北疆地区棉花生育期需水量变化特征及成因分析

卡力比尔·买买提，巴特尔·巴克，祁嘉郁

（新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐830052）

作物需水量是在正常生育状态和适当的水、肥前提下，作物全生育期中田地消耗于自身蒸散的水分总和[1]，它是灌溉工程和水资源规划的基本依据[2]。不同农作物的需水量随生育期而变化，气温、降雨等气象因子对作物需水量有显著的影响。为此，国内外研究人员对不同地区的农作物需水量和灌溉需水量做了一些研究。王小静[3]等以西北地区的气象资料为基础，结合该地区农作物整个生育期资料，探讨了各生育期需水量和灌溉需水量的时空变异，并分析了产生差异的原因。武永利[4]等基于Penman-Monteith 公式，研究了山西省冬小麦生育期需水变化特征。周迎平[5]等对河南省几种农作物的需水变化规律进行了分析。吴燕锋[6]等对石河子地区59 a 来冬小麦需水量和灌溉需水量进行了研究，并探讨了气候变化对冬小麦生产的影响。陈超[7]等根据我国51 a 来的地面气象资料和棉花生育期资料，计算了调查地区棉花全生育期中的需水量，并探讨了水分亏缺变化规律。聂堂哲[8]等基于单作物系数法和GIS的空间分析功能，研究了黑龙江省玉米需水量的时空分布特征。杨晓琳[9]、宋妮[10]等研究了冬小麦需水量时空变化特征及气候影响因素。曹红霞[11]等对关中地区冬小麦和夏玉米各生育期需水量的变化规律进行了研究。吴灏[12]等建立CROPWAT模型研究水稻每个生育期中需水量和灌溉需水量变化规律及气象因子的影响效应。

灌溉需水量一般是指除了有效降雨量之外能满足植物正常生长被吸收的水量[13]。灌溉在新疆北疆地区占有十分重要的作用。目前，由于气候因素的分析和研究领域的不同，对气候变化下作物需水量的研究存在很大差异以及干旱区长时间序列作物需水量变化规律探讨不足，尤其是对北疆地区棉花不同生育期灌溉需水量研究较少[14，15]。因此，本文基于北疆地区56 a 的气象资料，探讨北疆地区棉花不同生育期需水量和灌溉需水量的变化趋势及其对气候因子的响应，并为确定气候变化情况下的棉花需水量和灌溉需水量奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

北疆地区位于新疆维吾尔族自治区北部，新疆的地理特征是“三山夹两盆”，新疆最北部为阿尔泰山，中部为天山，最南部为昆仑山系。阿尔泰山和天山之间为准噶尔盆地。北疆属温带干旱半干旱区，全年降雨量150～200 mm 以上；无霜期140～185 d。四季分明是北疆的一大特点。

1.2 数据来源

利用中国气象局国家信息中心提供的北疆地区26 个气象站点（见图1）56 a 的棉花生育期逐日气象数据，包括平均气温、平均水汽压、平均风速、相对湿度、降雨量、日照时数，数据经过严格的质量检验，确保数据的准确性。

1.3 研究方法

1.3.1 棉花需水量

参考FAO 推荐的Penman-Monteith 公式[16]计算棉花需水量(ETc)的公式为：

式中：ETc为作物需水量，mm；Kc为作物系数，作物系数因作物生育期而异，是计算棉花需水量中的重要参数；ET0为参考作物蒸散量，mm。

北疆地区棉花属于干旱气候类型区，本文利用已有的研究成果[17]对北疆棉花生育期进行了划分，并给出了各生育期的作物系数(见表1)。

表1 棉花各生育期划分及不同生育期的作物系数Tab.1 Division of cotton growth period and crop coefficient of different growth period

1.3.2 棉花灌溉需水量

灌溉需水量IR由作物需水量和有效降雨量的差值来定义，计算公式如下[18]：

式中：IR为作物灌溉需水量，mm；Pe为有效降雨量，mm。

采用Excel、SPSS 计算并分析1961-2016年作物需水量、灌溉需水量与气象因子变化趋势的相关关系。

2 结果与分析

2.1 棉花不同生育期作物需水量的变化特征

图2显示，过去56 a来北疆棉花各生育期需水量的变化规律各不相同。从变化趋势来看，棉花全生育期下降趋势最明显，气候倾向率是-0.935 mm/a，1961-1974年为上升趋势，之后呈下降趋势，2016年出现最低值为428.9 mm，1974年达到最高值为549.1 mm；其次是花铃期气候倾向率为-0.635 mm/a，1968 达到最高值为342.85 mm，2016年出现最低值为260.61 mm；现蕾期和苗期气候倾向率依次为-0.167、-0.122 mm/a，1974年达到最高值分别为95.26、86.7 mm，最低值出现在2016年依次为71.62、67.08 mm；吐絮期气候倾向率为-0.065 mm/a；1977年达到最高值为35.51 mm，1992年出现最低值为27.72 mm； 从每个生育期的平均需水量来看，花铃期的均值最大，达到305.02 mm，其次是现蕾期、苗期、吐絮期均值依次为84.52、76.52、32.02 mm。

2.2 棉花不同生育期灌溉需水量变化特征

图3所示，棉花每个生育期的灌溉需水量总体上呈减少趋势，全生育期下降趋势最为明显，气候倾向率为-1.137 mm/a；其次是花铃期、苗期和现蕾期，气候倾向率依次为-0.643、-0.223、-0.191 mm/a。1968年花铃期达到最高值336.66 mm，苗期和现蕾期1974年达到最高值分别为71.89、88.52 mm。2016年花铃期出现最低值212.03 mm，1988年苗期出现最低值31.79 mm，2016年现蕾期出最低值为46.73 mm。吐絮期下降趋势不显著，气候倾向率为-0.078 9 mm/a，1978年达到最高值24.44 mm，2015年出现最低值0.94 mm。过去56 a，棉花4个生育期中，花铃期灌溉需水量最高，均值达到289.95 mm，其次，现蕾期＞苗期＞吐絮期，均值依次为68.52、50.96、13.34 mm。

2.3 成因分析

2.3.1 棉花生育期气象因子的变化

通过北疆棉花不同生育期气象因子的变化规律（见表2），可以看出，棉花全生育期平均水汽压、平均风速、日照时数、平均相对湿度均呈减少趋势，平均气温和降雨量均呈上升趋势；生育期中苗期和吐絮期平均相对湿度均呈下降趋势。

棉花各生育期的日照时数也呈减少趋势，尤其是现蕾期减少趋势尤为显著，平均风速在棉花全生育期及各个生育期均呈减少趋势，花铃期减少趋势最为明显。棉花整个生育期的平均气温呈明显的上升趋势，特别是吐絮期最显著。全生育期内降雨量除吐絮期外都呈上升趋势，其中，花铃期和全生育期增长趋势最显著，达到0.147、0.567 mm/a。以上研究表明，北疆气候变化趋势与全疆基本一致，但由于降雨量和热量分布的差异，棉花生育期降雨量和热量的变化率也不同。

2.3.2 作物需水量与气象因子的关系

表2 棉花各个生育期气象因子的变化趋势Tab.2 Variation trend of meteorological factors in different growth stages of cotton

为研究北疆棉花每个生育期对作物需水量的响应，分析了棉花需水量和气象因子的关系，结果见表3。整个生育期的棉花需水量与日照时数、平均风速正相关而且相关性达到极显著水平；与平均相对湿度、平均水汽压、平均气温和降雨量都呈负相关，其中，与平均相对湿度、降雨量的相关性最显著。平均相对湿度与棉花每个生育期作物需水量呈显著负相关，且都呈现出极显著负相关性。日照时数与棉花需水量呈正相关，而且在棉花各个生育期都达到极显著水平。平均水汽压在棉花各生育期内除了花铃期，其余生育期与棉花作物需水量均呈正相关，且在现蕾期达到显著水平。在棉花整个生育期内，棉花全生育期平均气温与作物需水量呈负相关，在其他生育期均呈正相关，且在苗期达到极显著水平。降雨量与棉花作物需水量的关系在每个生育期均呈负相关，且各个生育期都均呈现极显著水平。每个生育期平均风速与作物需水量都呈正相关，并且在各个生育期都达到了极显著水平。

2.3.3 灌溉需水量与气象因子的关系

为探究北疆棉花全生育期灌溉需水量对气象因子的影响，对棉花整个生育期灌溉需水量和气象因子做了相关分析，结果显示在表4。整个生育期，平均相对湿度、平均水汽压和降雨量与棉花灌溉需水量呈显著的负相关，与日照时数、平均气温和平均风速呈正相关。在每个生育期中，平均相对湿度与棉花每个生育期灌溉需水量均呈极显著负相关。日照时数与棉花每个生育期灌溉需水量呈正相关，其中，除了花铃期，其余生育期都达到了极显著水平。平均水汽压在棉花苗期、现蕾期、吐絮期与灌溉需水量均呈负相关，但花铃期、全生育期呈正相关。平均风速在棉花全生育期与灌溉需水量均为正相关，且除了吐絮期，剩下生育期都达到了极显著水平。平均气温与棉花每个生育期灌溉需水量均呈正相关，且在苗期达到极显著水平，吐絮期达到显著水平。降雨量与棉花每个生育期灌溉需水量均呈极显著负相关。

表3 棉花不同生育期作物需水量与气象因子的关系Tab.3 Relationship between crop water requirement and meteorological factors at different growth stages of cotton

表4 棉花不同生育期灌溉需水量与气象因子的关系Tab.4 Relationship between irrigation water requirement and climatic factors in different growth stages of cotton

3 结 论

本文探究了棉花各个生育期灌溉需水量、作物需水量的变化情况及其与气象因子之间的关系。通过对棉花每个生育期作物需水量和气象因子的分析，可看出棉花花铃期作物需水量和灌溉需水量最高，这与前人的研究成果几乎一致[19]。北疆地区旱灾风险较严重[20]，为此，在棉花整个生育期特别是花铃期合理的灌溉及科学的管理水资源，对提高棉花产量具有很大的意义。通过分析北疆地区气象因子的变化规律，得出日照时数呈下降趋势，这与薛亚荣[21]等的研究成果几乎一致；降雨量和平均气温总体呈增加趋势，这与王梅的研究成果一致[22]。研究得出：

(1)过去56 a来北疆棉花作物需水量整体上呈现下降趋势，花铃期最为显著，气候倾向率为-0.635 mm/a，均值为305.02 mm。灌溉需水量整体上也呈现下降趋势，其中花铃期灌溉需水量最高、下降趋势最显著，均值为289.95 mm，气候倾向率为-0.643 mm/a。

(2)气候因子对棉花不同生育期作物需水量和灌溉需水量的影响重大。各气象因子在棉花不同生育期对灌溉需水量的影响有所不同，其中降雨量对灌溉需水量的影响最明显，其次是相对湿度和水汽压。