三义寨灌区主要作物需水量变化趋势分析

高志永，冯 峰，杨 毅

(1.杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100; 2.黄河水利职业技术学院 小流域水利研究中心，河南开封 475004;3.清华大学 水利系，北京 100084)

三义寨灌区主要作物需水量变化趋势分析

高志永1，冯 峰2，3，杨 毅2

(1.杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100; 2.黄河水利职业技术学院 小流域水利研究中心，河南开封 475004;3.清华大学 水利系，北京 100084)

探究作物需水量及其变化趋势，为制定灌区灌溉制度、区域水资源规划和管理提供依据。基于三义寨灌区2000―2014年逐日气象数据，根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算小麦、玉米和棉花的需水量(ETc)，采用TFPW-MK法研究3种作物ETc变化特征，借助通径分析法探讨作物ETc变化成因，并利用R/S方法预测作物未来ETc变化趋势。结果表明：小麦、玉米和棉花全生育期ETc存在显著性差异，分别为358.47、246.18和438.97 mm，小麦抽穗期、玉米灌浆成熟期、棉花花铃期ETc显著增加，分别占各自全生育期 的31.24%、37.06%和51.18%；小麦全生育期ETc以2.86 mm/a显著降低，玉米和棉花全生育期 以ETc2.39 mm/a和4.33 mm/a降低，小麦成熟期、玉米拔节期和棉花现蕾期 以0.14 mm/a、0.38 mm/a和0.19 mm/a 增加，3种作物的ETc在其他生育期均降低；小麦、玉米和棉花ETc最主要影响因子为风速、日照时数和风速；在未来一段时间，小麦全生育期ETc为增加趋势，玉米和棉花全生育期ETc为降低趋势，小麦分蘖和拔节期、玉米抽雄期及棉花播种、现蕾和吐絮期ETc变化趋势与过去相反，三者其他生育期ETc与过去变化趋势保持一致。

作物需水量；TFPW- MK法；通径分析法；R/S法

自20世纪50年代以来，随着二氧化碳排放量的增加，全球气候发生了显著变化[1]。气候的变化影响着水资源的管理和规划，而水资源已限制全球经济发展[2]，气候变化对中国农业用水和粮食生产带来影响[3]。水资源利用不仅关系到国家经济发展，而且与粮食产量和食品保障息息相关。中国70%以上水资源用于农业，但利用效率低下，提高农业用水的关键是计算和预测作物需水量[4]。因此，全面了解气候变化条件下作物需水规律，探讨作物需水量变化趋势，并预测作物需水量未来变化，可为水资源的优化管理和分配提供参考，也为主要作物科学灌溉提供依据。

目前，气候变化条件下作物需水量在不同地区的分布特征及其对不同区域气候变化响应是研究的热点[4-8]。对于作物需水量时空变化特征及成因分析采用传统的趋势分析法和相关分析，孙爽等[9]和万梦丹等[10]采用线性倾向估计法分析中国冬小麦需水量的时空特征和滇东北作物耗水特性，崔日鲜等[11]借助Mann-Kendall法分析山东棉花生育期需水量时空变化特征，尹海霞等[4]和周迎平等[12]利用相关性分析法研究黑河流域中游地区主要作物需水量和河南省小麦等作物需水量变化成因。以上趋势分析方法没有考虑相依序列自相关的影响，Yue等[13]考虑时间序列的影响，提出去趋势预置白处理(trend-free pre-whitening,TFPW)的Mann-Kendall法，该方法在气象等时间序列趋势性检验邻域得到广泛应用[1,14-15]，此外，相关性分析仅孤立考虑作物需水量与单个气象因子的关系，未考虑气象因子通过影响其他气象因子来间接影响作物需水量，因此，在反映作物需水量的变化成因上缺乏准确性。

本研究以河南省三义寨灌区惠北科学试验站2000―2014年试验监测长序列逐日气象数据计算小麦、玉米、棉花的需水量，利用TFPW-MK法分析3种作物生育期内需水量的趋势性变化，借助通径分析法揭示作物需水量成因，并采用R/S法分析预测作物需水量未来变化趋势，以期正确掌握灌区农业用水趋势，对未来灌区水资源规划和管理提供事实依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三义寨灌区面积为2 173 hm2左右，小麦、玉米、棉花3种主要作物种植比例分别为82%、70%、20%,该灌区属于半湿润半干旱气候带，年均气温为14.1 ℃，年均降雨量为626.7 mm，年均水面蒸发量1 350 mm，年均日照时数为2 267.6 h，平均日照率51%～57%，无霜期210～240 d。土质为浅黄色粉土、亚沙土及亚粘土，土壤0～60 cm 土层体积质量为1.5 g/cm3，田间持水量为24%(占干土重的%)。

1.2 数据来源

本研究气象数据为三义寨惠北水利科学试验站2000―2014年逐日监测气象数据，包括气温(Tm)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、日平均相对湿度(RH)、日照时数(SD)、日平均风速(u)等数据。

1.3 研究方法

1.3.1 作物需水量计算 采用单作物系数法计算小麦、玉米、棉花逐日的作物需水量，作物需水量(ETc)为参考作物需水量与作物系数的乘积。参考作物需水量由penman-Monteith公式计算[16]得到， 作物系数与作物生育期相关，小麦、玉米、棉花的生育期见表1。作物系数利用已有文献获取[12],其中，小麦作物系数在分蘖-返青期为0.70，返青-抽穗期为1.14，抽穗-成熟期为0.40；玉米作物系数在播种-拔节期为0.40，拔节-抽雄期为1.15，灌浆成熟期为1.05；棉花作物系数在播种-现蕾期为0.35，现蕾-花铃期为1.15，花铃-吐絮期为0.70。

1.3.2 趋势性分析 采用TFPW的Mann-Kendall法分析小麦、棉花、玉米需水量的趋势性变化。该方法是以秩为基础的非参数检验法，能够定量检验时间序列的趋势性，去趋势预置白处理的Mann-Kendall处理过程见相关文献[1,14- 15,17]。

1.3.3 通径分析法 通径分析法是研究自变量与自变量、自变量与因变量作用方式及程度的一种统计方法，可以分析自变量对因变量的直接作用和自变量通过其他自变量对因变量的间接作用，克服了相关分析和多元回归分析的不足，可以全面反映自变量对因变量的效应[18-19]，本研究利用通径分析法量化分析气象因子对小麦、玉米和棉花需水量的影响。

表1 三义寨灌区小麦、玉米、棉花生育期Table 1 Growth priod of wheat ,maize and cotton in Sanyizhai irrigation area

1.3.4 R/S分析法 重标极差法(R/S)原理[21]为设一个时间序列{x(t)},t=1,2,…,n，对于任意正整数τ≥1，计算均值序列、累计离差序列、极差R(τ)序列和标准极差S(τ)序列。对于R(τ)/S(τ)=R/S，如果存在R/S∝τH关系，则说明时间序列{x(t)},t=1,2,…,n,存在Hurst现象,H为Hurst 指数。当0≤H<0.5时，时间序列为反持续性，即下一时段的变化趋势与上一时段相反,H值越靠近0，反持续性越强；当0.5

1.4 统计分析

采用Spass 18.0和Excel 2010进行数据分析，利用Origin 8.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 主要作物需水量

图1为2000―2014年小麦、玉米、棉花作物在生育期内的需水量。由图1可知，小麦在分蘖-返青期需水量变化平稳无显著差异，变化为31.23 ～37.64 mm，平均值为33.70 mm,低于全国45.00 mm平均水平[9]；在拔节和抽穗期需水量显著增加(P<0.05)，增加量为99.46 mm和111.99 mm，分别占总生育期需水量的26.91%和31.24%；在成熟期需水量显著(P<0.05)降为48.91 mm。玉米在苗期-灌浆成熟期需水量均存在显著差异(P<0.05)，变化为34.77～91.23 mm,平均值为61.54 mm,这主要是夏玉米的日需水强度随生育期发生明显变化所致[22]，其中需水量在抽雄和灌浆成熟期为161.51 mm，占总生育期需水量的65.61%，该时段是玉米需水最多的生育期。棉花需水量在播种和现蕾期无显著差异，其值分别为24.12 mm和26.65 mm；在出苗和吐絮期无显著差异，其值分别为75.84 mm和87.71 mm；在花铃期显著增加(P<0.05)，达到224.66 mm，占全生育期的51.18%。小麦、玉米和棉花在全生育期需水量均存在显著性差异(P<0.05)，其中，棉花需水量最大，达438.97 mm，小麦需水量次之，为358.47 mm，玉米需水量最小，为246.18 mm。

不同小写字母表示同一生育期作物需水量差异显著(P<0.05) Different lower case letters represent significant difference of water requirements at same growth period(P<0.05)

2.2 主要作物需水量趋势

利用TFPW- MK法计算2000―2014年小麦、玉米和棉花生育期需水量的Z统计值(图2)，并计算三者的Sen斜率值(表2)。图2表明，小麦需水量仅在成熟期呈现增加趋势，增加量为0.14 mm/a，在分蘖、越冬、返青、拔节和抽穗期均为减少趋势，减小量分别为0.77、0.11、0.73、1.00、0.86 mm/a，全生育期以2.86 mm/a显著降低(P<0.05，表2)；玉米需水量仅在拔节期呈现增加趋势，增加量为0.38 mm/a，在苗期和抽雄期呈现降低趋势，减小量分别为0.04 mm/a和0.79 mm/a，在灌浆成熟期以2.13 mm/a显著降低(P<0.05，表2)，全生育期以2.39 mm/a降低(表2)；棉花需水量仅在现蕾期呈现增加趋势，增加量为0.19 mm/a，在播种、出苗、花铃和吐絮期为降低趋势，减少量分别为0.43、0.31、1.42、0.94 mm/a，全生育期以4.33 mm/a降低(表2)。

*表示生育期作物需水量差异显著(P<0.05) * represent significant difference of wate requirement at growth period(P<0.05)

表2 主要作物生育期需水量斜率值Table 2 Sen’s slope values of main crops at growth period

注：*表示生育期作物需水量差异显著(P<0.05)。

Note:*represent significant difference of water requirement at growth period(P<0.05).

2.3 主要作物需水量影响因子

作物需水量大小受内部和外部因子影响，气象因子是影响作物需水量的主要外部因子[4]。建立作物需水量与气象因子的多元线性回归方程，求解气象因子关于作物需水量通径系数的正规方程组，计算气象因子对作物需水量的通径系数和间接作用，结果见表3、表4和表5。相对湿度和风速对小麦需水量通径系数的绝对值较大，分别为-0.49和0.99，说明风速对小麦需水量具有促进作用；相对湿度对小麦需水量具有抑制作用(表3)。日照时数和最小温度对玉米需水量通径系数分别为0.47和0.78，对玉米需水量的影响较大，而且为正数，说明对玉米需水量具有促进作用(表4)。最小温度、日照时数和风速对棉花需水量通径系数分别为0.75、0.43和0.92，都为正数，说明对棉花需水量具有促进作用；其他气象因子对棉花需水量影响不大(表5)。从间接作用来看，各气象因子之间相互作用，相互影响，对三义寨灌区主要作物的需水量具有共同影响作用。

表3 气象因子对小麦需水量的通径分析Table 3 Path analysis between meteorological factors and water requirement of wheat

表4 气象因子对玉米需水量的通径分析Table 4 Path analysis between meteorological factors and water requirement of maize

表5 气象因子对棉花需水量的通径分析Table 5 Path analysis between meteorological factors and water requirement of cotton

通径分析中通过减少气象因子，观测回归方程估测可靠程度E、直接作用及间接作用来确定气象因子对主要作物需水量影响的敏感次序,从中找出影响作物需水量的主要因子。逐步剔除不敏感项对小麦、玉米和棉花需水量的通径分析结果见表6、表7、表8。与6个气象因子的结果相比，去掉气温、最大温度、最小温度和日照时数，E分别为0.86、0.89、0.89和0.89，剔除相对湿度或风速后，E由0.90减少为0.78和0.44，说明风速和相对湿度是影响小麦需水量的最主要气象因子(表6)。表7显示，去掉气温、最大温度、最小温度、相对湿度和风速，E分别为0.90、0.90、0.87、0.88和0.85，剔除日照时数后，E由0.90减少为0.65，说明玉米需水量对日照时数最敏感。表8显示，去掉气温、最大温度、相对湿度和日照时数，E分别为0.85、0.85、0.84和0.78，剔除最小温度和风速后，E由0.90减少为0.63和0.56，说明棉花需水量对最小温度和日照时数最敏感。

表6 逐步剔除不敏感气象因子对小麦需水量的通径分析Table 6 Path analysis water requirement for wheat by gradually removing insensitive meteorological factor

对影响小麦、玉米和棉花生育期需水量敏感气象因子进行TFPW-MK法分析，结果如图3所示。图3表明，相对湿度在诸生育期和全生育期为增加趋势；风速在小麦成熟期为增加趋势，在其他生育期和全生育期为降低趋势。风速对小麦需水量具有促进作用，相对湿度对小麦需水量具有抑制作用(表3)，风速在小麦分蘖-抽穗期为降低趋势，降低的风速减弱了陆地与大气的能量交换程度[23]，相对湿度在小麦分蘖-抽穗期为增加趋势，增加的相对湿度抑制土壤蒸发，促使小麦需水量在分蘖-抽穗期降低，增加的风速导致小麦成熟期需水量在成熟期增加。影响玉米需水量的日照时数在玉米拔节期为增加趋势，在其他生育期和全生育期为降低趋势。日照时数的变化影响着到达地面的辐射能量，最终导致玉米需水量变化。影响棉花需水量的最小温度在各生育期和全生育期为增加趋势；风速除在现蕾期为增加趋势外，在其他生育期和全生育期为降低趋势。最小温度和风速对小麦需水量都有促进作用(表3)，棉花需水量对风速最为敏感，风速是影响水汽输送的重要气象因子[23]，风速的变化趋势掩盖了最小温度的变化，最终影响棉花需水量的变化趋势。

表7 逐步剔除不敏感气象因子对玉米需水量的通径分析Table 7 Path analysis water requirement for maize by gradually removing insensitive meteorological factor

表8 逐步剔除不敏感气象因子对棉花需水量的通径分析Table 8 Path analysis water requirement for cotton by gradually removing least sensitive meteorological factor

图3 敏感性气象因子在小麦、玉米和棉花作物生育期的Z值Fig.3 Z value of sensitive meteorological factors at growth period of wheat,maize and cotton

2.4 主要作物需水量趋势预测

对主要作物生育期的需水量进行R/S预测分析，分析Hurst指数见表9。表9表明，小麦需水量的Hurst指数在分蘖、拔节和全生育期小于0.5，在越冬、返青、抽穗和成熟期需水量的Hurst指数大于0.5，说明小麦需水量在未来分蘖、拔节和成熟期呈现增加趋势；在未来越冬、返青和抽穗期呈现降低趋势；全生育期为增加趋势。玉米需水量的Hurst指数在抽雄期小于0.5，在拔节、灌浆成熟和全生育期需水量的Hurst指数大于0.5，在苗期需水量的Hurst指数等于0.5，说明玉米需水量在未来苗期存在随机性；在未来拔节和抽雄期呈现增加趋势；在未来灌浆成熟期呈现降低趋势；全生育期为降低趋势。棉花需水量的Hurst指数在播种、现蕾和吐絮期小于0.5，在出苗、花铃、和全生育期需水量的Hurst指数大于0.5，说明棉花需水量在未来播种和吐絮期呈现增加趋势；在未来出苗、现蕾和花铃期呈现降低趋势；全生育期为降低趋势。

表9 主要作物不同生育期需水量R/S趋势分析的Hurst指数Table 9 Hurst index (H) of R/S analysis for water requirement of main crops at growth period

3 讨 论

小麦、玉米和棉花全生育期的需水量呈现降低趋势与其他的研究结论[12,23]相一致。小麦全生育期需水量为358.47 mm,该需水量属于中值区，低于全国平均需水量[9]，玉米和棉花需水量分别为246.18和438.97 mm，二者接近河南省平均需水量[12],低于全国需水量范围[8]。其中棉花全生育期需水量最大，小麦次之，玉米最小，这与周迎平等[12]对河南省主要作物需水量研究结果相同，作物的需水量与生育期长度和需水强度等有关。棉花生育期始于4月中旬止于10月下旬，历时达205 d，日需水强度均值为2.05 mm,小麦生育期始于10月中旬止于翌年5月下旬，历时达234 d，日需水强度均值为1.54 mm，玉米生育期始于6月中旬止于9月中旬，历时达102 d，日需水强度均值为2.41 mm。从历时来看，小麦生育期长度大于棉花生育期，其中小麦分蘖期为31 d，该生育期需水强度逐渐减小，越冬期为51 d，此生育期内需水强度最小，从而小麦全生育期需水量小于棉花。从需水强度来看，玉米最大，生育期仅为102 d，导致全生育期需水量最小。

影响作物需水量的因素诸多，如农业措施、土壤水分等，为分析作物需水量的变化原因，本研究从影响作物需水量的最主要气象因子出发，利用逐步剔除不敏感气象因子的通径分析法分析表明风速和日照时数分别对小麦、棉花和玉米需水量影响最为敏感，这与已有研究结论相一致[12,23- 24]。黑河流域中游地区小麦和玉米需水量主要影响因子为相对湿度、日照时数和平均风速[4]，滇东北地区小麦和玉米需水量的主要影响因素为日照时数[10]，新疆人民胜利渠灌区小麦、玉米和棉花需水量的主要影响因子为相对湿度、日照时数、日照时数[25]，关中地区小麦和玉米需水量的主要影响因子分别为相对湿度和日照时数[26]。参考作物需水量是计算作物需水量的基本数据也是关键因子，川中丘陵区日照时数和风速是影响参考作物需水量的主要因子[27]，西北地区影响参考作物需水量的主导因子为风速[28- 29]，由此可见，不同区域不同作物需水量对气象因子的敏感性存在差异。

小麦对气候变化较敏感[30]，致使小麦全生育期需水量在未来出现增加趋势。就未来3种作物生育期需水量而言，小麦拔节期为需水关键期，需水量呈现增加趋势，此时灌溉对小麦产量有重要影响[31-33]，玉米抽雄期需水量增加，该时段水分亏缺会造成雌雄花开期脱节且穗长减小[34]，棉花花铃期需水量降低，但本时段是需水关键期，通过增加灌溉量来满足其对水分的需求[35]，该时段缺水会导致其严重减产[36]。

4 结 论

三义寨灌区小麦、玉米和棉花在全生育期需水量存在显著差异，需水量大小次序为棉花>小麦>玉米；降低的风速是影响小麦和棉花需水量降低的最主要原因，降低的日照时数是促使玉米需水量降低的关键因子；在未来一段时间，小麦需水量变化趋势与过去趋势相反，玉米和棉花仍保持与过去相一致变化趋势，调整灌区水资源再分配，进一步完善灌溉制度，改变种植模式，以适应气候变化，达到节水稳产的目的。

Reference：

[1] TABARI H,MAROFI S,AEINI A,etal.Trend analysis of reference evapotranspiration in the western half of Iran[J].AgriculturalandForestMeteorology,2011,151(2):128-136.

[2] TABARI H,AGHAJANLOO M B.Temporal pattern of aridity index in Iran with considering precipitation and evapotranspiration trends[J].InternationalJournalofClimatology,2013,33(2):396-409.

[3] 吴普特,赵西宁.气候变化对中国农业用水和粮食生产的影响[J].农业工程学报,2010,26(2):1-6.

WU P T,ZHAO X N.Impact of climate change on agricultural water use and grain production in China[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2010,26(2):1-6(in Chinese with English abstract).

[4] 尹海霞,张 勃,王亚敏,等.黑河流域中游地区近43年来农作物需水量的变化趋势分析[J].资源科学,2012,34(3):409-417.

YIN H X,ZHANG B,WANG Y M,etal.Research on the change trend of crop water requirement in the middle reaches of Heihe River basin in the recent 43 years[J].ResourcesScience,2012,34(3):409-417(in Chinese with English abstract).

[5] 郭 伟,杨爱琴,贺洁颖,等.山西省玉米小麦需水量的变化特征及对气候变暖的响应[J].中国农学通报,2015,31(30):273-278.

GUO W,YANG A Q,HE J Y,etal.Variation characteristics of water requirement of corn and wheat in Shanxi province and their response to climate warming[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2015,31(30):273-278(in Chinese with English abstract).

[6] 李 萍,魏晓妹.变化环境下农业需水量演变趋势及驱动力[J].排灌机械工程学报,2013,31(9):822-828.

LI P,WEI X M.Evolutionary tendency of agriculture water requirement and its driving force under changing environment[J].JournalofDrainageandIrrigationMachineryEngineering,2013,31(9):822-828(in Chinese with English abstract).

[7] 刘玉春,姜红安,李存东,等.河北省棉花灌溉需水量与灌溉需求指数分析[J].农业工程学报,2013,29(19):98-104.

LIU Y CH,JIANG H A,LI C D,etal.Analysis of irrigation water requirement and irrigation requirement index for cotton of Hebei province[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2013,29(19):98-104(in Chinese with English abstract).

[8] 刘 钰,汪 林,倪广恒,等.中国主要作物灌溉需水量空间分布特征[J].农业工程学报,2009,25(12):6-12.

LIU Y,WANG L,NI G H,etal.Spatial distribution characteristics of irrigation water requirement for main crops in China[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2009,25(12):6-12(in Chinese with English abstract).

[9] 孙 爽,杨晓光,李克南,等.中国冬小麦需水量时空特征分析[J].农业工程学报,2013,29(15):72-82.

SUN SH,YANG X G,LI K N,etal.Analysis of spatial and temporal characteristics of water requirement of winter wheat in China[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2013,29(15):72-82(in Chinese with English abstract).

[10] 万梦丹,王 露,张 岩,等.滇东北作物耗水特性及影响因素[J].排灌机械工程学报,2015,33(8):708-715.

WAN M D,WANG L,ZHANG Y,etal.Characteristics and influencing factors of crop water requirements in northeastern Yunnan[J].JournalofDrainageandIrrigationMachineryEngineering,2015,33(8):708-715(in Chinese with English abstract).

[11] 崔日鲜,陈明利.山东棉花生育期降水量和作物需水量的时空变化特征研究[J].青岛农业大学学报(自然科学版),2014,31(4):255-265.

CUI R X,CHEN M L.Spatial and temporal variation analysis of rainfall and crop water requirements of cotton in Shangdong[J].JournalofQingdaoAgriculturalUniversity(NaturalScienceEdition),2014,31(4):255-265( in Chinese with English abstract).

[12] 周迎平,胡正华,崔海羚,等.1971-2010年气候变化对河南省主要作物需水量的影响[J].南京信息工程大学学报(自然科学版),2013,5(6):515-521.

ZHOU Y P,HU ZH H,CUI H L,etal.Effect of climate change on main crop water requirements in Henan province during 1971-2010[J].JournalofNanjingUniversityofInformationScienceandTechnology(NaturalScienceEdition),2013,5(6):515-521(in Chinese with English abstract).

[13] YUE S,PILON P,PHINNEY B,etal.The influence of autocorrelation on the ability to detect trend in hydrological series[J].HydrologicalProcesses,2002,16(9):1807-1829.

[14] TABARI H,TALAEE P H.Analysis of trends in temperature data in arid and semi-arid regions of Iran[J].GlobalandPlanetaryChange,2011,79(1):1-10.

[15] TALAEE P H,SABZIPARVAR A A,TABARI H.Observed changes in relative humidity and dew point temperature in coastal regions of Iran[J].TheoreticalandAppliedClimatology,2012,110(3):385-393.

[16] ALLEN R G,SMITH M,PEREIRA L S,etal.An update for the calculation of reference evapotranspiration[J].InternationCommissiononIrrigationandDrainageBulletin,1994,43(2):35-92.

[17] GOCIC M,TRAJKOVIC S.Analysis of changes in meteorological variables using Mann-Kendall and Sen’s slope estimator statistical tests in Serbia[J].GlobalandPlanetaryChange,2013,100:172-182.

[18] 蔡甲冰,许 迪,刘 钰,等.冬小麦返青后作物腾发量的尺度效应及其转换研究[J].水利学报,2010,41(7):862-869.

CAI J B,XU D,LIU Y,etal.Scaling effects and transformation of crop evapotranspiration for winter wheat after reviving[J].JournalofHydraulicEngineering,2010,41(7):862-869(in Chinese with English abstract).

[19] 高志永,汪有科,周玉红,等.微观时间尺度气象因子影响露水量的通径分析[J].西北林学院学报,2014,29(5):12-18,41.

GAO ZH Y,WANG Y K,ZHOU Y H,etal.Path analysis on sensitivity of meterological factors to dew amount in micro-scale[J].JournalofNorthwestForestyUniversity,2014,29(5):12-18,41(in Chinese with English abstract).

[20] 崔党群,林德光.通径分析的矩阵算法[J].生物数学学报,1994(1):71-76.

CUI D Q,LIN D G.The matrix solutions on path analysis[J].JournalofBiomathematics,1994(1):71-76(in Chinese with English abstract).

[21] 王孝礼,胡宝清,夏 军.水文时序趋势与变异点的R/S分析法[J].武汉大学学报(工学版),2002,35(2):10-12.

WANG X L,HU B Q,XIA J.R/S analysis method of trend and aberrance pointon hydrological time series[J].EngineeringJournalofWuhanUniversity,2002,35(2):10-12(in Chinese with English abstract).

[22] 刘战东,刘祖贵,南纪琴,等.高产条件下夏玉米需水特征及农田水分管理[J].灌溉排水学报,2013,32(4):6-10.

LIU ZH D,LIU Z G,NAN J Q,etal.Study on water requirement ruies and farmland water management of summer maize with high-yield[J].JournalofIrrigationandDrainage,2013,32(4):6-10(in Chinese with English abstract).

[23] 刘晓英,李玉中,郝卫平.华北主要作物需水量近50年变化趋及原因[J].农业工程学报,2005,21(10):155-159.

LIU X Y,LI Y ZH,HAO W P.Trend and causes of water requirement of main crops in North China in recent 50 years[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2005,21(10):155-159(in Chinese with English abstract).

[24] 刘小刚,符 娜,李 闯,等.河南省主粮作物需水量变化趋势与成因分析[J].农业机械学报,2015,46(9):188-197.

LIU X G,FU N,LI CH,etal.Trends and causes analysis of water requirement of main crops in Henan province[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2015,46(9):188-197(in Chinese with English abstract).

[25] 阎苗渊,马细霞,路振广,等.气候变化对人民胜利渠灌区作物灌溉需水量影响分析[J].灌溉排水学报,2013,32(4):64-66,75.

YAN M Y,MA X X,LU ZH G,etal.Impact of climate change on irrigation water requirement of crops in People’s victory canal irrigation distric[J].JournalofIrrigationandDrainage,2013,32(4):64-66,75(in Chinese with English abstract).

[26] 曹红霞,粟晓玲,康绍忠,等.关中地区气候变化对主要作物需水量影响的研究[J].灌溉排水学报,2008,27(4):6-9.

CAO H X,SU X L,KANG SH ZH,etal.Effect of climate change on main crop water requirements in Guanzhong Region[J].JournalofIrrigationandDrainage,2008,27(4):6-9(in Chinese with English abstract).

[27] 冯 禹,崔宁博,魏新平,等.川中丘陵区参考作物蒸散量时空变化特征与成因分析[J].农业工程学报,2014,30(14):78-86,339.

FENG Y,CUI N B,WEI X P,etal.Temporal-spatial distribution characteristics and causes analysis of reference crop evapotranspiration in hilly area of central Sichuan[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2014,30(14):78-86,339(in Chinese with English abstract).

[28] 段春锋,缪启龙,曹 雯.西北地区参考作物蒸散变化特征及其主要影响因素[J].农业工程学报,2011,27(8):77-83.

DUAN CH F,MIAO Q L,CAO W.Changing characteristics of reference crop evapotranspiration and main causes in the Northwest China[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2011,27(8):77-83(in Chinese with English abstract).

[29] 王潇潇,潘学标,顾生浩,等.内蒙古地区参考作物蒸散变化特征及其气象影响因子[J].农业工程学报,2015,31(S1):142-152.

WANG X X,PAN X B,GU SH H,etal.Trend in reference crop evapotranspiration and meteorological factors affecting trends in Inner Mongolia[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering,2015,31(S1):142-152(in Chinese with English abstract).

[30] 赵丹丹,翟石艳.1951-2012年河南省气候变化对冬小麦和玉米产量的影响[J].中国农学通报,2015,31(29):152-157.

ZHAO D D,ZHAI SH Y.Influence of climate change on the production of winter wheat and corn in Henan province from 1951 to 2012[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2015,31(29):152-157(in Chinese with English abstract).

[31] 裴宏伟,孙宏勇,沈彦俊,等.不同灌溉处理下冬小麦水平衡与灌溉增产效率研究[J].中国生态农业学报,2011,19(5):1054-1059.

PEI H W,SUN H Y,SHEN Y J,etal.Water balance and yield-increasing efficiency of irrigation of winter wheat under different irrigation schemes[J].ChineseJournalofEco-Agriculture,2011,19(5):1054-1059(in Chinese with English abstract).

[32] 肖俊夫,刘战东,段爱旺,等.不同灌水处理对冬小麦产量及水分利用效率的影响研究[J].灌溉排水学报,2006,25(2):20-23.

XIAO J F,LIU ZH D,DUAN A W,etal.Studies on effects of irrigation systems on the grain yield constituents and water use efficiency of winter wheat[J].JournalofIrrigationandDrainage,2006,25(2):20-23(in Chinese with English abstract).

[33] 姚 宁,宋利兵,刘 健,等.不同生长阶段水分胁迫对旱区冬小麦生长发育和产量的影响[J].中国农业科学,2015,48(12):2379-2389.

YAO N,SONG L B,LIU J,etal.Effects of water stress at different growth stages on the development and yields of winter wheat in arid region[J].ScientiaAgriculturaSinica,2015,48(12):2379-2389(in Chinese with English abstract).

[34] 刘玉洁,李援农,潘 韬,等.不同灌溉制度对覆膜春玉米的耗水规律及产量的影响[J].干旱地区农业研究,2009,27(6):67-72.

LIU Y J,LI Y N,PAN T,etal.Study on effects of different irrigation treatments on evaportranspiration and yield in spring maize[J].AgriculturalResearchintheAridAreas,2009,27(6):67-72(in Chinese with English abstract).

[35] 王海江,崔 静,侯振安,等.膜下滴灌棉花干物质积累与耗水量关系研究[J].干旱地区农业研究,2009,27(5):83-87.

WANG H J,CUI J,HOU ZH A,etal.Study on relationship between dry matter accumulation and water consumption in cotton under film mulch and drip irrigation[J].AgriculturalResearchintheAridAreas,2009,27(5):83-87(in Chinese with English abstract).

[36] 肖俊夫,刘祖贵,孙景生,等.不同生育期干旱对棉花生长发育及产量的影响[J].灌溉排水,1999,18(1):24-28.

XIAO J F,LIU Z G,SUN J SH,etal.Influences of water stress at different growing stages on growth,development and yield in cotton[J].GuangaiPaishui,1999,18(1):24-28(in Chinese with English abstract).

(责任编辑：史亚歌 Responsible editor:SHI Yage)

Trend Analysis of Water Requirements of Main Crops in Sanyizhai Irrigation Area

GAO Zhiyong1,FENG Feng2,3and YANG Yi2

(1.Yangling Vocational &Technological College,Yangling Shaanxi 712100,China; 2.Water Resources Research Center,Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng Henan 475004,China; 3.Department of Water Conservancy,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

To investigate water requirement of main crops and its trend in Sanyizhai irrigation area,and provid basis for scheduled irrigation,management in water resources.Based on the daily meteorological data from 2000 to 2014 in Sanyizhai irrigation area,the water requirement of wheat,maize and cotton at different growth periods were calculated by using FAO Penman-Monteith model and crop coefficient.Trend-free pre-whitening Mann-Kendall was used to analyze trend of three crops.Path analysis method was introduced to explore the causes of water requirement change.Then rescaled range analysis was applied to forecast the future trends of crop water requirement. of 358.47,246.18 and 438.97 mm respectively in wheat,maize and cotton had significant difference during the whole growing period (P<0.05), of heading period of wheat,filling ripening of maize and blooming of cotton significantly increased (P<0.05),accounting for 31.24%,37.06% and 51.18% of the total growth period respectively.The of wheat,maize and cotton exhibit decreased trend with significant declines at a rate of 2.86 mm/a(P<0.05)in wheat ,maize declined at a rate of 2.39 mm/a and cotton at a rate of 4.33 mm/a of ripening of wheat,Jointing of maize and squaring of cotton increased by 0.14 mm/a,0.38 mm/a and 0.19 mm/a respectively, of three kind of crops decreased at other growing stage.The main influencing factors of wheat,maize and cotton were wind speed,sunshine hours and wind speed.At the stage of development,the of wheat had an increasing trend during the whole stage while of maize and cotton showed a decreasing trend at all stages. of wheat in tillering and jointing stage, of maize in tasseling stage and of cotton in sowing,squaring and bloom opening stage were on contrary to the past, of crops in other growth period would keep the same trend .

Water requirement; TFPW- MK trend; Path analysis; R/S analysis

GAO Zhiyong,male,master,lecture.Research area:new technique for water-saving irrigation. E-mail: GZYstruggling@163.com

FENG Feng,female,Ph.D,associate professor.Research area:high-efficient utilization technology in water resources.E-mail：fengfeng_624@163.com

日期：2017-03-03

2016-02-25

2016-03-21

河南省2014年水利科技攻关项目(GG20413)；国家自然科学基金-河南省人才培养联合基金(U1304503)；开封市2016年科技攻关项目(1602019)。

高志永，男，硕士，讲师，研究方向为节水灌溉新技术。E-mail:GZYstruggling@163.com

冯 峰，女，博士，副教授，研究方向为水资源高效利用。E-mail：fengfeng_624@163.com

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170303.0831.044.html

S274

A

1004-1389(2017)03-0477-10

Received 2016-02-25 Returned 2016-03-21

Foundation item Water Conservancy Science and Technology Projects of Henan Province in 2014(No.GG20413); the National Natural Science Foundation Talent Training Joint Foundation Project of Henan Province(No.U1304503);Kaifeng City Scientific and Technological Project in 2016(No.1602019).