1963—2012年新疆棉花需水量時空分布特征

王　梅,楊　倩,鄭江華,*,劉志輝

1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊　830046

2 新疆大學智慧城市與環境建模重點實驗室,烏魯木齊　830046

3 新疆大學干旱與半干旱生態研究所,烏魯木齊　830046

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1963—2012年新疆棉花需水量時空分布特征

王梅1,2,楊倩1,2,鄭江華1,2,*,劉志輝1,3

1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊830046

2 新疆大學智慧城市與環境建模重點實驗室,烏魯木齊830046

3 新疆大學干旱與半干旱生態研究所,烏魯木齊830046

研究基于新疆地區54個國家基本氣象站1963—2012年的逐日氣象資料,采用聯合國糧食與農業組織FAO 推薦的Penman-Monteith公式及作物系數法,計算了近50年來新疆棉花全育期和各生長階段需水量。并利用線性趨勢估計、MK檢驗、空間插值法對農作物全育期及各生長階段需水量年際變化趨勢和空間分布特征進行分析。結果表明：1)1963—2012年,新疆54個氣象站棉花全育期平均需水量為759 mm,各站變化范圍為555—1205 mm,差異明顯。其空間分布整體呈現西北向東南遞增、南疆大于北疆、東部大于西部的趨勢。2)1963—2012年,在棉花的生長初期與發育期,全疆需水量空間分布總體由北向南增大并呈帶狀。在棉花的生長中期與生長末期,需水量空間分布表現為由西向東增大的格局。3)近50年棉花不同生長階段需水量總體呈現下降趨勢,并且除了生長中期下降趨勢較顯著外其他都不太明顯。其中,生長中期下降速率最大為6.1 mm/10a,發育期及生長末期下降速率次之分別為2 mm/10a和1.3 mm/10a,生長初期下降速率最小,需水量以0.6 mm/10a的速率遞減。4)新疆1963—2012年棉花全育期需水量總體呈下降趨勢,遞減速率平均約為5.3 mm/10a,并在1981年開始發生突變。5)全育期年需水量下降傾向率總體呈現與全育期平均需水量相同的空間分布特征,總體呈現北疆小于南疆、東部大于西部、由西北向東南遞增的空間分布特征。

新疆；棉花；Penman-Monteith公式；需水量；趨勢分析；空間分布

近百年來,氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化[1]。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)和聯合國糧食及農業組織(FAO)都將農業列為最易遭受氣候變化影響、最脆弱的產業之一[2]。作物需水量是確定作物灌溉制度以及地區灌溉用水量的基礎,是流域規劃、地區水利規劃、灌溉工程規劃設計和管理的基本依據[3]。科學地確定氣候變化背景下農作物的需水量、灌溉水量,分析農作物需水量的空間變化規律,對全面了解作物需水耗水規律,對于節水農業的發展、水資源的集約管理、水分利用效率的提高以及作物產量的模擬預測,均具有重要意義和作用[4]。新疆是我國最為干旱的內陸灌溉農業區,降水稀少、蒸發強烈、氣候干旱。近年來由于人口增加、經濟發展導致新疆水資源供需矛盾尖銳。新疆是中國重要棉花產區,棉花生產用水在新疆農業用水中占有相當大的比重,新疆棉花需水量的時空估算與新疆農業可持續發展有著重要的關系。由于新疆水資源緊缺,時空分布不均勻,掌握主要作物需水量的時空分布特征,是水資源科學合理調配的重要基礎。

目前,針對作物需水耗水時空變化規律的研究較多。楊劍等[5]采用Penman-Monteith模型和春玉米作物系數計算了西遼河流域10個氣象臺站1951—2005年春玉米需水量,并對全生育期需水量、生育期各月需水量、各氣象要素變化趨勢及關聯度進行了分析。李勇等[6]利用長江中下游地區91個氣象站點1961—2007年地面觀測資料和63個農業氣象試驗站1981—2006年水稻生育期觀測資料,采用FAO推薦的彭曼公式分析比較長江中下游地區雙季稻和單季稻需水量的時空分布特點及變化趨勢。尹海霞等[7]根據黑河流域中游地區氣象站點逐日氣象資料,利用Penman-Monteith模型和所提供的作物系數計算出主要作物不同生育階段的需水量,采用Mann-Kendall趨勢分析法對主要作物需水量的變化特征進行了研究,并對引起作物需水量的驅動因子進行了相關性分析。劉玉春等[8]在研究棉花需水量的基礎上,利用水文學方法分析了不同水文年份棉花的灌溉需水量和灌溉需求指數。楊琪等[9]基于河東地區50年氣象資料,利用Penman-Monteith公式,計算了冬、春小麥全生育期的需水量和缺水量,并分析其變化趨勢及影響氣象因子。

在干旱和半干旱地區,水資源不足已經成為制約農業生產和發展的主要因素,通過分析作物需水量的時空分布特征,研究作物需水規律,對水資源開發利用,農田水利工程規劃和設計,分析和計算灌溉用水等具有實際的意義。對干旱區農作物需水量的供求關系的分析方面,有人做過一些研究[10],但對作物需水、灌溉水的時空變化特征研究較少。本文基于新疆地區54個國家基本氣象站逐日氣象數據,采用美國農業部土壤保持局推薦的方法計算了有效降水量,利用聯合國糧食與農業組織FAO 推薦的Penman-Monteith公式和作物系數法,計算了近50年來新疆棉花全育期和各生長階的段需水量,利用線性趨勢估計、MK檢驗、空間插值法分析了農作物分析作物需水時空分布特征,旨在為新疆水資源合理配置及作物結構布局提供科學參考,也為制定適應氣候變化下作物及水資源政策提供依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

新疆位于中國西北邊境,面積為166萬 km2,占中國國土總面積的1/6,是古絲綢之路的重要通道。新疆被喻為“三山夾兩盆”：北部阿爾泰山,南部為昆侖山西；天山橫亙于新疆的中部,把全疆分為南北兩半,南部是塔里木盆地,北部是準噶爾盆地。習慣上稱天山以南為南疆,天山以北為北疆。新疆地處亞歐大陸腹地,遠離海洋,四周有高山阻隔,海洋濕氣不易進入,形成典型的溫帶大陸性氣候。新疆的農業屬于綠洲灌溉性農業區,新疆棉區是我國最大的棉區,全疆86個縣中有63個縣常年棉花種植,其棉花種植面積、總產、單產自1994年以來均居全國之首,已成為我國最大的棉花生產基地[11]。

1.2研究資料

本研究所用數據為新疆地區54個氣象站1963—2012年的地面逐日氣象資料,源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn),所使用的氣象要素包括逐日最低氣溫、最高氣溫、降水量、平均氣壓、平均水汽壓、平均風速、日照時間等。棉花生育期的資料來源于中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集及相關文獻[12],作物系數采用FAO的推薦值并進行修正。

圖1　新疆氣象站點圖Fig.1　Meteorological sites map of Xinjiang

1.3研究方法

1.3.1棉花需水量的計算

作物需水量是在理想的生長條件下作物從種植到收獲所需的蒸散量,一般利用參考作物蒸散發量和作物系數法進行計算,計算公式如下：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中,ETc為某一時期作物的需水量(mm)；Kc為對應時期的作物系數,表征作物生物學特性對需水量的影響；ET0為相應時期的參考作物蒸散量(mm),表征氣象因素對作物需水量的影響。

參考作物蒸散量(ET0)的計算采用FAO(1998)推薦的Penman-Monteith公式計算[13]。參考作物蒸散量定義為：假定參考作物的高度為0.12 m,作物冠層阻力為常數且等于70 s/m,地表反射率為0.23,則ET0可由下式進行表示[14]

(2)

式中,Rn地面凈輻射蒸發當量(MJ m-2d-1)；G土壤熱通量(MJ m-2d-1)；γ溫度計常數(kPa/℃)；T平均氣溫(℃)；V2為2m高的風速(m/s)；pa飽和水汽壓(kPa)；pb實際水汽壓,Δ為溫度-飽和水氣壓曲線的斜率(kPa/℃)；其中Rn、G、Δ、V2可通過氣象臺站觀測資料計算求得。

作物系數,反映實際作物和參考作物之間需水量的差異,是作物某生長發育階段的需水量ETc與該階段參考作物蒸散量(ET0)的比值。作物系數與作物生育階段有關,FAO-56對作物生育期劃分為4個階段：生長初期、發育期、生長中期、生長后期。其中,初始生長期是由播種至覆蓋率接近10%,生長發育期是從覆蓋率10%到完全覆蓋,生長中期從完全覆蓋到成熟期開始,生長末期從成熟到收獲[15]。不同階段的需水規律為：隨著作物生長和葉面積的增加,需水量也不斷加大,在作物苗期,需水量較小,當作物進入生長旺盛期,需水量增加很快,葉面積最大時,作物需水量出現高峰期,到作物成熟期,需水量又迅速下降[16]。

北疆棉花一般在4月30日前后播種,10月9日左右收獲,生長期約為160 d。其中生長初期、快速發育期、生長中期和成熟期分別為25、35、55、45 d。南疆棉花一般在4月11日前后播種,10月15日左右收獲,生長期約為185 d。其中生長初期、快速發育期、生長中期和成熟期分別為30、50、55、50 d。本文在計算作物需水量時,根據研究區氣候特征采用FAO-56推薦的作物系數值進行修正(表1)。

表1　棉花不同生育階段的作物系數Kc取值Table 1　Kcvalues of the crops at different development stages

有研究表明對于沒有試驗資料或試驗資料不足的地區,可以利用FAO推薦的冬小麥標準作物系數和修正公式,根據當地氣候、土壤、作物等進行修正計算[13],具體計算步驟如下：首先,對于大多數一年生作物,根據作物生長發育特征,將作物生育期劃分為初始生長期(從播種到作物覆蓋率接近10%,此階段作物系數為Kcini)、快速發育期(從覆蓋率10%到充分覆蓋,此階段作物系數從Kcini提高到Kcmin)、生育中期(從充分覆蓋到成熟期開始,此階段作物系數為Kcmin)和成熟期(從葉片開始變黃到生理成熟或收獲,此階段作物系數從Kcmin下降到Kcend)[17]。對于冬小麥取Kcini=0.7,Kcmin=1.15,Kcend=0.4,其中越冬期的作物系數Kcfro=0.4。最后,根據當地氣候條件修正作物系數,計算公式[13]如下所示：

(3)

式中,Kctab為不同生育階段標準條件下的作物系數(Kcmin、Kcend和Kcend)；U2為該生育階段內2m高度處的日平均風速(m/s)；RHmin為該生育階段內日最低相對濕度的平均值(%)；h為該生育階段內作物的平均高度(m)。

1.3.2需水量趨勢變化及突變分析

利用線性傾向估計和Mann-Kendall法對新疆1963—2012年新疆地區棉花需水量變化趨勢進行分析。

線性傾向估計[18]是用一條合理的直線表示兩變量之間的關系,建立變量Y與時間t之間的一元線性回歸方程。

Y=a+bt

(4)

式中,a為回歸常數,b表示傾向率。以10×b表示需水量每10a(mm/10a)的傾向率,其正值表示需水量呈增加趨勢,負值呈減少趨勢。判斷變化趨勢的程度是否顯著,需要計算相關系數r并對其進行顯著性檢驗,選定顯著性水平值a,若|r|>ra,說明Y隨時間t的變化趨勢是顯著的,否則不顯著。

Mann-Kendall趨勢分析檢驗法是一種非參數統計檢驗方法,通過計算UF和UB兩個統計量,可以分析得到變化趨勢、突變時間區域及突變開始時間。能很好的揭示時間序列的趨勢變化,其優點是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數異常值的干擾[19]。

1.4數據處理

根據以上方法計算54個氣象站點的年平均需水量后,利用ArcGIS反距離權重差值方法(IDW)[20]對各氣象站計算得到的棉花需水量及傾向率進行空間插值,產生空間柵格數據,并利用自然斷裂法對柵格數據進行分類,獲得全疆近50年平均棉花需水量及傾向率空間分布圖。

2　結果與分析

2.1棉花全育期、各生長階段需水量及空間分布

2.1.1棉花全育期需水量及空間分布

1963—2012年,新疆54個氣象站棉花全育期平均需水量為759 mm,各站變化范圍為555—1205 mm,差異明顯。新疆棉花全育期平均需水空間分布如圖2,阿勒泰地區、塔城北部、拜城縣、伊犁地區需水量最小為555.69—726.22 m,天山北麓至準噶爾盆地腹地的博州、天山南麓的阿克蘇南部、巴州西部、喀什地區及和田大部分地區需水量為726.22—810.22 mm,昌吉東南部、吐魯番東部及克孜勒蘇柯爾克孜自治州的西北部需水量為810.22—922.21 mm,新疆哈密的西部、阿拉山口及巴州中部則形成需水量高值區,需水量范圍在922.2—1204.73 mm。可以看出其空間分布整體呈現西北向東南遞增、南疆大于北疆、東部大于西部的趨勢。

圖2　1963—2012年新疆棉花全育期平均需水量空間分布Fig.2　Spatial distribution of average water requirement in whole growing period of cotton from 1963 to 2012

棉花需水量主要由氣候因素及種植區位置決定,氣溫越高、風速越大、日照時間越長的地區需水量越大。北疆氣候較南部更溫和,生長周期較短,所以北疆棉花需水量小于南疆,東部地區由于氣候干燥、日照時間、風速均較大,因此東部棉花需水量也高于西部。

2.1.2棉花不同生長階段需水量及空間分布

新疆地區1963—2012年棉花各生長階段需水量空間分布如圖3。棉花生長初期需水量空間分布,全疆平均需水量50 mm,范圍為32—73 mm。需水量空間分布差異明顯,總體由北向南增大并呈帶狀分布,塔城、阿勒泰地區、昌吉州西部為低值區,天山北麓、南麓地區為中值區,塔克拉瑪干沙漠南緣的和田、且末、若羌、吐魯番、木壘及哈密等地為高值區。棉花發育期需水量空間分布,全疆平均需水量198 mm,范圍為118—275 mm。需水量空間分布總體由北向南增大并大體呈帶狀分布,塔城北部、阿勒泰地區、昌吉西部為低值區,需水量在118—171 mm之間,天山北麓、南麓地區為中值區,需水量在171—223 mm之間,和田、且末、若羌等巴州地區及哈密等地為高值區,需水量在223—275 mm之間。棉花生長中期需水量空間分布,全疆平均需水量394 mm,范圍為278—664 mm。需水量空間分布大體上呈帶狀并且自西向東增大,伊犁、阿克蘇、喀什、和田、阿勒泰地區等地為低值區,塔城北部、昌吉東北部、巴州中南及西部等地為中值區,吐魯番、哈密西部及塔城中部地區為高值區。棉花生長末期需水量空間分布,全疆平均需水量117 mm,范圍為86—190 mm(圖3)。需水量空間分布同樣總體呈帶狀且由西向東增大,伊犁、阿勒泰地區、阿克蘇的西北部及中部、昌吉西北部等地區為低值區,塔城地區除西北部之外的大部分區域、和田、喀什及巴州為中值區,阿拉山口、吐魯番、哈密西部為高值區。

從新疆棉花不同生育階段需水量的對比可知,生長中期需水量最大、發育期次之、生長初期最小。同樣比較新疆棉花不同生育階段需水量空間分布狀況,可以看出生長初期和發育期均是呈帶狀由北向南增大,而生長中期和生長末期同樣具有大致相同空間分布特征,東高西低成帶狀分布。

圖3　1963—2012年新疆棉花不同生長階段平均需水量空間分布Fig.3　Spatial distribution of average water requirement in different growth stages of cotton from 1963 to 2012

2.2棉花不同生長階段和全育期需水量年際變化趨勢

2.2.1棉花不同生長階段需水量年際變化趨勢

新疆1963—2012年,棉花不同生長階段需水量年際變化情況見表2。可知近50年,棉花生長初期需水量以0.6 mm/10a的速率遞減,并通過0.05的顯著性水平檢驗；發育期需水量以2 mm/10a的速率遞減,并通過0.05的顯著性水平檢驗；生長中期需水量以6.1 mm/10a速率遞減,并通過0.001的顯著性檢驗；生長末期需水量以1.3 mm/10a速率遞減,并通過0.05的顯著性水平檢驗。

表2　新疆棉花不同生長階段需水量年際變化趨勢Table 2　Changed trend of water requirement of cotton during different growth stages in Xinjiang

**通過0.001顯著水平檢驗,*通過0.05顯著水平檢驗

新疆近50年棉花不同生長階段需水量總體呈現下降趨勢,并且除了生長中期下降趨勢較顯著外其他都不太明顯。其中,生長中期下降速率最大、發育期及生長末期下降速率次之、生長初期下降速率最小。

2.2.2棉花全育期需水量年際變化趨勢

新疆1963—2012年棉花全育期需水量變化趨勢如圖4,可知近50年棉花全育期需水量最高年份是1978為808.67 mm,最低年份是1993為697.36 mm,平均年需水量為759 mm。全育期內棉花需水量總體呈下降趨勢,遞減速率為5.26 mm/10a,并通過0.001的顯著性水平檢驗。利用MK法在DPS軟件中對新疆1963—2012年棉花全育期需水量變化趨勢進行突變檢驗,結果如圖5。由正序曲線a1可知,自20世紀80年代初期,新疆棉花全育期需水量有明顯的下降趨勢,并且20世紀80年代末期年至今這種下降趨勢大大超過了0.01顯著性水平,說明棉花需水量下降趨勢是十分明顯的。正序曲線a1和逆序曲線a2在置信度區間于1981年有一個交點,表明新疆棉花需水量下降是突變現象,突變開始時間為1981年。

圖4　新疆棉花全生育期需水量變化趨勢Fig.4　Changed trend of annual water requirement in whole growing period of cotton

圖5　新疆棉花全生育期年際變化趨勢Fig.5　Annual changed trend in whole growing period of cotton in xinjiang

此外,考察棉花需水量年際變化發現,1963至1981年正序曲線a1在0附件小幅波動,說明此段時間棉花需水量變化趨勢不明顯,處于相對平穩狀態；1981年a1開始偏離0,而且a1值下降趨勢越來越明顯,說明1981年以來棉花全育期需水量呈持續下降趨勢,且下降趨勢加劇。可以看到MK法檢測到的需水量變化趨勢與線性傾向估計結果一致。

2.3棉花全育期需水量年際變化趨勢空間分布

新疆1963—2012年棉花全育期需水量變化趨勢空間分布情況如圖6,可以看到除克孜勒蘇柯爾克孜自治州的西部、皮山、富蘊及巴里坤等區域棉花需水量呈現上升趨勢外,新疆絕大部分區域均呈下降趨勢。其中,巴州中南部及阿拉山口、托里等地以21 —48mm/10a的速率下降,趨勢最為明顯；阿勒泰、哈巴河、庫爾勒及吐魯番地區的東南部以12—21 mm/10a速率下降,趨勢次之；伊犁、阿克蘇的西部、哈密西南部及喀什等地同樣0—12 mm/10a速率下降,下降趨勢最不顯著。總體上來看,新疆棉花全育期需水量遞減傾向率空間分布呈現北疆小于南疆、東疆大于西部、由西北向東南方向遞增的特征,和圖2所示的棉花全育期需水量空間分布特征一致,說明棉花需水量大的高值區也是需水量遞減趨勢最劇烈的區域。

圖6　1963—2012年新疆棉花全育期傾向率的空間分布　Fig.6　Spatial distribution of tendency rate in whole growing period of cotton from 1963 to 2012

3　討論

新疆地區遠離海洋,深居內陸,四周有高山阻隔,濕氣不易進入,形成明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫變化較大,日照時間長,降水量少,空氣干燥。年平均降水量為150 mm左右,但各地降水量相差很大,南疆的氣溫高于北疆,北疆的降水量高于南疆。

根據作物需水量的計算公式,可知作物需水量是由作物系數和參考作物蒸散量決定的,所以棉花需水量與參考作物蒸散量有極強的相關關系。本文利用線性傾向估計和MK檢驗法研究新疆棉花需水量趨勢變化,發現近50年新疆棉花需水量整體上呈極顯著下降趨勢,于1981年開始發生突變,并且下降趨勢明顯加劇。新疆棉花需水量呈現減少的趨勢,并在1981年發生突變。這與張山清等[21]得出的近50年新疆參考作物蒸散量呈顯著減少趨勢,并于1981年開始突變減小的結論基本一致。當前正處于全球變暖的時期,新疆地區氣溫升高趨勢明顯,并呈現由暖干向暖濕轉型的特點[22],但作物的需水量卻呈現下降趨勢,原因是影響作物需水量的最主要氣象因素為日照時數和風速,氣溫是次要因素[23]。相關研究[24]指出50年來新疆年日照時數和風速均呈顯著下降趨勢,并于20世紀80年初期發生突變,與本文棉花需水量變化趨勢基本一致。

本文利用的54個氣象站點數據相對較少,要想獲得更加精確的作物需水量空間分布,還需增加一些氣象站點以獲取更廣泛的數據。

4　結論

(1)1963—2012年,新疆54個氣象站棉花全育期平均需水量為759 mm,各站變化范圍為555—1205 mm,差異明顯。其空間分布整體呈現西北向東南遞增、南疆大于北疆、東部大于西部的趨勢。

(2)新疆地區1963—2012年棉花生長初期全疆平均需水量50 mm,范圍為32—73 mm。需水量空間分布差異明顯,總體由北向南增大并呈帶狀分布;棉花發育期全疆平均需水量198 mm,范圍為118—275 mm。需水量空間分布總體也是由北向南增大并大體呈帶狀分布；棉花生長中期,全疆平均需水量394 mm,范圍為278—664 mm。需水量空間分布大體上呈帶狀并且自西向東增大；棉花生長末期,全疆平均需水量117mm,范圍為86—190 mm。需水量空間分布同樣表現為由西向東增大的格局。

(3)新疆近50年棉花不同生長階段需水量總體呈現下降趨勢,并且除了生長中期下降趨勢較顯著外其他都不太明顯。其中,生長中期下降速率最大、發育期及生長末期下降速率次之、生長初期下降速率最小。

(4)新疆1963—2012年棉花全育期需水量總體呈下降趨勢,遞減速率平均為5.26 mm/10a,并在1981年開始發生突變。

(5)1963—2012年新疆絕大部分區域棉花全育期需水量均呈下降趨勢,下降速率總體呈現北疆小于南疆、東疆大于西部、由西北向東南遞增的空間分布特征,與棉花全育期需水量空間分布特征一致。

致謝：作者感謝給予本論文轉載和引用權的資料、文獻、研究思想和設想的所有者。

[1]秦大河, 陳振林, 羅勇, 丁一匯, 戴曉蘇, 任賈文, 翟盤茂, 張小曳, 趙宗慈, 張德二, 高學杰, 沈永平. 氣候變化科學的最新認知. 氣候變化研究進展, 2007, 3(2): 63-73.

[2]吳普特, 趙西寧. 氣候變化對中國農業用水和糧食生產的影響. 農業工程學報, 2010, 26(2): 1-6.

[3]房軍, 方小宇, 呂東玉, 古今用. 丘陵半干旱區作物需水規律的研究進展. 安徽農業科學, 2006, 34(19): 4847-4849.

[4]胡志橋, 田霄鴻, 張久東, 包興國, 馬忠明. 石羊河流域主要作物的需水量及需水規律的研究. 干旱地區農業研究, 2011, 29(3): 1-6.

[5]楊劍, 孫小舟. 西遼河流域春玉米需水量變化趨勢. 華中師范大學學報, 2010, 44(4): 691-695.

[6]李勇, 楊曉光, 葉清, 黃晚華. 1961-2007年長江中下游地區水稻需水量的變化特征. 農業工程學報, 2011, 27(9): 175-183.

[7]尹海霞, 張勃, 王亞敏, 張亞寧, 王強, 趙一飛. 黑河流域中游地區近43年來農作物需水量的變化趨勢分析. 資源科學, 2012, 34(3): 409-417.

[8]劉玉春, 姜紅安, 李存東, 黃鶴, 潘增輝, 柴春嶺. 河北省棉花灌溉需水量與灌溉需求指數分析. 農業工程學報, 2013, 29(19): 98-104.

[9]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. 生態學雜志, 2013, 32(11):3074-3081.

[10]劉宏誼, 馬鵬里, 楊興國, 楊啟國. 甘肅省主要農作物需水量時空變化特征分析. 干旱地區農業研究, 2005, 23(1): 39-44.

[11]閔瑾如, 賀菊美, 梁紅. 北方旱區主要農作物水分供需狀況分析. 干旱地區農業研究, 1987, 5(1): 30-41.

[12]楊莉, 楊德剛, 張豫芳, 王國剛, 唐宏. 新疆棉花種植面積時空格局演變特征及驅動機制研究. 中國沙漠, 2011, 31(2): 476-484.

[13]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration Guidelines for Computing Crop Water Requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome: FAO, 1998.

[14]黃敬峰, 王秀珍, 蔡承俠. 新疆冬小麥物候與氣候條件研究. 中國農業氣象, 2000, 21(1): 14-19.

[15]尹海霞, 張勃, 王亞敏, 張亞寧, 王強, 趙一飛. 黑河流域中游地區近43年來農作物需水量的變化趨勢分析. 資源科學, 2012, 34(3): 409-417.

[16]王瑤, 趙傳燕, 田風霞, 王超. 黑河中游春小麥需水量空間分布. 生態學報, 2011, 31(9): 2374-2382.

[17]劉鈺, Pereira L S. 對FAO推薦的作物系數計算方法的驗證. 農業工程學報, 2000, 16(5): 26-30.

[18]慕彩蕓, 馬富裕, 鄭旭榮, 程海濤, 李進云, 張衛國, 徐公赦. 北疆春小麥蒸散規律及蒸散量估算研究. 干旱地區農業研究, 2005, 23(4): 53-57.

[19]孫蘭東, 劉德祥. 西北地區熱量資源對氣候變化的響應特征. 干旱氣象, 2008, 26(1): 8-12.

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

[21]張山清, 普宗朝. 新疆參考作物蒸散量時空變化分析. 農業工程學報, 2011, 27(5): 73-79.

[22]施雅風, 沈永平, 李棟梁, 張國威, 丁永建, 胡汝驥, 康爾泗. 中國西北氣候由暖干向暖濕轉型的特征和趨勢探討. 第四紀研究, 2003, 23(2): 152-164.

[23]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. 農業工程學報, 2005, 21(10): 155-159.

[24]黃小燕, 張明軍, 王圣杰, 辛宏, 賀晉云. 西北地區近50年日照時數和風速變化特征. 自然資源學報, 2011, 26(5): 825-835.

Spatial and temporal distribution of water requirement of cotton in Xinjiang from 1963 to 2012

WANG Mei1,2,YANG Qian1,2,ZHENG Jianghua1,2,*,LIU Zhihui1,3

1SchoolofResources&EnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China

2XinjiangKeyLabofSmartcityandEnvironmentModelingLab,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China

3InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China

Using the daily meteorological data from 54 stations in Xinjiang from 1963 to 2012, the water requirements of cotton (WRC) during the whole growing period and at different growth stages were calculated based on the FAO Penman-Monteith model and crop coefficient method. In addition, we used the methods of linear regression, Mann-Kendall test, and inverse distance weighting to analyze the spatio-temporal changes in WRC in Xinjiang in the last 50 years. The results show the following: 1) The average WRC during the whole growing period in Xinxiang was 759 mm. The values of WRC obtained from 54 meteorological stations in Xinxiang ranged between 555 mm and 1205 mm. The overall spatial distribution of WRC in Xinxiang varied obviously. The WRC in the south-east, south, and east was greater than that in the north-west, north, and west, respectively. 2) The WRC during the early growth and developmental stages of cotton in Xinxiang from 1963 to 2012 was assumed to be zonal and increased from north to south. During the middle and end growth stage, the WRC in the east was greater than that in the west. 3) The WRC at different growth stages showed a decreasing trend in the past 50 years, with the middle growth stage showing a more obvious downward trend. The greatest decline of 6.1 mm/10 years was observed in the middle growth stage, followed by 2 mm/10 years during the developmental stage and 1.3 mm/10 years in the end growth stage. The smallest decline of 0.6 mm/10 years was detected in the initial stage. 4) The WRC of the whole growing period in Xinxiang was overall reduced from 1963 to 2012. The average decline was 5.26 mm/10 years and the mutation of decline in Xinxiang began in 1981. (5) The spatial distribution of the decline in the average annual water requirement was similar to the average water requirement during the whole growing period. Generally, the spatial distribution of water requirement in Xinxiang was ascending from north-west to south-east.

Xinjiang; cotton; Penman-Monteith formula; water requirement; trend analysis; spatial distribution

10.5846/stxb201407161453

水利部公益性行業科研專項資助項目(201301103);教育部促進與美大地區科研合作與高層次人才培養資助項目(117-40101)

2014-07-16;

2015-10-05

Corresponding author.E-mail: zheng_jianghua@126.com

王梅,楊倩,鄭江華,劉志輝.1963—2012年新疆棉花需水量時空分布特征.生態學報,2016,36(13):4122-4130.

Wang M,Yang Q,Zheng J H, Liu Z H.Spatial and temporal distribution of water requirement of cotton in Xinjiang from 1963 to 2012.Acta Ecologica Sinica,2016,36(13):4122-4130.