滁州市冬小麥生育期作物需水量和降水變化特征

金華星, 胡姍姍, 龔年祖, 張鑫童

(滁州市氣象局, 安徽 滁州239000)

滁州市冬小麥生育期作物需水量和降水變化特征

金華星, 胡姍姍, 龔年祖, 張鑫童

(滁州市氣象局, 安徽 滁州239000)

基于1961—2013年滁州市氣象數據，運用集合經驗模態分解和交叉小波分析，探究了冬小麥生育期需水量和灌溉需水量的變化特征。結果表明：1961—2013年滁州市冬小麥生育期需水量和灌溉需水量均呈增加趨勢(增勢分別為：2.80,1.48 mm/a)；年代變化上，冬小麥生育期需水量逐漸增大，灌溉需水量大致呈現先減少后增加的變化特征。冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量均呈現明顯的多尺度變化特征，表現為多尺度的周期變化特征和趨勢變化特征。作物需水量存在2.65，6.63，13.25，26.50 a的周期，灌溉需水量存在3.11，5.89，10.60，26.5 a的周期。研究時段，作物需水量和灌溉需水量與潛在蒸散量呈同相位分布，與降水量呈顯著的反相位。

滁州市; 作物需水量; 灌溉蓄水量; 冬小麥生育期; 多尺度變化

作物需水量是作物全生育期消耗于自身蒸騰和棵間土壤蒸發的水量總和，它是灌溉決策和水資源規劃的重要基礎[1]。因此，國內外學者就作物需水量變化特征及其成因開展了一些研究，主要基于野外定位觀測和氣象數據，結合作物系數探究不同作物的需水量、灌溉需求量和灌溉需求指數的變化等。我國學者就此開展了深入研究。陳秋帆等[2]基于野外滴灌和觀測試驗探究了云南春作馬鈴薯作物系數及需水規律研究。宋妮[3]、楊曉琳[4]和吳燕鋒[5]等分別基于聯合國糧農組織(FAO)推薦的參考作物蒸散計算方法和作物系并結合氣象數據探究了河南省、黃淮海農作區和石河子地區冬小麥作物需水量時空變化及其氣候要素的影響。符娜等[6]、李搖勇[7]等分析了氣候變化下我國西南地區和長江中下游地區水稻不同生育期灌溉需水量的變異性及灌溉需求指數分布。武勇利等[8]基于改進的SEBS模型對山西省進行作物需水量研究。牛紀蘋等[9]利用大氣環流模型Had CM3的輸出和SDSM統計降尺度模型，探究了兩種情境下未來石羊河流域凈灌溉需水量和耗水量。這些學者們大多采用傳統的趨勢分析法、相關分析法進行需水量的變化特征及其成因分析，為作物需水量研究提供了大量的理論基礎。但是，氣候要素具有非線性特征，氣候因素驅動下的作物需水量也可能具有非線性和多尺度特征，而目前從多尺度角度探究需水量的演變特征的研究較少；其次，基于交叉小波分析探究作物需水量與氣象因子相位關系的研究也鮮有報道。

滁州市位于安徽省東部，是全國重要的商品糧基地之一。流域內河流多且短，河道坡度較大，徑流歷時短，對徑流量滯留極少。因此，農田主要靠塘、庫、壩蓄水灌溉[10]。其次，降水的年際變化較大，旱災頻繁發生，防旱減災的任務仍很艱巨[11]。前人就滁州市降水量、氣溫、日照時數等變化特征開展了研究，而對滁州市冬小麥不同生育期灌溉需水研究較少，且氣候變化下農作物需水量和灌溉需水量對區域農業發展有重要意義。鑒于此，本研究基于滁州市1961—2013年的氣象數據和前人有關冬小麥作物系數的研究，探究冬小麥生育期需水量和灌溉需水量的變化特征及其與降水量和潛在蒸散量的關系，從而為氣候變化下冬小麥需水量和灌溉需水量以及灌溉排水決策提供理論基礎。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究利用滁州市氣象站(32.30N，118.30E)，海拔：275 m，逐日氣溫、降水、日照時數、風速、相對濕度等資料實測資料。考慮到資料的完整性，選用1961—2013年的氣象數據。

1.2 研究方法

1.2.1 冬小麥需水量與灌溉需水量 冬小麥需水量(ETc)計算公式如下[12]:

ETc=ET0×Kc

(1)

式中:ET0為參考作物需水量(mm)，采用FAO56推薦的Penman-Monteith 公式[12]計算；Kc為作物系數。滁州市冬小麥生育期為10月表示次年6月，因此本研究主要探究冬小麥生育期作物需水量的變化特征。參照FAO-56給出的標準條件下作物系數[13]及已有的相關研究[14]，最終確定冬小麥的作物系數為1.35。

由于土壤水和地下水對大氣降水具有巨大調蓄作用，作物需水量和有效降水量的差值定義為灌溉需水量(IR)。冬小麥灌溉需水量計算公式如下：

IR=ETc—Pe

(2)

式中：IR表示作物灌溉需水量(mm)；Pe表示作物生育期有效降雨量(mm)。

1.2.2 集合經驗模態分解 本研究采用對冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量序列進行多尺度分析。集合經驗模態分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)是針對EMD方法的不足，提出的一種噪聲輔助數據分析方法。該方法目前在水文學和氣象學領域得到廣泛應用[15]。吳燕鋒等[16]提出利用白噪聲在時間尺度均勻分布的統計特性，在原始信號中加入一定比例的白噪聲，對原始信號和白噪聲組成的總體進行EMD分解，經過多次計算，最后取平均使加入的白噪聲相互抵消，加噪聲的次數越多，平均后的結果所含的噪聲越小，結果越接近真實值。因此，EEMD不僅保留了原信號的信息，還可以克服模態混淆問題。其具體計算步驟為：首先將原始信號加上強度很低的白噪聲，然后將附加噪聲的信號進行EMD分解，得到一組IMF分量。重復執行以上兩部過程，每次添加不同的白噪聲序列，共重復N次；為了能夠消除人工添加噪聲的影響，將N次EMD分解得到的IMF分量相加，取其均值作為最終的IMF分量：

(1)

式中：cj(t)表示對原始信號進行EEMD分解后所得到的第j個IMF分量。本文在EEMD過程中，每次添加白噪聲的振幅為合成序列標準差的20%，集合平均次數為200次。采用鏡像拓延的方法對數據進行處理，以減小邊界效應的影響[17]。

1.2.3 交叉小波分析 利用小波變換探討降水量與氣溫的多時間尺度的變化特征和相關性。小波變換是把稱為基本小波的函數做位移后，再在不同的尺度域下對待分析信號做內積[18]。交叉小波譜是將小波變換與交叉譜分析相結合產生的一種信號分析技術，它能夠揭示出兩個時間序列在多時間尺度上的相互關系。與傳統相關函數的只能從時域考察兩個時間序列的相關關系，交叉譜能夠在時頻兩域都具有表征氣候信號局部化特征的作用[19]。

2 結果與分析

2.1 冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量年代際變化特征

圖1為滁州市1961—2013年冬小麥生育期需水量和灌溉需水量年代際變化曲線，可以看出，冬小麥生育期需水量和灌溉需水量均呈增加趨勢。其中，需水量增勢較輕弱(2.80 mm/a)，灌溉需水量略有增勢(1.48 mm/a)。過去53 a，滁州市冬小麥生育期需水量均值為869.12 mm。年際變化上，冬小麥生育期需水量在1964年達到最小值，為748.44 mm；2005年達到最大值，為1 015.21 mm；年代變化上，冬小麥生育期需水量自1960s至2011—2014年逐漸增大，在2011—2014年得到年代最大值，為947.19 mm。冬小麥生育期灌溉需水量均值為267.54 mm，變幅較大，其值為11.24～548.40 mm，最大值和最小值分別發生在2006年和1994年；年代變化上，灌溉需水量波動較大，大致呈現先減少后增加的變化特征，在1970s達到年代最小，為195.92 mm，在2011—2014年達到最大，為382.83 mm。

圖11961-2013年冬小麥生育期需水量和灌溉需水量年代際變化特征

2.2 冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量多尺度變化特征

圖2為過去53 a年作物需水量距平序列EEMD分析結果，分解為4個IMF和1個殘差(RES)序列。IMF1和IMF2分量表征距平序列的年際變化特征，IMF3和IMF4序列表征距平序列的年代變化特征，RES表征距平序列的變化趨勢特征。表1為冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量的IMF分量的周期特征。可以看出，過去53 a冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量均呈現明顯的多尺度變化特征，表現為多尺度的周期變化特征和趨勢變化特征(RES)。作物需水量年際波動較大，存在2.65 a和6.63 a的周期特征；年代變化尺度上存在13.25 a和26.50 a的周其特征；趨勢項表明冬小麥作物需水量呈明顯的增加趨勢。冬小麥灌溉需水量在年際和年代尺度變化上波動較大，年際尺度上存在3.11 a和5.89 a的周期，年代尺度上存在10.60 a和26.5 a的周期；趨勢項可以看出，冬小麥灌溉需水量呈現先增加、后趨于穩定、最后大幅增加的變化特征。

表1 冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量的IMF分量的周期特征

2.3 冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量與降水和潛在蒸散量的關系

作物需水量和灌溉需水量與氣象因子演變密切相關[5,7]。由于降水量直接關乎區域干濕的演變和水分來源，多種氣象因子通過潛在蒸散量的變化影響冬小麥需水量和土壤供水量，因此，本研究主要探究作物生育期作物需水量和灌溉需水量與降水和潛在蒸散量(ET0)的關系。圖3是1961—2013年冬小麥生育期降水量和潛在蒸散量變化曲線，可以看出，過去53 a，冬小麥生育期潛在蒸散量和降水量均呈增加趨勢，其中，潛在蒸散量增勢明顯(氣候傾向率為2.07 mm/a)，降水量增勢較弱(氣候傾向率為0.22 mm/a)。

為進一步探究冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量與降水和潛在蒸散量的關系，基于交叉小波分析分別繪制了冬小麥生育期降水和潛在蒸散量與作物需水量和灌溉需水量的小波交叉能量時頻分布圖(圖4，5)。圖中黑色粗線的區域表示通過95%紅噪聲檢驗的區域，箭頭向左和向右分別表示反向位和同相位。作物需水量與潛在蒸散量呈同相位分布，即隨著潛在蒸散量呈增加趨勢，小麥需水量也呈增加趨勢；但兩者的關系未達到顯著水平(圖4A)。作物需水量與降水量呈顯著的反相位，顯著時頻分布主要表現在：1～2 a周期尺度的1980s中后期，2～4 a周期尺度的2000s，5.5～12.5 a的1960s—1970s前半期，6～12 a的1997—2014年(圖4B)。冬小麥灌溉需水量與潛在蒸散量呈顯著的同相位，即是隨著潛在蒸散量的增加，冬小麥灌溉需水量也呈增加趨勢(圖5A)；兩者顯著的時頻分布主要表現在：2～3.5 a周期的1980—2014年、4～10 a周期的2000—2014年、5～13 a周期的1961—1980年和16 a周期的1987—2010年。冬小麥灌溉需水量與降水量呈顯著的反相位，即是降水增加引起灌溉需水量的減少；兩者顯著的時頻分布主要表現在3.8～8 a周期的1970—2010年。

圖2 1961-2013年冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量的多尺度演變特征

圖3 1961-2013年冬小麥生育期降水和潛在蒸散量變化特征

圖4 冬小麥生育期作物需水量與ET0和降水量交叉小波分析

圖5 冬小麥生育期灌溉需水量與ET0和降水量交叉小波分析

3 結 論

(1) 1961—2013年滁州市冬小麥生育期需水量和灌溉需水量均呈增加趨勢，增勢分別為：2.80 mm/a和1.48 mm/a；年代變化上，冬小麥生育期需水量逐漸增大，灌溉需水量大致呈現先減少后增加的變化特征。

(2) 冬小麥生育期作物需水量和灌溉需水量均呈現明顯的多尺度變化特征，表現為多尺度的周期變化特征和趨勢變化特征。作物需水量存在2.65，6.63，13.25，26.50 a的周期，灌溉需水量存在3.11，5.89，10.60，26.5 a的周期。

(3) 研究時段，冬小麥生育期潛在蒸散量和降水量均呈增加趨勢；作物需水量和灌溉需水量與潛在蒸散量呈同相位分布，與降水量呈顯著的反相位。

作物需水量的和灌溉需水量的變化關乎作物水分虧缺，對建立合理的灌溉制度有重要的意義，這不僅需要對作物全生育期水分虧缺進行探究，還需要進一步分析不同生育期作物水分需求和灌溉需求。本研究僅僅探究了冬小麥整個生育期的變化特征，未從各生育期分別做深入研究。其次，作物需水量的和灌溉需水量與氣象因子關系復雜，兩者關系有待進一步研究。

[1] 閆映宇.塔里木灌區膜下滴灌的棉花需水量及節水效益[J].水土保持研究,2016,23(1):123-127.

[2] 陳秋帆,陳勁松,代興梅,等.云南春作馬鈴薯作物系數及需水規律研究[J].湖北農業科學,2016,55(3):564-566.

[3] 宋妮,孫景生,王景雷,等.河南省冬小麥需水量的時空變化及影響因素[J].應用生態學報,2014,25(6):1693-1700.

[4] 楊曉琳,宋振偉,王宏,等.黃淮海農作區冬小麥需水量時空變化特征及氣候影響因素分析[J].中國生態農業學報,2012,20(3):356-362.

[5] 吳燕鋒,巴特爾·巴克,羅那那,等.石河子地區冬小麥生育期需水量變化特征及其氣候成因[J].水土保持通報,2016,36(1):69-74.

[6] 符娜,劉小剛,張巖石,等.西南地區水稻灌溉需水量變化規律[J].生態學雜志,2014,33(7):1895-1901.

[7] 李搖勇,楊曉光,葉搖清,等.1961—2007年長江中下游地區水稻需水量的變化特征[J].農業工程學報,2011,27(9):175-183.

[8] 武永利,田國珍,王云峰.基于改進的SEBS模型的作物需水量研究[J].干旱地區農業研究,2015,33(1):113-118.

[9] 牛紀蘋,粟曉玲,唐澤軍.氣候變化條件下石羊河流域農業灌溉需水量的模擬與預測[J].干旱地區農業研究,2016,34(1):206-212.

[10] 徐天勇.滁州市清流河水環境容量研究[D].南京:南京大學,2006.

[11] 徐志龍,曹陽,楊敏.1951—2005年海河流域汛期降水量的時空變化特征分析[J].水文,2009,29(1):85-88.

[12] Karimov A K,nek J, Hanjra M A, et al. Effects of the shallow water table on water use of winter wheat and ecosystem health:Implications for unlocking the potential of groundwater in the Fergana Valley(Central Asia)[J]. Agricultural Water Management, 2014,131(1):57-69.

[13] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper56[M]. Rome：FAO, 1998.

[14] 何斌.中國農業干旱風險定量評價與空間格局分析[D].北京:中國科學院大學(中國科學院地理科學與資源研究所),2010.

[15] Yang Z, Yu Z, Xie C, et al. Application of Hilbert-Huang Transform to acoustic emission signal for burn feature extraction in surface grinding process[J]. Measurement, 2014,47:14-21.

[16] 吳燕鋒,巴特爾,巴克,等.基于EEMD的杜尚別市1950—2013年降水多尺度分析[J].干旱區資源與環境,2015,29(6):152-157.

[17] 張余慶,陳昌春,姚鑫,等.江西省信江流域極端降水時空變化特征[J].水土保持研究,2015,22(4):189-194.

[18] Valdés-Galicia J F, Velasco V M. Variations of mid-term periodicities in solar activity physical phenomena [J]. Advances in Space Research, 2008,41(2):297-305.

[19] Wu Y, Bake B, Zhang J, et al. Spatio-temporal patterns of drought in North Xinjiang, China, 1961—2012 based on meteorological drought index[J]. Journal of Arid Land, 2015,7(4):527-543.

VariationofWaterRequirementandPrecipitationinWheatGrowthStagesfrom1961to2013

JIN Huaxing, HU Shanshan, GONG Nianzu, ZHANG Xintong

(MeteorologicalBureauofChuzhouCity,Chuzhou,Anhui239000,China)

Based on the data from Meteorological Bureau of Chuzhou City and using ensemble empirical mode decomposition and cross wavelet analysis, the crop and irrigation water requirements during the wheat growth stages were analyzed. The results showed that the crop and irrigation water requirements experienced increasing trend with the rate of 2.80 mm/year and 1.48 mm/year from 1961 to 2013, respectively. For decadal change, the crop water requirement presented gradually increasing trend, while the irrigation water requirement exhibited decrease first and then increase. The crop water requirement has the periodicities of 2.65 years, 6.63 years, 13.25 years and 26.50 years, the irrigation water requirement has the periodicities of 3.11 years, 5.89 years, 10.60 years and 26.5 years. The crop and irrigation water requirements have the in-phase relationship with evapotranspiration and significant anti-phase relationship with precipitation.

Chouzhou City; crop water requirement; irrigation water requirement; wheat growth stages; multiscale variation

2016-05-04

：2016-05-11

安徽省氣象科技發展基金“滁州市短期溫度降水多模式集成預報”(KM201404)

金華星(1973—),男,安徽鳳陽人,工程師,本科,主要研究方向:綜合氣象觀測業務、氣象裝備保障和人工影響天氣等工作。E-mail:jhx210@aliyun.com

S512.1+1

：A

：1005-3409(2017)02-0178-06