北疆春小麥不同生育階段需水量變化的氣候響應(yīng)

祁嘉郁,巴特爾·巴克，卡力比爾·買買提

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

在20世紀(jì)80年代，施雅風(fēng)院士發(fā)現(xiàn)中國西北地區(qū)降雨有增多的趨勢，并推斷西北氣候可能正由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型[1]。此后的實際觀察結(jié)果印證了這一推斷，研究者也進(jìn)一步應(yīng)用全球氣候模式對這一變化趨勢在21世紀(jì)的發(fā)展進(jìn)行了分析[2]。區(qū)域氣候變化必然對許多自然系統(tǒng)產(chǎn)生影響，包括降水量的變化對區(qū)域內(nèi)作物需水量的效應(yīng)。水分是西北干旱半干旱地區(qū)作物生產(chǎn)的主要限制因素，降水是農(nóng)業(yè)用水的只要來源之一，因而研究降水與作物需水量的關(guān)系對指導(dǎo)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。作物需水量是灌溉決策與水資源規(guī)劃的基礎(chǔ)和依據(jù)[3]。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合作物系數(shù)，基于野外定向觀測和氣象數(shù)據(jù)等分析不同作物需水量、灌溉需水量的變化及成因。基于野外滴灌觀測試驗，陳秋帆等[4]研究了云南春作馬鈴薯的作物系數(shù)及需水量變化規(guī)律；基于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的參考作物蒸散量計算方法與作物系數(shù)，并結(jié)合逐日氣象數(shù)據(jù)，宋妮等[5]、符娜等[6]和吳燕鋒等[7]分別研究了河南省、西南地區(qū)和石河子地區(qū)作物不同生育期需水量變化特征及其氣候成因。基于氣象資料與作物生育期資料分析，楊曉琳等[8]和黃志剛等[9]認(rèn)為，黃淮海農(nóng)作區(qū)冬小麥需水量以及松嫩平原玉米需水量均呈現(xiàn)下降趨勢。北疆地區(qū)是中國春小麥的主產(chǎn)區(qū)，但同時水資源不足也是影響春小麥生產(chǎn)的一大限制因素。灌溉對于北疆地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)的重要作用不言而喻。目前，相關(guān)研究大多集中在北疆的氣候資源變化特征上，對作物需水量的研究主要針對單一地區(qū)作物全生育階段水分的變化特征，對北疆春小麥不同生育時期需水規(guī)律研究較少。因此，本研究根據(jù)北疆地區(qū)26個主要氣象站點56年的氣象資料，分析北疆地區(qū)春小麥各生育時期作物需水量與灌溉需水量的變化特征及其氣候成因，以期為該地區(qū)春小麥科學(xué)合理灌溉方案的制定提供理論參考。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北疆地區(qū)位于新疆維吾爾族自治區(qū)天山以北，是典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫-4～9 ℃，年降水量150～200 mm，全年無霜期140～185 d。小麥生產(chǎn)是新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的支柱性產(chǎn)業(yè)，目前全疆小麥面積有80多萬 hm2，其中春小麥占40%左右，而北疆地區(qū)又是春小麥的重要種植區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用資料是由國家氣象信息中心(http://cdc.nmic.cn/home.do)提供的北疆地區(qū)26個氣象站點1961-2016年逐日氣溫、降水量、日照時數(shù)、風(fēng)速、相對濕度等資料。表1顯示了26個氣象站點的分布情況。

1.3 研究方法

運用趨勢分析法[10]和相關(guān)性分析[11]，探究北疆地區(qū)春小麥各生育階段作物需水量、灌溉需水量的年際變化特征及其氣候成因。本研究所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析均在Excel下進(jìn)行，并結(jié)合SPSS進(jìn)行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)差異的顯著性采用ANOVA進(jìn)行檢驗。

表1 研究區(qū)域氣象站點位置Table 1 Location of the weather stations in the study area

1.3.1 參考作物蒸散量的計算

據(jù)統(tǒng)計，目前有20余種參考作物蒸散量的估算模型[12]，大致可分為基于溫度的估算模型(FAO-24 Blaney-Criddle)、基于能量的估算模型(FAO-24 radiation)、基于蒸發(fā)皿的估算模型(FAO-56 Panevaporation等)以及基于結(jié)合型的估算模型(FAO-24Penman)。其中，PenmanMonteith公式[13]被FAO推薦為計算參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法，該公式經(jīng)美國灌溉與水文技術(shù)委員會(ASCE)測試比較，精度較高，因而在國內(nèi)外廣泛被應(yīng)用。

(1)

式中，△為飽和水汽壓曲線斜率 (kPa·℃-1)；γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)；U2為距地面2 m處的風(fēng)速(m·s-1)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量 (MJ·m-2·d-1)；T為日平均氣溫(℃)；ea為飽和水汽壓(kPa)；ed為實際水汽壓(kPa)。

1.3.2 作物系數(shù)的確定

FAO-56將大多數(shù)作物的生育期劃分為初始生長期、生長發(fā)育期、生長中期和生長末期。春小麥初始生長期指播種至拔節(jié)期，生長發(fā)育期指拔節(jié)至抽穗期，生長中期指抽穗到乳熟期，生長末期指乳熟到成熟期[14]。作物系數(shù)與作物生育階段相關(guān)，因地區(qū)海拔等因素而存在差異性，故本文將研究區(qū)域春小麥作物系數(shù)Kcmid根據(jù)FAO-56的推薦值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整公式如下：

Kcmid=Kcmid+[0.04(U2-2)-0.004(RHmin-45)](h/3)0.3

(2)

(3)

(4)

1.3.3 春小麥作物需水量的計算

本研究主要引用已有研究結(jié)果[14-15]劃分北疆春小麥生育時期并通過調(diào)整確定作物系數(shù)(表2)，春小麥作物需水量可根據(jù)參考作物蒸散量計算得到：

ETc=ET0×Kc

(5)

式中，ETc為作物需水量(mm)；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸散量(mm)。

表2 春小麥各生育時期的劃分與不同生育時期的作物系數(shù)Table 2 Division of spring wheat growth stages and crop coefficients at different growth stages

1.3.4 春小麥灌溉需水量的計算

春小麥各生育階段有效降水量即該階段實際補充到春小麥根層土壤中的凈降水量，代表總降水量的有效部分。本文利用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量計算方法[16]，即：

(6)

式中：Pe為日有效降水量(mm·d-1)；t為日總降水量(mm·d-1)。

灌溉需水量IR由作物需水量和有效降水量的差值來定義[17]，計算公式如下：

IR=ETc-Pe

(7)

式中，IR為作物灌溉需水量(mm)；Pe為作物生育期內(nèi)有效降雨量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 春小麥不同生育時期作物需水量變化特征

過去56年，北疆地區(qū)春小麥作物需水量在不同生育時期變化趨勢和變化率均有所不同(圖1)。從變化趨勢上來看，各生育時期總體均呈現(xiàn)下降趨勢，其中拔節(jié)-抽穗期作物需水量下降趨勢最顯著，變化率為-0.239 mm·a-1，1968年達(dá)到最高值(154.38 mm)，1988年出現(xiàn)最低值(114.48 mm)；其次是抽穗-乳熟期，作物需水量最低值出現(xiàn)在2015年(141.22 mm)，最高值出現(xiàn)在1974年(189.34 mm)；乳熟-成熟期作物需水量波動較大，變化率為-0.186 mm·a-1，2016年達(dá)到最低值(76.19 mm)，1982年達(dá)到最高值(100.81 mm)；播種-拔節(jié)期作物需水量呈輕微的下降趨勢，氣候變化率為-0.005 mm·a-1，在1966年出現(xiàn)最低值(104.13 mm)，在1997年出現(xiàn)最高值(141.22 mm)。

2.2 春小麥不同生育時期灌溉需水量變化特征

生育期內(nèi)北疆地區(qū)春小麥的灌溉需水量均呈減少趨勢(圖2)，其中乳熟-成熟期灌溉需水量下降趨勢最顯著，變化率為-0.385 mm·a-1，1974年達(dá)到最高值(92.17 mm)，2016年出現(xiàn)最低值(24.95 mm)；其次是拔節(jié)-抽穗期，灌溉需水量最低值出現(xiàn)在1988年(76.14 mm)，最高值出現(xiàn)在1968年(147.56 mm)；播種-拔節(jié)期與抽穗-乳熟期灌溉需水量均呈輕微的下降趨勢，氣候變化率分別為-0.232與-0.231 mm·a-1，播種-拔節(jié)期在2002年出現(xiàn)最低值(62.76 mm)，在1997年出現(xiàn)最高值(135.56 mm)，抽穗-乳熟期在1987年出現(xiàn)最低值(106.39 mm)，在1974年出現(xiàn)最高值(180.31 mm)。

2.3 氣候成因分析

2.3.1 春小麥生育期氣候要素變化特征

從表3可以看出，56年來北疆地區(qū)春小麥乳熟-成熟期的平均相對濕度呈增大趨勢，而在其他生育時期均呈現(xiàn)減少趨勢，但未達(dá)到顯著水平；全生育期日照時數(shù)呈減少趨勢，而在拔節(jié)-抽穗期呈略微增加趨勢，且日照時數(shù)變化在拔節(jié)-抽穗期和抽穗-乳熟期均達(dá)到了顯著水平；全生育期平均水汽壓呈增加趨勢，但均未達(dá)到顯著水平；春小麥全生育期平均風(fēng)速呈減少趨勢，且在乳熟-成熟期減少趨勢達(dá)到了顯著水平；全生育期平均氣溫呈明顯的增加趨勢，且在抽穗-乳熟期達(dá)到了顯著水平；全生育期內(nèi)降水量增勢較大，但均未達(dá)到顯著水平。綜合分析可以看出，北疆地區(qū)整體呈明顯的暖濕化趨勢，這是區(qū)域水熱資源隨全球變化而產(chǎn)生的效應(yīng)，但水熱資源存在年際和年內(nèi)分配不均等情況，導(dǎo)致各個生育時期水熱資源增勢彼此間仍有較大差異。

2.3.2 春小麥作物需水量與氣候要素的關(guān)系

為進(jìn)一步探究北疆地區(qū)春小麥不同生育時期作物需水量受氣候要素的影響，分別對各生育時期春小麥作物需水量與氣候要素進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(表4)表明，全生育時期春小麥作物需水量與各氣象因子之間存在極顯著的相關(guān)性。全生育期作物需水量與降水量、平均相對濕度和平均水汽壓均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與日照時數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫均呈極顯著正相關(guān)，其中與降水量和日照時數(shù)相關(guān)性較高。在不同生育時期，氣象因子與作物需水量相關(guān)性有所不同，平均相對濕度與作物需水量在各時期都呈極顯著負(fù)相關(guān)；作物需水量與日照時數(shù)呈正相關(guān)，其中乳熟-成熟期相關(guān)性未達(dá)顯著水平，其余時期相關(guān)性都均達(dá)到極顯著水平；平均水汽壓與作物需水量僅僅在播種-拔節(jié)期呈正相關(guān)，且在播種-乳熟期的相關(guān)性都未達(dá)顯著水平，在乳熟-成熟期呈顯著負(fù)相關(guān)；作物需水量與平均風(fēng)速在播種-拔節(jié)期呈不顯著正相關(guān)，其余時期都呈極顯著正相關(guān)；平均氣溫與作物需水量在乳熟-成熟期呈顯著正相關(guān)，在播種-乳熟期呈極顯著正相關(guān)；在各生育時期，作物需水量與降水量都呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 春小麥不同生育時期氣象因子變化趨勢Table 3 Trends of meteorological factors at different growth stages of spring wheat

2.3.3 春小麥灌溉需水量與氣候要素的關(guān)系

為進(jìn)一步探究北疆地區(qū)春小麥不同生育時期灌溉需水量受氣候要素的影響，分別對各生育時期春小麥灌溉需水量與氣候要素進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(表5)表明，春小麥灌溉需水量與降水量、平均相對濕度和平均水汽壓在全生育期均呈極顯著負(fù)相關(guān)，且與降水量相關(guān)性最強；與日照時數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫在全生育期均呈正相關(guān)，其中與平均氣溫呈顯著正相關(guān)，與日照時數(shù)和平均風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)。在各生育時期，平均相對濕度與灌溉需水量都呈極顯著負(fù)相關(guān)；灌溉需水量與日照時數(shù)都呈極顯著正相關(guān)；平均水汽壓與灌溉需水量在播種-拔節(jié)期呈顯著負(fù)相關(guān)，其余生育時期都呈極顯著負(fù)相關(guān)；灌溉需水量與平均風(fēng)速呈正相關(guān)，且在播種-拔節(jié)期未達(dá)到顯著水平，在拔節(jié)-乳熟期和乳熟-成熟期分別達(dá)到顯著和極顯著水平；平均氣溫與灌溉需水量乳熟-成熟期呈顯著正相關(guān)，其余生育時期都呈極顯著正相關(guān)；在各生育時期，灌溉需水量與降水量都呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表4 春小麥不同生育時期作物需水量與氣候要素的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between crop water demand of spring wheat at different growing stages and climatic factors

表5 春小麥不同生育時期作物灌溉需水量與氣候要素的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between crop irrigation amount of spring wheat at different growing stages and climatic factors

3 討 論

作物需水量的變化是各氣象因素綜合作用的結(jié)果，且各氣象因子的貢獻(xiàn)存在時間差異，判斷作物水分盈虧狀況并實施科學(xué)合理的灌溉措施，不僅需要對作物各生育時期水分需求進(jìn)行探究，還需及時跟蹤并分析不同生育時期作物灌溉需求狀況[18-19]。本研究分析了各生育時期春小麥作物需水量和灌溉需水量及其氣候成因。結(jié)果表明，北疆地區(qū)春小麥作物需水量和灌溉需水量在抽穗-乳熟期最大，且該地區(qū)春小麥旱災(zāi)風(fēng)險仍然較高，這與前人的研究結(jié)論基本一致[20]。不同生育時期灌溉需水量表明，該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展對灌溉有著很強的依賴性。

氣候變化下，過去56年北疆地區(qū)春小麥作物需水量總體呈減少趨勢，拔節(jié)-抽穗期減勢最為明顯。伴隨著作物需水量的減少、降水量的增加，灌溉需水量也呈減少趨勢，其中乳熟-成熟期減勢最明顯。過去56年北疆地區(qū)春小麥生育期降水量的增勢達(dá)到5.68 mm·10 a-1(表2)，且在播種-拔節(jié)期增勢最明顯，為2.27 mm·10 a-1，而抽穗-乳熟期增勢最弱為0.041 mm·10 a-1，因此提高春小麥抽穗-乳熟期灌溉量顯得尤為重要。降水量的增加對于該地區(qū)灌溉需水量的減少有很大貢獻(xiàn)，而灌溉需水量是基于作物需水量和降水量計算所得，這進(jìn)一步表明降水量對于北疆地區(qū)春小麥的水分盈虧有著重要的影響。

各氣象因子對作物需水量與灌溉需水量的影響極其復(fù)雜。本研究表明，日照時數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫與春小麥作物需水量呈顯著正相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果有較好的一致性[21-22]。從過去56年氣候變化事實來看，雖然降水量有所增加，但是考慮到社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展走向、溫室氣體的排放狀況以及氣候情景的預(yù)估模擬等方面的情況，未來該地區(qū)氣候變化趨勢仍然存在很大的不確定性，灌溉依舊是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要依賴，因此在明確作物各生育期需水量變化的前提下，可采取針對性措施，如在春小麥關(guān)鍵期保證其灌溉用水，合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、種植面積，采用節(jié)水灌溉措施等，來有效應(yīng)對氣候變化造成的負(fù)面影響。

春小麥生育期需水量除了受到氣候變化的影響，還會受到人為因素、社會因素以及經(jīng)濟(jì)因素的影響，尤其是春小麥品種的更新、肥料的改進(jìn)以及管理水平的提高等，由于這些因素?zé)o法實現(xiàn)定量化分析，本研究在分析北疆地區(qū)春小麥需水量變化時重點考慮了氣候因素的影響，關(guān)于如何優(yōu)化其他因素，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，還需進(jìn)一步 探究。

4 結(jié) 論

(1)過去56年，北疆地區(qū)春小麥作物需水量在抽穗-乳熟期最大；總體呈減少趨勢，其中拔節(jié)-抽穗期減勢最明顯；灌溉需水量同樣在抽穗-乳熟期最大；總體也呈減少趨勢，其中乳熟-成熟期減勢最明顯。

(2)在春小麥不同生育時期，各氣象因子與作物需水量和灌溉需水量相關(guān)性顯著。其中降水量對作物需水量與灌溉需水量影響最大，且呈極顯著負(fù)相關(guān)；日照時數(shù)與平均相對濕度影響次之。