貴州烤煙需水量及灌溉需求指數特征

張 波, 裴興云, 曹 華, 古書鴻, 莫建國

(1.貴州省山地環境氣候研究所, 貴陽 550002; 2.貴州省氣象服務中心, 貴陽 550002;3.貴州省氣象信息中心, 貴陽 550002; 4.貴州省山地氣候與資源重點實驗室, 貴陽 550002)

作物需水量是進行農業水資源規劃的依據，也是水利工程規劃設計及節水農業研究中重要的參數，研究作物的需水規律是制定作物合理灌溉制度和作物水分科學管理的基礎[1]。烤煙作為貴州省重要的經濟作物之一，在國民經濟中占有重要地位，同時烤煙是一種需水量較多的作物，貴州降水資源相對豐富，但各產煙地區水資源時空分布嚴重不均，嚴重制約區域農業生產，因此明確貴州烤煙需水量及灌溉需求指數變化特征很有必要的現實意義[2]。

目前關于作物需水量和灌溉需求指數的相關研究已有報道，曹永強等[2]分析了氣候變化背景下遼西北春玉米生育期需水量，研究結果為遼西北春玉米種植的農業用水以及合理灌溉提供依據；邱美娟[3]、郭曉麗[4]等分析了吉林省和內蒙古玉米生長季水分虧缺指數的變化特征；龐艷梅等[5]、環海軍等[6]、陳超等[7]分別以不同地區的水稻、小麥等糧食作物作為研究對象，分析了生育期內有效降水量和需水量的變化規律。而針對烤煙需水量的研究一般是通過測定伸根期、旺長期和成熟期3個階段的需水量或需水模系數，來研究煙草不同時期的需水規律[8]，高曉麗等[9]在修文縣中心試驗站開展烤煙等相關作物需水規律與作物系數的研究，確定了烤煙不同生育階段的作物系數；冷璐等[10]通過田間試驗研究烤煙需水特征和各生育期土壤水分的動態變化，表明烤煙生長季內需水量具有明顯的階段性；陳佳勃[11]采用大田試驗法確定了烤煙各生育期的蒸散量，為優化煙田水分管理提供依據。對于大田試驗來說，方便、可操作性強，但容易忽略氣候因素的影響，尤其在氣候變化的大背景下，貴州氣溫逐漸升高，夏季降水顯著增加[12-13]，勢必會影響研究結果科學性和準確性。

因此本研究基于貴州省1961—2015年81個氣象觀測站逐日氣象資料，在前人研究基礎上，采用美國農業部土壤保持局推薦的有效降水量和聯合國糧食及農業組織(FAO)推薦的參考作物蒸散量分別計算研究區域內烤煙不同生育階段的有效降水量和需水量，并分析了烤煙不同生育階段灌溉需求指數的變化特征，以期為合理配置灌溉計劃和提高水資源的利用效率提供重要的參數，也為烤煙種植制定適應氣候變化措施提供科學的依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象數據來源于貴州省氣象信息中心。選取數據較完整的81個地面氣象觀測站1961—2015年逐日氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數等，氣象站點分布如圖1所示。

1.2 烤煙生育期

根據烤煙實際生產情況，并結合前人的研究結果[14]，確定貴州烤煙移栽期，見表1，烤煙的移栽期確定后，各生育期的時間長短基本穩定，將烤煙大田生育期(移栽至成熟采收)120 d，劃分為：伸根期(還苗到團棵)30 d、旺長期(團棵到現蕾)30 d、成熟期(現蕾到采收)60 d，以此計算各生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指數。

表1 貴州烤煙移栽期

1.3 有效降水量

有效降水量是指烤煙不同生育期內的降水量滿足其蒸發散、蒸騰需要的凈水量，是烤煙生育期內總降水量的有效部分，本研究中有效降水量是采用美國農業部土壤保持局推薦的方法，該方法是目前眾多的有效降水計算方法中得到公認和普遍推廣的方法之一[15-16]，公式如下所示

(1)

式中：Pe為有效降水量(mm/d)；P為日降水量(mm/d)。

1.4 作物需水量

烤煙生育期需水量計算模型如公式(2) 所示。

ETc=Kc·ET0

(2)

式中：ETc為烤煙需水量(mm/d)；Kc為作物系數；ET0為參考作物蒸散量，由FAO推薦的Penman-Monteith模型計算，如公式(3)所示。

(3)

式中：ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Δ為飽和水汽壓—溫度曲線斜率(kPa/℃)；Rn為作物表面的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T為2 m處的日平均氣溫(℃)；r為干濕表常數(kPa/℃)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；u2為2 m處的風速(m/s)。

烤煙作物系數參考高曉麗等[9]研究結果，并根據貴州當地氣候條件，對烤煙生育期作物系數進行修正，即：

Kc=Kc(Tab)+[0.04(U2-2)-0.004(RHmin-45)](h/3)0.3

(4)

式中：Kc為烤煙不同生育階段訂正后的作物系數；Kc(Tab)為烤煙不同生育階段標準條件時的作物系數；U2為2 m 高度處的日平均風速(m/s)；RHmin為日最低相對濕度的平均值；h為作物的平均高度(m)。

1.5 灌溉需求指數

為表征烤煙不同生育階段的水分盈虧程度，將灌溉需水量與需水量的比值定義為灌溉需求指數，見公式(5)。

(5)

式中：I為灌溉需求指數，表征農田濕潤程度和作物旱澇狀況，若I為正值，則表示作物需水量大于有效降雨量，說明有效降雨量不能滿足作物需水需求，若I為0或負值，則說明有效降雨能夠滿足作物需水需求；I值越高表明對灌溉的依賴程度越大，反之越小。

1.6 氣候傾向率

氣候傾向率表征表征氣象要素的變化趨勢，烤煙不同生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指數的氣候傾向率由最小二乘法計算得出，計算公式：

Yi=aXi+b(i=1,2,…,n)

(6)

式中：Yi為要素擬合值；Xi為時間序列；a為回歸系數；b為回歸常數。

1.7 空間插值

利用ArcGIS 軟件中的反距離權重插值方法(IDW)對各研究要素進行插值。

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段有效降水量、需水量和灌溉需求指數多年平均值變化特征見圖2。由圖2A可知，貴州烤煙伸根期有效降水量為26.9～75.4 mm，多年平均值為48.8 mm，最小值發生在2011年，最大值發生在1964年，有效降水量呈顯著遞減趨勢，通過α=0.01極顯著性檢驗，遞減速率為2.4 mm/10 a；需水量在51.9～78.8 mm，多年平均值為64.4 mm，最小值發生在1996年，最大值發生在1969年，烤煙伸根期需水量整體呈遞減趨勢，但遞減趨勢不顯著；灌溉需求指數變化范圍為-0.16～0.58，多年平均值為0.20，伸根期灌溉需求指數隨時間變化呈顯著遞增趨勢，遞增速率為0.035/10 a。

由圖2B可知，烤煙旺長期有效降水量變化范圍為45.2～88.9 mm，多年平均值為67.1 mm，最小值發生在2011年，最大值發生在1978年，隨時間變化呈遞減趨勢，遞減速率為0.4 mm/10 a；需水量變化范圍為85.2～122.8 mm，多年平均值為102.2 mm，最小值發生在2012年，最大值發生在1963年，整體呈弱遞減趨勢，氣候傾向率為0.51 mm/10 a；灌溉需求指數變化范圍為0.03～0.61，多年平均值0.32，其中1964年、1991年、2011年灌溉需求指數在0.5以上，表明旺長期間有效降水量不能滿足烤煙的需水量，旺長期灌溉需求指數隨時間變化呈遞增趨勢，遞增趨勢不顯著。

由圖2C可知，烤煙成熟期有效降水量變化范圍為66.4～167.6 mm，多年平均值為126.7 mm，最小值發生在2013年，最大值發生在1979年，成熟期有效降水量隨時間變化呈遞減趨勢，遞減速率為0.7 mm/10 a；需水量變化范圍為148.8～202.2 mm，多年平均值為173.3 mm，最小值發生在1998年，最大值發生在2013年，整體呈弱遞減趨勢，氣候傾向率為2 mm/10 a；灌溉需求指數變化范圍為-0.06～0.67，多年平均值0.26，其中僅1998年灌溉需求指數為負值，表明成熟期有效降水量可以滿足烤煙的需水量，1971年、1975年、1981年、2011年、2013年灌溉需求指數在0.5以上，從整體情況可以看出，成熟期有效降水量不能滿足烤煙的需水量，成熟期灌溉需求指數隨時間變化呈弱遞減趨勢。

圖2 烤煙不同生育階段有效降水量、需水量和灌溉需求指數多年平均值變化特征

由圖2D可知，烤煙整個大田生育期有效降水量變化范圍在152.8～284.8 mm，多年平均值為238.2 mm，最小值發生在2011年，最大值發生在1977年，大田生育期有效降水量隨時間變化呈遞減趨勢，遞減趨勢不顯著，遞減速率為3.4 mm/10 a；需水量變化范圍在332.5～412.6 mm之間，多年平均值為371.1 mm，最小值發生在1996年，最大值發生在1988年，整體呈遞減趨勢，氣候傾向率為2.6 mm/10 a；大田生育期灌溉需求指數變化范圍在0.18～0.62，多年平均值0.35，表明貴州烤煙大田生育期內有效降水量無法滿足烤煙需水量，且大田生育期灌溉需求指數隨時間變長呈遞增趨勢。比較烤煙各個生育期的有效降水量、需水量和灌溉需求指數可以發現，成熟期需水總量最大，旺長期平均日需水量最高，為3.4 mm/d。

2.2 有效降水量空間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段有效降水量多年平均值空間變化特征如圖3所示。從圖3A中可以看出，烤煙伸根期有效降水量空間變化范圍為30.4～60.1 mm，多年平均值為48.8 mm，空間分布特征顯著，自東向西呈遞減趨勢，中東部大部分地區有效降水量顯著高于西部地區；進入旺長期，圖3B所示，烤煙有效降水量空間變化范圍為57.4～86.7 mm，多年平均值為67.1 mm，空間分布較伸根期發生偏移，高值區域分布在畢節市南部及六盤水和安順市局地等區域，低值區域分布在黔西南州大部和遵義市局地等地；成熟有效降水量，圖3C所示，空間變化范圍為104～175.5 mm，多年平均值為126.7 mm，空間分布特征顯著，自東向西呈遞增變化趨勢，六盤水市、安順市西部和黔西南州西部有效降水量為146.9～175.5 mm，東部大部有效降水量為104.～118.3 mm；圖3D所示，整個大田生育期有效降水量空間變化范圍為209～296.8 mm，多年平均值238.1 mm，空間分布上，高值區域分布六盤水、安順市和黔西南州交匯處，變化范圍為261.7～296.8 mm，全省低值區域分布在遵義市大部和銅仁市東部有效降水量。

2.3 需水量空間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段需水量多年平均值空間變化特征如圖4所示。從圖4A中可以看出，烤煙伸根期需水量為52.5～88.1 mm，多年平均值為64.3 mm，空間分布特征顯著，自東向西呈遞增趨勢，東部大部分地區需水量為52.5～66.7 mm，西部需水量為73.8～88.1 mm左右；圖4B表明，旺長期需水量93.1～126.8 mm，多年平均值為102.1 mm，空間上呈現西南高、東北部低的空間特征，黔西南州大部分地區需水量在113.3～126.8 mm，遵義市和銅仁市大部、黔南州東部等地需水量在93.1～99.8 mm左右；圖4C表明，成熟期需水量變化范圍為152.8～198.9 mm，多年平均值為173.3 mm，空間分布較旺長期呈相反趨勢，高值分布在遵義市北部及銅仁市西部等地，變化范圍在180.5～198.9 mm，低值分布在畢節市西部及六盤水和黔西南州局地等區域，變化范圍為152.8～162.1 mm；圖4D表明，烤煙大田生育期需水量為336.2～425.3 mm，多年平均值為370.9 mm，空間分布上，高值分布在黔西南州大部等地，變化范圍為389.7～425.3 mm，低值區域分布在東部大部等地，變化范圍為336.2～371.9 mm。

圖3 烤煙生育期有效降水量多年平均值空間分布特征

2.4 灌溉需求指數空間變化特征

1961—2015年貴州烤煙不同生育階段灌溉需求指數多年平均值空間變化特征如圖5所示。伸根期灌溉需求指數(圖5A)，變化范圍為-0.14～0.68，多年平均值為0.20，空間上自東向西呈遞增趨勢，低值區域主要分布在東部邊緣等地，西部大部分區域灌溉需求指數在0.34～0.68之間，有效降水不能滿足伸根期需水量，對灌溉有一定的依賴性；圖5B可以看出，旺長期灌溉需求指數為0.12～0.53，多年平均值為0.32，空間分布上，灌溉需求指數高值分布在黔西南州大部，在0.46～0.53之間，六盤水北部和畢節市南部以及東部邊緣等地的灌溉需求指數較小，在0.12～0.28之間；圖5C可以看出，成熟期灌溉需求指數為-0.07～0.47，多年平均值為0.26，空間分布特征顯著，自西南向東北呈遞增的變化趨勢，遵義市大部、銅仁市東部和黔東南州東部的灌溉需求指數最高，為0.37～0.47，表明該區域的有效降水量無法滿足烤煙生育期的需水量；圖5D可以看出，烤煙大田生育灌溉需求指數為0.19～0.49，多年平均值為0.35，空間分布上，對灌溉依賴性較高的區域分布在遵義市大部、銅仁市西部、黔西南州南部等地，變化范圍為0.38～0.49，低值區域分布自六盤水市和安順市大部以及黔南州中部，變化范圍為0.19～0.31。

圖4 烤煙不同生育階段需水量多年平均值空間分布特征

圖5 烤煙不同生育階段灌溉需求指數多年平均值空間分布特征

3 結 論

本研究基于貴州省1961—2015年81個氣象觀測站逐日氣象資料，采用美國農業部土壤保持局推薦的有效降水量和FAO推薦的Penman-Monteith公式，分析了貴州烤煙不同生育階段的有效降水量、需水量和灌溉需求指數變化特征，結果表明：近55 a，貴州省烤煙伸根期、旺長期、成熟期和大田生育期有效降水量分別為26.9～75.4 mm，45.2～88.9 mm，66.4～167.6 mm，152.8～284.8 mm；需水量分別為51.9～78.8 mm，148.8～202.2 mm，85.2～122.8 mm和332.5～412.6 mm，以旺長期日均需水量最大；平均灌溉需求指數分別為0.20，0.32，0.26，0.35，有效降雨量無法滿足烤煙需求；烤煙不同生育階段有效降水量和需水量隨時間變化均呈遞減趨勢，伸根期灌溉需求指數呈遞增變化趨勢，其他生育期呈遞減趨勢；空間分布上，伸根期、旺長期灌溉需求指數自西南向東北遞減的變化趨勢，而成熟期和大田期呈相反趨勢。