孙 朋, 谢新洲,2, 刘 娜, 苏海民

(1. 宿州学院 环境与测绘工程学院, 安徽 宿州 234000;2. 安徽师范大学 地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241002)

近百年来,全球平均气温升高0.78 ℃, 且近50年气温升高的速度达到近百年来气温升高速度的2倍[1], 气候变暖导致气温等因子节律的变化, 因而使作物生长期需水量产生变动. 作物需水量指的是农田中未遭受病虫害的作物, 当土壤含水量及肥力适合作物生长时的叶面蒸腾量和棵间蒸发量之和, 是作物特性和环境彼此作用的后果[2].

近些年以来,对于作物需水量和有效降水量的探讨被诸多国内外学者关注[3-5].韩宇平等[6]分析了淮河地区近50a的气象数据,采用彭曼公式和作物系数分析了淮河地区主要作物的需水量以及变化规律;王晓东等[7]使用淮河流域171个气象站的资料,对作物需水量和有效降水量进行计算,得到了淮河流域主要作物水分盈亏情况;李勇等[8]对长江中下游水稻的有效降水量和作物需水量进行研究,分析不同地区、不同品种水稻的缺水量,该方法在安徽、贵州等地区被推广使用[9-11];胡慧杰等[12]使用SIMETAW模型对东北地区大豆需水量进行计算;高超等[13]基于淮河站点55a气象资料,利用彭曼公式分析夏玉米各生长期需水量和水分盈亏指数,预估了淮河流域夏玉米生长期干旱发生的可能性.

综上发现,以往缺少对典型气候区的研究. 蚌埠市是安徽省的农业大市,位于淮河中下游, 河湖众多, 流经该地水量充足, 但该地调蓄能力不足, 水资源利用能力弱, 加之水污染严重,水资源问题依旧突出[14]. 随着经济的发展, 农村人口迁至城镇, 水资源需求量加大, 农业用水进一步减少.这种情势下,研究作物需水量, 分配水资源尤为重要, 且蚌埠地处中国南北分界地带, 水田与旱田并存, 因而本文以淮河流域的蚌埠市作为案例, 以种植面积较大的水稻和冬小麦作为对象开展探究.

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

蚌埠市坐落于安徽省东北部,经纬坐标为32°43′～33°30′N,116°45′～118°04′E之间,全市东西跨度最长为135 km,南北最长距离为86.5 km.总面积为5 952 km2.蚌埠位于800 mm等降水量线,即淮河中游两岸,具有重要的战略地位.蚌埠位于季风气候区,风向有季节性变化特征,一年中以东北风最多,夏季盛行风向为偏南风,冬季盛行风向为偏北风,全市年际间平均降水量为920 mm.蚌埠市汛期为每年5—9月,在此期间平均降水量比例高达全年的69%,9月—次年4月为干旱期.多年平均日照时数为2 167 h,且年际日照时数变化很大.1月日均温仅1 ℃,7月日均温为28.1 ℃.2017年蚌埠市水稻种植规模为11.2万公顷,小麦种植规模为24.8万公顷.

1.2 数据来源

本文选择的数据来源于蚌埠市气象局, 该数据测量时间久,科学性强, 本文运用了 1959—2017 年逐日气象观测资料, 其中有日最高、最低气温,风速,气压,日照时长等. 气象数据在发布前已经过检验. 作物生育期数据查找自蚌埠市农业林业局, 对2种主要作物(水稻、冬小麦)生长期时间进行收集整理后取均值, 统计结果如表1所示. 其中水稻和冬小麦的作物系数变化主要分为生长初期(S1)、生长中期(S2)和成熟期(S3)共3个阶段.

表1 2种主要作物生长日期Table 1 Growth dates of two main crops

2 研究方法

2.1 作物需水量计算

美国灌溉与水文技术委员会测得FAO-56推荐的彭曼公式计算作物蒸散量,在不同的情境下都与实测值较为接近.因此,本文应用彭曼公式来计算.该方法运用难度低,被大量应用于作物需水量的计算[15].FAO-56推荐使用的公式为

(1)

式中:ET0为参考作物蒸散量,mm;Δ为饱和水汽压和温度曲线的斜率值,kPa ·℃-1;γ为湿度计常数;G是土壤热通量,MJ·m-2·d-1;u2为离地2 m处风速,m·s-1;Rn为表面净辐射量,MJ·m-2;es为大气饱和水汽压,kPa;t为日平均气温,℃;ea为实际水汽压,kPa ·℃-1.

联合国粮食与农业组织表示,在供水充足的情况下,通常把某一时间段作物系数与作物蒸散量之积作为它某一时间段需水量.如式(2).

ETC=KCET0.

(2)

式中:KC为作物系数;ETC为该时段作物需水量,mm;ET0为该时段作物蒸散量,mm.

2.2 有效降水量计算

有效降水量特指旱地作物用来满足作物蒸腾需要的那部分的降水量(不包含淋洗盐分所需的降水深层渗漏部分以及地表径流和渗漏到作物根系以下部分).降水的有效性不仅和众多因素相关,鉴于影响有效降水量的因素众多,因此很难准确地计算,所以本文采用式(3)经验公式[4]

Pe=α×P.

(3)

式中:α是有效降水系数;Pe是有效降水量,mm;P是降水总量,mm.

通过分析土壤储水量和降水量关系可以得出有效降水系数.淮河流域大部分是平原,土壤主要是水稻土和沙壤土2种,安徽淮北地区的土壤类型具有代表性,所以本文应用2011年安徽省淮北地区的土壤水分观测数据,并得到了有效降水系数(α)与日降水量之间的相关方程.由于小于5 mm的降水量被视为无效降水[16],因此,有效降水系数可表示为

(4)

式中:α为有效降水系数;P为降水总量,mm.

2.3 缺水量计算

作物缺水量是指不同生长阶段作物需水量与有效降水量之差,

W=ETC-Pe.

(5)

若W<0,则表示作物不缺水;若W=0,则表示水分供需平衡;若W>0,则表示作物缺水,需进行灌溉.

2.4 分段单值平均系数法

分段单值平均作物系数法是指一种只需要较少数据且比较容易的计算作物系数的办法,可以大量地运用于作物需水量的研究.该方法是按照各生长阶段土壤蒸发与叶子表面蒸腾的关系,用某一阶段平均数表达该时段的作物系数[17].

作物系数受到了作物生长期、类别、地域差异等方面的影响,情况不同作物系数亦不同.作物系数体现了作物自身特点对需水量的作用[18].本文采用分段单值平均系数法计算,通过表1作物生长期情况,得到2种主要作物不同阶段的作物系数.结果如表2所示.

表2 2种作物不同生长期作物系数

2.5 曼-肯德尔(M-K)法

曼-肯德尔(M-K)法适用于检测气温、降水、径流等要素的长时间变化趋势和突变情况,该方法对样本具体分布情况不作要求,且不被少数的异常数值影响.M-K突变检验法应用MATLAB软件对数据计算,得到UK和UF曲线,若UK、UF的数值大于0,就代表序列的上升变化趋势,小于0就代表序列的下降趋势.若UK和UF曲线相交,该交叉点所对应的时间点就是突变开始时刻[19].本文计算方法参考了文献[20]中的M-K突变检验法对水文时间序列的研究.

3 结果与分析

3.1 作物需水量分析

依据蚌埠市气象站近60a的气象资料, 通过式(1)可得1959—2017年蚌埠市蒸散量, 具体变化形式如图1所示. 近60a蚌埠市年蒸散量整体变化趋势较小, 蒸散量以3.6 mm·10a-1的幅度不明显上升, 年平均蒸散量是1 042.1 mm. 蚌埠市年蒸散量最低为912.1 mm, 出现在1985年. 年蒸散量最高值出现在1994年, 最高值为1 191.5 mm,高于年际平均蒸散量149.4 mm. 年际变化波动较小, 从整体看呈现出增减交替趋势.

图1 1959—2017年蚌埠市蒸散量变化趋势Fig.1 Trends in the amount of evapotranspiration in Bengbu City from 1959 to 2017

依据表2所得结果,处于不同生长期的冬小麦KC在[0.63,1.36]区间内变化,水稻KC在[1.02,1.29]区间内变化.通过式(2)可得1959—2017年蚌埠市2种作物不同阶段的作物需水量数值如图2所示.纵观60年以来,不同生长期水稻和冬小麦的平均需水量为181.0、192.6 mm,并且水稻的需水量在不同阶段的差异较大.生长初期,2种作物需水量有所差异,水稻需水量大于冬小麦.冬小麦在生长初期的需水量最大,是平均需水量的171.3%,是下一阶段需水量的147.3%.生长中期冬小麦需水量大于水稻,水稻的需水量相对于生长初期减少了58.3%.成熟期2种作物需水量皆大量减少.

运用式(1)、式(2)计算2种主要作物1959—2017年的作物需水量,变化如图3和图4所示.总体上, 2种作物需水量的变化都是高低起伏的趋势.水稻需水量呈现6.3 mm·10 a-1的下降趋势,需水量多年均值为543.3 mm;1959—1979年呈现幅度较小的减少趋势;1980—1994年呈现幅度较小增加趋势;1995年以后水稻需水量呈现幅度较小减少趋势,1959—2017年共出现6个突变点,突变点集中在1960—1970年及1990—2000年;最大需水量为695.3 mm,出现在1959年;最小需水量为428.0 mm,出现在1980年.冬小麦需水量以9.2 mm·10 a-1呈增加趋势,需水量均值为577.4 mm;1964—1976年呈幅度较小减少趋势;1977—2003年呈幅度较小增加趋势,在1988年出现1个突变点;2004年至今呈幅度较大的增加趋势;需水量最大值为685.5 mm,出现在2010年;需水量最小值为486.8 mm,出现在1971年.

图2 1959—2017年不同生长期作物需水量变化

Fig.2 Changes of crop water requirement at different growth stages from 1959 to 2017

图5为蚌埠市水稻和冬小麦需水量百分比图,如图5所示,1959—2017年蚌埠市冬小麦需水量比例与水稻需水量大致相当.其中1959年水稻需水量所占比例最大,为57%,2003年水稻需水量所占比例最小,为42%.二者比例整体呈增减交替趋势.

图3 1959—2017年蚌埠市主要作物需水量变化趋势(水稻、冬小麦)Fig.3 Water requirement trend of main crops in Bengbu City from 1959 to 2017 (rice and winter wheat)

图4 1959—2017年蚌埠市水稻、冬小麦需水量M-K检验Fig.4 M-K test of water requirement of rice and winter wheat in Bengbu City from 1959 to 2017

图5 1959—2017年蚌埠市2种主要作物需水量百分比Fig.5 Percentage of water requirement of two main crops in Bengbu City from 1959 to 2017

3.2 作物有效降水量分析

如图6所示,不同生长阶段水稻、冬小麦有效降水量的均值分别为179.6、105.1 mm,其中生育初期2种作物的有效降水量最高,生长中期和成熟期有所下降. 生长初期冬小麦的有效降水量为均值的198.6%,水稻的有效降水量为均值的213.2%,成熟期与生长中期有效降水量大量减少.

图6 1959—2017年不同生长期有效降水量变化

Fig.6 Diagram of effective rainfall variation in different growth periods from 1959 to 2017

通过对水稻和冬小麦的作物系数和需水量计算分析, 运用式(3)、式(4),可得蚌埠市2种主要作物1959—2017年有效降水量增减趋势图, 如图7和图8所示. 从年际变化来看,水稻变化趋势大于冬小麦变化趋势. 其中,水稻有效降水量以21.3 mm·10 a-1呈现较大幅度增加趋势,有效降水量多年均值为538.6 mm; 1959—1991年呈升降交替趋势; 1992—2007年呈小幅度增加趋势; 2008年至今呈小幅度减少趋势; 1966年有效降水量值最少,仅为178 mm ;2007年有效降水量最大,为943 mm; 1959—2017年共出现8次突变点, 突变点集中在1960—1970年及1985—1995年.冬小麦有效降水量以8.7 mm·10 a-1的幅度明显增加; 有效降水量多年均值为315.4 mm. 1959—1991年呈升降交替趋势,1992—2011年呈现小幅度减少趋势; 2010—2017年呈现小幅度增加趋势; 2010年有效降水量最低,为88 mm;1997年有效降水量最高,为597 mm; 1959—2017年共出现10次突变点,突变点集中在1980—1990年.

图7 1959—2017年蚌埠市主要作物有效降水量变化(水稻、冬小麦)Fig.7 Schematic map of effective rainfall change of main crops in Bengbu City from 1959 to 2017(rice and winter wheat)

图8 1959—2017年蚌埠市水稻、冬小麦有效降水量M-K检验Fig.8 M-K test of effective rainfall of rice and winter wheat in Bengbu City from 1959 to 2017

图9为蚌埠市水稻和冬小麦有效降水量百分比图,如图9所示,水稻有效降水量比例大于小麦有效降水量,水稻有效降水量约占二者之和的62%.其中1991年水稻所占有效降水量比例最大,为83%;1994年所占比例最小,为39%.

图9 1959—2017年蚌埠市2种作物有效降水量百分比变化Fig.9 Percentage change of effective rainfall of two crops in Bengbu City from 1959 to 2017

3.3 作物缺水量分析

图10为蚌埠市水稻和冬小麦不同生长期的缺水量变化示意图.不同生长期水稻和冬小麦平均缺水量分别为1.5和87.3 mm.生长中期水稻和冬小麦缺水量最多,分别为23.6和150.2 mm,分别是平均缺水量的1 573.3%和172.0%.水稻生长初期缺水量最小,缺水量为-22.8 mm,冬小麦成熟期缺水量最小为-8.2 mm.

图10 1959—2017年不同生长期作物缺水量变化

Fig.10 Changes of water deficit in different growingperiods from 1959 to 2017

依据式(5)计算1959—2017年蚌埠市缺水量,并做出作物缺水量变化图.结果如图11和图12所示.冬小麦的需水量远超过有效降水量,故冬小麦的缺水量大于0.水稻的不同生长期缺水量差距不大且缺水量都较小,需水量和有效降水量大致相当,大体上处于不缺水的状态.水稻缺水量整体以-27.5 mm·10 a-1呈小幅度下降的趋势,缺水量均值为4.7 mm;1959—1978年呈升降交替变化趋势;1979—1991年呈小幅度减少趋势;1993—2001年呈小幅度增加变化趋势;2002—2017年升降交替变化趋势;1959—2017年共出现14个突变点,突变点集中在1960—1975年及1985—1995年;最大缺水量为476.6 mm,出现在1966年;最小缺水量为-449.4 mm,出现在2007年.冬小麦缺水量整体上以0.5 mm·10 a-1呈小幅度增加的变化趋势,缺水量多年均值为262.0 mm;1959—1977年呈小幅度减少的变化趋势;1978—2004年呈小幅度增加的变化趋势;2004—2017年呈小幅度减少的变化趋势;1959—2017年共出现10个突变点,突变点集中在1960—1970年及1980—1995年;最大缺水量为597.5 mm,出现在2010年;最小缺水量为-51.4 mm,出现在1997年.

图11 1959—2017年蚌埠市2种主要作物的缺水量变化Fig.11 Schematic map of water shortage change of two main crops in Bengbu City from 1959 to 2017

图12 1959—2017年蚌埠市水稻、冬小麦缺水量M-K检验Fig.12 M-K test of water deficiency of rice and winter wheat in Bengbu City from 1959 to 2017

如图13所示,1959—2017年中水稻有29a处于不缺水状态,冬小麦仅2a处于不缺水状态.在小麦和水稻缺水的年份中,冬小麦缺水比例在1959—1970年之间呈小幅度增长;1971—1993年呈增减交替趋势;1994—2017年呈小幅度降低趋势;在1970年达到最大比例为99%;在1974年达到最小比例为28%.水稻缺水比例在1959年达到最大为75%;在1977年达到最小比例为5%.

图13 1959—2017年蚌埠市2种作物缺水量百分比Fig.13 Diagram of water deficiency percentage of two crops in Bengbu City from 1959 to 2017

4 结 论

1) 据作物需水量研究显示,近60a来蚌埠市水稻需水量呈不显著减少的变化趋势,冬小麦需水量呈不显著增加的变化趋势,冬小麦需水量均值大于水稻.其中水稻最大需水量为695.3 mm;最大比例为57%,出现在1959年;突变点集中在1960—1970年、1990—2000年.冬小麦最大需水量为685.5 mm,出现在2010年;需水量最大比例为58%,出现在2003年;在1988年出现突变点.从不同的生长期看作物需水量的变化,生长初期和成熟期水稻需水量大于冬小麦,生长中期冬小麦需水量大于水稻.

2) 据有效降水量研究显示,1959—2017年蚌埠市水稻与冬小麦的有效降水量都呈小幅度增加的变化趋势,天然降水量逐渐增加.水稻有效降水量均值大于小麦,其中水稻最大有效降水量出现在2007年,降水量为943 mm;最大降水比例为83%,出现在1991年;突变点出现在1960—1970年、1985—1995年.冬小麦的最大有效降水量出现在1997年,降水量为597 mm;最大降水比例为61%,出现在1994年;突变点集中在1980—1990年.从不同生长期看来,2种作物有效降水量峰值都出现在生长初期.

3) 作物缺水量研究表明,水稻缺水量呈下降趋势,冬小麦缺水量呈上升趋势,冬小麦缺水量均值大于水稻.水稻最大缺水量出现在1966年,缺水量为476.6 mm,最小缺水量出现在2007年,缺水量为-449.4 mm,最大缺水比例为75%,出现在1959年;突变点集中在1960—1975年、1985—1995年.冬小麦最大缺水量出现在2010年,缺水量为597.5 mm,最小缺水量出现在1997年,缺水量为-51.4 mm,最大缺水比例为99%,出现在1970年;突变点集中在1960—1970年、1980—1995年.水稻和冬小麦最大缺水量都出现在生长中期.