柳州市甘蔗生長季內(nèi)水分供求情況分析

1、    柳州市甘蔗生長季內(nèi)水分供求情況分析    黃維 李家文 吳炫柯 劉永裕 劉梅 唐國敏摘要：利用柳州市8個(gè)氣象站19612014年的氣象資料，在考慮甘蔗作物系數(shù)的基礎(chǔ)上采用彭曼公式計(jì)算甘蔗需水量，結(jié)合生長季內(nèi)的降水情況，分析柳州市甘蔗水分的供求情況。結(jié)果表明，甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余，水分虧缺情況主要發(fā)生在伸長期后期和成熟期，其中以伸長期后期最為顯著;柳州市甘蔗生長季內(nèi)降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，南部降水偏少而甘蔗需水量較大，是水分虧缺的主要地區(qū)，干旱風(fēng)險(xiǎn)最大，可為有關(guān)部門制定甘蔗的防旱減災(zāi)對策時(shí)提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：生育階段;降水量

2、;甘蔗需水量;干旱;柳州市：s566.1         ：a：0439-8114（2019）02-0088-08doi：10.14088/ki.issn0439-8114.2019.02.020           開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（osid）：廣西是中國甘蔗最大生產(chǎn)適宜區(qū)之一，年種植面積4.5×1055.2×105 hm2，產(chǎn)糖量約占全國食糖總量的40%。經(jīng)過多年的發(fā)展，制糖產(chǎn)業(yè)已成為廣西經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。但廣西90%以上的甘蔗種植在無灌溉條件的旱地上，甘

3、蔗的水分主要來源于降水1。廣西是中國年降水量最豐富的省份之一，但因地處東亞季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，降水時(shí)空分布不均，季節(jié)性干旱頻繁發(fā)生2。如果甘蔗遭遇春旱，會影響冬春甘蔗出苗，減少有效莖數(shù)，抑制苗期生長3，4;而秋季甘蔗正處于糖分積累的莖伸長后期，如遭受干旱災(zāi)害，光合作用強(qiáng)度降低，呼吸作用加強(qiáng)，糖分含量降低，膠質(zhì)比例增大，出糖率和回收率就會下降，影響甘蔗的伸長，甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)都將會大幅度下降2，5。目前，關(guān)于廣西甘蔗干旱的研究已有報(bào)道，遙感、指標(biāo)指數(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建的甘蔗干旱風(fēng)險(xiǎn)評估模型也被廣泛地應(yīng)用于甘蔗干旱評估中?？镎衙舻?以干旱指數(shù)遙感監(jiān)測模型為工具，對甘蔗干旱進(jìn)行精細(xì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，應(yīng)

4、用效果較好;陸耀凡等7以甘蔗水分盈虧指數(shù)為指標(biāo)，指出近40年廣西右江河谷甘蔗的水分盈虧指數(shù)呈下降的變化趨勢;莫建飛等8以甘蔗干旱災(zāi)害指數(shù)為指標(biāo)，構(gòu)建了廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱等級災(zāi)害空間分布模型，并得出甘蔗干旱災(zāi)害等級在水平分布上由北向南、由東向西逐漸遞增的結(jié)論;盧小鳳等9結(jié)合甘蔗需水量的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)中度和重度干旱的高發(fā)區(qū)主要位于桂中和桂東北甘蔗區(qū)，且20世紀(jì)90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度總體呈增加和加重趨勢。以上學(xué)者采用不同方法研究甘蔗干旱，為甘蔗防旱避災(zāi)工作提供了科學(xué)依據(jù)。柳州市處于桂中甘蔗區(qū)，是廣西甘蔗的主產(chǎn)區(qū)之一。由于受熱帶海洋氣團(tuán)和極地大陸氣團(tuán)的交替控制，柳

5、州市冬冷夏熱，雨熱同季，受降水空間分布不均和灌溉條件的限制，干旱災(zāi)害成為制約該市甘蔗生產(chǎn)發(fā)展的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。目前，關(guān)于柳州地區(qū)的干旱研究多數(shù)基于降水資料10，11，缺乏對作物需水量的考慮，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)效果缺乏針對性。因此，本研究結(jié)合甘蔗作物系數(shù)，利用彭曼公式計(jì)算甘蔗作物需水量，分析柳州市甘蔗在不同生育階段需水量和降水量的時(shí)空分布特征以及供求關(guān)系，旨在為柳州市甘蔗的生產(chǎn)發(fā)展和合理布局提供科學(xué)參考。1  數(shù)據(jù)與方法1.1  研究區(qū)概況柳州市地處桂中北部，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，由于受季風(fēng)環(huán)流影響，夏半年盛行偏南風(fēng)，高溫、高濕、多雨，冬半年盛行偏北風(fēng)，寒冷、干燥、少雨。夏

6、長冬短、雨熱同季，光、溫、水氣候資源豐富，但地區(qū)差異較大，北部各縣具有較明顯的山地氣候特征。柳州市共有8個(gè)國家氣象觀測站。1.2  數(shù)據(jù)來源從柳州市氣象局獲取柳江、鹿寨、柳州、沙塘、柳城、融安、融水和三江共8個(gè)氣象站19612014年逐日氣象資料，包括平均溫度、最高溫度、最低溫度、相對濕度、降水量、風(fēng)速、水氣壓等;甘蔗發(fā)育期資料主要來源于柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站;地理輔助數(shù)據(jù)主要包括柳州市矢量邊界。1.3  研究方法1）生育期劃分。將甘蔗生育期劃分為4個(gè)主要生育階段，即幼苗期、分蘗期、伸長期、成熟期。根據(jù)柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站20032013年甘蔗生育期觀測資料，并參考文獻(xiàn)12，

7、綜合得出甘蔗整個(gè)生長季平均需要24旬，本研究以3月下旬作為甘蔗生長季的第一旬，11月上旬作為甘蔗生長季的最后一旬，并將各旬劃入對應(yīng)的生育階段內(nèi)，如表1所示。2）甘蔗需水量計(jì)算。甘蔗需水量由公式（1）計(jì)算而得，其表達(dá)式如下：式中，etc為甘蔗需水量（mm）;kc為甘蔗作物系數(shù);eto為參考作物蒸發(fā)量（mm）。eto由彭曼公式計(jì)算而得，其計(jì)算方法如下：式中，eto為作物參考蒸散量（mm/d）;為飽和水氣壓曲線斜率（kpa/）;rn為地表凈輻射mj/（m·d）;g為土壤熱通量mj/（m2·d）;為干濕表常數(shù)（kpa/）;tmean為日平均氣溫（）;u2為2 m高處風(fēng)速（m/s）;

8、es為飽和水氣壓（kpa）;ea為實(shí)際水氣壓（kpa）。甘蔗作物系數(shù)是計(jì)算甘蔗需水量的重要參數(shù)，它反映了甘蔗本身的生物學(xué)特性、產(chǎn)量水平以及土壤耕作條件對作物需水量的影響13，為了得到甘蔗生長季內(nèi)每旬作物系數(shù)，參考文獻(xiàn)12，并結(jié)合南寧市氣象站對應(yīng)時(shí)段的氣象資料，利用實(shí)測甘蔗需水量（etc）與參考作物蒸發(fā)量（eto）的比率計(jì)算生長季內(nèi)各旬甘蔗需水量的作物系數(shù)，即：kc計(jì)算結(jié)果。kc范圍在0.62.8，在伸長期時(shí)kc較高，處于1.02.8，在幼苗期和成熟期kc較低，都在1.0以下。2  結(jié)果與分析2.1  甘蔗需水量與降水量的時(shí)間變化柳州市甘蔗19612014年各旬平均需水量和降

9、水量隨時(shí)間的變化。甘蔗需水量隨時(shí)間的延長呈先增后減的變化趨勢，需水量在幼苗期變化較為平緩，并維持在20 mm以下，在分蘗期迅速增加，分蘗末期接近100 mm，伸長期需水量又下降，在第12旬時(shí)才開始上升，第13旬時(shí)達(dá)到需水量的第二個(gè)峰值點(diǎn)，為96 mm，此后開始快速下降，該趨勢一直延續(xù)到成熟期。在幼苗期和分蘗期，降水量遠(yuǎn)高于甘蔗需水量，因此，在這兩個(gè)生育階段甘蔗干旱風(fēng)險(xiǎn)較小，而在伸長期和成熟期，甘蔗需水量和降水量曲線存在多個(gè)交點(diǎn)。從總水量來看，甘蔗在伸長期和成熟期總需水量分別為677、87 mm，而對應(yīng)的總降水量分別為590、99 mm。甘蔗在伸長期時(shí)處于水分虧缺狀態(tài)，而在成熟期降水量基本滿足甘

10、蔗需水量，因此，甘蔗在伸長期最易遭受干旱威脅。甘蔗的伸長期一般從6月下旬開始，10月上旬結(jié)束，6、7、8月降水量豐富，而到9、10月降水開始減少，因此，甘蔗干旱主要發(fā)生在伸長期后期。2.2  甘蔗生長季內(nèi)降水量的空間分布甘蔗各生育階段19612014年平均降水量的空間分布。研究區(qū)在幼苗期的降水量處于225342 mm，平均降水量為274 mm，空間差異明顯，從西南向東北遞增，柳江區(qū)、柳城縣降水量相對較少，降水量高值區(qū)集中在融安縣境內(nèi);在分蘗期降水量處于306460 mm，平均降水量為307 mm，空間差異明顯，總體表現(xiàn)為北多南少，柳城站降水量相對較少，為307 mm，降水量高值區(qū)集中

11、在融水縣、融安縣境內(nèi)，其中融安站降水量最多，達(dá)459 mm;在伸長期降水量處于528708 mm，平均降水量為589 mm，空間差異明顯，總體表現(xiàn)為北多南少，柳城站降水量仍最少，為528 mm，降水量高值區(qū)仍集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，但高值中心較幼苗期和分蘗期向西偏移，其中融水站降水量最多，達(dá)699 mm;在成熟期降水量處于90124 mm，平均降水量為101 mm，是降水量最少的生育階段，空間分布與前三個(gè)生育階段基本一致，柳城站降水量仍最少，為90 mm，降水高值區(qū)仍集中在融水縣、融安縣境內(nèi)，其中融安站降水量最多，達(dá)124 mm。2.3  甘蔗生長季內(nèi)需水量的空間分布甘蔗各生育階段

12、19612014年平均需水量的空間分布。研究區(qū)甘蔗在幼苗期需水量處于8091 mm，表現(xiàn)為南多北少的空間格局，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量都在9091 mm，三江縣甘蔗需水量最少，在8081 mm;在分蘗期需水量處于185222 mm，空間差異明顯，但空間變化趨勢與幼苗期基本一致，都為南多北少，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量都在215222 mm，三江縣甘蔗需水量最少，在185191 mm;在伸長期需水量處于619727 mm，空間差異明顯，整體表現(xiàn)為南多北少，鹿寨縣、柳州市區(qū)、柳江區(qū)大部分區(qū)域需水量最大，在697727 mm，三江縣甘蔗需水量仍最少，在619636 mm

13、，南北需水量差異最大達(dá)108 mm;在成熟期需水量處于69102 mm，空間差異明顯，南多北少，鹿寨縣大部分區(qū)域需水量較大，在99102 mm，三江縣甘蔗需水量仍最少，在6974 mm。2.4  甘蔗生長季內(nèi)降水量與需水量差的空間分布19612014年甘蔗生長季內(nèi)降水量與需水量差的空間分布。在幼苗期和分蘗期研究區(qū)降水量都遠(yuǎn)高于甘蔗需水量，因此發(fā)生甘蔗干旱災(zāi)害的概率較低，而在伸長期和成熟期研究區(qū)南部有較大區(qū)域都處于水分虧缺狀態(tài)，是甘蔗干旱發(fā)生的重點(diǎn)時(shí)期。從伸長期降水量與甘蔗需水量差的空間分布可知，僅融水縣和融安縣小部分區(qū)域降水量能滿足甘蔗需水量需求，其他地區(qū)表現(xiàn)為不同程度的水分虧缺狀況

14、，研究區(qū)南部表現(xiàn)得最為明顯，水分虧缺最嚴(yán)重的地區(qū)主要集中在柳州市區(qū)、鹿寨縣南部和柳城縣中部，虧缺量在132.3192.7 mm。從成熟期降水量與甘蔗需水量差的空間分布可知，鹿寨縣、柳江區(qū)中部處于水分虧缺狀態(tài)，但虧缺量不大，在10.1 mm以下，研究區(qū)其他區(qū)域都能滿足甘蔗需水量，三江縣、融安縣北部和融水縣西部盈余量在26.641.7 mm，其他地區(qū)盈余量較低。2.5  甘蔗需水量的年際變化19612014年甘蔗在不同生育階段需水量的年際變化。幼苗期時(shí)甘蔗需水量范圍在65.7102.4 mm，年均需水量為85.9 mm，年際波動(dòng)性較大，甘蔗需水量在19611991年時(shí)緩慢微下降趨勢，之后

15、開始上升，呈一個(gè)開口朝下的拋物線;分蘗期甘蔗需水量范圍在162.1282.8 mm，年均需水量為206.1 mm，相比而言，19611971年甘蔗需水量偏多，并于1964年左右時(shí)達(dá)到最高，之后開始遞減，1977年后變化趨于平緩;伸長期甘蔗需水量范圍在547.4777.9 mm，年均需水量為677.2 mm，波動(dòng)性較大，變化趨勢大致可從兩個(gè)階段進(jìn)行分析，即19611981年和19822009年，以上兩個(gè)階段都表現(xiàn)出先減后增的變化趨勢，19611981年階段，1970年附近時(shí)需水量達(dá)到最低，而19822009年階段，1998年附近時(shí)需水量達(dá)到最低;成熟期甘蔗需水量范圍在63.0131.8 mm，年

16、均需水量為87.7 mm，雖然需水量在該生育階段波動(dòng)性較大，但未表現(xiàn)出明顯的變化。2.6  甘蔗降水量與需水量差的年際變化19612014年甘蔗在不同生育階段降水量與需水量差的年際變化。幼苗期降水量與甘蔗需水量之差在15389 mm，都處于水分盈余狀態(tài)，并于1996年時(shí)水分盈余量達(dá)到最高，為389 mm;分蘗期降水量與甘蔗需水量之差在 -193528 mm，大部分年份都處于水分盈余狀態(tài)，水分虧缺年份僅有5年，即1963、1964、1970、1988、1996年，占所有研究年份的9.3%，但1964、1970和1966年水分虧缺量相對較低;伸長期降水量與甘蔗需水量之差在-427430

17、mm，水分虧缺年份居多，占所有研究年份的66.7%，虧缺年份的水分/虧缺平均量為213 mm，其中，1985年水分虧缺量最大，達(dá)427 mm;成熟期降水量與需水量之差在-120164 mm，水分虧缺年份仍居多，占所有研究年份的53.7%，虧缺年份的水分虧缺平均量為42 mm，其中，1974年水分虧缺量最大，達(dá)120 mm。3  討論根據(jù)盧小鳳等9研究，甘蔗在柳州縣、來賓市等地發(fā)生中度干旱和重度干旱的概率較高，且集中在9月到10月。本研究得出，柳州市甘蔗水分虧缺地區(qū)主要集中在柳州市南部，以伸長期后期最為嚴(yán)重，這與盧小鳳9等的研究基本一致。通過對柳州市甘蔗生長季內(nèi)降水量和需水量分析可知，

18、研究區(qū)降水呈現(xiàn)出明顯的空間差異，南少北多，降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，而柳州市南部氣溫高于北部，導(dǎo)致蒸發(fā)量較大，甘蔗需水量卻呈現(xiàn)出明顯的南多北少的空間格局，與降水量的空間分布剛好相反，這是導(dǎo)致柳州市南部甘蔗水分虧缺的主要原因。此外，本研究得出，研究區(qū)甘蔗在幼苗期和分蘗期基本都處于水分盈余狀態(tài)，與莫建飛等8關(guān)于廣西甘蔗萌芽分蘗期干旱研究差異較大，這可能與選取的研究方法和研究區(qū)大小有較大的關(guān)系。隨著全球變暖的進(jìn)一步加劇，降水時(shí)空分布發(fā)生了巨大的變化，盧小鳳等9研究指出，在氣候變化背景下，20世紀(jì)90年代以后，廣西甘蔗秋季中度和重度以上干旱發(fā)生的頻率和強(qiáng)度總體呈增加和加重趨勢，一些年份秋季

19、干旱日數(shù)增加，本研究通過對甘蔗伸長期水分供求情況的年際分析可知，甘蔗水分虧缺狀況主要集中在19761991和20002014年這兩個(gè)時(shí)間段，但未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。本研究借鑒前人研究結(jié)果，得出一套甘蔗作物系數(shù)，但該參數(shù)仍需進(jìn)一步本地化，以增強(qiáng)其在研究中的準(zhǔn)確性和代表性。關(guān)于甘蔗干旱的計(jì)算方法很多，本研究僅從降水量與需水量之差的角度來分析甘蔗在不同生育階段的水分盈余狀態(tài)，口徑較粗，因此，在今后的研究中應(yīng)采用多種方法進(jìn)行分析，在時(shí)間尺度上細(xì)分到旬，并充分考慮水分前期的累積效應(yīng)，從而得到更加精確和準(zhǔn)確的甘蔗水分盈余情況。4  結(jié)論本研究以彭曼公式為工具，結(jié)合甘蔗作物系數(shù)計(jì)算出柳州市甘蔗需

20、水量，并分析其生長季內(nèi)的水分供求情況。研究區(qū)甘蔗在幼苗期和分蘗期水分盈余，水分虧缺情況主要發(fā)生在伸長期后期和成熟期，其中以伸長期后期最為顯著。柳州市甘蔗生長季內(nèi)降水中心主要集中在融安縣、融水縣一帶，南部降水偏少且甘蔗需水量較大，是水分虧缺的主要地區(qū)，干旱風(fēng)險(xiǎn)最高。研究結(jié)果可為有關(guān)部門合理安排種植布局、制定科學(xué)灌溉用水調(diào)配計(jì)劃提供科學(xué)參考。參考文獻(xiàn)：1 楊麗濤，李楊瑞.干旱條件下后期灌溉對不同品種甘蔗產(chǎn)量、蔗糖分和某些生理生化特性的效應(yīng)研究j.作物學(xué)報(bào)，1995，21（1）：76-82.2 李  莉，匡昭敏，莫建飛，等.廣西甘蔗秋旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)初步研究j.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2016，27（1）：95-101.3 劉三梅，楊清輝，陳朝在，等.干旱脅迫對甘蔗不同生育時(shí)期光合