信阳市冬小麦需水量的时空分布及其气候影响分析

杨慧洁,孟祥杰,赵 辉

(1.信阳市农业气象试验站，河南 信阳 464000；2.信阳市气象局，河南 信阳 464000)

0 引言

作物需水量的估算和预测在农业生产布局和农田水资源优化配置中起着重要的作用。近年来受自然和人类活动共同影响导致了全球性的气候变暖[1]。气温升高一定程度上影响降水的变化，两者时空变化将会直接影响作物的生长发育和耗水过程，进而影响作物的需水量[2]。

研究人员对不同区域冬小麦需水特征做了大量分析工作[3～14](刘晓英等， 2005； 刘钰等，2009； 方文松等，2009； 左余宝等，2009； 杨晓琳等，2012； 刘勤等，2013； 孙爽等，2013； 甄小丽等，2017；庞艳梅，2017)。结果显示不同的区域，同一作物需水量表现特征不同。孙爽等[9]分析了1961-2010年全国356个站点冬小麦需水量数据，整体呈下降趋势。曹红霞等[12]分析1961-2001年关中地区30个气象站冬小麦需水量的年际变化，结果表明小麦需水量变化不一致，17个站点呈增加趋势，13个站点呈减少趋势。宋妮等[13]分析了河南省17个站点冬小麦需水量的年际变化，有7个站呈上升趋势，10个站则呈下降趋势。时间序列、分析方法的不同都可能会导致结论的不一致。杨晓琳等[7]认为1960-2009年黄淮海冬小麦需水量减少的最主要的气象因素是太阳辐射量下降。

笔者研究基于信阳市1961-2016年逐日气象资料，分析信阳市冬小麦全生育期需水量的时空分布特征，并对其主要影响因素进行探，对全球气候变化背景下指导信阳冬小麦水资源配置具有指导意义。

2 研究区域与方法

2.1 研究区域概况

信阳地处我国南北气候过渡带，淮河流经信阳地区北部，绝大部分地区位于淮河以南，是亚热带和暖温带的过渡地带，年平均日照时数2 000 h左右，年平均温度15.1～15.3℃，年平均降水量为1 100 mm左右，广泛种植水稻、小麦、油菜等粮食作物。

2.2 数据与方法

数据来源于信阳各国家气象观测站，时间序列为1961-2016年共56 a的逐日观测数据，主要包括：逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、相对湿度和平均风速。研究区内冬小麦播种收获时间，统一选择10月至翌年5月作为冬小麦生育期。冬小麦全生育内需水量系数估算。

ETC=KC×ET0

(1)

式中，ETC为作物需水量(mm·d-1)，ET0为参考作物蒸散量(mm·d-1)，KC为作物系数[15]。其中ET0的计算[16]，见公式(2)。

(2)

式中，Rn为净辐射(MJ·m-2·d-1)， 为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)， 为日平均气温(℃)，u2为2 m高处风速(m·s-1)，es为饱和水汽压(kPa)，ea为实际水汽压(kPa )， 为饱和水汽压-温度曲线斜率(kPa ·℃-1)， 为干湿表常数(kPa ·℃-1)。

分析冬小麦需水量和气候要素时间变化时采用气候倾向率法和一元线性回归法[17]，分析气候要素与冬小麦需水量相关关系时利用Pearson相关分析法进行检验[18]。利用Matlab软件进行数据处理并绘制时间序列图，利用SPSS软件进行统计分析，利用ArcGIS 10.0的反距离权重法(IDW)进行空间差值得到空间分布图[19]。

3 结果

3.1 冬小麦需水量时空变化特征

3.1.1 冬小麦需水量随时间变化特征 由图1可知，信阳市1962-2016年区域平均需水量呈弱增长趋势，气候倾向率为2.6 mm·10a-1。与时间相关系数为0.17，未通过显著性检验。信阳市1962-2016年需水量低值年在1964年，高值年在2011年，平均需水量为394.1 mm。

表1为信阳市1962-2016年各站点需水量随时间变化特征。7个站点中仅1个站点的需水量随时间明显减少，气候倾向率为-5.51 mm·10a-1，相关系数为-0.26(P<0.05)，剩余6个站点气候倾向率均为正值，即随时间呈增加趋势，其中信阳、光山和新县通过了0.01水平的显著性检验，商城通过了0.05水平的显著性检验。各站点需水量的变异系数变化范围为6.83%～8.98%，55 a需水量的变异系数平均值为6.1%。

表1 信阳市冬小麦需水量气候倾向率(mm·10a-1)、与时间相关系数及年代平均值 (mm)

注：*表示0.05水平显著性检验，**表示0.01水平显著性检验，下同。

3.1.2 冬小麦需水量随空间变化特征 信阳市1962～2016年平均需水量空间变异系数仅为1.9%，空间变异较小，信阳市冬小麦需水量90年代空间差异较大，其余年代差异较小。信阳市多年平均需水量在382.7～403.1 mm，整体看来，研究区域内东部需水量较少、西部较多，低值区在息县、关山一代，高值区在信阳、新县一代。较其他年代相比，信阳市60年代和70年代冬小麦需水量较少，60年代多数站点不超过389.5 mm，70年代多数站点不超过395.5 mm。信阳市80年代和90年代冬小麦需水量呈现一定的带状分布，大致分布为东部少、西部多。信阳市2001～2016年冬小麦需水量最多，多数站点超过395.5 mm。

从各站点来看(表1)，息县70年代冬小麦需水量最多，超过395.5 mm，其次是60年代，其他年代需水量较少，均不超过389.5 mm；罗山60年代和90年代需水量较少，不超过389.5mm，70年代和2001-2016年需水量最多，超过395.5 mm；信阳60年代和70年代冬小麦需水量较少，不超过389.5 mm，其他年代需水量较多，超过395.5 mm；光山站冬小麦需水量逐年代增加；潢川站80年代和90年代需水量较少，不超过389.5 mm，其他年代较多，均超过395.5 mm；新县60年代冬小麦需水量最少，不超过389.5 mm，其次是70年代，其他年代均超过395.5 mm；商城站2001-2016年需水量最多，超过395.5 mm，其他年代较少，均不超过389.5 mm。

3.2 冬小麦需水量气候影响因素

3.2.1 冬小麦生育期内气候影响因素变化 由图3可知，信阳市1962-2016年降水量呈弱减少趋势，气候倾向率为-12.1 mm·10a-1。平均气温呈显著升高趋势，其气候倾向率为0.29℃·10a-1(P<0. 01)。相对湿度、日照时数和风速均呈显著减少趋势，气候倾向率分别为-1.2%·10a-1(P<0. 01)、-31.4 h·10a-1(P<0. 01)、-0.21 m·s-1·10a-1(P<0. 01)。

可见，降水量年际波动不大，其气候倾向率为正，但未呈现明显的线性趋势变化，而同期的相对湿度、日照时数和风速呈显著下降趋势，平均气温呈显著上升趋势。

表2 信阳市冬小麦需水量与气候要素相关系数

3.2.1 冬小麦生育期内气候影响因素与需水量相关分析 表2统计分析了信阳市1962-2016年冬小麦全生育期需水量与同期降水量、平均气温、相对湿度、日照时数和平均风速等主要气候要素之间的相关关系。由表2可见，冬小麦全生育期需水量与平均气温、日照时数和风速呈不同显著程度的正相关关系，与降水量和相对湿度呈显著负相关关系。

上述结论表明气温显著升高、相对湿度显著下降和降水量减少对冬小麦全生育期需水量的正效应超过了风速和日照时数的显著下降对冬小麦全生育期需水量的负效应，受其综合影响，信阳市冬小麦全生育期需水量才呈上升趋势。

为定量描述各气候因子对冬小麦需水量的综合影响，以需水量与表2中气候因子分别为因变量和自变量，利用SPSS统计软件进行多元逐步回归分析，建立统计模型，其中标准回归系数的大小表示各自变量对因变量的相对重要性。统计结果表明，风速和平均气温的标准回归系数最大，分别为32.29何29.29，其次是相对湿度和日照时数，分别是-1.18和0.11，降水量标准系数最小为-0.02；风速、平均气温和日照时数的贡献为正，而降水量和相对湿度的贡献为负。从标准回归系数看，风速和平均气温对需水量的贡献最大。

4 结论

(1)信阳市1962-2016年区域平均需水量在382.7～403.1 mm，呈弱增长趋势，研究区域内，空间变异较小，东部需水量较少、西部较多。信阳市1960 s和1970 s冬小麦需水量较少；2001-2016年冬小麦需水量最多。

(2)信阳市1962-2016年降水量呈弱减少趋势，气候倾向率为-12.1 mm·10a-1。平均气温呈显著升高趋势，相对湿度、日照时数和风速均呈显著减少趋势。因此，冬小麦全生育期需水量呈微弱增加趋势，主要是由于日照时数的显著减少和风速的显著下降，可能削弱了由气温显著升高和相对湿度显著减少所引起的需水量的增量。

(3)信阳市冬小麦全生育期需水量与平均气温、日照时数和风速呈不同显著程度的正相关关系，与降水量和相对湿度呈显著负相关关系。风速和平均气温对需水量的贡献最大。