州市南部氣溫高于北部，導(dǎo)致蒸發(fā)量較大，甘蔗需水量卻呈現(xiàn)出明顯的南多北少的空間格局，與降水量的空間分布剛好相反，這是導(dǎo)致柳州市南部甘蔗水分虧缺的主要原因。此外，本研究得出，研究區(qū)甘蔗在幼苗期和分蘗期基本都處于水分盈余狀態(tài)，與莫建飛等[8]關(guān)于廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱研究差異較大，這可能與選取的研究方法和研究區(qū)大小有較大的關(guān)系。隨著全球變暖的進一步加劇，降水時空分布發(fā)生了巨大的變化，盧小鳳等[9]研究指出，在氣候變化背景下，20世紀90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強度總體呈增加和加重趨勢，一些年份秋季干旱日數(shù)增加，本研究通過對甘蔗伸長期水分供求情況的年際分析可知，甘蔗水分虧缺狀況主要集中在1976—1991和2000—2014年這兩個時間段，但未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。

本研究借鑒前人研究結(jié)果，得出一套甘蔗作物系數(shù)，但該參數(shù)仍需進一步本地化，以增強其在研究中的準確性和代表性。關(guān)于甘蔗干旱的計算方法很多，本研究僅從降水量與需水量之差的角度來分析甘蔗在不同生育階段的水分盈余狀態(tài)，口徑較粗，因此，在今后的研究中應(yīng)采用多種方法進行分析，在時間尺度上細分到旬，并充分考慮水分前期的累積效應(yīng)，從而得到更加精確和準確的甘蔗水分盈余情況。

4? 結(jié)論

本研究以彭曼公式為工具，結(jié)合甘蔗作物系數(shù)計算出柳州市甘蔗需水量，并分析其生長季內(nèi)的水分供求情況。研究區(qū)甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余，水分虧缺情況主要發(fā)生在伸長期后期和成熟期，其中以伸長期后期最為顯著。柳州市甘蔗生長季內(nèi)降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，南部降水偏少且甘蔗需水量較大，是水分虧缺的主要地區(qū)，干旱風(fēng)險最高。研究結(jié)果可為有關(guān)部門合理安排種植布局、制定科學(xué)灌溉用水調(diào)配計劃提供科學(xué)參考。

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