寧夏固原地區(qū)主要作物需水量對近年氣候變化的響應(yīng)

郭曉雷，張學(xué)藝，劉 靜，亢艷莉

（1.寧夏氣象局/中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室/寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏銀川750002；2.銀川市氣象局，寧夏銀川750002)

寧夏固原地區(qū)主要作物需水量對近年氣候變化的響應(yīng)

郭曉雷1,2，張學(xué)藝1，劉 靜1，亢艷莉1

（1.寧夏氣象局/中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室/寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏銀川750002；2.銀川市氣象局，寧夏銀川750002)

以小麥、冬小麥、胡麻、玉米、牧草、豌豆為研究對象，利用固原氣象站1961—2015年的常規(guī)氣象觀測資料和作物發(fā)育期資料，采用Penman-Monteith公式和作物系數(shù)，計算了6種作物的需水量，并分析了作物發(fā)育期氣象因子的變化特征及其與作物需水量之間的關(guān)系。結(jié)果表明：近55年來，作物發(fā)育期的溫度和總降水量均呈升高趨勢，平均風(fēng)速均呈減小趨勢；固原地區(qū)春小麥、玉米、牧草生育期需水量呈減少趨勢，冬小麥、胡麻和豌豆需水量呈增加趨勢；不同氣象要素對不同種類作物需水量的影響各不相同，平均風(fēng)速與6種作物需水量均呈正相關(guān)，生育期總降水量與6種作物需水量均成負(fù)相關(guān)。

氣象因子；作物需水量；氣候變化；響應(yīng)

固原市位于寧夏南部、黃土高原西北邊緣，境內(nèi)地形復(fù)雜，溝壑縱橫，屬中溫帶大陸性半陰濕半干旱氣候，年平均降水量400 mm左右，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。近年來，在全球氣候變化背景下，固原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，自然災(zāi)害頻繁，尤以干旱突出，“十年十旱”，一方水土養(yǎng)活不了一方人。水分虧缺成為制約固原市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要因素，也成為固原市扶貧開發(fā)道路上的攔路虎。

圍繞氣候變化和作物需水量方面開展的研究已多有報道[1-7]。對于寧夏固原地區(qū)而言，梁錦秀等研究了馬鈴薯產(chǎn)量與土壤水分之間的關(guān)系[8]；張磊等對不同種植體系土壤水分變化規(guī)律進行了研究[9]；王月玲等從工程技術(shù)角度研究了固原地區(qū)土壤水分的演變特征[10]，但固原地區(qū)作物需水量對氣候響應(yīng)方面的研究還鮮見報道。

因此，本研究擬利用寧夏固原市1961—2015年的氣象觀測資料和農(nóng)業(yè)氣象觀測資料，計算該地區(qū)主要作物需水量，結(jié)合對該地區(qū)氣候因子的分析，研究作物需水量對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律，為指導(dǎo)該地區(qū)合理利用氣候資源、科學(xué)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

利用固原國家基準(zhǔn)氣候站1961—2015年的地面氣象常規(guī)觀測日資料，包括最高、最低氣溫、降水量、風(fēng)速、日照時數(shù)等；固原地區(qū)主要作物逐年或平均生育期觀測資料，結(jié)合臺站的緯度、海拔高度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算了固原地區(qū)小麥、冬小麥、胡麻、玉米、牧草、豌豆等主要作物的需水量。

1.2 計算方法

采用FAO推薦的Penman-Monteith公式和作物系數(shù)Kc[4]，計算公式為：

式中，ETm為作物需水量；Kc為綜合作物系數(shù)，它與作物的種類、品種、生育期和作物的群體葉面積指數(shù)等因素有關(guān)，是作物自身生物學(xué)特性的反映[5]，本文中的Kc是聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織推薦的作物系數(shù)修正值；ET0為參考作物蒸散量（單位mm/d），其計算公式為：

式中，Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，單位為kPa/℃；Rn為輸入冠層的凈輻射，單位為MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，單位為MJ/（m2·d）；γ為濕度計常數(shù)，單位為kPa/℃；T為平均氣溫，單位為℃，按最高氣溫和最低氣溫的算術(shù)平均值計算；U2為2 m高處的風(fēng)速，單位為m/s，文中采用訂正系數(shù)法將觀測站10 m測風(fēng)數(shù)據(jù)換算為2 m高處風(fēng)速[6]；ea為日平均飽和水汽壓，單位為kPa，文中采用WMO1996飽和水汽壓公式[7]計算所得；ed為觀測站實際水汽壓，單位為kPa。

為了檢驗氣候趨勢系數(shù)是否顯著，采用蒙特卡羅方法來估計相關(guān)系數(shù)的臨界值。筆者利用SPSS 20.0軟件計算了溫度、降水、風(fēng)速等氣象要素的相關(guān)系數(shù)，并用“*”、“**”、“***”分別表示通過 90%、95%和99%的顯著性檢驗，其分別代表氣候趨勢較顯著、顯著、很顯著。

1.3 統(tǒng)計分析

使用Excel 2003軟件計算不同作物的需水量，運用SPSS 13.0軟件分析作物需水量與氣象因子間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子的變化特征

2.1.1 溫度的變化特征。表1是固原主要農(nóng)作物年平均最高氣溫氣候趨勢和氣候傾向率，從表中可以看出，除了豌豆氣候趨勢系數(shù)性通過95%的顯著性檢驗外，其他作物氣候趨勢系數(shù)均通過了99%的顯著性檢驗，說明固原地區(qū)主要農(nóng)作物生育期年平均最高氣溫均有顯著的升高趨勢（春小麥、冬小麥、玉米、胡麻、牧草 P ＜ 0.01，豌豆 P ＜0.05）。其中，冬小麥生育期年平均最高氣溫升高趨勢最大，升高0.033 7℃/年，玉米生育期年平均最高氣溫升高趨勢最小，升高0.017℃/年。

從表2可以看出，6種作物全生育期年平均氣溫均呈現(xiàn)很顯著的升高趨勢（P＜0.01）。冬小麥的年平均氣溫增溫幅度最大，為0.052 5℃/年，玉米生育期年平均最高氣溫升高趨勢最小，為0.0365℃/年。

表2 主要農(nóng)作物生育期平均氣溫氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率

通過分析固原主要作物生育期年平均最低氣溫氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率發(fā)現(xiàn)，6種作物增溫趨勢明顯，均達到了很顯著的程度（P＜0.01），變暖幅度除了冬小麥沒有達到0.05℃/年外，其他作物氣候傾向率均在0.05℃/年以上（表3）。

表3 主要農(nóng)作物生育期平均最低氣溫氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率

2.1.2 降水量的變化特征。從固原主要作物生育期降水總量的氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率可以得出（表4），玉米和牧草近年來呈現(xiàn)出較弱的增多趨勢，生育期降水總量氣候趨勢系數(shù)通過了90%的顯著性檢驗，生育期降水總量氣候傾向率均在1.5 mm/年左右。其余4種作物生育期降水總量無明顯的增多或減少趨勢。

表4 主要農(nóng)作物生育期降水總量氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率

2.1.3 風(fēng)速的變化特征。從表5的數(shù)據(jù)可知，玉米和豌豆2種作物全生育期平均風(fēng)速氣候趨勢系數(shù)顯著性不強，春小麥和胡麻這2種作物生育期平均風(fēng)速氣候趨勢系數(shù)通過了90%的顯著性檢驗，而冬小麥和牧草年平均風(fēng)速減小的趨勢最為顯著（P＜0.01）。

表5 主要農(nóng)作物生育期平均風(fēng)速氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率

2.2 作物需水量變化趨勢

2.2.1 參考作物蒸散量的變化趨勢。圖1分析了近55年固原市逐月平均參考作物蒸散量的變化。月平均作物蒸散量全年呈單峰曲線，1月份為一年中的最低值，之后隨著時間的推移逐漸增大，6月份達到一年中的最高值，之后又逐漸減小，到12月份參考作物蒸散量值降到1 mm。

圖1 1961—2015年固原市多年逐月平均參考作物蒸散量變化

2.2.2 作物需水量變化特征。固原市主要作物近年來需水量變化情況見圖2。就多年平均值而言，牧草全生育期需水量最多，多年平均達706.44 mm，冬小麥次之，為608.09 mm，玉米多年平均生育期需水量分別為400.77 mm，胡麻和春小麥多年平均生育期需水量略少，分別是311.88和298.19 mm，胡麻生育期需水量最少，多年平均為226.98 mm。

圖2 固原市主要作物需水量年際變化（1961—2015）

表6反映了各個作物生育期需水量的線性變化趨勢，可以看出：近55年來，春小麥、玉米、牧草的需水量均呈現(xiàn)下降趨勢，其中，春小麥的減少趨勢最顯著；冬小麥、胡麻、豌豆需水量呈增加趨勢，胡麻增加趨勢最為顯著。

表6 主要農(nóng)作物生育期需水量變化趨勢

2.3 作物需水量與氣象因子的關(guān)系

應(yīng)用Spearman相關(guān)性檢驗方法對固原市春小麥、冬小麥、玉米、胡麻、豌豆和牧草6種作物的需水量與溫度、降水、風(fēng)速等氣象因子進行了相關(guān)性檢驗，具體結(jié)果見表7。

2.3.1 春小麥。氣象因子對固原地區(qū)春小麥需水量的影響順序為平均風(fēng)速＞平均最低氣溫＞平均溫度＞總降水量＞平均最高氣溫。其中，平均最低氣溫和平均風(fēng)速2個因子的影響最為顯著，春小麥需水量與平均最低氣溫成顯著負(fù)相關(guān)，與平均風(fēng)速成顯著正相關(guān)。

2.3.2 冬小麥。冬小麥較春小麥生長周期更長，受氣象因子的影響也更大，按照影響大小順序排名為：平均溫度＞平均風(fēng)速＞平均最低氣溫＞總降水量＞平均最高氣溫。其中，冬小麥需水量與平均溫度和平均最低氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與平均風(fēng)速成顯著正相關(guān)。

2.3.3 玉米。玉米生育期需水量與平均溫度、平均最高氣溫平均風(fēng)速和總降水量之間均存在著顯著的相關(guān)關(guān)系。其中，與降水量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，與平均最低氣溫呈現(xiàn)不顯著的負(fù)相關(guān)，與其他氣象因子均成正相關(guān)。按照影響大小順序排名為：平均最高氣溫＞總降水量＞平均溫度＞平均風(fēng)速＞平均最低氣溫。

2.3.4 胡麻。對胡麻而言，氣象因子對需水量的影響順序為：平均最高氣溫＞平均溫度＞平均最低氣溫＞總降水量＞平均風(fēng)速。溫度是影響胡麻需水量的重要因素，平均最高氣溫、平均溫度和平均最低氣溫與需水量的相關(guān)性均通過了99%的顯著性檢驗。

2.3.5 豌豆。由表7可以看出，豌豆生育期需水量與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和平均風(fēng)速均成正相關(guān)，其中，與平均氣溫和平均最高氣溫的相關(guān)性均通過了99%的顯著性檢驗，與總降水量成不顯著的負(fù)相關(guān)。按照影響大小順序排名為：平均最高氣溫＞平均風(fēng)速＞平均溫度＞平均最低氣溫＞總降水量。

2.3.6 牧草。牧草生育期需水量與平均氣溫和平均最低氣溫相關(guān)性不顯著，與平均最高氣溫、平均風(fēng)速成顯著的正相關(guān)，與降水總量成顯著的負(fù)相關(guān)。按照影響大小順序排名為：總降水量＞平均風(fēng)速＞平均最高氣溫＞平均溫度＞平均最低氣溫。

表7 作物需水量與氣象因子的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論與討論

在全球氣候變化的背景下，近55年來，小麥、冬小麥、胡麻、玉米、牧草和豌豆6種作物發(fā)育期的平均溫度、平均最高、最低氣溫呈顯著的升高趨勢；生育期降水總量呈增加趨勢，但增加趨勢不顯著；平均風(fēng)速均呈減小趨勢，冬小麥和牧草減小趨勢最為顯著，其他作物顯著性不強。

不同作物全生育期的需水量不同，主要是與作物的生長周期有關(guān)。本文中牧草是多年生草本牧草，它的生育期為全年，故需水量最多；冬小麥平均生育期在8個月左右，故其生育期需水量居于第二；春小麥與胡麻之間生育期相當(dāng)，二者需水量也較為接近；豌豆的生育期最短，它的生育期總需水量也是最少的。

近55年來，并非所有作物的需水量都呈現(xiàn)增加趨勢，固原地區(qū)春小麥、玉米、牧草的需水量反而呈現(xiàn)減少的趨勢。因此，作物需水量的變化是多種氣象因子和作物本身特性綜合作用的結(jié)果，而不是與溫度呈簡單正相關(guān)關(guān)系。

因作物種類各異，不同的氣象要素對其需水量的影響也各不相同。固原地區(qū)麥類作物生育期需水量普遍與平均最低氣溫的關(guān)系更為密切；其他作物需水量相對而言則與平均最高氣溫相關(guān)性關(guān)系更為顯著；平均風(fēng)速與6種作物需水量均呈正相關(guān)，但對不同作物影響程度不同，對麥類作物和牧草的影響大于其他4種作物；生育期總降水量與6種作物需水量均成負(fù)相關(guān)，其中，玉米的需水量與總降水量成顯著的負(fù)相關(guān)。

當(dāng)然，本文僅分析了固原地區(qū)作物需水量與氣象要素之間的關(guān)系，至于作物需水量與產(chǎn)量，即水分利用效率與氣象要素之間的關(guān)系，還需要進一步的研究。

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The Water Requirements of Main Crops in Response to Climatic Changes in Recent Years in Guanyuan Region of Ningxia

GUO Xiao-lei1,2,ZHANG Xue-yi1,LIU Jing1,KANG Yan-li1
(1.Ningxia Bureau of Meteorology/Key Laboratory of Characteristic Agrometeorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management in Arid Regions,CMA/Ningxia Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Reduction,Yinchuan 750002,China;2.Ningxia Bureau of Meteorology,Yinchuan 750002,China)

In this study,we determined water requirements of six main crops(wheat,winter wheat,flax,maize,grass,and pea)planted in Guanyuan Region of Ningxia,which was based on conventional meteorological observation data between 1961 and 2015 from Guyuan Meteorological Station and the corresponding data of crop growth periods,with the Penman-Monteith formula and crop coefficient used.We also analyzed the variation trends of meteorological factors during crop growth periods,and also determined their relationship with crop water requirement.As a result,in the past 55 years,the temperature and total precipitation during crop growth periods both showed an increasing trend,while the average wind speed consistently decreased.In the same period of time,water requirements of spring wheat,maize,and grass in Guyuan region had a decreasing tendency;by contrast,winter wheat,flax,and pea had rising water requirements.Different meteorological factors affected water requirements of the six crops in dissimilar manners;the average wind speed was positively correlated with the water requirements of all six crops,while the total precipitation during the growth periods was negatively correlated with the water requirements of the six crops.

Meteorological factor;Crop water requirement;Climate change;Response

S161

A

1673-6486-20170393

郭曉雷,張學(xué)藝,劉靜,亢艷莉.寧夏固原地區(qū)主要作物需水量對近年氣候變化的響應(yīng)[J/OL].大麥與谷類科學(xué),2017,34(5):50-55[2017-10-16].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20171016.0933.005.html.

2017-08-10

中國氣象局氣候變化專項（CCSF201415）。

郭曉雷（1979—），男，應(yīng)用氣象工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣候資源等方面的研究。E-mail:25052248@qq.com。