甘蔗需水量及其与气象因素的相关性分析

罗维钢 褚俊英 黄忠华 廖婷 桑学锋 谭文艳 莫凡 田军

摘要：【目的】研究甘蔗品种新台糖22号（ROC22）需水量的动态变化及其与气象因素的关系，为制定适宜甘蔗生长的灌溉制度及探讨气候变化对甘蔗需水量的影响提供数据支撑和理论參考。【方法】在2012、2013年ROC22生长期间，采用坑测法测量甘蔗需水量及棵间蒸发量和叶面蒸腾量，计算α值和模系数，绘制甘蔗需水量与产量的关系曲线，同时利用测坑配套的气象站观测温度、空气湿度、蒸发量、降雨、风速、日照时数等气象指标，运用DPS软件分析甘蔗需水量与气象因素的相关性。【结果】甘蔗需水量及棵间蒸发量、叶面蒸腾量均呈先上升后逐渐下降的变化趋势；甘蔗伸长期需水量最高，其次是分蘖期，成熟期最低；α值和模系数在3～4月与9～11月较低，6～8月较高。甘蔗产量随需水量、叶面蒸腾量的增加呈线性增高，而棵间蒸发量与产量的相关性不明显。在甘蔗生长期间，气温、地面温度及蒸发量呈抛物线趋势变化；日照时数、风速、相对湿度、绝对湿度呈波动式下降；饱和差2012年变化较平稳，2013年则有较大的变幅。甘蔗需水量与气温、地面温度、蒸发量呈极显著正相关（P<0.01），与日照时数、绝对湿度、饱和差存在不同程度的正相关，但未达显著水平（P>0.05），与风速和相对湿度无明显的相关性。【结论】甘蔗需水量呈单峰曲线变化，幼苗期和成熟期需水量较低，伸长期需水量较高。甘蔗需水量与产量存在显著的正相关，同时受气候条件影响，其中气温、地面温度的影响最大。

关键词： 甘蔗；需水量；气象因素；相关性

中图分类号： S566.1 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）01-0074-09

0 引言

【研究意义】甘蔗是需水量较大的旱地作物，在生长过程中所需水分主要来源于降雨和灌溉。由于降雨时空分布不均及极端干旱气候的频繁发生（谭宏伟等，2008），灌溉的作用日益重要。传统上蔗农根据生产经验来灌溉，但由于不清楚甘蔗具体的需水特性，容易导致灌水不足或浪费。因此，开展甘蔗需水量研究，掌握其变化规律，对制定合理的灌溉制度具有重要指导意义。作物需水量并非恒定不变，会受到气候变化等外界条件的影响（刘晓英和林而达，2004），特别是在全球变暖的趋势下，研究气象因素与甘蔗需水量之间的相关性尤为必要。【前人研究进展】杨祖德等（1996）利用常规灌溉试验资料绘制甘蔗需水量和产量的回归曲线，發现二者之间呈显著的指数关系。叶志坚等（1997）探讨雷州半岛甘蔗的需水量和需水规律，并结合降雨情况，提出适宜当地甘蔗生长的灌溉制度。余小璐等（2014）研究了1968～2009年广西甘蔗需水量和播种面积的时空变异特征，结果显示，42年来甘蔗需水量不断上升，占总水资源量的比重越来越高，认为应优化甘蔗种植布局，合理利用有限的水资源进行灌溉。关于气候变化对作物需水量的影响，罗玉峰等（2008）认为日照缩短和风速下降是导致柳园口灌区参考作物ET0降低的主要原因；宋妮等（2011）研究发现长江流域早稻需水量与平均气温、平均相对湿度呈极显著正相关；顾晶等（2015）总结近50年黑龙港流域气候和棉花需水量的变化趋势，指出日照时数和风速是影响棉花全期需水量的关键气象因素。可见，不同地区影响作物需水量的主要气象因素也有所不同。【本研究切入点】目前，关于甘蔗需水量及气候条件对其影响的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】以广西甘蔗当家品种新台糖22号（ROC22）为试验对象，于2012和2013年采用坑测法测量ROC22的需水量，研究其在生长期间的变化规律，并分析各气象因素与ROC22需水量的相关性，为制定适宜甘蔗生长的灌溉制度及探讨气候变化对甘蔗需水量的影响提供数据支撑和理论参考。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

试验于2012、2013年在广西南宁市灌溉试验站测坑内进行，试验区地处东经108°17′48″、北纬22°53′7″，海拔78.5 m，多年平均温度22.9 ℃，年降雨量1274.2 mm，日照时数1252.6 h。测坑内土壤为黏土，容重1.34 g/cm3，田间持水率32.6%，pH 5.8，碱解氮含量69.3 g/kg。测坑上方装有移动式防雨棚，天晴时开启，下雨前关闭，除降雨外甘蔗生长条件与自然环境相同。

1. 2 试验材料

选择广西甘蔗当家品种ROC22为参试材料，于2012年3月整地播种，种植前更新灌溉设施，每个测坑铺设两条管径16 mm、流量5 L/h的贴片式滴灌带，沿滴灌带开好种植沟，按品字形摆种，覆土后喷洒芽前除草剂。其余喷药、施肥、培土等管理措施与大田生产相同。新植蔗砍收后留下蔗蔸作为2013年的宿根蔗。新植、宿根蔗需水量试验均重复3次。

1. 3 试验方法

1. 3. 1 试验设计 采用坑测法测量甘蔗需水量及棵间蒸发量和叶面蒸腾量。综合李国章（1993）、陈海波等（2010）的研究成果，在甘蔗各生育期设置适宜的土壤水含量上下限（表1）。用TDR水分测定仪测量甘蔗根际10、20、30、40 cm 4个深度层次的土壤水含量，根据土壤实际水分状况进行灌溉排水，以控制土壤水分含量在试验设定的区间内。

1. 3. 2 测定项目及方法

1. 3. 2. 1 土壤储水量 W=10×γ×H×θ。式中，W为土壤储水量（mm），γ为土壤容重（g/cm3），H为土壤深度（cm），θ为10～40 cm深度的土壤平均含水率（%），10为单位换算系数。

1. 3. 2. 2 需水量 用水量平衡法计算甘蔗需水量（巴比江等，2004）。ET1-2=I1-2+W2-W1。式中，ET1-2为计算时段内需水量（mm），I1-2为同时段灌水量（mm），W1为开始时段的土壤储水量（mm），W2为结束时段的土壤储水量（mm）。

1. 3. 2. 3 棵间蒸发量 采用微型蒸发器测量。将微型蒸发器装满原状土称重后放置于甘蔗行间，每隔2～3 d的上午8：30～9：00换土称重，前后两次称量之差即为棵间蒸发量（王健等，2004）。

1. 3. 2. 4 叶面蒸腾量 T=ET-E。式中，ET为总需水量（mm），T为叶面蒸腾量（mm），E为棵间蒸发量（mm）。

1. 3. 2. 5 日需水强度 ETc=ET/d。式中，ET為總需水量（mm），ETc为日需水强度（mm/d），d为测量天数。

1. 3. 2. 6 α值 α=ETi /E0。式中，ETi为阶段需水量（mm），E0为同时期水面蒸发量（mm）。

1. 3. 2. 7 模系数 K=ETi×100/ET。式中，K为模系数（%），ETi为阶段需水量（mm），ET为总需水量（mm）。

1. 3. 2. 8 气象指标 本研究气象观测站位于南宁市灌溉试验站中央位置，占地面积约333 m2，周围地势平坦开阔，半径50 m内无建筑物、高杆作物阻挡。从甘蔗下种开始，每天8：00、14：00、20：00 3个时段观测各气象资料：采用601型蒸发皿测量蒸发量；采用SJ-I型虹吸雨量计测量降雨量；采用WQG-15地温计测量地面温度；在百叶箱内采用干湿球温度计测量、计算气温和湿度；日照时数采用日照计测量；风速由10 m气象风杆测量。

1. 3. 2. 9 蔗茎产量 收获时各测坑的甘蔗单砍单收，称量后换算为单位面积（每公顷）产量。

1. 4 统计分析

采用Excel 2003和DPS 6.55对试验数据进行图表制作和相关分析。

2 结果与分析

2. 1 甘蔗需水量及变化规律分析

2. 1. 1 甘蔗各旬需水量动态变化 图1为2012和2013年甘蔗叶面蒸腾量、棵间蒸发量及需水量的逐旬动态变化。在甘蔗生长初期，其叶面蒸腾量较低；进入5月中、下旬后，由于植株的增长和叶面积指数的增大，叶面蒸腾量迅速飙升；于7月下旬左右达到峰值，此时甘蔗进入伸长盛期，生长旺盛，季节上又处于高温高湿阶段，因此叶片蒸腾非常强烈；在10～11月的秋冬季节，叶片逐渐衰老枯黄，叶面蒸腾量下降到较低水平。棵间蒸发量主要受气象条件和植株荫蔽的影响（孙仕军等，2014），3～4月气温较低，棵间蒸发量增加较缓慢，随着温度上升及太阳辐射增强，棵间蒸发量不断升高，在7月上旬达到峰值，之后由于叶面积的增加和冠层覆盖度的增大，棵间蒸发量逐渐下降，尤其进入秋冬季节后，棵间蒸发量因气温变低下降更加明显。需水量是叶面蒸腾量与棵间蒸发量之和，由图1可以看出，在生长前期，棵间蒸发量高于叶面蒸腾量，需水量变化曲线与棵间蒸发量相似；进入伸长期后，叶面蒸腾量高于棵间蒸发量，此时需水量变化曲线与叶面蒸腾量相一致。总体来看，甘蔗全生育期需水量呈“低—高—低”的变化规律。

2. 1. 2 甘蔗各生育期需水量与日需水强度 从图2可以看出，甘蔗各生育期需水量和日需水强度有较大的差异。幼苗期生育期短，需水量和日需水强度均较低；分蘖期植株群体逐渐增大，此期需水量高于幼苗期，同时由于叶面积指数迅速增加，其日需水强度也出现显著升高；伸长期需水量和日需水强度均明显大于其他时期，主要原因是伸长期所占的时间最长，从6月下旬持续到10月上旬，期间蔗株群体长势旺盛，叶面蒸腾和棵间蒸发强烈，因而此期甘蔗需水量大、日均需水强度高；进入成熟期后，随着叶片衰老和温度降低，甘蔗需水量和日需水强度均回落到较低水平。综上分析可知，伸长期是甘蔗水分需求最大期，应加大灌水量，以促进植株伸长和增粗；幼苗期、分蘖期及成熟期可适当控水，以提高水分利用效率。

2. 1. 3 α值和模系数动态变化 α值由作物需水量除以同时期水面蒸发量所得，用来表示作物腾发量与水面蒸发量的变化关系（陈玉民和郭国双，1995）。图3显示， 在3～5月上旬的甘蔗幼苗生长时期，α值较低；进入5、6月蔗苗分蘖阶段，α值呈波动上升趋势；2012、2013年α峰值均出现在伸长期，此后α值不断降低；在成熟期，2012年α值有所升高，估计是水面蒸发减弱所致，2013年α值先上升后下降，起伏较大。总体来看，α值在甘蔗生长前、后期两头较低，中间伸长期较高。

模系数是各时期需水量占总需水量的百分比，用以表示各生长期需水量占总需水量的权重程度（肖俊夫等，2008）。从图3可以看出，甘蔗模系数与当年需水量的逐旬变化规律相同，呈“单峰”曲线变化。具体来看，2012年甘蔗伸长期（6月下旬～10月上旬）的模系数之和达61.6%，2013年为62.8%；其次是分蘖期，2012、2013年分别为18.8%和16.0%；成熟期模系数之和最低，2012、2013年分别为8.1%和10.1%。可见，模系数能真实反映需水量在作物不同生育阶段的分配情况。

2. 1. 4 甘蔗需水量和降雨量 图4为甘蔗各月需水量与降雨量的比较。2012年全年降雨量较低，除5月外，其他各月的降雨量均低于甘蔗需水量，尤其是6、7、9、10月，甘蔗水分需求缺口较大，应及时灌溉以防止干旱胁迫。2013年大多数月份降雨基本能满足甘蔗水分需求且有余，但3、9、10、11月降雨量仍低于需水量，特别是10月降雨量与需水量差额较大，有迫切的灌溉需求。从图4还可以看出，南宁地区降雨存在季节性分布不均的特点，夏季降雨集中，秋冬季、早春则比较干旱。甘蔗通常选择在2、3月种植，蔗种萌发和幼苗生长容易遭遇春旱，苗期需水不多，但对水分亏缺非常敏感，因此适当进行春灌很有必要。秋冬季也要注意灌溉，防止降雨不足影响甘蔗产量形成和糖分积累。

2. 2 甘蔗需水量和产量

图5显示了甘蔗需水量、叶面蒸腾量及棵间蒸发量与产量的关系。甘蔗产量随需水量的增加而不断增高，其关系方程为：y=0.0775x+20.602（R2=0.7623），说明两者间具有显著的正相关性。甘蔗产量也随叶面蒸腾量呈线性增加，二者的关系方程为：y=0.1227x+37.03（R2=0.7829），说明甘蔗产量与叶面蒸腾量也存在显著的正相关性。甘蔗棵间蒸发量与产量的关系方程为：y=0.0759x+65.555（R2=0.2266），二者间没有很明显的相关性。上述分析结果表明，甘蔗需水量与产量存在密切的线性正相关，需水量的增加有助于产量的提高。需水量由叶面蒸腾量和棵间蒸发量组成，叶面蒸腾量和产量的正相关性也非常显著，且R2值大于需水量；而棵间蒸发量对产量没有直接影响，只是土壤水分的无效散失。因此，甘蔗需水量对产量的正效应本质上是叶面蒸腾量增加所致。在生产过程中通过抑制蔗地棵间蒸发、适当增强叶面蒸腾，可在降低水分消耗的同时提高蔗茎产量，达到节本增效的目的。

2. 3 甘蔗需水量与主要气象因素的相关性分析

2. 3. 1 甘蔗生育期主要气象因素变化特征

2. 3. 1. 1 温度、蒸发量、日照時数的动态变化 图6为温度、蒸发量、日照时数在甘蔗全生育期的变化曲线。气温、地面温度及蒸发量均呈抛物线趋势变化，在3～7月波动上升，之后便波动下降。2012年气温、地面温度在5月上中旬有个显著的上升过程，蒸发量也在此时出现较大的突变值。2013年气温、地面温度的峰值出现在7月中旬，蒸发量也在同期达到最大值，可见温度（气温、地面温度）与蒸发量存在较密切的关系。2012、2013年日照时数均在4月底～5月初最长，进入5月中旬后，南宁地区迎来雨季，日照时间相应变短；在7～9月，天气干湿交替频繁，日照时数起伏较大；11月入冬后，太阳辐射南移，日照时数明显降低。总体来看，试验站的日照情况具有明显的季风气候特点，冬春季日照时间短，而夏秋季较长。

2. 3. 1. 2 风速、空气湿度、饱和差的动态变化 由图7可见风速、空气湿度、饱和差在甘蔗全生育期的动态变化过程。试验站周围有建筑物和山丘阻挡，风速不高，2012、2013年平均風速分别为1.04和1.00 m/s，最高风速分别为1.49和2.04 m/s。在甘蔗整个生长过程中，风速上下起伏较大，但总体上呈下降趋势。空气湿度主要受降雨、风速、温度的影响，3月底～4月初正值春旱，且风速较大，因而相对湿度、绝对湿度基本上在趋势线以下波动；7、8月降雨增多，空气湿度也明显增加，但个别时期出现较低的突变值；进入秋冬季节后，天气变得干燥，相对湿度、绝对湿度也相应降低。与风速、空气湿度相比，饱和差在2012年变化过程线较平缓，趋势线也很平直，无明显起伏；2013年饱和差变幅较大，趋势线略微向下倾斜，显示其波动下降的趋势。

2. 3. 2 甘蔗需水量与各气象因素的相关系数 将甘蔗需水量与温度、日照时数、空气湿度、风速、蒸发量等气象因素进行相关分析，结果（表2）发现，2012、2013年甘蔗需水量与气温、地面温度的相关系数均大于0.70，呈极显著正相关（P<0.01，下同），与蒸发量的相关系数分别为0.52和0.51，相关性也达极显著水平。此外，2012、2013年甘蔗需水量与日照时数、绝对湿度、饱和差也存在不同程度的正相关，但没有达显著水平（P>0.05）。风速和相对湿度方面，2012年的相关系数分别为-0.04和0.37，2013年则为0.13和-0.07，说明需水量与两者间没有明显的相关性。上述分析结果表明，甘蔗需水量与气温、地面温度及蒸发量的关系均非常密切。有研究指出，蒸发量与温度呈线性或指数关系，特别是温度上升较快时，蒸发量也会显著增大（刘波等，2006）。表2数据也证实，2012、2013年蒸发量与气温、地面温度均呈极显著正相关。由此可见，蒸发量主要受温度所左右，气温和地面温度才是影响甘蔗需水量最主要的气象因素。

3 讨论

旱地作物需水量主要由棵间蒸发量和叶面蒸腾量两部分组成，在作物生长前期，植株冠层覆盖度较低，地表裸露较多，因而棵间蒸发量高于叶面蒸腾量；随着植株长高和叶面积指数增大，叶面蒸腾量逐渐超过棵间蒸发量；在生长后期，由于叶片衰老和温度降低，棵间蒸发量和叶面蒸腾量均下降到较低水平（刘小飞等，2007）。甘蔗需水量也呈现类似的变化规律，在3月～7月上旬，棵间蒸发量大于叶面蒸腾量，需水量变化曲线与棵间蒸发量相似；7月中、下旬之后，叶面蒸腾量大于棵间蒸发量，此时需水量变化曲线与叶面蒸腾量相近。具体到各生育期，甘蔗幼苗期和成熟期需水量较低，相应的α值和模系数也较低；伸长期需水量最高，模系数之和在62%左右，α值也在此期达到峰值。总体来看，甘蔗需水量呈典型的“单峰”曲线变化，两头较低而中间较高。因此，在甘蔗伸长期应加大灌水量，幼苗期和成熟期可适当控水，以提高水资源的利用率。作物需水量与产量的关系非常密切，在适宜的水分条件下，产量随需水量的增加而增大（耿德刚和徐俊伟，2010）。叶面蒸腾量是作物蒸腾作用所消耗的水分，主要用于生长发育、光合作用等各项生命活动，因而蒸腾能力较强的作物产量也较高（金学泳等，2005）。棵间蒸发量虽然是需水量的主要构成部分，但其不参与作物的生长过程，对作物产量没有直接影响（林同保等，2008）。本研究也发现，甘蔗需水量、叶面蒸腾量与产量均呈显著正相关性，而棵间蒸发量与产量没有密切的关系，因此，从节水角度来看，减少蔗田棵间蒸发、增加叶片蒸腾，有利于提高甘蔗产量和水分利用率。

作物生长受气候环境的影响，不同气候条件下，作物需水量必然会存在差异（张旭东等，1999）。研究表明，温度、日照时数、蒸发量、空气湿度、饱和差、风速等气象因素均与作物需水量有关（李萍和魏晓妹，2013），特别是温度上升时，由于棵间蒸发增大和叶面蒸腾加强，作物需水量会明显增多（Scibek and Allen，2006）。日照时数和蒸发量与作物需水量也存在较密切的正相关性，随着日照延长或蒸发加快，作物需水量呈线性或非线性增加（马鹏里等，2006）。空气湿度、饱和差、风速对作物需水量亦有较显著的影响，在空气湿度较低、饱和差较高的情况下，叶面和大气之间的水汽压差较大，有助于提高作物的蒸腾量，过高的空气湿度则不利于叶面蒸腾和棵间水分蒸发；风速通过加快水汽扩散，从而促进作物蒸腾，但强风会使气孔关闭导致蒸腾停止（陈玉民和郭国双，1995）。可见，作物需水量受气候条件影响。可见，在各气象因素中，气温、地面温度、蒸发量与甘蔗需水量呈极显著正相关，而蒸发量与气温、地面温度的正相关性也达极显著水平，说明蒸发量增大是温度升高所致。由此可见，温度（气温、地面温度）是影响甘蔗需水量最主要的气象因素。在当今全球变暖的大背景下，持续升温将使甘蔗需水量不断增加，必将导致蔗区水资源供应紧张，进而影响蔗糖产业的发展。因此，必须大力推广高效节水灌溉技术，提前做好预防工作，以应对将来可能出现的水资源危机。

4 结论

本研究结果表明，甘蔗需水量在其生长期间呈“两头低、中间高”的单峰曲线变化；在甘蔗各主要生育期中，伸长期的需水量和日均需水强度最高，分蘖期次之，幼苗期和成熟期较低；甘蔗需水量与产量呈显著的线性正相关，生产上通过抑制蔗田棵间蒸发、适当增大叶面蒸腾量，能有效提高蔗茎的产量和水分利用效率；甘蔗需水量受气候变化影响，其中气温、地面温度的影响最大。

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（責任編辑 麻小燕）