氣候變化條件下冬小麥生育期及灌溉需水量研究

氣候變化條件下冬小麥生育期及灌溉需水量研究

世界氣候變化將影響天氣和降水，直接影響土壤含水量，并加劇農(nóng)業(yè)水的壓力。而我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水占總用水量的80%,農(nóng)業(yè)水資源短缺和灌溉水利用率低的問題一直存在,因此明確氣候變化對(duì)農(nóng)作物的灌溉需水量的影響很有必要。目前,氣候變化對(duì)農(nóng)作物灌溉需水量的影響受到許多學(xué)者的關(guān)注。如,GunterWriedt運(yùn)用作物模型(EPIC)及作物分布和種植面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),研究了歐洲不同地區(qū)的凈灌溉需水量,并根據(jù)水分運(yùn)輸效率和灌溉管理,模擬出總的灌水量是田間需水量的1.3—2.5倍;C.S.DeSilva研究發(fā)現(xiàn)在A2和B2情景下,20世紀(jì)50年代斯里蘭卡水稻灌溉需水量分別增加了23%和13%;王衛(wèi)光等基于統(tǒng)計(jì)降尺度模型(SDSM),研究了氣候變化背景下長江中下游水稻水分需求變化。還有不少學(xué)者運(yùn)用作物系數(shù)法和GIS來研究氣候變化對(duì)作物水分的影響,如,J.A.RodriguezDiaz對(duì)西班牙的瓜達(dá)爾基維爾河流域的作物灌溉需水量進(jìn)行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)在氣候變化條件下,20世紀(jì)50年代該流域農(nóng)業(yè)灌溉用水顯著增加20%;韓冰等以遼寧營口灌區(qū)為例,分析了氣候變化對(duì)水稻生育期和灌溉需水量的影響,發(fā)現(xiàn)過去60a水稻生育期縮短了12.7d。由于氣溫上升導(dǎo)致農(nóng)田騰發(fā)量增加,該區(qū)域水稻灌溉需水量都呈上升趨勢(shì)。同時(shí),國內(nèi)外學(xué)者在氣候變化對(duì)作物物候的影響上做了大量的研究。Estrella,Xiao和Wangjing研究發(fā)現(xiàn)氣候變暖促使冬小麥品種更替,且縮短了冬小麥的生育期。國內(nèi)學(xué)者研究得出中國北方小麥物候期變化主要受溫度影響,氣候變暖導(dǎo)致播種期推遲,成熟期提前,從而導(dǎo)致生育期縮短。華北平原是中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一,氣候變化必然會(huì)影響到冬小麥生育期和其對(duì)水分的需求,從而影響到其產(chǎn)量和品質(zhì)。在華北地區(qū)普遍升溫的背景下,冬小麥灌溉需水量區(qū)域變化研究是一個(gè)重要研究內(nèi)容,影響冬小麥灌溉需水量的驅(qū)動(dòng)因素也需進(jìn)一步明確。因此,本文以華北區(qū)為例,利用1980—2010年4個(gè)典型站點(diǎn)(圖1)的冬小麥生育數(shù)據(jù)和氣象資料,研究了冬小麥生育期的變化和灌溉需水量的主要影響因素及其規(guī)律,為合理配置灌溉計(jì)劃和提高水資源的利用效率提供重要的參數(shù),為冬小麥種植制定適應(yīng)氣候變化措施提供科學(xué)的依據(jù)。1材料和方法1.1主要網(wǎng)點(diǎn)的選取和說明華北地區(qū)主要糧食作物有小麥、玉米、高粱、谷子、薯類等,是我國重要的糧棉產(chǎn)區(qū),在研究區(qū)選取4個(gè)有代表性站點(diǎn),分別是北京密云站、天津?qū)氎嬲尽⑹仪f欒城站和邢臺(tái)南宮站,各個(gè)站基本情況見表1。1.2冬小麥生育期觀測數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)共享網(wǎng)。選取數(shù)據(jù)記錄較完整的4個(gè)代表性地面氣象站1981—2010年逐日氣象資料,其中包括平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)、最低氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)、降水量(mm)、風(fēng)速(m/s)、平均相對(duì)濕度(%)。對(duì)于氣象數(shù)據(jù)的缺失,溫度(平均、最高、最低溫度)缺測值利用五日滑動(dòng)平均法進(jìn)行插補(bǔ),降水量缺測值利用附近站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插補(bǔ)。冬小麥生育期數(shù)據(jù)來源于北京密云站、天津?qū)氎嬲?、石家莊欒城站、邢臺(tái)南宮站1981—2010年的觀測資料。因冬小麥生育期觀測站和地面氣象站(北京站、天津站、石家莊站、南宮站)并不完全一致,所以本文采用取就近匹配原則,選取了4個(gè)有連續(xù)的30a觀測序列資料的農(nóng)業(yè)氣象站地與之對(duì)應(yīng)。本文將冬小麥的整個(gè)生育期劃分為5個(gè)生育階段:播種—出苗期,出苗—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期、抽穗—乳熟期、乳熟—成熟期。根據(jù)冬小麥多年發(fā)育期資料,采用生育期日數(shù)的多年平均值來代表當(dāng)?shù)匾话闵谌諗?shù)。生育期日數(shù)按照“儒略日(JulianDay)”計(jì)算,即日期按照每年365d轉(zhuǎn)化為“日序day”,1月1日即為1,以此類推。1.3作物中期模型冬小麥生育階段有效降水量即冬小麥某一生育階段內(nèi),降水中實(shí)際補(bǔ)充到小麥根層土壤的凈水量,代表總降水量中的有效部分。本文利用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的有效降水量分析方法:式中,Pe為有效降水量(mm/d),P為總降水量(mm/d)。冬小麥生育期需水量的確定采用FAO推薦的公式:式中,ETC為作物需水量(mm/d),Kc為作物系數(shù),ET0為參考作物蒸散量(mm/d)。參考作物蒸散量(ET0)的計(jì)算采用FAO(1998)推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算。式中,ET0為參考作物日蒸散量(mm/d);Rn為作物表面凈輻射量(MJ·m-2·d-1);G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1);Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率(kPa/℃);γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃);T為平均氣溫(℃);U2為在地面以上2m高處的風(fēng)速(m/s);es為空氣飽和水汽壓(kPa);ea為空氣實(shí)際水汽壓(kPa)。根據(jù)冬小麥生長發(fā)育特征,在FAO推薦值基礎(chǔ)上,根據(jù)分段單值平均法計(jì)算生育中期的作物系數(shù)。將生育期劃分為初始生長期即從播種到作物覆蓋率接近10%,此階段作物系數(shù)為Kcini=0.7(播種—出苗期,出苗—拔節(jié)期,其中越冬期為0.4);快速發(fā)育期也是生育中期即從覆蓋率10%到充分覆蓋,此階段作物系數(shù)為Kcmin=0.15(拔節(jié)—抽穗期,抽穗—乳熟期);成熟期即從葉片開始變黃到生理成熟或收獲,此階段作物系數(shù)Kcend=0.4(乳熟期—成熟期)。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件,將生育中期作物系數(shù)進(jìn)行修正,即:式中,U2為2m高度處的日平均風(fēng)速(m/s),RHmin為日最低相對(duì)濕度的平均值,h為作物的平均高度(m)。灌溉需水量可以認(rèn)為是生育期內(nèi)總的作物需水量與生育期內(nèi)總的有效降水量之差,用公式表達(dá)為:式中,N為生育期日數(shù)(d),ETC為作物需水量(mm/d),Pe為有效降水量(mm/d),Is為灌溉需水量(mm)。1.4要素動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算作物灌溉需水量、生育期和氣象要素的變化趨勢(shì)采用氣候趨勢(shì)分析方法,氣候傾向率由最小二乘法獲得,計(jì)算公式為:式中,為要素的擬合值;a為回歸常數(shù);b為回歸系數(shù),b×10稱為氣候傾向率,表示氣候要素每10a的變化量;i為自然數(shù)列,代表年份序號(hào);氣候要素序列與自然數(shù)列i之間的相關(guān)系數(shù)稱為氣候趨勢(shì)系數(shù),其顯著性檢驗(yàn)本文采用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法。1.5作物灌溉需水量和生育期周期的年際波動(dòng)程度計(jì)算作物需水量和灌溉需水量的年際波動(dòng)是規(guī)劃和設(shè)計(jì)農(nóng)田水利工程的重要依據(jù),可用逐年作物灌溉需水量的標(biāo)準(zhǔn)差或離散系數(shù)來衡量其年際波動(dòng)程度,但標(biāo)準(zhǔn)差與樣本均值有關(guān),當(dāng)兩組樣本的均值存在顯著差異時(shí),用標(biāo)準(zhǔn)差便不能準(zhǔn)確分辨哪組數(shù)據(jù)的離散程度更高,而離散系數(shù)指標(biāo)既考慮了樣本標(biāo)準(zhǔn)差大小又考慮了樣本均值大小,便于兩組數(shù)據(jù)離散程度的比較,采用離散系數(shù)來衡量作物灌溉需水量和生育期日數(shù)的年際波動(dòng)程度,其計(jì)算公式為:式中,Cv為離散系數(shù);σ為標(biāo)準(zhǔn)差;μ為均值。Cv絕對(duì)值越大,表明年際波動(dòng)越大,反之亦然。2結(jié)果與分析2.1冬小麥生育期有效降水量的變化采用趨勢(shì)分析法對(duì)1981—2010年的4個(gè)典型站冬小麥生長季內(nèi)各氣象要素的變化進(jìn)行了分析,總體上,冬小麥播種—出苗期有效降水量變化趨勢(shì)較顯著,其中北京密云站、天津?qū)氎嬲竞褪仪f欒城站呈增加趨勢(shì),而北京密云站通過a=0.01的顯著性檢驗(yàn)(表2)。冬小麥其他生育階段有效降水量基本呈增加趨勢(shì),但不存在顯著性差異,其中北京密云站各生育階段的有效降水量升幅范圍(0.1—6.29mm/10a)高于其他站點(diǎn)。由此可見,華北平原冬小麥生長季內(nèi)有效降水量年際變化趨勢(shì)不一致,且年際變化波動(dòng)較大,與前人研究結(jié)果一致。已有的研究結(jié)果顯示,過去50a華北區(qū)氣溫上升幅度較大的地區(qū)之一。冬小麥生育期階段,除了播種—出苗期溫度有小幅下降趨勢(shì)以外,其他階段溫度都呈上升趨勢(shì),且各站點(diǎn)不同生育階段溫度的升幅范圍為0.02—0.08℃/10a。4個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)速變化較不一致,石家莊欒城站冬小麥生育階段風(fēng)速都呈減小趨勢(shì),且通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn),而其他站只有拔節(jié)—抽穗期風(fēng)速呈減小趨勢(shì),其余生育階段都呈增加趨勢(shì),但是趨勢(shì)不顯著。此外,石家莊欒城站和邢臺(tái)南宮站的日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì)。2.2生育總時(shí)期特征由表3可以看出,冬小麥的播種期和出苗期以及石家莊欒城站和邢臺(tái)南宮站冬小麥成熟期均有推遲趨勢(shì),且北京密云站推遲幅度較大,為6.12—6.84d/10a,均通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn);可以看出高緯度站點(diǎn)的變化趨勢(shì)較大,且顯著性較好。其他生育階段生育期日數(shù)均表現(xiàn)為減小趨勢(shì),即生育階段呈提前趨勢(shì),平均每10a提前0.71—3.87d。與前人的研究結(jié)果一致。從年際波動(dòng)來看,整體變化較一致,拔節(jié)期離散系數(shù)最大,為0.03—0.06;而成熟期離散系數(shù)最小,為0.01—0.02。6個(gè)生育時(shí)期的年際波動(dòng)程度依次為:拔節(jié)期>抽穗期>播種期=出苗期=乳熟期>成熟期。由表4可以看出,高緯度站點(diǎn)北京密云站和天津?qū)氎嬲镜娜陂L度比其他兩個(gè)站點(diǎn)長。而近30a來,4個(gè)站點(diǎn)的全生育期均表現(xiàn)為縮短,且北京密云站和天津?qū)氎嬲旧诳s短最為顯著,均通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn)。有研究發(fā)現(xiàn),冬小麥播種期的變化與平均溫度呈正相關(guān),而與日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)。播種期推遲還可能和前茬玉米推遲收獲有關(guān),而拔節(jié)期提前的原因是日照時(shí)數(shù)減少,積溫的增加導(dǎo)致冬小麥成熟期推遲。氣候變化使我國的冬小麥種植區(qū)向北擴(kuò)展,且適宜種植的品種向減弱冬性方向演化。由于近30年來,農(nóng)作物的種植制度和品種更替的變化,對(duì)作物生育期的影響也是不可忽視的。2.3氣候變化對(duì)冬小麥灌溉需水量的影響2.3.1生育階段的年際波動(dòng)對(duì)1981—2010年北京密云站和石家莊欒城站冬小麥灌溉需水量變化的氣候傾向率進(jìn)行分析(表5),可以得出,在抽穗期之前,北京密云站和天津?qū)氎嬲舅璧墓喔刃杷枯^多,這一生育階段灌溉需水量有從南向北增加的趨勢(shì);而從抽穗期到成熟期剛好相反。從4個(gè)站點(diǎn)的需水強(qiáng)度(日平均灌溉需水量)來看(圖2),需水強(qiáng)度較大的生育階段是拔節(jié)—抽穗期和抽穗—乳熟期,是其他生育階段的3—6倍。從年際波動(dòng)來看,南部站點(diǎn)的年際波動(dòng)系數(shù)較大,但4個(gè)站點(diǎn)不同生育階段的系數(shù)大小變化較一致。播種—出苗期的年際波動(dòng)系數(shù)最大,北京密云站、天津?qū)氎嬲?、石家莊欒城站和邢臺(tái)南宮站分別為0.53,0.44,0.91和0.61;而最小的是播種—成熟期,分別是0.12,0.12,0.17和0.14。6個(gè)生育階段的年際波動(dòng)程度依次為:播種—出苗期>乳熟—成熟期>抽穗—乳熟期>拔節(jié)—抽穗期>出苗—拔節(jié)期>播種—成熟期。華北地區(qū)冬小麥灌溉需水量在空間上從北向南、自東向西逐漸遞減趨勢(shì);在時(shí)間上,東西部地區(qū)灌溉需水量變化趨勢(shì)相反,東部地區(qū)呈逐漸增加趨勢(shì),而西部地區(qū)呈減小趨勢(shì)。冬小麥各生育階段的灌溉需水量隨時(shí)間的變化不同,站點(diǎn)播種—出苗,拔節(jié)—抽穗階段灌溉需水量均表現(xiàn)為不同程度的減少,但是趨勢(shì)不顯著,僅天津?qū)氎嬲就ㄟ^了a=0.05的顯著性檢驗(yàn);而出苗—拔節(jié)和乳熟—成熟期則表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。就整個(gè)生育期而言,西部站點(diǎn)(北京密云站和石家莊欒城站)有減少趨勢(shì),分別減少6.72mm/10a和8.30mm/10a,石家莊欒城站的變化幅度較大;而東部站點(diǎn)(天津?qū)氎嬲竞托吓_(tái)南宮站)的趨勢(shì)正好相反,分別增加了2.60mm/10a和7.08mm/10a。但灌溉需水量變化均未通過顯著性檢驗(yàn)。2.3.2灌溉需水量與氣候變化的關(guān)系上述結(jié)果表明:灌溉需水量及變化趨勢(shì),都存在明顯的區(qū)域差異。本文利用Pearson相關(guān)分析法分析灌溉需水量和各氣象要素之間的相關(guān)關(guān)系(表6),發(fā)現(xiàn)兩者之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系,而且顯著性較好。4個(gè)站點(diǎn)之間同一氣象要素的變化趨勢(shì)存在一定的差異,不同氣象要素與灌溉需水量的相關(guān)關(guān)系也不同,其中有效降水量對(duì)灌溉需水量的變化最為明顯,它直接參與灌溉需水量的計(jì)算,與灌溉需水量關(guān)系密不可分。灌溉需水量同有效降水量、相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān),且相關(guān)關(guān)系極顯著(a=0.01),與日照時(shí)數(shù)、平均溫度和風(fēng)速呈顯著正相關(guān),生育期長度雖沒有直接參與灌溉需水量的計(jì)算過程,但在考慮氣候變化對(duì)灌溉需水量的影響時(shí),考慮生育期長度的變化是很有必要的。北京密云站和天津?qū)氎嬲旧陂L度同灌溉需水量存在微弱負(fù)相關(guān)關(guān)系,而石家莊欒城站和邢臺(tái)南宮站存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,整體趨勢(shì)一致。說明考慮生育期長度變化,可以使灌溉需水量計(jì)算的結(jié)果更加精確。由于華北區(qū)的降雨主要集中6—9月,冬小麥生育期推遲,可以有效減少冬小麥后期的灌溉量。為了深入研究4個(gè)典型站點(diǎn)灌溉需水量變化的主要原因,本文選用線性逐步回歸的統(tǒng)計(jì)方法分析了灌溉需水量與主要?dú)夂蛞刂g的關(guān)系。其中,有效降水量和相對(duì)濕度的變化對(duì)其影響最為突出,兩者對(duì)它得貢獻(xiàn)率都為負(fù)的。4個(gè)站點(diǎn)線性回歸方程的決定系數(shù)均達(dá)到了0.8以上。石家莊欒城站和邢臺(tái)南宮站,除了播種—成熟期外,其他生育階段的決定系數(shù)都高達(dá)0.9以上。每個(gè)生育階段灌溉需水量的變化的主要?dú)庀笠赜胁煌?拔節(jié)—抽穗期最主要影響要素是相對(duì)濕度;抽穗—乳熟期,北京站和其他站有所區(qū)別,分別是平均溫度和相對(duì)濕度,平均溫度對(duì)它得貢獻(xiàn)率是正的;其他生育階段都是有效降水量。其次是日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和生育期長度。過去的30a,生育期內(nèi)日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速降低導(dǎo)致作物需水量呈減小趨勢(shì)。而需水量是灌溉需水量計(jì)算中的主要因子之一,必然導(dǎo)致灌溉需水量也會(huì)減少。3灌溉需水量的年際變化(1)過去30a,冬小麥播種期和出苗期均有推遲趨勢(shì),且北京密云站推遲幅度較大,為6.12—6.84d/10a,可以看出高緯度地區(qū)的變化趨勢(shì)顯著。其他生育階段生育期日數(shù)均表現(xiàn)為減小趨勢(shì),即生育階段呈提前趨勢(shì)。(2)華北地區(qū)冬小麥灌溉需水量在空間上北多南少,有自東向西遞減趨勢(shì);在時(shí)間上,東西部地區(qū)灌溉需水量變化趨勢(shì)相反,東部地區(qū)呈逐漸增加趨勢(shì),而西部地區(qū)呈減小趨勢(shì)。冬小麥各生育階段的灌溉需水量隨時(shí)間趨勢(shì)不同,播種—出苗、拔節(jié)—抽穗、抽穗—乳熟階段灌溉需水量均表現(xiàn)為不同程度的減少趨勢(shì),而出苗—拔節(jié)和乳熟—成熟期則表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。就整個(gè)生育期而言,西部站點(diǎn)(北京密云站和石家莊欒城站)有減少趨勢(shì),分別減少6.72mm/10a和8.3mm/10a;而東部站點(diǎn)(天津?qū)氎嬲竞托吓_(tái)南宮站)的趨勢(shì)正好相反,分別增加2.6mm/10a和7.08mm/10a。在抽穗期之前,北京密云站和天津?qū)氎嬲舅璧墓喔刃杷枯^多,這一生育階段灌溉需水量有從南向北增加的趨勢(shì);而從抽穗期到成熟期剛好相反。從四個(gè)站點(diǎn)的日平均灌溉需水量來看,需水強(qiáng)度較大的生育階段相同,是拔節(jié)—抽穗期和抽穗—乳熟期。6個(gè)生育階段灌溉需水量的年際波動(dòng)程度依次為:播種—出苗期>乳熟—成熟期>抽穗—乳熟期>拔節(jié)—抽穗期>出苗—拔節(jié)期>播種—成熟期。(3)冬小麥灌溉需水量同有效降水量、相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān),且相關(guān)關(guān)系極顯著,與生育期長度存在微負(fù)相關(guān)關(guān)系;與日照時(shí)數(shù)、平均溫度和風(fēng)速呈顯著正相關(guān)。若考慮生育期長度變化,可以使灌溉需水量計(jì)算的結(jié)果更加精確。每個(gè)生育階段灌溉需水量的變化的主要?dú)庀笥绊懸夭煌?拔節(jié)—抽穗期最主要影響要素是相對(duì)濕度;抽穗—乳熟期,北京密云站和石家莊欒城站有所區(qū)別,分別是平均溫度和相對(duì)濕度,平均溫度對(duì)它得貢獻(xiàn)率是正的;其他生育階段都是有效降水量,其次是日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和生育期長度。4對(duì)灌溉需水量和產(chǎn)量的影響影響灌溉需水總量的因素較復(fù)雜,前人研究的影響要素有作物播種面積、種植制度、海拔和緯度等。而本文從氣象要素的角度考慮,明確冬小麥不同生育期的灌溉需水量及其