年來豫西冬小麥需水量變化特征及成因分析

甄小麗　袁鴻猷　劉艷偉

摘要：為了探清豫西地區（三門峽、盧氏、欒川、西峽、洛陽、孟津）近56年（1958—2013年）小麥需水量和凈灌溉需水量的變化和成因，采用單作物系數法計算小麥需水量和凈灌溉需水量，利用時間序列分析法、采用Mann-Kendall法分析小麥需水量變化趨勢，采用通徑分析法分析影響小麥需水量的主要氣象因子。結果表明，豫西地區多年平均年參考作物蒸發蒸騰量為80766 mm，平均日蒸發蒸騰量為221 mmd，傾向率為-0745 mm年，呈波動減少趨勢，1979年以后下降趨勢明顯。豫西地區小麥的平均需水量、凈灌溉需水量分別為484、442 mm，孟津小麥的需水量和凈灌溉需水量均為最多，該地區小麥需要消耗更多的灌溉水。豫西地區小麥需水量持續下降在一定程度上減少了灌溉水利用量，影響豫西地區小麥需水量的主要氣象因子是氣溫。

關鍵詞：小麥；需水量；氣候變化；Mann-Kendall法；通徑分析

中圖分類號： S2744文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0060-03

收稿日期：2017-04-11

基金項目：云南省應用基礎研究計劃（編號：KKSY201223076）；昆明理工大學大學生創新訓練計劃。

作者簡介：甄小麗（1981—），女，內蒙古赤峰人，碩士，講師，主要從事巖土工程和農業水土工程研究。E-mail：zhenxiaoli2005@163com。

通信作者：劉艷偉，博士，副教授，主要從事氣候變化及生態水文學研究。E-mail：liu-xiaocao@sohucom。

全球氣候變暖已是不爭的事實1]，氣候變化勢必對農作物產生一定影響2]。農業一直以來是用水大戶3]，Kahsay等預計到2030年發展中國家灌溉用水將增長14%4]。目前，國內外對氣候變化條件下作物需水量和灌溉需水量的變化趨勢及其影響因子方面開展了研究：Nkomozepi等對氣候變化條件下玉米需水量進行分析預測5]；符娜等研究了西南地區水稻需水量變異特征6-7]；李闖等利用多年氣象資料分析計算了烤煙和小麥灌溉需水變化規律8]；王衛光等模擬了氣候變化對2種灌溉模式下水稻需水量的影響9]；劉曉英等分析了近50年來華北地區主要作物的需水量的變化趨勢及其成因10]；劉鈺等對中國30年4種主要作物需水量進行了統計和分析11]。

豫西地區位于我國最主要的糧食生產區——河南，小麥是當地主要的糧食作物之一，近年來，小麥單產穩步上升12]。由于河南是嚴重缺水的地區之一1]，小麥生長又受到降雨時空分布不均勻的影響，對氣候變化條件下小麥需水量變化規律分析顯得尤為重要。本研究根據豫西地區6個氣象站點1958—2013年的日氣象資料，研究豫西地區小麥需水量的變化趨勢，并采用通徑分析研究小麥需水量的變化成因，旨在研究豫西地區小麥蒸發蒸騰量的變化特征及其成因，并為豫西地區水資源優化配置提供基礎數據。

BT1#]STHZ]1材料與方法

11資料來源

豫西地區地處溫帶半濕潤季風氣候區，是河南省小麥主產區13]。本研究選取豫西地區6個代表站點（三門峽、盧氏、欒川、西峽、洛陽、孟津），采用中國氣象數據網上1958—2013年逐日地面氣象資料，包括降水量、氣溫、水汽壓、相對濕度、日照時數、風速等數據。

12研究方法

121作物需水量

采用單作物系數法計算小麥需水量，計算公式如下：

JZ（]ETc=Kc ET0。JZ）]JY]（1）

JP2]式中：ETc為作物需水量（mmd）；ET0為參考作物蒸發蒸騰量（mmd），采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計算；Kc為作物系數，采用宋妮等研究成果，冬小麥在播種至返青、返青至抽穗、抽穗至成熟的作物系數Kci分別為070、115、04014]。

122凈灌溉需水量

某種作物的凈灌溉需水量等于生育期內需水量與有效降水量之差，是農業灌溉用水和制定合理灌溉制度的依據15]。公式如下：

JZ（]IR=ETc-Pe。JZ）]JY]（2）

式中：IR為作物日凈灌溉需水量（mmd）；Pe為日有效降水量（mmd），采用美國農業部土壤保持局推薦方法計算16]。

123時間序列法

以氣候趨勢系數和氣候傾向率17-18]為指標，分析ET0和小麥生育期需水量的年際變化。

124Mann-Kendall非參數檢驗法

ET0和小麥需水量的變化采用Mann-Kendall法判斷年際突變點，用MATLAB 70實現。

125通徑分析

通徑分析（path analysis）的實質是標準化的多元線性回歸分析19]，采用通徑分析來量化研究各氣象因子對作物需水量的影響程度。

2結果與分析

21ET0的時間變化特征

豫西地區ET0的年際變化趨勢及M-K檢驗見圖1、圖2。豫西地區多年平均年ET0為80766 mm，平均日ET0為 221 mmd。56年來豫西ET0呈波動減少趨勢，傾向率為 -0745 mm年。1964、1984、1989、1990、2003年ET0出現明顯低值，最小值65907 mm出現在1989年，峰值92264 mm出現在1959年。自1958年以來ET0呈波動下降趨勢，1966年之后ET0呈現持續下降趨勢，1979年之后下降趨勢明顯。

FK（W11]TPZXL1tif]

22小麥需水量年際變化趨勢

豫西地區小麥生育期需水量ETc和凈灌溉需水量IR的均值及其年際變化趨勢表1。結果表明，三門峽、盧氏小麥ETc和IR隨年份呈下降趨勢，而西峽、孟津小麥ETc和IR呈上CM（25]升趨勢；孟津小麥生育期ETc及IR的傾向率分別為endprint

FK（W11]TPZXL2tif]

130 mm年 和137 mm年，上升速率最高，ETc和IR均為最大，表明該地區小麥生長需要更多的灌溉水。通過豫西地區平均ETc的M-K檢驗曲線（圖3）可以看出，豫西地區小麥需水量在1966年以后呈下降趨勢，1984年之后下降趨勢明顯。

23氣象因子對小麥需水量的通徑分析

求解和分析9個氣象因子，包括氣壓、風速、氣溫、水汽壓、濕度、日照時數、最低氣溫、最高氣溫對小麥需水量的直接作用（通徑系數）和間接作用，分析結果見表2。

由氣象因子對豫西地區小麥需水量的通徑分析可知，氣溫對豫西地區小麥作物的通徑系數最大，為117，其次為日照時數和濕度分別為-055和-030。在間接的對比中可以發現水汽壓是影響小麥需水量最大的氣象因子，而影響最小的為日照時數。

3討論與結論

本結論基于6個氣象站點56年的逐日氣象資料，分析了河南省豫西地區ET0及小麥生育期需水量的變化特征。利用時間序列法和Mann-Kendall非參數檢驗法分析ET0及小麥生育期需水量的變化趨勢， 考慮到需水量受各氣象因子共同影響，利用通徑分析方法，研究各氣象因子對小麥需水量影響的直接和間接效應，比較全面地反映了各個氣象因子對小麥需水量的綜合作用效應。

本研究發現豫西地區近56年平均ET0呈波動減少趨勢。南紀琴等利用1981—2010年河南省17個氣象站的資料，分析認為多年平均ET0呈降低趨勢20]；宋妮等利用河南省17個氣象站52年氣象資料得出，冬小麥平均需水量盧氏站最低，孟津站最高14]；劉小剛等認為，河南省氣溫對冬小麥需水量的影響最大21]。本研究認為，影響豫西地區小麥需水量的氣象因素影響由大到小依次為氣溫、日照時數、濕度、最高氣溫和風速。劉曉英等研究認為，華北地區冬小麥、夏玉米的需水量隨年際變化而升高，作物需水量與環境因子密切相關10]。可見，作物需水規律受多種氣象因素綜合作用影響，且各因子的貢獻存在區域差異22]。

1958—2013年豫西地區多年平均ET0在663～928 mm之間，平均ET0為80766 mm，呈波動減少趨勢，傾向率為 -0745 mm年。豫西地區ET0自1958年以來呈波動下降趨勢，1979年之后呈明顯下降趨勢。

豫西地區小麥生育期需水量、凈灌溉需水量分別在 3907～5617、3517～ 5244 mm，孟津小麥生育期需水量、凈灌溉需水量的傾向率分別為130、137 mm年，上升速率最高，表明該地區小麥生長需要更多的水分，而豫西其他地方的小麥需水量則呈現出下降趨勢。豫西地區小麥需水量在1966年后呈現下降趨勢，1984年后下降趨勢明顯。

氣象因子是導致豫西小麥需水量下降的主要原因，影響該地區小麥需水量的氣象因子主要是氣溫、日照時數、濕度、最高氣溫和風速。在全球氣候變暖的情況下，小麥需水量呈現出下降趨勢，可以有效減少水資源的利用量。

參考文獻：

1]ZK（#]段居琦，徐新武，高清竹 IPCC第五次評估報告關于適應氣候變化與可持續發展的新認知J] 氣候變化研究進展，2014，10（3）：197-202

2]劉忠，黃峰，李保國 2003—2011年中國糧食增產的貢獻因素分析J] 農業工程學報，2013，29（23）：1-8

3]王道龍，羅旭 建設我國節水高效農業的戰略對策J] 中國人口·資源與環境，2001，11（3）：31-35

4]Kahsay G A，Hansen L G The effect of climate change and adaptation policy on agricultural production in Eastern AfricaJ] Ecological Economics，2016，121：54-64

5]Nkomozepi T，Chung S O Assessing the trends and uncertainty of maize net irrigation water requirement estimated from climate change projections for ZimbabweJ] Agricultural Water Management，2012，111：60-67

6]符娜，劉小剛，張巖，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]符娜，李闖，劉艷偉，等 基于灌溉需求指數的滇中地區烤煙需水量時空變化分析J] 農業機械學報，2016，47（4）：155-161

8]李闖，劉艷偉，符娜，等 基于作物水分盈虧指數的昆明水稻生長季干旱特征及成因分析J] 干旱地區農業研究，2016，34（3）：186-192

9]王衛光，孫風朝，彭世彰，等 水稻灌溉需水量對氣候變化響應的模擬J] 農業工程學報，2013，29（14）：90-98

10]ZK（#]劉曉英，李玉中，郝衛平 華北主要作物需水量近50年變化趨勢及原因J] 農業工程學報，2005，21（10）：155-159

11]劉鈺，汪林，倪廣恒，等 中國主要作物灌溉需水量空間分布特征J] 農業工程學報，2009，25（12）：6-12

12]成林，劉榮花，王信理 氣候變化對河南省灌溉小麥的影響及對策初探J] 應用氣象學報，2012，23（5）：571-577HJ17mm]

13]魯向暉 基于氣候變化的豫西冬小麥保護性耕作效果模擬研究D] 楊凌：西北農林科技大學，2010

14]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

15]馬黎華，康紹忠，粟曉玲，等 農作區凈灌溉需水量模擬及不確定性分析J] 農業工程學報，2012，28（8）：11-18

16]Smith M CROPWAT：a computer program for irrigation planning and managementM] Rome：Food and Agriculture Organization of the United Nations，1992

17]申雙和，盛瓊 45年來中國蒸發皿蒸發量的變化特征及其成因J] 氣象學報，2008，66（3）：452-460

18]欒兆擎，章光新，鄧偉，等 松嫩平原50年來氣溫及降水變化分析J] 中國農業氣象，2007，28（4）：355-358，363

19]魏清順，孫西歡，劉在倫 導流器幾何參數對潛水泵性能影響的通徑分析J] 排灌機械工程學報，2014，32（3）：202-207

20]南紀琴，肖俊夫，劉戰東，等 河南地區不同年代不同季節參考作物蒸發蒸騰量研究J] 灌溉排水學報，2013，32（5）：20-25

21]劉小剛，符娜，李闖，等 河南省主糧作物需水量變化趨勢與成因分析J] 農業機械學報，2015，46（9）：188-197

22]楊琪，張勃，尹海霞，等 甘肅河東地區近50年小麥需水量變化趨勢及影響因子J] 生態學雜志，2013，32（11）：3074-3081endprint