农业作为国家社会经济发展的基础产业, 直接影响国家安全, 水资源则是影响农业发展的重要因素^[1]。甘肃省地处干旱区, 水资源短缺成为限制农业发展的首要因子^[2]。玉米是甘肃省主要的粮食作物, 2017年甘肃省玉米播种面积达到1.04×10⁴ km², 占全省农作物播种面积的27.84%^[3], 较大的玉米播种面积加剧了甘肃省水资源短缺, 因此精确量化玉米需水量和缺水量对农业水资源分配和农业发展具有重要意义^[4]。

目前, 我国农业灌溉用水占全国总用水量的70%以上, 农业用水量大且利用效率低成为阻碍我国农业发展的原因之一^[5]。如何确定农作物生长阶段的需水量与缺水量成为提高农业用水效率、节约水资源的首要问题。作物需水量是指生长在大面积上的无病虫害作物, 水分和肥力适宜时, 在给定的环境中能取得高产潜力的条件下为满足植株蒸腾和棵间蒸发所需要的水量^[6]。研究作物需水量与缺水量时空特征是确定作物灌溉制度的前提条件, 是农业灌溉工程设计的基本依据, 更是保证农作物健康生长和水资源合理利用的重要环节。国内外学者对农作物需水量做了较多研究。第一种是直接计算需水量的方法, 主要包括蒸发皿法(α值法)、产量法和多因素法等, 这些方法误差较大且不能计算各阶段作物需水量^[6]。第二种是通过参考作物需水量计算作物实际需水量的方法, 主要包括布莱尼-克雷多公式、水汽扩散法公式、波比文-能量平衡法和Penman-Monteith公式法等^[7-10], 其中Penman-Monteith公式法作为联合国粮食与农业组织(FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations)推荐的方法, 考虑了影响蒸散的大气物理特性和植物生理机制, 具有很好的物理基础, 被国内外学者广泛应用^[11-12]。第三种是运用遥感方法测定作物需水量^[13], 但是目前还处于探索阶段, 精度还未能达到实际要求^[14]。众多学者主要对农作物需水量进行了较多的研究^[15-24], 而农作物缺水量方面的研究并不多见, 因此本文基于1967—2017年甘肃省28个气象站点的逐日气象数据, 首先计算甘肃省28个气象站点玉米的全生育期需水量和各阶段需水量, 再根据全生育期有效降水量获得缺水量, 最后对甘肃省玉米需水量与缺水量进行时空分析, 以期为甘肃省农业发展和农业水资源合理分配提供科学依据。

1 研究区概况

甘肃省地处黄河中上游, 地理范围在32°31′—42°57′N和92°13′—108°46′E之间。位于黄土高原、青藏高原和内蒙古高原交汇地带, 东西长1655 km, 南北宽530 km, 总面积45.37×10⁴ km^2[25], 大致可以分为河西地区、陇中地区、陇东地区、陇南地区和甘南地区(图 1)^[26]。2017年, 河西、陇中、陇东、陇南和甘南地区玉米种植面积分别达到3010.4、2368.6、2751.0、1546.9 km²和739.2 km^2[3]；河西、陇中、陇东、陇南和甘南地区农田灌溉用水量分别为5.93×10⁹、1.50×10⁹、1.97×10⁸、2.66×10⁸ m³和3.17×10⁸ m³, 总体上河西地区农业用水以灌溉为主, 其他地区以降水补给为主^[27]。根据甘肃1967—2017年28个气象站点资料显示, 河西、陇中、陇东、陇南和甘南地区51年平均降水量分别为119.25、348.22、441.47、446.53 mm和457.03 mm。省内年平均气温在0—16℃之间, 年降水量在36.6—734.9 mm之间, 大致从东南向西北递减, 乌鞘岭以西降水明显减少, 属于温带大陆性气候^[28]。省内植被类型丰富多样, 自东南向西北依次为森林、草原和荒漠的水平分布类型, 高海拔地区, 植被的垂直地带性规律显著^[29]。甘肃省土壤类型丰富, 主要以黄绵土为主, 同时具有典型的垂直分布特征^[30]。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源

本研究采用国家气象信息中心(http://data.cma.cn/)发布的甘肃省28个地面气象观测站1967—2017年逐日气象数据, 气象要素包括平均气温(℃)、最低和最高气温(℃)、日照时数(h)、平均相对湿度(%)、平均风速(m/s)和降水量(mm)。

2.2 研究方法 2.2.1 玉米需水量

玉米需水量采用联合国粮食与农业组织(FAO)推荐的作物系数法计算^[11], 公式如下：

(1)

式中, ET_C为作物需水量(mm/d)；ET₀为某一生长阶段参考作物蒸散量(mm)；K_C为作物系数。

参考作物蒸散量(ET₀)采用1998年FAO推荐的Penman-Monteith公式计算^[11], 公式如下：

(2)

式中, Δ为饱和水气压曲线的斜率；R_n为作物表面上的净辐射(MJ m^-2 d^-1)；G为土壤热通量(MJ m^-2 d^-1)；γ为湿度计常数(kPa/℃)；u₂为2m高处的风速(m/s)；e_s为饱和水气压(kPa), e_a为实际水气压(kPa)。

作物系数(K_C)采用FAO推荐的分段单值平均法计算^{[11, 31]}。作物系数(K_C)受到作物高度和叶面积、作物对地面覆盖程度和气候等因素的影响。作物的不同的生长阶段, 作物需水量不同。因此FAO将作物生育期划分为四个不同的生长阶段：生长初期(作物播种到作物对地表的覆盖率达到10%为止, 该阶段的作物系数为K_cini)、生长发育期(作物对地表的覆盖率约10%到完全覆盖为止, 该阶段的作物系数从K_cini上升到K_cmid)、生长中期(作物对地表完全覆盖到开始成熟为止, 该阶段作物系数为K_cmid)和生长末期(作物开始成熟到收获或完全成熟为止, 该阶段作物系数从K_cmid下降到K_cend)^[11]。相关资料显示^[32], 甘肃省玉米在4月10日前后播种, 在9月25日前后收获, 全生育期达到169 d。其中生长初期、生长发育期、生长中期和生长末期分别为57、56、25、31 d。本研究根据甘肃省28个气象站点的气候数据运用分段单值平均法, 得到甘肃省28个站点的玉米作物系数(表 1)。

2.2.2 玉米缺水量

玉米缺水量等于玉米生育期的需水量与同时期的有效降水量之差^[33], 计算公式如下：

(3)

式中, W为玉米生育期总缺水量(mm)；n为玉米生育期日数(d)；ET_c为作物需水量(mm/d)；P_e为有效降水量(mm/d), 即降水量中主要提供给作物蒸腾的水量^[34]。

有效降水量(P_e)采用美国农业部土壤保持局(SCS, Soil Conservation Service)推荐的方法^[34-35], 其公式如下：

(4)

式中, P_e为有效降水量(mm/d), P为实际降水量(mm/d)。

2.2.3 线性倾向估计

将玉米生育期降水量、有效降水量、需水量和缺水量(y)的长期变化趋势采用线性回归方程分析, 其公式为：

(5)

式中, t为年份序号(t=1, 2, …, n)；b为常数；a为回归系数, 也称为倾向值, 其中若a>0, 则说明随着时间t的增加y呈上升趋势, 若a < 0, 则说明随着时间t的增加y呈下降趋势^[36]。

2.2.4 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall方法是一种非参数统计检验的方法^[37], 本研究借助MATLAB软件对甘肃省玉米全生育期的降水量、有效降水量、需水量和缺水量进行检验。得到正序曲线UF与逆序曲线UB, 当UF或UB值大于0时, 表明序列呈上升趋势, 相反, 表明序列呈下降趋势。当他们超过显著性水平线时, 则表明上升或下降趋势显著, 当UF与UB两条曲线出现交点时, 且交点在显著性水平线之间, 则表示该时刻为突变开始时刻。若交点位于显著性水平线之外, 或者存在多个明显交点, 则不能确定是否为突变点。若不能确定是否为突变点, 再用滑动t检验法(子序列最小取值为5年, 显著性水平为α=0.01)对可能存在的突变点进行验证^[36]。

2.2.5 空间插值

将得到的玉米全生育期内和各生长阶段的降水量、有效降水量、需水量和缺水量数据, 运用ArcGIS 10.2中的反距离权重插值方法(IDW, Inverse Distance Weighted)进行空间插值, 得到相应的空间分布。

3 结果与分析 3.1 时间变化 3.1.1 玉米全生育期需水量与缺水量年际变化

根据28个气象站点降水量和有效降水量得到甘肃省玉米全生育期的降水量和有效降水量。1967—2017年, 甘肃省玉米全生育期内的降水量在105.73—294.80 mm之间, 平均值为210.43 mm, 最小年份为2009年, 最大年份为1967年；有效降水量在80.17—144.22 mm之间, 平均值为113.21 mm, 最小年份为2009年, 最大年份为1967年(图 2)。降水量和有效降水量整体上呈现下降趋势, 两者都通过了α=0.05的显著性检验(表 2)。将玉米全生育期的降水量和有效降水量进行Mann-Kendall检验, 结果表明1967—2017年降水量整体呈现下降趋势；在2000年后, 降水量与有效降水量出现明显的下降趋势；其中两者的UF与UB曲线在1990年都出现交点, 且交点存在于显著性水平线之间, 表明玉米全生育期的降水量和有效降水量下降是突变现象, 突变开始的时间为1990年(图 3)。

根据28个气象站点需水量和缺水量得到甘肃省玉米全生育期的需水量和缺水量。1967—2017年, 甘肃省玉米全生育期的需水量在499.99—590.34 mm之间, 平均值为545.95 mm, 最小年份为1993年, 最大年份为1974年；缺水量在355.64—472.68 mm之间, 平均值为421.00 mm, 最小年份为1979年, 最大年份为1972年(图 2)。需水量与缺水量整体上处于上升趋势, 但未通过α=0.05的显著性检验, 属于正常波动(表 2)。将玉米全生育期的需水量和缺水量进行Mann-Kendall突变检验, 结果表明1967—1978年玉米需水量处于上升趋势, 1978—2014年处于下降趋势；UF与UB曲线存在4个交点, 交点位于1968年、1971年、1974年和2015年, 再经过滑动t检验, 最终确定1974年为突变点, 这表明1974年是玉米需水量由上升到下降的突变点(图 3)。

3.1.2 玉米各生长阶段需水量与缺水量年际变化

1967—2017年, 甘肃省玉米生长初期降水量在19.92—100.04 mm之间, 平均值为48.78 mm；有效降水量在15.14—49.31 mm之间, 平均值为28.64 mm；需水量在81.34—101.01 mm之间, 平均值为61.85 mm；缺水量在32.02—81.94 mm之间, 平均值为61.85 mm(图 4)。降水量与有效降水量均呈下降趋势, 但未能通过α=0.05的显著性检验, 变化趋势不明显；需水量与缺水量呈上升趋势, 但未能通过α=0.05的显著性检验, 变化趋势亦不明显(表 2)。

1967—2017年, 甘肃省玉米生长发育期降水量在31.43—170.03 mm之间, 平均值为85.08 mm；有效降水量在23.95—75.02 mm之间, 平均值为43.77 mm；需水量在196.86—250.40 mm之间, 平均值为224.47 mm；缺水量在127.13—215.90 mm之间, 平均值为180.70 mm(图 4)。降水量与有效降水量呈下降趋势, 通过了α=0.05的显著性检验, 下降趋势明显；需水量与缺水量呈上升趋势, 但未能通过α=0.05的显著性检验, 变化趋势不明显(表 2)。

1967—2017年, 甘肃省玉米生长中期降水量在14.83—74.95 mm之间, 平均值为40.58 mm；有效降水量在11.07—30.75 mm之间, 平均值为20.19 mm；需水量在124.53—167.86 mm之间, 平均值为141.97 mm；缺水量在96.10—146.51 mm之间, 平均值为121.78 mm(图 4)。降水量与有效降水量呈下降趋势, 通过了α=0.05的显著性检验, 下降趋势明显；需水量呈下降趋势, 缺水量呈现上升趋势, 两者均未能通过α=0.05的显著性检验, 变化趋势不明显(表 2)。

1967—2017年, 甘肃省玉米生长末期降水量在12.93—64.48 mm之间, 平均值为35.99 mm；有效降水量在7.84—36.17 mm之间, 平均值为20.62 mm。需水量在74.36—103.80 mm之间, 平均值为89.02 mm；缺水量在42.84—90.31 mm之间, 平均值为68.41 mm(图 4)。降水量、有效降水量均呈上升趋势, 但两者未能通过α=0.05的显著性检验, 变化趋势不明显；需水量呈上升趋势, 缺水量呈下降趋势, 但两者也未能通过α=0.05的显著性检验, 变化趋势亦不明显(表 2)

3.1.3 各站点玉米需水量与缺水量年际变化

1967—2017年, 甘肃省28个站点玉米全生育期的降水量倾向值在-4.52—0.59之间, 有25个站点处于下降趋势, 通过α=0.05显著性检验的有马鬃山、高台和武威等14个站点；有效降水量倾向值在-1.41—0.75之间, 有22个站点处于下降趋势, 通过α=0.05显著性检验的有武威、乌鞘岭和靖远等12个站点。综上所述, 甘肃省大部分站点玉米全生育期的降水量和有效降水量处于下降趋势, 且主要集中在陇中、陇南和陇东地区。1967—2017年, 甘肃省28个站点玉米全生育期需水量倾向值在-2.27—2.17之间, 有8个站点处于减少趋势, 其中通过α=0.05显著性检验的站点有安西、玉门镇、景泰和皋兰4个站点, 有20个站点处于上升趋势, 其中通过α=0.05显著性检验的站点有马鬃山、高台等10个站点；缺水量倾向值在-2.23—2.42, 有6个站点处于下降趋势, 通过α=0.05的显著性检验的有安西、玉门镇和景泰3个站点, 22个站点处于上升趋势, 通过α=0.05显著性检验的有马鬃山、高台等9个站点。综上所述, 甘肃省大部分站点玉米全生育期的需水量和缺水量都处于增加趋势, 主要集中在陇中和河西地区(图 5)。

3.2 空间分布 3.2.1 玉米全生育期需水量和缺水量空间分布

甘肃省28个站点中, 玉米全生育期51年的平均降水量在21.81(高台)—429.84(岷县) mm之间, 各站点51年的平均降水量为210.43 mm；全生育期51年平均有效降水量在16.24(高台)—229.65(岷县) mm之间, 各站点51年平均有效降水量为113.21 mm；全生育期51年平均需水量在367.08(甘南)—845.38(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均需水量为545.95 mm；全生育期51年平均缺水量在57.24(皋兰)—805.59(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均缺水量为421.00 mm。由以上可知, 甘肃玉米在全生育期都缺水, 并且河西地区缺水严重。整体上, 降水量和有效降水量从东南向西北减少, 两者大体上分布一致, 而需水量和缺水量则从东南向西北增加, 两者大体上分布一致；降水量、有效降水量、需水量和缺水量的空间差异明显(图 6)。

3.2.2 玉米各生长阶段需水量和缺水量空间分布

甘肃省28个站点中, 玉米生长初期51年平均需水量在57.50(甘南)—130.15(鼎新)mm之间, 各站点51年平均需水量为90.49 mm；玉米生长初期51年平均缺水量在-11.95(岷县)—125.40(鼎新) mm之间, 各站点51年平均缺水量为61.85 mm。整体上, 需水量和缺水量由西北向东南递减；在甘南和岷县部分地区降水量基本可以满足玉米需水量的要求, 其他地区需要进行人工灌溉, 尤其是河西地区。甘肃省28个站点中, 玉米生长发育期51年平均需水量在137.95(张掖)—344.62(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均需水量为224.47 mm；玉米生长发育期51年平均缺水量在61.69(甘南)—323.30(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均缺水量为180.70 mm。整体上, 需水量和缺水量由西北向东南递减。在玉米生长发育期, 降水量不能满足玉米生长的需求, 甘肃玉米在生长发育期全部缺水(图 7)。

甘肃省28个站点中, 玉米生长中期51年平均需水量在96.41(甘南)—222.47(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均需水量为141.97 mm；玉米生长中期51年平均缺水量在60.30(甘南)—95.53(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均缺水量为121.78 mm。甘肃省28个站点中, 玉米生长末期51年平均需水量在59.97(岷县)—149.95(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均需水量为89.02 mm；玉米生长末期51年平均缺水量在19.71(岷县)—146.10(马鬃山) mm之间, 各站点51年平均需水量为68.41 mm。玉米生长中期和生长末期的需水量和缺水量整体上都从西北向东南递减。在生长中期和生长末期, 降水量均不能满足玉米生长需求(图 7)。

4 讨论

本研究根据甘肃省28个气象站点1967—2017年的逐日气象数据, 运用FAO推荐的作物系数法, 首先计算了玉米全生育期的需水量, 其次根据玉米全生育期的有效降水量得出玉米缺水量, 最后对需水量和缺水量进行了时空分析。定量化分析甘肃省玉米需水量和缺水量, 可以为甘肃省农业发展提供科学的指导。

研究发现1967—2017年玉米全生育期的降水量呈下降趋势, 这与前人研究的结果大致相同^[38-39], 这表明甘肃省近年来, 降水量整体上呈现下降趋势是不争的事实。研究计算甘肃省51年玉米平均需水量为549.95 mm, 刘宏谊等人的研究结果认为1960—2000年甘肃省全生育期玉米平均需水量为526.00 mm^[40], 两者结果接近。肖俊夫等人的研究认为中国玉米需水量在400—700 mm之间^[41], 本文的研究结果也符合。河西、陇中、陇东、陇南和甘南地区51年需水量与缺水量整体上均无明显变化。河西地区51年需水量与缺水量分别围绕637.80 mm与550.11 mm上下波动；陇中地区51年需水量与缺水量分别围绕465.45 mm与313.42 mm上下波动；陇东地区51年需水量与缺水量分别围绕468.69 mm与338.13 mm上下波动；陇南地区51年需水量与缺水量分别围绕465.67 mm与302.63 mm上下波动；甘南地区51年需水量与缺水量分别围绕382.44 mm与171.18 mm上下波动, 整体上, 河西地区需水量与缺水量明显高于其他地区, 陇中、陇东和陇南地区需水量与缺水量接近, 甘南地区需水量与缺水量均为最少。相关研究表明需水量主要与相对湿度呈负相关关系, 与气温、日照时数和风速呈正相关关系^[5]。河西、陇中、陇东、陇南和甘南地区51年玉米全生育期内日平均相对湿度分别为45%、62%、62%、63%和69%, 日平均气温分别为17.41、14.82、17.21、19.53℃和12.07℃, 平均日照时间分别为9.1、7.2、7.1、6.8 h和6.6 h, 日平均风速分别为2.73、1.95、2.17、1.69 m/s和1.49 m/s, 在这种气象因素的影响下, 形成了甘肃省各片区需水量与缺水量分布格局。尽管陇中、陇东、陇南和甘南地区基本属于雨养农业区, 但是由于甘肃省降雨量的季节分配很不均匀, 降水主要集中在夏秋两季, 容易造成水土流失和洪涝灾害, 威胁农作物的生长, 因此导致这些地区的农业对水利灌溉设施十分依赖。

关于作物需水量的研究较为成熟, 有关作物缺水量的研究, 在国内并不多见。缺水量更能反映一个地区农作物全生育期内所需要的人工灌溉用水量, 本文利用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算缺水量, 可为甘肃省玉米精细化灌溉提供科学参考。但是在实际生产中, 降水的时间与作物需水时间不一定相同, 即玉米生长过程中需水与降水可能存在一定时差, 因此在指导农业生产的过程中, 既要合理的利用有效降水, 也要注重观察, 保证灌溉的时效性。本研究一方面未能考虑到自然降水形成的土壤底墒水对需水量的影响, 另一方面, 也未能将人工灌溉用水量在玉米生长过程中进行空间上的量化, 研究结果存在一定误差。为了更加合理的指导农作物精细化灌溉, 考虑土壤底墒水和人工灌溉用水量的影响是下一步研究的重要内容之一。

5 结论

1967—2017年甘肃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别为210.43、113.21、545.95 mm和421.00 mm。整体上甘肃省51年来玉米全生育期的有效降水量均小于玉米需水量；28个站点中, 51年来只有甘南和岷县两个站点的有效降水量能基本满足生长初期的玉米需水, 其他站点在任何生长阶段都不能满足玉米需水要求, 需要进行人工灌溉。甘肃省51年间玉米全生育期内的降水量和有效降水量整体上呈明显的下降趋势, 而需水量和缺水量没有明显的变化趋势, 属于正常的波动。

甘肃省河西地区需水量与缺水量明显高于其他地区, 陇中、陇东和陇南地区需水量与缺水量接近, 甘南地区需水量与缺水量最少。玉米全生育期的降水量和有效降水量在空间上由东南向西北减少, 而需水量和缺水量在空间上由东南向西北增加, 降水量和有效降水量与需水量和缺水量在空间上构成了一种相反的对应关系。这主要与甘肃省内相对湿度、气温、日照时数和风速的空间特征有关。