北疆春小麥不同生育階段需水量變化的氣候響應(yīng)

祁嘉郁,巴特爾·巴克，卡力比爾·買買提

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

在20世紀(jì)80年代，施雅風(fēng)院士發(fā)現(xiàn)中國西北地區(qū)降雨有增多的趨勢，并推斷西北氣候可能正由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型[1]。此后的實(shí)際觀察結(jié)果印證了這一推斷，研究者也進(jìn)一步應(yīng)用全球氣候模式對這一變化趨勢在21世紀(jì)的發(fā)展進(jìn)行了分析[2]。區(qū)域氣候變化必然對許多自然系統(tǒng)產(chǎn)生影響，包括降水量的變化對區(qū)域內(nèi)作物需水量的效應(yīng)。水分是西北干旱半干旱地區(qū)作物生產(chǎn)的主要限制因素，降水是農(nóng)業(yè)用水的只要來源之一，因而研究降水與作物需水量的關(guān)系對指導(dǎo)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。作物需水量是灌溉決策與水資源規(guī)劃的基礎(chǔ)和依據(jù)[3]。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合作物系數(shù)，基于野外定向觀測和氣象數(shù)據(jù)等分析不同作物需水量、灌溉需水量的變化及成因?；谝巴獾喂嘤^測試驗(yàn)，陳秋帆等[4]研究了云南春作馬鈴薯的作物系數(shù)及需水量變化規(guī)律；基于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的參考作物蒸散量計(jì)算方法與作物系數(shù)，并結(jié)合逐日氣象數(shù)據(jù)，宋妮等[5]、符娜等[6]和吳燕鋒等[7]分別研究了河南省、西南地區(qū)和石河子地區(qū)作物不同生育期需水量變化特征及其氣候成因?；跉庀筚Y料與作物生育期資料分析，楊曉琳等[8]和黃志剛等[9]認(rèn)為，黃淮海農(nóng)作區(qū)冬小麥需水量以及松嫩平原玉米需水量均呈現(xiàn)下降趨勢。北疆地區(qū)是中國春小麥的主產(chǎn)區(qū)，但同時(shí)水資源不足也是影響春小麥生產(chǎn)的一大限制因素。灌溉對于北疆地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)的重要作用不言而喻。目前，相關(guān)研究大多集中在北疆的氣候資源變化特征上，對作物需水量的研究主要針對單一地區(qū)作物全生育階段水分的變化特征，對北疆春小麥不同生育時(shí)期需水規(guī)律研究較少。因此，本研究根據(jù)北疆地區(qū)26個(gè)主要?dú)庀笳军c(diǎn)56年的氣象資料，分析北疆地區(qū)春小麥各生育時(shí)期作物需水量與灌溉需水量的變化特征及其氣候成因，以期為該地區(qū)春小麥科學(xué)合理灌溉方案的制定提供理論參考。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)位于新疆維吾爾族自治區(qū)天山以北，是典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫-4～9 ℃，年降水量150～200 mm，全年無霜期140～185 d。小麥生產(chǎn)是新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的支柱性產(chǎn)業(yè)，目前全疆小麥面積有80多萬 hm2，其中春小麥占40%左右，而北疆地區(qū)又是春小麥的重要種植區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用資料是由國家氣象信息中心(http://cdc.nmic.cn/home.do)提供的北疆地區(qū)26個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2016年逐日氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對濕度等資料。表1顯示了26個(gè)氣象站點(diǎn)的分布情況。

1.3 研究方法

運(yùn)用趨勢分析法[10]和相關(guān)性分析[11]，探究北疆地區(qū)春小麥各生育階段作物需水量、灌溉需水量的年際變化特征及其氣候成因。本研究所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析均在Excel下進(jìn)行，并結(jié)合SPSS進(jìn)行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)差異的顯著性采用ANOVA進(jìn)行檢驗(yàn)。

表1 研究區(qū)域氣象站點(diǎn)位置Table 1 Location of the weather stations in the study area

1.3.1 參考作物蒸散量的計(jì)算

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有20余種參考作物蒸散量的估算模型[12]，大致可分為基于溫度的估算模型(FAO-24 Blaney-Criddle)、基于能量的估算模型(FAO-24 radiation)、基于蒸發(fā)皿的估算模型(FAO-56 Panevaporation等)以及基于結(jié)合型的估算模型(FAO-24Penman)。其中，PenmanMonteith公式[13]被FAO推薦為計(jì)算參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法，該公式經(jīng)美國灌溉與水文技術(shù)委員會(huì)(ASCE)測試比較，精度較高，因而在國內(nèi)外廣泛被應(yīng)用。

(1)

式中，△為飽和水汽壓曲線斜率 (kPa·℃-1)；γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)；U2為距地面2 m處的風(fēng)速(m·s-1)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量 (MJ·m-2·d-1)；T為日平均氣溫(℃)；ea為飽和水汽壓(kPa)；ed為實(shí)際水汽壓(kPa)。

1.3.2 作物系數(shù)的確定

FAO-56將大多數(shù)作物的生育期劃分為初始生長期、生長發(fā)育期、生長中期和生長末期。春小麥初始生長期指播種至拔節(jié)期，生長發(fā)育期指拔節(jié)至抽穗期，生長中期指抽穗到乳熟期，生長末期指乳熟到成熟期[14]。作物系數(shù)與作物生育階段相關(guān)，因地區(qū)海拔等因素而存在差異性，故本文將研究區(qū)域春小麥作物系數(shù)Kcmid根據(jù)FAO-56的推薦值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整公式如下：

Kcmid=Kcmid+[0.04(U2-2)-0.004(RHmin-45)](h/3)0.3

(2)

(3)

(4)

1.3.3 春小麥作物需水量的計(jì)算

本研究主要引用已有研究結(jié)果[14-15]劃分北疆春小麥生育時(shí)期并通過調(diào)整確定作物系數(shù)(表2)，春小麥作物需水量可根據(jù)參考作物蒸散量計(jì)算得到：

ETc=ET0×Kc

(5)

式中，ETc為作物需水量(mm)；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸散量(mm)。

表2 春小麥各生育時(shí)期的劃分與不同生育時(shí)期的作物系數(shù)Table 2 Division of spring wheat growth stages and crop coefficients at different growth stages

1.3.4 春小麥灌溉需水量的計(jì)算

春小麥各生育階段有效降水量即該階段實(shí)際補(bǔ)充到春小麥根層土壤中的凈降水量，代表總降水量的有效部分。本文利用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量計(jì)算方法[16]，即：

(6)

式中：Pe為日有效降水量(mm·d-1)；t為日總降水量(mm·d-1)。

灌溉需水量IR由作物需水量和有效降水量的差值來定義[17]，計(jì)算公式如下：

IR=ETc-Pe

(7)

式中，IR為作物灌溉需水量(mm)；Pe為作物生育期內(nèi)有效降雨量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 春小麥不同生育時(shí)期作物需水量變化特征

過去56年，北疆地區(qū)春小麥作物需水量在不同生育時(shí)期變化趨勢和變化率均有所不同(圖1)。從變化趨勢上來看，各生育時(shí)期總體均呈現(xiàn)下降趨勢，其中拔節(jié)-抽穗期作物需水量下降趨勢最顯著，變化率為-0.239 mm·a-1，1968年達(dá)到最高值(154.38 mm)，1988年出現(xiàn)最低值(114.48 mm)；其次是抽穗-乳熟期，作物需水量最低值出現(xiàn)在2015年(141.22 mm)，最高值出現(xiàn)在1974年(189.34 mm)；乳熟-成熟期作物需水量波動(dòng)較大，變化率為-0.186 mm·a-1，2016年達(dá)到最低值(76.19 mm)，1982年達(dá)到最高值(100.81 mm)；播種-拔節(jié)期作物需水量呈輕微的下降趨勢，氣候變化率為-0.005 mm·a-1，在1966年出現(xiàn)最低值(104.13 mm)，在1997年出現(xiàn)最高值(141.22 mm)。

2.2 春小麥不同生育時(shí)期灌溉需水量變化特征

生育期內(nèi)北疆地區(qū)春小麥的灌溉需水量均呈減少趨勢(圖2)，其中乳熟-成熟期灌溉需水量下降趨勢最顯著，變化率為-0.385 mm·a-1，1974年達(dá)到最高值(92.17 mm)，2016年出現(xiàn)最低值(24.95 mm)；其次是拔節(jié)-抽穗期，灌溉需水量最低值出現(xiàn)在1988年(76.14 mm)，最高值出現(xiàn)在1968年(147.56 mm)；播種-拔節(jié)期與抽穗-乳熟期灌溉需水量均呈輕微的下降趨勢，氣候變化率分別為-0.232與-0.231 mm·a-1，播種-拔節(jié)期在2002年出現(xiàn)最低值(62.76 mm)，在1997年出現(xiàn)最高值(135.56 mm)，抽穗-乳熟期在1987年出現(xiàn)最低值(106.39 mm)，在1974年出現(xiàn)最高值(180.31 mm)。

2.3 氣候成因分析

2.3.1 春小麥生育期氣候要素變化特征

從表3可以看出，56年來北疆地區(qū)春小麥乳熟-成熟期的平均相對濕度呈增大趨勢，而在其他生育時(shí)期均呈現(xiàn)減少趨勢，但未達(dá)到顯著水平；全生育期日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢，而在拔節(jié)-抽穗期呈略微增加趨勢，且日照時(shí)數(shù)變化在拔節(jié)-抽穗期和抽穗-乳熟期均達(dá)到了顯著水平；全生育期平均水汽壓呈增加趨勢，但均未達(dá)到顯著水平；春小麥全生育期平均風(fēng)速呈減少趨勢，且在乳熟-成熟期減少趨勢達(dá)到了顯著水平；全生育期平均氣溫呈明顯的增加趨勢，且在抽穗-乳熟期達(dá)到了顯著水平；全生育期內(nèi)降水量增勢較大，但均未達(dá)到顯著水平。綜合分析可以看出，北疆地區(qū)整體呈明顯的暖濕化趨勢，這是區(qū)域水熱資源隨全球變化而產(chǎn)生的效應(yīng)，但水熱資源存在年際和年內(nèi)分配不均等情況，導(dǎo)致各個(gè)生育時(shí)期水熱資源增勢彼此間仍有較大差異。

2.3.2 春小麥作物需水量與氣候要素的關(guān)系

為進(jìn)一步探究北疆地區(qū)春小麥不同生育時(shí)期作物需水量受氣候要素的影響，分別對各生育時(shí)期春小麥作物需水量與氣候要素進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(表4)表明，全生育時(shí)期春小麥作物需水量與各氣象因子之間存在極顯著的相關(guān)性。全生育期作物需水量與降水量、平均相對濕度和平均水汽壓均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫均呈極顯著正相關(guān)，其中與降水量和日照時(shí)數(shù)相關(guān)性較高。在不同生育時(shí)期，氣象因子與作物需水量相關(guān)性有所不同，平均相對濕度與作物需水量在各時(shí)期都呈極顯著負(fù)相關(guān)；作物需水量與日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)，其中乳熟-成熟期相關(guān)性未達(dá)顯著水平，其余時(shí)期相關(guān)性都均達(dá)到極顯著水平；平均水汽壓與作物需水量僅僅在播種-拔節(jié)期呈正相關(guān)，且在播種-乳熟期的相關(guān)性都未達(dá)顯著水平，在乳熟-成熟期呈顯著負(fù)相關(guān)；作物需水量與平均風(fēng)速在播種-拔節(jié)期呈不顯著正相關(guān)，其余時(shí)期都呈極顯著正相關(guān)；平均氣溫與作物需水量在乳熟-成熟期呈顯著正相關(guān)，在播種-乳熟期呈極顯著正相關(guān)；在各生育時(shí)期，作物需水量與降水量都呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 春小麥不同生育時(shí)期氣象因子變化趨勢Table 3 Trends of meteorological factors at different growth stages of spring wheat

2.3.3 春小麥灌溉需水量與氣候要素的關(guān)系

為進(jìn)一步探究北疆地區(qū)春小麥不同生育時(shí)期灌溉需水量受氣候要素的影響，分別對各生育時(shí)期春小麥灌溉需水量與氣候要素進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(表5)表明，春小麥灌溉需水量與降水量、平均相對濕度和平均水汽壓在全生育期均呈極顯著負(fù)相關(guān)，且與降水量相關(guān)性最強(qiáng)；與日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫在全生育期均呈正相關(guān)，其中與平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)。在各生育時(shí)期，平均相對濕度與灌溉需水量都呈極顯著負(fù)相關(guān)；灌溉需水量與日照時(shí)數(shù)都呈極顯著正相關(guān)；平均水汽壓與灌溉需水量在播種-拔節(jié)期呈顯著負(fù)相關(guān)，其余生育時(shí)期都呈極顯著負(fù)相關(guān)；灌溉需水量與平均風(fēng)速呈正相關(guān)，且在播種-拔節(jié)期未達(dá)到顯著水平，在拔節(jié)-乳熟期和乳熟-成熟期分別達(dá)到顯著和極顯著水平；平均氣溫與灌溉需水量乳熟-成熟期呈顯著正相關(guān)，其余生育時(shí)期都呈極顯著正相關(guān)；在各生育時(shí)期，灌溉需水量與降水量都呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表4 春小麥不同生育時(shí)期作物需水量與氣候要素的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between crop water demand of spring wheat at different growing stages and climatic factors

表5 春小麥不同生育時(shí)期作物灌溉需水量與氣候要素的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between crop irrigation amount of spring wheat at different growing stages and climatic factors

3 討 論

作物需水量的變化是各氣象因素綜合作用的結(jié)果，且各氣象因子的貢獻(xiàn)存在時(shí)間差異，判斷作物水分盈虧狀況并實(shí)施科學(xué)合理的灌溉措施，不僅需要對作物各生育時(shí)期水分需求進(jìn)行探究，還需及時(shí)跟蹤并分析不同生育時(shí)期作物灌溉需求狀況[18-19]。本研究分析了各生育時(shí)期春小麥作物需水量和灌溉需水量及其氣候成因。結(jié)果表明，北疆地區(qū)春小麥作物需水量和灌溉需水量在抽穗-乳熟期最大，且該地區(qū)春小麥旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)仍然較高，這與前人的研究結(jié)論基本一致[20]。不同生育時(shí)期灌溉需水量表明，該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展對灌溉有著很強(qiáng)的依賴性。

氣候變化下，過去56年北疆地區(qū)春小麥作物需水量總體呈減少趨勢，拔節(jié)-抽穗期減勢最為明顯。伴隨著作物需水量的減少、降水量的增加，灌溉需水量也呈減少趨勢，其中乳熟-成熟期減勢最明顯。過去56年北疆地區(qū)春小麥生育期降水量的增勢達(dá)到5.68 mm·10 a-1(表2)，且在播種-拔節(jié)期增勢最明顯，為2.27 mm·10 a-1，而抽穗-乳熟期增勢最弱為0.041 mm·10 a-1，因此提高春小麥抽穗-乳熟期灌溉量顯得尤為重要。降水量的增加對于該地區(qū)灌溉需水量的減少有很大貢獻(xiàn)，而灌溉需水量是基于作物需水量和降水量計(jì)算所得，這進(jìn)一步表明降水量對于北疆地區(qū)春小麥的水分盈虧有著重要的影響。

各氣象因子對作物需水量與灌溉需水量的影響極其復(fù)雜。本研究表明，日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫與春小麥作物需水量呈顯著正相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果有較好的一致性[21-22]。從過去56年氣候變化事實(shí)來看，雖然降水量有所增加，但是考慮到社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展走向、溫室氣體的排放狀況以及氣候情景的預(yù)估模擬等方面的情況，未來該地區(qū)氣候變化趨勢仍然存在很大的不確定性，灌溉依舊是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要依賴，因此在明確作物各生育期需水量變化的前提下，可采取針對性措施，如在春小麥關(guān)鍵期保證其灌溉用水，合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、種植面積，采用節(jié)水灌溉措施等，來有效應(yīng)對氣候變化造成的負(fù)面影響。

春小麥生育期需水量除了受到氣候變化的影響，還會(huì)受到人為因素、社會(huì)因素以及經(jīng)濟(jì)因素的影響，尤其是春小麥品種的更新、肥料的改進(jìn)以及管理水平的提高等，由于這些因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)定量化分析，本研究在分析北疆地區(qū)春小麥需水量變化時(shí)重點(diǎn)考慮了氣候因素的影響，關(guān)于如何優(yōu)化其他因素，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，還需進(jìn)一步 探究。

4 結(jié) 論

(1)過去56年，北疆地區(qū)春小麥作物需水量在抽穗-乳熟期最大；總體呈減少趨勢，其中拔節(jié)-抽穗期減勢最明顯；灌溉需水量同樣在抽穗-乳熟期最大；總體也呈減少趨勢，其中乳熟-成熟期減勢最明顯。

(2)在春小麥不同生育時(shí)期，各氣象因子與作物需水量和灌溉需水量相關(guān)性顯著。其中降水量對作物需水量與灌溉需水量影響最大，且呈極顯著負(fù)相關(guān)；日照時(shí)數(shù)與平均相對濕度影響次之。