近50年气候变化对黑龙港流域棉花需水规律的影响

顾晶　卢健　缴锡云　谢菊

摘要：针对气候变化对作物需水量的影响，研究主要气象因子和作物需水量的变化趋势。应用黑龙港流域棉花试验数据，对棉花需水量和主要气象因子近50年的变化进行趋势检验，分析该地区近50年的棉花需水量变化趋势。结果表明，近50年黑龙港流域气温呈上升趋势，相对湿度、日照时数和风速均呈不同幅度的下降趋势，降水量变化趋势不明显。棉花全生育期需水量总体呈下降趋势。在各生育阶段中，苗期、蕾期和吐絮期需水量总体呈下降趋势，花铃期需水量呈显著上升趋势。风速和日照时数是影响黑龙港流域棉花全生育期需水量的主要气象因子，气温和相对湿度是影响棉花花铃期需水量的主要因子。

关键词：棉花；作物需水量；气候变化；黑龙港流域

中图分类号： S162.5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0115-03

收稿日期：2014-07-03

基金项目：水利部公益性行业科研专项（编号：201301014）。

作者简介：顾晶（1990—），男，江苏大丰人，硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：dfgj8@163.com。

通信作者：缴锡云，教授，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：xyjiao@hhu.edu.cn。黑龙港流域位于河北省东南部，是我国重要的农业种植区，同时也是全国水资源严重贫乏、资源性缺水的地区之一，水资源的短缺制约了该区域经济可持续发展能力[1]。因此，开展包括农业节水在内的节水工程、制定科学灌溉制度、提高水资源利用效率对缓解黑龙港流域的水资源危机具有重要意义。近期，气候的变化和作物需水量对气候变化的响应成为人们关注水资源的一个重要方面[2-5]。目前对作物需水量变化趋势及其与气候变化关系的研究主要集中在小麦和玉米上[6-8]，但是这些研究的规律具有一定的地域性，而且对气候变化下棉花需水规律的研究甚少，气候变化条件下棉花需水规律的研究有必要进一步深入。区域水资源可以基于作物需水量进行合理配置[9-11]。掌握棉花需水量的演变规律关系到黑龙港流域水资源规划的科学制定。本研究结合田间试验，初步揭示黑龙港流域棉花需水量的变化规律，研究气候变化对作物需水量的影响及其历史变化、掌握未来农业用水走势以及科学制定水资源规划和建立合理灌溉制度具有重要的指导意义。

1材料与方法

1.1试验区概况

棉花需水规律试验于2008—2009年在中国科学院的南皮生态农业试验站进行，试验站位于河北省南皮县冯家口镇，属于黑龙港流域，地处北纬38°06′、东经116°40′，属于北暖温带半湿润季风气候，年均降水量480 mm，降雨一般集中在夏季。水面蒸发量1 900～2 200 mm，地下水埋深5～7 m，该区光热资源丰富，太阳总辐射2.34 MJ/cm2年，平均日照时间 2 318 h。试验区为典型环渤海缺水盐渍化类型区，土壤多为脱盐潮土，耕地土壤为轻质壤土，土壤干容重1.49 g/cm3。棉花腾发量试验区位于试验站的西南部，试验区内建36个蒸渗仪，共4列，每列9个，呈南北走向。棉花供试品种为冀棉958。栽培方式设置覆膜平播，采用2膜4行的播种方式，行距55、80、55 cm，膜间距40 cm，株距40 cm，撒播后期定苗。

1.2作物需水量计算

联合国粮农组织（the food and agriculture organization of the United Nations，FAO）推荐的参考作物蒸发蒸腾量-作物系数法[12]是目前估算作物需水量的主要方法。在土壤水分充足的条件下，作物需水量计算公式为

2结果与分析

2.1近50年气候变化趋势

利用黑龙港流域泊头市、饶阳县、邢台市、南宫市4个国家气象站近50年（1960—2009年）的主要气象因子逐日气象资料，包括最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速、日照时数和降水量，分析近50年来黑龙港流域气候变化的规律，站点分布如图1所示。

下降趋势，由于辐射与日照时数成正比，日照时数的减少造成到达地面的太阳辐射能减少。邢台市相对湿度呈下降趋势，说明大气在逐渐地变得干燥。风速呈下降趋势，且下降趋势显著。降雨量呈不显著变化趋势。

2.2棉花需水量的变化特征

根据逐日的气象资料，由式（2）计算出逐日参考作物需水量。本研究将棉花生育阶段划分为4个生育阶段，采用试验所得覆膜平播棉花的作物系数，即苗期Kc=0.731、蕾期Kc=0.910、花铃期Kc=1.373、吐絮期Kc=0.800；再由根据式（1）计算逐日作物需水量，从而得到棉花全生育期需水量和生育期各阶段需水量。

MK非参数统计检验棉花全生育期需水量和棉花生育期各阶段需水量变化趋势如表2所示。

由表2可知，近50年来黑龙港流域棉花需水量ET在全生育期及不同的生育阶段呈不同的变化规律。棉花全生育期ET总体呈下降趋势，其中泊头市和南宫市站点的ET下降幅度最大，邢台市上升趋势不显著。在棉花苗期、蕾期ET总体呈下降趋势，而花铃期除泊头市、南宫市站点趋势显著外，其他站点均呈显著上升趋势。

2.3棉花需水量与气候变化的关系

2.3.1棉花全生育期需水量对气象因子的响应对主要气象因子（气温、相对湿度、风速、日照时数）的年际变化和年内变化分别进行分析、检验，确定棉花全生育期需水量与气候变化的关系，检验结果如表3。

由表3可知，泊头市、饶阳县、南宫市地区的相对湿度、风速和日照时数的降低趋势及其下降幅度决定了该区域棉花全生育期需水量的下降趋势；邢台市虽然风速和日照时数都呈极显著下降趋势，但气温呈显著上升和相对湿度下降引起需水量增加的幅度超过了风速和日照时数引起需水量下降的幅度，使邢台地区棉花需水量呈不显著变化趋势。

2.3.2棉花各生育阶段需水量与气象因子的响应对棉花各生育阶段气象因子趋势检验，结果见表4。

从表4可以看出，苗期的风速和日照时数极显著下降趋势决定了苗期ET的下降趋势，虽然气温呈显著或极显著的上升趋势，但风速和日照时数的减少引起ET降低的幅度比气温显著上升和相对湿度的下降引起ET升高的幅度大，使黑龙港流域近50年来棉花苗期ET总体上呈下降趋势。

在蕾期，泊头市和南宫市的棉花ET呈显著下降趋势，相对湿度、风速和日照时数是主要气象因子；饶阳县和邢台市因为相对湿度下降引起的棉花ET上升削弱了风速、日照时数的显著下降引起棉花蕾期ET下降的幅度，使饶阳县和邢台市的蕾期ET呈不显著变化趋势。

在花铃期，风速和日照时数是影响泊头市棉花ET的主要气象因子。气温和相对湿度是影响饶阳县、邢台市、南宫市棉花花铃期ET的主要气象因子，气温的上升和相对湿度显著下降促使棉花花铃期ET显著上升，而风速和日照时数的影响作用不明显。

在吐絮期，泊头市和南宫市的棉花ET总和呈下降趋势，风速和日照时数的下降是促使吐絮期棉花ET下降的主要原因，气温和相对湿度对饶阳县和邢台市吐絮期棉花ET的上升趋势起到了决定性作用，是影响饶阳县和邢台市吐絮期ET的主要气象因子。

3结论

近50年来，黑龙港流域气温呈上升趋势，相对湿度、日照时数和风速均呈不同幅度的下降趋势，降水量变化趋势不明显。

黑龙港流域棉花全生育期需水量总体呈下降趋势。各生育阶段中，苗期、蕾期和吐絮期需水量总体呈下降趋势，花铃期需水量总体呈上升趋势。因此，今后可以通过适当减少棉花苗期、蕾期和吐絮期的灌溉量，增加花铃期的灌溉量，达到合理、科学分配并节约灌溉水资源的目的。

风速和日照时数是影响黑龙港流域棉花全生育期需水量的主要气象因子，气温和相对湿度是影响棉花花铃期需水量的主要因子。

参考文献：

[1]刘成林. 新时期黑龙港流域水资源问题及对策[J]. 地理与地理信息科学，2007，23（3）：109-112.

[2]Peiris D R，Crawford J W，Grashoff C，et al. A simulation study of crop growth and development under climate change[J]. Agricultural and Forest Meteorology，1996，79（4）：271-287.

[3]Wei X，Declan C，Erda L，et al. Future cereal production in China：the interaction of climate change，water availability and socio-economic scenarios[J]. Global Environmental Change，2009，19（1）：34-44.

[4]姚本智. 气候变化下作物需水量研究[D]. 北京：清华大学，2009.

[5]施雅风. 气候变化对西北华北水资源的影响[M]. 济南：山东科学技术出版社，1995.

[6]刘晓英，李玉中，郝卫平. 华北主要作物需水量近50年变化趋势及原因[J]. 农业工程学报，2005，21（10）：155-159.

[7]尹海霞，张勃，王亚敏，等. 黑河流域中游地区近43年来农作物需水量的变化趋势分析[J]. 资源科学，2012，34（3）：409-417.

[8]杨琪，张勃，尹海霞，等. 甘肃河东地区近50年小麦需水量变化趋势及影响因子[J]. 生态学杂志，2013，32（11）：3074-3081.

[9]蒋云钟，赵红莉，甘治国，等. 基于蒸腾蒸发量指标的水资源合理配置方法[J]. 水利学报，2008，39（6）：720-725.

[10]汤万龙. 基于ET的水资源管理模式研究[D]. 北京：北京工业大学，2007.

[11]张芳，徐建新，魏义长，等. 基于ET管理的县域水资源合理配置研究[J]. 灌溉排水学报，2011，30（2）：107-110.

[12]Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al. Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements[M].Rome：Irrigation and Drainage，1998：56.

[13]Hamed K H，Ramachandra R A. A modified Mann-Kendall trend test for autocorrelated data[J]. Journal of Hydrology，1998，204（1）：182-196.卢海燕，田家良，丁悦，等. 蔬菜高效安全农药复配配方的筛选[J]. 江苏农业科学，2015，43（2）：118-121.