北疆地區棉花生育期需水量變化特征及成因分析

卡力比爾·買買提，巴特爾·巴克，祁嘉郁

（新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊830052）

作物需水量是在正常生育狀態和適當的水、肥前提下，作物全生育期中田地消耗于自身蒸散的水分總和[1]，它是灌溉工程和水資源規劃的基本依據[2]。不同農作物的需水量隨生育期而變化，氣溫、降雨等氣象因子對作物需水量有顯著的影響。為此，國內外研究人員對不同地區的農作物需水量和灌溉需水量做了一些研究。王小靜[3]等以西北地區的氣象資料為基礎，結合該地區農作物整個生育期資料，探討了各生育期需水量和灌溉需水量的時空變異，并分析了產生差異的原因。武永利[4]等基于Penman-Monteith 公式，研究了山西省冬小麥生育期需水變化特征。周迎平[5]等對河南省幾種農作物的需水變化規律進行了分析。吳燕鋒[6]等對石河子地區59 a 來冬小麥需水量和灌溉需水量進行了研究，并探討了氣候變化對冬小麥生產的影響。陳超[7]等根據我國51 a 來的地面氣象資料和棉花生育期資料，計算了調查地區棉花全生育期中的需水量，并探討了水分虧缺變化規律。聶堂哲[8]等基于單作物系數法和GIS的空間分析功能，研究了黑龍江省玉米需水量的時空分布特征。楊曉琳[9]、宋妮[10]等研究了冬小麥需水量時空變化特征及氣候影響因素。曹紅霞[11]等對關中地區冬小麥和夏玉米各生育期需水量的變化規律進行了研究。吳灝[12]等建立CROPWAT模型研究水稻每個生育期中需水量和灌溉需水量變化規律及氣象因子的影響效應。

灌溉需水量一般是指除了有效降雨量之外能滿足植物正常生長被吸收的水量[13]。灌溉在新疆北疆地區占有十分重要的作用。目前，由于氣候因素的分析和研究領域的不同，對氣候變化下作物需水量的研究存在很大差異以及干旱區長時間序列作物需水量變化規律探討不足，尤其是對北疆地區棉花不同生育期灌溉需水量研究較少[14，15]。因此，本文基于北疆地區56 a 的氣象資料，探討北疆地區棉花不同生育期需水量和灌溉需水量的變化趨勢及其對氣候因子的響應，并為確定氣候變化情況下的棉花需水量和灌溉需水量奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

北疆地區位于新疆維吾爾族自治區北部，新疆的地理特征是“三山夾兩盆”，新疆最北部為阿爾泰山，中部為天山，最南部為昆侖山系。阿爾泰山和天山之間為準噶爾盆地。北疆屬溫帶干旱半干旱區，全年降雨量150～200 mm 以上；無霜期140～185 d。四季分明是北疆的一大特點。

1.2 數據來源

利用中國氣象局國家信息中心提供的北疆地區26 個氣象站點（見圖1）56 a 的棉花生育期逐日氣象數據，包括平均氣溫、平均水汽壓、平均風速、相對濕度、降雨量、日照時數，數據經過嚴格的質量檢驗，確保數據的準確性。

1.3 研究方法

1.3.1 棉花需水量

參考FAO 推薦的Penman-Monteith 公式[16]計算棉花需水量(ETc)的公式為：

式中：ETc為作物需水量，mm；Kc為作物系數，作物系數因作物生育期而異，是計算棉花需水量中的重要參數；ET0為參考作物蒸散量，mm。

北疆地區棉花屬于干旱氣候類型區，本文利用已有的研究成果[17]對北疆棉花生育期進行了劃分，并給出了各生育期的作物系數(見表1)。

表1 棉花各生育期劃分及不同生育期的作物系數Tab.1 Division of cotton growth period and crop coefficient of different growth period

1.3.2 棉花灌溉需水量

灌溉需水量IR由作物需水量和有效降雨量的差值來定義，計算公式如下[18]：

式中：IR為作物灌溉需水量，mm；Pe為有效降雨量，mm。

采用Excel、SPSS 計算并分析1961-2016年作物需水量、灌溉需水量與氣象因子變化趨勢的相關關系。

2 結果與分析

2.1 棉花不同生育期作物需水量的變化特征

圖2顯示，過去56 a來北疆棉花各生育期需水量的變化規律各不相同。從變化趨勢來看，棉花全生育期下降趨勢最明顯，氣候傾向率是-0.935 mm/a，1961-1974年為上升趨勢，之后呈下降趨勢，2016年出現最低值為428.9 mm，1974年達到最高值為549.1 mm；其次是花鈴期氣候傾向率為-0.635 mm/a，1968 達到最高值為342.85 mm，2016年出現最低值為260.61 mm；現蕾期和苗期氣候傾向率依次為-0.167、-0.122 mm/a，1974年達到最高值分別為95.26、86.7 mm，最低值出現在2016年依次為71.62、67.08 mm；吐絮期氣候傾向率為-0.065 mm/a；1977年達到最高值為35.51 mm，1992年出現最低值為27.72 mm； 從每個生育期的平均需水量來看，花鈴期的均值最大，達到305.02 mm，其次是現蕾期、苗期、吐絮期均值依次為84.52、76.52、32.02 mm。

2.2 棉花不同生育期灌溉需水量變化特征

圖3所示，棉花每個生育期的灌溉需水量總體上呈減少趨勢，全生育期下降趨勢最為明顯，氣候傾向率為-1.137 mm/a；其次是花鈴期、苗期和現蕾期，氣候傾向率依次為-0.643、-0.223、-0.191 mm/a。1968年花鈴期達到最高值336.66 mm，苗期和現蕾期1974年達到最高值分別為71.89、88.52 mm。2016年花鈴期出現最低值212.03 mm，1988年苗期出現最低值31.79 mm，2016年現蕾期出最低值為46.73 mm。吐絮期下降趨勢不顯著，氣候傾向率為-0.078 9 mm/a，1978年達到最高值24.44 mm，2015年出現最低值0.94 mm。過去56 a，棉花4個生育期中，花鈴期灌溉需水量最高，均值達到289.95 mm，其次，現蕾期＞苗期＞吐絮期，均值依次為68.52、50.96、13.34 mm。

2.3 成因分析

2.3.1 棉花生育期氣象因子的變化

通過北疆棉花不同生育期氣象因子的變化規律（見表2），可以看出，棉花全生育期平均水汽壓、平均風速、日照時數、平均相對濕度均呈減少趨勢，平均氣溫和降雨量均呈上升趨勢；生育期中苗期和吐絮期平均相對濕度均呈下降趨勢。

棉花各生育期的日照時數也呈減少趨勢，尤其是現蕾期減少趨勢尤為顯著，平均風速在棉花全生育期及各個生育期均呈減少趨勢，花鈴期減少趨勢最為明顯。棉花整個生育期的平均氣溫呈明顯的上升趨勢，特別是吐絮期最顯著。全生育期內降雨量除吐絮期外都呈上升趨勢，其中，花鈴期和全生育期增長趨勢最顯著，達到0.147、0.567 mm/a。以上研究表明，北疆氣候變化趨勢與全疆基本一致，但由于降雨量和熱量分布的差異，棉花生育期降雨量和熱量的變化率也不同。

2.3.2 作物需水量與氣象因子的關系

表2 棉花各個生育期氣象因子的變化趨勢Tab.2 Variation trend of meteorological factors in different growth stages of cotton

為研究北疆棉花每個生育期對作物需水量的響應，分析了棉花需水量和氣象因子的關系，結果見表3。整個生育期的棉花需水量與日照時數、平均風速正相關而且相關性達到極顯著水平；與平均相對濕度、平均水汽壓、平均氣溫和降雨量都呈負相關，其中，與平均相對濕度、降雨量的相關性最顯著。平均相對濕度與棉花每個生育期作物需水量呈顯著負相關，且都呈現出極顯著負相關性。日照時數與棉花需水量呈正相關，而且在棉花各個生育期都達到極顯著水平。平均水汽壓在棉花各生育期內除了花鈴期，其余生育期與棉花作物需水量均呈正相關，且在現蕾期達到顯著水平。在棉花整個生育期內，棉花全生育期平均氣溫與作物需水量呈負相關，在其他生育期均呈正相關，且在苗期達到極顯著水平。降雨量與棉花作物需水量的關系在每個生育期均呈負相關，且各個生育期都均呈現極顯著水平。每個生育期平均風速與作物需水量都呈正相關，并且在各個生育期都達到了極顯著水平。

2.3.3 灌溉需水量與氣象因子的關系

為探究北疆棉花全生育期灌溉需水量對氣象因子的影響，對棉花整個生育期灌溉需水量和氣象因子做了相關分析，結果顯示在表4。整個生育期，平均相對濕度、平均水汽壓和降雨量與棉花灌溉需水量呈顯著的負相關，與日照時數、平均氣溫和平均風速呈正相關。在每個生育期中，平均相對濕度與棉花每個生育期灌溉需水量均呈極顯著負相關。日照時數與棉花每個生育期灌溉需水量呈正相關，其中，除了花鈴期，其余生育期都達到了極顯著水平。平均水汽壓在棉花苗期、現蕾期、吐絮期與灌溉需水量均呈負相關，但花鈴期、全生育期呈正相關。平均風速在棉花全生育期與灌溉需水量均為正相關，且除了吐絮期，剩下生育期都達到了極顯著水平。平均氣溫與棉花每個生育期灌溉需水量均呈正相關，且在苗期達到極顯著水平，吐絮期達到顯著水平。降雨量與棉花每個生育期灌溉需水量均呈極顯著負相關。

表3 棉花不同生育期作物需水量與氣象因子的關系Tab.3 Relationship between crop water requirement and meteorological factors at different growth stages of cotton

表4 棉花不同生育期灌溉需水量與氣象因子的關系Tab.4 Relationship between irrigation water requirement and climatic factors in different growth stages of cotton

3 結 論

本文探究了棉花各個生育期灌溉需水量、作物需水量的變化情況及其與氣象因子之間的關系。通過對棉花每個生育期作物需水量和氣象因子的分析，可看出棉花花鈴期作物需水量和灌溉需水量最高，這與前人的研究成果幾乎一致[19]。北疆地區旱災風險較嚴重[20]，為此，在棉花整個生育期特別是花鈴期合理的灌溉及科學的管理水資源，對提高棉花產量具有很大的意義。通過分析北疆地區氣象因子的變化規律，得出日照時數呈下降趨勢，這與薛亞榮[21]等的研究成果幾乎一致；降雨量和平均氣溫總體呈增加趨勢，這與王梅的研究成果一致[22]。研究得出：

(1)過去56 a來北疆棉花作物需水量整體上呈現下降趨勢，花鈴期最為顯著，氣候傾向率為-0.635 mm/a，均值為305.02 mm。灌溉需水量整體上也呈現下降趨勢，其中花鈴期灌溉需水量最高、下降趨勢最顯著，均值為289.95 mm，氣候傾向率為-0.643 mm/a。

(2)氣候因子對棉花不同生育期作物需水量和灌溉需水量的影響重大。各氣象因子在棉花不同生育期對灌溉需水量的影響有所不同，其中降雨量對灌溉需水量的影響最明顯，其次是相對濕度和水汽壓。