Spatial and temporal distribution of water requirements and irrigation requirements of spring maize in Northeast China
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摘要: 为分析东北地区春玉米需水量与缺水量时空分布特征, 本研究以东北地区为区域界限, 以水资源三级分区结果为基础, 要求每个水资源三级分区至少有一个代表点, 依据东北地区1951—2020年(70 a)分布于东北地区26个站点历年的试验统计资料, 从不同水文年型春玉米的需水量、有效降雨量和缺水量计算入手, 确定东北地区春玉米在不同水文年型下的需水量和缺水量数据, 以建立东北地区春玉米节水灌溉发展所需的基础数据库; 利用GIS技术对作物需水要素进行空间化处理并加以分析。结果表明: 1)各年型间春玉米需水量相差超过22 mm, 各年型的春玉米平均灌溉需求指数分别为0.37 (丰水年)、0.44 (平水年)、0.50 (枯水年)和0.55 (特枯水年); 2)春玉米缺水量由东北向西南呈先增大再减小的趋势, 同一水文年型对应的缺水量西高东低; 春玉米需水量由东北向西南逐渐增大, 同一水文年型对应的需水量西南部较大、东北部较小; 同一地域春玉米需水量和缺水量均随干旱程度的升高(即经验频率增加)而增大。研究区域西部地区(内蒙古东部、黑龙江西南部、辽宁西北部)对灌溉的依赖程度最高, 需要超过300 mm的灌溉水来保障春玉米的生产, 必要时应适当调整种植结构、采用非充分灌溉制度, 优先保证春玉米需水关键期的用水; 辽东地区春玉米的需水量较高, 但降雨充足, 故缺水量和灌溉需求指数均低于平均水平, 可以适度扩大春玉米种植面积, 以最大化利用降雨并实现增产增收。Abstract: Spring maize is one of the main grain crops grown in Northeast China. Drought and flood disasters frequently occur with irrational irrigation in this region; therefore, it is important to develop a rational irrigation system for spring maize production. In this study, the spatiotemporal distribution of water demand and shortage of spring maize in Northeast China was analyzed based on 70 years of experimental statistics from 26 stations in Northeast China, and crop water requirements were spatialized and analyzed using GIS technology. The results revealed the following: 1) the difference in water demand of spring maize was over 22 mm among wet, normal, dry, and extremely dry years, and the irrigation demand indices were 0.37, 0.44, 0.50, and 0.55, respectively. 2) Water shortages for spring maize first increased and then decreased from the northeast to the southwest, and the water shortage in the same hydrological year was higher in the west and lower in the east. The water requirements of spring maize increased gradually from the northeast to the southwest, and water requirements in the same hydrological year were higher in the southwest and lower in the northeast. Water requirements and shortages increased with increasing drought degree in the same region. The western region of the study area had the highest degree of dependence on irrigation, requiring long-term irrigation to ensure spring maize production. The planting structure should be adjusted appropriately and an inadequate irrigation system should be adopted to ensure water supply to spring maize during the critical period of water demand. Water requirements for spring maize were higher in eastern Liaoning, whereas water shortage and irrigation demand indices were lower than average because of abundant rainfall. Spring maize planting areas can be moderately expanded to maximize the use of rainfall and increase crop production and income.
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东北地区是我国的商品粮基地, 春玉米(Zea mays)是该地区主要粮食作物之一[1], 目前春玉米播种面积达600多万hm2, 产量近4000万t, 在保障国家粮食安全方面作用重大[2]。松辽流域1994—2002年平均用水量583.82×108 m3, 其中农业用水占70.3%[3]。春玉米需水主要来自降雨和灌溉水。东北地区降雨量时空差异很大, 且由于气温不断升高, 东北地区的降水量有减少趋势, 因此, 气候干旱和水资源短缺已成为东北地区春玉米产量提高的主要限制因素。仅依靠雨养条件无法保障春玉米的高产稳产[4], 而不合理的灌溉制度亦使得该区域频繁遭受旱涝灾害。因此, 为春玉米生产制定合理灌溉制度的需求逐渐凸显。作物需水量与缺水量作为制定灌溉制度时不可或缺的重要参数, 研究其数量大小及其在时间和空间上的变化, 对制定水资源最优分配策略以及灌溉系统日常运行管理至关重要[5]。
作物需水量的计算方法目前已较为成熟, 使用最为广泛的是世界粮农组织推荐的Penman-Monteith公式与作物系数相结合的方法。许多学者使用该方法对区域尺度不同作物需水量时空变化进行了相关研究。作物缺水量的确定有赖于作物需水量与降雨量的确定, 通过有效降雨量与需水量差值计算作物缺水量, 已在众多研究区得到了较好的实践[4,6-9]。20世纪80年代, 茆智等[6]基于Penman-Monteith公式绘制出了全国作物需水量等值线图; 随后陈玉民等[7]依据春玉米需水量与生育期内有效降雨量平衡计算并绘制出了我国春玉米多年平均缺水量等值线图; 肖俊夫等[4]在此基础上从灌溉的角度将全国春玉米带进行分区, 并针对不同分区春玉米灌溉制度进行了分析与研究。以上研究大都基于20世纪80年代的灌溉试验数据, 随着品种更替和种植模式变化, 目前已不具代表性。为此, 高晓容等[8]研究了东北地区1961—2010年玉米生育阶段旱涝时空变化, 但其研究未涉及需水量和缺水量的空间变化趋势。由于天然降水是个随机变量[10], 故作物的灌溉定额也有水文年型的概念, 从而灌溉制度也有水文年型的概念[11]。如曹大禹等[12]以华北地区为研究范围, 对几个典型水文年型下冬小麦(Triticum aestvium)和夏玉米的需水量和缺水量进行了计算, 但仅确定不同水文年型下的作物缺水量空间分布, 对区域整体灌溉需求程度缺乏量化。实际工作中, 可通过灌溉需求指数来量化不同水文年型下作物对灌溉的需求程度, 进而有效指导灌溉[13]。目前针对东北地区不同水文年型下灌溉需求指数的变化研究鲜有报道。
本研究依据东北地区1951—2020年(70 a)分布于东北地区26个站点的试验统计资料, 从不同降水年型的春玉米需水量、有效降雨量和缺水量入手, 计算东北地区春玉米在不同水文年型的需水量和缺水量数据, 建立东北地区节水灌溉发展所需的基础数据库; 并通过灌溉需求指数衡量不同水文年型春玉米对灌溉的依赖程度, 利用GIS技术对作物需水要素进行空间化处理, 进而准确地描述研究区域需水量及水分亏缺状况的时空分布状况。研究结果可为中国东北地区水资源的最优分配及相关灌溉制度的制定提供参考, 有助于对灌溉工程的规划与设计以及对农田水资源的科学管理, 同时也为东北地区节水灌溉的可持续与稳定发展提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
东北农业区是中国主要农业中心之一, 根据国家统计局数据[14], 该区耕地面积约为3.24×107 hm2, 占全国总耕地面积的24.07%, 有效灌溉面积约为1.34×107 hm2, 占全国有效灌溉面积的19%左右。该区域以半湿润半干旱与干旱气候为特点, 环境受人类活动影响较大。年平均降雨量为260~1100 mm, 且从东到西递减; 年平均蒸发量为500~2500 mm, 且从东北向西南递增; 春旱十分严重, 干旱持续时间较长, 这已成为粮食稳产的主要限制因素。
1.2 数据来源
本研究气象资料取自国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/), 根据水利部水资源北部分区图, 综合考虑区域地形条件的变化、代表点的位置、可获得的气象数据等因素, 共选取26个气象站的数据纳入本研究, 具体分布如图1所示。
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图 1 研究区域和观测站点分布图Figure 1. Study area and distribution of observation stations in the study area1.3 研究方法
1.3.1 作物需水量计算模型
本文按照生育期有效降水量来确定4种典型水文年[15], 分别选取经验频率P=25%、P=50%、P=75%和P=95%时所对应的有效降雨量作为丰水年、平水年、枯水年和特枯水年; 然后利用皮尔逊-Ⅲ型曲线和联合国粮农组织(FAO)推荐的最新版本Penman-Monteith模型确定26个代表点的参考作物需水量值, 得出各代表点的逐年参考作物需水量值; 最终通过参考作物法来计算作物需水量, 计算公式如下[7]:
$$ {\rm{ET}}_{{\rm{c}}} = {\rm{ET}}_{0}\times K_{{\rm{c}}} $$ (1) 式中: ETc为作物需水量(mm∙d−1);
$ {K}_{{\rm{c}}} $ 为特定生长阶段的作物系数, 使用FAO建议的“分段单值平均法”[16]进行计算; ET0为参考作物需水量(mm∙d−1), 亦采用FAO推荐的计算方法即Penman-Monteith模型计算, 计算公式如下:$$ {\mathrm{E}\mathrm{T}}_{0}=\dfrac{0.408\times \varDelta \times ({R}_{\mathrm{n}}-G)+\gamma \times \dfrac{900}{T+273}\times {U}_{2}\times ({e}_{\mathrm{s}}-{e}_{\mathrm{a}})}{\varDelta +\gamma \times (1+0.34\times {U}_{2})} $$ (2) 式中: Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率; Rn为作物表面净辐射量(MJ∙m−2∙d−1); G为土壤热通量密度(MJ∙m−2∙d−1), 当计算时段为1 d和10 d时, 土壤热通量相对较小, 忽略不计;
$ \gamma $ 为干湿表常数(kPa∙℃−1); T为2 m高处的日平均气温(℃); U2为2 m高处风速(m∙s−1); es为饱和水汽压(kPa), ea为实测水汽压(kPa)。1.3.2 作物缺水量计算
春玉米缺水量是指需要通过灌溉来满足的那部分春玉米需水量, 其计算方法为春玉米需水量与有效降水量的差值, 计算公式如下:
$$ {\rm{IR}}={\rm{ET}}_{{\rm{c}}}-{P}_{{\rm{e}}} $$ (3) 式中: IR为作物缺水量(mm), Pe为有效降雨量(mm)。
1.3.3 典型水文年型下各站点年降雨量及有效降雨量的确定
本文一方面参考我国常用的有效降雨量确定方法[17], 即将0~40 mm的旬降雨量视为全部有效, 另一方面也借鉴美国学者提出的有效降雨量计算公式[18], 即当旬降雨量大于40 mm时, 利用下式确定各旬的有效降雨量:
$$ \;\; \begin{split} &\qquad {P}_{{{\rm{e}}}}\;=\, 40\,+\,\mathrm{S}\mathrm{F}\; \times\; [0.049\;310\;862{({P}_{{{\rm{t}}}}-40)}^{0.824\;16}\;-\\ & 0.115\;56]\times {10}^{9.551\;181\;1\times {10}^{-4}{\mathrm{E}\mathrm{T}}_{{{\rm{c}}}}} \end{split}$$ (4) $$ \begin{split} &\qquad \mathrm{S}\mathrm{F}\,= 13.506\;372\;9\,+\,0.295\;164D\,-2.271\;535\;4 \; \times \\ & {10}^{-3}{D}^{2}+5.896\;211\;7\times {10}^{-6}{D}^{3} \end{split} $$ (5) 式中:
$ {P}_{{}{\rm{t}}} $ 为旬平均有效降雨量(mm);$ \mathrm{S}\mathrm{F} $ 为土壤水分贮存因子(mm);$ D $ 为土壤有效贮水量(mm), 即作物根区土壤有效持水量的40%~60%, 取决于各地区所用的灌溉管理措施。1.3.4 灌溉需求指数
将灌溉需水量与作物需水量的比值定义为灌溉需求指数(IDI), 反映作物生长对灌溉的依赖程度。计算公式如下[19]:
$$ {\rm{IDI}}={\rm{IR}}/{\rm{ET}}_{{\rm{c}}} $$ (6) 1.3.5 ArcMap作图
本文利用ArcMap10.7工具箱的反距离权重法对研究区域春玉米需水量、缺水量和灌溉需求指数进行空间插值[20]。
2. 结果与分析
2.1 东北地区春玉米需水量时空特征分析
春玉米是东北地区春季主要种植作物, 由于生长期正值盛夏高温天气, 且植株高大, 生长期间需要制造大量有机物, 故全生育期需水量较大, 研究区域春玉米多年平均需水量为614.73 mm、3.9 mm∙d−1。研究区域春玉米需水量的统计分布结果见图2, 不同年型下相同区域春玉米需水量随经验频率的升高(水文年型由湿润到干旱)而增大, 丰水年、平水年、枯水年和特枯水年春玉米需水量均值分别为561.88 mm、591.27 mm、615.58 mm、638.13 mm, 4种水文年下各区域间最大值与最小值差值分别为153.71 mm、168.41 mm、173.19 mm、183.53 mm。其中, 以辽宁本溪、沈阳为代表的南部地区需水量波动较大, 特枯水年相较于丰水年增幅超过17.2%; 而以黑龙江富锦、嫩江为代表的东北部地区需水量在不同年型下波动较小, 即使是特枯水年相较丰水年增幅仍不超过11.6%。
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图 2 1951—2020年东北地区不同水文年型春玉米需水量空间分布特征Figure 2. Spatial distribution of spring maize water requirement in different hydrological year types in Northeast China from 1951 to 2020空间上, 由于种植方式、播种日期、土壤质地、气象条件的不同, 研究区域春玉米需水量存在差异, 西南部区域对应的需水量较大, 北部和东部较小, 整体趋势表现为由东北向西南递增, 其中北部地区春玉米需水量最低。以内蒙古赤峰、通辽, 辽宁本溪、沈阳为代表的西南部区域春玉米需水量较大, 多年平均值达到685.32 mm, 丰水年、平水年、枯水年和特枯水年分别为620.89 mm、655.66 mm、687.86 mm、712.02 mm; 以黑龙江哈尔滨、泰来, 吉林长春为代表的中部区域春玉米需水量较小, 多年平均值为616.08 mm, 各水文年型需水量分别为565.24 mm、592.37 mm、618.45 mm、637.23 mm; 以黑龙江黑河、伊春为代表的北部区域春玉米需水量最小, 多年平均值为538.67 mm, 各水文年型需水量分别为493.32 mm、517.85 mm、540.26 mm、557.57 mm。
2.2 东北地区春玉米缺水量时空特征分析
研究区域春玉米缺水量多年平均值为310.44 mm, 由于土壤保墒能力、降雨分布以及各个地区蓄水条件的不同, 各区域缺水量分布存在差异(图3)。
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图 3 1951—2020年东北地区不同水文年型春玉米缺水量空间分布特征Figure 3. Spatial distribution of spring maize irrigation requirement in different hydrological year types in Northeast China from 1951 to 2020不同水文年型下, 随着降雨量的减少, 研究区域春玉米缺水量明显增加, 丰水年、平水年、枯水年和特枯水年春玉米缺水量均值分别为208.49 mm、264.96 mm、309.49 mm、354.20 mm, 各年型下各地平均缺水量相较于丰水年分别增大27.1%、48.4%、69.9%, 其中黑龙江虎林、伊春, 吉林桦甸、吉安, 辽宁本溪、丹东等缺水量较小的地区波动较大, 特枯水年相较于丰水年增幅超过98%, 而相对缺水的地区(如内蒙古赤峰、通辽等)春玉米缺水量受水文年型变化的影响较小, 特枯水年相较于丰水年增幅不超过47%; 同时, 缺水量高值区的范围随经验频率的升高逐渐扩大, 丰水年时只有内蒙古赤峰、通辽局部区域缺水量超过300 mm, 特枯水年以黑龙江泰来、内蒙古通辽、辽宁彰武为代表的西部区域缺水量均超过400 mm。
在空间上, 东北地区西部区域春玉米多年平均缺水量最高, 整体上呈西高东低的趋势。内蒙古东部和辽西地区春玉米多年平均缺水量最多, 以内蒙古赤峰、扎鲁特旗, 辽宁锦州、彰武为代表的站点多年平均缺水量高达409.8 mm, 其中内蒙古扎鲁特旗多年平均缺水量最高, 为433.9 mm; 研究区域东部缺水量较小, 以黑龙江虎林、牡丹江, 吉林延吉为代表的站点多年平均缺水量为282.0 mm, 需要补充灌溉的水量比西部区域少35%; 中部区域缺水量最低, 以黑龙江黑河和伊春、吉林桦甸和吉安为代表的站点多年平均缺水量仅218.5 mm, 需要补充灌溉的水量比西部区域少50%。
2.3 东北地区春玉米灌溉需求指数时空特征分析
研究区域春玉米灌溉需求指数分析结果见图4。该区域灌溉需求指数在不同水文年型间差异较大, 随经验频率升高而增加, 由丰水年至特枯水年, 东北地区各地各年型下春玉米灌溉需求指数分别为0.18~0.53、0.28~0.60、0.35~0.64、0.42~0.69; 在枯水年和特枯水年条件下, 东北地区绝大部分区域的春玉米生长都需要依赖灌溉, 尤其是特枯水年东北地区西部的内蒙古赤峰、通辽等地春玉米的灌溉需求指数均在0.65以上, 该地区春玉米种植对于补充灌溉的需求最高。
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图 4 1951—2020年东北地区不同水文年型春玉米灌溉需求指数空间分布特征Figure 4. Irrigation demand indexes for spring maize in different hydrological year types in Northeast China from 1951 to 2020空间分布上, 研究区域的灌溉需求指数由西向东整体呈先减小再增大的趋势。东北地区西部的灌溉需求指数均明显高于东北地区南部。尤以辽宁彰武、内蒙古赤峰、黑龙江泰来为代表的西部城市, 平均灌溉需求指数在4种水文年型下分别达到了0.50、0.57、0.62、0.66, 均比东北地区各年型下的多年平均灌溉需求指数高出20%以上; 而研究区域的中部和东部区域, 灌溉需求指数低于0.5, 对于灌溉的需求相对较小。
3. 讨论
在本研究中, 春玉米在平水年、枯水年和特枯水年对灌溉的依赖程度较大, 而在丰水年对灌溉的需求相对较低。刘钰等[19]认为: 东北地区春玉米多年平均作物需水量在200~500 mm, 缺水量多年平均值为10~220 mm, 灌溉需求指数范围在0.05~0.45。陈玉民等[7]研究表明, 东北地区春玉米全生育期需水量在420~480 mm。与他们的研究结果相比, 本研究的春玉米需水量与缺水量均相对偏高, 灌溉需求指数也相对偏高, 这与研究范围差异有关, 前人研究的东北地区即黑吉辽三省, 而本研究中的东北地区还包括内蒙古通辽、赤峰等为代表的西南部平原丘陵, 该区域春玉米需水量较大, 因此使得整体平均值偏高。空间上, 东北地区西南部各年型下春玉米生育期内需水量明显高于东北部, 以内蒙古东部(赤峰、通辽)、辽宁西部(锦州、彰武)为代表的西北部区域明显高于平均水平, 这与南纪琴等[21]、魏新光等[22]现有研究结果一致。另外, 研究结果表明相较于平水年, 干旱年型下东北地区春玉米需水量更高, 这可能是因为本文所计算的需水量为潜在蒸散量, 主要受种植模式和气温的影响[23-24], 陈莉等[25]亦得出东北地区作物生长季潜在蒸散量与降雨量呈负相关的结论。
作物品种的选择、种植空间布局、耕作方式、有效降雨量与作物生长过程耦合度对春玉米灌溉需求指数都将产生重要影响。本研究中东北地区春玉米缺水量和灌溉需求指数所呈现的规律相似, 整体上遵循由东北向西南逐渐增大的趋势, 具体还表现为同一水文年型下对应的缺水量西高东低, 同一地域缺水量和灌溉需求指数随干旱程度加剧而增加。结合春玉米生育期内有效降雨量及灌溉需求指数来看, 西部地区(内蒙古东部、黑龙江西南部、辽宁西北部)有效降雨量即使在丰水年仍无法满足春玉米的生长需要, 因此对于灌溉的依赖程度最高, 特枯水年需要补充440~480 mm的灌水量才能满足春玉米的生长需求, 是发生旱灾风险最高的区域, 生产中应最大化利用降雨, 采用非充分灌溉制度, 优先保证春玉米需水关键期的用水, 必要时需适当调整种植结构、加强农业抗旱与蓄水设施的建设[26]; 灌溉需求指数高的地区在进行灌溉时要合理调度水资源, 以保证水资源的高效利用。本研究结果有助于指导东北地区农业水资源合理调配、农业水利工程建设和科学的抗旱减灾策略的制定, 然而东北地区地形地势复杂, 南北纬度跨度很大, 降雨量与光热资源存在空间差异, 因此本文所得出的结论更侧重指导趋势分析的宏观规划, 下一步研究需选择更多的观测点数据, 采用布局更为合理的插值点资料, 以提高数据精度来指导田间灌水。
4. 结论
1)东北地区春玉米生育期内需水量、缺水量和灌溉需求指数在同一地域呈随干旱程度的升高而增大的规律, 同一水文年型下呈由东北向西南先减小后增大的规律。
2)辽东地区春玉米的需水量较高, 但降雨充足, 故缺水量和灌溉需求指数均低于东北地区平均水平, 该地区即使在枯水年对灌溉的需求仍较低, 可以适度扩大春玉米种植面积, 以最大化利用降雨并实现增产增收。
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图 1 研究区域和观测站点分布图
Figure 1. Study area and distribution of observation stations in the study area
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图 2 1951—2020年东北地区不同水文年型春玉米需水量空间分布特征
Figure 2. Spatial distribution of spring maize water requirement in different hydrological year types in Northeast China from 1951 to 2020
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图 3 1951—2020年东北地区不同水文年型春玉米缺水量空间分布特征
Figure 3. Spatial distribution of spring maize irrigation requirement in different hydrological year types in Northeast China from 1951 to 2020
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