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标题 吉林四平地区玉米和大豆灌溉需水量分析
范文 刘钰　谭军利　李王成　刘海军



摘要：采用联合国粮农组织（FAO）推荐的方法Penman-Monteith公式（PM公式）和作物系数，结合当地的气象资料，研究了吉林四平地区玉米和大豆生育期内多年平均降水量与需水量的变化特征，利用皮尔逊Ⅲ型分布曲线，通过频率分析确定不同水文年份的有效降水量和需水量。结果表明：四平地区玉米多年平均有效降水量、需水量和缺水量值分别为423.24 mm、503.73 mm、80.49 mm；大豆多年平均有效降水量、需水量和缺水量分别为442.62 mm、484.18 mm、41.56 mm。在丰水年（P=25%）、平水年（P=50%）和枯水年（P=75%），玉米生育期内平均有效降水量分别为517.47 mm、425.60 mm、352.79 mm，需水量分别为504.88 mm、467.83 mm、506.29 mm；大豆生育期内有效降水量分别为540.23 mm、452.26 mm、371.42 mm，需水量分别为434.67 mm、498.80 mm、450.77 mm。因此在作物生长快速的生长期和开花-结实期若能进行补充灌溉，可显著保障粮食高产稳产。
关键词：四平地区；参考作物蒸散发；需水量；缺水量；频率分析
中图分类号：S274.1 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）06-1225-04
Abstract：Temporal distributions of precipitation and water requirements of maize and soybean during the growth period in Siping region were analyzed.Crop water requirement was computed using the Penman - Monteith equation （FAO 56 PM formula）and crop coefficients.Effective precipitation and water requirements （ETc）for maize and soybean sin different hydrological years were analyzed using the P-III distribution curve.Results showed that the average effective precipitation，water requirement （ETc），and water deficit are 423.24，503.73，and 80.49 mm respectively for maize，and 442.62，484.18，and 41.56 mm respectively for soybean in Siping region.During the wet year （P=25%），normal year （P=50%），and dry year （P=75%），the effective precipitation is 517.47，425.60，and 352.79 mm respectively，and the corresponding water requirement is 504.88，467.83，and 506.29 mm respectively for maize；whereas the effective precipitation is 540.23，452.26，and 371.42 mm respectively，and the corresponding water requirement is 434.67，498.80，and 450.77 mm respectively for soybean.Supplementary irrigations at the fast development stage of maize and at the blossom and productive stage of soybean are important for maintaining high yields in Siping region.
Key words：Siping region；reference crop evapotranspiration；water requirement；water deficit；frequency analysis
我国粮食增产需求与农业可供水短缺矛盾突出[1]。缓解粮食增产需求与农业用水短缺的矛盾主要通过高效利用水资源来解决。吉林省地处松辽平原，是我国重要的商品粮基地之一[2]。2013 年国民经济和社会发展统计公报显示，吉林省玉米产量为2 276万t，占东北粮食产量的19.29%，全国的3.77%。吉林省1981年-2010年大豆平均种植面积4 479.9万 hm2，总产93.89万 t，面积和总产分别占全国的5.30%和7.09% [3]。科学的玉米和大豆的灌溉需水量、灌溉制度有助于吉林四平地区优化水资源管理措施的提出。
作物需水量和灌溉需水量资料是进行农业水资源规划的重要依据。近年来，国内对玉米生育期内需水量的研究主要集中在基于多年气象资料分析作物需水量变化，或者基于气象资料预测未来气候变化对作物需水量的影响，而对于大豆生育期内需水量的研究鲜有报道。刘钰等[4]对中国主要农作物的需水量和灌水量特征进行了研究，研究表明夏玉米全生育期需水量300～400 mm，春玉米全生育期需水量为500～600 mm；肖俊夫等[5]研究了中国玉米需水量及需水规律，研究表明春玉米需水量变化在400～700 mm之间，夏玉米需水量变化在350～400 mm之间；亢振军等[6]应用CROPWAT模型研究分析了辽西半干旱区玉米的需水量及灌水量，结果表明玉米生育期需水趋势呈正态分布，其灌溉需水量曲线因降雨差异在不同的年份呈抛物线型、中期平台型和双峰型3种；张建平等[7]研究探讨了未来气候变化情景下东北三省玉米需水量的变化趋势。国内对作物需水量和灌溉需水量的研究多为多年平均统计结果，而不同水文年份的降水量与作物需水量的差异较大，因此有必要分析不同水文年份的作物需水量与灌溉用水量，为优化水资源管理提供更多基础数据。
本文根据联合国粮农组织（FAO）推荐的方法Penman -Monteith公式（PM公式）[8]和作物系数法[9]计算玉米和大豆需水量；利用皮尔逊Ⅲ型分布曲线，通过频率分析确定不同水文年份的有效降水量和需水量，分析玉米和大豆生育期内的降水与需水分布特征，探究缺水的主要阶段，并提出适宜的灌溉水量。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
四平地区（124°15′-124°34′E，42°57′-43°13′N）位于吉林省西南部，地处松辽平原腹地，属温带半湿润大陆性季风气候，多年降雨量为570 mm，但是年际间差别较大，降水主要分布在每年的6月-8月份，冻土层深度约为1.3～1.7 m，近年来由于气温升高，冻土层深度减少为1.3～1.4 m。地下水位一般在10 m左右，但是部分旱区已达40～50 m。2012 年统计资料显示，全市粮食种植面积为85.8 万 hm2，占农作物总播种面积的93.7%。其中玉米种植面积为77.0 万 hm2，大豆种植面积为1.0 万 hm2，分别占粮食作物面积的89.8%，1.2%。四平地区土地肥沃、日照充足、雨热同季、气候宜农，是东北三大粮仓之一，被国家列为重点商品粮生产基地和玉米出口基地[10]。
本文所用的数据为四平气象站（国家气象台站编号54157）1951年-2014年的气象数据，包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、日降水量、日照时数、日平均风速、日平均相对湿度等气象资料。
1.2 作物需水量
1.3 玉米和大豆生育期内有效降水量
根据当地的调研和气候资料，玉米一般在4月中旬播种，8月中下旬收获，生长期约为120～130 d；大豆在4月底至五月上旬播种，8月中下旬收获，生长期约为120～130 d。结合玉米和大豆播种时对温度的要求，以4月16日作为该研究区玉米的播种日期，8月23日为玉米收获日期；5月1日为大豆的播种日期，9月2日为大豆收获日期。根据联合国粮农组织FAO56对作物生长阶段的划分，将玉米和大豆的生长阶段划分为苗期、快速生长期、开花结实期、成熟期。玉米和大豆各个生长阶段的日期见表1。
玉米和大豆生育期内的降水量除了考虑播种—收获期的降水量外，同时将4月6日至4月15日、4月21日至4月30日内的降水量作为玉米和大豆的前期雨量，以便充分利用降水量。
四平地区地势平坦，当日降水量不大时，一般不会产生地表径流，大都会储存在田间。本文将当日降水量小于3 mm日降水量不计入有效降水量[11]，当日降水量3～50 mm的日降水量作为有效降水量，当日降水量大于50 mm时，以日降水量的0.8倍作为有效降水量[12]。
将历年玉米和大豆生育期内的有效降水量从大到小排列，计算经验频率；并采用皮尔逊Ⅲ型频率分布曲线计算出玉米和大豆生育期内有效降水量的理论频率曲线，据此分析不同水文年份（设计丰水年P=25%、平水年P=50%、枯水年P=75%）玉米和大豆的有效降水量。
2 结果与分析
2.1 玉米和大豆生育期内有效降水量分析
表2为四平地区1951年-2014年玉米和大豆生育期内多年平均有效降水量统计表。由表可知，四平地区多年平均降水量为631.16 mm，其中玉米生育期内有效降水量为465.01 mm，占多年平均降水量的73.7%，开花-结实期有效降水量最大，为179.4 mm，占多年平均玉米全生育期有效降水量的38.6%；其次是成熟期和生长期，多年平均有效降水量为144.23 mm和67.20 mm，分别占多年平均生育期内有效降水量的31%和14.5%；苗期多年平均有效降水量最少，占生育期内有效降水量的5.7%。大豆全生育期有效降水量为484.19 mm，占多年平均降水量的76.7%，开花-结实期有效降水量最大，为244.96 mm，占多年平均大豆全生育期有效降水量的50.6%；其次是成熟期和生长期，多年平均有效降水量为93.73 mm和63.52 mm，分别占多年平均生育期内有效降水量的19.4%和13.1%；苗期多年平均有效降水量最少，占生育期内有效降水量的2.7%。
表3为玉米和大豆生育期内有效降水量的频率分析结果，由表可知，丰水年、平水年、枯水年玉米生育期内的有效降水量分别为516.47 mm、358.76 mm、245.21 mm；大豆生育期内的有效降水量分别为562.08 mm、390.45 mm、266.86 mm。
利用气象数据和公式（2）计算了参考作物蒸散量ET0，结合作物系数（图1），计算了（公式1）四平地区玉米和大豆的需水量（ETc），见表4。从表中可以看出，四平地区玉米整个生育阶段内，玉米多年平均需水量ETc为503.73 mm，其中苗期最少，为25.11 mm，占玉米全生育期需水量的5%；生长期和成熟期较大，分别为136.40 mm和104.14 mm，分别占玉米全生育期需水量的27%和20.7%；开花-结实期最大，为238.08 mm，占玉米全生育期需水量的47.3%，日平均需水量为5.29 mm。大豆多年平均需水量ETc为484.18 mm，其中苗期最少，为37.70 mm，占大豆全生育期需水量的7.8%；生长期和成熟期较大，分别为101.23 mm和72.59 mm，分别占大豆全生育期需水量的20.9%和15%；开花-结实期最大，为272.68 mm，占大豆全生育期需水量的56.3%，日平均需水量为4.95 mm。
根据表3有效降水量频率分析结果，确定不同的水文年。在选取水文年过程中，按照与频率分析结果相近的原则确定2 ～3个年份，将其作物需水量的平均值作为最终结果。表5给出了四平地区不同水文年份玉米和大豆生育期内需水量的分析结果。由表可知，丰水年、平水年和枯水年玉米平均需水量分别为504.88 mm、467.83 mm、506.29 mm；大豆需水量分别为434.67 mm、498.80 mm、450.77 mm。
2.3 缺水量计算
四平地区玉米和大豆灌溉水量统计结果见表6。由表可知，四平地区玉米和大豆生育期内多年平均缺水量分别为80.49 mm和41.56 mm。玉米除苗期（4-16-5-5）和成熟期（7-25-8-23）能够满足其需水外，其他阶段的有效降水量均不能满足作物的需水量，其中生长期（5-6-6-9）缺水量最大，为69.2 mm，开花-结实期（6-10-7-24）缺水量为58.68 mm；大豆除成熟期（8-10-9-2）能够满足其需水量外，其他阶段均不能满足，其中生长期（5-21-6-14）缺水量最大，为37.71 mm，苗期和开花-结实期缺水量分别为10.22 mm、27.72 mm。若不及时进行灌溉，将会对产量造成较大影响[14-15]。
3 结论
本文基于四平地区气象数据，采用Penman-Monteith公式（PM公式）和作物系数法分别确定了玉米和大豆需水量，通过分析玉米和大豆生育期内的降水量与需水量，据此确定缺水量。分析结果如下。
（1）四平地区玉米多年平均有效降水量、需水量和缺水量分别为423.24、503.73、80.49 mm，除苗期和成熟期能够满足其需水外，其他阶段的有效降水量均不能满足作物的需水量，其中生长期缺水量最大，为69.2 mm；大豆多年平均有效降水量、需水量和缺水量分别为442.62、484.18、41.56 mm，除成熟期能够满足其需水量外，其他阶段均不能满足，其中生长期缺水量最大，为37.71 mm。
（2）频率分析表明丰水年（P=25%）、平水年（P=50%）、枯水年（P=75%）玉米生育期内平均有效降水量分别为517.47、425.60、352.79 mm，平均需水量分别为504.88、467.83、506.29 mm；大豆生育期内平均有效降水量分别为540.23、452.26、371.42 mm，需水量分别为434.67、498.80、450.77 mm。
（3）考虑到生长期和开花-结实期是玉米和大豆的快速生长阶段，对产量的形成有重要影响。因此建议在该阶段补充灌溉1～2次，每次30～40 mm，可显著缓解作物亏水状况，实现稳产和高产。
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更新时间：2025/2/5 18:50:55