滇西玉米需水量變化及其氣象影響因子研究

賈晗思

（云南省保山市隆陽區氣象局 云南保山 678000）

玉米作為我國播種面積最大的糧食作物[1]，在農業生產中發揮著重要作用，近些年，玉米在工業、醫藥加工業等領域也有著廣泛運用[2]。 國內外研究表明，玉米產量受諸如氣溫、降雨、太陽輻射、水肥管理措施等諸多因子的影響[3]，氣象條件的年際變化是造成玉米產量年際波動的重要因素[4]。 近些年，人們對于氣候變化的關注逐漸增多， 氣候變化對農業的影響成了研究熱點， 加之目前全球水資源面臨的嚴峻形勢， 眾多學者也把關注點放在作物需水量計算及對氣候變化響應上來。

前人關于玉米需水量變化及其與氣象因子的關系研究已取得一定成果[5-6]。 賈英全等[7]研究發現，黑龍港流域夏玉米各生育期需水量均呈減少趨勢，氣象因子與夏玉米需水量顯著相關， 夏玉米生育期需水量減少的主要原因與日照時數減少有關。 蘇軍德等[8]的研究表明，不同生長階段的玉米需水量和缺水量均表現出明顯的差異， 生長發育期需水量和缺水量顯著高于其他時期，且甘肅省近50 年的玉米水分盈虧指數隨有效降水量的下降呈明顯的下降趨勢。Nie 等[9]研究發現，極端干旱年、干旱年、正常年和濕潤年四種水文年中，玉米需水量存在差異，在正常年份和濕潤年份不需進行灌溉， 而在極端干旱和干旱的年份灌溉是必要的。Qiao 等[10]根據氣象和農業觀測數據計算了內蒙古玉米種植區的有效降水量、 需水量和灌溉需水量，結果表明，玉米在每個生長期應適當補充灌溉，以確保玉米的正常生長。

為更好地了解滇西地區玉米需水量變化與氣象條件的相互關系，提高對自然降雨的利用率，科學合理利用水資源， 本研究根據保山市隆陽區多年氣象資料， 利用氣候趨勢分析法研究了各氣象要素變化趨勢， 明確隆陽區玉米全生育期需水規律及其主要影響氣象因子，探究滇西玉米水分供需變化規律，以期為當地玉米的高效生產提供理論依據， 為保障當地糧食安全、提高水資源利用效率、促進農業可持續發展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

玉米是云南省種植面積最大的糧食作物[11]， 保山市隆陽區是滇西主要的玉米種植區， 該區位于24°03′N、99°10′E，平均海拔1 653.5 m，年均降雨量約為963.8 mm，年均溫16.8℃，年均日照2 432.3 h，屬西南季風區亞熱帶高原氣候類型， 土壤類型以紅壤、紫壤土為主，有機質含量豐富。 2021 年保山市玉米種植面積168 萬畝， 占全市糧食種植面積的42.5%，玉米總產量73.2 萬t，其中隆陽區玉米種植面積為55.44 萬畝，玉米總產量30.91 萬t，占全市玉米產量的42.22%[12]。

1.2 資料來源

在本研究中， 氣象數據來源于保山市隆陽區氣象局，主要包含保山市1981-2021 年的降水、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數、平均氣壓、平均水汽壓、平均相對濕度和風速等；玉米生育期資料來源于保山市農業技術推廣中心及前人的研究文獻[13]。

1.3 計算方法

目前對參考作物蒸發蒸騰量（ET0）的計算主要是使用FAO 推薦的Penman-Monteith 方法， 該方法克服了其他計算方法 （太陽輻射法、Blaney-Criddle 公式及蒸發皿法等）參照作物騰發量偏高的問題，與單一作物系數法結合用以計算作物需水量及農作物或自然植被的耗水量[14]，同時利用氣候趨勢分析法研究各氣象要素變化趨勢。

1.3.1 參考作物蒸散量（ET0） 本研究采用FAO 推薦的Penman-Monteith 方法計算參考作物蒸發蒸騰量，具體計算公式如下[15]：

式中，ET0——參考作物蒸發蒸騰量，單位為mm/d；Rn——作物表面凈輻射量，單位為MJ/（m2·d）；G——土壤熱通量，單位為MJ/（m2·d）；T——2 m 高度處的日平均氣溫，單位為℃；U2——2 m 高度處的風速，單位為m/s；es——飽和水汽壓，單位為kPa；ea——實際水汽壓，單位為kPa；es-ea——飽和水汽壓差，單位為kPa；Δ——水汽壓曲線斜率，單位為kPa/℃；γ——濕度計常數，單位為kPa/℃。

1.3.2 作物系數（Kc） 作物系數表示參考作物蒸發蒸騰量和作物蒸發蒸騰之間的關系[16]。Kc的值隨作物及其生長階段、生長季節和主要天氣條件而變化。 云南省玉米作物系數平均為1.002，其中5 月苗期植株較小，葉面積指數低，作物系數小；6 月進入拔節期，玉米快速生長， 作物系數逐漸增大；7 月和8 月作物系數保持在較高水平；9 月后植株開始衰老， 葉片枯黃，作物系數逐漸降低。Kc的取值見表1[13]。

表1 玉米生育期及作物系數

1.3.3 作物需水量（ETc） 玉米需水量依據參考作物蒸發蒸騰量（ET0）乘以作物各生育期作物系數（Kc）確定，計算公式如下：

式中，ETc——作物需水量，單位為mm；ET0——參考作物蒸發蒸騰量，單位為mm；Kc——作物系數。

1.3.4 作物水分盈虧 （σ） 春玉米水分盈虧由降雨量減去需水量計算得出，具體計算公式如下[17]：

式中，σ——水分盈虧值，單位為mm；ETc——作物需水量，單位為mm；P——同期降雨量，單位為mm。

1.3.5 氣候傾向率 將某一要素年際間變化趨勢進行線性回歸方程分析，得到如下公式[7]：

式中，t——年份（t=1，2，…，n）；a0——回歸常數；a1——回歸系數，10a1表示氣候要素每10 年的氣候傾向率。

2 結果與分析

2.1 玉米需水量和缺水量年際變化

滇西地區玉米生育期一般為145 d 左右，1981-2021 年， 玉米平均生態需水量為687.0 mm， 需水強度為4.74 mm/d， 玉米需水量年際變化較小， 年最大需水量出現在2009 年， 為790.10 mm，2009 年為干旱年， 氣溫較高， 作物需水量較大； 年最小需水量出現在1985 年， 為597.83 mm， 年需水量基本在600～800 mm 范圍內波動。 保山地區降雨主要集中在7-8 月， 1981-2021 年， 玉米生育期內多年平均降雨量為691.91 mm，年最大降雨量出現在2001 年，為1 111.30 mm； 年最小降雨量出現在1998 年，為464.30 mm， 年需水量基本在400～1 200 mm 范圍內波動，年際變化較大（圖1）。

玉米水分盈虧由降雨量減去需水量計算得出。由圖1 可知，1981-2021 年， 保山市隆陽區玉米全生育期的水分盈虧平均為4.92 mm，玉米需水量與降雨量基本持平， 最大缺水年份出現在2009 年，2009 年由于出現干旱缺水最多，缺水量為224.70 mm；最大水分盈余出現在2001 年，2001 年降雨量最大， 水分盈余471.39 mm。 從近40 年隆陽區玉米需水量及水分盈余的年際變化來看， 玉米需水量隨時間變化呈緩慢下降趨勢，且年際變化較小，對玉米需水量趨勢進行線性擬合， 擬合方程為y=-0.489 6x+697.28，平均每10 年玉米需水量下降4.90 mm， 而水分盈虧值呈緩慢上升趨勢，且年際變化較大，對水分盈虧值趨勢進行線性擬合，擬合方程為y=1.165 1x+19.549，平均每10 年水分盈虧值上升11.65 mm，這與保山地區降雨量逐年上升有關。

圖1 1981-2021 年保山市隆陽區玉米需水量和水分盈虧變化曲線

2.2 玉米生育期需水量變化

圖2為隆陽區玉米全生育期日平均需水量，玉米生育期內的需水量總體呈現開口向下是拋物線趨勢，擬合方程為y=-0.000 1x2+12.993x-290.845，R2為0.573 1。 從玉米各生育期需水量來看（表2），5 月玉米處于苗期， 植株較小， 蒸騰作用較弱， 總需水量為118.63 mm；6 月玉米進入拔節期，玉米生長迅速，株高、葉面積快速增大，玉米耗水增多，總需水量為141.36 mm； 7-8 月為玉米的抽穗灌漿期， 蒸騰速率達到最大值， 耗水量達到高峰期， 需水量分別為146.84 mm 和145.44 mm，9 月玉米進入成熟衰老期，玉米葉片枯黃凋萎，玉米蒸騰作用減弱，耗水速率逐漸降低，需水量為108.56 mm。

圖2 春玉米全生育期日平均需水量變化

表2 玉米各生育階段需水量

2.3 玉米需水量與氣象要素的關系

圖3為隆陽區玉米全生育期氣象因子的變化特征，包括降雨量、氣溫、氣壓、地溫、日照時數和最大風速。由圖3（A）可知，隆陽區玉米生育期總降雨量多年平均值為691.91 mm，總降雨量隨年份呈緩慢上升趨勢，擬合方程為y=0.675 5x-659.74，10 年氣候傾向率為6.76 mm，玉米生育期總降雨量與玉米需水量的呈負相關， 但經檢驗， 相關性未達到顯著水平，在1981-2021 年， 有15 年玉米生育期降雨量高于多年平均值，其余25 年均低于平均值。 玉米全生育期多年平均氣溫為20.94℃，氣溫隨年份變化呈升高趨勢，擬合方程為y=0.040 7x-60.487，R2為0.670 7， 氣候傾向率為0.407℃/10 年，其中日平均氣溫與玉米需水量呈正相關，且相關性達到了顯著性水平。

由圖3（B）可知， 隆陽區全生育期多年平均氣壓為831.52 kPa， 氣壓隨年份變化呈升高趨勢， 擬合方程為y=0.008 1x+815.27， 10 年氣候傾向率為0.081 kPa，平均氣壓與玉米需水量呈負相關，但經檢驗，相關性未達到顯著水平。 玉米生育期地溫多年平均值為23.47℃，地溫隨年份呈上升趨勢，擬合方程為y=0.042 5x-61.584，R2為0.364 9，10 年氣候傾 向率為0.425℃，地溫與玉米需水量的呈負相關，但相關性未達到顯著性水平。

由圖3 （C） 可知， 隆陽區全生育期日照時數為157.11 h， 日照時數隨年份變化呈緩慢下降趨勢，擬合方程為y=-0.222 4x+602.2，氣候傾向率為2.22 h，日照時數與玉米需水量呈正相關， 相關性系數達0.992 且相關系數通過了0.01 的信度檢驗。玉米生育期最大風速多年平均值為7.4 m/s， 最大風速隨年份呈緩慢下降趨勢， 擬合方程為y=-0.007 1x+21.584，10 年氣候傾向率為0.071 m/s，最大風速與玉米需水量呈正相關，但相關性未達到顯著水平。

圖3 隆陽區玉米全生育期氣象因子變化特征

3 討論與結論

3.1 討論

作物需水量（ETc）在評估農業生態系統中相關的農業灌溉和作物水分脅迫方面發揮著重要作用，探索ETc 和氣象要素之間的關系將有助于最大限度地利用雨水資源，優化區域水資源的配置。 影響作物需水量的因素較復雜，包括作物特性、農業技術管理措施、土壤水分狀況等，本研究主要關注氣象要素對玉米需水量的影響，使用Penman-Monteith 公式和單一作物系數法對玉米需水量的時空變化進行了研究，通過有效降水量和ETc 之間的差異來指導農業用水管理， 同時利用氣候趨勢分析法研究了各氣象要素變化趨勢， 明確了滇西地區玉米全生育期需水規律及其主要影響氣象因子。

眾多學者也對玉米需水量及其影響因子進行了研究，袁宇霞通過ET0-Calculator 軟件對山西太谷區玉米需水量進行研究，結果表明，豐平枯3 種年型下玉米生育季的需水量存在較大差異[18]。 劉小剛等[19]研究了河南省主糧作物需水量變化趨勢并進行了成因分析，結果表明，氣溫、水汽壓、日照、最高氣溫、風速都對玉米需水量有影響。李尤亮等[20]對云南金沙江干熱河谷區夏玉米需水量的變化特征及氣候因素進行研究，結果表明，夏玉米全生育期平均需水量呈下降趨勢，下降幅度為0.584 mm/年，本研究中玉米需水量下降幅度為0.49 mm/年， 二者較為接近， 同時李尤亮等也發現了日照時數是夏玉米需水量的重要影響因子， 并認為日照時數減少是影響夏玉米需水量呈下降趨勢的主要因素。 賈秋蘭等[21]利用Penmen-Monteith 公式及作物系數法計算了夏玉米全生育期和各生育階段的需水量并運用線性趨勢分析、 相關系數等方法分析了需水量的時空分布特征及氣象影響因子，結果表明，1972-2014 年，邢臺地區夏玉米需水量呈下降趨勢， 夏玉米需水量和氣象因子的關系密切，其中日照時數和需水量呈最大正相關，這與本研究的結論一致。

研究發現保山地區年平均降雨量與玉米需水量幾乎持平， 正常年份和濕潤年份的降水量幾乎可以滿足玉米需水量，但降雨年際變化較大，加之降雨存在時空分布不均和降雨利用率不高等問題， 在降雨較少年份玉米生產會出現水分脅迫， 限制玉米產量的提高，因此為了保證玉米的穩產高產，在干旱年份需要進行補充灌溉， 以緩解因降水分布不均而造成的產量損失。

3.2 結論

研究發現， 保山地區玉米全生育期平均需水量呈下降趨勢，下降幅度為0.49 mm/年，在1981-2021的40 年中，超過一半的年份出現了缺水；玉米的日平均需水量呈開口向下的拋物線分布規律， 其中抽穗灌漿期為需水高峰期，是玉米旺盛生長階段，進入乳熟期后，玉米日需水量開始下降；玉米需水量與降雨量、地溫、氣溫、氣壓、風速和日照時數均存在一定的關系，但部分指標未達到顯著水平，其中日照時數對春玉米需水量的影響最大； 保山地區降雨存在時空分布不均和降雨利用率不高等問題， 在干旱年份需要進行補充灌溉。