河南省葡萄需水量的時空變化趨勢及影響因素分析

黎世民，羅詩峰，臧賀藏，趙 晴，胡 峰，張建濤，李國領(lǐng)，張 杰，鄭國清

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)村能源環(huán)境保護(hù)總站，河南 鄭州 450000； 3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所/河南省智慧農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002； 4.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，河南 鄭州 450002)

作物需水量是確定作物灌溉制度以及灌溉用水量的基礎(chǔ)，是流域規(guī)劃、地區(qū)水利規(guī)劃、灌溉工程規(guī)劃設(shè)計和管理的基本依據(jù)[1]。目前，針對作物需水量時空變化規(guī)律的研究較多。劉鈺等[2]采用 FAO 推薦的 Penman-Monteith方法和作物系數(shù)法，分析了小麥、玉米、棉花和水稻的作物需水量。劉曉英等[3]對華北地區(qū)的冬小麥和夏玉米需水量近 50 a 變化趨勢及原因進(jìn)行了分析。高曉容等[4]計算了玉米4個生育階段的需水量，揭示東北玉米4個生育階段水分供需的時空規(guī)律；并以作物水分盈虧指數(shù)為評價指標(biāo)，分析近 50 a 東北玉米不同生育階段的旱澇分布及演變。王梅等[5]、劉玉春等[6]和羅那那等[7]通過計算棉花需水量，分析了棉花需水量年際變化趨勢和空間分布，進(jìn)一步確定了棉花需水量總體呈下降趨勢。曹永強(qiáng)等[8]以河北省雞澤縣為典型區(qū)域，利用Penman-Monteith公式和分段單值平均作物系數(shù)法計算了冬小麥、夏玉米和棉花的有效降雨量及需水規(guī)律，并分析了其變化趨勢及突變現(xiàn)象。劉小剛等[9]也利用Penman-Monteith公式研究了河南省冬小麥和夏玉米各生育時期需水量時空變化特征，并采用通徑分析法確定了影響河南省主糧作物需水量的氣象因子。關(guān)于果樹的需水量變化研究，國內(nèi)學(xué)者主要分析了甘肅、云南等干旱區(qū)域釀酒葡萄需水量的時空差異[10-12]，而針對河南省的葡萄需水量分析卻鮮見報道。

河南省是水資源嚴(yán)重短缺地區(qū)，人均水資源量僅為全國平均水平的1/5，并且作為農(nóng)業(yè)大省和糧食大省，農(nóng)業(yè)用水占極大的比例，部分地區(qū)超用超采地下水現(xiàn)象嚴(yán)重，水資源形勢十分嚴(yán)峻。近幾年來，隨著葡萄產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，河南省部分市縣作為黃河故道區(qū)的一部分，是我國新興的最具發(fā)展?jié)摿Φ钠咸焉a(chǎn)基地，葡萄種植面積和產(chǎn)量也逐年增加，水資源的供需矛盾也日益尖銳。因此，利用河南省17個代表站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，從作物需水量的角度分析了1960—2015年的河南省葡萄需水量的分布特征和變化趨勢，旨在為提高河南省葡萄水資源利用效率，實(shí)現(xiàn)葡萄園的節(jié)水灌溉和水分管理提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取河南省17個標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)(圖1)1960—2015年的逐日氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，所使用的氣象數(shù)據(jù)包括平均氣溫、平均風(fēng)速、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、平均相對濕度等，以及各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔高度等地理特征數(shù)值。根據(jù)河南省葡萄萌芽和落葉時間，選擇4月初到10月底進(jìn)行需水量的研究。

圖1 供試河南省氣象站點(diǎn)分布 Fig.1 Distribution of meteorological stationsin Henan province

1.2 研究方法

1.2.1 葡萄需水量 葡萄需水量采用Penman-Monteith公式計算[13]：

ETc=ET0×kc

(1)

式中，ETc為作物需水量(mm/d)，ET0為參考作物蒸散量(mm/d) ，kc為作物系數(shù)。

(2)

式中，ET0為參考作物蒸散量(mm/d) ；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa/℃)；Rn為凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]，逐日計算時G≈0；γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃)；T為日平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)。

1.2.2 作物系數(shù)的確定 由于缺少河南省的實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以采用FAO推薦的方法[13]，借鑒ROMERO等[14]的葡萄作物系數(shù)(表1)。

表1 葡萄的作物系數(shù) Tab.1 Crop coefficients of grape

1.2.3 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn) Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)是非參數(shù)統(tǒng)計方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和時間序列變量，計算也比較簡單。假設(shè)具有n個獨(dú)立、隨機(jī)樣本的時間序列x(x1，x2，…，xn)，i,j≤n，i≠j,計算公式如下：

(3)

其中，sign()為符號函數(shù)，當(dāng)sign(xj-xi)小于、等于或大于0時，sign(xj-xi)分別為-1、0或1。S為正態(tài)分布，其均值為0，方差var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

(4)

Z值為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64和2.32時表示通過了置信度90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

Mann-Kendall法突變檢測：設(shè)時間序列為x1,x2,…,xn,Sk表示第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累計數(shù)，定義統(tǒng)計量：

(5)

在時間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，Sk的均值和方差分別為：

E[Sk]=k(k-1)/4,
var[Sk]=k(k-1)(2k+5)/72 1≤k≤n

(6)

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

(7)

UBk=-UFk,i′=n+1-ii,i′=1,2,L,n…

(8)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行葡萄需水量的年際變化趨勢分析并作圖，MATLAB軟件進(jìn)行Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)，應(yīng)用SAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄需水量的變化特征

由表2可知，1960—2015年,葡萄生育期需水量為406.09～499.96 mm，平均為451.71 mm，折合2.11 mm/d。葡萄需水量隨生育期的推進(jìn)呈“拋物線”型變化趨勢。其中，4月份作為果樹生長初期，平均需水量為36.52 mm，折合1.22 mm/d，占葡萄生育期需水量的8.08%；5月份的平均需水量為60.89 mm，折合1.96 mm/d，占生育期需水量的13.48%；6月、7月和8月作為葡萄需水量最大的生長旺盛期，平均需水量分別為78.53、104.48、86.15 mm，折合2.62、3.37、2.78 mm/d，分別占生育期需水量的17.39%、23.13%、19.07%；9、10月份作為葡萄生長后期，平均需水量分別為54.19、30.95 mm，折合1.81、1.03 mm/d，占生育期需水量的12.00%、6.85%。

河南省作物需水量空間分析結(jié)果表明，葡萄生育期平均需水量呈西北高東南低的態(tài)勢，豫西高于豫東，豫北高于豫南。其中，豫西地區(qū)的葡萄生育期平均需水量最高，為460.82 mm；其次是豫北、豫中和豫東地區(qū)，分別為456.75、453.61、449.26 mm；豫南地區(qū)的葡萄生育期平均需水量最低，為438.12 mm。17個氣象站點(diǎn)中豫西地區(qū)的欒川葡萄生育期平均需水量最高，為499.96 mm；盧氏葡萄生育期平均需水量最低，為406.09 mm。

表2 1960—2015年河南省葡萄需水量空間分布Tab.2 Spatial variations of grape water requirement in Henan province from 1960 to 2015 mm

2.2 葡萄需水量的時間變化特征及趨勢分析

由圖2可知，1960—2015年河南省葡萄生育期的需水量隨年份增加呈下降趨勢，趨勢系數(shù)為-1.118 mm/a，但不同月份的需水量變化趨勢和趨勢系數(shù)略有不同。從變化趨勢來看，葡萄不同月份的需水量變化除4月隨年份增加呈上升趨勢(趨勢系數(shù)為0.028 mm/a)外，其他各月份的需水量均隨年份增加呈下降趨勢，其中6月、7月和8月的需水量隨年份下降趨勢明顯，趨勢系數(shù)平均為-0.336 mm/a。

利用 Mann-Kendall方法對葡萄生育期和不同月份需水量變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)(表3)，結(jié)果表明，葡萄生育期的平均需水量下降趨勢顯著，6月、7月和8月的需水量下降趨勢顯著。

對河南省葡萄生育期需水量進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由UF曲線可知，自 20 世紀(jì) 70 年代初期，河南省葡萄生育期需水量有明顯的下降趨勢，并且1980—2015年這種下降趨勢達(dá)到了0.05顯著性水平，說明葡萄需水量下降趨勢十分明顯。正序曲線 UF 和逆序曲線UB在置信度區(qū)間于1979年有一個交點(diǎn)，表明河南省葡萄需水量下降是突變現(xiàn)象，突變開始時間為 1979 年。

2.3 氣象因子對葡萄生育期需水量的影響

為了分析影響河南省葡萄生育期需水量差異性的主導(dǎo)因素，選取平均風(fēng)速(X1)、平均相對濕度(X2)、日照時數(shù)(X3)、最低氣溫(X4)、最高氣溫(X5)和平均氣溫(X6)6個基本氣象因子與葡萄生育期需水量進(jìn)行通徑系數(shù)的計算和顯著性檢驗(yàn)，分析各氣象因子對作物需水量的直接作用(通徑系數(shù))和間接作用，結(jié)果見表4。

圖2 1960—2015 年河南省葡萄需水量的時間變化特征 Fig.2 The time variation characteristics of grape water requirement in Henan province from 1960 to 2015

項(xiàng)目Item生育期Whole growth period4月April5月May6月June7月July8月August9月September10月OctoberZ值Z value-4.453???0.827 -1.293?-4.325???-3.548???-4.064???-1.703??-0.304

注：*、**和***分別表示通過了置信度90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

Note：*、**and *** mean that they have passed the significance test of 90%,95% and 99% confidence.

各氣象因子的直接通徑系數(shù)由大到小依次為日照時數(shù)(X3)、平均風(fēng)速(X1)、平均氣溫(X6)、平均相對濕度(X2)、最低氣溫(X4)和最高氣溫(X5)。其中,日照時數(shù)(X3)、平均風(fēng)速(X1)、平均氣溫(X6)與需水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明日照時數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫對葡萄生育期需水量有促進(jìn)作用；平均相對濕度(X2)和最低氣溫(X4)與需水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且平均相對濕度與需水量的相關(guān)性極顯著，說明平均相對濕度對葡萄生育期需水量有抑制作用。對各因子的間接通徑系數(shù)分析結(jié)果表明，平均風(fēng)速和日照時數(shù)之間的相互作用效應(yīng)明顯。

不同氣象因子的偏相關(guān)性分析結(jié)果表明，平均風(fēng)速(X1)除與最高氣溫(X5)無顯著相關(guān)外，與其他氣象因子均呈極顯著相關(guān)；平均相對濕度(X2)與日照時數(shù)(X3)呈極顯著正相關(guān)，與最高氣溫(X5)呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表4 葡萄生育期需水量影響因素的通徑分析Tab.4 Path analysis between meteorological factors and water requirement of grape growth period

注：**表示極顯著差異(P<0.01)，*表示顯著差異(P<0.05)。

Note：** indicates extremely significant difference(P<0.01)， * indicates significant difference(P<0.05).

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，1960—2015年河南省葡萄生育期需水量整體呈下降趨勢，尤其是在葡萄的漿果生長階段(6月、7月、8月)下降趨勢明顯。其中，生育期平均需水量為451.71 mm，最大值出現(xiàn)在1966年(546.35 mm)，最小值出現(xiàn)在2003年(391.10 mm)，但李雅善等[11]的研究表明，近30 a來，甘肅省釀酒葡萄需水量呈現(xiàn)上升趨勢，這表明不同地區(qū)氣候變化對葡萄需水量的影響不同。

氣象因素是影響作物需水量的主要因素，作物需水量因地區(qū)和時間有明顯差異[15]，因此采用不同時期的數(shù)據(jù)和分析方法也會產(chǎn)生不同的結(jié)論。本研究結(jié)果表明，1960—2015年影響河南省葡萄需水量的主要?dú)庀笠蛩貫槠骄L(fēng)速、日照時數(shù)和平均相對濕度，這與尹海霞等[16]對春小麥和玉米的需水量主要?dú)庀笥绊懸蜃拥难芯拷Y(jié)果一致。本研究結(jié)果中，日照時數(shù)對葡萄需水量的影響度最高，而姬興杰等[17]和周迎平等[18]研究表明，平均風(fēng)速對作物需水量的影響最為明顯。李雅善等[11]對甘肅省1982—2011年葡萄需水量的研究認(rèn)為，氣溫是影響需水量的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

本研究在計算作物需水量時，一因缺乏關(guān)于河南省及臨近地區(qū)的葡萄作物系數(shù)的相關(guān)試驗(yàn)資料，二因國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在干旱、半干旱地區(qū)釀酒葡萄的需水量，而針對鮮食葡萄的需水量研究較少，因此，采用ROMERO等[14]在干旱地區(qū)試驗(yàn)獲得的逐月的作物系數(shù)進(jìn)行河南省葡萄需水量分析，其分析結(jié)果對葡萄需水量的具體量化值具有一定的影響，但對其需水量的變化規(guī)律影響不明顯。