北疆地區(qū)棉花生育期需水量變化特征及成因分析

卡力比爾·買買提，巴特爾·巴克，祁嘉郁

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830052）

作物需水量是在正常生育狀態(tài)和適當(dāng)?shù)乃?、肥前提下，作物全生育期中田地消耗于自身蒸散的水分總和[1]，它是灌溉工程和水資源規(guī)劃的基本依據(jù)[2]。不同農(nóng)作物的需水量隨生育期而變化，氣溫、降雨等氣象因子對(duì)作物需水量有顯著的影響。為此，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同地區(qū)的農(nóng)作物需水量和灌溉需水量做了一些研究。王小靜[3]等以西北地區(qū)的氣象資料為基礎(chǔ)，結(jié)合該地區(qū)農(nóng)作物整個(gè)生育期資料，探討了各生育期需水量和灌溉需水量的時(shí)空變異，并分析了產(chǎn)生差異的原因。武永利[4]等基于Penman-Monteith 公式，研究了山西省冬小麥生育期需水變化特征。周迎平[5]等對(duì)河南省幾種農(nóng)作物的需水變化規(guī)律進(jìn)行了分析。吳燕鋒[6]等對(duì)石河子地區(qū)59 a 來(lái)冬小麥需水量和灌溉需水量進(jìn)行了研究，并探討了氣候變化對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響。陳超[7]等根據(jù)我國(guó)51 a 來(lái)的地面氣象資料和棉花生育期資料，計(jì)算了調(diào)查地區(qū)棉花全生育期中的需水量，并探討了水分虧缺變化規(guī)律。聶堂哲[8]等基于單作物系數(shù)法和GIS的空間分析功能，研究了黑龍江省玉米需水量的時(shí)空分布特征。楊曉琳[9]、宋妮[10]等研究了冬小麥需水量時(shí)空變化特征及氣候影響因素。曹紅霞[11]等對(duì)關(guān)中地區(qū)冬小麥和夏玉米各生育期需水量的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。吳灝[12]等建立CROPWAT模型研究水稻每個(gè)生育期中需水量和灌溉需水量變化規(guī)律及氣象因子的影響效應(yīng)。

灌溉需水量一般是指除了有效降雨量之外能滿足植物正常生長(zhǎng)被吸收的水量[13]。灌溉在新疆北疆地區(qū)占有十分重要的作用。目前，由于氣候因素的分析和研究領(lǐng)域的不同，對(duì)氣候變化下作物需水量的研究存在很大差異以及干旱區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列作物需水量變化規(guī)律探討不足，尤其是對(duì)北疆地區(qū)棉花不同生育期灌溉需水量研究較少[14，15]。因此，本文基于北疆地區(qū)56 a 的氣象資料，探討北疆地區(qū)棉花不同生育期需水量和灌溉需水量的變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)，并為確定氣候變化情況下的棉花需水量和灌溉需水量奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

北疆地區(qū)位于新疆維吾爾族自治區(qū)北部，新疆的地理特征是“三山夾兩盆”，新疆最北部為阿爾泰山，中部為天山，最南部為昆侖山系。阿爾泰山和天山之間為準(zhǔn)噶爾盆地。北疆屬溫帶干旱半干旱區(qū)，全年降雨量150～200 mm 以上；無(wú)霜期140～185 d。四季分明是北疆的一大特點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

利用中國(guó)氣象局國(guó)家信息中心提供的北疆地區(qū)26 個(gè)氣象站點(diǎn)（見圖1）56 a 的棉花生育期逐日氣象數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、平均水汽壓、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、降雨量、日照時(shí)數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3 研究方法

1.3.1 棉花需水量

參考FAO 推薦的Penman-Monteith 公式[16]計(jì)算棉花需水量(ETc)的公式為：

式中：ETc為作物需水量，mm；Kc為作物系數(shù)，作物系數(shù)因作物生育期而異，是計(jì)算棉花需水量中的重要參數(shù)；ET0為參考作物蒸散量，mm。

北疆地區(qū)棉花屬于干旱氣候類型區(qū)，本文利用已有的研究成果[17]對(duì)北疆棉花生育期進(jìn)行了劃分，并給出了各生育期的作物系數(shù)(見表1)。

表1 棉花各生育期劃分及不同生育期的作物系數(shù)Tab.1 Division of cotton growth period and crop coefficient of different growth period

1.3.2 棉花灌溉需水量

灌溉需水量IR由作物需水量和有效降雨量的差值來(lái)定義，計(jì)算公式如下[18]：

式中：IR為作物灌溉需水量，mm；Pe為有效降雨量，mm。

采用Excel、SPSS 計(jì)算并分析1961-2016年作物需水量、灌溉需水量與氣象因子變化趨勢(shì)的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花不同生育期作物需水量的變化特征

圖2顯示，過(guò)去56 a來(lái)北疆棉花各生育期需水量的變化規(guī)律各不相同。從變化趨勢(shì)來(lái)看，棉花全生育期下降趨勢(shì)最明顯，氣候傾向率是-0.935 mm/a，1961-1974年為上升趨勢(shì)，之后呈下降趨勢(shì)，2016年出現(xiàn)最低值為428.9 mm，1974年達(dá)到最高值為549.1 mm；其次是花鈴期氣候傾向率為-0.635 mm/a，1968 達(dá)到最高值為342.85 mm，2016年出現(xiàn)最低值為260.61 mm；現(xiàn)蕾期和苗期氣候傾向率依次為-0.167、-0.122 mm/a，1974年達(dá)到最高值分別為95.26、86.7 mm，最低值出現(xiàn)在2016年依次為71.62、67.08 mm；吐絮期氣候傾向率為-0.065 mm/a；1977年達(dá)到最高值為35.51 mm，1992年出現(xiàn)最低值為27.72 mm； 從每個(gè)生育期的平均需水量來(lái)看，花鈴期的均值最大，達(dá)到305.02 mm，其次是現(xiàn)蕾期、苗期、吐絮期均值依次為84.52、76.52、32.02 mm。

2.2 棉花不同生育期灌溉需水量變化特征

圖3所示，棉花每個(gè)生育期的灌溉需水量總體上呈減少趨勢(shì)，全生育期下降趨勢(shì)最為明顯，氣候傾向率為-1.137 mm/a；其次是花鈴期、苗期和現(xiàn)蕾期，氣候傾向率依次為-0.643、-0.223、-0.191 mm/a。1968年花鈴期達(dá)到最高值336.66 mm，苗期和現(xiàn)蕾期1974年達(dá)到最高值分別為71.89、88.52 mm。2016年花鈴期出現(xiàn)最低值212.03 mm，1988年苗期出現(xiàn)最低值31.79 mm，2016年現(xiàn)蕾期出最低值為46.73 mm。吐絮期下降趨勢(shì)不顯著，氣候傾向率為-0.078 9 mm/a，1978年達(dá)到最高值24.44 mm，2015年出現(xiàn)最低值0.94 mm。過(guò)去56 a，棉花4個(gè)生育期中，花鈴期灌溉需水量最高，均值達(dá)到289.95 mm，其次，現(xiàn)蕾期＞苗期＞吐絮期，均值依次為68.52、50.96、13.34 mm。

2.3 成因分析

2.3.1 棉花生育期氣象因子的變化

通過(guò)北疆棉花不同生育期氣象因子的變化規(guī)律（見表2），可以看出，棉花全生育期平均水汽壓、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度均呈減少趨勢(shì)，平均氣溫和降雨量均呈上升趨勢(shì)；生育期中苗期和吐絮期平均相對(duì)濕度均呈下降趨勢(shì)。

棉花各生育期的日照時(shí)數(shù)也呈減少趨勢(shì)，尤其是現(xiàn)蕾期減少趨勢(shì)尤為顯著，平均風(fēng)速在棉花全生育期及各個(gè)生育期均呈減少趨勢(shì)，花鈴期減少趨勢(shì)最為明顯。棉花整個(gè)生育期的平均氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，特別是吐絮期最顯著。全生育期內(nèi)降雨量除吐絮期外都呈上升趨勢(shì)，其中，花鈴期和全生育期增長(zhǎng)趨勢(shì)最顯著，達(dá)到0.147、0.567 mm/a。以上研究表明，北疆氣候變化趨勢(shì)與全疆基本一致，但由于降雨量和熱量分布的差異，棉花生育期降雨量和熱量的變化率也不同。

2.3.2 作物需水量與氣象因子的關(guān)系

表2 棉花各個(gè)生育期氣象因子的變化趨勢(shì)Tab.2 Variation trend of meteorological factors in different growth stages of cotton

為研究北疆棉花每個(gè)生育期對(duì)作物需水量的響應(yīng)，分析了棉花需水量和氣象因子的關(guān)系，結(jié)果見表3。整個(gè)生育期的棉花需水量與日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速正相關(guān)而且相關(guān)性達(dá)到極顯著水平；與平均相對(duì)濕度、平均水汽壓、平均氣溫和降雨量都呈負(fù)相關(guān)，其中，與平均相對(duì)濕度、降雨量的相關(guān)性最顯著。平均相對(duì)濕度與棉花每個(gè)生育期作物需水量呈顯著負(fù)相關(guān)，且都呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)性。日照時(shí)數(shù)與棉花需水量呈正相關(guān)，而且在棉花各個(gè)生育期都達(dá)到極顯著水平。平均水汽壓在棉花各生育期內(nèi)除了花鈴期，其余生育期與棉花作物需水量均呈正相關(guān)，且在現(xiàn)蕾期達(dá)到顯著水平。在棉花整個(gè)生育期內(nèi)，棉花全生育期平均氣溫與作物需水量呈負(fù)相關(guān)，在其他生育期均呈正相關(guān)，且在苗期達(dá)到極顯著水平。降雨量與棉花作物需水量的關(guān)系在每個(gè)生育期均呈負(fù)相關(guān)，且各個(gè)生育期都均呈現(xiàn)極顯著水平。每個(gè)生育期平均風(fēng)速與作物需水量都呈正相關(guān)，并且在各個(gè)生育期都達(dá)到了極顯著水平。

2.3.3 灌溉需水量與氣象因子的關(guān)系

為探究北疆棉花全生育期灌溉需水量對(duì)氣象因子的影響，對(duì)棉花整個(gè)生育期灌溉需水量和氣象因子做了相關(guān)分析，結(jié)果顯示在表4。整個(gè)生育期，平均相對(duì)濕度、平均水汽壓和降雨量與棉花灌溉需水量呈顯著的負(fù)相關(guān)，與日照時(shí)數(shù)、平均氣溫和平均風(fēng)速呈正相關(guān)。在每個(gè)生育期中，平均相對(duì)濕度與棉花每個(gè)生育期灌溉需水量均呈極顯著負(fù)相關(guān)。日照時(shí)數(shù)與棉花每個(gè)生育期灌溉需水量呈正相關(guān)，其中，除了花鈴期，其余生育期都達(dá)到了極顯著水平。平均水汽壓在棉花苗期、現(xiàn)蕾期、吐絮期與灌溉需水量均呈負(fù)相關(guān)，但花鈴期、全生育期呈正相關(guān)。平均風(fēng)速在棉花全生育期與灌溉需水量均為正相關(guān)，且除了吐絮期，剩下生育期都達(dá)到了極顯著水平。平均氣溫與棉花每個(gè)生育期灌溉需水量均呈正相關(guān)，且在苗期達(dá)到極顯著水平，吐絮期達(dá)到顯著水平。降雨量與棉花每個(gè)生育期灌溉需水量均呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 棉花不同生育期作物需水量與氣象因子的關(guān)系Tab.3 Relationship between crop water requirement and meteorological factors at different growth stages of cotton

表4 棉花不同生育期灌溉需水量與氣象因子的關(guān)系Tab.4 Relationship between irrigation water requirement and climatic factors in different growth stages of cotton

3 結(jié) 論

本文探究了棉花各個(gè)生育期灌溉需水量、作物需水量的變化情況及其與氣象因子之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)棉花每個(gè)生育期作物需水量和氣象因子的分析，可看出棉花花鈴期作物需水量和灌溉需水量最高，這與前人的研究成果幾乎一致[19]。北疆地區(qū)旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較嚴(yán)重[20]，為此，在棉花整個(gè)生育期特別是花鈴期合理的灌溉及科學(xué)的管理水資源，對(duì)提高棉花產(chǎn)量具有很大的意義。通過(guò)分析北疆地區(qū)氣象因子的變化規(guī)律，得出日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，這與薛亞榮[21]等的研究成果幾乎一致；降雨量和平均氣溫總體呈增加趨勢(shì)，這與王梅的研究成果一致[22]。研究得出：

(1)過(guò)去56 a來(lái)北疆棉花作物需水量整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，花鈴期最為顯著，氣候傾向率為-0.635 mm/a，均值為305.02 mm。灌溉需水量整體上也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中花鈴期灌溉需水量最高、下降趨勢(shì)最顯著，均值為289.95 mm，氣候傾向率為-0.643 mm/a。

(2)氣候因子對(duì)棉花不同生育期作物需水量和灌溉需水量的影響重大。各氣象因子在棉花不同生育期對(duì)灌溉需水量的影響有所不同，其中降雨量對(duì)灌溉需水量的影響最明顯，其次是相對(duì)濕度和水汽壓。