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基于气候变化的黄河三角洲非主粮作物需水规律研究

曹丹 易秀 陈小兵 咸敬甜 胡秋丽

曹 丹, 易 秀, 陈小兵, 咸敬甜, 胡秋丽. 基于气候变化的黄河三角洲非主粮作物需水规律研究[J]. 土壤通报, 2022, 53(4): 795 − 804 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021120301
引用本文: 曹 丹, 易 秀, 陈小兵, 咸敬甜, 胡秋丽. 基于气候变化的黄河三角洲非主粮作物需水规律研究[J]. 土壤通报, 2022, 53(4): 795 − 804 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021120301
CAO Dan, YI Xiu, CHEN Xiao-bing, XIAN Jing-tian, HU Qiu-li. Water Requirement of Non-Staple Crops in the Yellow River Delta Based on Climate Change[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(4): 795 − 804 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021120301
Citation: CAO Dan, YI Xiu, CHEN Xiao-bing, XIAN Jing-tian, HU Qiu-li. Water Requirement of Non-Staple Crops in the Yellow River Delta Based on Climate Change[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(4): 795 − 804 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021120301

基于气候变化的黄河三角洲非主粮作物需水规律研究

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021120301
基金项目: 国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合基金(U180215),国家重点研发计划项目(2019YFD1002702)和中国科学院STS项目(KFZD-SW-112-4)资助
详细信息
    作者简介:

    曹丹:曹 丹(1997−),女,甘肃庆阳人,硕士研究生,研究方向为环境工程。E-mail: cd1927@foxmail.com

    通讯作者:

    E-mail: xbchen@yic.ac.cn

  • 中图分类号: S274.4

Water Requirement of Non-Staple Crops in the Yellow River Delta Based on Climate Change

  • 摘要:   目的  为保障黄河三角洲地区的生态安全和高质量发展,需“适水种植”调整作物结构,缩减农业用水占比,留足生态用水。  方法  基于气象站2006 ~ 2019年的实测气象资料,分析研究区降水和气温的变化趋势,利用Hargreaves-Samani法和FAO作物系数法估算当地7种非主粮作物各生育阶段及全生育期内的作物蒸散量,并结合有效降水量和淋洗需水量的计算得到典型干旱年和湿润年以及多年平均的灌溉需水量。  结果  黄河三角洲年降水量变化趋势不显著,春、秋和冬季的降水量呈现下降趋势,而夏季降水量呈上升趋势;年均气温呈现逐年上升趋势,夏季平均气温上升趋势最为显著。研究区非主粮作物灌溉需水由高到低分别为甜高粱、枸杞、黑麦草、苜蓿、菊芋、田菁和谷子,典型干旱年中7种作物均需补充灌溉,典型湿润年中谷子、田菁、菊芋和苜蓿降水量有盈余,平均年份中谷子和田菁降水量有盈余。  结论  作物各生育阶段的有效降水量分配不均,生育期内总降水量有盈余的情况下某些生育阶段依然会处于水分亏缺状态。研究结果可为该地区作物种植结构调整和灌溉制度优化提供参考依据。
  • 图  1  研究区降水量和气温的多年平均情况

    Figure  1.  Averages of precipitation and temperature in the study area

    图  2  2006 ~ 2019年均降水量和年均气温变化特征

    Figure  2.  Variation characteristics of annual precipitation and annual average temperature from 2006 to 2019

    图  3  2006 ~ 2019年四季降水和气温变化特征

    Figure  3.  Variation characteristics of precipitation and temperature in four seasons in the study area from 2006 to 2019

    图  4  2006 ~ 2019年蒸发量及干旱指数变化

    Figure  4.  Variation of evaporation and drought index from 2006 to 2019

    图  5  不同年型蒸发量变化

    Figure  5.  Variation of evaporation in different year types

    图  6  作物不同年型灌溉需水量

    Figure  6.  Irrigation water demand of crops in different year types

    图  7  水分盈亏曲线

    Figure  7.  Water profit and loss curve

    表  1  FAO作物生育期及标准作物系数

    Table  1.   FAO crop growth period and standard crop coefficient

    作物
    Crop
    播种月份
    Sowing month
    收获月份
    Harvest month
    作物各生育阶段天数(天)a
    Days at each growth stage of crops (d)a
    作物系数b
    Crop coefficient b
    S1S2S3S4K iniK midK end
    苜蓿c 6 12 10 15 15 10 0.4 0.95 0.9
    5 10 10 10
    甜高粱 3 7 20 35 45 30 0.3 1.20 1.05
    田菁d 5 8 40 20 30 15 0.4 1.15 0.55
    黑麦草c 3 8 10 15 15 10 0.95 1.05 1.0
    5 10 10 5
    菊芋d 4 9 50 40 50 40 0.5 1.10 0.95
    枸杞d 3 7 35 40 40 30 0.6 1.15 0.8
    谷子 6 9 15 25 40 25 0.3 1.00 0.3
      注: aS1、S2、S3、S4分别表示作物初始生长期、快速发育期、生育中期和生育后期的天数。bK ini表示初始生长期的平均KcK mid表示生育中期的平均KcK end表示生育后期的Kcc苜蓿和黑麦草在按生育期内刈割4次进行估算,即每刈割一次则终止一个“亚”生长期和相关的Kc曲线,并开始下一个新的“亚”生长期和相关的Kc曲线,整个生长期的Kc曲线是与每个亚周期相关的一系列Kc曲线的总和。d田菁、菊芋、枸杞没有可参考的作物系数,而同一科目的植物在株高、叶面积、地面覆盖、气孔行为和水分管理方面存在相似性,因此Kc方面也有一定的相似性[28],本文依据其各自所属植物科目估算Kc
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    表  2  作物耐盐性阈值

    Table  2.   Salt tolerance threshold of crops

    作物
    Crop
    耐盐度阈值ECt / (dS m−1)
    Salinity tolerance threshold
    ECd / (dS m−1)耐盐度定性等级*
    Qualitative grade of salinity tolerance*
    苜蓿 2.0 9.1 MS
    甜高粱 6.8 33.1 MT
    田菁 2.3 10.6 MS
    黑麦草 5.6 27.1 MT
    菊芋 5.0 24.1 MT
    枸杞 5.0 24.1 MT
    谷子 2.0 9.1 MS
    注:*MS,表示中度盐敏感;MT,表示中度盐耐受。
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    表  3  2006-2019年惠民站不同年份及季节的降水和气温变化特征

    Table  3.   Variation characteristics of precipitation and temperature at Huimin station in different years and seasons from 2006 to 2019

    指标
    Index
    时间尺度
    Time scale
    最小值
    Minimum
    最大值
    Maximum
    平均值
    Average
    标准差
    Standard deviation
    变异系数(%)
    Coefficient of variation
    MK-z
    降水量( mm) 444.60 827.90 605.42 134.63 22.23 0
    47.10 178.80 88.14 42.85 48.62 −0.66
    221.00 711.20 425.14 156.33 36.77 0.33
    26.67 143.10 71.68 39.81 55.54 −1.09
    5.15 32.00 16.28 8.31 51.04 −0.44
    平均气温 (℃) 12.10 14.70 13.74 0.83 6.04 1.92**
    12.54 16.59 14.76 1.14 7.72 1.86**
    25.49 27.56 26.22 0.58 2.21 2.80***
    13.37 15.47 14.37 0.67 4.66 1.09
    −2.51 1.38 −0.27 1.16 −429.63 0
    注:**表示通过置信度95%的显著性检验,***表示通过置信度99%的显著性检验。
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    表  4  不同年型降水和气温特征

    Table  4.   Characteristics of precipitation and temperature in different year types

    指标
    Index
    时间尺度
    Time scale
    典型干旱年
    Typical drought year
    典型湿润年
    Typical wet year
    多年平均值
    Average
    降水量(mm) 459.50 827.90 605.42
    61.00 47.10 88.14
    351.60 711.20 425.14
    31.30 49.20 71.68
    15.60 20.40 16.28
    平均气温(℃) 14.60 12.30 13.74
    15.65 12.54 14.76
    26.90 26.06 26.22
    15.31 14.06 14.37
    0.44 −0.83 −0.27
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    表  5  不同气候年型的作物需水情况

    Table  5.   Water demands of crops in different climatic years

    作物
    Crop
    年型
    Year type
    作物蒸散量(mm)
    Crop evapotranspiration
    有效降水量(mm)
    Effective precipitation
    作物需水量(mm)
    Crop water demand
    灌溉需水量(mm)
    Irrigation water demand
    苜蓿 干旱年 579.74 336.80 643.44 306.64
    平均年 515.60 454.17 572.25 118.08
    湿润年 450.46 651.96 499.96 −152.00
    甜高粱 干旱年 499.13 127.00 512.98 385.98
    平均年 446.60 179.09 458.99 279.90
    湿润年 436.71 95.80 448.83 353.03
    田菁 干旱年 317.32 309.10 346.80 37.70
    平均年 270.76 359.67 295.91 −63.76
    湿润年 273.96 459.66 299.41 −160.25
    黑麦草 干旱年 668.08 362.10 690.88 328.78
    平均年 585.20 413.74 605.17 191.43
    湿润年 534.44 493.76 552.68 58.92
    菊芋 干旱年 616.63 367.90 631.15 263.25
    平均年 547.56 489.03 560.45 71.42
    湿润年 460.12 666.96 470.95 −196.01
    枸杞 干旱年 538.76 171.00 553.14 382.14
    平均年 475.31 256.40 488.00 231.60
    湿润年 464.20 199.00 476.59 277.59
    谷子 干旱年 288.59 317.10 320.30 3.20
    平均年 254.74 399.50 282.73 −116.77
    湿润年 192.50 618.66 213.65 −405.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-07
  • 录用日期:  2022-03-18
  • 修回日期:  2022-03-11
  • 刊出日期:  2022-06-17

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