河西走廊地區(qū)春小麥需水量驅(qū)動(dòng)因素分析

戶廣勇，王素芬，楊 杰

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)

0 引 言

農(nóng)作物需水量指的是大面積的無(wú)病蟲(chóng)侵害的農(nóng)作物，在土壤養(yǎng)分、肥力適合作物生長(zhǎng)的情況下，在周圍環(huán)境有利于取得高產(chǎn)時(shí)，為滿足植株蒸騰、棵間蒸發(fā)，組成植株體所需要的水量[1]。眾多學(xué)者對(duì)作物需水量的影響因素進(jìn)行了研究，閆苗祥[2]等采用主成分回歸分析法對(duì)鄭州市主要作物需水量的影響因子進(jìn)行分析，得出不同作物不同生育期的主要影響氣象因子有所不同。段春峰、陳超等[3,4]分別采用偏相關(guān)系數(shù)分析法對(duì)西北地區(qū)和四川地區(qū)參考作物需水量的主要影響因素進(jìn)行了研究，研究表明西北地區(qū)不同地點(diǎn)的參考作物需水量的主要因素存在空間變化。作物需水量在空間上具有較大的變異性，牛振國(guó)等[5]對(duì)內(nèi)蒙半干旱鄂爾多斯高原沙地的參考作物需水量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)坡度、坡向等微地形因子對(duì)其具有很大影響。王景雷等[6]通過(guò)GIS技術(shù)和主成分分析法相結(jié)合來(lái)分析了大尺度下地理因子對(duì)作物需水空間分布變化的影響，得出華北地區(qū)影響冬小麥需水量變化的主導(dǎo)因子分別為熱力因子、水分因子和微地形因子。這些研究表明不同作物在不同地理?xiàng)l件下，作物需水量的影響因素會(huì)存在明顯變化。本文擬研究春小麥在甘肅省境內(nèi)河西走廊地區(qū)地理要素和氣象要素對(duì)其需水量的影響。

1 研究區(qū)概況

河西走廊位于甘肅西北部、東起烏鞘嶺，西至甘肅與新疆交界處，南至祁連山、阿爾金山主分水嶺北坡，北至內(nèi)蒙古自治區(qū)和蒙古國(guó)邊界。在地理上處于北緯37°17′～42°48′，東經(jīng) 92°12′～103°48′之間。行政區(qū)劃上屬于甘肅省張掖、酒泉、武威、金昌、嘉峪關(guān)5市，由東到西分屬于石羊河、黑河和疏勒河三大水系。河西走廊氣候受大陸性氣候和青藏高原氣候綜合影響，較為復(fù)雜，平原區(qū)年降水量47～280 mm，年蒸發(fā)量1 300～4 000 mm。該區(qū)由于受氣候條件的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“非灌不殖”，農(nóng)業(yè)用水占總用水量的90%以上，但光照條件好，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力巨大，在占甘肅省19%的耕地面積上生產(chǎn)了全省32%的糧食和70%的商品糧以及占全省31%的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。河西地區(qū)水資源的嚴(yán)重短缺已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞的主要原因。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本研究收集了河西地區(qū)三大內(nèi)陸河流域14個(gè)氣象站50年長(zhǎng)系列的逐日基本氣象資料，氣象站包括烏鞘嶺、武威、民勤、永昌、山丹、張掖、高臺(tái)、酒泉、鼎新、金塔、玉門(mén)鎮(zhèn)、安西、敦煌和馬鬃山，站點(diǎn)分布如圖1所示。氣象資料包括日平均氣壓、日平均風(fēng)速、日平均氣溫、日最高溫度、日最低溫度、日平均相對(duì)濕度、日降水量、日照時(shí)數(shù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到各氣象要素在春小麥生育期內(nèi)平均值及總平均值的空間分布。河西地區(qū)DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的幾何校正、配準(zhǔn)、投影變換處理得到坡度、坡向、高程等地理因子的空間分布圖。

圖1 河西地區(qū)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Weather stations distributed in Hexi region

作物需水量采用FAO-56 Penman-Monteith公式計(jì)算[7]，首先由所獲得的各站基本氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得出參考作物需水量ET0，通過(guò)相關(guān)資料[8,9]查得河西地區(qū)各縣域春小麥生育期作物系數(shù)Kc，與參考作物需水量相乘并進(jìn)行IDW反距離加權(quán)法插值得出春小麥ETc的空間分布。基于GIS操作對(duì)河西走廊地區(qū)均勻劃分為2 490個(gè)單元柵格，柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)后并分別對(duì)各單元柵格內(nèi)的地理因素和氣象因素等13個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采樣，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行因子分析，實(shí)現(xiàn)河西地區(qū)氣象因素和地理因素綜合分類并得到各類主因子對(duì)作物需水量貢獻(xiàn)率的大小分布。對(duì)河西地區(qū)不同站點(diǎn)氣象因素與作物需水量進(jìn)行相關(guān)性分析，分析得出不同地點(diǎn)不同氣象要素對(duì)作物需水量的影響大小。

3 結(jié)果分析

3.1 河西地區(qū)春小麥需水量分布

河西走廊地區(qū)春小麥生育期需水量ETc分布規(guī)律大致服從沿疏勒河流域、黑河流域到石羊河流域逐漸減小的趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)，分布趨勢(shì)與年參考作物需水量ET0大致相同[10]。其中最大值出現(xiàn)在河西走廊西北部馬鬃山一帶為668 mm，春小麥ETc沿走廊向東南方向逐漸減小，最小值均出現(xiàn)在東南部古浪、天祝一帶，為360 mm。民勤地區(qū)春小麥需水量相對(duì)石羊河流域整體水平相對(duì)較大為600 mm，山丹地區(qū)現(xiàn)對(duì)于黑河流域春小麥需水量相對(duì)較低。

圖2 春小麥ETc分布圖Fig.2 Spring wheat ETc map

3.2 因子分析

因子分析法是從研究變量?jī)?nèi)部相關(guān)的依賴關(guān)系出發(fā)，把一些具有錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個(gè)綜合因子的一種多變量統(tǒng)計(jì)分析方法[11]。它的基本思想是通過(guò)變量的相關(guān)系數(shù)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，將觀測(cè)變量進(jìn)行分類，將相關(guān)性較高，即聯(lián)系比較緊密的分在同一類中，而不同類變量之間的相關(guān)性則較低，那么每一類變量實(shí)際上就代表了一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，即為因子。因子分析法實(shí)際上是一種“降維”的統(tǒng)計(jì)方法。因此，基于SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件中因子分析模塊對(duì)河西走廊地區(qū)春小麥需水量13個(gè)可能影響因素的空間柵格采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，可得到春小麥需水量的3個(gè)因子和因子分析荷載矩陣如表1所示。

因子分析法需要通過(guò)KMO檢驗(yàn)及Bartlett's球形檢驗(yàn)。KMO檢驗(yàn)及Bartlett's球形檢驗(yàn)是兩個(gè)常用的因子分析模型有效性的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)檢驗(yàn)KMO=0.765>0.5，Bartlett's球形檢驗(yàn)Sig.取值為0，則表明適合進(jìn)行因子分析。

由表1可以看出，因子1在主要?dú)庀笠蛩匕ń邓俊⑷照諘r(shí)長(zhǎng)、溫度、大氣壓和相對(duì)濕度上具有較大荷載，因此定義因子1為氣象因子。因子2主要在風(fēng)速上具有較大荷載，因此定義為風(fēng)速因子，風(fēng)速變量同為氣象要素之一，因?yàn)榕c氣象因子中各氣象要素相關(guān)性較小所以單獨(dú)定義為風(fēng)速因子。因子3主要在坡度和高程等地理要素上具有較大荷載，因此定義為地理因子。

表1 春小麥需水量因子分析因子荷載矩陣Tab.1 Spring wheat water requirement factor analysis factor load matrix

注：表中E為經(jīng)度，N為緯度，A*=cos[(π/180)*Aspect]，Aspect為坡向度數(shù)，H為高程，S為坡度，P為生育期多年平均降水量，h為生育期總?cè)照諘r(shí)長(zhǎng)，U2為多年生育期平均2 m高處風(fēng)速，Tmax為多年生育期平均日最高溫度，Tmin為多年生育期平均日最低溫度，Tmean為生育期多年平均日均溫，Pa為平均大氣壓，RH為生育期多年平均相對(duì)濕度。以下字母含義與之相同。

對(duì)春小麥需水量的3個(gè)主因子進(jìn)行因子貢獻(xiàn)率分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 春小麥需水量因子貢獻(xiàn)率Tab.2 Spring wheat water demand factor contribution rate

一般情況，公共因子的累積貢獻(xiàn)率超過(guò)80%則認(rèn)為所得到的公共因子可以說(shuō)明全部的原始信息。由表2可知3個(gè)主因子累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.5%，表明3個(gè)主要因子基本涵蓋了作物需水量13個(gè)影響因素的大部分信息。氣象因子、風(fēng)速和地理因子的貢獻(xiàn)率分別為55.3%、18%和13%。各主因子的貢獻(xiàn)率與3個(gè)主因子累積貢獻(xiàn)率的比值為各主因子對(duì)春小麥需水量影響的權(quán)重值，氣象、風(fēng)速、地理因子的權(quán)重分別為0.64、0.21、0.15。由春小麥需水量因子貢獻(xiàn)率分析可知?dú)庀笠貫橛绊懞游髯呃鹊貐^(qū)春小麥需水量的最主要因素，包括降水量、日照時(shí)長(zhǎng)、溫度、大氣壓、相對(duì)濕度和風(fēng)速。

將春小麥需水量綜合影響因素與作物需水量ETc進(jìn)行線性回歸分析，建立河西地區(qū)春小麥需水量模型。

春小麥需水回歸模型：

ETc=4.745N+4.028E-3.398RH+6.368Tmean-

0.037h+62.266U2-1.222P-20.212

R2=0.977

R2=0.977，接近于1，說(shuō)明殘差平方和較小，線性擬合程度較好。

3.3 氣象因素相關(guān)性分析

由因子分析可知?dú)庀笠貙?duì)河西地區(qū)春小麥需水量的貢獻(xiàn)率達(dá)到73%，成為河西走廊地區(qū)影響春小麥生育期需水量的最主要因素，并且有研究表明隨著空間位置的變化[10]，影響作物需水量的主要因素也可能會(huì)發(fā)生明顯變化。因此研究在河西走廊地區(qū)范圍內(nèi)不同地點(diǎn)不同氣象要素對(duì)于春小麥需水量的影響程度十分有意義。對(duì)河西走廊地區(qū)不同地理位置的春小麥需水量和氣象要素的相關(guān)性進(jìn)行分析，分別分析河西走廊地區(qū)各氣象站點(diǎn)的春小麥需水量與各氣象要素的相關(guān)性。各氣象要素與春小麥需水量相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3 各站點(diǎn)春小麥ETc與不同氣象要素的相關(guān)性系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients of different meteorological elements with spring wheat ETc of sites

注：*和**分別表示通過(guò)了0.05和0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；絕對(duì)值大小表示相關(guān)性大小，負(fù)值表示呈負(fù)相關(guān)；①②③④分別表示各站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值由大到小的排序。

石羊河流域除民勤外其他站點(diǎn)首要因子均為相對(duì)濕度，這與佟玲[12]對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量氣候因素影響的研究結(jié)果相同，烏鞘嶺和武威第二因子為溫度，第三因子分別為日照時(shí)長(zhǎng)和風(fēng)速，永昌第二、三因子分別為日照時(shí)長(zhǎng)和溫度，民勤主要影響氣象因子為溫度和日照時(shí)長(zhǎng)。

黑河流域山丹、張掖、酒泉和鼎新四站主要因子依次為相對(duì)濕度、風(fēng)速，其次為日照時(shí)長(zhǎng)，金塔站氣象影響因子依次為風(fēng)速、溫度和日照時(shí)長(zhǎng)，高臺(tái)主要影響因子為風(fēng)速，其他因素未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

疏勒河流域除馬鬃山外其他站點(diǎn)主要因子為風(fēng)速，玉門(mén)鎮(zhèn)和安西縣次要因子為相對(duì)濕度，敦煌次要因子為降水量，馬鬃山影響因子分別為溫度、日照時(shí)長(zhǎng)和相對(duì)濕度，這和馬鬃山高緯度高海拔原因有關(guān)。

[1] 朱 暉. 寶雞峽灌區(qū)冬小麥作物需水量和缺水量的空間變異性分析[D]. 陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013： 79.

[2] 閆苗祥，楊軍耀. 鄭州市作物需水量影響因素主成分回歸分析[J]. 節(jié)水灌溉，2014，(7)： 22-24.

[3] 陳 超，龐艷梅，潘學(xué)標(biāo)，等. 四川地區(qū)參考作物蒸散量的變化特征及氣候影響因素分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2011，(1)： 35-40.

[4] 段春鋒，繆啟龍，曹 雯. 西北地區(qū)參考作物蒸散變化特征及其主要影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，(8)： 77-83.

[5] 牛振國(guó)，李保國(guó)，張鳳榮，等. 參考作物蒸散量的分布式模型[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2002，(3).

[6] 王景雷，孫景生，宋 妮，等. 基于GIS和PCA的冬小麥需水量影響因子分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2009，(5)： 640-643.

[7] 劉 鈺，汪 林，倪廣恒，等. 中國(guó)主要作物灌溉需水量空間分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，(12)： 6-12.

[8] 康紹忠，粟曉玲，杜太生. 西北旱區(qū)流域尺度水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律及其節(jié)水調(diào)控模式----以甘肅石羊河流域?yàn)槔齕M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社, 2009.

[9] 陳玉民，郭國(guó)雙. 中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線圖研究[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1993.

[10] 孫聰影，粟曉玲. 氣候變化對(duì)河西地區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，(12)： 219-227.

[11] 黃好思. 區(qū)域作物耗水時(shí)空格局優(yōu)化技術(shù)研究----以石羊河流域?yàn)槔齕D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[12] 佟 玲，康紹忠，粟曉玲. 石羊河流域氣候變化對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，(2).