卫辉市冬小麦需水量的时空分布及其气候影响分析

吉锦夷

摘 要：基于卫辉市气象站点1961-2016年逐日气象数据，采用彭曼公式计算参考作物需水量，并采用一元线性回归法、相关分析法和多元线性回归模拟等，对近55年来卫辉市冬小麦生长期需水量的时空分布、变化趋势及影响因子进行分析，结果表明：卫辉市1962-2016年冬小麦平均需水量在382.7-403.1mm，呈弱增长趋势，空间变化较小。卫辉市冬小麦全生育期降水量呈上升趋势，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。冬小麦生长期间耗水量与气温高低、日照时数和风速大小呈正相关，耗水量与降水量和相对湿度的负相关关系明显。风速和平均气温对需水量的贡献最大。

关键词：冬小麦;需水量;时空分布;气候影响

作物需水量的估算和预测在农田水分管理、灌溉制度的制定等农业生产实践中发挥着关键作用，受自然和人类活动的共同影响，地球气候系统正在经历以变暖为主要特征的全球气候变化。有研究认为，温度升高会使潜在蒸发增加。但是区域不同，参考作物需水量表现特征不同。孙爽等[1]对中国356个站点1961-2010年冬小麦需水量数据分析后认为，冬小麦全生育期需水量近50年来呈下降趋势。华北平原年均参考作物需水量呈整体下降趋势[2]，宋妮等[3]研究表明：新乡地区冬小麦需水量随年份呈上升趋势。利用卫辉市1961-2016年日气象资料，采用彭曼公式和作物系数的方法，对冬小麦生育期需水量进行计算，并对影响耗水量的气象因素进行分析，对卫辉市科学灌溉、节约用水具有重要意义。

1 资料来源与研究方法

本文气象资料由卫辉市气象观测站提供，时间序列为1961-2016年，数据主要包括逐日的平均气温、日最高与最低气温、降水、日照时数、相对湿度和平均风速。冬小麦全生育内需水量采用彭曼公式计算，见公式（1）。

ETc=Kc×ET0（1）

式中，ETc为参考作物蒸散量（mm·d-1），ET0为参考作物蒸散量（mm·d-1），Kc为作物系数，取0.92。见公式（2）。

ET0=0.408Δ（Rn-G）+γ900T+273u2（es-ea）Δ+γ（1+0.34u2）（2）

式中，Rn为净辐射（MJ·m-2·d-1），G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1），T为日平均气温（℃），u2为2m高处风速（m·s-1），es为饱和水汽压（kPa），ea为实际水汽压（kPa ），Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率（kPa ·℃-1），γ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，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，显著性检验均使用相关系数检验法进行。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。

2 分析结果

2.1 冬小麦需水量时空变化特征

2.1.1 冬小麦需水量随时间变化特征

由左图可知，卫辉市1962-2016年区域平均需水量呈弱增长趋势，气候倾向率为2.6mm·10a-1，与时间相关系数为0.17，未通过显著性检验。卫辉市1962-2016年需水量低值年在1964年，高值年在2011年，平均需水量为394.1mm。

通过分析卫辉市1962-2016年需水量随时间变化特征可知：冬小麦需水量随时间增加趋势，且通过了0.01水平的显著性检验。55a平均需水量的变异系数为6.1%。

2.1.2 冬小麦需水量随空间变化特征

卫辉市1962-2016年平均需水量空间变异系数仅为1.9%，空间变异较小，卫辉市多年平均需水量在382.7-403.1mm。卫辉市1960年和1970年冬小麦需水量较少，低于390mm。卫辉市1980年和1990年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。卫辉市2001-2016年冬小麦需水量最多（在400mm以上）。卫辉市冬小麦需水量1990年空间差异较大，其余年代差异较小。

2.2 冬小麦需水量气候影响因素

2.2.1 冬小麦生育期内气候影响因素变化

通过分析卫辉市1962-2016年冬小麦生长期间逐日降水量、平均气温、最高与最低气温、日照时数、风速和相对湿度等资料，可知：卫辉市平均气温上升趋势明显，气候倾向率为029℃·10a-1（P<0.01）;降水量呈弱减少趋势，气候倾向率为-12.1mm·10a-1;相对湿度、日照时数和风速减少趋势显著，气候倾向率分别为-1.2%·10a-1（P<0.01）、-31.4h·10a-1（P<001）、-0.21m·s-1·10a-1（P<0.01）。通过以上分析可知：冬小麦生长需水量年际变化较小，略有增长之势，而同期的平均气温上升趋势明显;相对湿度、日照时数和风速下降趋势显著。

2.2.1 冬小麦生长需水量与气候影响因素相关分析

通过对卫辉市1962-2016年冬小麦全生育期需水量与同期平均气温、降水量、日照时数、相对湿度及平均风速等气象因子的相关性分析。可知：冬小麦全生育期需水量与平均气温、日照时数和风速呈正相关，但相关程度不同;需水量与降水量和相对湿度呈明显的负相关。说明：气温显著升高、相对湿度显著下降和降水量减少对需水量的正效应超过了风速和日照时数的显著下降对需水量的负效应，受其综合影响，卫辉市冬小麦全生育期需水量才呈上升趋势。

为进一步分析气象因子对冬小麦生长需水量的影响，建立以需水量（因变量）和气候因子（自变量）的函数方程，并进行多元逐步回归分析。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和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。總之，风速和平均气温对需水量的贡献最大。

3 结论

（1）卫辉市1962-2016年冬小麦需水量在382.7-403.1mm，呈弱增长趋势，空间变异较小。卫辉市1960年和1970年冬小麦需水量较少;1980年和1990年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;2001-2016年冬小麦需水量最多。卫辉市冬小麦需水量1990年空间差异较大，其余年代差异较小。

（2）卫辉市1962-2016年降水量呈减少趋势，气候倾向率为-12.1mm·10a-1。平均气温升高趋势明显，气候倾向率为029℃·10a-1，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）、-31.4h·10a-1（P<0.01）、-0.21m·s-1·10a-1（P<0.01），相对湿度气候倾向率为负值表明大气在干化;冬小麦生长需水量变化幅度较小。

（3）冬小麦生长需水量主要与平均气温、日照时数和风速呈正相关，而需水量与降水量、相对湿度呈负相关。其中，风速和平均气温对需水量的贡献最大。

参考文献：

[1]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.

[2]马洁华，刘园，杨晓光，等.全球气候变化背景下华北平原气候资源变化趋势[J].生态学报，2010，30（14）：3818-3827.

[3]宋妮，孙景生，王景雷，等.河南省冬小麦需水量的时空变化及影响因素[J].应用生态学报，2014，25（6）：1693-1700.