年来豫西冬小麦需水量变化特征及成因分析

甄小丽　袁鸿猷　刘艳伟

摘要：为了探清豫西地区（三门峡、卢氏、栾川、西峡、洛阳、孟津）近56年（1958—2013年）小麦需水量和净灌溉需水量的变化和成因，采用单作物系数法计算小麦需水量和净灌溉需水量，利用时间序列分析法、采用Mann-Kendall法分析小麦需水量变化趋势，采用通径分析法分析影响小麦需水量的主要气象因子。结果表明，豫西地区多年平均年参考作物蒸发蒸腾量为80766 mm，平均日蒸发蒸腾量为221 mmd，倾向率为-0745 mm年，呈波动减少趋势，1979年以后下降趋势明显。豫西地区小麦的平均需水量、净灌溉需水量分别为484、442 mm，孟津小麦的需水量和净灌溉需水量均为最多，该地区小麦需要消耗更多的灌溉水。豫西地区小麦需水量持续下降在一定程度上减少了灌溉水利用量，影响豫西地区小麦需水量的主要气象因子是气温。

关键词：小麦；需水量；气候变化；Mann-Kendall法；通径分析

中图分类号： S2744文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0060-03

收稿日期：2017-04-11

基金项目：云南省应用基础研究计划（编号：KKSY201223076）；昆明理工大学大学生创新训练计划。

作者简介：甄小丽（1981—），女，内蒙古赤峰人，硕士，讲师，主要从事岩土工程和农业水土工程研究。E-mail：zhenxiaoli2005@163com。

通信作者：刘艳伟，博士，副教授，主要从事气候变化及生态水文学研究。E-mail：liu-xiaocao@sohucom。

全球气候变暖已是不争的事实1]，气候变化势必对农作物产生一定影响2]。农业一直以来是用水大户3]，Kahsay等预计到2030年发展中国家灌溉用水将增长14%4]。目前，国内外对气候变化条件下作物需水量和灌溉需水量的变化趋势及其影响因子方面开展了研究：Nkomozepi等对气候变化条件下玉米需水量进行分析预测5]；符娜等研究了西南地区水稻需水量变异特征6-7]；李闯等利用多年气象资料分析计算了烤烟和小麦灌溉需水变化规律8]；王卫光等模拟了气候变化对2种灌溉模式下水稻需水量的影响9]；刘晓英等分析了近50年来华北地区主要作物的需水量的变化趋势及其成因10]；刘钰等对中国30年4种主要作物需水量进行了统计和分析11]。

豫西地区位于我国最主要的粮食生产区——河南，小麦是当地主要的粮食作物之一，近年来，小麦单产稳步上升12]。由于河南是严重缺水的地区之一1]，小麦生长又受到降雨时空分布不均匀的影响，对气候变化条件下小麦需水量变化规律分析显得尤为重要。本研究根据豫西地区6个气象站点1958—2013年的日气象资料，研究豫西地区小麦需水量的变化趋势，并采用通径分析研究小麦需水量的变化成因，旨在研究豫西地区小麦蒸发蒸腾量的变化特征及其成因，并为豫西地区水资源优化配置提供基础数据。

BT1#]STHZ]1材料与方法

11资料来源

豫西地区地处温带半湿润季风气候区，是河南省小麦主产区13]。本研究选取豫西地区6个代表站点（三门峡、卢氏、栾川、西峡、洛阳、孟津），采用中国气象数据网上1958—2013年逐日地面气象资料，包括降水量、气温、水汽压、相对湿度、日照时数、风速等数据。

12研究方法

121作物需水量

采用单作物系数法计算小麦需水量，计算公式如下：

JZ（]ETc=Kc ET0。JZ）]JY]（1）

JP2]式中：ETc为作物需水量（mmd）；ET0为参考作物蒸发蒸腾量（mmd），采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算；Kc为作物系数，采用宋妮等研究成果，冬小麦在播种至返青、返青至抽穗、抽穗至成熟的作物系数Kci分别为070、115、04014]。

122净灌溉需水量

某種作物的净灌溉需水量等于生育期内需水量与有效降水量之差，是农业灌溉用水和制定合理灌溉制度的依据15]。公式如下：

JZ（]IR=ETc-Pe。JZ）]JY]（2）

式中：IR为作物日净灌溉需水量（mmd）；Pe为日有效降水量（mmd），采用美国农业部土壤保持局推荐方法计算16]。

123时间序列法

以气候趋势系数和气候倾向率17-18]为指标，分析ET0和小麦生育期需水量的年际变化。

124Mann-Kendall非参数检验法

ET0和小麦需水量的变化采用Mann-Kendall法判断年际突变点，用MATLAB 70实现。

125通径分析

通径分析（path analysis）的实质是标准化的多元线性回归分析19]，采用通径分析来量化研究各气象因子对作物需水量的影响程度。

2结果与分析

21ET0的时间变化特征

豫西地区ET0的年际变化趋势及M-K检验见图1、图2。豫西地区多年平均年ET0为80766 mm，平均日ET0为 221 mmd。56年来豫西ET0呈波动减少趋势，倾向率为 -0745 mm年。1964、1984、1989、1990、2003年ET0出现明显低值，最小值65907 mm出现在1989年，峰值92264 mm出现在1959年。自1958年以来ET0呈波动下降趋势，1966年之后ET0呈现持续下降趋势，1979年之后下降趋势明显。

FK（W11]TPZXL1tif]

22小麦需水量年际变化趋势

豫西地区小麦生育期需水量ETc和净灌溉需水量IR的均值及其年际变化趋势表1。结果表明，三门峡、卢氏小麦ETc和IR随年份呈下降趋势，而西峡、孟津小麦ETc和IR呈上CM（25]升趋势；孟津小麦生育期ETc及IR的倾向率分别为endprint

FK（W11]TPZXL2tif]

130 mm年 和137 mm年，上升速率最高，ETc和IR均为最大，表明该地区小麦生长需要更多的灌溉水。通过豫西地区平均ETc的M-K检验曲线（图3）可以看出，豫西地区小麦需水量在1966年以后呈下降趋势，1984年之后下降趋势明显。

23气象因子对小麦需水量的通径分析

求解和分析9个气象因子，包括气压、风速、气温、水汽压、湿度、日照时数、最低气温、最高气温对小麦需水量的直接作用（通径系数）和间接作用，分析结果见表2。

由气象因子对豫西地区小麦需水量的通径分析可知，气温对豫西地区小麦作物的通径系数最大，为117，其次为日照时数和湿度分别为-055和-030。在间接的对比中可以发现水汽压是影响小麦需水量最大的气象因子，而影响最小的为日照时数。

3讨论与结论

本结论基于6个气象站点56年的逐日气象资料，分析了河南省豫西地区ET0及小麦生育期需水量的变化特征。利用时间序列法和Mann-Kendall非参数检验法分析ET0及小麦生育期需水量的变化趋势， 考虑到需水量受各气象因子共同影响，利用通径分析方法，研究各气象因子对小麦需水量影响的直接和间接效应，比较全面地反映了各个气象因子对小麦需水量的综合作用效应。

本研究发现豫西地区近56年平均ET0呈波动减少趋势。南纪琴等利用1981—2010年河南省17个气象站的资料，分析认为多年平均ET0呈降低趋势20]；宋妮等利用河南省17个气象站52年气象资料得出，冬小麦平均需水量卢氏站最低，孟津站最高14]；刘小刚等认为，河南省气温对冬小麦需水量的影响最大21]。本研究认为，影响豫西地区小麦需水量的气象因素影响由大到小依次为气温、日照时数、湿度、最高气温和风速。刘晓英等研究认为，华北地区冬小麦、夏玉米的需水量随年际变化而升高，作物需水量与环境因子密切相关10]。可见，作物需水规律受多种气象因素综合作用影响，且各因子的贡献存在区域差异22]。

1958—2013年豫西地区多年平均ET0在663～928 mm之间，平均ET0为80766 mm，呈波动减少趋势，倾向率为 -0745 mm年。豫西地区ET0自1958年以来呈波动下降趋势，1979年之后呈明显下降趋势。

豫西地区小麦生育期需水量、净灌溉需水量分别在 3907～5617、3517～ 5244 mm，孟津小麦生育期需水量、净灌溉需水量的倾向率分别为130、137 mm年，上升速率最高，表明该地区小麦生长需要更多的水分，而豫西其他地方的小麦需水量则呈现出下降趋势。豫西地区小麦需水量在1966年后呈现下降趋势，1984年后下降趋势明显。

气象因子是导致豫西小麦需水量下降的主要原因，影响该地区小麦需水量的气象因子主要是气温、日照时数、湿度、最高气温和风速。在全球气候变暖的情况下，小麦需水量呈现出下降趋势，可以有效减少水资源的利用量。

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