河西走廊地区春小麦需水量驱动因素分析

户广勇，王素芬，杨 杰

(中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083)

0 引 言

农作物需水量指的是大面积的无病虫侵害的农作物，在土壤养分、肥力适合作物生长的情况下，在周围环境有利于取得高产时，为满足植株蒸腾、棵间蒸发，组成植株体所需要的水量[1]。众多学者对作物需水量的影响因素进行了研究，闫苗祥[2]等采用主成分回归分析法对郑州市主要作物需水量的影响因子进行分析，得出不同作物不同生育期的主要影响气象因子有所不同。段春峰、陈超等[3,4]分别采用偏相关系数分析法对西北地区和四川地区参考作物需水量的主要影响因素进行了研究，研究表明西北地区不同地点的参考作物需水量的主要因素存在空间变化。作物需水量在空间上具有较大的变异性，牛振国等[5]对内蒙半干旱鄂尔多斯高原沙地的参考作物需水量进行了研究，发现坡度、坡向等微地形因子对其具有很大影响。王景雷等[6]通过GIS技术和主成分分析法相结合来分析了大尺度下地理因子对作物需水空间分布变化的影响，得出华北地区影响冬小麦需水量变化的主导因子分别为热力因子、水分因子和微地形因子。这些研究表明不同作物在不同地理条件下，作物需水量的影响因素会存在明显变化。本文拟研究春小麦在甘肃省境内河西走廊地区地理要素和气象要素对其需水量的影响。

1 研究区概况

河西走廊位于甘肃西北部、东起乌鞘岭，西至甘肃与新疆交界处，南至祁连山、阿尔金山主分水岭北坡，北至内蒙古自治区和蒙古国边界。在地理上处于北纬37°17′～42°48′，东经 92°12′～103°48′之间。行政区划上属于甘肃省张掖、酒泉、武威、金昌、嘉峪关5市，由东到西分属于石羊河、黑河和疏勒河三大水系。河西走廊气候受大陆性气候和青藏高原气候综合影响，较为复杂，平原区年降水量47～280 mm，年蒸发量1 300～4 000 mm。该区由于受气候条件的影响，农业生产“非灌不殖”，农业用水占总用水量的90%以上，但光照条件好，农业生产潜力巨大，在占甘肃省19%的耕地面积上生产了全省32%的粮食和70%的商品粮以及占全省31%的农业产值。河西地区水资源的严重短缺已经成为制约农业发展导致生态环境破坏的主要原因。

2 数据来源与研究方法

本研究收集了河西地区三大内陆河流域14个气象站50年长系列的逐日基本气象资料，气象站包括乌鞘岭、武威、民勤、永昌、山丹、张掖、高台、酒泉、鼎新、金塔、玉门镇、安西、敦煌和马鬃山，站点分布如图1所示。气象资料包括日平均气压、日平均风速、日平均气温、日最高温度、日最低温度、日平均相对湿度、日降水量、日照时数，数据来源于中国气象数据网。对数据进行处理得到各气象要素在春小麦生育期内平均值及总平均值的空间分布。河西地区DEM数据，经过严格的几何校正、配准、投影变换处理得到坡度、坡向、高程等地理因子的空间分布图。

图1 河西地区气象站点分布Fig.1 Weather stations distributed in Hexi region

作物需水量采用FAO-56 Penman-Monteith公式计算[7]，首先由所获得的各站基本气象数据计算得出参考作物需水量ET0，通过相关资料[8,9]查得河西地区各县域春小麦生育期作物系数Kc，与参考作物需水量相乘并进行IDW反距离加权法插值得出春小麦ETc的空间分布。基于GIS操作对河西走廊地区均匀划分为2 490个单元栅格，栅格转点后并分别对各单元栅格内的地理因素和气象因素等13个要素数据进行采样，运用SPSS软件对其进行因子分析，实现河西地区气象因素和地理因素综合分类并得到各类主因子对作物需水量贡献率的大小分布。对河西地区不同站点气象因素与作物需水量进行相关性分析，分析得出不同地点不同气象要素对作物需水量的影响大小。

3 结果分析

3.1 河西地区春小麦需水量分布

河西走廊地区春小麦生育期需水量ETc分布规律大致服从沿疏勒河流域、黑河流域到石羊河流域逐渐减小的趋势(见图2)，分布趋势与年参考作物需水量ET0大致相同[10]。其中最大值出现在河西走廊西北部马鬃山一带为668 mm，春小麦ETc沿走廊向东南方向逐渐减小，最小值均出现在东南部古浪、天祝一带，为360 mm。民勤地区春小麦需水量相对石羊河流域整体水平相对较大为600 mm，山丹地区现对于黑河流域春小麦需水量相对较低。

图2 春小麦ETc分布图Fig.2 Spring wheat ETc map

3.2 因子分析

因子分析法是从研究变量内部相关的依赖关系出发，把一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的一种多变量统计分析方法[11]。它的基本思想是通过变量的相关系数矩阵内部结构的研究，将观测变量进行分类，将相关性较高，即联系比较紧密的分在同一类中，而不同类变量之间的相关性则较低，那么每一类变量实际上就代表了一个基本结构，即为因子。因子分析法实际上是一种“降维”的统计方法。因此，基于SPSS统计分析软件中因子分析模块对河西走廊地区春小麦需水量13个可能影响因素的空间栅格采样数据进行因子分析，可得到春小麦需水量的3个因子和因子分析荷载矩阵如表1所示。

因子分析法需要通过KMO检验及Bartlett's球形检验。KMO检验及Bartlett's球形检验是两个常用的因子分析模型有效性的统计指标，经检验KMO=0.765>0.5，Bartlett's球形检验Sig.取值为0，则表明适合进行因子分析。

由表1可以看出，因子1在主要气象因素包括降水量、日照时长、温度、大气压和相对湿度上具有较大荷载，因此定义因子1为气象因子。因子2主要在风速上具有较大荷载，因此定义为风速因子，风速变量同为气象要素之一，因为与气象因子中各气象要素相关性较小所以单独定义为风速因子。因子3主要在坡度和高程等地理要素上具有较大荷载，因此定义为地理因子。

表1 春小麦需水量因子分析因子荷载矩阵Tab.1 Spring wheat water requirement factor analysis factor load matrix

注：表中E为经度，N为纬度，A*=cos[(π/180)*Aspect]，Aspect为坡向度数，H为高程，S为坡度，P为生育期多年平均降水量，h为生育期总日照时长，U2为多年生育期平均2 m高处风速，Tmax为多年生育期平均日最高温度，Tmin为多年生育期平均日最低温度，Tmean为生育期多年平均日均温，Pa为平均大气压，RH为生育期多年平均相对湿度。以下字母含义与之相同。

对春小麦需水量的3个主因子进行因子贡献率分析，分析结果如表2所示。

表2 春小麦需水量因子贡献率Tab.2 Spring wheat water demand factor contribution rate

一般情况，公共因子的累积贡献率超过80%则认为所得到的公共因子可以说明全部的原始信息。由表2可知3个主因子累积贡献率达到86.5%，表明3个主要因子基本涵盖了作物需水量13个影响因素的大部分信息。气象因子、风速和地理因子的贡献率分别为55.3%、18%和13%。各主因子的贡献率与3个主因子累积贡献率的比值为各主因子对春小麦需水量影响的权重值，气象、风速、地理因子的权重分别为0.64、0.21、0.15。由春小麦需水量因子贡献率分析可知气象要素为影响河西走廊地区春小麦需水量的最主要因素，包括降水量、日照时长、温度、大气压、相对湿度和风速。

将春小麦需水量综合影响因素与作物需水量ETc进行线性回归分析，建立河西地区春小麦需水量模型。

春小麦需水回归模型：

ETc=4.745N+4.028E-3.398RH+6.368Tmean-

0.037h+62.266U2-1.222P-20.212

R2=0.977

R2=0.977，接近于1，说明残差平方和较小，线性拟合程度较好。

3.3 气象因素相关性分析

由因子分析可知气象要素对河西地区春小麦需水量的贡献率达到73%，成为河西走廊地区影响春小麦生育期需水量的最主要因素，并且有研究表明随着空间位置的变化[10]，影响作物需水量的主要因素也可能会发生明显变化。因此研究在河西走廊地区范围内不同地点不同气象要素对于春小麦需水量的影响程度十分有意义。对河西走廊地区不同地理位置的春小麦需水量和气象要素的相关性进行分析，分别分析河西走廊地区各气象站点的春小麦需水量与各气象要素的相关性。各气象要素与春小麦需水量相关系数如表3所示。

表3 各站点春小麦ETc与不同气象要素的相关性系数Tab.3 Correlation coefficients of different meteorological elements with spring wheat ETc of sites

注：*和**分别表示通过了0.05和0.01水平的显著性检验；绝对值大小表示相关性大小，负值表示呈负相关；①②③④分别表示各站点相关系数绝对值由大到小的排序。

石羊河流域除民勤外其他站点首要因子均为相对湿度，这与佟玲[12]对参考作物蒸发蒸腾量气候因素影响的研究结果相同，乌鞘岭和武威第二因子为温度，第三因子分别为日照时长和风速，永昌第二、三因子分别为日照时长和温度，民勤主要影响气象因子为温度和日照时长。

黑河流域山丹、张掖、酒泉和鼎新四站主要因子依次为相对湿度、风速，其次为日照时长，金塔站气象影响因子依次为风速、温度和日照时长，高台主要影响因子为风速，其他因素未通过显著性检验。

疏勒河流域除马鬃山外其他站点主要因子为风速，玉门镇和安西县次要因子为相对湿度，敦煌次要因子为降水量，马鬃山影响因子分别为温度、日照时长和相对湿度，这和马鬃山高纬度高海拔原因有关。

[1] 朱 晖. 宝鸡峡灌区冬小麦作物需水量和缺水量的空间变异性分析[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学，2013： 79.

[2] 闫苗祥，杨军耀. 郑州市作物需水量影响因素主成分回归分析[J]. 节水灌溉，2014，(7)： 22-24.

[3] 陈 超，庞艳梅，潘学标，等. 四川地区参考作物蒸散量的变化特征及气候影响因素分析[J]. 中国农业气象，2011，(1)： 35-40.

[4] 段春锋，缪启龙，曹 雯. 西北地区参考作物蒸散变化特征及其主要影响因素[J]. 农业工程学报，2011，(8)： 77-83.

[5] 牛振国，李保国，张凤荣，等. 参考作物蒸散量的分布式模型[J]. 水科学进展，2002，(3).

[6] 王景雷，孙景生，宋 妮，等. 基于GIS和PCA的冬小麦需水量影响因子分析[J]. 武汉大学学报(工学版)，2009，(5)： 640-643.

[7] 刘 钰，汪 林，倪广恒，等. 中国主要作物灌溉需水量空间分布特征[J]. 农业工程学报，2009，(12)： 6-12.

[8] 康绍忠，粟晓玲，杜太生. 西北旱区流域尺度水资源转化规律及其节水调控模式----以甘肃石羊河流域为例[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2009.

[9] 陈玉民，郭国双. 中国主要农作物需水量等值线图研究[M]. 北京：中国农业科技出版社, 1993.

[10] 孙聪影，粟晓玲. 气候变化对河西地区参考作物蒸发蒸腾量的影响[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2011，(12)： 219-227.

[11] 黄好思. 区域作物耗水时空格局优化技术研究----以石羊河流域为例[D]. 北京：中国农业大学，2013.

[12] 佟 玲，康绍忠，粟晓玲. 石羊河流域气候变化对参考作物蒸发蒸腾量的影响[J]. 农业工程学报，2004，(2).