信陽市冬小麥需水量的時空分布及其氣候影響分析

楊慧潔,孟祥杰,趙 輝

(1.信陽市農(nóng)業(yè)氣象試驗站，河南 信陽 464000；2.信陽市氣象局，河南 信陽 464000)

0 引言

作物需水量的估算和預(yù)測在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和農(nóng)田水資源優(yōu)化配置中起著重要的作用。近年來受自然和人類活動共同影響導(dǎo)致了全球性的氣候變暖[1]。氣溫升高一定程度上影響降水的變化，兩者時空變化將會直接影響作物的生長發(fā)育和耗水過程，進而影響作物的需水量[2]。

研究人員對不同區(qū)域冬小麥需水特征做了大量分析工作[3～14](劉曉英等， 2005； 劉鈺等，2009； 方文松等，2009； 左余寶等，2009； 楊曉琳等，2012； 劉勤等，2013； 孫爽等，2013； 甄小麗等，2017；龐艷梅，2017)。結(jié)果顯示不同的區(qū)域，同一作物需水量表現(xiàn)特征不同。孫爽等[9]分析了1961-2010年全國356個站點冬小麥需水量數(shù)據(jù)，整體呈下降趨勢。曹紅霞等[12]分析1961-2001年關(guān)中地區(qū)30個氣象站冬小麥需水量的年際變化，結(jié)果表明小麥需水量變化不一致，17個站點呈增加趨勢，13個站點呈減少趨勢。宋妮等[13]分析了河南省17個站點冬小麥需水量的年際變化，有7個站呈上升趨勢，10個站則呈下降趨勢。時間序列、分析方法的不同都可能會導(dǎo)致結(jié)論的不一致。楊曉琳等[7]認為1960-2009年黃淮海冬小麥需水量減少的最主要的氣象因素是太陽輻射量下降。

筆者研究基于信陽市1961-2016年逐日氣象資料，分析信陽市冬小麥全生育期需水量的時空分布特征，并對其主要影響因素進行探，對全球氣候變化背景下指導(dǎo)信陽冬小麥水資源配置具有指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域概況

信陽地處我國南北氣候過渡帶，淮河流經(jīng)信陽地區(qū)北部，絕大部分地區(qū)位于淮河以南，是亞熱帶和暖溫帶的過渡地帶，年平均日照時數(shù)2 000 h左右，年平均溫度15.1～15.3℃，年平均降水量為1 100 mm左右，廣泛種植水稻、小麥、油菜等糧食作物。

2.2 數(shù)據(jù)與方法

數(shù)據(jù)來源于信陽各國家氣象觀測站，時間序列為1961-2016年共56 a的逐日觀測數(shù)據(jù)，主要包括：逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)、相對濕度和平均風速。研究區(qū)內(nèi)冬小麥播種收獲時間，統(tǒng)一選擇10月至翌年5月作為冬小麥生育期。冬小麥全生育內(nèi)需水量系數(shù)估算。

ETC=KC×ET0

(1)

式中，ETC為作物需水量(mm·d-1)，ET0為參考作物蒸散量(mm·d-1)，KC為作物系數(shù)[15]。其中ET0的計算[16]，見公式(2)。

(2)

式中，Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1)， 為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)， 為日平均氣溫(℃)，u2為2 m高處風速(m·s-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa )， 為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa ·℃-1)， 為干濕表常數(shù)(kPa ·℃-1)。

分析冬小麥需水量和氣候要素時間變化時采用氣候傾向率法和一元線性回歸法[17]，分析氣候要素與冬小麥需水量相關(guān)關(guān)系時利用Pearson相關(guān)分析法進行檢驗[18]。利用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)處理并繪制時間序列圖，利用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，利用ArcGIS 10.0的反距離權(quán)重法(IDW)進行空間差值得到空間分布圖[19]。

3 結(jié)果

3.1 冬小麥需水量時空變化特征

3.1.1 冬小麥需水量隨時間變化特征 由圖1可知，信陽市1962-2016年區(qū)域平均需水量呈弱增長趨勢，氣候傾向率為2.6 mm·10a-1。與時間相關(guān)系數(shù)為0.17，未通過顯著性檢驗。信陽市1962-2016年需水量低值年在1964年，高值年在2011年，平均需水量為394.1 mm。

表1為信陽市1962-2016年各站點需水量隨時間變化特征。7個站點中僅1個站點的需水量隨時間明顯減少，氣候傾向率為-5.51 mm·10a-1，相關(guān)系數(shù)為-0.26(P<0.05)，剩余6個站點氣候傾向率均為正值，即隨時間呈增加趨勢，其中信陽、光山和新縣通過了0.01水平的顯著性檢驗，商城通過了0.05水平的顯著性檢驗。各站點需水量的變異系數(shù)變化范圍為6.83%～8.98%，55 a需水量的變異系數(shù)平均值為6.1%。

表1 信陽市冬小麥需水量氣候傾向率(mm·10a-1)、與時間相關(guān)系數(shù)及年代平均值 (mm)

注：*表示0.05水平顯著性檢驗，**表示0.01水平顯著性檢驗，下同。

3.1.2 冬小麥需水量隨空間變化特征 信陽市1962～2016年平均需水量空間變異系數(shù)僅為1.9%，空間變異較小，信陽市冬小麥需水量90年代空間差異較大，其余年代差異較小。信陽市多年平均需水量在382.7～403.1 mm，整體看來，研究區(qū)域內(nèi)東部需水量較少、西部較多，低值區(qū)在息縣、關(guān)山一代，高值區(qū)在信陽、新縣一代。較其他年代相比，信陽市60年代和70年代冬小麥需水量較少，60年代多數(shù)站點不超過389.5 mm，70年代多數(shù)站點不超過395.5 mm。信陽市80年代和90年代冬小麥需水量呈現(xiàn)一定的帶狀分布，大致分布為東部少、西部多。信陽市2001～2016年冬小麥需水量最多，多數(shù)站點超過395.5 mm。

從各站點來看(表1)，息縣70年代冬小麥需水量最多，超過395.5 mm，其次是60年代，其他年代需水量較少，均不超過389.5 mm；羅山60年代和90年代需水量較少，不超過389.5mm，70年代和2001-2016年需水量最多，超過395.5 mm；信陽60年代和70年代冬小麥需水量較少，不超過389.5 mm，其他年代需水量較多，超過395.5 mm；光山站冬小麥需水量逐年代增加；潢川站80年代和90年代需水量較少，不超過389.5 mm，其他年代較多，均超過395.5 mm；新縣60年代冬小麥需水量最少，不超過389.5 mm，其次是70年代，其他年代均超過395.5 mm；商城站2001-2016年需水量最多，超過395.5 mm，其他年代較少，均不超過389.5 mm。

3.2 冬小麥需水量氣候影響因素

3.2.1 冬小麥生育期內(nèi)氣候影響因素變化 由圖3可知，信陽市1962-2016年降水量呈弱減少趨勢，氣候傾向率為-12.1 mm·10a-1。平均氣溫呈顯著升高趨勢，其氣候傾向率為0.29℃·10a-1(P<0. 01)。相對濕度、日照時數(shù)和風速均呈顯著減少趨勢，氣候傾向率分別為-1.2%·10a-1(P<0. 01)、-31.4 h·10a-1(P<0. 01)、-0.21 m·s-1·10a-1(P<0. 01)。

可見，降水量年際波動不大，其氣候傾向率為正，但未呈現(xiàn)明顯的線性趨勢變化，而同期的相對濕度、日照時數(shù)和風速呈顯著下降趨勢，平均氣溫呈顯著上升趨勢。

表2 信陽市冬小麥需水量與氣候要素相關(guān)系數(shù)

3.2.1 冬小麥生育期內(nèi)氣候影響因素與需水量相關(guān)分析 表2統(tǒng)計分析了信陽市1962-2016年冬小麥全生育期需水量與同期降水量、平均氣溫、相對濕度、日照時數(shù)和平均風速等主要氣候要素之間的相關(guān)關(guān)系。由表2可見，冬小麥全生育期需水量與平均氣溫、日照時數(shù)和風速呈不同顯著程度的正相關(guān)關(guān)系，與降水量和相對濕度呈顯著負相關(guān)關(guān)系。

上述結(jié)論表明氣溫顯著升高、相對濕度顯著下降和降水量減少對冬小麥全生育期需水量的正效應(yīng)超過了風速和日照時數(shù)的顯著下降對冬小麥全生育期需水量的負效應(yīng)，受其綜合影響，信陽市冬小麥全生育期需水量才呈上升趨勢。

為定量描述各氣候因子對冬小麥需水量的綜合影響，以需水量與表2中氣候因子分別為因變量和自變量，利用SPSS統(tǒng)計軟件進行多元逐步回歸分析，建立統(tǒng)計模型，其中標準回歸系數(shù)的大小表示各自變量對因變量的相對重要性。統(tǒng)計結(jié)果表明，風速和平均氣溫的標準回歸系數(shù)最大，分別為32.29何29.29，其次是相對濕度和日照時數(shù)，分別是-1.18和0.11，降水量標準系數(shù)最小為-0.02；風速、平均氣溫和日照時數(shù)的貢獻為正，而降水量和相對濕度的貢獻為負。從標準回歸系數(shù)看，風速和平均氣溫對需水量的貢獻最大。

4 結(jié)論

(1)信陽市1962-2016年區(qū)域平均需水量在382.7～403.1 mm，呈弱增長趨勢，研究區(qū)域內(nèi)，空間變異較小，東部需水量較少、西部較多。信陽市1960 s和1970 s冬小麥需水量較少；2001-2016年冬小麥需水量最多。

(2)信陽市1962-2016年降水量呈弱減少趨勢，氣候傾向率為-12.1 mm·10a-1。平均氣溫呈顯著升高趨勢，相對濕度、日照時數(shù)和風速均呈顯著減少趨勢。因此，冬小麥全生育期需水量呈微弱增加趨勢，主要是由于日照時數(shù)的顯著減少和風速的顯著下降，可能削弱了由氣溫顯著升高和相對濕度顯著減少所引起的需水量的增量。

(3)信陽市冬小麥全生育期需水量與平均氣溫、日照時數(shù)和風速呈不同顯著程度的正相關(guān)關(guān)系，與降水量和相對濕度呈顯著負相關(guān)關(guān)系。風速和平均氣溫對需水量的貢獻最大。