肖晶晶，霍治国 ，姚益平，张 蕾，李 娜，柏秦凤，温泉沛

(1.中国气象科学研究院，北京 100081;2.浙江省气候中心，杭州 310017;3.山西省气象决策服务中心，太原 030006;4.陕西省经济作物气象服务台，西安 710000;5.武汉区域气候中心，武汉 430074)

节水农业因具有显著的节水、保质、稳产效应而成为缓解我国水资源日趋紧张状况、促进国民经济稳定发展的重大战略措施，同时也是建设现代农业的需求，成为未来农业发展的方向［1］。节水灌溉是实施节水农业的主体，其关键问题为如何提高水分利用率，即探寻适宜时间、适宜灌水量的节水灌溉指标问题。近30年的节水灌溉理论研究认为作物具有一定“补偿效应”或超补偿效应，在干旱条件下作物通过调节同化物再分配、气孔开度和根冠比来趋利避害［2-4］，以非充分灌溉、调亏灌溉、控制性交替灌溉和局部灌溉技术为代表［4-7］;其指标构建以土壤-植物-大气连续体(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，简称SPAC)中的水分运移机理为基础，主要包括土壤水分指标、植物生理指标、综合效应评价指标等［8-10］。然而，现有的节水灌溉指标主要针对作物全生育期开展，一般通过田间试验得到，局地性较强［11-12］。研究表明，不同时期、不同程度的水分亏缺对作物生理影响程度不同，不同水分处理下的增产效果也不相同［13-14］。该类指标不仅应用推广难度较大，且难以与实时降水监测、未来降水预报进行耦合集成应用。因此，分发育期构建普适的作物节水灌溉指标成为农业节水研究热点。

棉花是重要的工业原料，其种植面积居我国经济作物之首。近年来我国棉区北迁西移，长江流域棉区和华南棉区种植面积大幅减少，黄河流域棉区和西北内陆棉区占全国棉花种植面积的70%以上［15］。华北和西北为我国重旱区，西北内陆地区干旱尤为严重，棉花水分亏缺量达400—500mm［16］，基本为灌溉农业。其他棉区由于降水与作物耗水时空不匹配，干旱时有发生，如长江中下游的夏季伏旱成为该棉区减产的主要因素之一。20世纪90年代以来，干旱发生的频率、强度都有增大的趋势［17］，1992、2001年我国华北、西南棉花分别因旱减产27.6%和19.9%［18］。随着水资源日益紧缺和工农业用水矛盾加剧，水资源紧缺问题日益凸显。同时，由于灌溉时间、灌溉量不当，目前我国农田灌溉水利用率系数仅为0.5，远不及发达国家的0.7—0.8［19］。因此构建棉花节水灌溉气象等级指标，对于节约农业用水、提高农田水分利用率，实现农业稳产、高产、可持续发展具有积极意义。研究棉花分发育期的节水灌溉气象等级指标，可为通过对棉花不同发育阶段的需水规律及其当前时段作物水分亏缺率、亏缺量等的实时分析，结合未来3d的降水定量预报，进行区域节水灌溉气象等级预报，开展实时、有针对性地棉花节水灌溉气象服务提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象资料、土壤湿度资料和作物发育期资料取自国家气象信息中心，气象资料包括347个站点1961—2008年逐日的气压(hPa)、降水量(mm)、最高温度(℃)、最低温度(℃)、水汽压(hPa)、风速(m/s)、日照时数(h)等，个别资料缺失值采用多年平均值代替。土壤湿度资料为89个农业气象观测站1993—2008年(其中26个站为1980—2008年)的逐旬土壤相对湿度、土壤水分常数等。作物发育期资料取自各地农业气象观测站，产量资料来自各地的统计年鉴。

1.2 研究方法

论文立足当前棉花大田生产水平和农田管理水平，基于农田水分平衡原理和节水灌溉理论，依据节水灌溉基本原则［20］，结合棉花不同发育阶段的需水规律和水分敏感系数［21-22］，耦合地面气象观测、农业气象观测、作物产量等多元信息资料，分析气象条件对棉花不同发育阶段水分亏缺率及其对减产率影响的量化关系，筛选导致棉花不同减产程度的水分亏缺临界指标、变化范围，构建棉花节水灌溉气象等级指标。

1.2.1 棉花需水量

作物生育期需水量是指在正常生育状况和最佳水、肥水平下，作物完成正常生长发育，获得高产时的植株蒸散、棵间蒸发以及构成植株体的水分之和。由于构成植株体的水量和棵间蒸发量很小，实际计算时取作物需水量在数量上等同于高产水平下的植株蒸腾量和棵间蒸发量之和，计算公式为:

式中，Ei为棉花逐日需水量(mm);ki为对应作物系数;ETOi为逐日可能作物蒸散量(mm)，采用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式求得，具体计算过程见文献［23］;n为棉花全生育期总日数。取FAO-56推荐系数值如表 1［24］。

表1 棉花发育期作物系数(FAO-56)Table 1 Crop coefficient of different developmental stages of cotton(FAO-56)

1.2.2 农田自然供水量

农田自然供水量(W)包括土壤有效底墒量、有效降水量和地下水供给量，计算公式为:

式中，W1为土壤有效底墒量(mm);W2为有效降水量(mm);W3为地下水供给量(mm)。土壤有效底墒指作物根系层内在凋萎湿度以上的土壤水，计算公式为:

式中，We为土壤有效底墒(mm);0.1为单位换算系数;h为土层深度(cm);ρ为土壤容重(g/cm3);r为土壤湿度，rw为凋萎湿度，二者均用土壤湿度重量百分率表示，取其分子。有效降水计算公式为:

式中，P为实际降水量(mm);V为作物截留量(mm);Q为径流量(mm);F为深层渗透量(mm)。由于棉花根系较深，生育期较长，本文取降水量即为有效降水量。在干旱年份，地下水一般不能为作物所用或者利用量极少，在本文不作考虑。

1.2.3 农田灌溉量

农田灌溉量指单位时间灌溉到农田的实际水量。单位时间累积灌溉量为全部灌溉量之和:

式中，GL为累积灌溉量(mm);Gk为第k次的灌溉量(m3/hm2);t为灌溉总次数;0.1为单位换算系数;如灌溉量单位为m3/666.7m2，则单位换算系数为1.5。灌溉次数及其灌溉量可根据实际生产中的具体情况确定，一次灌溉量可采用等量或不等量。

1.2.4 发育期水分盈亏率/量

发育期的水分盈亏量/率是表征作物某发育期的水分盈亏状况，计算公式如下:

式中，Dz/D为作物某发育期的农田水分盈亏量/率 (mm/%)。当Dz/D＞0时，农田水分盈余，称为农田水分盈余量/率;当Dz/D＜0时，农田水分亏缺，称为农田水分亏缺量/率。W01为时段始第1天的土壤有效底墒量(mm)。P为时段内的日降水量(mm)。E为时段内的作物日需水量(mm)。j为时段日数序号，j=1，2，…，m，m为时段日数。

1.3 产量分解模型

作物最终产量的形成受多种因子影响，因子间的相关机制也很复杂，综合起来，可以把这些因子可以分为气象因子、农技措施和随机“噪音”三大类［25］，分别对应气象产量、趋势产量和噪音产量。其一般通式为:

式中，y为作物实际产量;yt为趋势产量，yw为气象产量;Δy“噪音”项所占比例很小，不予考虑。因此 (10)式或简化为:

趋势产量采用滑动平均模拟方法得到，定义当年棉花实际产量低于对应年趋势产量的百分率为当年棉花的减产率，计算公式为:

1.4 水分亏缺率与减产率理论关系式的引入

水分亏缺率是指作物某生育期内水分供给量低于其理论需水量的百分比，表明作物全生育期内水分的亏缺程度。减产率是指作物实际产量与作物理论产量的差与理论产量的比值。FAO-1979年提出作物产量与水分应该有如下关系［26］:

式(14)左边为减产率，右边为水分缺水率与0.85的乘积，理论上一定范围内可以认为二者近似存在上式关系。

1.5 样本站点选择

选取研究站点时遵循以下几点原则:①选取发生干旱、减产的年份，且减产率不少于3%［28］;②选取灌溉能力有限的区域。灌溉能力强的区域，作物减产往往是由于病虫害、田间管理、其他气象灾害等多方面因素造成，干旱不是主要的减产因素;③选取灌溉能力强、干旱严重、有灌溉记录的地区年份进行指标验证。

2 结果与分析

将各地区的气象资料、土壤水分资料和产量资料代入(1)—(14)式，可以得到不同水分亏缺率下对应的减产率。按照自然灾害等级划分方法［29］，以减产率5%、10%和20%为界限点分析减产率与水分亏缺率、水分亏缺量的对应关系，构建棉花节水灌溉气象等级指标。

囿于篇幅，论文以棉花全生育期的指标构建为例，给出棉花节水灌溉气象等级指标的构建方法和验证情况。其他发育期节水灌溉气象等级指标构建方法及验证与此方法相同。

2.1 棉花全生育期节水灌溉气象等级指标的构建

2.1.1 棉花水分亏缺率等级指标

基于全国棉花产区逐站、逐年的水分亏缺率、减产率计算结果，筛选由干旱导致棉花减产且灌溉能力有限的站点和年份，表2按照不同减产率等级给出了不同站点、不同年份棉花全生育期水分亏缺率与减产率的对应情况。

表2 棉花全生育期水分亏缺率与减产率的对应关系Table 2 The relationship between the moisture deficiency rates and yield reduction rates of the whole growth stage of cotton

Jensen模型研究表明，棉花前期产量-水分敏感指数较小，上升缓慢，且发育期复水后对补偿效应显著，因此一定程度的干旱并不直接影响作物籽粒形成;后期进入营养生长期和生殖生长期，产量-水分敏感指数上升较快，且复水补偿效应较小，因此随着干旱加剧，减产明显［30］。由表2可以看出，减产率＞20%、10%—20%和5%—10%对应样本水分亏缺率(D)的平均值分别为50.36%、38.76%和29.31%。将表2用图形表示(图略)，可以看出样本点的减产率与水分亏缺呈现出明显的直线关系(R2=0.75)，与前人研究成果相符［31］。亏缺灌溉试验表明，85%亏缺情况下，棉花产量与常年持平(产量波动在±5%以内)，即水分亏缺超过15%时可能出现减产(产量波动超过5%);亏缺70%、55%处理下呈现的旱情随发育期变化，在需水关键期出现明显的中旱和重旱［31］。表2中落在D≥45%、30%—45%和15%—30%区间内的样本分别占3个减产率区间内所有样本的83.33%、77.78%和 33.33%，落在对应 D 区间±2.5%所占比率分别达 83.33%、88.89%、66.67%(表3)，96.00%的样本D≥15%时减产率≥5%，与亏缺灌溉试验结论相符。表明在实际生产中棉花全生育期水分亏缺率≥15%可以作为棉花减产的临界指标。

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表3 棉花全生育期水分亏缺率等级指标的回代验证情况Table 3 The validation of moisture deficiency rates'grading indexes of the whole growth stage of cotton

按表3给出的棉花水分亏缺率等级区间，对全部站点、区间站点分别计算不同等级区间的水分亏缺率、减产率平均值，并进行直线拟合;比较拟合直线与0.85理论线的平行关系，全部站点、区间站点的拟合直线斜率分别为1.1和0.92，区间站点较全部站点更与理论值接近，但有一定的偏差，这可能是棉花品种抗旱性提高有关。综上，可将指标的阈值分别设定于15%、30%和45%。

2.1.2 水分亏缺量等级指标

棉花耗水较多，耗水系数一般为1300—2000，且随着产量的提高而降低［32］。不同发育期缺水敏感系数不同，水分亏缺对作物生长发育与产量的影响不同。产量-水分函数研究表明作物产量与耗水量呈现出较好的曲线函数关系，即一定程度的水分亏缺量对产量影响并不明显［27，30］。试验表明干旱状态下，一定范围内随着供水量的增加，棉花产量与耗水量呈现出较好的线性关系，但当供水超过一定限度时，增产不明显，甚至减产［31，33］。

图1 棉花生育期水分亏缺率-灌溉次数/减产率对应关系Fig.1 The relationship of the moisture deficiency rates with irrigation times，and product deficiency rates of cotton's whole growth stage

由于灌溉定额与当地的土壤类型、水文情况等密切相关，棉花在各地的灌溉制度差异较大。以新疆为例，吐鲁番地区一次灌水120mm;阿克苏地区一次灌水80—250mm(新疆农气观测报表)。考虑到棉花种植区的灌溉特征，且既得资料大部分只记录灌溉次数，因此本文采用灌水次数来反映其水分亏缺等级，如图1。图1中4水下(27个样本)对应未灌溉的D平均值、最大值和最小值为 65.78%、84.94%和 48.88%，灌溉后减产率平均值、最大、最小值分别为 0.29%、27.20%和－27.21%，其中9.52%的样本减产率超过10%，74.07%的样本减产率＜5%，增产超过5%的样本占28.57%;5水下(20个样本)对应未灌溉的D平均值、最大值和最小值为 70.46%、82.33%和 45.52%，灌溉后减产率平均值、最大、最小值分别为3.82%、16.63%和－4.92%，其中15%的样本减产率超过10%，55%的样本减产率＜5%，没有增产超过5%的样本;综上表明5水并不比4水增产明显，即出现了多灌的情况。≥2水时，除一个年份点水分亏缺率小于30%以外，其他年份点水分亏缺率均大于30%。因此将2水和4水定为指标阈值，即棉花全生育期水分亏缺量节水灌溉气象等级指标为1—2水、2—4水和≥4水。图1中1—2水、2—4水和＞4水未灌溉时水分亏缺率(D)平均值分别为37.81%、60.96%和73.92%(表4)。根据上文分析结果，1—2水、2—4水时D平均值分别为Ⅱ、Ⅲ级标准，灌溉不合理造成减产超过5%的比例占14.29%和32.07%，具体如表4。

表4 棉花生育期灌溉次数与水分亏缺率、产量的统计分析Table 4 The Statistical Analysis of the moisture deficiency rates，irrigation times，and product deficiency rates of cotton's whole growth stage

2.1.3 基于实际灌溉的间接验证

为了验证上文得到指标的可行性，选取灌溉条件好、有灌溉记载的地区的独立样本，通过计算无灌溉时的棉花生育期水分亏缺率和水分亏缺量、统计对应年份的实际灌溉量与减产率样本(表5，图2)，进行实际生产验证。

表5 棉花全生育期水分亏缺率/量与实际灌溉量、减产率的验证样本Table5 The validation of the whole growth stage of cotton of the moisture deficiency rates/the quantity of water deficit，irrigation and yield reduction rates

续表

由表5可以看出，无灌溉的情况下水分亏缺率在46.63%—87.44%，几乎所有年份都处于重旱状况。按照上文得到的指标，Ⅲ级指标(D)区间的吻合率为77.27%(灌≥4水)。在完全落在Ⅲ级指标区间的44个样本中，灌溉后增产的有16个，减产在5%以下有8个，减产在5%以上有7个。其中灌3水的9个样本1次灌水量为100—185mm，灌溉量基本满足作物水分亏缺量，除巴里坤2000年减产率超过10%以外，其余样本减产率均＜10%，其中增产的有3个。落在灌4—5水的25个样本中，增产的有10个，且以灌4—5水增产幅度最大，减产在5%以下有7个，减产在5%以上有10个，其中超过10%的有2个;落在灌6—7水的8个样本中，增产的有2个，减产在5%以下有1个，减产在5%以上有5个。比较超额灌溉年份的减产率和适量灌溉年的减产率，发现超额灌溉年份并没有随着灌溉量的增加而出现较大幅度的增产，表明节水灌溉是十分必要的，统计结果见表6。

图2 棉花水分亏缺量/灌溉量与减产率对应关系Fig.2 The corresponding relationship of water deficit volume/irrigation volume and production rate of cotton

表6样本水分亏缺率均＞45%，灌溉量≥250mm。由于新疆地区灌溉制度不一，取平均值120mm作为灌溉1水参考值。由图2可以看出，灌溉后的棉花大多增产或减产率分布在5%以下，其中灌溉后增产的年份占所有年份的52.27%，减产率±5%的年份占所有年份的36.36%，表明通过灌溉可以实现稳产增产。图中45°虚线表示水分亏缺量和灌水量完全相等时的线，虚线表示灌水偏差在1水范围，超过85%的点落在虚线范围内。45°线之下点为灌溉量大于水分亏缺量的年份，表明在生产中节水的空间仍然较大，如新疆阿克苏2007年，灌溉1020mm，远远大于其水分亏缺量703.30mm，产量为平产年，并没有因为灌水增多而明显增产。45°线之上的点为灌溉量小于水分亏缺量的年份，表明该地区灌溉条件改善空间较大。

表6 基于实际灌溉的棉花水分亏缺率等级指标的回代验证情况Table 6 The validation of the moisture deficiency rates'grading indexes of cotton basing on irrigation

综合实际灌溉样本完全落在指标区间的吻合率、完全落在指标区间样本实际灌水后棉花增产或减产在5%以下、以及超量灌水导致大部样本减产5%以上的验证结果，表明论文构建的棉花水分亏缺率等级指标是合理的、可行的。

2.2 棉花节水灌溉气象等级指标与分析

通过分析棉花全发育期的水分亏缺率、水分亏缺量与减产率的关系，构建了棉花节水灌溉Ⅰ—Ⅲ级等级指标，从理论和实际生产角度进行验证。引入FAO-1979产量-水分函数从理论上初步证明的指标的可行性;利用大田生产样本站点，从实际生产上验证指标的适用性。

采用同样的方法进行棉花播种-现蕾、现蕾-开花期和开花-吐絮期节水灌溉气象等级指标的构建，结果见如表7。

表7 棉花节水灌溉气象等级指标Table 7 Studying on Meteorology Index of Water-Saving Irrigation Levels of cotton

表7中全生育期与不同生育期的指标并不完全一致，这主要是由于不同发育阶段的水分亏缺敏感指数、需水量、“补偿和超补偿效应”不同造成的［34-35］。棉花蕾期前为营养生长阶段，该阶段地上部的茎叶生长缓慢，地下部的根系生长迅速，可以较好地利用地下水，且该发育阶段具有较强的补偿效应。另外，苗期的水分敏感系数较小，当水分亏缺率较小时，对产量的影响并不明显［30］。研究表明，苗期适量的干旱有利于棉花根系深扎，利于后期水肥的吸收［36］。因此该发育阶段水分亏缺率指标值较其他发育期略大。现蕾-开花期Ⅲ级指标下限要低于其他发育期，是由于该发育阶段为棉花的生殖生长期，水分敏感系数和需水量较高的缘故。开花-吐絮期包括花铃期和吐絮期，前期水肥需求较大，后期营养生长逐步趋于停止，因此Ⅲ级下限指标值并不比苗期低。全生育期综合了各发育期的水分敏感系数、补偿效应等因素，因此Ⅰ级上、下限较分发育期略低、Ⅱ级上限与Ⅲ级下限与现蕾－开花相同。

3 结论与讨论

(1)节水灌溉已成为农业可持续发展的方向，是我国农业现代化的必然选择［1］。节水灌溉不同于以往的“丰水灌溉”，是为了保证水资源的持续利用和农业的可持续发展。节水灌溉从注重工程建设转移到实现水资源优化配置来满足社会可持续发展的全面要求，体现了现代水利发展的方向，是节水灌溉发展的基础［37］。水分亏缺补偿、超补偿效应与作物水分生产函数研究表明，发展农业节水是缓解水分供求矛盾、建设高效农业需要。当前，水分不足已成为影响我国农业发展的瓶颈问题。未来气候变化与作物需水量的关系研究显示，当温度上升1—4℃时，我国华北地区棉花生长期内需水量将增加1.7%—18.3%［38］。而节水灌溉试验在高产(增产)前提下，棉花节水灌溉可以使需水量减少30%［39］，棉花在轻度干旱比频灌时产量要高，适当发育期适当的水分亏缺，不仅不影响产量，而且还能提高水分利用率［40-41］。

(2)论文从实际生产角度出发，耦合气象、土壤、产量等多元信息资料首次构建了适用于大田生产的棉花不同发育期和全生育期节水灌溉气象Ⅰ—Ⅲ级等级指标。论文得到的棉花产量与水分在干旱情况下的线性关系与俞希根等结论一致，指标初始阈值与本文结论相同［31］。指标体系以节水灌溉理论为基础，结合FAO-1979产量|水分函数和大田实际水分亏缺率、水分亏缺量、灌溉量与减产率的对应关系，从理论和实际生产证明了指标的适用性。指标构建和验证资料分别利用了不同地区的独立样本。利用无灌溉或少量灌溉地区的水分亏缺率、水分亏缺量与减产率之间的关系构建指标临界阈值;利用灌溉能力强的地区无灌溉时的水分亏缺率、水分亏缺量、灌溉量和灌溉后的减产率的对应关系进行二次验证。指标构建和验证资料相互独立、互相印证。

(3)指标体系综合考虑地区间气候、土壤、水分等差异，通过农田实时分析与未来定量预报相结合，实现分时段和滚动干旱监测、预警和响应，为开展实时、有针对性的棉花节水灌溉气象服务提供科学依据。根据论文结论，结合当前发育期前期的土壤水分、当前时段的作物耗水量、降水可以实现作物不同发育期时段的干旱监测;利用本文指标体系，考虑当前发育期土壤水分、根据FAO-56公式估算出下阶段作物耗水量，耦合天气预报情报，可以实现对下一阶段的干旱情况的预警和响应。

囿于资料可获取等限制，论文未考虑不同地区、作物品种、生长状况等差异，统一采用FAO-56推荐作物系数计算作物耗水量;论文取正常情况下的根系发育状况，未考虑土壤类型、降水、田间管理等因素对根系的影响［36，41］，并据此计算土壤有效底墒;有效降水本文取降水量［42］。FAO-1979产量-水分函数中产量为最高产量，论文取干旱年份下的趋势产量。此外，有关结合当地实际灌溉能力和指标细化等问题有待下一步研究。

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