環(huán)海軍+楊再強+劉巖+夏福華+楊昆

摘要： 利用1980—2014年魯中地區(qū)氣象資料和夏玉米生育期資料，采用Penman-Monteith模型和單作物系數(shù)計算夏玉米各生育階段需水量，利用美國農(nóng)業(yè)土壤保持局推薦方法計算有效降水量、水分盈虧系數(shù)（CWSDI）和灌溉需水量，分不同生育期進行時空變化分析探討。結(jié)果表明：近35年來，魯中地區(qū)夏玉米全生育期和各生育期需水量均隨時間變化呈減少趨勢，拔節(jié)—抽雄期是需水量最大的階段，隨時間變化減少幅度最大，全生育期需水量主要空間變化規(guī)律一致，減少強度中心在中北部地區(qū)。全生育期和各生育期有效降水隨時間變化呈增加趨勢，2003年是突變增加的開始年份，全生育期增加強度中心在南部山區(qū)，拔節(jié)—抽雄期增加強度中心在中部平原。全生育期CWSDI隨時間變化呈增加趨勢，拔節(jié)—抽雄期增加幅度最大，自南向北遞減。為滿足夏玉米需水要求，全生育期平均灌溉需水量228 mm，拔節(jié)—抽雄期是灌溉需水量最大的階段，隨時間變化呈減少的趨勢，減少強度中心在中部地區(qū)。研究結(jié)果可為魯中地區(qū)夏玉米干旱監(jiān)測評估、適時灌溉和提高水分利用效率提供數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞： 夏玉米；需水量；有效降水量；水分盈虧系數(shù)；灌溉需水量；時空變化特征

中圖分類號： S513.07 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0342-06

農(nóng)業(yè)旱澇主要由降水異常和作物需水變化引起[1]，近 50年 來，氣溫升高，降水量隨時間變化呈減少趨勢且年際變化較大，干旱有增強的趨勢[2-3]，故研究區(qū)域灌溉需水量的學者越來越多[1-12]。目前針對農(nóng)業(yè)旱澇研究的評估指標主要有2類，一是降水量指標，如降水距平百分率、Z指數(shù)、標注化干旱指數(shù)等；二是反映水分供需變化的指標，包括綜合氣象干旱指數(shù)CI、相對濕潤度指數(shù)、作物水分盈虧指數(shù)等[13-16]。在灌溉需水量的研究方面，國內(nèi)許多學者通過對作物需水量和灌溉需水量進行大量研究，得出不同地區(qū)的農(nóng)作物灌溉量[7-9]；國外不少學者對不同地區(qū)不同作物的灌溉需水量進行了研究[10-13]。目前多數(shù)研究主要針對主要作物全生育期灌溉需水量的時空變化，而對逐個生育階段灌溉需水量的研究較少，本研究對夏玉米全生育期期和逐個生育階段進行時空變化研究，并分析其相關規(guī)律。

魯中地區(qū)地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多數(shù)地區(qū)處在亞濕潤氣候大區(qū)的指標范圍。受季風影響，氣候變化具有明顯的季節(jié)性。冬季盛行偏北風，雨雪稀少，寒冷干燥；春季氣溫回升快，少雨多風，干旱發(fā)生頻繁；夏季高溫高濕，降水集中；秋季降水銳減，秋高氣爽。魯中地區(qū)干旱發(fā)生較為頻繁，目前在魯中地區(qū)夏玉米水分盈虧和灌溉需水量方面的研究較少，因此，本研究分析該區(qū)域夏玉米全生育期和逐個生育階段水分盈虧灌溉需水量的變化規(guī)律，明確夏玉米不同生育階段灌溉需水量，為夏玉米水分管理和區(qū)域種植區(qū)劃提供技術(shù)支撐，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有明確的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 資料來源

1980—2014年逐日氣象資料來源于魯中地區(qū)平原和山區(qū)有代表性的氣象站，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、實際水汽壓、平均風速、平均相對濕度、經(jīng)緯度和作物生育期。降水資料缺測利用附近站點進行線性插補，氣溫資料缺測利用5 d滑動平均進行插補。將夏玉米發(fā)育期分為5個階段：播種—成熟全生育期、播種—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期、抽雄—乳熟期、乳熟—成熟期。考慮多年種植習慣和品種的差異，根據(jù)夏玉米多年發(fā)育期資料，采用生育期日數(shù)的多年平均值代表一般生育期日數(shù)。

1.2 夏玉米農(nóng)田蒸散計算方法

作物需水量采用FAO[18-20]推薦的Penman-Monteith模型和單作物系數(shù)法計算，即：

1.3 夏玉米水分盈虧指數(shù)計算

水分盈虧指數(shù)CWSDI（crop water surplus deficit index）表征了夏玉米各生育期的水分盈虧程度，以生育階段的農(nóng)田蒸散（ET）為需水量，以有效降水量（Pe）為供水指標，即：

CWSDI>0表示該生育階段水分盈余， CWSDI=0表示水分收支平衡，CWSDI<0表示該生育階段水分虧缺，可以較好地表征農(nóng)田濕潤程度和作物旱澇狀況。生育期有效降水量是實際補充到土壤中的凈水量，本研究采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量分析法[15-16，21]，即：

1.5 數(shù)據(jù)處理軟件及方法

氣象數(shù)據(jù)處理及分析采用SPASS 16.0、MATLAB 7.0和VB編程實現(xiàn)，利用Mann-Kendall法和經(jīng)驗正交分解（EOF）法進行突變檢驗和空間分解，空間分布采用ArcGIS 9.2軟件制圖。用一次直線方程斜率的10倍描述參考作物蒸散量及各相關氣候要素變化的氣候傾向率。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏玉米生育期需水量及有效降水量時空變化規(guī)律

2.1.1 夏玉米各生育期需水量和有效降水量時間變化規(guī)律 魯中地區(qū)夏玉米各發(fā)育期需水量和有效降水量見圖1。由圖1-A可知，拔節(jié)-抽雄期是夏玉米需水的高峰期，平原高于山區(qū)，平原為113.9 mm，山區(qū)為110.6 mm，其次是播種—拔節(jié)期。由圖1-B可知，播種—拔節(jié)期是有效降水量最大的階段，山區(qū)多于平原，其他發(fā)育階段有效降水依次遞減。拔節(jié)—抽雄期的有效降水量與需水量匹配不一致，該階段夏玉米需水量增大，而有效降水則處于減少的趨勢。

2.1.2 夏玉米生育期需水量及有效降水量時間變化規(guī)律 魯中地區(qū)夏玉米全生育期以及拔節(jié)至抽雄期需水量時間變化規(guī)律見圖2。由圖2-A、圖2-B可知，平原和山區(qū)夏玉米全生育期需水量均隨時間變化呈減少趨勢，平原地區(qū)氣候傾向率為 -13.1 mm/10年（P<0.01），山區(qū)為-9.7 mm/10年（P<0.05）。平原地區(qū)在2005年發(fā)生1次主要突變，2010年后隨時間變化呈極顯著減少趨勢；山區(qū)在2003年發(fā)生1次突變，2009年后隨時間變化呈極顯著減少趨勢。平原地區(qū)夏玉米全發(fā)育期平均需水量367.0 mm，山區(qū)為359.8 mm。

分析各發(fā)育期需水量，主需水期（拔節(jié)—抽雄）時間變化規(guī)律如圖2-C、圖2-D，其他發(fā)育期分析圖略。由圖2-C、圖2-D可知，平原和山區(qū)拔節(jié)-抽雄需水量均隨時間變化呈減少趨勢，2004年是平原地區(qū)突變減少的年份，2008年后顯著減少；山區(qū)突變減少主要發(fā)生在2000年，2008年后顯著減少。對其他發(fā)育期分析發(fā)現(xiàn)，平原和山區(qū)均處于明顯減少的趨勢，減少幅度依次為拔節(jié)—抽雄期、播種—拔節(jié)期、抽雄—乳熟期、乳熟—成熟期，平原地區(qū)各生育期需水量減少幅度高于山區(qū)。

魯中地區(qū)夏玉米全生育期以及拔節(jié)至抽雄期有效降水量時間變化規(guī)律見圖3。由圖3-A、圖3-B可知，平原和山區(qū)夏玉米全生育期有效降水量均隨時間變化呈增加趨勢，山區(qū)增加幅度高于平原。2003年是平原和山區(qū)夏玉米全生育期有效降水量突變增加的開始年份。

由圖3-C、圖3-D可知，夏玉米最大需水期有效降水量隨時間變化呈現(xiàn)增加趨勢，變化波動較頻繁，1990年是主要突變增加的開始年份。對其他發(fā)育期有效降水量進行分析（圖略）發(fā)現(xiàn)，平原地區(qū)拔節(jié)—抽雄期、抽雄—乳熟期有效降水量處于增加趨勢，播種—拔節(jié)、乳熟—成熟處于減少的趨勢，乳熟—成熟期減少幅度最大。山區(qū)除播種—拔節(jié)期均處于減少的趨勢外，其他發(fā)育期均處于增加的趨勢，抽雄—乳熟期有效降水量增加幅度最大。

2.1.2 夏玉米生育期需水量及有效降水量空間變化規(guī)律 魯中地區(qū)夏玉米全生育期、拔節(jié)—抽雄期需水量和有效降水量的EOF分解第一特征向量見圖4。由圖4-A、圖4-B可知，魯中各地區(qū)夏玉米全生育期需水量、有效降水量主要空間變化規(guī)律一致，第一特征向量貢獻率均為85%，魯中各地區(qū)需水量和有效降水量主要空間變化規(guī)律一致，需水量強度中心在中北部地區(qū)，有效降水量強度中心在南部地區(qū)。第一特征向量的時間系數(shù)變化趨勢（圖略）需水量隨時間變化呈減少趨勢，有效降水隨時間變化呈增加趨勢。全生育期需水量和有效降水量第二特征向量（圖略）貢獻率均為5%，需水量隨時間變化呈現(xiàn)中北部地區(qū)和東部、南部存在空間變化的不一致性，有效降水量隨時間變化呈現(xiàn)平原和山區(qū)存在空間變化的不一致性，時間系數(shù)變化趨勢（圖略）與第一特征向量一致。

由圖4-C、圖4-D可知，魯中各地區(qū)主需水期拔節(jié)—抽雄期的需水量和有效降水量主要空間變化規(guī)律一致，第一特征向量貢獻率分別為84%、81%，需水量強度中心在中部地區(qū)，有效降水量強度中心在中部平原地區(qū)，最小在北部平原，說明北部平原拔節(jié)—抽雄期有效降水量增加趨勢偏小。

2.2 夏玉米生育期水分盈虧系數(shù)時空變化規(guī)律

2.2.1 夏玉米生育期水分盈虧系數(shù)時間變化規(guī)律 作物水分盈虧指數(shù)（CWSDI）反映作物生長對灌溉的依賴程度，CWSDI 越小說明灌溉需水量越大。魯中地區(qū)夏玉米CWSDI在拔節(jié)至抽雄、抽雄至乳熟2個階段最小，平原為-0.7，山區(qū)為-0.6，在乳熟期—成熟期最大，說明在魯中地區(qū)拔節(jié)期—乳熟期是灌溉需水量的主要階段。

圖5為夏玉米全生育期CWSDI時間變化及其突變檢驗。由圖5可知，夏玉米全生育期CWSDI均隨時間變化呈增加趨勢，山區(qū)較平原地區(qū)幅度略大，2003年是突變增加的主要年份，之后一直處于增加的趨勢，說明近10年夏玉米全生育期水分虧缺處于減輕的趨勢。

各發(fā)育期CWSDI時間變化規(guī)律分析（圖略）可知，平原地區(qū)除在乳熟至成熟期CWSDI隨時間變化呈減少趨勢外，在其他發(fā)育期均處于增加趨勢，其中拔節(jié)期至抽雄期降幅最大；山區(qū)在各發(fā)育期CWSDI均處于增加的趨勢，其中拔節(jié)期至乳熟期增加幅度最大，各生育階段增幅均較平原地區(qū)大。

2.2.2 夏玉米生育期水分盈虧系數(shù)空間變化規(guī)律 魯中地區(qū)夏玉米全生育期、拔節(jié)—抽雄期CWSDI的EOF分解第一特征向量見圖6。由圖6可知，魯中各地區(qū)夏玉米全發(fā)育期CWSDI主要空間變化趨勢一致，第一特征向量貢獻率分布為87%、84%。由圖6-A可知，全生育期CWSDI空間變化強度中心為南部山區(qū)，中部平原最小，第一特征向量時間系數(shù)隨時間變化呈增加的趨勢，說明魯中中部地區(qū)全發(fā)育期水分虧缺減輕幅度最小，南部山區(qū)全發(fā)育期水分虧缺減輕幅度最大。

由圖6-B可知，拔節(jié)至抽雄階段，魯中CWSDI各地區(qū)空間變化趨勢一致，強度中心在南部山區(qū)，依次向北遞減。時間系數(shù)變化規(guī)律（圖略）與“2.2.1”節(jié)結(jié)論一致。

2.3 夏玉米生育期灌溉需水量時空變化規(guī)律

2.3.1 夏玉米生育期灌溉需水量時間變化規(guī)律 魯中地區(qū)夏玉米全生育期灌溉需水量及其突變檢驗見圖7。由圖7可知，魯中地區(qū)全生育期灌溉需水量隨時間變化呈減少趨勢，平原地區(qū)35年全生育期平均灌溉需水量241.5 mm，山區(qū)為215.4 mm，2003年是灌溉需水量突變減少的開始年份，山區(qū)在2012年達極顯著減少年份。

對各發(fā)育期進行分析（圖略）發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)至抽雄期是灌溉需水量最大的階段，平原為81.3 mm，山區(qū)為72.5 mm，乳熟—拔節(jié)期是灌溉需水量最小的階段。平原和山區(qū)在各生育階段灌溉需水量均隨時間變化呈減少的趨勢，其中拔節(jié)至抽雄期減少幅度最大，說明魯中地區(qū)夏玉米各發(fā)育期灌溉需水量逐漸減少，有利于夏玉米高產(chǎn)量的形成。

2.3.2 夏玉米生育期灌溉需水量空間變化規(guī)律 夏玉米全生育期、拔節(jié)—抽雄期灌溉需水量的EOF分解第一特征向量見圖8。由圖8可知，魯中各地區(qū)全生育期灌溉需水量主要空間變化規(guī)律一致，第一特征向量貢獻率分別為89%、85%。由圖8-A可知，全生育期灌溉需水量空間變化強度中心在魯中西部地區(qū)，東部地區(qū)最少，時間系數(shù)趨勢隨時間變化呈減少趨勢（圖略），與“2.3.1”節(jié)分析一致。由8-B可知，拔節(jié)—抽雄期灌溉需水量空間變化強度中心在中部地區(qū)，北部平原最小，時間系數(shù)趨勢隨時間變化呈減少趨勢（圖略）。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）魯中地區(qū)全生育期平均有效降水量占需水量的371%，不能滿足作物的生長需求。拔節(jié)至抽雄期是需水量最多的階段。全生育期需水量隨時間變化呈減少趨勢，氣候傾向率平原為-13.1 mm/10年，山區(qū)為-9.7 mm/10年，各生育期階段需水量均隨時間變化呈減少趨勢，其中，拔節(jié)—抽雄期減少幅度最大，2008年后顯著減少。全生育期需水量主要空間變化規(guī)律一致，強度中心在中北部地區(qū)，但在第二特征向量上中北部地區(qū)和東部、南部地區(qū)存在空間變化不一致性。主需水期拔節(jié)—抽雄期的需水量隨時間變化呈減少趨勢，減少中心在中部平原。

（2）魯中地區(qū)近35年來，夏玉米全生育階段有效降水量隨時間變化呈增加趨勢，2003年是突變增加的開始年份，播種至拔節(jié)期是有效降水量最多的階段。主需水期拔節(jié)—抽雄期階段有效降水量隨時間變化呈增加趨勢。各地各生育階段

主要空間變化規(guī)律一致，全生育期強度中心在南部山區(qū)，拔節(jié)—抽雄期強度中心在中部平原。

（3）魯中地區(qū)夏玉米CWSDI在拔節(jié)至抽雄、抽雄至乳熟2個階段最小，平原為-0.7，山區(qū)為-0.6，全生育期CWSDI隨時間變化呈增加趨勢，說明魯中地區(qū)夏玉米生育期水分虧缺有減輕的趨勢。各發(fā)育階段CWSDI主要空間分布規(guī)律一致，強度中心在南部地區(qū)。準確掌握各發(fā)育期的水分盈虧時空變化，為灌溉和干旱評估提供基礎。

（4）魯中地區(qū)全生育期灌溉需水量隨時間變化呈減少趨勢，平原地區(qū)35年全生育期平均灌溉需水量241.5 mm，山區(qū)為215.4 mm，2003年是灌溉需水量突變減少的開始年份。拔節(jié)至抽雄期是灌溉需水量最大的階段，各生育階段灌溉需水量均隨時間變化呈減少的趨勢，其中，拔節(jié)至抽雄期減少幅度最大。各生育期灌溉需水量主要空間變化規(guī)律一致，全生育期灌溉需水量空間變化強度中心在魯中西部地區(qū)，拔節(jié)—抽雄期強度中心在中部地區(qū)。結(jié)合各發(fā)育階段的灌溉需水量的時空變化，因地制宜地在關鍵發(fā)育階段進行灌溉，對提高產(chǎn)量十分關鍵。

3.2 討論

本研究采用有效降水量消除了無效降水引起的誤差，對作物生育階段水分虧缺的計算比較精確。全生育期灌溉需水量的研究與劉鈺等的研究[6]基本相符，但本研粉在分析灌溉需水量時未考慮底墑的水分基礎，將在以后研究中進行完善。

在全球氣候變暖的大趨勢下，確定夏玉米各生育階段的水分變化和灌溉需水量尤為重要。實際生產(chǎn)中可依據(jù)本研究的結(jié)果對夏玉米進行灌溉，合理安排灌溉時間，節(jié)約水資源，提高夏玉米產(chǎn)量。

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