1967—2017年甘肅省玉米需水量與缺水量時(shí)空分布特征

張 華,王 浩,徐存剛

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070

農(nóng)業(yè)作為國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),直接影響國家安全,水資源則是影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[1]。甘肅省地處干旱區(qū),水資源短缺成為限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要因子[2]。玉米是甘肅省主要的糧食作物,2017年甘肅省玉米播種面積達(dá)到1.04×104km2,占全省農(nóng)作物播種面積的27.84%[3],較大的玉米播種面積加劇了甘肅省水資源短缺,因此精確量化玉米需水量和缺水量對農(nóng)業(yè)水資源分配和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義[4]。

目前,我國農(nóng)業(yè)灌溉用水占全國總用水量的70%以上,農(nóng)業(yè)用水量大且利用效率低成為阻礙我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的原因之一[5]。如何確定農(nóng)作物生長階段的需水量與缺水量成為提高農(nóng)業(yè)用水效率、節(jié)約水資源的首要問題。作物需水量是指生長在大面積上的無病蟲害作物,水分和肥力適宜時(shí),在給定的環(huán)境中能取得高產(chǎn)潛力的條件下為滿足植株蒸騰和棵間蒸發(fā)所需要的水量[6]。研究作物需水量與缺水量時(shí)空特征是確定作物灌溉制度的前提條件,是農(nóng)業(yè)灌溉工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù),更是保證農(nóng)作物健康生長和水資源合理利用的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外學(xué)者對農(nóng)作物需水量做了較多研究。第一種是直接計(jì)算需水量的方法,主要包括蒸發(fā)皿法(α值法)、產(chǎn)量法和多因素法等,這些方法誤差較大且不能計(jì)算各階段作物需水量[6]。第二種是通過參考作物需水量計(jì)算作物實(shí)際需水量的方法,主要包括布萊尼-克雷多公式、水汽擴(kuò)散法公式、波比文-能量平衡法和Penman-Monteith公式法等[7-10],其中Penman-Monteith公式法作為聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO,Food and Agriculture Organization of the United Nations)推薦的方法,考慮了影響蒸散的大氣物理特性和植物生理機(jī)制,具有很好的物理基礎(chǔ),被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用[11- 12]。第三種是運(yùn)用遙感方法測定作物需水量[13],但是目前還處于探索階段,精度還未能達(dá)到實(shí)際要求[14]。眾多學(xué)者主要對農(nóng)作物需水量進(jìn)行了較多的研究[15- 24],而農(nóng)作物缺水量方面的研究并不多見,因此本文基于1967—2017年甘肅省28個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù),首先計(jì)算甘肅省28個(gè)氣象站點(diǎn)玉米的全生育期需水量和各階段需水量,再根據(jù)全生育期有效降水量獲得缺水量,最后對甘肅省玉米需水量與缺水量進(jìn)行時(shí)空分析,以期為甘肅省農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)水資源合理分配提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

甘肅省地處黃河中上游,地理范圍在32°31′—42°57′N和92°13′—108°46′E之間。位于黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原交匯地帶,東西長1655 km,南北寬530 km,總面積 45.37×104km2[25],大致可以分為河西地區(qū)、隴中地區(qū)、隴東地區(qū)、隴南地區(qū)和甘南地區(qū)(圖1)[26]。2017年,河西、隴中、隴東、隴南和甘南地區(qū)玉米種植面積分別達(dá)到3010.4、2368.6、2751.0、1546.9 km2和739.2 km2[3]；河西、隴中、隴東、隴南和甘南地區(qū)農(nóng)田灌溉用水量分別為5.93×109、1.50×109、1.97×108、2.66×108m3和3.17×108m3,總體上河西地區(qū)農(nóng)業(yè)用水以灌溉為主,其他地區(qū)以降水補(bǔ)給為主[27]。根據(jù)甘肅1967—2017年28個(gè)氣象站點(diǎn)資料顯示,河西、隴中、隴東、隴南和甘南地區(qū)51年平均降水量分別為119.25、348.22、441.47、446.53 mm和457.03 mm。省內(nèi)年平均氣溫在0—16℃之間,年降水量在36.6—734.9 mm之間,大致從東南向西北遞減,烏鞘嶺以西降水明顯減少,屬于溫帶大陸性氣候[28]。省內(nèi)植被類型豐富多樣,自東南向西北依次為森林、草原和荒漠的水平分布類型,高海拔地區(qū),植被的垂直地帶性規(guī)律顯著[29]。甘肅省土壤類型豐富,主要以黃綿土為主,同時(shí)具有典型的垂直分布特征[30]。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)發(fā)布的甘肅省28個(gè)地面氣象觀測站1967—2017年逐日氣象數(shù)據(jù),氣象要素包括平均氣溫(℃)、最低和最高氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)、平均相對濕度(%)、平均風(fēng)速(m/s)和降水量(mm)。

2.2 研究方法

2.2.1玉米需水量

玉米需水量采用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的作物系數(shù)法計(jì)算[11],公式如下：

ETC=KC×ET0

(1)

式中,ETC為作物需水量(mm/d)；ET0為某一生長階段參考作物蒸散量(mm)；KC為作物系數(shù)。

參考作物蒸散量(ET0)采用1998年FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算[11],公式如下：

(2)

式中,Δ為飽和水氣壓曲線的斜率；Rn為作物表面上的凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；u2為2m高處的風(fēng)速(m/s)；es為飽和水氣壓(kPa),ea為實(shí)際水氣壓(kPa)。

作物系數(shù)(KC)采用FAO推薦的分段單值平均法計(jì)算[11,31]。作物系數(shù)(KC)受到作物高度和葉面積、作物對地面覆蓋程度和氣候等因素的影響。作物的不同的生長階段,作物需水量不同。因此FAO將作物生育期劃分為四個(gè)不同的生長階段：生長初期(作物播種到作物對地表的覆蓋率達(dá)到 10%為止,該階段的作物系數(shù)為Kcini)、生長發(fā)育期 (作物對地表的覆蓋率約10%到完全覆蓋為止,該階段的作物系數(shù)從Kcini上升到Kcmid)、生長中期 (作物對地表完全覆蓋到開始成熟為止,該階段作物系數(shù)為Kcmid)和生長末期(作物開始成熟到收獲或完全成熟為止,該階段作物系數(shù)從Kcmid下降到Kcend)[11]。相關(guān)資料顯示[32],甘肅省玉米在4月10日前后播種,在9月25日前后收獲,全生育期達(dá)到169 d。其中生長初期、生長發(fā)育期、生長中期和生長末期分別為57、56、25、31 d。本研究根據(jù)甘肅省28個(gè)氣象站點(diǎn)的氣候數(shù)據(jù)運(yùn)用分段單值平均法,得到甘肅省28個(gè)站點(diǎn)的玉米作物系數(shù)(表1)。

表1 甘肅省各站點(diǎn)玉米不同生長階段作物系數(shù)

2.2.2玉米缺水量

玉米缺水量等于玉米生育期的需水量與同時(shí)期的有效降水量之差[33],計(jì)算公式如下：

(3)

式中,W為玉米生育期總?cè)彼?mm)；n為玉米生育期日數(shù)(d)；ETc為作物需水量(mm/d)；Pe為有效降水量(mm/d),即降水量中主要提供給作物蒸騰的水量[34]。

有效降水量(Pe)采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局(SCS,Soil Conservation Service)推薦的方法[34- 35],其公式如下：

(4)

式中,Pe為有效降水量(mm/d),P為實(shí)際降水量(mm/d)。

2.2.3線性傾向估計(jì)

將玉米生育期降水量、有效降水量、需水量和缺水量(y)的長期變化趨勢采用線性回歸方程分析,其公式為：

y=at+b

(5)

式中,t為年份序號(hào)(t=1,2,…,n)；b為常數(shù)；a為回歸系數(shù),也稱為傾向值,其中若a>0,則說明隨著時(shí)間t的增加y呈上升趨勢,若a<0,則說明隨著時(shí)間t的增加y呈下降趨勢[36]。

2.2.4Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法[37],本研究借助MATLAB軟件對甘肅省玉米全生育期的降水量、有效降水量、需水量和缺水量進(jìn)行檢驗(yàn)。得到正序曲線UF與逆序曲線UB,當(dāng)UF或UB值大于0時(shí),表明序列呈上升趨勢,相反,表明序列呈下降趨勢。當(dāng)他們超過顯著性水平線時(shí),則表明上升或下降趨勢顯著,當(dāng)UF與UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)時(shí),且交點(diǎn)在顯著性水平線之間,則表示該時(shí)刻為突變開始時(shí)刻。若交點(diǎn)位于顯著性水平線之外,或者存在多個(gè)明顯交點(diǎn),則不能確定是否為突變點(diǎn)。若不能確定是否為突變點(diǎn),再用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法(子序列最小取值為5年,顯著性水平為α=0.01)對可能存在的突變點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證[36]。

2.2.5空間插值

將得到的玉米全生育期內(nèi)和各生長階段的降水量、有效降水量、需水量和缺水量數(shù)據(jù),運(yùn)用ArcGIS 10.2中的反距離權(quán)重插值方法(IDW,Inverse Distance Weighted)進(jìn)行空間插值,得到相應(yīng)的空間分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間變化

3.1.1玉米全生育期需水量與缺水量年際變化

圖2 甘肅省玉米全生育期降水量、有效降水量、需水量和缺水量年際變化Fig.2 Interannual variation of precipitation, effective precipitation, water requirment and water deficit during the whole growth period of maize in Gansu Province

根據(jù)28個(gè)氣象站點(diǎn)降水量和有效降水量得到甘肅省玉米全生育期的降水量和有效降水量。1967—2017年,甘肅省玉米全生育期內(nèi)的降水量在105.73—294.80 mm之間,平均值為210.43 mm,最小年份為2009年,最大年份為1967年；有效降水量在80.17—144.22 mm之間,平均值為113.21 mm,最小年份為2009年,最大年份為1967年(圖2)。降水量和有效降水量整體上呈現(xiàn)下降趨勢,兩者都通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)(表2)。將玉米全生育期的降水量和有效降水量進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn),結(jié)果表明1967—2017年降水量整體呈現(xiàn)下降趨勢；在2000年后,降水量與有效降水量出現(xiàn)明顯的下降趨勢；其中兩者的UF與UB曲線在1990年都出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)存在于顯著性水平線之間,表明玉米全生育期的降水量和有效降水量下降是突變現(xiàn)象,突變開始的時(shí)間為1990年(圖3)。

根據(jù)28個(gè)氣象站點(diǎn)需水量和缺水量得到甘肅省玉米全生育期的需水量和缺水量。1967—2017年,甘肅省玉米全生育期的需水量在499.99—590.34 mm之間,平均值為545.95 mm,最小年份為1993年,最大年份為1974年；缺水量在355.64—472.68 mm之間,平均值為421.00 mm,最小年份為1979年,最大年份為1972年(圖2)。需水量與缺水量整體上處于上升趨勢,但未通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),屬于正常波動(dòng)(表 2)。將玉米全生育期的需水量和缺水量進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn),結(jié)果表明1967—1978年玉米需水量處于上升趨勢,1978—2014年處于下降趨勢；UF與UB曲線存在4個(gè)交點(diǎn),交點(diǎn)位于1968年、1971年、1974年和2015年,再經(jīng)過滑動(dòng)t檢驗(yàn),最終確定1974年為突變點(diǎn),這表明1974年是玉米需水量由上升到下降的突變點(diǎn)(圖3)。

圖3 甘肅省玉米全生育期降水量、有效降水量、需水量和缺水量的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall test of precipitation, effective precipitation, water requirement and water deficit during the whole growth period of maize in Gansu Province

3.1.2玉米各生長階段需水量與缺水量年際變化

1967—2017年,甘肅省玉米生長初期降水量在19.92—100.04 mm之間,平均值為48.78 mm；有效降水量在15.14—49.31 mm之間,平均值為28.64 mm；需水量在81.34—101.01 mm之間,平均值為61.85 mm；缺水量在32.02—81.94 mm之間,平均值為61.85 mm(圖4)。降水量與有效降水量均呈下降趨勢,但未能通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),變化趨勢不明顯；需水量與缺水量呈上升趨勢,但未能通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),變化趨勢亦不明顯(表2)。

1967—2017年,甘肅省玉米生長發(fā)育期降水量在31.43—170.03 mm之間,平均值為85.08 mm；有效降水量在23.95—75.02 mm之間,平均值為43.77 mm；需水量在196.86—250.40 mm之間,平均值為224.47 mm；缺水量在127.13—215.90 mm之間,平均值為180.70 mm(圖4)。降水量與有效降水量呈下降趨勢,通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn),下降趨勢明顯；需水量與缺水量呈上升趨勢,但未能通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),變化趨勢不明顯(表2)。

圖4 甘肅省玉米各生育階段降水量、有效降水量、需水量和缺水量年際變化Fig.4 Interannual variation of precipitation, effective precipitation, water requirment and water deficit during the different growth period of maize in Gansu Province

1967—2017年,甘肅省玉米生長中期降水量在14.83—74.95 mm之間,平均值為40.58 mm；有效降水量在11.07—30.75 mm之間,平均值為20.19 mm；需水量在124.53—167.86 mm之間,平均值為141.97 mm；缺水量在96.10—146.51 mm之間,平均值為121.78 mm(圖4)。降水量與有效降水量呈下降趨勢,通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn),下降趨勢明顯；需水量呈下降趨勢,缺水量呈現(xiàn)上升趨勢,兩者均未能通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),變化趨勢不明顯(表2)。

1967—2017年,甘肅省玉米生長末期降水量在12.93—64.48 mm之間,平均值為35.99 mm；有效降水量在7.84—36.17 mm之間,平均值為20.62 mm。需水量在74.36—103.80 mm之間,平均值為89.02 mm；缺水量在42.84—90.31 mm之間,平均值為68.41 mm(圖4)。降水量、有效降水量均呈上升趨勢,但兩者未能通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),變化趨勢不明顯；需水量呈上升趨勢,缺水量呈下降趨勢,但兩者也未能通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),變化趨勢亦不明顯(表2)

表2 甘肅省玉米各生長階段降水量、有效降水量、需水量和缺水量線性傾向估計(jì)

Table 2 Estimation of linear tendency of precipitation, effective precipitation, water requirement and water deficit in different growth stages of maize in Gansu Province

生長階段Growth stage項(xiàng)目Item線性傾向估計(jì)Linear tendency estimate傾向值Propensity value相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient生長初期降水量y=-0.2659x+55.69-0.270.23Early growth有效降水量y=-0.0988x+31.209-0.100.20需水量y=0.0901x+88.1450.090.25缺水量y=0.1889x+56.9370.190.25生長發(fā)育期降水量y=-0.7421x+104.37-0.740.36?Vigorous period有效降水量y=-0.2515x+50.309-0.250.36?需水量y=0.1137x+221.520.110.13缺水量y=0.3651x+171.210.370.27生長中期降水量y=-0.3535x+49.772-0.350.32?Medium growth有效降水量y=-0.1229x+23.38-0.120.33?需水量y=-0.1221x+145.14-0.120.18缺水量y=0.0008x+121.760.000.00生長末期降水量y =0.068 +34.2190.070.08End of growth有效降水量y=0.076x+18.6410.080.20需水量y=0.0344x+88.1290.030.08缺水量y=-0.0415x+69.488-0.040.06全生育期降水量y=-1.2934x+244.05-1.290.35?Whole growth period有效降水量y=-0.3972x+123.54-0.400.35?需水量y=0.1161x+542.930.120.07缺水量y=0.5194x+407.50.520.23

*表示通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)

3.1.3各站點(diǎn)玉米需水量與缺水量年際變化

1967—2017年,甘肅省28個(gè)站點(diǎn)玉米全生育期的降水量傾向值在-4.52—0.59之間,有25個(gè)站點(diǎn)處于下降趨勢,通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)的有馬鬃山、高臺(tái)和武威等14個(gè)站點(diǎn)；有效降水量傾向值在-1.41—0.75之間,有22個(gè)站點(diǎn)處于下降趨勢,通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)的有武威、烏鞘嶺和靖遠(yuǎn)等12個(gè)站點(diǎn)。綜上所述,甘肅省大部分站點(diǎn)玉米全生育期的降水量和有效降水量處于下降趨勢,且主要集中在隴中、隴南和隴東地區(qū)。1967—2017年,甘肅省28個(gè)站點(diǎn)玉米全生育期需水量傾向值在-2.27—2.17之間,有8個(gè)站點(diǎn)處于減少趨勢,其中通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)有安西、玉門鎮(zhèn)、景泰和皋蘭4個(gè)站點(diǎn),有20個(gè)站點(diǎn)處于上升趨勢,其中通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)有馬鬃山、高臺(tái)等10個(gè)站點(diǎn)；缺水量傾向值在-2.23—2.42,有6個(gè)站點(diǎn)處于下降趨勢,通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)的有安西、玉門鎮(zhèn)和景泰3個(gè)站點(diǎn),22個(gè)站點(diǎn)處于上升趨勢,通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)的有馬鬃山、高臺(tái)等9個(gè)站點(diǎn)。綜上所述,甘肅省大部分站點(diǎn)玉米全生育期的需水量和缺水量都處于增加趨勢,主要集中在隴中和河西地區(qū)(圖5)。

圖5 甘肅省各站點(diǎn)玉米全育期降水量、有效降水量、需水量與缺水量傾向值Fig.5 Propensity value of precipitation, effective precipitation, water requirment and water deficit during the whole growth period of maize at each meteorological site in Gansu Province▲和▽分別表示通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)和未通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)

3.2 空間分布

3.2.1玉米全生育期需水量和缺水量空間分布

甘肅省28個(gè)站點(diǎn)中,玉米全生育期51年的平均降水量在21.81(高臺(tái))—429.84(岷縣) mm之間,各站點(diǎn)51年的平均降水量為210.43 mm；全生育期51年平均有效降水量在16.24(高臺(tái))—229.65(岷縣) mm之間,各站點(diǎn)51年平均有效降水量為113.21 mm；全生育期51年平均需水量在367.08(甘南)—845.38(馬鬃山) mm之間, 各站點(diǎn)51年平均需水量為545.95 mm；全生育期51年平均缺水量在57.24(皋蘭)—805.59(馬鬃山) mm之間,各站點(diǎn)51年平均缺水量為421.00 mm。由以上可知,甘肅玉米在全生育期都缺水,并且河西地區(qū)缺水嚴(yán)重。整體上,降水量和有效降水量從東南向西北減少,兩者大體上分布一致,而需水量和缺水量則從東南向西北增加,兩者大體上分布一致；降水量、有效降水量、需水量和缺水量的空間差異明顯(圖6)。

圖6 玉米全生育期降水量、有效降水量、需水量和缺水量空間分布Fig.6 Spatial distribution of precipitation, effective precipitation, water requirment and water deficit during the whole growth period of maize

3.2.2玉米各生長階段需水量和缺水量空間分布

甘肅省28個(gè)站點(diǎn)中,玉米生長初期51年平均需水量在57.50(甘南)—130.15(鼎新)mm之間,各站點(diǎn)51年平均需水量為90.49 mm；玉米生長初期51年平均缺水量在-11.95(岷縣)—125.40(鼎新) mm之間,各站點(diǎn)51年平均缺水量為61.85 mm。整體上,需水量和缺水量由西北向東南遞減；在甘南和岷縣部分地區(qū)降水量基本可以滿足玉米需水量的要求,其他地區(qū)需要進(jìn)行人工灌溉,尤其是河西地區(qū)。甘肅省28個(gè)站點(diǎn)中,玉米生長發(fā)育期51年平均需水量在137.95(張掖)—344.62(馬鬃山) mm之間,各站點(diǎn)51年平均需水量為224.47 mm；玉米生長發(fā)育期51年平均缺水量在61.69(甘南)—323.30(馬鬃山) mm之間,各站點(diǎn)51年平均缺水量為180.70 mm。整體上,需水量和缺水量由西北向東南遞減。在玉米生長發(fā)育期,降水量不能滿足玉米生長的需求,甘肅玉米在生長發(fā)育期全部缺水(圖7)。

甘肅省28個(gè)站點(diǎn)中,玉米生長中期51年平均需水量在96.41(甘南)—222.47(馬鬃山) mm之間,各站點(diǎn)51年平均需水量為141.97 mm；玉米生長中期51年平均缺水量在60.30(甘南)—95.53(馬鬃山) mm之間,各站點(diǎn)51年平均缺水量為121.78 mm。甘肅省28個(gè)站點(diǎn)中,玉米生長末期51年平均需水量在59.97(岷縣)—149.95(馬鬃山) mm之間,各站點(diǎn)51年平均需水量為89.02 mm；玉米生長末期51年平均缺水量在19.71(岷縣)—146.10(馬鬃山) mm之間,各站點(diǎn)51年平均需水量為68.41 mm。玉米生長中期和生長末期的需水量和缺水量整體上都從西北向東南遞減。在生長中期和生長末期,降水量均不能滿足玉米生長需求(圖7)。

圖7 玉米各生長階段的需水量和缺水量空間分布Fig.7 Spatial distribution of water requirment and water deficit during the different growth periods of maize

4 討論

本研究根據(jù)甘肅省28個(gè)氣象站點(diǎn)1967—2017年的逐日氣象數(shù)據(jù),運(yùn)用FAO推薦的作物系數(shù)法,首先計(jì)算了玉米全生育期的需水量,其次根據(jù)玉米全生育期的有效降水量得出玉米缺水量,最后對需水量和缺水量進(jìn)行了時(shí)空分析。定量化分析甘肅省玉米需水量和缺水量,可以為甘肅省農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)的指導(dǎo)。

研究發(fā)現(xiàn)1967—2017年玉米全生育期的降水量呈下降趨勢,這與前人研究的結(jié)果大致相同[38-39],這表明甘肅省近年來,降水量整體上呈現(xiàn)下降趨勢是不爭的事實(shí)。研究計(jì)算甘肅省51年玉米平均需水量為549.95 mm,劉宏誼等人的研究結(jié)果認(rèn)為1960—2000年甘肅省全生育期玉米平均需水量為526.00 mm[40],兩者結(jié)果接近。肖俊夫等人的研究認(rèn)為中國玉米需水量在400—700 mm之間[41],本文的研究結(jié)果也符合。河西、隴中、隴東、隴南和甘南地區(qū)51年需水量與缺水量整體上均無明顯變化。河西地區(qū)51年需水量與缺水量分別圍繞 637.80 mm與550.11 mm上下波動(dòng)；隴中地區(qū)51年需水量與缺水量分別圍繞 465.45 mm與313.42 mm上下波動(dòng)；隴東地區(qū)51年需水量與缺水量分別圍繞 468.69 mm與338.13 mm上下波動(dòng)；隴南地區(qū)51年需水量與缺水量分別圍繞 465.67 mm與302.63 mm上下波動(dòng)；甘南地區(qū)51年需水量與缺水量分別圍繞 382.44 mm與171.18 mm上下波動(dòng),整體上,河西地區(qū)需水量與缺水量明顯高于其他地區(qū),隴中、隴東和隴南地區(qū)需水量與缺水量接近,甘南地區(qū)需水量與缺水量均為最少。相關(guān)研究表明需水量主要與相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與氣溫、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系[5]。河西、隴中、隴東、隴南和甘南地區(qū)51年玉米全生育期內(nèi)日平均相對濕度分別為45%、62%、62%、63%和69%,日平均氣溫分別為17.41、14.82、17.21、19.53℃和12.07℃,平均日照時(shí)間分別為9.1、7.2、7.1、6.8 h和6.6 h,日平均風(fēng)速分別為2.73、1.95、2.17、1.69 m/s和1.49 m/s,在這種氣象因素的影響下,形成了甘肅省各片區(qū)需水量與缺水量分布格局。盡管隴中、隴東、隴南和甘南地區(qū)基本屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),但是由于甘肅省降雨量的季節(jié)分配很不均勻,降水主要集中在夏秋兩季,容易造成水土流失和洪澇災(zāi)害,威脅農(nóng)作物的生長,因此導(dǎo)致這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)對水利灌溉設(shè)施十分依賴。

關(guān)于作物需水量的研究較為成熟,有關(guān)作物缺水量的研究,在國內(nèi)并不多見。缺水量更能反映一個(gè)地區(qū)農(nóng)作物全生育期內(nèi)所需要的人工灌溉用水量,本文利用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法計(jì)算缺水量,可為甘肅省玉米精細(xì)化灌溉提供科學(xué)參考。但是在實(shí)際生產(chǎn)中,降水的時(shí)間與作物需水時(shí)間不一定相同,即玉米生長過程中需水與降水可能存在一定時(shí)差,因此在指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中,既要合理的利用有效降水,也要注重觀察,保證灌溉的時(shí)效性。本研究一方面未能考慮到自然降水形成的土壤底墑水對需水量的影響,另一方面,也未能將人工灌溉用水量在玉米生長過程中進(jìn)行空間上的量化,研究結(jié)果存在一定誤差。為了更加合理的指導(dǎo)農(nóng)作物精細(xì)化灌溉,考慮土壤底墑水和人工灌溉用水量的影響是下一步研究的重要內(nèi)容之一。

5 結(jié)論

1967—2017年甘肅省玉米全生育期平均降水量、平均有效降水量、平均需水量和平均缺水量分別為210.43、113.21、545.95 mm和421.00 mm。整體上甘肅省51年來玉米全生育期的有效降水量均小于玉米需水量；28個(gè)站點(diǎn)中,51年來只有甘南和岷縣兩個(gè)站點(diǎn)的有效降水量能基本滿足生長初期的玉米需水,其他站點(diǎn)在任何生長階段都不能滿足玉米需水要求,需要進(jìn)行人工灌溉。甘肅省51年間玉米全生育期內(nèi)的降水量和有效降水量整體上呈明顯的下降趨勢,而需水量和缺水量沒有明顯的變化趨勢,屬于正常的波動(dòng)。

甘肅省河西地區(qū)需水量與缺水量明顯高于其他地區(qū),隴中、隴東和隴南地區(qū)需水量與缺水量接近,甘南地區(qū)需水量與缺水量最少。玉米全生育期的降水量和有效降水量在空間上由東南向西北減少,而需水量和缺水量在空間上由東南向西北增加,降水量和有效降水量與需水量和缺水量在空間上構(gòu)成了一種相反的對應(yīng)關(guān)系。這主要與甘肅省內(nèi)相對濕度、氣溫、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的空間特征有關(guān)。