河西走廊地區春小麥需水量驅動因素分析

戶廣勇，王素芬，楊 杰

(中國農業大學水利與土木工程學院，北京100083)

0 引 言

農作物需水量指的是大面積的無病蟲侵害的農作物，在土壤養分、肥力適合作物生長的情況下，在周圍環境有利于取得高產時，為滿足植株蒸騰、棵間蒸發，組成植株體所需要的水量[1]。眾多學者對作物需水量的影響因素進行了研究，閆苗祥[2]等采用主成分回歸分析法對鄭州市主要作物需水量的影響因子進行分析，得出不同作物不同生育期的主要影響氣象因子有所不同。段春峰、陳超等[3,4]分別采用偏相關系數分析法對西北地區和四川地區參考作物需水量的主要影響因素進行了研究，研究表明西北地區不同地點的參考作物需水量的主要因素存在空間變化。作物需水量在空間上具有較大的變異性，牛振國等[5]對內蒙半干旱鄂爾多斯高原沙地的參考作物需水量進行了研究，發現坡度、坡向等微地形因子對其具有很大影響。王景雷等[6]通過GIS技術和主成分分析法相結合來分析了大尺度下地理因子對作物需水空間分布變化的影響，得出華北地區影響冬小麥需水量變化的主導因子分別為熱力因子、水分因子和微地形因子。這些研究表明不同作物在不同地理條件下，作物需水量的影響因素會存在明顯變化。本文擬研究春小麥在甘肅省境內河西走廊地區地理要素和氣象要素對其需水量的影響。

1 研究區概況

河西走廊位于甘肅西北部、東起烏鞘嶺，西至甘肅與新疆交界處，南至祁連山、阿爾金山主分水嶺北坡，北至內蒙古自治區和蒙古國邊界。在地理上處于北緯37°17′～42°48′，東經 92°12′～103°48′之間。行政區劃上屬于甘肅省張掖、酒泉、武威、金昌、嘉峪關5市，由東到西分屬于石羊河、黑河和疏勒河三大水系。河西走廊氣候受大陸性氣候和青藏高原氣候綜合影響，較為復雜，平原區年降水量47～280 mm，年蒸發量1 300～4 000 mm。該區由于受氣候條件的影響，農業生產“非灌不殖”，農業用水占總用水量的90%以上，但光照條件好，農業生產潛力巨大，在占甘肅省19%的耕地面積上生產了全省32%的糧食和70%的商品糧以及占全省31%的農業產值。河西地區水資源的嚴重短缺已經成為制約農業發展導致生態環境破壞的主要原因。

2 數據來源與研究方法

本研究收集了河西地區三大內陸河流域14個氣象站50年長系列的逐日基本氣象資料，氣象站包括烏鞘嶺、武威、民勤、永昌、山丹、張掖、高臺、酒泉、鼎新、金塔、玉門鎮、安西、敦煌和馬鬃山，站點分布如圖1所示。氣象資料包括日平均氣壓、日平均風速、日平均氣溫、日最高溫度、日最低溫度、日平均相對濕度、日降水量、日照時數，數據來源于中國氣象數據網。對數據進行處理得到各氣象要素在春小麥生育期內平均值及總平均值的空間分布。河西地區DEM數據，經過嚴格的幾何校正、配準、投影變換處理得到坡度、坡向、高程等地理因子的空間分布圖。

圖1 河西地區氣象站點分布Fig.1 Weather stations distributed in Hexi region

作物需水量采用FAO-56 Penman-Monteith公式計算[7]，首先由所獲得的各站基本氣象數據計算得出參考作物需水量ET0，通過相關資料[8,9]查得河西地區各縣域春小麥生育期作物系數Kc，與參考作物需水量相乘并進行IDW反距離加權法插值得出春小麥ETc的空間分布。基于GIS操作對河西走廊地區均勻劃分為2 490個單元柵格，柵格轉點后并分別對各單元柵格內的地理因素和氣象因素等13個要素數據進行采樣，運用SPSS軟件對其進行因子分析，實現河西地區氣象因素和地理因素綜合分類并得到各類主因子對作物需水量貢獻率的大小分布。對河西地區不同站點氣象因素與作物需水量進行相關性分析，分析得出不同地點不同氣象要素對作物需水量的影響大小。

3 結果分析

3.1 河西地區春小麥需水量分布

河西走廊地區春小麥生育期需水量ETc分布規律大致服從沿疏勒河流域、黑河流域到石羊河流域逐漸減小的趨勢(見圖2)，分布趨勢與年參考作物需水量ET0大致相同[10]。其中最大值出現在河西走廊西北部馬鬃山一帶為668 mm，春小麥ETc沿走廊向東南方向逐漸減小，最小值均出現在東南部古浪、天祝一帶，為360 mm。民勤地區春小麥需水量相對石羊河流域整體水平相對較大為600 mm，山丹地區現對于黑河流域春小麥需水量相對較低。

圖2 春小麥ETc分布圖Fig.2 Spring wheat ETc map

3.2 因子分析

因子分析法是從研究變量內部相關的依賴關系出發，把一些具有錯綜復雜關系的變量歸結為少數幾個綜合因子的一種多變量統計分析方法[11]。它的基本思想是通過變量的相關系數矩陣內部結構的研究，將觀測變量進行分類，將相關性較高，即聯系比較緊密的分在同一類中，而不同類變量之間的相關性則較低，那么每一類變量實際上就代表了一個基本結構，即為因子。因子分析法實際上是一種“降維”的統計方法。因此，基于SPSS統計分析軟件中因子分析模塊對河西走廊地區春小麥需水量13個可能影響因素的空間柵格采樣數據進行因子分析，可得到春小麥需水量的3個因子和因子分析荷載矩陣如表1所示。

因子分析法需要通過KMO檢驗及Bartlett's球形檢驗。KMO檢驗及Bartlett's球形檢驗是兩個常用的因子分析模型有效性的統計指標，經檢驗KMO=0.765>0.5，Bartlett's球形檢驗Sig.取值為0，則表明適合進行因子分析。

由表1可以看出，因子1在主要氣象因素包括降水量、日照時長、溫度、大氣壓和相對濕度上具有較大荷載，因此定義因子1為氣象因子。因子2主要在風速上具有較大荷載，因此定義為風速因子，風速變量同為氣象要素之一，因為與氣象因子中各氣象要素相關性較小所以單獨定義為風速因子。因子3主要在坡度和高程等地理要素上具有較大荷載，因此定義為地理因子。

表1 春小麥需水量因子分析因子荷載矩陣Tab.1 Spring wheat water requirement factor analysis factor load matrix

注：表中E為經度，N為緯度，A*=cos[(π/180)*Aspect]，Aspect為坡向度數，H為高程，S為坡度，P為生育期多年平均降水量，h為生育期總日照時長，U2為多年生育期平均2 m高處風速，Tmax為多年生育期平均日最高溫度，Tmin為多年生育期平均日最低溫度，Tmean為生育期多年平均日均溫，Pa為平均大氣壓，RH為生育期多年平均相對濕度。以下字母含義與之相同。

對春小麥需水量的3個主因子進行因子貢獻率分析，分析結果如表2所示。

表2 春小麥需水量因子貢獻率Tab.2 Spring wheat water demand factor contribution rate

一般情況，公共因子的累積貢獻率超過80%則認為所得到的公共因子可以說明全部的原始信息。由表2可知3個主因子累積貢獻率達到86.5%，表明3個主要因子基本涵蓋了作物需水量13個影響因素的大部分信息。氣象因子、風速和地理因子的貢獻率分別為55.3%、18%和13%。各主因子的貢獻率與3個主因子累積貢獻率的比值為各主因子對春小麥需水量影響的權重值，氣象、風速、地理因子的權重分別為0.64、0.21、0.15。由春小麥需水量因子貢獻率分析可知氣象要素為影響河西走廊地區春小麥需水量的最主要因素，包括降水量、日照時長、溫度、大氣壓、相對濕度和風速。

將春小麥需水量綜合影響因素與作物需水量ETc進行線性回歸分析，建立河西地區春小麥需水量模型。

春小麥需水回歸模型：

ETc=4.745N+4.028E-3.398RH+6.368Tmean-

0.037h+62.266U2-1.222P-20.212

R2=0.977

R2=0.977，接近于1，說明殘差平方和較小，線性擬合程度較好。

3.3 氣象因素相關性分析

由因子分析可知氣象要素對河西地區春小麥需水量的貢獻率達到73%，成為河西走廊地區影響春小麥生育期需水量的最主要因素，并且有研究表明隨著空間位置的變化[10]，影響作物需水量的主要因素也可能會發生明顯變化。因此研究在河西走廊地區范圍內不同地點不同氣象要素對于春小麥需水量的影響程度十分有意義。對河西走廊地區不同地理位置的春小麥需水量和氣象要素的相關性進行分析，分別分析河西走廊地區各氣象站點的春小麥需水量與各氣象要素的相關性。各氣象要素與春小麥需水量相關系數如表3所示。

表3 各站點春小麥ETc與不同氣象要素的相關性系數Tab.3 Correlation coefficients of different meteorological elements with spring wheat ETc of sites

注：*和**分別表示通過了0.05和0.01水平的顯著性檢驗；絕對值大小表示相關性大小，負值表示呈負相關；①②③④分別表示各站點相關系數絕對值由大到小的排序。

石羊河流域除民勤外其他站點首要因子均為相對濕度，這與佟玲[12]對參考作物蒸發蒸騰量氣候因素影響的研究結果相同，烏鞘嶺和武威第二因子為溫度，第三因子分別為日照時長和風速，永昌第二、三因子分別為日照時長和溫度，民勤主要影響氣象因子為溫度和日照時長。

黑河流域山丹、張掖、酒泉和鼎新四站主要因子依次為相對濕度、風速，其次為日照時長，金塔站氣象影響因子依次為風速、溫度和日照時長，高臺主要影響因子為風速，其他因素未通過顯著性檢驗。

疏勒河流域除馬鬃山外其他站點主要因子為風速，玉門鎮和安西縣次要因子為相對濕度，敦煌次要因子為降水量，馬鬃山影響因子分別為溫度、日照時長和相對濕度，這和馬鬃山高緯度高海拔原因有關。

[1] 朱 暉. 寶雞峽灌區冬小麥作物需水量和缺水量的空間變異性分析[D]. 陜西楊凌：西北農林科技大學，2013： 79.

[2] 閆苗祥，楊軍耀. 鄭州市作物需水量影響因素主成分回歸分析[J]. 節水灌溉，2014，(7)： 22-24.

[3] 陳 超，龐艷梅，潘學標，等. 四川地區參考作物蒸散量的變化特征及氣候影響因素分析[J]. 中國農業氣象，2011，(1)： 35-40.

[4] 段春鋒，繆啟龍，曹 雯. 西北地區參考作物蒸散變化特征及其主要影響因素[J]. 農業工程學報，2011，(8)： 77-83.

[5] 牛振國，李保國，張鳳榮，等. 參考作物蒸散量的分布式模型[J]. 水科學進展，2002，(3).

[6] 王景雷，孫景生，宋 妮，等. 基于GIS和PCA的冬小麥需水量影響因子分析[J]. 武漢大學學報(工學版)，2009，(5)： 640-643.

[7] 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，(12)： 6-12.

[8] 康紹忠，粟曉玲，杜太生. 西北旱區流域尺度水資源轉化規律及其節水調控模式----以甘肅石羊河流域為例[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2009.

[9] 陳玉民，郭國雙. 中國主要農作物需水量等值線圖研究[M]. 北京：中國農業科技出版社, 1993.

[10] 孫聰影，粟曉玲. 氣候變化對河西地區參考作物蒸發蒸騰量的影響[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版)，2011，(12)： 219-227.

[11] 黃好思. 區域作物耗水時空格局優化技術研究----以石羊河流域為例[D]. 北京：中國農業大學，2013.

[12] 佟 玲，康紹忠，粟曉玲. 石羊河流域氣候變化對參考作物蒸發蒸騰量的影響[J]. 農業工程學報，2004，(2).