近50年新疆小麥需水量時(shí)空特征及氣候影響因素分析

軒俊偉, 鄭江華, 劉志輝,3

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學(xué)干旱與半干旱生態(tài)研究所, 烏魯木齊 830046)

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近50年新疆小麥需水量時(shí)空特征及氣候影響因素分析

軒俊偉1,2, 鄭江華1,2, 劉志輝1,2,3

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學(xué)干旱與半干旱生態(tài)研究所, 烏魯木齊 830046)

基于新疆地區(qū)54個(gè)國(guó)家基本氣象站1963—2012年的逐日氣象資料，利用FAO Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法，得到近50 a來(lái)新疆小麥全育期和各生長(zhǎng)階段需水量，并利用線性趨勢(shì)估計(jì)、MK檢驗(yàn)、空間插值法分析了小麥全育期及各生長(zhǎng)階段需水量的年際變化趨勢(shì)、空間分布特征及氣象影響因素。結(jié)果表明：近50 a新疆小麥全育期平均需水量空間分布總體呈現(xiàn)南疆大于北疆、東部大于西部、由西北向東南增大的格局，生長(zhǎng)初期和發(fā)育期需水量空間分布表現(xiàn)為南多北少，而生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)末期則為東多西少。小麥全育期年需水量平均以7.8 mm/10 a的速率呈極顯著的下降趨勢(shì)，并于1978年開(kāi)始發(fā)生突變。小麥全育期內(nèi)風(fēng)速降低、日照時(shí)數(shù)減少是導(dǎo)致小麥全育期需水量下降的主要原因。

小麥; 作物需水量; 空間分布;Penman-Monteith公式; 趨勢(shì)分析; 新疆

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，全球氣候變暖的事實(shí)是毋庸置疑的[1]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)和聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織都將農(nóng)業(yè)列為最易遭受氣候變化影響、最脆弱的產(chǎn)業(yè)之一[2]。因此，開(kāi)展氣候變化背景下農(nóng)作物需水量的時(shí)空變化特征研究，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)意義[3]。

目前，眾多學(xué)者對(duì)不同地域、不同農(nóng)作物的需水量時(shí)空變化進(jìn)行了研究。楊琪等[4]基于河?xùn)|地區(qū)50 a氣象資料，計(jì)算了冬、春小麥全生育期的需水量和缺水量，并分析其變化趨勢(shì)及氣象影響因子。孫爽等[5]研究了1961—2010年中國(guó)冬小麥全生育期及不同生育階段的需水量，發(fā)現(xiàn)小麥需水量呈下降趨勢(shì)，并呈現(xiàn)明顯的空間分布特征。劉宏誼等[6]計(jì)算分析了近40 a甘肅省主要農(nóng)作物需水量及其時(shí)空變化規(guī)律。劉玉春等[7]在研究棉花需水量的基礎(chǔ)上，利用水文學(xué)方法分析了不同水文年份棉花的灌溉需水量和灌溉需求指數(shù)。尹海霞等[8]基于1967—2009年的逐日氣象資料，利用FAO推薦的彭曼公式計(jì)算分析了黑河流域中游春小麥、玉米需水量及其變化趨勢(shì)。

可以看到在農(nóng)作物需水量時(shí)空變化方面，均是利用FAO推薦的Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法來(lái)計(jì)算農(nóng)作物需水，研究區(qū)也涉及我國(guó)大部分地區(qū)，但對(duì)于地處西北干旱區(qū)的新疆地區(qū)，相關(guān)研究較少。新疆是我國(guó)西部地區(qū)最為干旱的內(nèi)陸農(nóng)業(yè)灌區(qū)，農(nóng)業(yè)用水比重大、用水效益低是新疆農(nóng)業(yè)用水的主要問(wèn)題之一[9]。而小麥?zhǔn)切陆钪饕募Z食作物之一，2012年新疆小麥播種面積達(dá)1.08×106hm2，占糧食播種總面積的51.4%。對(duì)于水資源較為匱乏的新疆地區(qū)，在全球氣候變暖背景下，探索小麥需水量的時(shí)空變化規(guī)律對(duì)保證本地區(qū)糧食生產(chǎn)安全以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展都具有重要意義。基于此，本文利用新疆地區(qū)54個(gè)國(guó)家基本氣象站逐日氣象數(shù)據(jù)，基于Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法，計(jì)算了新疆地區(qū)春、冬小麥近50 a需水量并進(jìn)一步分析其時(shí)空變化規(guī)律，以期為新疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及水資源的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于亞歐大陸中部，地處中國(guó)西北邊陲，中部橫亙著蜿蜒千里的天山將新疆分作天山北部(北疆)、天山南部(南疆)兩大區(qū)域。新疆是灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，小麥?zhǔn)亲钪饕募Z食農(nóng)作物，2012年小麥的播種面積占全區(qū)總播種面積的21.05%[10]。其中冬小麥播種面積占60%左右，春小麥占40%左右。南北疆均有春、冬小麥種植，但北疆以種春小麥為主，南疆以種植冬小麥為主，其中天山南北兩側(cè)從丘陵到山前平原的多數(shù)區(qū)域?yàn)槎蝴溁旆N區(qū)[11]。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

新疆地區(qū)54個(gè)氣象站1963—2012年的地面逐日氣象數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，所使用的氣象要素包括逐日最低氣溫、最高氣溫、平均本站氣壓、平均水汽壓、平均風(fēng)速、日照時(shí)間、降水量等。小麥生育期的資料來(lái)源于中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集及相關(guān)文獻(xiàn)[12]，作物系數(shù)采用FAO的推薦值并進(jìn)行修正。

1.3研究方法

1.3.1作物需水量作物需水量是在理想的生長(zhǎng)條件下,作物從種植到收獲所需的蒸散量，一般利用參考作物騰發(fā)蒸騰量和作物系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中：ETc——某一時(shí)期作物的需水量(mm)；Kc——對(duì)應(yīng)時(shí)期的作物系數(shù)；ET0——相應(yīng)時(shí)期的參考作物蒸散量(mm)。

參考作物騰發(fā)蒸騰量，是一種假想的參考作物冠層騰發(fā)速率。這種參考作物被假定設(shè)為高度12 cm、表面阻力70 s/m、反射率0.23，類(lèi)似于表面開(kāi)闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛、充分供水、完全遮蓋地面的綠色草地[13]。ET0的大小只與氣象因素有關(guān)，一般采用FAO 推薦的修正Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(2)

式中：Rn——地面凈輻射蒸發(fā)當(dāng)量[MJ/(m2·d)]；G——土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；r——溫度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；T——平均氣溫(℃)；V2——2 m高的風(fēng)速(m/s)；pa——飽和水汽壓(kPa)；pb——實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ——溫度—飽和水氣壓曲線的斜率(kPa/℃)。

作物系數(shù)，反映實(shí)際作物和參考作物之間需水量的差異，是作物某生長(zhǎng)發(fā)育階段需水量ETc與該階段參考作物蒸散量(ET0)的比值。FAO-56將作物全育期劃分為四個(gè)階段，生長(zhǎng)初期、發(fā)育期、生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)末期，并給出了84種作物各階段相應(yīng)的作物系數(shù)。其中，初始生長(zhǎng)期是由播種至覆蓋率接近10%(播種—返青期/出苗，由于春小麥無(wú)返青期，因此春小麥初始生長(zhǎng)期為播種至出苗)；生長(zhǎng)發(fā)育期是從覆蓋率10%到完全覆蓋(返青—拔節(jié)期/出苗)；生長(zhǎng)中期從完全覆蓋到成熟期開(kāi)始(拔節(jié)—開(kāi)花期)；生長(zhǎng)末期從成熟到收獲[14](開(kāi)花—成熟期)。本文在計(jì)算作物需水量時(shí)，結(jié)合研究區(qū)氣候?qū)AO-56推薦的作物系數(shù)值進(jìn)行修正。

1.3.2需水量趨勢(shì)變化及突變分析利用線性傾向估計(jì)和Mann-Kendall法對(duì)1963—2012年新疆地區(qū)小麥需水量變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。線性傾向估計(jì)[15]是用一條合理的直線表示兩變量之間的相關(guān)關(guān)系，并建立變量Y與時(shí)間t之間的一元線性回歸方程。如下：

Y=a+bt

(3)

式中：a——回歸常數(shù)；b——傾向率。判斷變化趨勢(shì)的程度是否顯著，需要計(jì)算相關(guān)系數(shù)r并對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，選定顯著性水平值a，若|r|>ra,說(shuō)明Y隨時(shí)間t的變化趨勢(shì)是顯著的，否則不顯著。

MK趨勢(shì)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，能很好揭示時(shí)間序列的趨勢(shì)變化，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[16]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水文氣象等資料的趨勢(shì)變化檢驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算UF和UB兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量，可以分析得到變化趨勢(shì)、突變時(shí)間區(qū)域及突變開(kāi)始時(shí)間。

1.3.3需水量空間分布利用ArcGIS插值工具中反權(quán)距離插值法[17]對(duì)各氣象站計(jì)算得到的小麥需水量及傾向率進(jìn)行空間插值，產(chǎn)生空間柵格數(shù)據(jù)，并利用自然斷裂法對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，獲得全疆近50 a平均小麥需水量及傾向率空間分布圖。

2　結(jié)果與分析

2.1小麥全育期、各生長(zhǎng)階段需水量及空間分布

2.1.1小麥全育期需水量及空間分布1963—2012年，新疆54個(gè)氣象站小麥全育期年平均需水量為525 mm，各站變化范圍為287～782 mm，差異明顯。新疆小麥全育期平均需水量空間分布如圖1，阿勒泰、塔城北部及伊犁地區(qū)需水量最小為286～470 mm，天山北麓至準(zhǔn)噶爾盆地腹地的博州、塔城南部、昌吉和天山南麓的阿克蘇北部、巴州西北部需水量為470～540 mm，喀什、巴州中部、吐魯番東南部及哈密東北部需水量為540～600 mm，新疆西南部從于田到哈密的帶狀區(qū)域?yàn)樾杷扛咧祬^(qū)，需水量范圍600～780 mm?？梢钥闯銎淇臻g分布整體呈現(xiàn)西北向東南遞增、北疆大于南疆、東部大于西部的趨勢(shì)。

圖1　近50年新疆小麥全生育期年平均需水量

小麥需水量主要由氣候因素和小麥類(lèi)型決定，氣溫越高、風(fēng)速越大、日照時(shí)間越長(zhǎng)的地區(qū)需水量越大，春小麥由于生長(zhǎng)周期較冬小麥短，其需水量低于冬小麥。新疆北部氣候較南部溫和且以種植春小麥為主，所以北疆小麥需水量小于南疆，東疆雖然也種植春小麥，但東部地區(qū)氣候干燥、日照時(shí)間、風(fēng)速均較大，因此東部小麥需水量也高于西部。

2.1.2小麥不同生長(zhǎng)階段需水量及空間分布新疆地區(qū)1963—2012年小麥各生長(zhǎng)階段需水量的空間分布如圖2所示。圖2a為小麥生長(zhǎng)初期需水量空間分布情況，全疆平均需水量81 mm，范圍為15～179 mm。需水量空間分布差異明顯，總體由北向南增大并呈帶狀分布，塔城、阿勒泰、昌吉州西部為低值區(qū)，天山北麓、南麓地區(qū)為中值區(qū)，塔克拉瑪干沙漠南緣的和田、且末、若羌等為高值區(qū)。圖2b為小麥發(fā)育期需水量空間分布情況，全疆平均需水量141 mm，范圍為69～216 mm。需水量空間分布總體由北向南增大并呈帶狀分布，塔城北部、阿勒泰、昌吉東北部為低值區(qū)，需水量在69～115 mm，天山北麓、南麓地區(qū)為中值區(qū)，需水量在115～170 mm，和田、且末、若羌等為高值區(qū)，需水量在170～217 mm。圖2c為小麥生長(zhǎng)中期需水量空間分布情況，全疆平均需水量258 mm，范圍為146～419 mm。需水量空間分布總體呈帶狀由西向東增大，伊犁、阿克蘇、喀什、和田、巴州西北部等地區(qū)為低值區(qū)，塔城西北及東北部、阿勒泰、昌吉西北部、巴州中南部為中值區(qū)，巴州東南部、吐魯番、哈密西部及塔城中部地區(qū)為高值區(qū)。圖2d為小麥生長(zhǎng)末期需水量空間分布情況，全疆平均需水量48 mm，范圍為31～77 mm。需水量空間分布同樣總體呈帶狀由西向東增大，伊犁、阿克蘇、克州、巴州西北部等地區(qū)為低值區(qū)，塔城東北部、阿勒泰、昌吉西北部、巴州中南部、和田、喀什為中值區(qū)，巴州東南部、吐魯番、哈密西部及塔城中部地區(qū)為高值區(qū)。

對(duì)比新疆小麥不同生育階段需水量可知，生長(zhǎng)中期需水量最大、發(fā)育期次之、生長(zhǎng)末期最小。同樣比較新疆小麥不同生育階段需水量空間分布狀況，可以看出生長(zhǎng)初期和發(fā)育期具有相同的空間分布特征，均是呈帶狀由北向南增大，而生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)末期同樣具有相同空間分布特征，東高西低成帶狀分布。

2.2小麥不同生長(zhǎng)階段和全育期需水量年際變化趨勢(shì)

2.2.1小麥不同生長(zhǎng)階段需水量年際變化趨勢(shì)新疆1963—2012年，小麥不同生長(zhǎng)階段需水量年際變化情況見(jiàn)表1?？芍?0 a，小麥生長(zhǎng)初期需水量以1.4 mm/10 a的速率遞減，并通過(guò)0.001的顯著性水平檢驗(yàn)；發(fā)育期需水量以1.6 mm/10 a的速率遞減，并通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；生長(zhǎng)中期需水量以3.9 mm/10 a速率遞減，并通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；生長(zhǎng)末期需水量以0.6 mm/10 a速率遞減，并通過(guò)0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。

圖2　1963-2012年新疆小麥各生長(zhǎng)階段年平均需水量

參數(shù)生長(zhǎng)初期發(fā)育期生長(zhǎng)中期生長(zhǎng)末期傾向率-0．1413-0．1553-0．3870-0．0859相關(guān)系數(shù)-0．4672??-0．2983?-0．4754??-0．5749??

注：**表示通過(guò)0.001顯著水平檢驗(yàn)，*表示通過(guò)0.05顯著水平檢驗(yàn)。

新疆近50 a小麥不同生長(zhǎng)階段需水量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且除發(fā)育期外其他生長(zhǎng)階段下降趨勢(shì)非常顯著。其中，生長(zhǎng)中期下降速率最大、生長(zhǎng)初期和發(fā)育期下降速率次之、生長(zhǎng)末期下降速率最小。

2.2.2小麥全育期需水量年際變化趨勢(shì)新疆1963—2012年小麥全育期年需水量變化趨勢(shì)如圖3所示，可知近50 a小麥全育期需水量最高年份是1974年為573 mm，最低年份是1993年為483 mm，平均年需水量為525 mm。全育期內(nèi)小麥需水量總體呈下降趨勢(shì)，遞減速率為7.8 mm/10 a，并通過(guò)0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。利用MK法在DPS軟件中對(duì)新疆1963—2012年小麥全育期需水量變化趨勢(shì)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由正序曲線UF可知，自20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，新疆小麥全育期需水量有明顯的下降趨勢(shì)，并且80年代末期至今這種下降趨勢(shì)大大超過(guò)了0.001顯著性水平，說(shuō)明小麥需水量下降趨勢(shì)是十分明顯的。正序曲線UF和逆序曲線UB在置信度區(qū)間內(nèi)，于1978年有一個(gè)交點(diǎn)，表明新疆小麥需水量下降是突變現(xiàn)象，突變開(kāi)始時(shí)間為1978年。

圖3小麥全生育期年需水量變化趨勢(shì)圖4小麥全生育期年需水量MK突變檢測(cè)

此外，考察小麥需水量年際變化發(fā)現(xiàn)，1963—1978年正序曲線UF在0附近小幅波動(dòng)，說(shuō)明此段時(shí)間小麥需水量變化趨勢(shì)不明顯，處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)；1978年UF開(kāi)始偏離0，特別是1982年后UF值下降趨勢(shì)更加明顯，說(shuō)明1978年以來(lái)小麥全育期需水量呈持續(xù)下降趨勢(shì)，并從1982年開(kāi)始下降趨勢(shì)加劇?？梢钥吹組K法檢測(cè)到的需水量變化趨勢(shì)與線性傾向估計(jì)結(jié)果一致。

2.3小麥需水量年際變化氣候影響因素

2.3.1小麥全育期主要?dú)庀笠蛩刈兓厔?shì)采用線性傾向估計(jì)對(duì)1963—2010年新疆小麥全育期內(nèi)的四種主要?dú)庀笠刈兓M(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖5?？芍?，近50 a來(lái)新疆小麥全育期平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)，上升速率為0.35℃/10 a，并通過(guò)0.001的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明上升趨勢(shì)極其顯著(圖5a)。全育期內(nèi)平均風(fēng)速呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，遞減速率為0.18(m/s)/10 a，并通過(guò)0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，表明下降趨勢(shì)極其顯著(圖5b)。全育期內(nèi)日均日照時(shí)數(shù)以0.035 h/10 a的速率呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)并不顯著(圖5c)。全育期內(nèi)有效降雨量以5.96 mm/10 a的速率呈下降趨勢(shì)，并通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，表明下降趨勢(shì)一般顯著(圖5d)。

圖5　1963-2012年新疆小麥全育期氣象因素變化趨勢(shì)

新疆近50 a小麥全育期內(nèi)日平均氣溫呈極顯著的上升趨勢(shì)，而風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)及有效降雨量均呈現(xiàn)與需水量變化相同的下降趨勢(shì)，其中風(fēng)速下降趨勢(shì)最為明顯、有效降雨量次之、日照時(shí)數(shù)最不顯著。

2.3.2小麥全育期需水量年際變化的主要?dú)庀笠蛩貫樘接懶陆←溞杷孔兓闹饕?，本文利用Pearson相關(guān)分析法計(jì)算了近50 a小麥需水量與氣溫、風(fēng)速、日照、有效降雨量四種主要?dú)庀笠蛩氐南嚓P(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖6。可知，小麥全育期需水量與氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)及有效降雨量均呈正相關(guān)。氣溫、有效降雨量與小麥需水量的相關(guān)系數(shù)較低，表現(xiàn)出較為微弱的正相關(guān)關(guān)系。而風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.679 6，0.776 4，表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，是影響小麥全育期需水量的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

結(jié)合圖5、圖6分析可知，雖然平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)會(huì)引起小麥需水量的增加，但這種增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由風(fēng)速降低及日照時(shí)數(shù)減少所導(dǎo)致的小麥需水減少量。因此，近50 a新疆小麥全育期內(nèi)風(fēng)速的降低、日照時(shí)數(shù)的減少是導(dǎo)致小麥全育期需水量下降的主要原因。

3　討 論

根據(jù)作物需水量計(jì)算公式，可知作物需水量由作物系數(shù)和參考作物蒸散量決定，小麥需水量與參考作物蒸散量有極強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。本文利用線性傾向估計(jì)和MK檢驗(yàn)法研究新疆小麥需水量趨勢(shì)變化發(fā)現(xiàn)，近50 a新疆小麥需水量呈極顯著下降趨勢(shì)，于1978年開(kāi)始發(fā)生突變，并且從1982年開(kāi)始下降趨勢(shì)明顯加劇。這與張青山等[18]得出的近50 a新疆參考作物蒸散量呈顯著減少趨勢(shì)，并于1981年開(kāi)始突變減小的結(jié)論基本一致。

施雅風(fēng)等指出在全球氣候變暖背景下，新疆地區(qū)氣溫升高趨勢(shì)明顯，并呈現(xiàn)由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特點(diǎn)[19]。本文通過(guò)分析近50 a新疆小麥全育期內(nèi)的氣象因素變化趨勢(shì)，得到氣溫呈顯著升高趨勢(shì)與施雅風(fēng)等提出的論點(diǎn)相一致。但分析得到的有效降雨量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)與施雅風(fēng)等提出新疆地區(qū)由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)相悖。可能原因是小麥全育期內(nèi)的有效降雨量并不同于年降雨量，如北疆春小麥生育期一般為4—7月，南疆冬小麥生育期為9月至次年6月，而本文統(tǒng)計(jì)的僅是小麥生育期內(nèi)的有效降雨量。此外，相關(guān)研究[20-21]指出50 a來(lái)新疆年日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速均呈顯著下降趨勢(shì)，并于20世紀(jì)80年初期發(fā)生突變，與本文的分析結(jié)果也基本一致。

圖6　小麥全育期需水量與氣象因素相關(guān)關(guān)系

新疆地區(qū)面積廣大，地形地貌、氣候變化的區(qū)域性差異明顯，本研究所利用的54個(gè)國(guó)家氣象基本站點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較稀少，如果能增加氣象站點(diǎn)數(shù)量，小麥需水量空間分布插值將會(huì)更加精細(xì)。此外，受制于小麥物候期數(shù)據(jù)時(shí)限的限制，本文計(jì)算小麥需水量時(shí)利用小麥生育期多年平均數(shù)據(jù)來(lái)確定各生長(zhǎng)階段的起始時(shí)間，還需要進(jìn)一步的完善。

4　結(jié) 論

(1) 1963—2012年新疆小麥全育期平均需水量為525 mm，但區(qū)域差異明顯，空間分布總體呈現(xiàn)南疆大于北疆、東部大于西部、由西北向東南增大的格局。此外，從小麥各生長(zhǎng)階段來(lái)看生長(zhǎng)初期和發(fā)育期需水量空間分布表現(xiàn)為南疆多北疆、由北向南呈帶狀逐漸增大的特征，而生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)末期需水量空間分布表現(xiàn)為東多西少的格局。

(2) 1963—2012年新疆小麥全育期年需水量平均以7.8 mm/10 a的速率呈極顯著的下降趨勢(shì)，并于1978年開(kāi)始發(fā)生突變。不同生長(zhǎng)階段需水量也均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中生長(zhǎng)中期下降速率最大、生長(zhǎng)初期和發(fā)育期下降速率次之、生長(zhǎng)末期下降速率最小。

(3) 1963—2012年新疆絕大部分區(qū)域小麥全育期需水量均呈下降趨勢(shì)，下降速率總體呈現(xiàn)北疆小于南疆、東疆大于西部、由西北向東南遞增的空間分布特征，與小麥全育期需水量空間分布特征一致，全育期需水量大的高值區(qū)也是需水量遞減趨勢(shì)最劇烈的區(qū)域。

(4) 1963—2012年新疆小麥全育期內(nèi)日平均氣溫呈極顯著的上升趨勢(shì)，風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)及有效降雨量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。小麥全育期需水量與風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，全育期內(nèi)風(fēng)速的降低、日照時(shí)數(shù)的減少是導(dǎo)致小麥全育期需水量下降的主要原因。

[1]沈永平,王國(guó)亞. IPCC第一工作組第五次評(píng)估報(bào)告對(duì)全球氣候變化認(rèn)知的最新科學(xué)要點(diǎn)[J].冰川凍土,2013,35(5):1068-1076.

[2]吳普特,趙西寧.氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)用水和糧食生產(chǎn)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(2):1-6.

[3]王衛(wèi)光,孫風(fēng)朝,彭世彰,等.水稻灌溉需水量對(duì)氣候變化響應(yīng)的模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(14):90-98.

[4]楊琪,張勃,尹海霞,等.甘肅河?xùn)|地區(qū)近50年小麥需水量變化趨勢(shì)及影響因子[J].生態(tài)學(xué)雜志,2013,32(11):3074-3081.

[5]孫爽,楊曉光,李克南,等.中國(guó)冬小麥需水量時(shí)空特征分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(15):72-82.

[6]劉宏誼,馬鵬里,楊興國(guó),等.甘肅省主要農(nóng)作物需水量時(shí)空變化特征分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2005,23(1):39-44.

[7]劉玉春,姜紅安,李存東,等.河北省棉花灌溉需水量與灌溉需求指數(shù)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(19):98-104.

[8]尹海霞,張勃,王亞敏,等.黑河流域中游地區(qū)近43年來(lái)農(nóng)作物需水量的變化趨勢(shì)分析[J].資源科學(xué),2012,34(3):409-417.

[9]趙忠文,楊旭東.新疆農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀及對(duì)策[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010(3):317-318.[10]新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局.新疆統(tǒng)計(jì)年鑒2013[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2013.

[11]王榮棟,孔軍,陳榮毅,等.新疆小麥品質(zhì)生態(tài)區(qū)劃[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,42(5):309-314.

[12]黃敬峰,王秀珍,蔡承俠,等.新疆冬小麥物候與氣候條件研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2000,21(1):14-19.

[13]Smith M, Allen R, Pereira L. Revised FAO methodology for crop water requirements[M]. Rome:Land and Water Development Division,1997.

[14]王瑤,趙傳燕,田風(fēng)霞,等.黑河中游春小麥需水量空間分布[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(9):2374-2382.

[15]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].2版.北京:氣象出版社,2007.

[16]楊波,張勃,安美玲,等.1961—2011年秦巴山區(qū)極端降水事件的時(shí)空特征分析[J].水土保持研究,2014,21(1):110-116.

[17]原立峰,楊桂山,李恒鵬,等.基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS的鄱陽(yáng)湖流域降雨空間差異分析[J].水土保持研究,2013,20(4):34-38.

[18]張山清,普宗朝.新疆參考作物蒸散量時(shí)空變化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(5):73-79.

[19]施雅風(fēng),沈永平,李棟梁,等.中國(guó)西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢(shì)探討[J].第四紀(jì)研究,2003,23(2):152-164.

[20]黃小燕,張明軍,王圣杰,等.西北地區(qū)近50年日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速變化特征[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(5):825-835.

[21]張山清,普宗朝,李景林.近50年新疆日照時(shí)數(shù)時(shí)空變化分析[J].地理學(xué)報(bào),2013,68(11):1481-1492.

Spatiotemporal Characteristics of Water Requirement of Wheat as Influenced by Climate in Xinjiang in Recent 50 Years

XUAN Junwei1,2, ZHENG Jianghua1,2, LIU Zhihui1,2,3

(1.College of Resources and Environment Sciences, Xinjiang University 830046, China;2.KeyLabforOasisEcosystemofMOE,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Based on the meteorological data of 54 stations from 1963 to 2012 in Xinjiang, the water requirement of wheat (WRW) of the whole growing period and different growth stages were calculated by using FAO Penman-Monteith model and crop coefficient. Meanwhile, we used the methods of linear regression, Mann-Kendall test and Inverse Distance Weighting to analyze the spatiotemporal change characteristics of water requirement of wheat in Xinjiang in recent 50 years. The results showed that the spatial distribution characteristics of mean WRW of the whole growing period and different growth stages of wheat were obviously various in the different regions of Xinjiang. Generally, the WRW of the whole growing period was larger in south than that in north, and it was larger in east than west. And the WRW of the initial or development stage were larger in south than northern. However, the WRW of the mid-season or late-season stage were larger in east than west. The annual WRW of the whole growing period was significantly decreasing with the rate of 7.8 mm/10 a, and it had significantly abrupt decrease in 1978. The negative trend in wheat water requirement in Xinjiang was mainly attributed to decline of sunshine hour and wind speed.

wheat; crop water requirement; spatial distribution; Penman-Monteith equation; trend analysis; Xinjiang

2014-09-20

2014-09-26

水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“內(nèi)陸干旱區(qū)實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理關(guān)鍵技術(shù)”(201301103)

軒俊偉(1988—),男,山東聊城人,碩士研究生,主要從事水資源管理及GIS應(yīng)用方面研究。E-mail:sd1900@163.com

鄭江華(1973—),男,新疆烏魯木齊人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事資源調(diào)查監(jiān)測(cè)和3S技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail:zheng_jianghua@126.com

S963

A

1005-3409(2015)04-0155-06