衡水地區冬小麥生長后期需水量變化特征

摘要：利用衡水市3個氣象站1965-2012年的逐日氣象數據，采用作物需水量模型以及相關統計方法，分析了近48年來衡水地區冬小麥灌漿期至成熟期需水量的變化特征。結果表明，1965-2012年衡水地區冬小麥生長后期需水量呈波動下降的趨勢，趨勢變化顯著，近48年來下降了37.9 mm，人工灌水量的減少趨勢快于需水量的變化，近48年來減少了62.4 mm；需水量存在時間序列上的突變現象，突變發生在1976年，1977年以后變化更加明顯；在冬小麥后期需水量波動減少的過程中存在明顯的7年變化周期；冬小麥后期生長需水量的變化與日照時數呈最大正相關，與相對濕度的變化呈最大負相關。

關鍵詞：冬小麥后期生長；作物需水量模型；變化

中圖分類號：S162.8；S512.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3546-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.003

Abstract：Based on the daily meteorological data of three stations from 1965 to 2012 in Hengshui area， the change characteristics of winter wheat’s water requirement during filling stage to mature stage in 48 years of Hengshui area was analyzed by using the model of crop water requirement and the related statistical methods. The results showed a significant trend of reduction about the water requirement during the later growth stage of winter wheat from 1965 to 2012 in Hengshui area， it had 37.9 mm dropped in the past 48 years，the reduction of artificial irrigation water was more faster， and it had 62.4 mm dropped in the past 48 years. The water requirement existed a jumping phenomenon in the time series of recent 48 years， the time of jumping phenomenon appeared in 1976， and it was more obvious after 1977. In the fluctuating downward process of winter wheat’s water requirement during the later growth stage， it presented a variational period of 7 years. Sunshine time was the most positive correlation about the change of winter wheat’s water requirement during the later growth stage， the relative humidity was the most negative correlation to it.

Key words： the later growth stage of winter wheat； the model of crop water requirement； change

氣候變暖已是不爭的事實，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次會議上指出[1]，近130年來地球表面平均溫度上升了0.85 ℃，與IPCC第四次評估報告相比[2]，地球表面溫度又升高了0.11 ℃。氣候的變暖對全球生態系統產生了極大影響，而農業是受氣候變化影響最直接的脆弱行業[3-8]。衡水市是農業大市，耕地面積56.7萬hm2，農業人口人均占有耕地1 667.5 m2。在衡水市的農業種植結構中，主要以冬小麥-夏玉米輪作結構為主，在其主要作物之一的冬小麥中，其后期生長的抽穗至成熟期是冬小麥子粒灌漿成型的關鍵期，這段時期內的需水量顯得尤為重要。在氣候變暖的大背景下，華北地區氣溫升高尤為明顯[9]，衡水市的氣溫隨著大環境的升高而升高，在這種情況下，衡水地區冬小麥后期管理的需水量變化目前尚無研究，本研究以作物需水量模型公式為基礎，討論了近48年來衡水市冬小麥后期需水量的變化規律，以期為該段種植時間內冬小麥的需水管理提供合理化的理論指導。

1 資料與方法

1.1 資料來源

采用河北省氣象信息中心提供的衡水市冀州、故城、饒陽3個氣象站1965-2012年逐日氣溫（含最高、最低）、降水、日照、風速、相對濕度等氣象要素，取3個氣象站氣象要素的區域平均值作為衡水地區的逐日氣象資料。

1.2 試驗方法

采用作物系數法[10]計算冬小麥后期生長需水量的模型，計算公式如下：

ETc=Kc×ET0 （1）

式中，ETc為作物需水量（mm）；Kc為作物系數；ET0為潛在蒸散量（mm）。本研究中，Kc依照作物需水量計算指南（FAO-56）的建議數值[11]取0.4。

潛在蒸散量ET0的計算公式如下：

各類參數依照世界糧農組織（FAO）的推薦值[11]進行計算。式中，Rn表示冠層表面凈輻射；T表示日平均氣溫；es表示飽和水汽壓；ea表示實際水汽壓； γ表示濕度計常數；U2表示2 m高處的日平均風速；Δ是飽和水汽壓-氣溫關系曲線在T處的切線斜率；G表示土壤熱通量，本計算中忽略不計[12]。

由于抽穗至成熟期的起止日期不固定，為了更好地進行統計與計算，將該段日期固定為5月5日至6月10日，在日期的計算過程中采用日序的計數方式[13]，即1月1日記為1，2月2日記為33。統計方法采用線性趨勢、Mann-Kendall突變檢驗法、Morlet小波分析等方法[14，15]。

2 結果與分析

2.1 冬小麥生長后期需水量變化趨勢

對冀州、故城、饒陽3個氣象站的逐日氣象要素求區域平均值，得到衡水地區的氣象要素逐日平均值，通過公式（1）和（2）計算得到近48年來冬小麥后期需水量的時間序列（圖1），由圖1可知，1965-2012年，衡水地區冬小麥抽穗至成熟期平均需水量為141.0 mm，需水量最多出現在1971年，需水量為184.4 mm，最少出現在1998年，需水量為107.5 mm，近48年的時間變化呈波動下降的趨勢，變化量為-0.79 mm/年，下降趨勢通過了0.01的顯著性檢驗，變化明顯， 48年來下降了37.9 mm。

2.2 冬小麥生長后期灌水量變化趨勢

用同期的需水量減去降水量代表冬小麥后期的灌水量，由圖2可知，冬小麥后期的人工灌水量同樣呈波動下降的變化趨勢，灌水量最少的年份是1977年，由于該年降雨量大，降水量大于需水量，該年的灌水量為-71.6 mm，本研究中該年的灌水量取值為0 mm，表明該年的冬小麥生長后期自然降水完全能夠滿足冬小麥的后期生長，不需要再進行人工灌溉；灌溉水量最多年出現在1968年，灌水量為174.8 mm，表明近48年里，該年在冬小麥生長后期的自然降水最少；1965-2012年衡水地區冬小麥生長后期多年平均灌水量為98.9 mm，變化趨勢為-1.3 mm/年，近48年來下降了62.4 mm，其相關系數r=0.435，通過了0.01的顯著性檢驗，表明下降趨勢明顯。

2.3 冬小麥后期生長需水量時間序列變化的突變分析

由衡水地區冬小麥后期生長需水量時間變化序列得出冬小麥后期生長的需水量呈較為明顯的下降趨勢，為了進一步分析在近48年的時間序列中，受綜合氣候因素的影響冬小麥后期生長的需水量變化是否存在突變，本研究引入Mann-Kendall突變檢驗方法，該方法是一種非參數統計檢驗方法，可分析時間序列資料的變化趨勢和突變點[14]。其正序曲線UF與逆序曲線UB的交叉點為突變點，通過了±1.96（0.05的顯著性檢驗），表明變化趨勢顯著[14]。由圖3可知，衡水地區冬小麥生長后期的需水量在1976年發生突變現象，在1977年變化趨勢通過了0.05的顯著性檢驗，變化更加明顯，但由該圖可以看出UF線在2000年以后變化又趨于平緩。

2.4 冬小麥后期生長需水量時間序列的周期性變化分析

由圖1的需水量曲線可知，冬小麥后期生長需水量的變化雖呈遞減的趨勢，但不是單調遞減，而是呈波動變化的趨勢，因此，用Morlet小波實部結合其方差分析時間序列的周期性變化。小波分析源于傅立葉分析，是對傅立葉分析方法的突破性發展，通過將時間序列分解到時間頻率域內，得出時間序列顯著的周期變化動態以及周期變化動態的時間格局[14]。由圖4可知，冬小麥后期生長需水量存在準6～8年的變化性周期，同時結合小波方差圖（圖5）可見，其變化周期表現為7年，即需水量在近48年的時間序列變化中，存在7年增減交替變化的周期。

2.5 冬小麥后期生長需水量與氣候因子的相關性分析

隨著氣候的變暖，冬小麥后期的需水量卻呈減少的趨勢，因此對大田環境的主要氣象因子與冬小麥后期需水量的變化進行相關性分析，用以得出影響需水量變化最大的氣象因子。利用SPSS統計軟件對冬小麥生長后期需水量與平均氣溫、風速、日照時數、相對濕度等氣象要素進行相關分析，由各氣象因子與需水量的相關系數（表1）可以看出，與冬小麥生長后期需水量正相關最大的氣象因子是日照時數，其次是風速，再次是平均氣溫，相關系數全部通過了0.01的顯著性檢驗；負相關最大的是相對濕度，相關系數通過了0.01的顯著性檢驗。該結論也與河北日照時數減少[16]、風速減小[17]、半干旱區相對濕度變化不明顯[18]的結論一致。

3 小結與討論

衡水地區冬小麥生長后期需水量呈波動下降的趨勢，且趨勢變化明顯，該變化趨勢也與中國大部分地區潛在蒸散量呈減少的趨勢相一致[19]。1965-2012年需水量趨勢變化量減少了37.9 mm，需水量的降低和自然降水的作用使人工灌水量在近48年的減少趨勢明顯快于需水量的變化，近48年來，人工灌水量減少了62.4 mm。

冬小麥生長后期的需水量存在時間序列上的突變現象，突變交點發生在1976年，在1977年以后需水量的變化更加明顯，但這種變化在2000年以后有所放緩。冬小麥生長后期的需水量在波動下降的變化中存在增-減的周期性變化，其7年的變化周期在檢測中表現得尤為明顯。冬小麥生長后期需水量的變化與日照時數呈最大正相關，其次是風速，與相對濕度的變化呈最大負相關。該相關性也表明了其與氣候因子變化的一致性。

冬小麥生長后期是子粒產量形成的重要生長階段，其對水分的需求就顯得尤為敏感，本研究在相關模型和數據的基礎上計算發現，衡水地區冬小麥生長后期需水量呈減少的趨勢，這對該地區冬小麥后期管理以及合理利用水資源有一定的指導意義。

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