近百年来,气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化^[1]。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)和联合国粮食及农业组织(FAO)都将农业列为最易遭受气候变化影响、最脆弱的产业之一^[2]。作物需水量是确定作物灌溉制度以及地区灌溉用水量的基础,是流域规划、地区水利规划、灌溉工程规划设计和管理的基本依据^[3]。科学地确定气候变化背景下农作物的需水量、灌溉水量,分析农作物需水量的空间变化规律,对全面了解作物需水耗水规律,对于节水农业的发展、水资源的集约管理、水分利用效率的提高以及作物产量的模拟预测,均具有重要意义和作用^[4]。新疆是我国最为干旱的内陆灌溉农业区,降水稀少、蒸发强烈、气候干旱。近年来由于人口增加、经济发展导致新疆水资源供需矛盾尖锐。新疆是中国重要棉花产区,棉花生产用水在新疆农业用水中占有相当大的比重,新疆棉花需水量的时空估算与新疆农业可持续发展有着重要的关系。由于新疆水资源紧缺,时空分布不均匀,掌握主要作物需水量的时空分布特征,是水资源科学合理调配的重要基础。

目前,针对作物需水耗水时空变化规律的研究较多。杨剑等^[5]采用Penman-Monteith模型和春玉米作物系数计算了西辽河流域10个气象台站1951—2005年春玉米需水量,并对全生育期需水量、生育期各月需水量、各气象要素变化趋势及关联度进行了分析。李勇等^[6]利用长江中下游地区91个气象站点1961—2007年地面观测资料和63个农业气象试验站1981—2006年水稻生育期观测资料,采用FAO推荐的彭曼公式分析比较长江中下游地区双季稻和单季稻需水量的时空分布特点及变化趋势。尹海霞等^[7]根据黑河流域中游地区气象站点逐日气象资料,利用Penman-Monteith模型和所提供的作物系数计算出主要作物不同生育阶段的需水量,采用Mann-Kendall趋势分析法对主要作物需水量的变化特征进行了研究,并对引起作物需水量的驱动因子进行了相关性分析。刘玉春等^[8]在研究棉花需水量的基础上,利用水文学方法分析了不同水文年份棉花的灌溉需水量和灌溉需求指数。杨琪等^[9]基于河东地区50年气象资料,利用Penman-Monteith公式,计算了冬、春小麦全生育期的需水量和缺水量,并分析其变化趋势及影响气象因子。

在干旱和半干旱地区,水资源不足已经成为制约农业生产和发展的主要因素,通过分析作物需水量的时空分布特征,研究作物需水规律,对水资源开发利用,农田水利工程规划和设计,分析和计算灌溉用水等具有实际的意义。对干旱区农作物需水量的供求关系的分析方面,有人做过一些研究^[10],但对作物需水、灌溉水的时空变化特征研究较少。本文基于新疆地区54个国家基本气象站逐日气象数据,采用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算了有效降水量,利用联合国粮食与农业组织FAO 推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法,计算了近50年来新疆棉花全育期和各生长阶的段需水量,利用线性趋势估计、MK检验、空间插值法分析了农作物分析作物需水时空分布特征,旨在为新疆水资源合理配置及作物结构布局提供科学参考,也为制定适应气候变化下作物及水资源政策提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

新疆位于中国西北边境,面积为166万 km²,占中国国土总面积的1/6,是古丝绸之路的重要通道。新疆被喻为“三山夹两盆”：北部阿尔泰山,南部为昆仑山西；天山横亘于新疆的中部,把全疆分为南北两半,南部是塔里木盆地,北部是准噶尔盆地。习惯上称天山以南为南疆,天山以北为北疆。新疆地处亚欧大陆腹地,远离海洋,四周有高山阻隔,海洋湿气不易进入,形成典型的温带大陆性气候。新疆的农业属于绿洲灌溉性农业区,新疆棉区是我国最大的棉区,全疆86个县中有63个县常年棉花种植,其棉花种植面积、总产、单产自1994年以来均居全国之首,已成为我国最大的棉花生产基地^[11]。

1.2 研究资料

本研究所用数据为新疆地区54个气象站1963—2012年的地面逐日气象资料,源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn),所使用的气象要素包括逐日最低气温、最高气温、降水量、平均气压、平均水汽压、平均风速、日照时间等。棉花生育期的资料来源于中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集及相关文献^[12],作物系数采用FAO的推荐值并进行修正。

1.3 研究方法 1.3.1 棉花需水量的计算

作物需水量是在理想的生长条件下作物从种植到收获所需的蒸散量,一般利用参考作物蒸散发量和作物系数法进行计算,计算公式如下：

(1)

式中,ET_c为某一时期作物的需水量(mm)；K_c为对应时期的作物系数,表征作物生物学特性对需水量的影响；ET₀为相应时期的参考作物蒸散量(mm),表征气象因素对作物需水量的影响。

参考作物蒸散量(ET₀)的计算采用FAO(1998) 推荐的Penman-Monteith公式计算^[13]。参考作物蒸散量定义为：假定参考作物的高度为0.12 m,作物冠层阻力为常数且等于70 s/m,地表反射率为0.23,则ET₀可由下式进行表示^[14]

(2)

式中,R_n地面净辐射蒸发当量(MJ m^-2 d^-1)；G土壤热通量(MJ m^-2 d^-1)；γ温度计常数(kPa/℃)；T平均气温(℃)；V₂为2m高的风速(m/s)；p_a饱和水汽压(kPa)；p_b实际水汽压,Δ为温度-饱和水气压曲线的斜率(kPa/℃)；其中R_n、G、Δ、V₂可通过气象台站观测资料计算求得。

作物系数,反映实际作物和参考作物之间需水量的差异,是作物某生长发育阶段的需水量ET_c与该阶段参考作物蒸散量(ET₀)的比值。作物系数与作物生育阶段有关,FAO-56对作物生育期划分为4个阶段：生长初期、发育期、生长中期、生长后期。其中,初始生长期是由播种至覆盖率接近10%,生长发育期是从覆盖率10%到完全覆盖,生长中期从完全覆盖到成熟期开始,生长末期从成熟到收获^[15]。不同阶段的需水规律为：随着作物生长和叶面积的增加,需水量也不断加大,在作物苗期,需水量较小,当作物进入生长旺盛期,需水量增加很快,叶面积最大时,作物需水量出现高峰期,到作物成熟期,需水量又迅速下降^[16]。

北疆棉花一般在4月30日前后播种,10月9日左右收获,生长期约为160 d。其中生长初期、快速发育期、生长中期和成熟期分别为25、35、55、45 d。南疆棉花一般在4月11日前后播种,10月15日左右收获,生长期约为185 d。其中生长初期、快速发育期、生长中期和成熟期分别为30、50、55、50 d。本文在计算作物需水量时,根据研究区气候特征采用FAO-56推荐的作物系数值进行修正(表 1)。

有研究表明对于没有试验资料或试验资料不足的地区,可以利用FAO推荐的冬小麦标准作物系数和修正公式,根据当地气候、土壤、作物等进行修正计算^[13],具体计算步骤如下：首先,对于大多数一年生作物,根据作物生长发育特征,将作物生育期划分为初始生长期(从播种到作物覆盖率接近10%,此阶段作物系数为K_cini)、快速发育期(从覆盖率10%到充分覆盖,此阶段作物系数从K_cini提高到K_cmin)、生育中期(从充分覆盖到成熟期开始,此阶段作物系数为 K_cmin)和成熟期(从叶片开始变黄到生理成熟或收获,此阶段作物系数从K_cmin下降到K_cend)^[17]。对于冬小麦取 K_cini=0.7,K_cmin=1.15,K_cend=0.4,其中越冬期的作物系数 K_cfro=0.4。最后,根据当地气候条件修正作物系数,计算公式^[13]如下所示：

(3)

式中,Kc_tab为不同生育阶段标准条件下的作物系数(K_cmin、K_cend 和 K_cend)； U₂ 为该生育阶段内2m高度处的日平均风速(m/s)；RH_min为该生育阶段内日最低相对湿度的平均值(%)；h为该生育阶段内作物的平均高度(m)。

1.3.2 需水量趋势变化及突变分析

利用线性倾向估计和Mann-Kendall法对新疆1963—2012年新疆地区棉花需水量变化趋势进行分析。

线性倾向估计^[18]是用一条合理的直线表示两变量之间的关系,建立变量Y与时间t之间的一元线性回归方程。

(4)

式中,a为回归常数,b表示倾向率。以10×b表示需水量每10a(mm/10a)的倾向率,其正值表示需水量呈增加趋势,负值呈减少趋势。判断变化趋势的程度是否显著,需要计算相关系数r并对其进行显著性检验,选定显著性水平值a,若|r|>r_a,说明Y随时间t的变化趋势是显著的,否则不显著。

Mann-Kendall趋势分析检验法是一种非参数统计检验方法,通过计算UF和UB两个统计量,可以分析得到变化趋势、突变时间区域及突变开始时间。能很好的揭示时间序列的趋势变化,其优点是不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰^[19]。

1.4 数据处理

根据以上方法计算54个气象站点的年平均需水量后,利用ArcGIS反距离权重差值方法(IDW)^[20]对各气象站计算得到的棉花需水量及倾向率进行空间插值,产生空间栅格数据,并利用自然断裂法对栅格数据进行分类,获得全疆近50年平均棉花需水量及倾向率空间分布图。

2 结果与分析 2.1 棉花全育期、各生长阶段需水量及空间分布 2.1.1 棉花全育期需水量及空间分布

1963—2012年,新疆54个气象站棉花全育期平均需水量为759 mm,各站变化范围为555—1205 mm,差异明显。新疆棉花全育期平均需水空间分布如图 2,阿勒泰地区、塔城北部、拜城县、伊犁地区需水量最小为555.69—726.22 m,天山北麓至准噶尔盆地腹地的博州、天山南麓的阿克苏南部、巴州西部、喀什地区及和田大部分地区需水量为726.22—810.22 mm,昌吉东南部、吐鲁番东部及克孜勒苏柯尔克孜自治州的西北部需水量为810.22—922.21 mm,新疆哈密的西部、阿拉山口及巴州中部则形成需水量高值区,需水量范围在922.2—1204.73 mm。可以看出其空间分布整体呈现西北向东南递增、南疆大于北疆、东部大于西部的趋势。

棉花需水量主要由气候因素及种植区位置决定,气温越高、风速越大、日照时间越长的地区需水量越大。北疆气候较南部更温和,生长周期较短,所以北疆棉花需水量小于南疆,东部地区由于气候干燥、日照时间、风速均较大,因此东部棉花需水量也高于西部。

2.1.2 棉花不同生长阶段需水量及空间分布

新疆地区1963—2012年棉花各生长阶段需水量空间分布如图 3。棉花生长初期需水量空间分布,全疆平均需水量50 mm,范围为32—73 mm。需水量空间分布差异明显,总体由北向南增大并呈带状分布,塔城、阿勒泰地区、昌吉州西部为低值区,天山北麓、南麓地区为中值区,塔克拉玛干沙漠南缘的和田、且末、若羌、吐鲁番、木垒及哈密等地为高值区。棉花发育期需水量空间分布,全疆平均需水量198 mm,范围为118—275 mm。需水量空间分布总体由北向南增大并大体呈带状分布,塔城北部、阿勒泰地区、昌吉西部为低值区,需水量在118—171 mm之间,天山北麓、南麓地区为中值区,需水量在171—223 mm之间,和田、且末、若羌等巴州地区及哈密等地为高值区,需水量在223—275 mm之间。棉花生长中期需水量空间分布,全疆平均需水量394 mm,范围为278—664 mm。需水量空间分布大体上呈带状并且自西向东增大,伊犁、阿克苏、喀什、和田、阿勒泰地区等地为低值区,塔城北部、昌吉东北部、巴州中南及西部等地为中值区,吐鲁番、哈密西部及塔城中部地区为高值区。棉花生长末期需水量空间分布,全疆平均需水量117 mm,范围为86—190 mm(图 3)。需水量空间分布同样总体呈带状且由西向东增大,伊犁、阿勒泰地区、阿克苏的西北部及中部、昌吉西北部等地区为低值区,塔城地区除西北部之外的大部分区域、和田、喀什及巴州为中值区,阿拉山口、吐鲁番、哈密西部为高值区。

从新疆棉花不同生育阶段需水量的对比可知,生长中期需水量最大、发育期次之、生长初期最小。同样比较新疆棉花不同生育阶段需水量空间分布状况,可以看出生长初期和发育期均是呈带状由北向南增大,而生长中期和生长末期同样具有大致相同空间分布特征,东高西低成带状分布。

2.2 棉花不同生长阶段和全育期需水量年际变化趋势 2.2.1 棉花不同生长阶段需水量年际变化趋势

新疆1963—2012年,棉花不同生长阶段需水量年际变化情况见表 2。可知近50年,棉花生长初期需水量以0.6 mm/10a的速率递减,并通过0.05的显著性水平检验；发育期需水量以2 mm/10a的速率递减,并通过0.05的显著性水平检验；生长中期需水量以6.1 mm/10a速率递减,并通过0.001的显著性检验；生长末期需水量以1.3 mm/10a速率递减,并通过0.05的显著性水平检验。

新疆近50年棉花不同生长阶段需水量总体呈现下降趋势,并且除了生长中期下降趋势较显著外其他都不太明显。其中,生长中期下降速率最大、发育期及生长末期下降速率次之、生长初期下降速率最小。

2.2.2 棉花全育期需水量年际变化趋势

新疆1963—2012年棉花全育期需水量变化趋势如图 4,可知近50年棉花全育期需水量最高年份是1978为808.67 mm,最低年份是1993为697.36 mm,平均年需水量为759 mm。全育期内棉花需水量总体呈下降趋势,递减速率为5.26 mm/10a,并通过0.001的显著性水平检验。利用MK法在DPS软件中对新疆1963—2012年棉花全育期需水量变化趋势进行突变检验,结果如图 5。由正序曲线a1可知,自20世纪80年代初期,新疆棉花全育期需水量有明显的下降趋势,并且20世纪80年代末期年至今这种下降趋势大大超过了0.01显著性水平,说明棉花需水量下降趋势是十分明显的。正序曲线a1和逆序曲线a2在置信度区间于1981年有一个交点,表明新疆棉花需水量下降是突变现象,突变开始时间为1981年。

此外,考察棉花需水量年际变化发现,1963至1981年正序曲线a1在0附件小幅波动,说明此段时间棉花需水量变化趋势不明显,处于相对平稳状态；1981年a1开始偏离0,而且a1值下降趋势越来越明显,说明1981年以来棉花全育期需水量呈持续下降趋势,且下降趋势加剧。可以看到MK法检测到的需水量变化趋势与线性倾向估计结果一致。

2.3 棉花全育期需水量年际变化趋势空间分布

新疆1963—2012年棉花全育期需水量变化趋势空间分布情况如图 6,可以看到除克孜勒苏柯尔克孜自治州的西部、皮山、富蕴及巴里坤等区域棉花需水量呈现上升趋势外,新疆绝大部分区域均呈下降趋势。其中,巴州中南部及阿拉山口、托里等地以21 —48mm/10a的速率下降,趋势最为明显；阿勒泰、哈巴河、库尔勒及吐鲁番地区的东南部以12—21 mm/10a速率下降,趋势次之；伊犁、阿克苏的西部、哈密西南部及喀什等地同样0—12 mm/10a速率下降,下降趋势最不显著。总体上来看,新疆棉花全育期需水量递减倾向率空间分布呈现北疆小于南疆、东疆大于西部、由西北向东南方向递增的特征,和图 2所示的棉花全育期需水量空间分布特征一致,说明棉花需水量大的高值区也是需水量递减趋势最剧烈的区域。

3 讨论

新疆地区远离海洋,深居内陆,四周有高山阻隔,湿气不易进入,形成明显的温带大陆性气候。气温变化较大,日照时间长,降水量少,空气干燥。年平均降水量为150 mm左右,但各地降水量相差很大,南疆的气温高于北疆,北疆的降水量高于南疆。

根据作物需水量的计算公式,可知作物需水量是由作物系数和参考作物蒸散量决定的,所以棉花需水量与参考作物蒸散量有极强的相关关系。本文利用线性倾向估计和MK检验法研究新疆棉花需水量趋势变化,发现近50年新疆棉花需水量整体上呈极显著下降趋势,于1981年开始发生突变,并且下降趋势明显加剧。新疆棉花需水量呈现减少的趋势,并在1981年发生突变。这与张山清等^[21]得出的近50年新疆参考作物蒸散量呈显著减少趋势,并于1981年开始突变减小的结论基本一致。当前正处于全球变暖的时期,新疆地区气温升高趋势明显,并呈现由暖干向暖湿转型的特点^[22],但作物的需水量却呈现下降趋势,原因是影响作物需水量的最主要气象因素为日照时数和风速,气温是次要因素^[23]。相关研究^[24]指出50年来新疆年日照时数和风速均呈显著下降趋势,并于20世纪80年初期发生突变,与本文棉花需水量变化趋势基本一致。

本文利用的54个气象站点数据相对较少,要想获得更加精确的作物需水量空间分布,还需增加一些气象站点以获取更广泛的数据。

4 结论

(1) 1963—2012年,新疆54个气象站棉花全育期平均需水量为759 mm,各站变化范围为555—1205 mm,差异明显。其空间分布整体呈现西北向东南递增、南疆大于北疆、东部大于西部的趋势。

(2) 新疆地区1963—2012年棉花生长初期全疆平均需水量50 mm,范围为32—73 mm。需水量空间分布差异明显,总体由北向南增大并呈带状分布;棉花发育期全疆平均需水量198 mm,范围为118—275 mm。需水量空间分布总体也是由北向南增大并大体呈带状分布；棉花生长中期,全疆平均需水量394 mm,范围为278—664 mm。需水量空间分布大体上呈带状并且自西向东增大；棉花生长末期,全疆平均需水量117mm,范围为86—190 mm。需水量空间分布同样表现为由西向东增大的格局。

(3) 新疆近50年棉花不同生长阶段需水量总体呈现下降趋势,并且除了生长中期下降趋势较显著外其他都不太明显。其中,生长中期下降速率最大、发育期及生长末期下降速率次之、生长初期下降速率最小。

(4) 新疆1963—2012年棉花全育期需水量总体呈下降趋势,递减速率平均为5.26 mm/10a,并在1981年开始发生突变。

(5) 1963—2012年新疆绝大部分区域棉花全育期需水量均呈下降趋势,下降速率总体呈现北疆小于南疆、东疆大于西部、由西北向东南递增的空间分布特征,与棉花全育期需水量空间分布特征一致。

致谢: 作者感谢给予本论文转载和引用权的资料、文献、研究思想和设想的所有者。