近50年新疆小麥需水量時空特征及氣候影響因素分析

軒俊偉, 鄭江華, 劉志輝,3

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學干旱與半干旱生態研究所, 烏魯木齊 830046)

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近50年新疆小麥需水量時空特征及氣候影響因素分析

軒俊偉1,2, 鄭江華1,2, 劉志輝1,2,3

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆大學干旱與半干旱生態研究所, 烏魯木齊 830046)

基于新疆地區54個國家基本氣象站1963—2012年的逐日氣象資料，利用FAO Penman-Monteith公式和作物系數法，得到近50 a來新疆小麥全育期和各生長階段需水量，并利用線性趨勢估計、MK檢驗、空間插值法分析了小麥全育期及各生長階段需水量的年際變化趨勢、空間分布特征及氣象影響因素。結果表明：近50 a新疆小麥全育期平均需水量空間分布總體呈現南疆大于北疆、東部大于西部、由西北向東南增大的格局，生長初期和發育期需水量空間分布表現為南多北少，而生長中期和生長末期則為東多西少。小麥全育期年需水量平均以7.8 mm/10 a的速率呈極顯著的下降趨勢，并于1978年開始發生突變。小麥全育期內風速降低、日照時數減少是導致小麥全育期需水量下降的主要原因。

小麥; 作物需水量; 空間分布;Penman-Monteith公式; 趨勢分析; 新疆

IPCC第五次評估報告指出，全球氣候變暖的事實是毋庸置疑的[1]。聯合國政府間氣候變化專門委員會和聯合國糧食及農業組織都將農業列為最易遭受氣候變化影響、最脆弱的產業之一[2]。因此，開展氣候變化背景下農作物需水量的時空變化特征研究，對于農業生產和水資源可持續利用具有重要的科學意義[3]。

目前，眾多學者對不同地域、不同農作物的需水量時空變化進行了研究。楊琪等[4]基于河東地區50 a氣象資料，計算了冬、春小麥全生育期的需水量和缺水量，并分析其變化趨勢及氣象影響因子。孫爽等[5]研究了1961—2010年中國冬小麥全生育期及不同生育階段的需水量，發現小麥需水量呈下降趨勢，并呈現明顯的空間分布特征。劉宏誼等[6]計算分析了近40 a甘肅省主要農作物需水量及其時空變化規律。劉玉春等[7]在研究棉花需水量的基礎上，利用水文學方法分析了不同水文年份棉花的灌溉需水量和灌溉需求指數。尹海霞等[8]基于1967—2009年的逐日氣象資料，利用FAO推薦的彭曼公式計算分析了黑河流域中游春小麥、玉米需水量及其變化趨勢。

可以看到在農作物需水量時空變化方面，均是利用FAO推薦的Penman-Monteith公式和作物系數法來計算農作物需水，研究區也涉及我國大部分地區，但對于地處西北干旱區的新疆地區，相關研究較少。新疆是我國西部地區最為干旱的內陸農業灌區，農業用水比重大、用水效益低是新疆農業用水的主要問題之一[9]。而小麥是新疆最主要的糧食作物之一，2012年新疆小麥播種面積達1.08×106hm2，占糧食播種總面積的51.4%。對于水資源較為匱乏的新疆地區，在全球氣候變暖背景下，探索小麥需水量的時空變化規律對保證本地區糧食生產安全以及社會經濟穩定發展都具有重要意義。基于此，本文利用新疆地區54個國家基本氣象站逐日氣象數據，基于Penman-Monteith公式和作物系數法，計算了新疆地區春、冬小麥近50 a需水量并進一步分析其時空變化規律，以期為新疆農業的可持續發展及水資源的管理提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

新疆維吾爾自治區位于亞歐大陸中部，地處中國西北邊陲，中部橫亙著蜿蜒千里的天山將新疆分作天山北部(北疆)、天山南部(南疆)兩大區域。新疆是灌溉農業區，小麥是最主要的糧食農作物，2012年小麥的播種面積占全區總播種面積的21.05%[10]。其中冬小麥播種面積占60%左右，春小麥占40%左右。南北疆均有春、冬小麥種植，但北疆以種春小麥為主，南疆以種植冬小麥為主，其中天山南北兩側從丘陵到山前平原的多數區域為冬春麥混種區[11]。

1.2數據來源

新疆地區54個氣象站1963—2012年的地面逐日氣象數據，來源于中國氣象科學數據共享服務網，所使用的氣象要素包括逐日最低氣溫、最高氣溫、平均本站氣壓、平均水汽壓、平均風速、日照時間、降水量等。小麥生育期的資料來源于中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集及相關文獻[12]，作物系數采用FAO的推薦值并進行修正。

1.3研究方法

1.3.1作物需水量作物需水量是在理想的生長條件下,作物從種植到收獲所需的蒸散量，一般利用參考作物騰發蒸騰量和作物系數法進行計算，計算公式如下：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中：ETc——某一時期作物的需水量(mm)；Kc——對應時期的作物系數；ET0——相應時期的參考作物蒸散量(mm)。

參考作物騰發蒸騰量，是一種假想的參考作物冠層騰發速率。這種參考作物被假定設為高度12 cm、表面阻力70 s/m、反射率0.23，類似于表面開闊、高度一致、生長旺盛、充分供水、完全遮蓋地面的綠色草地[13]。ET0的大小只與氣象因素有關，一般采用FAO 推薦的修正Penman-Monteith公式進行計算，公式如下：

(2)

式中：Rn——地面凈輻射蒸發當量[MJ/(m2·d)]；G——土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；r——溫度計常數(kPa/℃)；T——平均氣溫(℃)；V2——2 m高的風速(m/s)；pa——飽和水汽壓(kPa)；pb——實際水汽壓(kPa)；Δ——溫度—飽和水氣壓曲線的斜率(kPa/℃)。

作物系數，反映實際作物和參考作物之間需水量的差異，是作物某生長發育階段需水量ETc與該階段參考作物蒸散量(ET0)的比值。FAO-56將作物全育期劃分為四個階段，生長初期、發育期、生長中期和生長末期，并給出了84種作物各階段相應的作物系數。其中，初始生長期是由播種至覆蓋率接近10%(播種—返青期/出苗，由于春小麥無返青期，因此春小麥初始生長期為播種至出苗)；生長發育期是從覆蓋率10%到完全覆蓋(返青—拔節期/出苗)；生長中期從完全覆蓋到成熟期開始(拔節—開花期)；生長末期從成熟到收獲[14](開花—成熟期)。本文在計算作物需水量時，結合研究區氣候對FAO-56推薦的作物系數值進行修正。

1.3.2需水量趨勢變化及突變分析利用線性傾向估計和Mann-Kendall法對1963—2012年新疆地區小麥需水量變化趨勢進行分析。線性傾向估計[15]是用一條合理的直線表示兩變量之間的相關關系，并建立變量Y與時間t之間的一元線性回歸方程。如下：

Y=a+bt

(3)

式中：a——回歸常數；b——傾向率。判斷變化趨勢的程度是否顯著，需要計算相關系數r并對其進行顯著性檢驗，選定顯著性水平值a，若|r|>ra,說明Y隨時間t的變化趨勢是顯著的，否則不顯著。

MK趨勢檢驗法是一種非參數統計檢驗方法，能很好揭示時間序列的趨勢變化，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾[16]，現已廣泛應用于水文氣象等資料的趨勢變化檢驗。通過計算UF和UB兩個統計量，可以分析得到變化趨勢、突變時間區域及突變開始時間。

1.3.3需水量空間分布利用ArcGIS插值工具中反權距離插值法[17]對各氣象站計算得到的小麥需水量及傾向率進行空間插值，產生空間柵格數據，并利用自然斷裂法對柵格數據進行分類，獲得全疆近50 a平均小麥需水量及傾向率空間分布圖。

2　結果與分析

2.1小麥全育期、各生長階段需水量及空間分布

2.1.1小麥全育期需水量及空間分布1963—2012年，新疆54個氣象站小麥全育期年平均需水量為525 mm，各站變化范圍為287～782 mm，差異明顯。新疆小麥全育期平均需水量空間分布如圖1，阿勒泰、塔城北部及伊犁地區需水量最小為286～470 mm，天山北麓至準噶爾盆地腹地的博州、塔城南部、昌吉和天山南麓的阿克蘇北部、巴州西北部需水量為470～540 mm，喀什、巴州中部、吐魯番東南部及哈密東北部需水量為540～600 mm，新疆西南部從于田到哈密的帶狀區域為需水量高值區，需水量范圍600～780 mm。可以看出其空間分布整體呈現西北向東南遞增、北疆大于南疆、東部大于西部的趨勢。

圖1　近50年新疆小麥全生育期年平均需水量

小麥需水量主要由氣候因素和小麥類型決定，氣溫越高、風速越大、日照時間越長的地區需水量越大，春小麥由于生長周期較冬小麥短，其需水量低于冬小麥。新疆北部氣候較南部溫和且以種植春小麥為主，所以北疆小麥需水量小于南疆，東疆雖然也種植春小麥，但東部地區氣候干燥、日照時間、風速均較大，因此東部小麥需水量也高于西部。

2.1.2小麥不同生長階段需水量及空間分布新疆地區1963—2012年小麥各生長階段需水量的空間分布如圖2所示。圖2a為小麥生長初期需水量空間分布情況，全疆平均需水量81 mm，范圍為15～179 mm。需水量空間分布差異明顯，總體由北向南增大并呈帶狀分布，塔城、阿勒泰、昌吉州西部為低值區，天山北麓、南麓地區為中值區，塔克拉瑪干沙漠南緣的和田、且末、若羌等為高值區。圖2b為小麥發育期需水量空間分布情況，全疆平均需水量141 mm，范圍為69～216 mm。需水量空間分布總體由北向南增大并呈帶狀分布，塔城北部、阿勒泰、昌吉東北部為低值區，需水量在69～115 mm，天山北麓、南麓地區為中值區，需水量在115～170 mm，和田、且末、若羌等為高值區，需水量在170～217 mm。圖2c為小麥生長中期需水量空間分布情況，全疆平均需水量258 mm，范圍為146～419 mm。需水量空間分布總體呈帶狀由西向東增大，伊犁、阿克蘇、喀什、和田、巴州西北部等地區為低值區，塔城西北及東北部、阿勒泰、昌吉西北部、巴州中南部為中值區，巴州東南部、吐魯番、哈密西部及塔城中部地區為高值區。圖2d為小麥生長末期需水量空間分布情況，全疆平均需水量48 mm，范圍為31～77 mm。需水量空間分布同樣總體呈帶狀由西向東增大，伊犁、阿克蘇、克州、巴州西北部等地區為低值區，塔城東北部、阿勒泰、昌吉西北部、巴州中南部、和田、喀什為中值區，巴州東南部、吐魯番、哈密西部及塔城中部地區為高值區。

對比新疆小麥不同生育階段需水量可知，生長中期需水量最大、發育期次之、生長末期最小。同樣比較新疆小麥不同生育階段需水量空間分布狀況，可以看出生長初期和發育期具有相同的空間分布特征，均是呈帶狀由北向南增大，而生長中期和生長末期同樣具有相同空間分布特征，東高西低成帶狀分布。

2.2小麥不同生長階段和全育期需水量年際變化趨勢

2.2.1小麥不同生長階段需水量年際變化趨勢新疆1963—2012年，小麥不同生長階段需水量年際變化情況見表1。可知近50 a，小麥生長初期需水量以1.4 mm/10 a的速率遞減，并通過0.001的顯著性水平檢驗；發育期需水量以1.6 mm/10 a的速率遞減，并通過0.05的顯著性水平檢驗；生長中期需水量以3.9 mm/10 a速率遞減，并通過0.05的顯著性檢驗；生長末期需水量以0.6 mm/10 a速率遞減，并通過0.001的顯著性水平檢驗。

圖2　1963-2012年新疆小麥各生長階段年平均需水量

參數生長初期發育期生長中期生長末期傾向率-0．1413-0．1553-0．3870-0．0859相關系數-0．4672??-0．2983?-0．4754??-0．5749??

注：**表示通過0.001顯著水平檢驗，*表示通過0.05顯著水平檢驗。

新疆近50 a小麥不同生長階段需水量總體呈現下降趨勢，并且除發育期外其他生長階段下降趨勢非常顯著。其中，生長中期下降速率最大、生長初期和發育期下降速率次之、生長末期下降速率最小。

2.2.2小麥全育期需水量年際變化趨勢新疆1963—2012年小麥全育期年需水量變化趨勢如圖3所示，可知近50 a小麥全育期需水量最高年份是1974年為573 mm，最低年份是1993年為483 mm，平均年需水量為525 mm。全育期內小麥需水量總體呈下降趨勢，遞減速率為7.8 mm/10 a，并通過0.001的顯著性水平檢驗。利用MK法在DPS軟件中對新疆1963—2012年小麥全育期需水量變化趨勢進行突變檢驗，結果如圖4所示。由正序曲線UF可知，自20世紀70年代末期以來，新疆小麥全育期需水量有明顯的下降趨勢，并且80年代末期至今這種下降趨勢大大超過了0.001顯著性水平，說明小麥需水量下降趨勢是十分明顯的。正序曲線UF和逆序曲線UB在置信度區間內，于1978年有一個交點，表明新疆小麥需水量下降是突變現象，突變開始時間為1978年。

圖3小麥全生育期年需水量變化趨勢圖4小麥全生育期年需水量MK突變檢測

此外，考察小麥需水量年際變化發現，1963—1978年正序曲線UF在0附近小幅波動，說明此段時間小麥需水量變化趨勢不明顯，處于相對平穩狀態；1978年UF開始偏離0，特別是1982年后UF值下降趨勢更加明顯，說明1978年以來小麥全育期需水量呈持續下降趨勢，并從1982年開始下降趨勢加劇。可以看到MK法檢測到的需水量變化趨勢與線性傾向估計結果一致。

2.3小麥需水量年際變化氣候影響因素

2.3.1小麥全育期主要氣象因素變化趨勢采用線性傾向估計對1963—2010年新疆小麥全育期內的四種主要氣象要素變化進行了分析，結果見圖5。可知，近50 a來新疆小麥全育期平均氣溫總體呈上升趨勢，上升速率為0.35℃/10 a，并通過0.001的顯著性檢驗，說明上升趨勢極其顯著(圖5a)。全育期內平均風速呈現下降趨勢，遞減速率為0.18(m/s)/10 a，并通過0.001的顯著性水平檢驗，表明下降趨勢極其顯著(圖5b)。全育期內日均日照時數以0.035 h/10 a的速率呈下降趨勢，但下降趨勢并不顯著(圖5c)。全育期內有效降雨量以5.96 mm/10 a的速率呈下降趨勢，并通過0.01的顯著性水平檢驗，表明下降趨勢一般顯著(圖5d)。

圖5　1963-2012年新疆小麥全育期氣象因素變化趨勢

新疆近50 a小麥全育期內日平均氣溫呈極顯著的上升趨勢，而風速、日照時數及有效降雨量均呈現與需水量變化相同的下降趨勢，其中風速下降趨勢最為明顯、有效降雨量次之、日照時數最不顯著。

2.3.2小麥全育期需水量年際變化的主要氣象因素為探討新疆小麥需水量變化的主要原因，本文利用Pearson相關分析法計算了近50 a小麥需水量與氣溫、風速、日照、有效降雨量四種主要氣象因素的相關關系，見圖6。可知，小麥全育期需水量與氣溫、風速、日照時數及有效降雨量均呈正相關。氣溫、有效降雨量與小麥需水量的相關系數較低，表現出較為微弱的正相關關系。而風速和日照時數的相關系數分別為0.679 6，0.776 4，表現出很強的相關性，是影響小麥全育期需水量的主要氣象因素。

結合圖5、圖6分析可知，雖然平均氣溫呈顯著上升趨勢會引起小麥需水量的增加，但這種增加量遠遠小于由風速降低及日照時數減少所導致的小麥需水減少量。因此，近50 a新疆小麥全育期內風速的降低、日照時數的減少是導致小麥全育期需水量下降的主要原因。

3　討 論

根據作物需水量計算公式，可知作物需水量由作物系數和參考作物蒸散量決定，小麥需水量與參考作物蒸散量有極強的相關關系。本文利用線性傾向估計和MK檢驗法研究新疆小麥需水量趨勢變化發現，近50 a新疆小麥需水量呈極顯著下降趨勢，于1978年開始發生突變，并且從1982年開始下降趨勢明顯加劇。這與張青山等[18]得出的近50 a新疆參考作物蒸散量呈顯著減少趨勢，并于1981年開始突變減小的結論基本一致。

施雅風等指出在全球氣候變暖背景下，新疆地區氣溫升高趨勢明顯，并呈現由暖干向暖濕轉型的特點[19]。本文通過分析近50 a新疆小麥全育期內的氣象因素變化趨勢，得到氣溫呈顯著升高趨勢與施雅風等提出的論點相一致。但分析得到的有效降雨量呈現下降趨勢與施雅風等提出新疆地區由暖干向暖濕轉型的趨勢相悖。可能原因是小麥全育期內的有效降雨量并不同于年降雨量，如北疆春小麥生育期一般為4—7月，南疆冬小麥生育期為9月至次年6月，而本文統計的僅是小麥生育期內的有效降雨量。此外，相關研究[20-21]指出50 a來新疆年日照時數和風速均呈顯著下降趨勢，并于20世紀80年初期發生突變，與本文的分析結果也基本一致。

圖6　小麥全育期需水量與氣象因素相關關系

新疆地區面積廣大，地形地貌、氣候變化的區域性差異明顯，本研究所利用的54個國家氣象基本站點數據相對來說比較稀少，如果能增加氣象站點數量，小麥需水量空間分布插值將會更加精細。此外，受制于小麥物候期數據時限的限制，本文計算小麥需水量時利用小麥生育期多年平均數據來確定各生長階段的起始時間，還需要進一步的完善。

4　結 論

(1) 1963—2012年新疆小麥全育期平均需水量為525 mm，但區域差異明顯，空間分布總體呈現南疆大于北疆、東部大于西部、由西北向東南增大的格局。此外，從小麥各生長階段來看生長初期和發育期需水量空間分布表現為南疆多北疆、由北向南呈帶狀逐漸增大的特征，而生長中期和生長末期需水量空間分布表現為東多西少的格局。

(2) 1963—2012年新疆小麥全育期年需水量平均以7.8 mm/10 a的速率呈極顯著的下降趨勢，并于1978年開始發生突變。不同生長階段需水量也均呈現下降趨勢，其中生長中期下降速率最大、生長初期和發育期下降速率次之、生長末期下降速率最小。

(3) 1963—2012年新疆絕大部分區域小麥全育期需水量均呈下降趨勢，下降速率總體呈現北疆小于南疆、東疆大于西部、由西北向東南遞增的空間分布特征，與小麥全育期需水量空間分布特征一致，全育期需水量大的高值區也是需水量遞減趨勢最劇烈的區域。

(4) 1963—2012年新疆小麥全育期內日平均氣溫呈極顯著的上升趨勢，風速、日照時數及有效降雨量均呈現下降趨勢。小麥全育期需水量與風速和日照時數表現出很強的相關性，全育期內風速的降低、日照時數的減少是導致小麥全育期需水量下降的主要原因。

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Spatiotemporal Characteristics of Water Requirement of Wheat as Influenced by Climate in Xinjiang in Recent 50 Years

XUAN Junwei1,2, ZHENG Jianghua1,2, LIU Zhihui1,2,3

(1.College of Resources and Environment Sciences, Xinjiang University 830046, China;2.KeyLabforOasisEcosystemofMOE,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Based on the meteorological data of 54 stations from 1963 to 2012 in Xinjiang, the water requirement of wheat (WRW) of the whole growing period and different growth stages were calculated by using FAO Penman-Monteith model and crop coefficient. Meanwhile, we used the methods of linear regression, Mann-Kendall test and Inverse Distance Weighting to analyze the spatiotemporal change characteristics of water requirement of wheat in Xinjiang in recent 50 years. The results showed that the spatial distribution characteristics of mean WRW of the whole growing period and different growth stages of wheat were obviously various in the different regions of Xinjiang. Generally, the WRW of the whole growing period was larger in south than that in north, and it was larger in east than west. And the WRW of the initial or development stage were larger in south than northern. However, the WRW of the mid-season or late-season stage were larger in east than west. The annual WRW of the whole growing period was significantly decreasing with the rate of 7.8 mm/10 a, and it had significantly abrupt decrease in 1978. The negative trend in wheat water requirement in Xinjiang was mainly attributed to decline of sunshine hour and wind speed.

wheat; crop water requirement; spatial distribution; Penman-Monteith equation; trend analysis; Xinjiang

2014-09-20

2014-09-26

水利部公益性行業科研專項“內陸干旱區實施最嚴格水資源管理關鍵技術”(201301103)

軒俊偉(1988—),男,山東聊城人,碩士研究生,主要從事水資源管理及GIS應用方面研究。E-mail:sd1900@163.com

鄭江華(1973—),男,新疆烏魯木齊人,教授,碩士生導師,主要從事資源調查監測和3S技術應用研究。E-mail:zheng_jianghua@126.com

S963

A

1005-3409(2015)04-0155-06