柳州市甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)水分供求情況分析

黃維 李家文 吳炫柯 劉永裕 劉梅 唐國(guó)敏

摘要：利用柳州市8個(gè)氣象站1961—2014年的氣象資料，在考慮甘蔗作物系數(shù)的基礎(chǔ)上采用彭曼公式計(jì)算甘蔗需水量，結(jié)合生長(zhǎng)季內(nèi)的降水情況，分析柳州市甘蔗水分的供求情況。結(jié)果表明，甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余，水分虧缺情況主要發(fā)生在伸長(zhǎng)期后期和成熟期，其中以伸長(zhǎng)期后期最為顯著;柳州市甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，南部降水偏少而甘蔗需水量較大，是水分虧缺的主要地區(qū)，干旱風(fēng)險(xiǎn)最大，可為有關(guān)部門(mén)制定甘蔗的防旱減災(zāi)對(duì)策時(shí)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生育階段;降水量;甘蔗需水量;干旱;柳州市

中圖分類(lèi)號(hào)：S566.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）02-0088-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.020? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

廣西是中國(guó)甘蔗最大生產(chǎn)適宜區(qū)之一，年種植面積4.5×105～5.2×105 hm2，產(chǎn)糖量約占全國(guó)食糖總量的40%。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，制糖產(chǎn)業(yè)已成為廣西經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。但廣西90%以上的甘蔗種植在無(wú)灌溉條件的旱地上，甘蔗的水分主要來(lái)源于降水[1]。廣西是中國(guó)年降水量最豐富的省份之一，但因地處東亞季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，降水時(shí)空分布不均，季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生[2]。如果甘蔗遭遇春旱，會(huì)影響冬春甘蔗出苗，減少有效莖數(shù)，抑制苗期生長(zhǎng)[3，4];而秋季甘蔗正處于糖分積累的莖伸長(zhǎng)后期，如遭受干旱災(zāi)害，光合作用強(qiáng)度降低，呼吸作用加強(qiáng)，糖分含量降低，膠質(zhì)比例增大，出糖率和回收率就會(huì)下降，影響甘蔗的伸長(zhǎng)，甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)都將會(huì)大幅度下降[2，5]。

目前，關(guān)于廣西甘蔗干旱的研究已有報(bào)道，遙感、指標(biāo)指數(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建的甘蔗干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型也被廣泛地應(yīng)用于甘蔗干旱評(píng)估中。匡昭敏等[6]以干旱指數(shù)遙感監(jiān)測(cè)模型為工具，對(duì)甘蔗干旱進(jìn)行精細(xì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用效果較好;陸耀凡等[7]以甘蔗水分盈虧指數(shù)為指標(biāo)，指出近40年廣西右江河谷甘蔗的水分盈虧指數(shù)呈下降的變化趨勢(shì);莫建飛等[8]以甘蔗干旱災(zāi)害指數(shù)為指標(biāo)，構(gòu)建了廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱等級(jí)災(zāi)害空間分布模型，并得出甘蔗干旱災(zāi)害等級(jí)在水平分布上由北向南、由東向西逐漸遞增的結(jié)論;盧小鳳等[9]結(jié)合甘蔗需水量的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)中度和重度干旱的高發(fā)區(qū)主要位于桂中和桂東北甘蔗區(qū)，且20世紀(jì)90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度總體呈增加和加重趨勢(shì)。以上學(xué)者采用不同方法研究甘蔗干旱，為甘蔗防旱避災(zāi)工作提供了科學(xué)依據(jù)。

柳州市處于桂中甘蔗區(qū)，是廣西甘蔗的主產(chǎn)區(qū)之一。由于受熱帶海洋氣團(tuán)和極地大陸氣團(tuán)的交替控制，柳州市冬冷夏熱，雨熱同季，受降水空間分布不均和灌溉條件的限制，干旱災(zāi)害成為制約該市甘蔗生產(chǎn)發(fā)展的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。目前，關(guān)于柳州地區(qū)的干旱研究多數(shù)基于降水資料[10，11]，缺乏對(duì)作物需水量的考慮，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)效果缺乏針對(duì)性。因此，本研究結(jié)合甘蔗作物系數(shù)，利用彭曼公式計(jì)算甘蔗作物需水量，分析柳州市甘蔗在不同生育階段需水量和降水量的時(shí)空分布特征以及供求關(guān)系，旨在為柳州市甘蔗的生產(chǎn)發(fā)展和合理布局提供科學(xué)參考。

1? 數(shù)據(jù)與方法

1.1? 研究區(qū)概況

柳州市地處桂中北部，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，由于受季風(fēng)環(huán)流影響，夏半年盛行偏南風(fēng)，高溫、高濕、多雨，冬半年盛行偏北風(fēng)，寒冷、干燥、少雨。夏長(zhǎng)冬短、雨熱同季，光、溫、水氣候資源豐富，但地區(qū)差異較大，北部各縣具有較明顯的山地氣候特征。柳州市共有8個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站。

1.2? 數(shù)據(jù)來(lái)源

從柳州市氣象局獲取柳江、鹿寨、柳州、沙塘、柳城、融安、融水和三江共8個(gè)氣象站1961—2014年逐日氣象資料，包括平均溫度、最高溫度、最低溫度、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速、水氣壓等;甘蔗發(fā)育期資料主要來(lái)源于柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站;地理輔助數(shù)據(jù)主要包括柳州市矢量邊界。

1.3? 研究方法

1）生育期劃分。將甘蔗生育期劃分為4個(gè)主要生育階段，即幼苗期、分蘗期、伸長(zhǎng)期、成熟期。根據(jù)柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站2003—2013年甘蔗生育期觀測(cè)資料，并參考文獻(xiàn)[12]，綜合得出甘蔗整個(gè)生長(zhǎng)季平均需要24旬，本研究以3月下旬作為甘蔗生長(zhǎng)季的第一旬，11月上旬作為甘蔗生長(zhǎng)季的最后一旬，并將各旬劃入對(duì)應(yīng)的生育階段內(nèi)，如表1所示。

2）甘蔗需水量計(jì)算。甘蔗需水量由公式（1）計(jì)算而得，其表達(dá)式如下：

式中，ETc為甘蔗需水量（mm）;Kc為甘蔗作物系數(shù);ETo為參考作物蒸發(fā)量（mm）。ETo由彭曼公式計(jì)算而得，其計(jì)算方法如下：

式中，ETo為作物參考蒸散量（mm/d）;Δ為飽和水氣壓曲線斜率（kPa/℃）;Rn為地表凈輻射

[MJ/（m·d）];G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）];γ為干濕表常數(shù)（kPa/℃）;Tmean為日平均氣溫（℃）;u2為2 m高處風(fēng)速（m/s）;es為飽和水氣壓（kPa）;ea為實(shí)際水氣壓（kPa）。

甘蔗作物系數(shù)是計(jì)算甘蔗需水量的重要參數(shù)，它反映了甘蔗本身的生物學(xué)特性、產(chǎn)量水平以及土壤耕作條件對(duì)作物需水量的影響[13]，為了得到甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)每旬作物系數(shù)，參考文獻(xiàn)[12]，并結(jié)合南寧市氣象站對(duì)應(yīng)時(shí)段的氣象資料，利用實(shí)測(cè)甘蔗需水量（ETc）與參考作物蒸發(fā)量（ETo）的比率計(jì)算生長(zhǎng)季內(nèi)各旬甘蔗需水量的作物系數(shù)，即：

Kc計(jì)算結(jié)果。Kc范圍在0.6～2.8，在伸長(zhǎng)期時(shí)Kc較高，處于1.0～2.8，在幼苗期和成熟期Kc較低，都在1.0以下。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 甘蔗需水量與降水量的時(shí)間變化

柳州市甘蔗1961—2014年各旬平均需水量和降水量隨時(shí)間的變化。甘蔗需水量隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈先增后減的變化趨勢(shì)，需水量在幼苗期變化較為平緩，并維持在20 mm以下，在分蘗期迅速增加，分蘗末期接近100 mm，伸長(zhǎng)期需水量又下降，在第12旬時(shí)才開(kāi)始上升，第13旬時(shí)達(dá)到需水量的第二個(gè)峰值點(diǎn)，為96 mm，此后開(kāi)始快速下降，該趨勢(shì)一直延續(xù)到成熟期。在幼苗期和分蘗期，降水量遠(yuǎn)高于甘蔗需水量，因此，在這兩個(gè)生育階段甘蔗干旱風(fēng)險(xiǎn)較小，而在伸長(zhǎng)期和成熟期，甘蔗需水量和降水量曲線存在多個(gè)交點(diǎn)。從總水量來(lái)看，甘蔗在伸長(zhǎng)期和成熟期總需水量分別為677、87 mm，而對(duì)應(yīng)的總降水量分別為590、99 mm。甘蔗在伸長(zhǎng)期時(shí)處于水分虧缺狀態(tài)，而在成熟期降水量基本滿足甘蔗需水量，因此，甘蔗在伸長(zhǎng)期最易遭受干旱威脅。甘蔗的伸長(zhǎng)期一般從6月下旬開(kāi)始，10月上旬結(jié)束，6、7、8月降水量豐富，而到9、10月降水開(kāi)始減少，因此，甘蔗干旱主要發(fā)生在伸長(zhǎng)期后期。

2.2? 甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)降水量的空間分布

甘蔗各生育階段1961—2014年平均降水量的空間分布。研究區(qū)在幼苗期的降水量處于225～342 mm，平均降水量為274 mm，空間差異明顯，從西南向東北遞增，柳江區(qū)、柳城縣降水量相對(duì)較少，降水量高值區(qū)集中在融安縣境內(nèi);在分蘗期降水量處于306～460 mm，平均降水量為307 mm，空間差異明顯，總體表現(xiàn)為北多南少，柳城站降水量相對(duì)較少，為307 mm，降水量高值區(qū)集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，其中融安站降水量最多，達(dá)459 mm;在伸長(zhǎng)期降水量處于528～708 mm，平均降水量為589 mm，空間差異明顯，總體表現(xiàn)為北多南少，柳城站降水量仍最少，為528 mm，降水量高值區(qū)仍集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，但高值中心較幼苗期和分蘗期向西偏移，其中融水站降水量最多，達(dá)699 mm;在成熟期降水量處于90～124 mm，平均降水量為101 mm，是降水量最少的生育階段，空間分布與前三個(gè)生育階段基本一致，柳城站降水量仍最少，為90 mm，降水高值區(qū)仍集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，其中融安站降水量最多，達(dá)124 mm。

2.3? 甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)需水量的空間分布

甘蔗各生育階段1961—2014年平均需水量的空間分布。研究區(qū)甘蔗在幼苗期需水量處于80～91 mm，表現(xiàn)為南多北少的空間格局，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量都在90～91 mm，三江縣甘蔗需水量最少，在80～81 mm;在分蘗期需水量處于185～222 mm，空間差異明顯，但空間變化趨勢(shì)與幼苗期基本一致，都為南多北少，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量都在215～222 mm，三江縣甘蔗需水量最少，在185～191 mm;在伸長(zhǎng)期需水量處于619～727 mm，空間差異明顯，整體表現(xiàn)為南多北少，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量最大，在697～727 mm，三江縣甘蔗需水量仍最少，在619～636 mm，南北需水量差異最大達(dá)108 mm;在成熟期需水量處于69～102 mm，空間差異明顯，南多北少，鹿寨縣大部分區(qū)域需水量較大，在99～102 mm，三江縣甘蔗需水量仍最少，在69～74 mm。

2.4? 甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)降水量與需水量差的空間分布

1961—2014年甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)降水量與需水量差的空間分布。在幼苗期和分蘗期研究區(qū)降水量都遠(yuǎn)高于甘蔗需水量，因此發(fā)生甘蔗干旱災(zāi)害的概率較低，而在伸長(zhǎng)期和成熟期研究區(qū)南部有較大區(qū)域都處于水分虧缺狀態(tài)，是甘蔗干旱發(fā)生的重點(diǎn)時(shí)期。從伸長(zhǎng)期降水量與甘蔗需水量差的空間分布可知，僅融水縣和融安縣小部分區(qū)域降水量能滿足甘蔗需水量需求，其他地區(qū)表現(xiàn)為不同程度的水分虧缺狀況，研究區(qū)南部表現(xiàn)得最為明顯，水分虧缺最嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在柳州市區(qū)、鹿寨縣南部和柳城縣中部，虧缺量在132.3～192.7 mm。從成熟期降水量與甘蔗需水量差的空間分布可知，鹿寨縣、柳江區(qū)中部處于水分虧缺狀態(tài)，但虧缺量不大，在10.1 mm以下，研究區(qū)其他區(qū)域都能滿足甘蔗需水量，三江縣、融安縣北部和融水縣西部盈余量在26.6～41.7 mm，其他地區(qū)盈余量較低。

2.5? 甘蔗需水量的年際變化

1961—2014年甘蔗在不同生育階段需水量的年際變化。幼苗期時(shí)甘蔗需水量范圍在65.7～102.4 mm，年均需水量為85.9 mm，年際波動(dòng)性較大，甘蔗需水量在1961—1991年時(shí)緩慢微下降趨勢(shì)，之后開(kāi)始上升，呈一個(gè)開(kāi)口朝下的拋物線;分蘗期甘蔗需水量范圍在162.1～282.8 mm，年均需水量為206.1 mm，相比而言，1961—1971年甘蔗需水量偏多，并于1964年左右時(shí)達(dá)到最高，之后開(kāi)始遞減，1977年后變化趨于平緩;伸長(zhǎng)期甘蔗需水量范圍在547.4～777.9 mm，年均需水量為677.2 mm，波動(dòng)性較大，變化趨勢(shì)大致可從兩個(gè)階段進(jìn)行分析，即1961—1981年和1982—2009年，以上兩個(gè)階段都表現(xiàn)出先減后增的變化趨勢(shì)，1961—1981年階段，1970年附近時(shí)需水量達(dá)到最低，而1982—2009年階段，1998年附近時(shí)需水量達(dá)到最低;成熟期甘蔗需水量范圍在63.0～131.8 mm，年均需水量為87.7 mm，雖然需水量在該生育階段波動(dòng)性較大，但未表現(xiàn)出明顯的變化。

2.6? 甘蔗降水量與需水量差的年際變化

1961—2014年甘蔗在不同生育階段降水量與需水量差的年際變化。幼苗期降水量與甘蔗需水量之差在15～389 mm，都處于水分盈余狀態(tài)，并于1996年時(shí)水分盈余量達(dá)到最高，為389 mm;分蘗期降水量與甘蔗需水量之差在 -193～528 mm，大部分年份都處于水分盈余狀態(tài)，水分虧缺年份僅有5年，即1963、1964、1970、1988、1996年，占所有研究年份的9.3%，但1964、1970和1966年水分虧缺量相對(duì)較低;伸長(zhǎng)期降水量與甘蔗需水量之差在-427～430 mm，水分虧缺年份居多，占所有研究年份的66.7%，虧缺年份的水分/虧缺平均量為213 mm，其中，1985年水分虧缺量最大，達(dá)427 mm;成熟期降水量與需水量之差在-120～164 mm，水分虧缺年份仍居多，占所有研究年份的53.7%，虧缺年份的水分虧缺平均量為42 mm，其中，1974年水分虧缺量最大，達(dá)120 mm。

3? 討論

根據(jù)盧小鳳等[9]研究，甘蔗在柳州縣、來(lái)賓市等地發(fā)生中度干旱和重度干旱的概率較高，且集中在9月到10月。本研究得出，柳州市甘蔗水分虧缺地區(qū)主要集中在柳州市南部，以伸長(zhǎng)期后期最為嚴(yán)重，這與盧小鳳[9]等的研究基本一致。通過(guò)對(duì)柳州市甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)降水量和需水量分析可知，研究區(qū)降水呈現(xiàn)出明顯的空間差異，南少北多，降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，而柳州市南部氣溫高于北部，導(dǎo)致蒸發(fā)量較大，甘蔗需水量卻呈現(xiàn)出明顯的南多北少的空間格局，與降水量的空間分布剛好相反，這是導(dǎo)致柳州市南部甘蔗水分虧缺的主要原因。此外，本研究得出，研究區(qū)甘蔗在幼苗期和分蘗期基本都處于水分盈余狀態(tài)，與莫建飛等[8]關(guān)于廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱研究差異較大，這可能與選取的研究方法和研究區(qū)大小有較大的關(guān)系。隨著全球變暖的進(jìn)一步加劇，降水時(shí)空分布發(fā)生了巨大的變化，盧小鳳等[9]研究指出，在氣候變化背景下，20世紀(jì)90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度總體呈增加和加重趨勢(shì)，一些年份秋季干旱日數(shù)增加，本研究通過(guò)對(duì)甘蔗伸長(zhǎng)期水分供求情況的年際分析可知，甘蔗水分虧缺狀況主要集中在1976—1991和2000—2014年這兩個(gè)時(shí)間段，但未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。

本研究借鑒前人研究結(jié)果，得出一套甘蔗作物系數(shù)，但該參數(shù)仍需進(jìn)一步本地化，以增強(qiáng)其在研究中的準(zhǔn)確性和代表性。關(guān)于甘蔗干旱的計(jì)算方法很多，本研究?jī)H從降水量與需水量之差的角度來(lái)分析甘蔗在不同生育階段的水分盈余狀態(tài)，口徑較粗，因此，在今后的研究中應(yīng)采用多種方法進(jìn)行分析，在時(shí)間尺度上細(xì)分到旬，并充分考慮水分前期的累積效應(yīng)，從而得到更加精確和準(zhǔn)確的甘蔗水分盈余情況。

4? 結(jié)論

本研究以彭曼公式為工具，結(jié)合甘蔗作物系數(shù)計(jì)算出柳州市甘蔗需水量，并分析其生長(zhǎng)季內(nèi)的水分供求情況。研究區(qū)甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余，水分虧缺情況主要發(fā)生在伸長(zhǎng)期后期和成熟期，其中以伸長(zhǎng)期后期最為顯著。柳州市甘蔗生長(zhǎng)季內(nèi)降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，南部降水偏少且甘蔗需水量較大，是水分虧缺的主要地區(qū)，干旱風(fēng)險(xiǎn)最高。研究結(jié)果可為有關(guān)部門(mén)合理安排種植布局、制定科學(xué)灌溉用水調(diào)配計(jì)劃提供科學(xué)參考。

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