衡水地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)后期需水量變化特征

摘要：利用衡水市3個(gè)氣象站1965-2012年的逐日氣象數(shù)據(jù)，采用作物需水量模型以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法，分析了近48年來衡水地區(qū)冬小麥灌漿期至成熟期需水量的變化特征。結(jié)果表明，1965-2012年衡水地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)后期需水量呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，趨勢(shì)變化顯著，近48年來下降了37.9 mm，人工灌水量的減少趨勢(shì)快于需水量的變化，近48年來減少了62.4 mm；需水量存在時(shí)間序列上的突變現(xiàn)象，突變發(fā)生在1976年，1977年以后變化更加明顯；在冬小麥后期需水量波動(dòng)減少的過程中存在明顯的7年變化周期；冬小麥后期生長(zhǎng)需水量的變化與日照時(shí)數(shù)呈最大正相關(guān)，與相對(duì)濕度的變化呈最大負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：冬小麥后期生長(zhǎng)；作物需水量模型；變化

中圖分類號(hào)：S162.8；S512.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）14-3546-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.003

Abstract：Based on the daily meteorological data of three stations from 1965 to 2012 in Hengshui area， the change characteristics of winter wheat’s water requirement during filling stage to mature stage in 48 years of Hengshui area was analyzed by using the model of crop water requirement and the related statistical methods. The results showed a significant trend of reduction about the water requirement during the later growth stage of winter wheat from 1965 to 2012 in Hengshui area， it had 37.9 mm dropped in the past 48 years，the reduction of artificial irrigation water was more faster， and it had 62.4 mm dropped in the past 48 years. The water requirement existed a jumping phenomenon in the time series of recent 48 years， the time of jumping phenomenon appeared in 1976， and it was more obvious after 1977. In the fluctuating downward process of winter wheat’s water requirement during the later growth stage， it presented a variational period of 7 years. Sunshine time was the most positive correlation about the change of winter wheat’s water requirement during the later growth stage， the relative humidity was the most negative correlation to it.

Key words： the later growth stage of winter wheat； the model of crop water requirement； change

氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第五次會(huì)議上指出[1]，近130年來地球表面平均溫度上升了0.85 ℃，與IPCC第四次評(píng)估報(bào)告相比[2]，地球表面溫度又升高了0.11 ℃。氣候的變暖對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大影響，而農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最直接的脆弱行業(yè)[3-8]。衡水市是農(nóng)業(yè)大市，耕地面積56.7萬hm2，農(nóng)業(yè)人口人均占有耕地1 667.5 m2。在衡水市的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)中，主要以冬小麥-夏玉米輪作結(jié)構(gòu)為主，在其主要作物之一的冬小麥中，其后期生長(zhǎng)的抽穗至成熟期是冬小麥子粒灌漿成型的關(guān)鍵期，這段時(shí)期內(nèi)的需水量顯得尤為重要。在氣候變暖的大背景下，華北地區(qū)氣溫升高尤為明顯[9]，衡水市的氣溫隨著大環(huán)境的升高而升高，在這種情況下，衡水地區(qū)冬小麥后期管理的需水量變化目前尚無研究，本研究以作物需水量模型公式為基礎(chǔ)，討論了近48年來衡水市冬小麥后期需水量的變化規(guī)律，以期為該段種植時(shí)間內(nèi)冬小麥的需水管理提供合理化的理論指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

采用河北省氣象信息中心提供的衡水市冀州、故城、饒陽(yáng)3個(gè)氣象站1965-2012年逐日氣溫（含最高、最低）、降水、日照、風(fēng)速、相對(duì)濕度等氣象要素，取3個(gè)氣象站氣象要素的區(qū)域平均值作為衡水地區(qū)的逐日氣象資料。

1.2 試驗(yàn)方法

采用作物系數(shù)法[10]計(jì)算冬小麥后期生長(zhǎng)需水量的模型，計(jì)算公式如下：

ETc=Kc×ET0 （1）

式中，ETc為作物需水量（mm）；Kc為作物系數(shù)；ET0為潛在蒸散量（mm）。本研究中，Kc依照作物需水量計(jì)算指南（FAO-56）的建議數(shù)值[11]取0.4。

潛在蒸散量ET0的計(jì)算公式如下：

各類參數(shù)依照世界糧農(nóng)組織（FAO）的推薦值[11]進(jìn)行計(jì)算。式中，Rn表示冠層表面凈輻射；T表示日平均氣溫；es表示飽和水汽壓；ea表示實(shí)際水汽壓； γ表示濕度計(jì)常數(shù)；U2表示2 m高處的日平均風(fēng)速；Δ是飽和水汽壓-氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率；G表示土壤熱通量，本計(jì)算中忽略不計(jì)[12]。

由于抽穗至成熟期的起止日期不固定，為了更好地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，將該段日期固定為5月5日至6月10日，在日期的計(jì)算過程中采用日序的計(jì)數(shù)方式[13]，即1月1日記為1，2月2日記為33。統(tǒng)計(jì)方法采用線性趨勢(shì)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法、Morlet小波分析等方法[14，15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生長(zhǎng)后期需水量變化趨勢(shì)

對(duì)冀州、故城、饒陽(yáng)3個(gè)氣象站的逐日氣象要素求區(qū)域平均值，得到衡水地區(qū)的氣象要素逐日平均值，通過公式（1）和（2）計(jì)算得到近48年來冬小麥后期需水量的時(shí)間序列（圖1），由圖1可知，1965-2012年，衡水地區(qū)冬小麥抽穗至成熟期平均需水量為141.0 mm，需水量最多出現(xiàn)在1971年，需水量為184.4 mm，最少出現(xiàn)在1998年，需水量為107.5 mm，近48年的時(shí)間變化呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，變化量為-0.79 mm/年，下降趨勢(shì)通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，變化明顯， 48年來下降了37.9 mm。

2.2 冬小麥生長(zhǎng)后期灌水量變化趨勢(shì)

用同期的需水量減去降水量代表冬小麥后期的灌水量，由圖2可知，冬小麥后期的人工灌水量同樣呈波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)，灌水量最少的年份是1977年，由于該年降雨量大，降水量大于需水量，該年的灌水量為-71.6 mm，本研究中該年的灌水量取值為0 mm，表明該年的冬小麥生長(zhǎng)后期自然降水完全能夠滿足冬小麥的后期生長(zhǎng)，不需要再進(jìn)行人工灌溉；灌溉水量最多年出現(xiàn)在1968年，灌水量為174.8 mm，表明近48年里，該年在冬小麥生長(zhǎng)后期的自然降水最少；1965-2012年衡水地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)后期多年平均灌水量為98.9 mm，變化趨勢(shì)為-1.3 mm/年，近48年來下降了62.4 mm，其相關(guān)系數(shù)r=0.435，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明下降趨勢(shì)明顯。

2.3 冬小麥后期生長(zhǎng)需水量時(shí)間序列變化的突變分析

由衡水地區(qū)冬小麥后期生長(zhǎng)需水量時(shí)間變化序列得出冬小麥后期生長(zhǎng)的需水量呈較為明顯的下降趨勢(shì)，為了進(jìn)一步分析在近48年的時(shí)間序列中，受綜合氣候因素的影響冬小麥后期生長(zhǎng)的需水量變化是否存在突變，本研究引入Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法，該方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可分析時(shí)間序列資料的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)[14]。其正序曲線UF與逆序曲線UB的交叉點(diǎn)為突變點(diǎn)，通過了±1.96（0.05的顯著性檢驗(yàn)），表明變化趨勢(shì)顯著[14]。由圖3可知，衡水地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)后期的需水量在1976年發(fā)生突變現(xiàn)象，在1977年變化趨勢(shì)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，變化更加明顯，但由該圖可以看出UF線在2000年以后變化又趨于平緩。

2.4 冬小麥后期生長(zhǎng)需水量時(shí)間序列的周期性變化分析

由圖1的需水量曲線可知，冬小麥后期生長(zhǎng)需水量的變化雖呈遞減的趨勢(shì)，但不是單調(diào)遞減，而是呈波動(dòng)變化的趨勢(shì)，因此，用Morlet小波實(shí)部結(jié)合其方差分析時(shí)間序列的周期性變化。小波分析源于傅立葉分析，是對(duì)傅立葉分析方法的突破性發(fā)展，通過將時(shí)間序列分解到時(shí)間頻率域內(nèi)，得出時(shí)間序列顯著的周期變化動(dòng)態(tài)以及周期變化動(dòng)態(tài)的時(shí)間格局[14]。由圖4可知，冬小麥后期生長(zhǎng)需水量存在準(zhǔn)6～8年的變化性周期，同時(shí)結(jié)合小波方差圖（圖5）可見，其變化周期表現(xiàn)為7年，即需水量在近48年的時(shí)間序列變化中，存在7年增減交替變化的周期。

2.5 冬小麥后期生長(zhǎng)需水量與氣候因子的相關(guān)性分析

隨著氣候的變暖，冬小麥后期的需水量卻呈減少的趨勢(shì)，因此對(duì)大田環(huán)境的主要?dú)庀笠蜃优c冬小麥后期需水量的變化進(jìn)行相關(guān)性分析，用以得出影響需水量變化最大的氣象因子。利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)冬小麥生長(zhǎng)后期需水量與平均氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析，由各氣象因子與需水量的相關(guān)系數(shù)（表1）可以看出，與冬小麥生長(zhǎng)后期需水量正相關(guān)最大的氣象因子是日照時(shí)數(shù)，其次是風(fēng)速，再次是平均氣溫，相關(guān)系數(shù)全部通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；負(fù)相關(guān)最大的是相對(duì)濕度，相關(guān)系數(shù)通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。該結(jié)論也與河北日照時(shí)數(shù)減少[16]、風(fēng)速減小[17]、半干旱區(qū)相對(duì)濕度變化不明顯[18]的結(jié)論一致。

3 小結(jié)與討論

衡水地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)后期需水量呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，且趨勢(shì)變化明顯，該變化趨勢(shì)也與中國(guó)大部分地區(qū)潛在蒸散量呈減少的趨勢(shì)相一致[19]。1965-2012年需水量趨勢(shì)變化量減少了37.9 mm，需水量的降低和自然降水的作用使人工灌水量在近48年的減少趨勢(shì)明顯快于需水量的變化，近48年來，人工灌水量減少了62.4 mm。

冬小麥生長(zhǎng)后期的需水量存在時(shí)間序列上的突變現(xiàn)象，突變交點(diǎn)發(fā)生在1976年，在1977年以后需水量的變化更加明顯，但這種變化在2000年以后有所放緩。冬小麥生長(zhǎng)后期的需水量在波動(dòng)下降的變化中存在增-減的周期性變化，其7年的變化周期在檢測(cè)中表現(xiàn)得尤為明顯。冬小麥生長(zhǎng)后期需水量的變化與日照時(shí)數(shù)呈最大正相關(guān)，其次是風(fēng)速，與相對(duì)濕度的變化呈最大負(fù)相關(guān)。該相關(guān)性也表明了其與氣候因子變化的一致性。

冬小麥生長(zhǎng)后期是子粒產(chǎn)量形成的重要生長(zhǎng)階段，其對(duì)水分的需求就顯得尤為敏感，本研究在相關(guān)模型和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算發(fā)現(xiàn)，衡水地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)后期需水量呈減少的趨勢(shì)，這對(duì)該地區(qū)冬小麥后期管理以及合理利用水資源有一定的指導(dǎo)意義。

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