河南省夏花生水分供需变化及时空分布特征

张建涛，李国强，臧贺藏，张 杰，赵 晴，陈丹丹，王 猛，郑国清

(河南省农业科学院农业经济与信息研究所/河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450008)

【研究意义】花生是我国重要的经济作物和油料作物，其总产量居我国油料作物之首，在我国种植业结构中占有重要地位[1]。河南是我国第一花生生产大省，2011-2015年花生年均种植面积、总产分别占全国的22 %和28 %，已成为河南继小麦、玉米之后的第三大农作物[2]，花生的稳产丰产对我省乃至全国的油料供应具有重要的意义。河南属温带大陆性季风气候区，光热资源丰富，雨热同季，降水量年际间变化较大且集中在夏季，是我国气候变化敏感区之一[3]。在气候变化背景下，研究河南省不同区域花生生育期的水分供需状况，对优化花生种植规划与布局，提高水资源利用率具有重要的意义。【前人研究进展】作物水分供需状况在时间和空间上存在变异性和规律性，国内外研究者对不同区域小麦[4-7]、玉米[8-11]、水稻[12-14]、棉花[15-16]近几十年需水量的变化规律进行了大量的研究。河南是我国粮食的主产区，气候变化背景下河南主要作物需水量的研究较多。姬兴杰等[17]利用30个气象站点1981-2010年的气象数据分析了30年来河南冬小麦需水量和缺水量的时空变化特征，并对其主要影响因子进行了探讨。宋妮等[18]基于河南省17 个气象监测站点 1961-2012 年逐旬气象数据，分析了河南省冬小麦需水量近 51 年来的时空分布特征、变化规律及其主要影响因素。杨晓琳等[3,19]利用黄淮海50个站点1960-2009年气象数据研究了该区域冬小麦、夏玉米和春玉米生育期需水量、适宜灌溉量的时空变化趋势，各主要气象因子时空变化趋势以及需水量与气象因子的相关性。刘晓英等[20-21]用6个城市气象站(北京、天津、石家庄、郑州、济南和太原)分析了华北平原冬小麦和夏玉米近 50 年需水量的变化趋势和原因。关于花生需水量在气候变化背景下的变化规律，国内研究较少，周迎平等[22]利用河南12个站点1971-2010年气象数据分析了小麦、玉米、棉花、花生生育期需水量的变化规律；阎苗渊等[23]采用人民胜利渠灌区52年气象资料，分析灌区主要作物(水稻、玉米、棉花、花生)需水量、灌溉需水量和相应生育期内气象要素的变化趋势及其相关性。【本研究切入点】综上所述，气候变化背景下作物需水量的研究已经成为当今农业领域的热点，花生作为重要的油料作物，对其需水量的变化规律研究较少。【拟解决的关键问题】因此，本文利用河南省17个气象站点的逐日气象数据，计算并分析1960-2009年夏花生需水量、有效降水量、缺水量的变化趋势和空间分布变化特征，为在气候变化背景下优化花生种植区划调整、提高水资源利用效率、更好的发展节水农业提供重要的参考。

1 材料与方法

1.1 基础数据

本研究所用气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网，包括河南省17个地面观测站 1960-2009 年逐日气象资料，主要有最高气温(℃) 、最低气温(℃) 、10 m 高处平均风速(m·s-1) 、相对湿度(% ) 、日照时数(h) 、降雨量等。夏花生作物系数参考采用联合国粮农组织Food and Agriculture Organization of the United Nations(FAO)推荐的参考值，空间图形数据主要参照 1∶400 万的全国政区图。

1.2 研究方法

1.2.1 花生需水量计算 花生生育期内逐日需水量(ETc)计算公式如下：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中:ET0为参考作物需水量，采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith(简称：PM)公式计算[24]，见式(2)；Kc为花生作物系数，参考FAO推荐值，6月为0.40，7-8月为1.15，9月为0.60。河南花生种植分春播花生和夏播花生。夏播花生一般在小麦收获后种植，生育期时间与河南各地夏玉米生育期时间基本重合，因此河南夏花生生育期一般为6-9月。

ET0={0.408Δ(Rn-G)+γ[900/(T+273)]u2(es-ea)}/Δ+γ(1+0.34u2)

(2)

式中：ET0是参考作物蒸发蒸腾量(mm ·d-1)，Rn是各站作物冠层顶的净辐射(MJ · m-2·day-1)，G是土壤热流强度，也叫土壤热通量(MJ · m-2·day-1)，γ为干湿表常数(kPa ·℃-1)，u2是地面以上2 m处的风速(m· s-1)，es是饱和水汽压(kPa)，ea是实际水汽压(kPa)，△是饱和水汽压一温度曲线斜率(kPa ·℃-1)，T是平均气温(℃)。公式中各参数计算过程见文献[25]，其中，太阳辐射项Rn计算公式如下：

(3)

式中,Rns、Rnl、Ra、Rs、Rso分别为净短波辐射、净长波辐射、碧空太阳总辐射、短波辐射、晴空太阳辐射(MJ/m2·d)；a、b系数为根据日照时数估算太阳总辐射的系数，根据地点、季节取值不同；n为日实际平均日照时数，h；N为不同纬度每天可能的理论日照时数；σ为 Stefan-Boltzmann常数，为 4.903×10-9MJ/K4·m2·d；Tmax,K、Tmin,K分别为最大、最小绝对温度(K=℃+273.16)。

1.2.2 有效降水量计算 作物生长期的有效降水量指总降水量中能够保存在作物根系层中用于满足作物蒸发蒸腾需要的降水量，不包括地表径流和渗漏至作物根系吸水层以下的部分。本研究以旬为单位，采用 FAO推荐的参考作物蒸散量和降水量的比率法来计算有效降水量[8,26]。

(4)

(5)

式中：Pei是逐旬有效降水量(mm)，P是逐旬累积自然降水量(mm)，ETc是逐旬作物需水量(mm)；Pe是作物生育期内有效降水量(mm)，i为夏花生生育期的旬数。

1.2.3 花生缺水量计算 缺水量为夏花生生育期内需水量和同期有效降水量的差值，可以采用下式计算[8]。

WD=ETc-Pe

(6)

式中：WD为生育期内缺水量(mm)；Pe是作物生育期内有效降水量，(mm)；ETc为作物生育期内需水量，正值表示夏花生需水量大于有效降水量，即有效降水不能满足夏花生需水要求，而负值表示有效降水能够满足夏花生需水要求。

1.2.4 时间序列分析法 采用时间序列分析法中的气候趋势系数和气候倾向率分析夏花生需水量、有效降水量、缺水量的年际变化趋势[18]。气候倾向率是指根据某一气候变量的趋势变化，建立Xi和ti间的一元线性回归方程：

Xi=a+bti(i=1, 2, …,n)

(7)

式中：ti是Xi对应的时间变化；Xi是气候变量；n是样本量；a与b是回归系数，当b为正或负时，表示要素在计算时段内线性增加或减弱。10b即表示气候倾向率，表示要素每10年的变化率。

气候趋势系数(rt) 为n个时刻(年) 所对应的要素序列与自然数列 1，2，…，n的相关系数：

(8)

1.2.5 空间分布图绘制 采用 ArcGIS 软件中地理统计分析的样条函数方法绘制河南省17个站点不同年代的夏花生需水量、有效降水量、缺水量的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 夏花生水分供给年际变化趋势

2.1.1 需水量 由表1可知，河南17个站点1960-2009年及各个年代夏花生需水量均值在350.6～493.1 mm，其中，三门峡各个年代最高，栾川1960s、1970s、1990s和1960-2009年最低，卢氏1980s、2000s最低。1960-2009年，卢氏、栾川的夏花生需水量均低于400 mm，分别为386.5和378 mm，栾川最低，其余站点均高于400 mm，三门峡站最高，为452.1 mm。从代际差异来看，1960s河南17个站点夏花生需水量最高，2000s夏花生需水量最低的站点最多，为14个(卢氏、栾川、西峡除外)。从年际变化趋势来看，1960-2009年，河南17个站点夏花生需水量气候倾向率在-5.5～-24.5，全都随年份呈下降趋势，栾川呈显著下降趋势，其余16个站点呈极显著下降趋势。夏花生需水量随年份下降最快的为商丘，平均每10年下降24.5 mm，宝丰次之，平均每10年下降23.1 mm；下降最慢的为栾川，平均每10年下降5.5 mm，新乡次之，平均每10年下降9.9 mm。

表1 夏花生需水量年代均值及年际变化趋势

2.1.2 有效降水量 由表2可知，河南17个站点1960-2009年及各个年代夏花生有效降水量均值在198.0～276.7 mm。从代际差异来看，不同年代有效降水量最高值、最低值均为不同站点，其中，1990s孟津站、2000s三门峡站有效降水量低于200 mm，其它年代各站点均大于200 mm。从年际变化趋势来看，1960-2009年，卢氏、南阳、许昌、郑州、驻马店夏花生有效降水量气候倾向率为正值，介于0.2～4.6，其它站点为负值，介于-1.3～-5.7，但是所有站点的变化趋势均不显著。

表2 夏花生有效降水量年代均值及年际变化趋势

2.1.3 缺水量 由表3可知，河南17个站点1960-2009年及各个年代夏花生缺水量均值在88.2～281.3 mm，其中，除1980s之外，三门峡各个年代缺水量最高，栾川各个年代及1960-2009年缺水量最低；1960-2009年，孟津、三门峡的夏花生需水量均高于200 mm，分别为203.5和233.5 mm，其余站点均低于200 mm，其中最低的栾川站，夏花生缺水量为115.2 mm。

表3 夏花生缺水量年代均值及年际变化趋势

从代际差异来看，除栾川和信阳外，1960s夏花生缺水量最高；1980s固始、卢氏、栾川、三门峡、西峡、信阳、驻马店七个站点缺水量最低，其余站点2000s缺水量最低。从代际变化趋势来看，1960-2009年，河南17个站点夏花生缺水量气候倾向率在-2.5～-20.6，全都随年份呈下降趋势，宝丰、南阳、商丘、郑州4个站点缺水量呈极显著下降趋势，卢氏、西华、许昌3个站点缺水量呈显著下降趋势，其余10个站点下降趋势不显著。夏花生缺水量随年份下降最快的为宝丰，平均每10年下降21.6 mm，郑州次之，平均每10年下降20.6 mm；下降最慢的为栾川，平均每10年下降2.5 mm，新乡、安阳次之，平均每10年分别下降6.1和6.3 mm。

2.2 河南省夏花生需水量与缺水量的空间分布特征

2.2.1 需水量 从图1可以看出，河南省夏花生1960-2009年平均需水量多集中在411～427 mm，其范围覆盖豫北所有地区；豫中郑州、开封所有地区和平顶山(宝丰)、许昌、商丘的大部分地区及豫南信阳市、驻马店、南阳和豫东周口(西华)大部分地区在393～410 mm；豫西卢氏、栾川最低，在376～392 mm。各个年代河南不同地区夏花生需水量差异较大，1960s除豫西卢氏、栾川和豫北新乡、安阳小部分地区之外，其它所有站点和地区需水量都在460～480 mm。1970s豫西卢氏、栾川需水量在380～406 mm；豫北大部，豫中许昌、开封大部和豫南南阳小部分地区需水量在406～429 mm，其余地区需水量在430～464 mm。1980s需水量层次分布较为明显，豫西洛阳(栾川)和三门峡(卢氏)小部分地区在347～365 mm，为低值区域；豫北濮阳、焦作，豫中郑州、开封，豫南信阳，南阳小部分地区在402～419 mm，为高值区域；豫南南阳大部分地区，驻马店小部分地区及洛阳(栾川)、三门峡(卢氏)小部分地区在393～410 mm；其它地区在384～401 mm。1990s河南大部分地区，包括豫北全部，豫中、豫南大部分地区夏花生需水量在405～426 mm之间，剩余地区大部分在284～405 mm。2000s豫北安阳、新乡，豫中开封大部分地区需水量在390～409 mm；豫中郑州、许昌大部，豫西洛阳(孟津)小部，豫南信阳大部、南阳、驻马店部分地区在370～389 mm；豫东商丘东部在330～350 mm，其余地区在351～369 mm。

图1 河南省夏花生需水量的空间分布Fig.1 Spatial distribution of summer peanut water demand in Henan province

2.2.2 有效降水量 从图 2 可以看出，河南省夏花生1960-2009年平均有效降水量大致分为三个梯度，豫北、豫中大部分地区及豫东西部、豫南南阳、驻马店小部分和豫西洛阳(孟津)、三门峡部分地区在219～235 mm；豫西洛阳小部、豫东商丘东部和周口(西华)大部，豫南驻马店、信阳大部、南阳小部分地区在236～252 mm；豫西洛阳(栾川)小部、豫南南阳(西峡)部分地区在253～269 mm。各个年代河南不同地区夏花生有效降水量差异较大，1960s豫北新乡南部、焦作，豫中郑州全部、开封西部、许昌北部地区夏花生有效降水量在176～202 mm，为低值区域；豫西洛阳(栾川)及豫南信阳、西峡小部分地区在256～283 mm，为高值区域，其它地区在229～255 mm。1970s豫中平顶山(宝丰)南部及豫南驻马店西部、南阳东部区域夏花生有效降水量在191～207 mm，为低值区域；豫东商丘和周口(西华)东部，豫南南阳(西峡)西部在257～272 mm，为高值区域；豫东商丘和周口(西华)西部、豫南信阳和驻马店西北部、豫西洛阳(栾川)北部区域在241～256 mm，其它区域在208～223 mm。1980s河南夏花生有效降水量分布层次明显，豫北大部分区域在195～213 mm，为低值区域；豫西洛阳(孟津)及豫中郑州、开封和豫东(商丘)北部区域在214～232 mm；豫中许昌和平顶山(宝丰)大部、豫东周口(西华)北部和商丘东南部、豫南南阳东部、豫西洛阳(栾川)西北部区域在233～250 mm；豫南驻马店大部、豫东周口(西华)南部及豫西南栾川和西峡小部分地区在251～269 mm；豫南信阳大部南阳小部、豫西洛阳栾川周边小部分地区在270～287 mm，为高值区域。1990s豫西洛阳以北、豫中郑州西部、豫南南阳东部和信阳西部、豫东商丘东部区域有效降水量在192～210 mm，为低值区域；豫北新乡北部、豫南信阳南部及南阳北部区域在229～246 mm；其它区域在211～228 mm，覆盖范围较广。2000s豫北大部，豫中开封、郑州、平顶山(宝丰)大部、豫南信阳东部区域夏花生有效降水量在191～221 mm；豫南南阳西部、豫西洛阳(栾川)南部在252～271 mm，是高值区域，省内其他大部分地区在247～264 mm。

图2 河南省夏花生有效降水量的空间分布Fig.2 Spatial distribution of summer peanut effective precipitation in Henan province

2.2.3 缺水量 从图3可以看出，1960-2009年及各个年代豫西洛阳(栾川)周边小部分区域夏花生缺水量在114～147 mm，为低值区域；豫北安阳大部和焦作、豫中郑州、开封及许昌、平顶山(北部)，豫东商丘西部和豫南南阳南部在181～212 mm；省内其它区域在148～180 mm。1960s豫西洛阳(栾川)周边小部分区域夏花生缺水量在115～169 mm，为低值区域；豫中郑州、开封、许昌、平顶山(宝丰)大部分区域及豫北焦作和濮阳、豫东商丘北部在224～277 mm；省内其它区域在170～223 mm。1970s豫西洛阳(栾川)周边小部分区域夏花生缺水量在124～161 mm之间，为低值区域；豫中郑州、平顶山(宝丰)大部分区域、豫北焦作大部、新乡和安阳西部，豫南南阳东部、信阳大部在199～234 mm；省内其它区域夏花生缺水量在162～198 mm。1980s豫西洛阳(栾川)周边小部分区域及豫南驻马店、信阳，豫东周口(西华)南部，豫北新乡北部区域夏花生缺水量在88～127 mm，为低值区域；豫中郑州、开封，豫北焦作，豫西洛阳(孟津)东北部，豫东商丘东部在168～206 mm；豫北濮阳北部小部分区域在213～284 mm，为高值区域；省内其它区域在128～167 mm。1990s豫西洛阳(栾川)周边小部分区域夏花生缺水量在143～169 mm，为低值区域；豫北新乡北部、安阳西北部，豫东周口(西华)、商丘，豫南驻马店、信阳大部分区域、南阳西小部、豫中宝丰西部区域在170～194 mm；豫西北三门峡和洛阳(孟津)北小部分区域在220～270 mm，为高值区域；省内其余部分在196～219 mm。2000s豫西(栾川)周边小部分区域夏花生缺水量在74～107 mm，为低值区域；豫西北小部分区域、豫北安阳东部、濮阳、新乡小部分区域及豫中开封东北部区域缺水量在173～205 mm，为高值区域；豫北新乡大部、安阳西部、焦作，豫中郑州、开封大部、平顶山(宝丰)北部，豫西洛阳(孟津)东北部，豫南信阳大部分区域夏花生缺水量在141～172 mm；省内其余部分夏花生缺水量在108～140 mm。

图3 河南省夏花生缺水量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of summer peanut water deficit in Henan province

2.3 河南省夏花生水分供需平均值年际变化

由图 4 可知，河南省夏花生1960-2009年全生育期需水量、有效降水量和缺水量的气候倾向率分别为-15.6、-2.7和-12.9 mm·10b-1，其中需水量和缺水量的减少趋势显著，有效降水量的减少趋势不显著。夏花生生育期内有效降水量与缺水量在年际变化上呈现出很好的反位对应关系，即在有效降水量多的年份，缺水量显著减少。

图4 河南省夏花生全生育期水分供需平均值年际变化Fig.4 Variation of average water supply and demand in whole growing period of summer peanut in Henan province

3 讨 论

3.1 夏花生需水量

阎苗渊等[23]利用1959-2010年人民胜利渠新乡站的气象数据研究了花生的需水量变化，结果表明花生需水量52年平均值为435.76 mm，每10年下降11.51 mm，与本文的新乡站点夏花生需水量50年平均值为414.1 mm每10年下降9.9 mm接近。周迎平等[22]利用1971年12个站点的数据分析了河南主要作物需水量的变化趋势及影响因素，表明花生需水量除孟津站为增加趋势外，其余11个站点均呈不同程度的下降趋势，且每10年平均下降水平最大的站点是商丘，下降11.596 mm，与本文研究结果略有差异，这一差异可能是1960s气象数据导致的，1960s花生需水量在1960-2009年中是最高的年代。同一地点不同作物的需水量跟作物生育期的气象数据和作物系数有关，其趋势变化仅与气象数据有关，李喜平[27]、刘小刚[28]利用包含1960s的气象资料，对与夏花生处于同一生长时期的河南多个站点夏玉米需水量变化趋势研究结果也表明所有站点需水量都呈下降趋势，跟本文夏花生需水量变化趋势一致。

3.2 夏花生有效降水量

作物生长期的有效降水量指总降水量中能够保存在作物根系层中用于满足作物蒸发蒸腾需要的降水量，不包括地表径流和渗漏至作物根系吸水层以下的部分。对于有效降水量的计算，大多地区采用当地的经验公式，缺乏机理性，不同地区、不同模式计算差异较大[29]。本文在计算有效降水量时，采用的是 FAO 推荐的参考作物蒸散量与降水量的比率法，并进行了修正[8]。该有效降雨量计算方法以作物需水量ETc作为标准，充分考虑降水、作物的关系。在降雨量较多的时段内，超过作物需水量的降雨全部视为无效降雨量，因此计算结果小于经验系数法。影响作物有效降水量因素较多，和区域地形、降水强度有关，因此需要综合考虑各种计算方法的特点和适用范围，选取最合适的方法。

3.3 夏花生缺水量

在河南境内，夏玉米和夏花生的生育期基本一致，两者水分供需状况的差异主要由各自的作物系数决定，夏花生水分供需变化研究较少，因此夏玉米的水分供需状况变化规律可为夏花生提供参考。刘小刚等[28]研究表明，1958-2013年河南省18个站点夏玉米生育期缺水量(净灌溉需水量)随年份均呈下降趋势，栾川站点下降最慢，与本研究夏花生缺水量的变化趋势结果一致。

在夏花生需水量和缺水量的计算过程中，虽然考虑了气象条件和缺水量的影响，并且消除了无效降水带来的误差，使得其计算过程更为科学。但是，在夏花生实际的生产过程中，需水量和缺水量还受到不同土壤的理化性质和土壤底墒水的影响，本研究中没有考虑土壤的因素，因此计算的需水量和缺水量的具体数值可能还存在一定的不确定性，但是不影响总体的时间变化趋势和空间分布特征。

4 结 论

从代际变化来看，河南17个站点1960-2009年夏花生需水量、有效降水量和缺水量全都随年份呈下降趋势，有效降水量下降趋势不显著。从分布区域来看，夏花生需水量、有效降水量和缺水量区域分布不均，不同年代差异较大；缺水量低值区域一般在豫西洛阳南部和豫南南阳西北部、豫东南驻马店、周口、商丘大部分区域，高值区域分布范围变异大，一般集中在豫中郑州、开封、许昌和豫北新乡、安阳、濮阳大部分地区。因豫西洛阳及豫南南阳西北部大部分地区为山地丘陵，所以不适宜大规模进行花生种植，而豫东南的商丘、周口、驻马店大部分区域为平原地区，夏花生需水量较省内其它地方少，比较适宜大规模进行花生种植。