信陽(yáng)市冬小麥需水量的時(shí)空分布及其氣候影響分析

楊慧潔,孟祥杰,趙 輝

(1.信陽(yáng)市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，河南 信陽(yáng) 464000；2.信陽(yáng)市氣象局，河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

作物需水量的估算和預(yù)測(cè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和農(nóng)田水資源優(yōu)化配置中起著重要的作用。近年來(lái)受自然和人類(lèi)活動(dòng)共同影響導(dǎo)致了全球性的氣候變暖[1]。氣溫升高一定程度上影響降水的變化，兩者時(shí)空變化將會(huì)直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和耗水過(guò)程，進(jìn)而影響作物的需水量[2]。

研究人員對(duì)不同區(qū)域冬小麥需水特征做了大量分析工作[3～14](劉曉英等， 2005； 劉鈺等，2009； 方文松等，2009； 左余寶等，2009； 楊曉琳等，2012； 劉勤等，2013； 孫爽等，2013； 甄小麗等，2017；龐艷梅，2017)。結(jié)果顯示不同的區(qū)域，同一作物需水量表現(xiàn)特征不同。孫爽等[9]分析了1961-2010年全國(guó)356個(gè)站點(diǎn)冬小麥需水量數(shù)據(jù)，整體呈下降趨勢(shì)。曹紅霞等[12]分析1961-2001年關(guān)中地區(qū)30個(gè)氣象站冬小麥需水量的年際變化，結(jié)果表明小麥需水量變化不一致，17個(gè)站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，13個(gè)站點(diǎn)呈減少趨勢(shì)。宋妮等[13]分析了河南省17個(gè)站點(diǎn)冬小麥需水量的年際變化，有7個(gè)站呈上升趨勢(shì)，10個(gè)站則呈下降趨勢(shì)。時(shí)間序列、分析方法的不同都可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)論的不一致。楊曉琳等[7]認(rèn)為1960-2009年黃淮海冬小麥需水量減少的最主要的氣象因素是太陽(yáng)輻射量下降。

筆者研究基于信陽(yáng)市1961-2016年逐日氣象資料，分析信陽(yáng)市冬小麥全生育期需水量的時(shí)空分布特征，并對(duì)其主要影響因素進(jìn)行探，對(duì)全球氣候變化背景下指導(dǎo)信陽(yáng)冬小麥水資源配置具有指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域概況

信陽(yáng)地處我國(guó)南北氣候過(guò)渡帶，淮河流經(jīng)信陽(yáng)地區(qū)北部，絕大部分地區(qū)位于淮河以南，是亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡地帶，年平均日照時(shí)數(shù)2 000 h左右，年平均溫度15.1～15.3℃，年平均降水量為1 100 mm左右，廣泛種植水稻、小麥、油菜等糧食作物。

2.2 數(shù)據(jù)與方法

數(shù)據(jù)來(lái)源于信陽(yáng)各國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站，時(shí)間序列為1961-2016年共56 a的逐日觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括：逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速。研究區(qū)內(nèi)冬小麥播種收獲時(shí)間，統(tǒng)一選擇10月至翌年5月作為冬小麥生育期。冬小麥全生育內(nèi)需水量系數(shù)估算。

ETC=KC×ET0

(1)

式中，ETC為作物需水量(mm·d-1)，ET0為參考作物蒸散量(mm·d-1)，KC為作物系數(shù)[15]。其中ET0的計(jì)算[16]，見(jiàn)公式(2)。

(2)

式中，Rn為凈輻射(MJ·m-2·d-1)， 為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)， 為日平均氣溫(℃)，u2為2 m高處風(fēng)速(m·s-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實(shí)際水汽壓(kPa )， 為飽和水汽壓-溫度曲線(xiàn)斜率(kPa ·℃-1)， 為干濕表常數(shù)(kPa ·℃-1)。

分析冬小麥需水量和氣候要素時(shí)間變化時(shí)采用氣候傾向率法和一元線(xiàn)性回歸法[17]，分析氣候要素與冬小麥需水量相關(guān)關(guān)系時(shí)利用Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行檢驗(yàn)[18]。利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制時(shí)間序列圖，利用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用ArcGIS 10.0的反距離權(quán)重法(IDW)進(jìn)行空間差值得到空間分布圖[19]。

3 結(jié)果

3.1 冬小麥需水量時(shí)空變化特征

3.1.1 冬小麥需水量隨時(shí)間變化特征 由圖1可知，信陽(yáng)市1962-2016年區(qū)域平均需水量呈弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，氣候傾向率為2.6 mm·10a-1。與時(shí)間相關(guān)系數(shù)為0.17，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。信陽(yáng)市1962-2016年需水量低值年在1964年，高值年在2011年，平均需水量為394.1 mm。

表1為信陽(yáng)市1962-2016年各站點(diǎn)需水量隨時(shí)間變化特征。7個(gè)站點(diǎn)中僅1個(gè)站點(diǎn)的需水量隨時(shí)間明顯減少，氣候傾向率為-5.51 mm·10a-1，相關(guān)系數(shù)為-0.26(P<0.05)，剩余6個(gè)站點(diǎn)氣候傾向率均為正值，即隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，其中信陽(yáng)、光山和新縣通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，商城通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。各站點(diǎn)需水量的變異系數(shù)變化范圍為6.83%～8.98%，55 a需水量的變異系數(shù)平均值為6.1%。

表1 信陽(yáng)市冬小麥需水量氣候傾向率(mm·10a-1)、與時(shí)間相關(guān)系數(shù)及年代平均值 (mm)

注：*表示0.05水平顯著性檢驗(yàn)，**表示0.01水平顯著性檢驗(yàn)，下同。

3.1.2 冬小麥需水量隨空間變化特征 信陽(yáng)市1962～2016年平均需水量空間變異系數(shù)僅為1.9%，空間變異較小，信陽(yáng)市冬小麥需水量90年代空間差異較大，其余年代差異較小。信陽(yáng)市多年平均需水量在382.7～403.1 mm，整體看來(lái)，研究區(qū)域內(nèi)東部需水量較少、西部較多，低值區(qū)在息縣、關(guān)山一代，高值區(qū)在信陽(yáng)、新縣一代。較其他年代相比，信陽(yáng)市60年代和70年代冬小麥需水量較少，60年代多數(shù)站點(diǎn)不超過(guò)389.5 mm，70年代多數(shù)站點(diǎn)不超過(guò)395.5 mm。信陽(yáng)市80年代和90年代冬小麥需水量呈現(xiàn)一定的帶狀分布，大致分布為東部少、西部多。信陽(yáng)市2001～2016年冬小麥需水量最多，多數(shù)站點(diǎn)超過(guò)395.5 mm。

從各站點(diǎn)來(lái)看(表1)，息縣70年代冬小麥需水量最多，超過(guò)395.5 mm，其次是60年代，其他年代需水量較少，均不超過(guò)389.5 mm；羅山60年代和90年代需水量較少，不超過(guò)389.5mm，70年代和2001-2016年需水量最多，超過(guò)395.5 mm；信陽(yáng)60年代和70年代冬小麥需水量較少，不超過(guò)389.5 mm，其他年代需水量較多，超過(guò)395.5 mm；光山站冬小麥需水量逐年代增加；潢川站80年代和90年代需水量較少，不超過(guò)389.5 mm，其他年代較多，均超過(guò)395.5 mm；新縣60年代冬小麥需水量最少，不超過(guò)389.5 mm，其次是70年代，其他年代均超過(guò)395.5 mm；商城站2001-2016年需水量最多，超過(guò)395.5 mm，其他年代較少，均不超過(guò)389.5 mm。

3.2 冬小麥需水量氣候影響因素

3.2.1 冬小麥生育期內(nèi)氣候影響因素變化 由圖3可知，信陽(yáng)市1962-2016年降水量呈弱減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-12.1 mm·10a-1。平均氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，其氣候傾向率為0.29℃·10a-1(P<0. 01)。相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速均呈顯著減少趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-1.2%·10a-1(P<0. 01)、-31.4 h·10a-1(P<0. 01)、-0.21 m·s-1·10a-1(P<0. 01)。

可見(jiàn)，降水量年際波動(dòng)不大，其氣候傾向率為正，但未呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性趨勢(shì)變化，而同期的相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速呈顯著下降趨勢(shì)，平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)。

表2 信陽(yáng)市冬小麥需水量與氣候要素相關(guān)系數(shù)

3.2.1 冬小麥生育期內(nèi)氣候影響因素與需水量相關(guān)分析 表2統(tǒng)計(jì)分析了信陽(yáng)市1962-2016年冬小麥全生育期需水量與同期降水量、平均氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速等主要?dú)夂蛞刂g的相關(guān)關(guān)系。由表2可見(jiàn)，冬小麥全生育期需水量與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速呈不同顯著程度的正相關(guān)關(guān)系，與降水量和相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

上述結(jié)論表明氣溫顯著升高、相對(duì)濕度顯著下降和降水量減少對(duì)冬小麥全生育期需水量的正效應(yīng)超過(guò)了風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的顯著下降對(duì)冬小麥全生育期需水量的負(fù)效應(yīng)，受其綜合影響，信陽(yáng)市冬小麥全生育期需水量才呈上升趨勢(shì)。

為定量描述各氣候因子對(duì)冬小麥需水量的綜合影響，以需水量與表2中氣候因子分別為因變量和自變量，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行多元逐步回歸分析，建立統(tǒng)計(jì)模型，其中標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)的大小表示各自變量對(duì)因變量的相對(duì)重要性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，風(fēng)速和平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)最大，分別為32.29何29.29，其次是相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)，分別是-1.18和0.11，降水量標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)最小為-0.02；風(fēng)速、平均氣溫和日照時(shí)數(shù)的貢獻(xiàn)為正，而降水量和相對(duì)濕度的貢獻(xiàn)為負(fù)。從標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)看，風(fēng)速和平均氣溫對(duì)需水量的貢獻(xiàn)最大。

4 結(jié)論

(1)信陽(yáng)市1962-2016年區(qū)域平均需水量在382.7～403.1 mm，呈弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，研究區(qū)域內(nèi)，空間變異較小，東部需水量較少、西部較多。信陽(yáng)市1960 s和1970 s冬小麥需水量較少；2001-2016年冬小麥需水量最多。

(2)信陽(yáng)市1962-2016年降水量呈弱減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-12.1 mm·10a-1。平均氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速均呈顯著減少趨勢(shì)。因此，冬小麥全生育期需水量呈微弱增加趨勢(shì)，主要是由于日照時(shí)數(shù)的顯著減少和風(fēng)速的顯著下降，可能削弱了由氣溫顯著升高和相對(duì)濕度顯著減少所引起的需水量的增量。

(3)信陽(yáng)市冬小麥全生育期需水量與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速呈不同顯著程度的正相關(guān)關(guān)系，與降水量和相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。風(fēng)速和平均氣溫對(duì)需水量的貢獻(xiàn)最大。