年來豫西冬小麥需水量變化特征及成因分析

甄小麗　袁鴻猷　劉艷偉

摘要：為了探清豫西地區(qū)（三門峽、盧氏、欒川、西峽、洛陽、孟津）近56年（1958—2013年）小麥需水量和凈灌溉需水量的變化和成因，采用單作物系數(shù)法計(jì)算小麥需水量和凈灌溉需水量，利用時(shí)間序列分析法、采用Mann-Kendall法分析小麥需水量變化趨勢，采用通徑分析法分析影響小麥需水量的主要?dú)庀笠蜃?。結(jié)果表明，豫西地區(qū)多年平均年參考作物蒸發(fā)蒸騰量為80766 mm，平均日蒸發(fā)蒸騰量為221 mmd，傾向率為-0745 mm年，呈波動(dòng)減少趨勢，1979年以后下降趨勢明顯。豫西地區(qū)小麥的平均需水量、凈灌溉需水量分別為484、442 mm，孟津小麥的需水量和凈灌溉需水量均為最多，該地區(qū)小麥需要消耗更多的灌溉水。豫西地區(qū)小麥需水量持續(xù)下降在一定程度上減少了灌溉水利用量，影響豫西地區(qū)小麥需水量的主要?dú)庀笠蜃邮菤鉁亍?/p>

關(guān)鍵詞：小麥；需水量；氣候變化；Mann-Kendall法；通徑分析

中圖分類號(hào)： S2744文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）21-0060-03

收稿日期：2017-04-11

基金項(xiàng)目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（編號(hào)：KKSY201223076）；昆明理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃。

作者簡介：甄小麗（1981—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，講師，主要從事巖土工程和農(nóng)業(yè)水土工程研究。E-mail：zhenxiaoli2005@163com。

通信作者：劉艷偉，博士，副教授，主要從事氣候變化及生態(tài)水文學(xué)研究。E-mail：liu-xiaocao@sohucom。

全球氣候變暖已是不爭的事實(shí)1]，氣候變化勢必對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生一定影響2]。農(nóng)業(yè)一直以來是用水大戶3]，Kahsay等預(yù)計(jì)到2030年發(fā)展中國家灌溉用水將增長14%4]。目前，國內(nèi)外對(duì)氣候變化條件下作物需水量和灌溉需水量的變化趨勢及其影響因子方面開展了研究：Nkomozepi等對(duì)氣候變化條件下玉米需水量進(jìn)行分析預(yù)測5]；符娜等研究了西南地區(qū)水稻需水量變異特征6-7]；李闖等利用多年氣象資料分析計(jì)算了烤煙和小麥灌溉需水變化規(guī)律8]；王衛(wèi)光等模擬了氣候變化對(duì)2種灌溉模式下水稻需水量的影響9]；劉曉英等分析了近50年來華北地區(qū)主要作物的需水量的變化趨勢及其成因10]；劉鈺等對(duì)中國30年4種主要作物需水量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析11]。

豫西地區(qū)位于我國最主要的糧食生產(chǎn)區(qū)——河南，小麥?zhǔn)钱?dāng)?shù)刂饕募Z食作物之一，近年來，小麥單產(chǎn)穩(wěn)步上升12]。由于河南是嚴(yán)重缺水的地區(qū)之一1]，小麥生長又受到降雨時(shí)空分布不均勻的影響，對(duì)氣候變化條件下小麥需水量變化規(guī)律分析顯得尤為重要。本研究根據(jù)豫西地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)1958—2013年的日氣象資料，研究豫西地區(qū)小麥需水量的變化趨勢，并采用通徑分析研究小麥需水量的變化成因，旨在研究豫西地區(qū)小麥蒸發(fā)蒸騰量的變化特征及其成因，并為豫西地區(qū)水資源優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

BT1#]STHZ]1材料與方法

11資料來源

豫西地區(qū)地處溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，是河南省小麥主產(chǎn)區(qū)13]。本研究選取豫西地區(qū)6個(gè)代表站點(diǎn)（三門峽、盧氏、欒川、西峽、洛陽、孟津），采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上1958—2013年逐日地面氣象資料，包括降水量、氣溫、水汽壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

12研究方法

121作物需水量

采用單作物系數(shù)法計(jì)算小麥需水量，計(jì)算公式如下：

JZ（]ETc=Kc ET0。JZ）]JY]（1）

JP2]式中：ETc為作物需水量（mmd）；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量（mmd），采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算；Kc為作物系數(shù)，采用宋妮等研究成果，冬小麥在播種至返青、返青至抽穗、抽穗至成熟的作物系數(shù)Kci分別為070、115、04014]。

122凈灌溉需水量

某種作物的凈灌溉需水量等于生育期內(nèi)需水量與有效降水量之差，是農(nóng)業(yè)灌溉用水和制定合理灌溉制度的依據(jù)15]。公式如下：

JZ（]IR=ETc-Pe。JZ）]JY]（2）

式中：IR為作物日凈灌溉需水量（mmd）；Pe為日有效降水量（mmd），采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦方法計(jì)算16]。

123時(shí)間序列法

以氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率17-18]為指標(biāo)，分析ET0和小麥生育期需水量的年際變化。

124Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法

ET0和小麥需水量的變化采用Mann-Kendall法判斷年際突變點(diǎn)，用MATLAB 70實(shí)現(xiàn)。

125通徑分析

通徑分析（path analysis）的實(shí)質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)化的多元線性回歸分析19]，采用通徑分析來量化研究各氣象因子對(duì)作物需水量的影響程度。

2結(jié)果與分析

21ET0的時(shí)間變化特征

豫西地區(qū)ET0的年際變化趨勢及M-K檢驗(yàn)見圖1、圖2。豫西地區(qū)多年平均年ET0為80766 mm，平均日ET0為 221 mmd。56年來豫西ET0呈波動(dòng)減少趨勢，傾向率為 -0745 mm年。1964、1984、1989、1990、2003年ET0出現(xiàn)明顯低值，最小值65907 mm出現(xiàn)在1989年，峰值92264 mm出現(xiàn)在1959年。自1958年以來ET0呈波動(dòng)下降趨勢，1966年之后ET0呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，1979年之后下降趨勢明顯。

FK（W11]TPZXL1tif]

22小麥需水量年際變化趨勢

豫西地區(qū)小麥生育期需水量ETc和凈灌溉需水量IR的均值及其年際變化趨勢表1。結(jié)果表明，三門峽、盧氏小麥ETc和IR隨年份呈下降趨勢，而西峽、孟津小麥ETc和IR呈上CM（25]升趨勢；孟津小麥生育期ETc及IR的傾向率分別為endprint

FK（W11]TPZXL2tif]

130 mm年 和137 mm年，上升速率最高，ETc和IR均為最大，表明該地區(qū)小麥生長需要更多的灌溉水。通過豫西地區(qū)平均ETc的M-K檢驗(yàn)曲線（圖3）可以看出，豫西地區(qū)小麥需水量在1966年以后呈下降趨勢，1984年之后下降趨勢明顯。

23氣象因子對(duì)小麥需水量的通徑分析

求解和分析9個(gè)氣象因子，包括氣壓、風(fēng)速、氣溫、水汽壓、濕度、日照時(shí)數(shù)、最低氣溫、最高氣溫對(duì)小麥需水量的直接作用（通徑系數(shù)）和間接作用，分析結(jié)果見表2。

由氣象因子對(duì)豫西地區(qū)小麥需水量的通徑分析可知，氣溫對(duì)豫西地區(qū)小麥作物的通徑系數(shù)最大，為117，其次為日照時(shí)數(shù)和濕度分別為-055和-030。在間接的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)水汽壓是影響小麥需水量最大的氣象因子，而影響最小的為日照時(shí)數(shù)。

3討論與結(jié)論

本結(jié)論基于6個(gè)氣象站點(diǎn)56年的逐日氣象資料，分析了河南省豫西地區(qū)ET0及小麥生育期需水量的變化特征。利用時(shí)間序列法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法分析ET0及小麥生育期需水量的變化趨勢， 考慮到需水量受各氣象因子共同影響，利用通徑分析方法，研究各氣象因子對(duì)小麥需水量影響的直接和間接效應(yīng)，比較全面地反映了各個(gè)氣象因子對(duì)小麥需水量的綜合作用效應(yīng)。

本研究發(fā)現(xiàn)豫西地區(qū)近56年平均ET0呈波動(dòng)減少趨勢。南紀(jì)琴等利用1981—2010年河南省17個(gè)氣象站的資料，分析認(rèn)為多年平均ET0呈降低趨勢20]；宋妮等利用河南省17個(gè)氣象站52年氣象資料得出，冬小麥平均需水量盧氏站最低，孟津站最高14]；劉小剛等認(rèn)為，河南省氣溫對(duì)冬小麥需水量的影響最大21]。本研究認(rèn)為，影響豫西地區(qū)小麥需水量的氣象因素影響由大到小依次為氣溫、日照時(shí)數(shù)、濕度、最高氣溫和風(fēng)速。劉曉英等研究認(rèn)為，華北地區(qū)冬小麥、夏玉米的需水量隨年際變化而升高，作物需水量與環(huán)境因子密切相關(guān)10]?？梢?，作物需水規(guī)律受多種氣象因素綜合作用影響，且各因子的貢獻(xiàn)存在區(qū)域差異22]。

1958—2013年豫西地區(qū)多年平均ET0在663～928 mm之間，平均ET0為80766 mm，呈波動(dòng)減少趨勢，傾向率為 -0745 mm年。豫西地區(qū)ET0自1958年以來呈波動(dòng)下降趨勢，1979年之后呈明顯下降趨勢。

豫西地區(qū)小麥生育期需水量、凈灌溉需水量分別在 3907～5617、3517～ 5244 mm，孟津小麥生育期需水量、凈灌溉需水量的傾向率分別為130、137 mm年，上升速率最高，表明該地區(qū)小麥生長需要更多的水分，而豫西其他地方的小麥需水量則呈現(xiàn)出下降趨勢。豫西地區(qū)小麥需水量在1966年后呈現(xiàn)下降趨勢，1984年后下降趨勢明顯。

氣象因子是導(dǎo)致豫西小麥需水量下降的主要原因，影響該地區(qū)小麥需水量的氣象因子主要是氣溫、日照時(shí)數(shù)、濕度、最高氣溫和風(fēng)速。在全球氣候變暖的情況下，小麥需水量呈現(xiàn)出下降趨勢，可以有效減少水資源的利用量。

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