近50年新疆小麦需水量时空特征及气候影响因素分析

轩俊伟, 郑江华, 刘志辉,3

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830046; 3.新疆大学干旱与半干旱生态研究所, 乌鲁木齐 830046)



近50年新疆小麦需水量时空特征及气候影响因素分析

轩俊伟1,2, 郑江华1,2, 刘志辉1,2,3

(1.新疆大学 资源与环境科学学院, 乌鲁木齐 830046; 2.绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830046; 3.新疆大学干旱与半干旱生态研究所, 乌鲁木齐 830046)

基于新疆地区54个国家基本气象站1963—2012年的逐日气象资料，利用FAO Penman-Monteith公式和作物系数法，得到近50 a来新疆小麦全育期和各生长阶段需水量，并利用线性趋势估计、MK检验、空间插值法分析了小麦全育期及各生长阶段需水量的年际变化趋势、空间分布特征及气象影响因素。结果表明：近50 a新疆小麦全育期平均需水量空间分布总体呈现南疆大于北疆、东部大于西部、由西北向东南增大的格局，生长初期和发育期需水量空间分布表现为南多北少，而生长中期和生长末期则为东多西少。小麦全育期年需水量平均以7.8 mm/10 a的速率呈极显著的下降趋势，并于1978年开始发生突变。小麦全育期内风速降低、日照时数减少是导致小麦全育期需水量下降的主要原因。

小麦; 作物需水量; 空间分布;Penman-Monteith公式; 趋势分析; 新疆

IPCC第五次评估报告指出，全球气候变暖的事实是毋庸置疑的[1]。联合国政府间气候变化专门委员会和联合国粮食及农业组织都将农业列为最易遭受气候变化影响、最脆弱的产业之一[2]。因此，开展气候变化背景下农作物需水量的时空变化特征研究，对于农业生产和水资源可持续利用具有重要的科学意义[3]。

目前，众多学者对不同地域、不同农作物的需水量时空变化进行了研究。杨琪等[4]基于河东地区50 a气象资料，计算了冬、春小麦全生育期的需水量和缺水量，并分析其变化趋势及气象影响因子。孙爽等[5]研究了1961—2010年中国冬小麦全生育期及不同生育阶段的需水量，发现小麦需水量呈下降趋势，并呈现明显的空间分布特征。刘宏谊等[6]计算分析了近40 a甘肃省主要农作物需水量及其时空变化规律。刘玉春等[7]在研究棉花需水量的基础上，利用水文学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数。尹海霞等[8]基于1967—2009年的逐日气象资料，利用FAO推荐的彭曼公式计算分析了黑河流域中游春小麦、玉米需水量及其变化趋势。

可以看到在农作物需水量时空变化方面，均是利用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法来计算农作物需水，研究区也涉及我国大部分地区，但对于地处西北干旱区的新疆地区，相关研究较少。新疆是我国西部地区最为干旱的内陆农业灌区，农业用水比重大、用水效益低是新疆农业用水的主要问题之一[9]。而小麦是新疆最主要的粮食作物之一，2012年新疆小麦播种面积达1.08×106hm2，占粮食播种总面积的51.4%。对于水资源较为匮乏的新疆地区，在全球气候变暖背景下，探索小麦需水量的时空变化规律对保证本地区粮食生产安全以及社会经济稳定发展都具有重要意义。基于此，本文利用新疆地区54个国家基本气象站逐日气象数据，基于Penman-Monteith公式和作物系数法，计算了新疆地区春、冬小麦近50 a需水量并进一步分析其时空变化规律，以期为新疆农业的可持续发展及水资源的管理提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

新疆维吾尔自治区位于亚欧大陆中部，地处中国西北边陲，中部横亘着蜿蜒千里的天山将新疆分作天山北部(北疆)、天山南部(南疆)两大区域。新疆是灌溉农业区，小麦是最主要的粮食农作物，2012年小麦的播种面积占全区总播种面积的21.05%[10]。其中冬小麦播种面积占60%左右，春小麦占40%左右。南北疆均有春、冬小麦种植，但北疆以种春小麦为主，南疆以种植冬小麦为主，其中天山南北两侧从丘陵到山前平原的多数区域为冬春麦混种区[11]。

1.2数据来源

新疆地区54个气象站1963—2012年的地面逐日气象数据，来源于中国气象科学数据共享服务网，所使用的气象要素包括逐日最低气温、最高气温、平均本站气压、平均水汽压、平均风速、日照时间、降水量等。小麦生育期的资料来源于中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集及相关文献[12]，作物系数采用FAO的推荐值并进行修正。

1.3研究方法

1.3.1作物需水量作物需水量是在理想的生长条件下,作物从种植到收获所需的蒸散量，一般利用参考作物腾发蒸腾量和作物系数法进行计算，计算公式如下：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中：ETc——某一时期作物的需水量(mm)；Kc——对应时期的作物系数；ET0——相应时期的参考作物蒸散量(mm)。

参考作物腾发蒸腾量，是一种假想的参考作物冠层腾发速率。这种参考作物被假定设为高度12 cm、表面阻力70 s/m、反射率0.23，类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、充分供水、完全遮盖地面的绿色草地[13]。ET0的大小只与气象因素有关，一般采用FAO 推荐的修正Penman-Monteith公式进行计算，公式如下：

(2)

式中：Rn——地面净辐射蒸发当量[MJ/(m2·d)]；G——土壤热通量[MJ/(m2·d)]；r——温度计常数(kPa/℃)；T——平均气温(℃)；V2——2 m高的风速(m/s)；pa——饱和水汽压(kPa)；pb——实际水汽压(kPa)；Δ——温度—饱和水气压曲线的斜率(kPa/℃)。

作物系数，反映实际作物和参考作物之间需水量的差异，是作物某生长发育阶段需水量ETc与该阶段参考作物蒸散量(ET0)的比值。FAO-56将作物全育期划分为四个阶段，生长初期、发育期、生长中期和生长末期，并给出了84种作物各阶段相应的作物系数。其中，初始生长期是由播种至覆盖率接近10%(播种—返青期/出苗，由于春小麦无返青期，因此春小麦初始生长期为播种至出苗)；生长发育期是从覆盖率10%到完全覆盖(返青—拔节期/出苗)；生长中期从完全覆盖到成熟期开始(拔节—开花期)；生长末期从成熟到收获[14](开花—成熟期)。本文在计算作物需水量时，结合研究区气候对FAO-56推荐的作物系数值进行修正。

1.3.2需水量趋势变化及突变分析利用线性倾向估计和Mann-Kendall法对1963—2012年新疆地区小麦需水量变化趋势进行分析。线性倾向估计[15]是用一条合理的直线表示两变量之间的相关关系，并建立变量Y与时间t之间的一元线性回归方程。如下：

Y=a+bt

(3)

式中：a——回归常数；b——倾向率。判断变化趋势的程度是否显著，需要计算相关系数r并对其进行显著性检验，选定显著性水平值a，若|r|>ra,说明Y随时间t的变化趋势是显著的，否则不显著。

MK趋势检验法是一种非参数统计检验方法，能很好揭示时间序列的趋势变化，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰[16]，现已广泛应用于水文气象等资料的趋势变化检验。通过计算UF和UB两个统计量，可以分析得到变化趋势、突变时间区域及突变开始时间。

1.3.3需水量空间分布利用ArcGIS插值工具中反权距离插值法[17]对各气象站计算得到的小麦需水量及倾向率进行空间插值，产生空间栅格数据，并利用自然断裂法对栅格数据进行分类，获得全疆近50 a平均小麦需水量及倾向率空间分布图。

2　结果与分析

2.1小麦全育期、各生长阶段需水量及空间分布

2.1.1小麦全育期需水量及空间分布1963—2012年，新疆54个气象站小麦全育期年平均需水量为525 mm，各站变化范围为287～782 mm，差异明显。新疆小麦全育期平均需水量空间分布如图1，阿勒泰、塔城北部及伊犁地区需水量最小为286～470 mm，天山北麓至准噶尔盆地腹地的博州、塔城南部、昌吉和天山南麓的阿克苏北部、巴州西北部需水量为470～540 mm，喀什、巴州中部、吐鲁番东南部及哈密东北部需水量为540～600 mm，新疆西南部从于田到哈密的带状区域为需水量高值区，需水量范围600～780 mm。可以看出其空间分布整体呈现西北向东南递增、北疆大于南疆、东部大于西部的趋势。

图1　近50年新疆小麦全生育期年平均需水量

小麦需水量主要由气候因素和小麦类型决定，气温越高、风速越大、日照时间越长的地区需水量越大，春小麦由于生长周期较冬小麦短，其需水量低于冬小麦。新疆北部气候较南部温和且以种植春小麦为主，所以北疆小麦需水量小于南疆，东疆虽然也种植春小麦，但东部地区气候干燥、日照时间、风速均较大，因此东部小麦需水量也高于西部。

2.1.2小麦不同生长阶段需水量及空间分布新疆地区1963—2012年小麦各生长阶段需水量的空间分布如图2所示。图2a为小麦生长初期需水量空间分布情况，全疆平均需水量81 mm，范围为15～179 mm。需水量空间分布差异明显，总体由北向南增大并呈带状分布，塔城、阿勒泰、昌吉州西部为低值区，天山北麓、南麓地区为中值区，塔克拉玛干沙漠南缘的和田、且末、若羌等为高值区。图2b为小麦发育期需水量空间分布情况，全疆平均需水量141 mm，范围为69～216 mm。需水量空间分布总体由北向南增大并呈带状分布，塔城北部、阿勒泰、昌吉东北部为低值区，需水量在69～115 mm，天山北麓、南麓地区为中值区，需水量在115～170 mm，和田、且末、若羌等为高值区，需水量在170～217 mm。图2c为小麦生长中期需水量空间分布情况，全疆平均需水量258 mm，范围为146～419 mm。需水量空间分布总体呈带状由西向东增大，伊犁、阿克苏、喀什、和田、巴州西北部等地区为低值区，塔城西北及东北部、阿勒泰、昌吉西北部、巴州中南部为中值区，巴州东南部、吐鲁番、哈密西部及塔城中部地区为高值区。图2d为小麦生长末期需水量空间分布情况，全疆平均需水量48 mm，范围为31～77 mm。需水量空间分布同样总体呈带状由西向东增大，伊犁、阿克苏、克州、巴州西北部等地区为低值区，塔城东北部、阿勒泰、昌吉西北部、巴州中南部、和田、喀什为中值区，巴州东南部、吐鲁番、哈密西部及塔城中部地区为高值区。

对比新疆小麦不同生育阶段需水量可知，生长中期需水量最大、发育期次之、生长末期最小。同样比较新疆小麦不同生育阶段需水量空间分布状况，可以看出生长初期和发育期具有相同的空间分布特征，均是呈带状由北向南增大，而生长中期和生长末期同样具有相同空间分布特征，东高西低成带状分布。

2.2小麦不同生长阶段和全育期需水量年际变化趋势

2.2.1小麦不同生长阶段需水量年际变化趋势新疆1963—2012年，小麦不同生长阶段需水量年际变化情况见表1。可知近50 a，小麦生长初期需水量以1.4 mm/10 a的速率递减，并通过0.001的显著性水平检验；发育期需水量以1.6 mm/10 a的速率递减，并通过0.05的显著性水平检验；生长中期需水量以3.9 mm/10 a速率递减，并通过0.05的显著性检验；生长末期需水量以0.6 mm/10 a速率递减，并通过0.001的显著性水平检验。

图2　1963-2012年新疆小麦各生长阶段年平均需水量

参数生长初期发育期生长中期生长末期倾向率-0．1413-0．1553-0．3870-0．0859相关系数-0．4672∗∗-0．2983∗-0．4754∗∗-0．5749∗∗

注：**表示通过0.001显著水平检验，*表示通过0.05显著水平检验。

新疆近50 a小麦不同生长阶段需水量总体呈现下降趋势，并且除发育期外其他生长阶段下降趋势非常显著。其中，生长中期下降速率最大、生长初期和发育期下降速率次之、生长末期下降速率最小。

2.2.2小麦全育期需水量年际变化趋势新疆1963—2012年小麦全育期年需水量变化趋势如图3所示，可知近50 a小麦全育期需水量最高年份是1974年为573 mm，最低年份是1993年为483 mm，平均年需水量为525 mm。全育期内小麦需水量总体呈下降趋势，递减速率为7.8 mm/10 a，并通过0.001的显著性水平检验。利用MK法在DPS软件中对新疆1963—2012年小麦全育期需水量变化趋势进行突变检验，结果如图4所示。由正序曲线UF可知，自20世纪70年代末期以来，新疆小麦全育期需水量有明显的下降趋势，并且80年代末期至今这种下降趋势大大超过了0.001显著性水平，说明小麦需水量下降趋势是十分明显的。正序曲线UF和逆序曲线UB在置信度区间内，于1978年有一个交点，表明新疆小麦需水量下降是突变现象，突变开始时间为1978年。

图3小麦全生育期年需水量变化趋势图4小麦全生育期年需水量MK突变检测

此外，考察小麦需水量年际变化发现，1963—1978年正序曲线UF在0附近小幅波动，说明此段时间小麦需水量变化趋势不明显，处于相对平稳状态；1978年UF开始偏离0，特别是1982年后UF值下降趋势更加明显，说明1978年以来小麦全育期需水量呈持续下降趋势，并从1982年开始下降趋势加剧。可以看到MK法检测到的需水量变化趋势与线性倾向估计结果一致。

2.3小麦需水量年际变化气候影响因素

2.3.1小麦全育期主要气象因素变化趋势采用线性倾向估计对1963—2010年新疆小麦全育期内的四种主要气象要素变化进行了分析，结果见图5。可知，近50 a来新疆小麦全育期平均气温总体呈上升趋势，上升速率为0.35℃/10 a，并通过0.001的显著性检验，说明上升趋势极其显著(图5a)。全育期内平均风速呈现下降趋势，递减速率为0.18(m/s)/10 a，并通过0.001的显著性水平检验，表明下降趋势极其显著(图5b)。全育期内日均日照时数以0.035 h/10 a的速率呈下降趋势，但下降趋势并不显著(图5c)。全育期内有效降雨量以5.96 mm/10 a的速率呈下降趋势，并通过0.01的显著性水平检验，表明下降趋势一般显著(图5d)。

图5　1963-2012年新疆小麦全育期气象因素变化趋势

新疆近50 a小麦全育期内日平均气温呈极显著的上升趋势，而风速、日照时数及有效降雨量均呈现与需水量变化相同的下降趋势，其中风速下降趋势最为明显、有效降雨量次之、日照时数最不显著。

2.3.2小麦全育期需水量年际变化的主要气象因素为探讨新疆小麦需水量变化的主要原因，本文利用Pearson相关分析法计算了近50 a小麦需水量与气温、风速、日照、有效降雨量四种主要气象因素的相关关系，见图6。可知，小麦全育期需水量与气温、风速、日照时数及有效降雨量均呈正相关。气温、有效降雨量与小麦需水量的相关系数较低，表现出较为微弱的正相关关系。而风速和日照时数的相关系数分别为0.679 6，0.776 4，表现出很强的相关性，是影响小麦全育期需水量的主要气象因素。

结合图5、图6分析可知，虽然平均气温呈显著上升趋势会引起小麦需水量的增加，但这种增加量远远小于由风速降低及日照时数减少所导致的小麦需水减少量。因此，近50 a新疆小麦全育期内风速的降低、日照时数的减少是导致小麦全育期需水量下降的主要原因。

3　讨 论

根据作物需水量计算公式，可知作物需水量由作物系数和参考作物蒸散量决定，小麦需水量与参考作物蒸散量有极强的相关关系。本文利用线性倾向估计和MK检验法研究新疆小麦需水量趋势变化发现，近50 a新疆小麦需水量呈极显著下降趋势，于1978年开始发生突变，并且从1982年开始下降趋势明显加剧。这与张青山等[18]得出的近50 a新疆参考作物蒸散量呈显著减少趋势，并于1981年开始突变减小的结论基本一致。

施雅风等指出在全球气候变暖背景下，新疆地区气温升高趋势明显，并呈现由暖干向暖湿转型的特点[19]。本文通过分析近50 a新疆小麦全育期内的气象因素变化趋势，得到气温呈显著升高趋势与施雅风等提出的论点相一致。但分析得到的有效降雨量呈现下降趋势与施雅风等提出新疆地区由暖干向暖湿转型的趋势相悖。可能原因是小麦全育期内的有效降雨量并不同于年降雨量，如北疆春小麦生育期一般为4—7月，南疆冬小麦生育期为9月至次年6月，而本文统计的仅是小麦生育期内的有效降雨量。此外，相关研究[20-21]指出50 a来新疆年日照时数和风速均呈显著下降趋势，并于20世纪80年初期发生突变，与本文的分析结果也基本一致。

图6　小麦全育期需水量与气象因素相关关系

新疆地区面积广大，地形地貌、气候变化的区域性差异明显，本研究所利用的54个国家气象基本站点数据相对来说比较稀少，如果能增加气象站点数量，小麦需水量空间分布插值将会更加精细。此外，受制于小麦物候期数据时限的限制，本文计算小麦需水量时利用小麦生育期多年平均数据来确定各生长阶段的起始时间，还需要进一步的完善。

4　结 论

(1) 1963—2012年新疆小麦全育期平均需水量为525 mm，但区域差异明显，空间分布总体呈现南疆大于北疆、东部大于西部、由西北向东南增大的格局。此外，从小麦各生长阶段来看生长初期和发育期需水量空间分布表现为南疆多北疆、由北向南呈带状逐渐增大的特征，而生长中期和生长末期需水量空间分布表现为东多西少的格局。

(2) 1963—2012年新疆小麦全育期年需水量平均以7.8 mm/10 a的速率呈极显著的下降趋势，并于1978年开始发生突变。不同生长阶段需水量也均呈现下降趋势，其中生长中期下降速率最大、生长初期和发育期下降速率次之、生长末期下降速率最小。

(3) 1963—2012年新疆绝大部分区域小麦全育期需水量均呈下降趋势，下降速率总体呈现北疆小于南疆、东疆大于西部、由西北向东南递增的空间分布特征，与小麦全育期需水量空间分布特征一致，全育期需水量大的高值区也是需水量递减趋势最剧烈的区域。

(4) 1963—2012年新疆小麦全育期内日平均气温呈极显著的上升趋势，风速、日照时数及有效降雨量均呈现下降趋势。小麦全育期需水量与风速和日照时数表现出很强的相关性，全育期内风速的降低、日照时数的减少是导致小麦全育期需水量下降的主要原因。

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Spatiotemporal Characteristics of Water Requirement of Wheat as Influenced by Climate in Xinjiang in Recent 50 Years

XUAN Junwei1,2, ZHENG Jianghua1,2, LIU Zhihui1,2,3

(1.College of Resources and Environment Sciences, Xinjiang University 830046, China;2.KeyLabforOasisEcosystemofMOE,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Based on the meteorological data of 54 stations from 1963 to 2012 in Xinjiang, the water requirement of wheat (WRW) of the whole growing period and different growth stages were calculated by using FAO Penman-Monteith model and crop coefficient. Meanwhile, we used the methods of linear regression, Mann-Kendall test and Inverse Distance Weighting to analyze the spatiotemporal change characteristics of water requirement of wheat in Xinjiang in recent 50 years. The results showed that the spatial distribution characteristics of mean WRW of the whole growing period and different growth stages of wheat were obviously various in the different regions of Xinjiang. Generally, the WRW of the whole growing period was larger in south than that in north, and it was larger in east than west. And the WRW of the initial or development stage were larger in south than northern. However, the WRW of the mid-season or late-season stage were larger in east than west. The annual WRW of the whole growing period was significantly decreasing with the rate of 7.8 mm/10 a, and it had significantly abrupt decrease in 1978. The negative trend in wheat water requirement in Xinjiang was mainly attributed to decline of sunshine hour and wind speed.

wheat; crop water requirement; spatial distribution; Penman-Monteith equation; trend analysis; Xinjiang

2014-09-20

2014-09-26

水利部公益性行业科研专项“内陆干旱区实施最严格水资源管理关键技术”(201301103)

轩俊伟(1988—),男,山东聊城人,硕士研究生,主要从事水资源管理及GIS应用方面研究。E-mail:sd1900@163.com

郑江华(1973—),男,新疆乌鲁木齐人,教授,硕士生导师,主要从事资源调查监测和3S技术应用研究。E-mail:zheng_jianghua@126.com

S963

A

1005-3409(2015)04-0155-06