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Spatial and temporal variations of water supply and demand during the growth stage of summer maize above the Bengbu Sluice in the Huaihe River Basin, China

  • GAO Chao , 1 ,
  • LI Xuewen 2 ,
  • XU Ying 3 ,
  • LI De 4
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  • 1. Department of Geography & Spatial Information Techniques, Ningbo University, Ningbo 315211, China
  • 2. School of Geography and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China
  • 3. Anhui Agricultural Meteorological Center, Hefei 230031, China
  • 4. Meteorological Bureau of Suzhou in Anhui Province, Suzhou 234000, China

Received date: 2017-09-15

  Request revised date: 2019-03-26

  Online published: 2019-07-12

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Abstract

Crop water supply and demand is an important reference for rational and scientific irrigation. The imbalance of water supply and demand is also the root cause of agricultural drought and flood. Based on meteorological data from 91 stations from 1961-2015 above the Bengbu Sluice in the Huaihe River Basin, we calculated effective precipitation of summer maize by “effective utilization coefficient method”. The water demand was calculated by the Penman-Monteith (P-M) formula and “crop coefficient method” recommended by the FAO. The spatial and temporal characteristics of water supply and demand of summer maize were analyzed, and the change of water budget index during summer maize growth periods was discussed. The water deficit status (including effective precipitation, water demand, water shortage and water deficit index) during the growth period of summer maize at typical stations were also discussed. The results showed that the effective precipitation in the summer maize was higher in the southern region and lower in the northern region in the past 55 years, and the change trend of each site was not obvious. The spatial distribution of water requirement presented a pattern of “lower in the southern region and higher in the northern region”, and the whole growth period and the growth stage in summer maize at most sites showed a significant decreasing trend. The spatial distribution of water deficit presented a pattern of was “lower in the southern region and higher in the northern region”, and most sites showed a significant decreasing trend in the whole growth period and sowing-seeding period. The trend of the other growth stages was not obvious. Comparison of the five typical stations showed the following findings. The water deficit degree of summer maize in northern Zhengzhou station was the most serious. The water deficit amount was about 369 mm in the whole growth period, and the water deficit index was about -0.61. The water deficit degree of Jinzhai station in the south was the lightest. The water deficit amount was about 159 mm in the whole growth period, and the water profit and loss index is about -0.29. Comparison of the water deficit status of summer maize at different growth stages can draw the following conclusions. The water deficit was more serious in the middle and late growth stages than in the early stage. During the tasseling-maturity period, the water shortages at the five stations were 120 mm, 63 mm, 116 mm, 81 mm and 123 mm, respectively, and the water profit and loss indices were -0.60, -0.33, -0.58, -0.42 and -0.59, respectively.

Cite this article

GAO Chao , LI Xuewen , XU Ying , LI De . Spatial and temporal variations of water supply and demand during the growth stage of summer maize above the Bengbu Sluice in the Huaihe River Basin, China[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2019 , 38(7) : 1833 -1846 . DOI: 10.11821/dlyj020170915

1 引言

气候变化对农业水资源和农业生产的影响已在国际上引起广泛关注,IPCC第五次评估报告中指出未来全球气候变暖仍将继续[1],降水、径流和蒸散量的变化可能会给作物生长发育和最终产量带来一定影响[2]。气候变化大背景下农作物的水分供应量[3]、需水量[4,5,6]和水分盈亏量[7,8,9]均已发生明显变化,且不同区域的变化状况存在差异。
水分是作物生长发育依靠的重要因子[10],而农业旱涝的根本原因则表现在水分供需不平衡[11]。目前,针对水分供需变化研究,主要从两方面进行:① 研究内容上,对不同类型农作物开展研究,着重分析农作物水分供需量、缺水量以及水分盈亏的变化特征;开展农作物水分供需对气候变化的敏感性分析[12,13];基于水分供需制定农业旱涝指标等[14,15]。② 研究方法上,统计方法分析方面,利用Penman-Monteith(P-M)公式计算参考蒸散量,结合作物系数法计算需水量[16,17];利用USDA-SCS法、有效利用系数法等计算有效降水量[18];利用气候倾向率、Mann-Kendall(MK)趋势检验等分析水分供需量和水分盈亏量的趋势变化特征[3,19];利用小波分析检验水分盈亏量的周期特征,MK检验进行突变规律分析[20];空间特征分析方面,基于GIS内插方法进行水分供需的空间特征分析。
淮河流域是中国重要的夏玉米生产基地,流域内光热资源充足,水分条件是夏玉米丰歉的关键因素,但在夏玉米生育期阶段,旱涝灾害频发,会严重影响流域内夏玉米生长发育[10]。目前,淮河流域对夏玉米干旱的研究主要在二方面:①基于有效降水量的估算,借助水分盈亏指数(Crop Water Surplus Deficit Index, CWSDI)分析淮河流域主要粮食作物的水分盈亏状况,讨论作物各种植区的水分盈亏特征和变化趋势[16,21];② 基于作物水分亏缺指数(Crop Water Deficit Index, CWDI),揭示各生育阶段干旱时空演变规律,并利用最优概率分布函数估算作物干旱发生概率[22,23]
为进一步定量化探究夏玉米等农作物的干旱机制,在空间尺度上,需要明晰农作物有效降水量、需水量和缺水量的空间分布特征;在时间尺度上,细化农作物各生育阶段(播种-出苗期、出苗-拔节期、拔节-抽雄期和抽雄-成熟期)的水分供需差异。本文以淮河流域蚌埠闸以上地区的夏玉米为研究对象,基于1961—2015年91个气象站点日尺度的气象数据,借助有效利用系数法求得有效降水量,以及P-M公式和作物系数法计算需水量,在分析夏玉米全生育期和各生育阶段水分有效降水量和需水量的基础上,从时间、空间尺度上分析典型站点夏玉米水分供需差异,以期为淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米生产过程中合理的农业用水调度和灌溉提供科学依据。

2 研究区概况

淮河流域地处中国东部,面积为27万km2,介于长江和黄河两流域之间,位于南北气候过渡带,气候温和,年平均温为11~16℃,流域多年平均降水量约为880 mm,但流域内降水年际变化较大。本文选择淮河流域蚌埠闸以上地区为研究区,介于112°E—118°E,31°N—35°N(图1),淮河流域是中国重要的粮食生产基地,夏玉米作为主要秋粮,是全世界总产量最高的农作物,主要用途包括食用、饲料、工业加工等[24,25]
Fig. 1 DEM and location of meteorological stations above the Bengbu Sluice in the Huaihe River Basin

图1 淮河流域蚌埠闸以上地区DEM及气象站点位置

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

气象数据(主要包括:气温、降水、相对湿度、日照时数、风速)为研究区及周边1961—2015年共91个气象站点的日尺度数据,由中国气象局国家气象信息中心提供,对以上数据分别进行异常值检验、缺测值替换和均一化等处理。DEM数据为SRTM数据,来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),空间分辨率为90 m。

3.2 研究方法

3.2.1 夏玉米主要生育时段的划分 根据联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)推荐标准,利用统计分析方法将淮河流域夏玉米生育期划分为5个阶段,本研究参考学者姚永明和李德等的研究结果[26,27],确定淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米各生育时段的历年平均日期(表1)。
Tab. 1 Main growth period and date of summer maize

表1 夏玉米主要生育阶段及日期

日期(月/日) 6/1—6/20 6/21—7/10 7/11—8/10 8/11—9/20 6/1—9/20
生育期 播种-出苗 出苗-拔节 拔节-抽雄 抽雄-成熟 全生育期
3.2.2 有效降水量 有效降水量是指作物生长期内降水量去除径流量、作物截留量等,实际补充至根层土壤中的净水量,即总降水量中的有效部分[18]。本研究借助有效利用系数求得夏玉米的有效降水量。目前,此方法在国内已得到较多学者认可,并在淮河流域获得较好应用[16,21,23],公式如下:
P e = a × P (1)
式中:Pe为有效降水量(mm/d);P为总降水量(mm/d);a表示有效降水系数,a值的确定参考文献[24]。
3.2.3 参考作物蒸散量 基于FAO推荐的P-M公式进行流域内夏玉米参考作物蒸散量的推算[22],公式如下:
E T 0 = 0.408 Δ R n + γ 900 T + 273 U 2 ( e s - e u ) Δ + γ ( 1 + 0.34 U 2 ) (2)
式中:ET0表示参考作物蒸散量(mm/d);∆为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃);Rn为地表净辐射(MJ/m2);γ为干湿表常数(kPa/℃);es表示饱和水汽压(kPa);T表示日平均温度(℃);eu表示实际水汽压(kPa);U2表示2 m高处风速(m/s)。
3.2.4 需水量 基于计算得到的参考作物蒸散量和FAO建议的作物系数法进行夏玉米需水量计算[23,28],公式如下:
E T c = K c × E T 0 (3)
式中:ETc为作物需水量(mm/d);Kc为作物系数,是反映土壤蒸发、作物蒸腾综合效应的指数,受诸多因素的影响,如气候条件、作物类型、土壤蒸发等。对于Kc的确定,采用FAO推荐的标准作物系数和修正公式(4),并根据流域内实际水文气象、土壤等因素进行修正,同时借鉴相关研究提供的作物系数和土壤水分修正系数试验研究结果[29],最终确定流域内夏玉米各生育阶段的作物系数(表2)。
K c = K c tab + [ 0.04 ( U 2 - 2 ) - 0.004 ( R H min - 45 ) ] h 3 0.3 (4)
式中:Kctab表示FAO推荐的夏玉米各生育阶段的标准系数;U2为2 m高处风速(m/s);h是夏玉米某生育期植株的平均高度(m);RHmin是日最低相对湿度的平均值(%)。
Tab. 2 Crop coefficient of summer maize in different periods

表2 夏玉米各生育阶段作物系数

生育期 播种-出苗 出苗-拔节 拔节-抽雄 抽雄-成熟
作物系数(Kc 0.65 0.98 1.55 1.40
3.2.5 缺水量和水分盈亏指数 缺水量是由有效降水量和需水量两部分组成,大体表现为时段内需水量减去有效降水量[30]。正值表示需水量大于有效降水量,即不考虑灌溉情况下,水分不能满足夏玉米生长的需求量;负值则表示水分能满足夏玉米生长所需。
水分盈亏指数是在无灌溉过程前提下,利用有效降水量与需水量代入公式(5)计算得出[31],公式如下:
I = P e - E T c E T c (5)
式中:I为水分盈亏指数(负值表示水分亏缺,正值表示水分盈余)。
3.2.6 Mann-Kendall(MK)趋势检验方法 采用MK趋势检验方法对夏玉米有效降水、需水量和缺水量进行趋势特征检验,计算方法参考文献[32]。选定0.001、0.01、0.05和0.1的显著性水平作为趋势判定标准,其MK统计变量(Z)的绝对值分别对应3.29、2.58、1.96和1.645。
3.2.7 空间插值 基于上述研究方法,分别计算淮河流域蚌埠闸以上地区及周边共91个站点1961—2015年夏玉米生育期的有效降水、需水量和缺水量,并利用克里金(Kriging)插值法进行各要素空间分布的描述。

4 结果与分析

4.1 夏玉米生育期有效降水的变化特征

淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米1961—2015年全生育期及各生育阶段内各站点有效降水量空间分布特征(图2)。全生育期多年平均有效降水量在214~382 mm之间,平均值约275 mm,有效降水主要呈纬向从南至北渐减少的特征(图2a)。播种-出苗期年均有效降水量为14~59 mm,均值约30 mm,空间分布呈现从南至北依次减少的特征(图2b);出苗-拔节期有效降水量为43~92 mm,均值约为62 mm,整体呈现南部区域较高,北部地区较低的分布特点(图2c);拔节-抽雄期有效降水量值在76~110 mm范围内,均值约为93 mm,主要是东南部区域和西部部分地区较高,其余地区较低的特征(图2d);抽雄-成熟期的年均有效降水量的分布情况,其值在77~111 mm之间,均值约为88 mm,整体呈中南部较高而北部地区较低的分布特征,其中高值区为信阳西部和六安地区(图2e)。比较各生育阶段内夏玉米有效降水量可知,抽雄-成熟期和拔节-抽雄期较高,播种-出苗和出苗-拔节期较低;多年平均值大致呈东南高、西北低的空间分布特征。
Fig. 2 Distribution of effective precipitation and trend based on Mann-Kendall Z statistic during summer maize growth periods in 1961-2015

图2 1961—2015年夏玉米生育期有效降水量和MK趋势变化空间分布

淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米1961—2015年全生育期及各生育阶段内各站点有效降水变化趋势特征(图2)。全生育期年有效降水呈增加趋势的站点占总数的76.2%,只郏县站通过0.01显著性检验(图2a);播种-出苗期有效降水呈增加趋势的站点占总数的66.7%,无站点通过显著性检验(图2b);出苗-拔节期,有效降水呈增加趋势的站点占总数的65.1%,其中只宝丰站通过0.1显著性检验水平(图2c);拔节-抽雄期,有效降水呈增加趋势的站点占总数的42.9%,无站点通过显著性检验(图2d);抽雄-成熟期,呈增加趋势的站点占总数的76.2%,2个站点通过0.1显著性检验(图2e)。总之,整体上生长期内夏玉米有效降水变化趋势不明显,以波动变化为主。

4.2 夏玉米生育期需水量的变化特征

淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米1961—2015年全生育期及各生育阶段内各站点需水量空间分布特征(图3,见第1838页)。全生育期多年平均需水量在528~600 mm之间,均值约564 mm,主要呈现北部高而南部相对较低的分布特征(图3a);播种-出苗期年均需水量为54~80 mm,均值约70 mm,整体呈现北高南低的空间分布特征(图3b);出苗-拔节期年均需水量值在77~100 mm范围内,均值约90 mm,从南至北依次增加的分布特点(图3c);拔节-抽雄期年均需水量值在196~212 mm范围内,均值约205 mm,整体呈现淮河干流附近和东北部部分地区较低,其余地区较高的分布特点(图3d);抽雄-成熟期年均有效需水量为190~209 mm,均值约为198 mm,主要呈现南部和东北部部分地区较低,其余地区相对较高的特征(图3e)。通过对比各生育阶段内夏玉米需水量可得到,抽雄-成熟期和拔节-抽雄期较高,播种-出苗期和出苗-拔节期较小,分布特征均大致呈现东南部较低,西北部较高的特征。
Fig. 3 Distribution characteristics of water requirement and trend based on Mann-Kendall Z statistic during summer maize growth periods in 1961-2015

图3 1961—2015年夏玉米生育期需水量和MK趋势变化空间分布

淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米1961—2015年全生育期及各生育阶段内各站点需水量变化趋势特征(图3)。夏玉米全生育期年需水量变化趋势均呈减少趋势,有77.8%的站点通过0.001显著性检验,未通过显著性检验的站点有1.6%(图3a);播种-出苗期,需水量变化趋势呈减少趋势,有69.8%的站点通过0.001显著性检验,只4.8%的站点未通过显著性检验(图3b);出苗-拔节期,98.4%的站点需水量呈减少趋势,其中19.4%的站点通过0.1显著性检验,有35.5%的站点通过0.05显著性检验,25.8%的站点未通过显著性检验(图3c);拔节-抽雄期,各站点的需水量表现为减少趋势,有50.8%的站点通过0.001显著性检验,未通过显著性检验的站点有4.8%(图3d);抽雄-成熟期,96.8%的站点需水量均呈减少趋势,有26.2%站点通过0.01显著性检验,27.8%的站点未通过显著性检验(图3e)。综上,研究区1961—2015年夏玉米各生育阶段内各站点的需水量几乎均呈现显著减少趋势。

4.3 夏玉米生育期缺水量的变化特征

淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米1961—2015年全生育期及各生育阶段内各站点缺水量空间分布特征(图4)。全生育期多年平均缺水量在160~368 mm,均值约290 mm,主要呈纬向分布的空间特征,从南至北依次增大(图4a)。播种-出苗期,年缺水量在1~62 mm,均值约40 mm,呈现从南至北依次增加的分布情况(图4b);出苗-拔节期,缺水量在-14~53 mm之间,均值约为28 mm,整体呈现北部地区较高而南部地区较低的特征(图4c);拔节-抽雄期,缺水量在100~130 mm,均值约为110 mm,整体呈东部和南部较低,中部和北部较高的特征(图4d);抽雄-成熟期,缺水量在80~126 mm,均值约为110 mm,呈现东部和北部较高,南部较低的特征(图4e)。通过对比淮河流域蚌埠闸以上地区各生育阶段缺水量可得到,抽雄-成熟期和拔节-抽雄期较高,播种-出苗和出苗-拔节期较低,且北部缺水相对南部缺水严重。综上,夏玉米各生育阶段均大致表现为水分亏缺状态,且呈现水分亏缺程度北部较高,南部相对较低的特征,结合有效降水量和需水量空间分布特征,有效降水量低值区与需水量高值区相对应,即缺水量的高值区,适时适量灌溉可保障夏玉米的高产、稳产。
Fig. 4 Distribution of water deficit and trend based on Mann-Kendall Z statistic during summer maize growth periods in 1961-2015

图4 1961—2015年夏玉米生育期缺水量和MK趋势变化空间分布

淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米1961—2015年各站点全生育期及各生育阶段内缺水量变化趋势特征(图4)。全生育期,98.4%的站点呈减少趋势,其中30.6%的站点通过0.05显著性检验,40.3%的站点未通过显著性检验(图4a);播种-出苗期,各站点缺水量均呈减少趋势,12.7%的站点通过0.001显著性检验,27.0%的站点通过0.05显著性检验,55.5%的站点未通过显著性检验(图4b);出苗-拔节期,有88.9%的站点呈减少趋势,仅有5.4%站点通过显著性检验(图4c);拔节-抽雄期,95.2%的站点呈减少趋势,有18.3%站点通过0.01显著性检验,78.3%的站点未通过显著性检验(图4d);抽雄-成熟期,有92.1%的站点呈减少趋势,但通过显著性检验的站点仅有12.1%(图4e)。综上,淮河流域蚌埠闸以上地区1961—2015年夏玉米缺水量均大致呈现下降趋势,其中在播种-出苗期,中北部地区缺水量下降趋势相对明显,其余生育期以波动变化为主。

4.4 典型站点夏玉米生育期水分盈亏状况

本文挑选出区域内的5个代表站点详细分析夏玉米各生育阶段内水分盈亏状况,即东部的蒙城,南部的金寨,中部的临泉,西部的桐柏和北部的郑州,代表站点的有效降水、需水量、缺水量和水分盈亏指数的多年平均值(表3)。5个站点夏玉米全生育期均表现为水分亏缺状态,其中北部的郑州夏玉米全生育期缺水最严重,约369 mm,水分盈亏指数约为-0.61,缺水量最少的是南部的金寨,约159 mm,水分盈亏指数约为-0.29。分析夏玉米各生育阶段的水分盈亏状况表明,生长中后期相对前期水分亏缺更严重,抽雄-成熟期,代表站点的缺水量分别是120 mm、63 mm、116 mm、81 mm和123 mm,水分盈亏指数分别是-0.60、-0.33、-0.58、-0.42和-0.59。
Tab. 3 Water profit and loss status at representative stations during summer maize growth periods

表3 代表站点夏玉米生育期水分盈亏状况

代表站点 要素 播种-出苗 出苗-拔节 拔节-抽雄 抽雄-成熟 全生育期
蒙城 有效降水(mm) 32 74 106 80 292
需水量(mm) 72 89 205 200 566
缺水量(mm) 40 15 98 120 273
水分盈亏指数(%) -0.56 -0.17 -0.48 -0.60 -0.48
金寨 有效降水(mm) 57 86 113 128 384
需水量(mm) 58 83 211 191 543
缺水量(mm) 2 -3 97 63 159
水分盈亏指数(%) -0.03 0.04 -0.46 -0.33 -0.29
临泉 有效降水(mm) 35 70 93 82 280
需水量(mm) 71 90 207 198 566
缺水量(mm) 36 20 114 116 286
水分盈亏指数(%) -0.51 -0.22 -0.55 -0.58 -0.51
桐柏 有效降水(mm) 40 75 103 111 329
需水量(mm) 61 83 202 192 538
缺水量(mm) 21 8 99 81 209
水分盈亏指数(%) -0.34 -0.09 -0.47 -0.42 -0.39
郑州 有效降水(mm) 17 47 84 84 232
需水量(mm) 79 101 213 207 600
缺水量(mm) 63 54 129 123 369
水分盈亏指数(%) -0.79 -0.52 -0.60 -0.59 -0.61

5 讨论与结论

5.1 讨论

本研究基于有效降水和需水量分析夏玉米生长期内水分供需变化情况,采用有效利用系数法估算有效降水量,目前该方法在国内已得到相关学者的公认和普遍推广,且在淮河流域内获得较好的应用[16,21]。有相关研究基于估算夏玉米需水量,借助作物水分亏缺指数分析农业干旱时空演变规律,并利用分布函数,进而揭示夏玉米各生育阶段不同等级干旱发生的概率[22,23]。而本文更加细化探讨夏玉米不同生育阶段内有效降水量、需水量和缺水量的时空分布特征,并结合典型站点分析夏玉米的水分供需差异。另外,有相关研究直接采用降水量作为供水量指标,而本文计算的水分盈余更接近实际,但有效降水与地区降水量、高程等因素密切相关,不同地区差异性较大,所以必须根据研究区特征,综合考虑多种因素选取最适宜方法来估算有效降水量。作物需水量的计算公式较为复杂,涉及参数较多,易出现偏差[6,30]。本研究在分析夏玉米需水量时,首先基于FAO推荐的P-M公式计算出参考蒸散量,再结合作物系数法得到需水量。在夏玉米作物系数选取上,首先根据FAO建议的标准系数进行选取,再依据修正公式结合当地气象水文条件进行修正,同时借鉴相关学者对淮河流域部分站点作物系数的实测结果。因此,本研究对于夏玉米需水量的估算能够被广泛认可。
结果表明,淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米生育期需水量呈显著减少趋势,需水量的估算较为复杂,涉及参数较多,参考相关文献[33],作物需水量的变化与平均气温、降水、日照时数、平均风速和平均相对湿度等气象因子有关,为探讨出研究区内夏玉米生育期需水量显著下降的原因,本文利用相关性分析方法[34]揭示出需水量与主要敏感气象因子之间的关系(表4),结果表明,夏玉米需水量与平均风速、日照时数和平均气温呈显著正相关,与平均相对湿度和降水呈显著负相关,说明需水量的变化受较多气象因子的制约。再利用线性趋势方法[35]探讨出与需水量呈显著相关的气象因子的变化趋势(图5),夏玉米生育期的平均风速和日照时数呈显著下降趋势,而平均相对湿度、平均气温和降水无明显上升或下降趋势,因此,平均风速和日照时数的显著下降是淮河流域蚌埠闸以上地区夏玉米需水量减少的主要原因。
Tab. 4 Correlation of summer maize water requirement with meteorological factors

表4 夏玉米需水量与气象因子相关分析

平均相对湿度 平均风速 日照时数 平均气温 平均气压 降水
需水量 -0.742** 0.618** 0.391** 0.510** 0.118 -0.401**

注:*p<0.05,**p<0.01。

Fig. 5 Trend changes of average relative humidity, average wind speed, sunshine duration, average temperature and precipitation during summer maize growth periods

图5 夏玉米生育期平均相对湿度、平均风速、日照时数、平均气温和降水趋势变化
注:黑色折线为逐年气象要素变化,虚线为线性趋势。

5.2 结论

(1)夏玉米有效降水量特征表明,近55a淮河流域蚌埠闸以上地区全生育期内有效降水量多年平均值约为275 mm,呈现明显的纬向分布特征,南部较高,北部较低。播种-出苗和出苗-拔节期也呈现纬向分布的空间特征,从南至北依次减少;拔节-抽雄期呈现东南部较高,西北部较低的空间分布;抽雄-成熟期呈现东南、西南部较高,中北和东北部较低的特征。有效降水量趋势变化方面,整体上夏玉米生长期内各站点变化趋势不明显,以波动变化为主。
(2)夏玉米需水量研究表明,近55a来,全生育期需水量多年平均值约为564 mm,呈北部较高,南部较低的分布特征。播种-出苗、出苗-拔节和抽雄-成熟期需水量分布特征大致相同,北部较高而南部较低;拔节-抽雄期主要是南部部分地区和东北部部分地区较低的特征。需水量趋势变化方面,夏玉米全生育期和各生育阶段均以显著下降趋势为主。
(3)近55a,缺水量研究表明,夏玉米全生育期均值约290 mm,呈明显的纬向分布特征,从南至北依次增加。播种-出苗和出苗-拔节期缺水量分布特征相同,呈北部高南部低的特征;拔节-抽雄期呈中部和北部较高而其余地区较低的空间分布;抽雄-成熟期呈北部和东部较高,南部较低的特征。夏玉米缺水量变化趋势方面,全生育期和播种-出苗期大多数站点呈显著下降趋势;其余生育阶段基本呈下降趋势,但极少站点通过显著性检验。

The authors have declared that no competing interests exist.

[1]
秦大河, Thomas Stocker, 259名作者和TSU(驻尼泊尔和北京). IPCC第五次评估报告第一工作组报告的亮点结论. 气候变化研究进展, 2014, 10(1): 1-6.IPCC第五次评估报告(AR5)第一工作组(WGI)报告的亮点结论,是过去7年全世界气候变化科学研究成果凝练出来的精华。20世纪50年代以来全球气候变暖的一半以上是人类活动造成的。1971年以来人为排放温室气体产生热量的93%进入了海洋,海洋还吸收了大约30%人为排放的CO<sub>2</sub>,导致海表水pH值下降了0.1,等等。采用全球耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的模式,预估未来全球气候变暖仍将持续,21世纪末全球平均地表温度在1986&mdash;2005年的基础上将升高0.3~4.8℃。限制气候变化需要大幅度持续减少温室气体排放。如果将1861&mdash;1880年以来人为CO<sub>2</sub>累积排放控制在1000 GtC,那么人类有超过66%的可能性把未来升温幅度控制在2℃以内(相对1861&mdash;1880年)。

DOI

[Qin Dahe, Stocker T, 259Authors and TSU (Bern & Beijing). Highlights of the IPCC Working Group I fifth assessment report. Climate Change Research, 2014, 10(1): 1-6.]

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庞艳梅, 陈超, 潘学标. 1961-2011年四川盆地玉米有效降水和需水量的变化特征. 农业工程学报, 2015, 31(增刊1): 133-141.作物有效降水量和需水量是科学确定灌溉时期与灌溉量的重要依据。该研究基于1961-2010年四川盆地104个气象台站的地面气象资料和1981-2010年17个农业气象观测站的玉米生育期资料,采用联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的参考作物蒸散量和降水量的比率法计算了研究区域内玉米全生育期及不同生育阶段的有效降水量,采用参考作物蒸散量法结合单作物系数法计算了相应时段的需水量,并探讨了玉米不同生育阶段缺水量和水分盈亏指数的变化。结果表明:近50年来,除乳熟到成熟期外,玉米全生育期及播种到乳熟期的有效降水量总体呈下降趋势;全生育期和各生育阶段的需水量均呈减少趋势;除播种到拔节期外,全生育期和拔节到成熟期的缺水量以下降趋势为主。比较各区域典型地区玉米水分盈亏状况,盆地北部玉米水分亏缺程度最严重,而盆地西部最轻;比较玉米各个生育阶段的水分满足情况,播种到拔节阶段水分亏缺程度最严重。研究可为四川盆地玉米种植区的农业用水以及合理灌溉提供科学依据。

[Pang Yanmei, Chen Chao, Pan Xuebiao.Variation characteristics of maize effective precipitation and water requirement in Sichuan Basin during 1961-2010. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(s1): 133-141.]

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刘晓英, 李玉中, 郝卫平. 华北主要作物需水量近50a变化趋势及原因. 农业工程学报, 2005, 21(10): 155-159.作物需水量是制定灌溉计划和水资源规划的重要依据,了解其历史变化对于掌握未来农业用水走势并据此做出正确决策至关重要。该文利用FAO推荐的作物系数乘以参考作物蒸散量的方法计算了华北地区6个站点近50年主要作物的需水量,并并分析了其变化趋势。结果表明:除北京外,华北冬小麦和夏玉米两大作物需水量均呈下降趋势,每10年分别减少0.9~19.2 mm和8.3~24.3 mm。夏玉米需水量下降幅度超过冬小麦。其中以华北南部的郑州减少最多,下降幅度在19.2~24.3 mm/10年。与日照、降雨、温度、湿度和风速的同步分析表明,需水量变化趋势与日照和风速的下降趋势相一致。由于日照减少造成到达地面的能量减少,风速减小可削弱陆地与大气的水分和能量交换强度,故近50年来华北日照与风速的减小是作物需水量下降的主要原因。

[Liu Xiaoying, Li Yuzhong, Hao Weiping.Trend and causes of water requirement of main crops in North China in recent 50 years. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(10): 155-159.]

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陈超, 庞艳梅, 潘学标, 等. 1961-2012年中国棉花需水量的变化特征. 自然资源学报, 2015, 30(12): 2107-2119.

[Chen Chao, Pang Yanmei, Pan Xuebiao, et al.Variation characteristics of water requirement of cotton in China during 1961-2012. Journal of Natural Resources, 2015, 30(12): 2107-2119.]

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邵晓梅, 严昌荣. 黄河流域主要农作物的降水盈亏格局分析. 中国农业气象, 2007, 28(1): 40-44.以1961-2000年的气象资料为数据基础,采用FAO1998年推荐使用的Penman-Monteith模型和参考作物法,对黄河流域不同类型旱农地区主要农作物的降水盈亏格局进行了分析。结果表明:黄河流域大部分地区冬小麦全生育期多年平均缺水量在250~500mm,且由南向北缺水量有依次递增的趋势,主要反映了冬小麦全生育期降水量与需水量的双重影响;夏玉米全生育期缺水量较多的地区为陕西省关中地区,约为200mm左右,由此向东缺水量值逐渐减少;春小麦全生育期多年平均缺水量基本上是从南向北逐渐升高,缺水量在200~500mm,显然是受降雨与需水两方面的双重影响;春玉米全生育期多年平均缺水量分布则是从南部向北部递增,亏缺量在0~400mm。

[Shao Xiaomei, Yan Changrong.Study on the pattern of water requirements of main crops and rainfall in the Yellow River Basin. Chinese Journal of Agrometeorology, 2007, 28(1): 40-44.]

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张顺谦, 邓彪, 杨云洁. 四川旱地作物水分盈亏变化及其与气候变化的关系. 农业工程学报, 2012, 28(10): 105-111.利用四川53个农业气象站点1971-2009年逐旬气象、土壤湿度和作物发育期资料,运用农田水量平衡原理和气候趋势分析方法,分析了5个气候子区域近40?a来玉米、小麦、油菜全生育期和关键生育期水分盈亏量变化及其与气候变化的关系,结果表明:全生育期和关键生育期内,各分区小麦、油菜均为水分亏缺,但关键期亏缺量在减小;各区域温度升高、水汽压增大、风速减小、日照减少趋势明显;水分盈亏量与降水、水汽压呈正相关,与气温、日照、风速呈负相关。由此可见,四川旱地作物以水分亏缺为基本特征,但由于日照和风速的减小引起作物需水量减少,从而使水分亏缺程度有所降低。

[Zhang Shunqian, Deng Biao, Yang Yunjie.Change of water budget for dryland crops and its response to climate change in Sichuan province. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(10): 105-111.]

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封志明, 杨艳昭, 刘宝勤. 甘肃省农田水分平衡及其时空分布规律. 自然资源学报, 2005, 20(2): 188-194.采用农田水量平衡模型,以县域为基本单元,对甘肃省1961~2001年10种作物逐月天然状态下农田水分平衡时空分布规律进行了研究。结果表明:天然状态下,甘肃省多年平均农田需水量为121.06&times;10<sup>8</sup>m3;亏水量为43.28&times;10<sup>8</sup>m3;盈水量为0.62&times;10<sup>8</sup>m3,降水不能满足作物生长需求。在25%、50%、75%三种降水保证率下,作物的亏水总量分为35.99&times;10<sup>8</sup>m3、42.93&times;10<sup>8</sup>m3、49.85&times;10<sup>8</sup>m3,盈水量分别为0.61&times;10<sup>8</sup>m3、0.11&times;10<sup>8</sup>m3、0.00&times;10<sup>8</sup>m3。农田水分亏缺是甘肃省农田水分平衡的主要特征。对大多数作物而言,亏水量集中于夏季,10种作物夏季亏水总量占全年亏水总量的60.2%。全生育期棉花水分盈亏的稳定性最强,水量盈亏变异系数为6.9%,麻类最差,变异系数高达43.6%。全省天然状态下,农田亏水量由东南向西北、高山向河谷递增,农田盈水量由东南向西北递减,农田水分满足率与农田水分盈亏波动性具有从东南向西北递减的趋势。

DOI

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高晓容, 王春乙, 张继权, 等. 近50年东北玉米生育阶段需水量及旱涝时空变化. 农业工程学报, 2012, 28(12): 101-109.分析近50?a东北玉米生育阶段的水分供需及旱涝变化,可以为防灾减灾对策的制定提供理论依据。该文基于东北地区48个农业气象观测站1961-2010年逐日气象资料、近20多年玉米生育期资料及近10?a农业灾情多元数据,利用作物系数法计算4个生育阶段的需水量,揭示东北玉米4个生育阶段水分供需的时空规律;以作物水分盈亏指数为评价指标,分析近50?a东北玉米不同生育阶段的旱涝分布及演变。结果表明:东北玉米4个生育阶段及全生育期的需水量没有显著变化;乳熟-成熟阶段,有显著的干旱化趋势,其它3个阶段和全生育期没有明显的旱涝变化。4个生育阶段需水量空间差异较大,基本呈带状分布。播种-七叶期,中旱及以上、中涝及以上灾害频率较低;后3个生育阶段,中旱及以上、中涝及以上灾害频率较高,且全域、区域旱涝现象呈明显的年代际变化特征,从20世纪80年代起全域、区域中旱及以上、中涝及以上次数明显增加。

[Gao Xiaorong, Wang Chunyi, Zhang Jiquan, et al.Crop water requirement and temporal-spatial variation of drought and flood disaster during growth stages for maize in Northeast during past 50 years. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(12): 101-109.]

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雒新萍, 夏军. 气候变化背景下中国小麦需水量的敏感性研究. 气候变化研究进展, 2015, 11(1): 38-43.利用CROPWAT作物模型模拟分析了过去50年(1961&mdash;2010年)及IPCC RCPs情景下未来2020年代(2020&mdash;2029年)中国小麦需水量的变化情况。在此基础上,以小麦需水量的变化率作为敏感性因子,对RCP4.5和RCP8.5排放情景下中国小麦需水量的敏感性进行了探讨。结果表明:中国小麦多年平均需水量约为1056.4亿m<sup>3</sup>,最高值位于黄淮海地区。小麦需水量对气候变化的敏感性存在空间差异,华北和西北地区是小麦需水量的重度和极度敏感区,东北地区以及云贵高原地带是小麦需水量的轻度敏感区,而中国中部及南方部分地区的小麦需水量对气候变化不敏感。不同RCP排放情景下小麦需水量的敏感性分布不同,RCP8.5高排放情景下的小麦需水量敏感性区域比RCP4.5中排放情景下明显扩大,轻度和中度敏感区域扩大尤为明显。

DOI

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黄志刚, 王小立, 肖烨, 等. 气候变化对松嫩平原水稻灌溉需水量的影响. 应用生态学报, 2015, 26(1): 260-268.<div style="line-height: 150%">以水稻为研究对象,选取松嫩平原20个国家气象台站和国家气象中心提供的格点气象数据,采用作物系数法和McCloud模型及PM模型估算水稻需水量,应用水量平衡模型估算水稻灌溉需水量,分析水稻生育期内需水量变化规律.结果表明: 历史时期和气候变化情景下,松嫩平原水稻全生育期和生育中期(L<sub>mid</sub>时段)灌溉需水量等值线沿西南东北方向递减,同一灌溉需水量等值线北移.历史时期和气候变化情景下水稻全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势,其中前者以44.2 mm&middot;10 a<sup>-1</sup>速度增加,后者以19.9 mm&middot;10 a<sup>-1</sup>速度增加.历史时期和气候变化情景下L<sub>mid</sub>时段水稻灌溉需水量随年代均呈波动增加趋势,其中前者显著增加,后者增加不显著.气候变化情景对水稻需水量的贡献率为波动上升,与1970s相比,2000s气候变化对水稻需水量的贡献率为23.6%,增加14.8&times;10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>灌溉水量;2040s气候变化对水稻需水量的贡献率为34.4%,增加21.2&times;10<sup>8</sup> m<sup>3</sup>灌溉水量.</div><div style="line-height: 150%">&nbsp;</div><div style="line-height: 150%">&nbsp;</div>

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[Ma Xiaoqun, Wu Wenyu, Zhang Hui, et al.Analyzing spatial and temporal variations of agricultural drought and waterlog in Jianghuai area through accumulated humidity index. Resources Science, 2008, 30(3): 371-377.]

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[Xu Ying, Ma Xiaoqun, Wang Xiaodong, et al.Analysis of spatial and temporal variation characteristics of winter wheat water deficiency in Huaihe River Basin. Scientia Geographica Sinica, 2013, 33(9): 1138-1144.]

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Outlines

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