衛輝市冬小麥需水量的時空分布及其氣候影響分析

吉錦夷

摘?要：基于衛輝市氣象站點1961-2016年逐日氣象數據，采用彭曼公式計算參考作物需水量，并采用一元線性回歸法、相關分析法和多元線性回歸模擬等，對近55年來衛輝市冬小麥生長期需水量的時空分布、變化趨勢及影響因子進行分析，結果表明：衛輝市1962-2016年冬小麥平均需水量在382.7-403.1mm，呈弱增長趨勢，空間變化較小。衛輝市冬小麥全生育期降水量呈上升趨勢，平均氣溫呈顯著升高趨勢，相對濕度、日照時數和風速均呈顯著減少趨勢。冬小麥生長期間耗水量與氣溫高低、日照時數和風速大小呈正相關，耗水量與降水量和相對濕度的負相關關系明顯。風速和平均氣溫對需水量的貢獻最大。

關鍵詞：冬小麥;需水量;時空分布;氣候影響

作物需水量的估算和預測在農田水分管理、灌溉制度的制定等農業生產實踐中發揮著關鍵作用，受自然和人類活動的共同影響，地球氣候系統正在經歷以變暖為主要特征的全球氣候變化。有研究認為，溫度升高會使潛在蒸發增加。但是區域不同，參考作物需水量表現特征不同。孫爽等[1]對中國356個站點1961-2010年冬小麥需水量數據分析后認為，冬小麥全生育期需水量近50年來呈下降趨勢。華北平原年均參考作物需水量呈整體下降趨勢[2]，宋妮等[3]研究表明：新鄉地區冬小麥需水量隨年份呈上升趨勢。利用衛輝市1961-2016年日氣象資料，采用彭曼公式和作物系數的方法，對冬小麥生育期需水量進行計算，并對影響耗水量的氣象因素進行分析，對衛輝市科學灌溉、節約用水具有重要意義。

1 資料來源與研究方法

本文氣象資料由衛輝市氣象觀測站提供，時間序列為1961-2016年，數據主要包括逐日的平均氣溫、日最高與最低氣溫、降水、日照時數、相對濕度和平均風速。冬小麥全生育內需水量采用彭曼公式計算，見公式（1）。

ETc=Kc×ET0（1）

式中，ETc為參考作物蒸散量（mm·d-1），ET0為參考作物蒸散量（mm·d-1），Kc為作物系數，取0.92。見公式（2）。

ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ900T+273u2（es-ea）Δ+γ（1+0.34u2）（2）

式中，Rn為凈輻射（MJ·m-2·d-1），G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1），T為日平均氣溫（℃），u2為2m高處風速（m·s-1），es為飽和水汽壓（kPa），ea為實際水汽壓（kPa ），Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率（kPa ·℃-1），γ為干濕表常數（kPa ·℃-1）。

分析冬小麥需水量和氣候要素時間變化時采用氣候傾向率法和一元線性回歸法，分析氣候要素與冬小麥需水量相關關系時利用Pearson相關分析法，顯著性檢驗均使用相關系數檢驗法進行。利用Matlab軟件進行數據處理并繪制時間序列圖，利用SPSS軟件進行統計分析，利用ArcGIS 10.0的反距離權重法（IDW）進行空間差值得到空間分布圖。

2 分析結果

2.1 冬小麥需水量時空變化特征

2.1.1 冬小麥需水量隨時間變化特征

由左圖可知，衛輝市1962-2016年區域平均需水量呈弱增長趨勢，氣候傾向率為2.6mm·10a-1，與時間相關系數為0.17，未通過顯著性檢驗。衛輝市1962-2016年需水量低值年在1964年，高值年在2011年，平均需水量為394.1mm。

通過分析衛輝市1962-2016年需水量隨時間變化特征可知：冬小麥需水量隨時間增加趨勢，且通過了0.01水平的顯著性檢驗。55a平均需水量的變異系數為6.1%。

2.1.2 冬小麥需水量隨空間變化特征

衛輝市1962-2016年平均需水量空間變異系數僅為1.9%，空間變異較小，衛輝市多年平均需水量在382.7-403.1mm。衛輝市1960年和1970年冬小麥需水量較少，低于390mm。衛輝市1980年和1990年冬小麥需水量呈現一定的帶狀分布，大致分布為東部少、西部多。衛輝市2001-2016年冬小麥需水量最多（在400mm以上）。衛輝市冬小麥需水量1990年空間差異較大，其余年代差異較小。

2.2 冬小麥需水量氣候影響因素

2.2.1 冬小麥生育期內氣候影響因素變化

通過分析衛輝市1962-2016年冬小麥生長期間逐日降水量、平均氣溫、最高與最低氣溫、日照時數、風速和相對濕度等資料，可知：衛輝市平均氣溫上升趨勢明顯，氣候傾向率為029℃·10a-1（P<0.01）;降水量呈弱減少趨勢，氣候傾向率為-12.1mm·10a-1;相對濕度、日照時數和風速減少趨勢顯著，氣候傾向率分別為-1.2%·10a-1（P<0.01）、-31.4h·10a-1（P<001）、-0.21m·s-1·10a-1（P<0.01）。通過以上分析可知：冬小麥生長需水量年際變化較小，略有增長之勢，而同期的平均氣溫上升趨勢明顯;相對濕度、日照時數和風速下降趨勢顯著。

2.2.1 冬小麥生長需水量與氣候影響因素相關分析

通過對衛輝市1962-2016年冬小麥全生育期需水量與同期平均氣溫、降水量、日照時數、相對濕度及平均風速等氣象因子的相關性分析。可知：冬小麥全生育期需水量與平均氣溫、日照時數和風速呈正相關，但相關程度不同;需水量與降水量和相對濕度呈明顯的負相關。說明：氣溫顯著升高、相對濕度顯著下降和降水量減少對需水量的正效應超過了風速和日照時數的顯著下降對需水量的負效應，受其綜合影響，衛輝市冬小麥全生育期需水量才呈上升趨勢。

為進一步分析氣象因子對冬小麥生長需水量的影響，建立以需水量（因變量）和氣候因子（自變量）的函數方程，并進行多元逐步回歸分析。統計結果表明，風速和平均氣溫的標準回歸系數最大，分別為32.29和29.29，其次是相對濕度和日照時數，分別是-1.18和0.11，降水量標準系數最小為-0.02;風速、平均氣溫和日照時數的貢獻為正，而降水量和相對濕度的貢獻為負。總之，風速和平均氣溫對需水量的貢獻最大。

3 結論

（1）衛輝市1962-2016年冬小麥需水量在382.7-403.1mm，呈弱增長趨勢，空間變異較小。衛輝市1960年和1970年冬小麥需水量較少;1980年和1990年冬小麥需水量呈現一定的帶狀分布，大致分布為東部少、西部多;2001-2016年冬小麥需水量最多。衛輝市冬小麥需水量1990年空間差異較大，其余年代差異較小。

（2）衛輝市1962-2016年降水量呈減少趨勢，氣候傾向率為-12.1mm·10a-1。平均氣溫升高趨勢明顯，氣候傾向率為029℃·10a-1，相對濕度、日照時數和風速均呈顯著減少趨勢，氣候傾向率分別為-1.2%·10a-1（P<0.01）、-31.4h·10a-1（P<0.01）、-0.21m·s-1·10a-1（P<0.01），相對濕度氣候傾向率為負值表明大氣在干化;冬小麥生長需水量變化幅度較小。

（3）冬小麥生長需水量主要與平均氣溫、日照時數和風速呈正相關，而需水量與降水量、相對濕度呈負相關。其中，風速和平均氣溫對需水量的貢獻最大。

參考文獻：

[1]孫爽，楊曉光，李克南，等.中國冬小麥需水量時空特征分析[J].農業工程學報，2013，29（15）：72-82.

[2]馬潔華，劉園，楊曉光，等.全球氣候變化背景下華北平原氣候資源變化趨勢[J].生態學報，2010，30（14）：3818-3827.

[3]宋妮，孫景生，王景雷，等.河南省冬小麥需水量的時空變化及影響因素[J].應用生態學報，2014，25（6）：1693-1700.