摘要：利用衡水市3个气象站1965-2012年的逐日气象数据，采用作物需水量模型以及相关统计方法，分析了近48年来衡水地区冬小麦灌浆期至成熟期需水量的变化特征。结果表明，1965-2012年衡水地区冬小麦生长后期需水量呈波动下降的趋势，趋势变化显著，近48年来下降了37.9 mm，人工灌水量的减少趋势快于需水量的变化，近48年来减少了62.4 mm；需水量存在时间序列上的突变现象，突变发生在1976年，1977年以后变化更加明显；在冬小麦后期需水量波动减少的过程中存在明显的7年变化周期；冬小麦后期生长需水量的变化与日照时数呈最大正相关，与相对湿度的变化呈最大负相关。
关键词：冬小麦后期生长；作物需水量模型；变化
中图分类号：S162.8；S512.1+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）14-3546-03
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.003
Abstract：Based on the daily meteorological data of three stations from 1965 to 2012 in Hengshui area， the change characteristics of winter wheat’s water requirement during filling stage to mature stage in 48 years of Hengshui area was analyzed by using the model of crop water requirement and the related statistical methods. The results showed a significant trend of reduction about the water requirement during the later growth stage of winter wheat from 1965 to 2012 in Hengshui area， it had 37.9 mm dropped in the past 48 years，the reduction of artificial irrigation water was more faster， and it had 62.4 mm dropped in the past 48 years. The water requirement existed a jumping phenomenon in the time series of recent 48 years， the time of jumping phenomenon appeared in 1976， and it was more obvious after 1977. In the fluctuating downward process of winter wheat’s water requirement during the later growth stage， it presented a variational period of 7 years. Sunshine time was the most positive correlation about the change of winter wheat’s water requirement during the later growth stage， the relative humidity was the most negative correlation to it.
Key words： the later growth stage of winter wheat； the model of crop water requirement； change
气候变暖已是不争的事实，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次会议上指出[1]，近130年来地球表面平均温度上升了0.85 ℃，与IPCC第四次评估报告相比[2]，地球表面温度又升高了0.11 ℃。气候的变暖对全球生态系统产生了极大影响，而农业是受气候变化影响最直接的脆弱行业[3-8]。衡水市是农业大市，耕地面积56.7万hm2，农业人口人均占有耕地1 667.5 m2。在衡水市的农业种植结构中，主要以冬小麦-夏玉米轮作结构为主，在其主要作物之一的冬小麦中，其后期生长的抽穗至成熟期是冬小麦子粒灌浆成型的关键期，这段时期内的需水量显得尤为重要。在气候变暖的大背景下，华北地区气温升高尤为明显[9]，衡水市的气温随着大环境的升高而升高，在这种情况下，衡水地区冬小麦后期管理的需水量变化目前尚无研究，本研究以作物需水量模型公式为基础，讨论了近48年来衡水市冬小麦后期需水量的变化规律，以期为该段种植时间内冬小麦的需水管理提供合理化的理论指导。
1 资料与方法
1.1 资料来源
采用河北省气象信息中心提供的衡水市冀州、故城、饶阳3个气象站1965-2012年逐日气温（含最高、最低）、降水、日照、风速、相对湿度等气象要素，取3个气象站气象要素的区域平均值作为衡水地区的逐日气象资料。
1.2 试验方法
采用作物系数法[10]计算冬小麦后期生长需水量的模型，计算公式如下：
ETc=Kc×ET0 （1）
式中，ETc为作物需水量（mm）；Kc为作物系数；ET0为潜在蒸散量（mm）。本研究中，Kc依照作物需水量计算指南（FAO-56）的建议数值[11]取0.4。
潜在蒸散量ET0的计算公式如下：
各类参数依照世界粮农组织（FAO）的推荐值[11]进行计算。式中，Rn表示冠层表面净辐射；T表示日平均气温；es表示饱和水汽压；ea表示实际水汽压； γ表示湿度计常数；U2表示2 m高处的日平均风速；Δ是饱和水汽压-气温关系曲线在T处的切线斜率；G表示土壤热通量，本计算中忽略不计[12]。 由于抽穗至成熟期的起止日期不固定，为了更好地进行统计与计算，将该段日期固定为5月5日至6月10日，在日期的计算过程中采用日序的计数方式[13]，即1月1日记为1，2月2日记为33。统计方法采用线性趋势、Mann-Kendall突变检验法、Morlet小波分析等方法[14，15]。
2 结果与分析
2.1 冬小麦生长后期需水量变化趋势
对冀州、故城、饶阳3个气象站的逐日气象要素求区域平均值，得到衡水地区的气象要素逐日平均值，通过公式（1）和（2）计算得到近48年来冬小麦后期需水量的时间序列（图1），由图1可知，1965-2012年，衡水地区冬小麦抽穗至成熟期平均需水量为141.0 mm，需水量最多出现在1971年，需水量为184.4 mm，最少出现在1998年，需水量为107.5 mm，近48年的时间变化呈波动下降的趋势，变化量为-0.79 mm/年，下降趋势通过了0.01的显著性检验，变化明显， 48年来下降了37.9 mm。
2.2 冬小麦生长后期灌水量变化趋势
用同期的需水量减去降水量代表冬小麦后期的灌水量，由图2可知，冬小麦后期的人工灌水量同样呈波动下降的变化趋势，灌水量最少的年份是1977年，由于该年降雨量大，降水量大于需水量，该年的灌水量为-71.6 mm，本研究中该年的灌水量取值为0 mm，表明该年的冬小麦生长后期自然降水完全能够满足冬小麦的后期生长，不需要再进行人工灌溉；灌溉水量最多年出现在1968年，灌水量为174.8 mm，表明近48年里，该年在冬小麦生长后期的自然降水最少；1965-2012年衡水地区冬小麦生长后期多年平均灌水量为98.9 mm，变化趋势为-1.3 mm/年，近48年来下降了62.4 mm，其相关系数r=0.435，通过了0.01的显著性检验，表明下降趋势明显。
2.3 冬小麦后期生长需水量时间序列变化的突变分析
由衡水地区冬小麦后期生长需水量时间变化序列得出冬小麦后期生长的需水量呈较为明显的下降趋势，为了进一步分析在近48年的时间序列中，受综合气候因素的影响冬小麦后期生长的需水量变化是否存在突变，本研究引入Mann-Kendall突变检验方法，该方法是一种非参数统计检验方法，可分析时间序列资料的变化趋势和突变点[14]。其正序曲线UF与逆序曲线UB的交叉点为突变点，通过了±1.96（0.05的显著性检验），表明变化趋势显著[14]。由图3可知，衡水地区冬小麦生长后期的需水量在1976年发生突变现象，在1977年变化趋势通过了0.05的显著性检验，变化更加明显，但由该图可以看出UF线在2000年以后变化又趋于平缓。
2.4 冬小麦后期生长需水量时间序列的周期性变化分析
由图1的需水量曲线可知，冬小麦后期生长需水量的变化虽呈递减的趋势，但不是单调递减，而是呈波动变化的趋势，因此，用Morlet小波实部结合其方差分析时间序列的周期性变化。小波分析源于傅立叶分析，是对傅立叶分析方法的突破性发展，通过将时间序列分解到时间频率域内，得出时间序列显著的周期变化动态以及周期变化动态的时间格局[14]。由图4可知，冬小麦后期生长需水量存在准6～8年的变化性周期，同时结合小波方差图（图5）可见，其变化周期表现为7年，即需水量在近48年的时间序列变化中，存在7年增减交替变化的周期。
2.5 冬小麦后期生长需水量与气候因子的相关性分析
随着气候的变暖，冬小麦后期的需水量却呈减少的趋势，因此对大田环境的主要气象因子与冬小麦后期需水量的变化进行相关性分析，用以得出影响需水量变化最大的气象因子。利用SPSS统计软件对冬小麦生长后期需水量与平均气温、风速、日照时数、相对湿度等气象要素进行相关分析，由各气象因子与需水量的相关系数（表1）可以看出，与冬小麦生长后期需水量正相关最大的气象因子是日照时数，其次是风速，再次是平均气温，相关系数全部通过了0.01的显著性检验；负相关最大的是相对湿度，相关系数通过了0.01的显著性检验。该结论也与河北日照时数减少[16]、风速减小[17]、半干旱区相对湿度变化不明显[18]的结论一致。
3 小结与讨论
衡水地区冬小麦生长后期需水量呈波动下降的趋势，且趋势变化明显，该变化趋势也与中国大部分地区潜在蒸散量呈减少的趋势相一致[19]。1965-2012年需水量趋势变化量减少了37.9 mm，需水量的降低和自然降水的作用使人工灌水量在近48年的减少趋势明显快于需水量的变化，近48年来，人工灌水量减少了62.4 mm。
冬小麦生长后期的需水量存在时间序列上的突变现象，突变交点发生在1976年，在1977年以后需水量的变化更加明显，但这种变化在2000年以后有所放缓。冬小麦生长后期的需水量在波动下降的变化中存在增-减的周期性变化，其7年的变化周期在检测中表现得尤为明显。冬小麦生长后期需水量的变化与日照时数呈最大正相关，其次是风速，与相对湿度的变化呈最大负相关。该相关性也表明了其与气候因子变化的一致性。
冬小麦生长后期是子粒产量形成的重要生长阶段，其对水分的需求就显得尤为敏感，本研究在相关模型和数据的基础上计算发现，衡水地区冬小麦生长后期需水量呈减少的趋势，这对该地区冬小麦后期管理以及合理利用水资源有一定的指导意义。
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