北疆春小麦不同生育阶段需水量变化的气候响应

2021-05-25祁嘉郁巴特尔巴克卡力比尔买买提

麦类作物学报 2021年3期

祁嘉郁,巴特尔·巴克，卡力比尔·买买提

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830052)

在20世纪80年代，施雅风院士发现中国西北地区降雨有增多的趋势，并推断西北气候可能正由暖干向暖湿转型[1]。此后的实际观察结果印证了这一推断，研究者也进一步应用全球气候模式对这一变化趋势在21世纪的发展进行了分析[2]。区域气候变化必然对许多自然系统产生影响，包括降水量的变化对区域内作物需水量的效应。水分是西北干旱半干旱地区作物生产的主要限制因素，降水是农业用水的只要来源之一，因而研究降水与作物需水量的关系对指导西北地区农业生产具有重要意义。作物需水量是灌溉决策与水资源规划的基础和依据[3]。国内外学者结合作物系数，基于野外定向观测和气象数据等分析不同作物需水量、灌溉需水量的变化及成因。基于野外滴灌观测试验，陈秋帆等[4]研究了云南春作马铃薯的作物系数及需水量变化规律；基于联合国粮农组织(FAO)推荐的参考作物蒸散量计算方法与作物系数，并结合逐日气象数据，宋妮等[5]、符娜等[6]和吴燕锋等[7]分别研究了河南省、西南地区和石河子地区作物不同生育期需水量变化特征及其气候成因。基于气象资料与作物生育期资料分析，杨晓琳等[8]和黄志刚等[9]认为，黄淮海农作区冬小麦需水量以及松嫩平原玉米需水量均呈现下降趋势。北疆地区是中国春小麦的主产区，但同时水资源不足也是影响春小麦生产的一大限制因素。灌溉对于北疆地区农作物生产的重要作用不言而喻。目前，相关研究大多集中在北疆的气候资源变化特征上，对作物需水量的研究主要针对单一地区作物全生育阶段水分的变化特征，对北疆春小麦不同生育时期需水规律研究较少。因此，本研究根据北疆地区26个主要气象站点56年的气象资料，分析北疆地区春小麦各生育时期作物需水量与灌溉需水量的变化特征及其气候成因，以期为该地区春小麦科学合理灌溉方案的制定提供理论参考。

1 资料来源与研究方法

1.1 研究区概况

北疆地区位于新疆维吾尔族自治区天山以北，是典型的温带大陆性干旱半干旱气候，年平均气温-4～9 ℃，年降水量150～200 mm，全年无霜期140～185 d。小麦生产是新疆地区农业生产的支柱性产业，目前全疆小麦面积有80多万 hm2，其中春小麦占40%左右，而北疆地区又是春小麦的重要种植区。

1.2 数据来源

本研究所用资料是由国家气象信息中心(http://cdc.nmic.cn/home.do)提供的北疆地区26个气象站点1961-2016年逐日气温、降水量、日照时数、风速、相对湿度等资料。表1显示了26个气象站点的分布情况。

1.3 研究方法

运用趋势分析法[10]和相关性分析[11]，探究北疆地区春小麦各生育阶段作物需水量、灌溉需水量的年际变化特征及其气候成因。本研究所有数据统计分析均在Excel下进行，并结合SPSS进行相关性分析，数据差异的显著性采用ANOVA进行检验。

表1 研究区域气象站点位置Table 1 Location of the weather stations in the study area

1.3.1 参考作物蒸散量的计算

据统计，目前有20余种参考作物蒸散量的估算模型[12]，大致可分为基于温度的估算模型(FAO-24 Blaney-Criddle)、基于能量的估算模型(FAO-24 radiation)、基于蒸发皿的估算模型(FAO-56 Panevaporation等)以及基于结合型的估算模型(FAO-24Penman)。其中，PenmanMonteith公式[13]被FAO推荐为计算参考作物蒸散量的标准方法，该公式经美国灌溉与水文技术委员会(ASCE)测试比较，精度较高，因而在国内外广泛被应用。

(1)

式中，△为饱和水汽压曲线斜率 (kPa·℃-1)；γ为干湿表常数(kPa·℃-1)；U2为距地面2 m处的风速(m·s-1)；Rn为冠层表面净辐射(MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量 (MJ·m-2·d-1)；T为日平均气温(℃)；ea为饱和水汽压(kPa)；ed为实际水汽压(kPa)。

1.3.2 作物系数的确定

FAO-56将大多数作物的生育期划分为初始生长期、生长发育期、生长中期和生长末期。春小麦初始生长期指播种至拔节期，生长发育期指拔节至抽穗期，生长中期指抽穗到乳熟期，生长末期指乳熟到成熟期[14]。作物系数与作物生育阶段相关，因地区海拔等因素而存在差异性，故本文将研究区域春小麦作物系数Kcmid根据FAO-56的推荐值进行调整，调整公式如下：

Kcmid=Kcmid+[0.04(U2-2)-0.004(RHmin-45)](h/3)0.3

(2)

(3)

(4)

1.3.3 春小麦作物需水量的计算

本研究主要引用已有研究结果[14-15]划分北疆春小麦生育时期并通过调整确定作物系数(表2)，春小麦作物需水量可根据参考作物蒸散量计算得到：

ETc=ET0×Kc

(5)

式中，ETc为作物需水量(mm)；Kc为作物系数；ET0为参考作物蒸散量(mm)。

表2 春小麦各生育时期的划分与不同生育时期的作物系数Table 2 Division of spring wheat growth stages and crop coefficients at different growth stages

1.3.4 春小麦灌溉需水量的计算

春小麦各生育阶段有效降水量即该阶段实际补充到春小麦根层土壤中的净降水量，代表总降水量的有效部分。本文利用美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量计算方法[16]，即：

(6)

式中：Pe为日有效降水量(mm·d-1)；t为日总降水量(mm·d-1)。

灌溉需水量IR由作物需水量和有效降水量的差值来定义[17]，计算公式如下：

IR=ETc-Pe

(7)

式中，IR为作物灌溉需水量(mm)；Pe为作物生育期内有效降雨量(mm)。

2 结果与分析

2.1 春小麦不同生育时期作物需水量变化特征

过去56年，北疆地区春小麦作物需水量在不同生育时期变化趋势和变化率均有所不同(图1)。从变化趋势上来看，各生育时期总体均呈现下降趋势，其中拔节-抽穗期作物需水量下降趋势最显著，变化率为-0.239 mm·a-1，1968年达到最高值(154.38 mm)，1988年出现最低值(114.48 mm)；其次是抽穗-乳熟期，作物需水量最低值出现在2015年(141.22 mm)，最高值出现在1974年(189.34 mm)；乳熟-成熟期作物需水量波动较大，变化率为-0.186 mm·a-1，2016年达到最低值(76.19 mm)，1982年达到最高值(100.81 mm)；播种-拔节期作物需水量呈轻微的下降趋势，气候变化率为-0.005 mm·a-1，在1966年出现最低值(104.13 mm)，在1997年出现最高值(141.22 mm)。

2.2 春小麦不同生育时期灌溉需水量变化特征

生育期内北疆地区春小麦的灌溉需水量均呈减少趋势(图2)，其中乳熟-成熟期灌溉需水量下降趋势最显著，变化率为-0.385 mm·a-1，1974年达到最高值(92.17 mm)，2016年出现最低值(24.95 mm)；其次是拔节-抽穗期，灌溉需水量最低值出现在1988年(76.14 mm)，最高值出现在1968年(147.56 mm)；播种-拔节期与抽穗-乳熟期灌溉需水量均呈轻微的下降趋势，气候变化率分别为-0.232与-0.231 mm·a-1，播种-拔节期在2002年出现最低值(62.76 mm)，在1997年出现最高值(135.56 mm)，抽穗-乳熟期在1987年出现最低值(106.39 mm)，在1974年出现最高值(180.31 mm)。

2.3 气候成因分析

2.3.1 春小麦生育期气候要素变化特征

从表3可以看出，56年来北疆地区春小麦乳熟-成熟期的平均相对湿度呈增大趋势，而在其他生育时期均呈现减少趋势，但未达到显著水平；全生育期日照时数呈减少趋势，而在拔节-抽穗期呈略微增加趋势，且日照时数变化在拔节-抽穗期和抽穗-乳熟期均达到了显著水平；全生育期平均水汽压呈增加趋势，但均未达到显著水平；春小麦全生育期平均风速呈减少趋势，且在乳熟-成熟期减少趋势达到了显著水平；全生育期平均气温呈明显的增加趋势，且在抽穗-乳熟期达到了显著水平；全生育期内降水量增势较大，但均未达到显著水平。综合分析可以看出，北疆地区整体呈明显的暖湿化趋势，这是区域水热资源随全球变化而产生的效应，但水热资源存在年际和年内分配不均等情况，导致各个生育时期水热资源增势彼此间仍有较大差异。

2.3.2 春小麦作物需水量与气候要素的关系

为进一步探究北疆地区春小麦不同生育时期作物需水量受气候要素的影响，分别对各生育时期春小麦作物需水量与气候要素进行相关性分析。结果(表4)表明，全生育时期春小麦作物需水量与各气象因子之间存在极显著的相关性。全生育期作物需水量与降水量、平均相对湿度和平均水汽压均呈极显著负相关，与日照时数、平均风速和平均气温均呈极显著正相关，其中与降水量和日照时数相关性较高。在不同生育时期，气象因子与作物需水量相关性有所不同，平均相对湿度与作物需水量在各时期都呈极显著负相关；作物需水量与日照时数呈正相关，其中乳熟-成熟期相关性未达显著水平，其余时期相关性都均达到极显著水平；平均水汽压与作物需水量仅仅在播种-拔节期呈正相关，且在播种-乳熟期的相关性都未达显著水平，在乳熟-成熟期呈显著负相关；作物需水量与平均风速在播种-拔节期呈不显著正相关，其余时期都呈极显著正相关；平均气温与作物需水量在乳熟-成熟期呈显著正相关，在播种-乳熟期呈极显著正相关；在各生育时期，作物需水量与降水量都呈极显著负相关。

表3 春小麦不同生育时期气象因子变化趋势Table 3 Trends of meteorological factors at different growth stages of spring wheat

2.3.3 春小麦灌溉需水量与气候要素的关系

为进一步探究北疆地区春小麦不同生育时期灌溉需水量受气候要素的影响，分别对各生育时期春小麦灌溉需水量与气候要素进行相关性分析。结果(表5)表明，春小麦灌溉需水量与降水量、平均相对湿度和平均水汽压在全生育期均呈极显著负相关，且与降水量相关性最强；与日照时数、平均风速和平均气温在全生育期均呈正相关，其中与平均气温呈显著正相关，与日照时数和平均风速呈极显著正相关。在各生育时期，平均相对湿度与灌溉需水量都呈极显著负相关；灌溉需水量与日照时数都呈极显著正相关；平均水汽压与灌溉需水量在播种-拔节期呈显著负相关，其余生育时期都呈极显著负相关；灌溉需水量与平均风速呈正相关，且在播种-拔节期未达到显著水平，在拔节-乳熟期和乳熟-成熟期分别达到显著和极显著水平；平均气温与灌溉需水量乳熟-成熟期呈显著正相关，其余生育时期都呈极显著正相关；在各生育时期，灌溉需水量与降水量都呈极显著负相关。

表4 春小麦不同生育时期作物需水量与气候要素的相关系数Table 4 Correlation coefficients between crop water demand of spring wheat at different growing stages and climatic factors

表5 春小麦不同生育时期作物灌溉需水量与气候要素的相关系数Table 5 Correlation coefficients between crop irrigation amount of spring wheat at different growing stages and climatic factors

3 讨论

作物需水量的变化是各气象因素综合作用的结果，且各气象因子的贡献存在时间差异，判断作物水分盈亏状况并实施科学合理的灌溉措施，不仅需要对作物各生育时期水分需求进行探究，还需及时跟踪并分析不同生育时期作物灌溉需求状况[18-19]。本研究分析了各生育时期春小麦作物需水量和灌溉需水量及其气候成因。结果表明，北疆地区春小麦作物需水量和灌溉需水量在抽穗-乳熟期最大，且该地区春小麦旱灾风险仍然较高，这与前人的研究结论基本一致[20]。不同生育时期灌溉需水量表明，该地区农业发展对灌溉有着很强的依赖性。

气候变化下，过去56年北疆地区春小麦作物需水量总体呈减少趋势，拔节-抽穗期减势最为明显。伴随着作物需水量的减少、降水量的增加，灌溉需水量也呈减少趋势，其中乳熟-成熟期减势最明显。过去56年北疆地区春小麦生育期降水量的增势达到5.68 mm·10 a-1(表2)，且在播种-拔节期增势最明显，为2.27 mm·10 a-1，而抽穗-乳熟期增势最弱为0.041 mm·10 a-1，因此提高春小麦抽穗-乳熟期灌溉量显得尤为重要。降水量的增加对于该地区灌溉需水量的减少有很大贡献，而灌溉需水量是基于作物需水量和降水量计算所得，这进一步表明降水量对于北疆地区春小麦的水分盈亏有着重要的影响。

各气象因子对作物需水量与灌溉需水量的影响极其复杂。本研究表明，日照时数、平均风速和平均气温与春小麦作物需水量呈显著正相关，这与前人的研究结果有较好的一致性[21-22]。从过去56年气候变化事实来看，虽然降水量有所增加，但是考虑到社会的经济发展走向、温室气体的排放状况以及气候情景的预估模拟等方面的情况，未来该地区气候变化趋势仍然存在很大的不确定性，灌溉依旧是农业生产的主要依赖，因此在明确作物各生育期需水量变化的前提下，可采取针对性措施，如在春小麦关键期保证其灌溉用水，合理调整种植结构、种植面积，采用节水灌溉措施等，来有效应对气候变化造成的负面影响。

春小麦生育期需水量除了受到气候变化的影响，还会受到人为因素、社会因素以及经济因素的影响，尤其是春小麦品种的更新、肥料的改进以及管理水平的提高等，由于这些因素无法实现定量化分析，本研究在分析北疆地区春小麦需水量变化时重点考虑了气候因素的影响，关于如何优化其他因素，从而提高农业生产效率，还需进一步探究。