河南省葡萄需水量的时空变化趋势及影响因素分析

黎世民，罗诗峰，臧贺藏，赵 晴，胡 峰，张建涛，李国领，张 杰，郑国清

(1.河南省农业科学院，河南 郑州 450002； 2.河南省农村能源环境保护总站，河南 郑州 450000； 3.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所/河南省智慧农业工程技术研究中心，河南 郑州 450002； 4.河南省农业科学院 小麦研究所，河南 郑州 450002)

作物需水量是确定作物灌溉制度以及灌溉用水量的基础，是流域规划、地区水利规划、灌溉工程规划设计和管理的基本依据[1]。目前，针对作物需水量时空变化规律的研究较多。刘钰等[2]采用 FAO 推荐的 Penman-Monteith方法和作物系数法，分析了小麦、玉米、棉花和水稻的作物需水量。刘晓英等[3]对华北地区的冬小麦和夏玉米需水量近 50 a 变化趋势及原因进行了分析。高晓容等[4]计算了玉米4个生育阶段的需水量，揭示东北玉米4个生育阶段水分供需的时空规律；并以作物水分盈亏指数为评价指标，分析近 50 a 东北玉米不同生育阶段的旱涝分布及演变。王梅等[5]、刘玉春等[6]和罗那那等[7]通过计算棉花需水量，分析了棉花需水量年际变化趋势和空间分布，进一步确定了棉花需水量总体呈下降趋势。曹永强等[8]以河北省鸡泽县为典型区域，利用Penman-Monteith公式和分段单值平均作物系数法计算了冬小麦、夏玉米和棉花的有效降雨量及需水规律，并分析了其变化趋势及突变现象。刘小刚等[9]也利用Penman-Monteith公式研究了河南省冬小麦和夏玉米各生育时期需水量时空变化特征，并采用通径分析法确定了影响河南省主粮作物需水量的气象因子。关于果树的需水量变化研究，国内学者主要分析了甘肃、云南等干旱区域酿酒葡萄需水量的时空差异[10-12]，而针对河南省的葡萄需水量分析却鲜见报道。

河南省是水资源严重短缺地区，人均水资源量仅为全国平均水平的1/5，并且作为农业大省和粮食大省，农业用水占极大的比例，部分地区超用超采地下水现象严重，水资源形势十分严峻。近几年来，随着葡萄产业的迅速发展，河南省部分市县作为黄河故道区的一部分，是我国新兴的最具发展潜力的葡萄生产基地，葡萄种植面积和产量也逐年增加，水资源的供需矛盾也日益尖锐。因此，利用河南省17个代表站点的气象数据，从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变化趋势，旨在为提高河南省葡萄水资源利用效率，实现葡萄园的节水灌溉和水分管理提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 数据来源

选取河南省17个标准气象站点(图1)1960—2015年的逐日气象数据。数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，所使用的气象数据包括平均气温、平均风速、最高气温、最低气温、日照时数、平均相对湿度等，以及各气象站点的经纬度、海拔高度等地理特征数值。根据河南省葡萄萌芽和落叶时间，选择4月初到10月底进行需水量的研究。

图1 供试河南省气象站点分布 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公式计算[13]：

ETc=ET0×kc

(1)

式中，ETc为作物需水量(mm/d)，ET0为参考作物蒸散量(mm/d) ，kc为作物系数。

(2)

式中，ET0为参考作物蒸散量(mm/d) ；Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率(kPa/℃)；Rn为净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]，逐日计算时G≈0；γ为干湿表常数(kPa/℃)；T为日平均气温(℃)；u2为2 m高处风速(m/s)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)。

1.2.2 作物系数的确定 由于缺少河南省的实测试验数据，所以采用FAO推荐的方法[13]，借鉴ROMERO等[14]的葡萄作物系数(表1)。

表1 葡萄的作物系数 Tab.1 Crop coefficients of grape

1.2.3 Mann-Kendall趋势检验 Mann-Kendall趋势检验是非参数统计方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和时间序列变量，计算也比较简单。假设具有n个独立、随机样本的时间序列x(x1，x2，…，xn)，i,j≤n，i≠j,计算公式如下：

(3)

其中，sign()为符号函数，当sign(xj-xi)小于、等于或大于0时，sign(xj-xi)分别为-1、0或1。S为正态分布，其均值为0，方差var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

(4)

Z值为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.64和2.32时表示通过了置信度90%、95%和99%的显著性检验。

Mann-Kendall法突变检测：设时间序列为x1,x2,…,xn,Sk表示第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累计数，定义统计量：

(5)

在时间序列随机独立的假定下，Sk的均值和方差分别为：

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

(6)

将Sk标准化：

(7)

UBk=-UFk,i′=n+1-ii,i′=1,2,L,n…

(8)

1.3 数据处理

采用Excel进行葡萄需水量的年际变化趋势分析并作图，MATLAB软件进行Mann-Kendall趋势检验，应用SAS软件进行数据的通径分析。

2 结果与分析

2.1 葡萄需水量的变化特征

由表2可知，1960—2015年,葡萄生育期需水量为406.09～499.96 mm，平均为451.71 mm，折合2.11 mm/d。葡萄需水量随生育期的推进呈“抛物线”型变化趋势。其中，4月份作为果树生长初期，平均需水量为36.52 mm，折合1.22 mm/d，占葡萄生育期需水量的8.08%；5月份的平均需水量为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月作为葡萄需水量最大的生长旺盛期，平均需水量分别为78.53、104.48、86.15 mm，折合2.62、3.37、2.78 mm/d，分别占生育期需水量的17.39%、23.13%、19.07%；9、10月份作为葡萄生长后期，平均需水量分别为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间分析结果表明，葡萄生育期平均需水量呈西北高东南低的态势，豫西高于豫东，豫北高于豫南。其中，豫西地区的葡萄生育期平均需水量最高，为460.82 mm；其次是豫北、豫中和豫东地区，分别为456.75、453.61、449.26 mm；豫南地区的葡萄生育期平均需水量最低，为438.12 mm。17个气象站点中豫西地区的栾川葡萄生育期平均需水量最高，为499.96 mm；卢氏葡萄生育期平均需水量最低，为406.09 mm。

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

2.2 葡萄需水量的时间变化特征及趋势分析

由图2可知，1960—2015年河南省葡萄生育期的需水量随年份增加呈下降趋势，趋势系数为-1.118 mm/a，但不同月份的需水量变化趋势和趋势系数略有不同。从变化趋势来看，葡萄不同月份的需水量变化除4月随年份增加呈上升趋势(趋势系数为0.028 mm/a)外，其他各月份的需水量均随年份增加呈下降趋势，其中6月、7月和8月的需水量随年份下降趋势明显，趋势系数平均为-0.336 mm/a。

利用 Mann-Kendall方法对葡萄生育期和不同月份需水量变化趋势进行检验(表3)，结果表明，葡萄生育期的平均需水量下降趋势显著，6月、7月和8月的需水量下降趋势显著。

对河南省葡萄生育期需水量进行Mann-Kendall突变检验，结果如图3所示。由UF曲线可知，自 20 世纪 70 年代初期，河南省葡萄生育期需水量有明显的下降趋势，并且1980—2015年这种下降趋势达到了0.05显著性水平，说明葡萄需水量下降趋势十分明显。正序曲线 UF 和逆序曲线UB在置信度区间于1979年有一个交点，表明河南省葡萄需水量下降是突变现象，突变开始时间为 1979 年。

2.3 气象因子对葡萄生育期需水量的影响

为了分析影响河南省葡萄生育期需水量差异性的主导因素，选取平均风速(X1)、平均相对湿度(X2)、日照时数(X3)、最低气温(X4)、最高气温(X5)和平均气温(X6)6个基本气象因子与葡萄生育期需水量进行通径系数的计算和显著性检验，分析各气象因子对作物需水量的直接作用(通径系数)和间接作用，结果见表4。

图2 1960—2015 年河南省葡萄需水量的时间变化特征 Fig.2 The time variation characteristics of grape water requirement in Henan province from 1960 to 2015

项目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***分别表示通过了置信度90%、95%和99%的显著性检验。

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

各气象因子的直接通径系数由大到小依次为日照时数(X3)、平均风速(X1)、平均气温(X6)、平均相对湿度(X2)、最低气温(X4)和最高气温(X5)。其中,日照时数(X3)、平均风速(X1)、平均气温(X6)与需水量呈极显著正相关关系，说明日照时数、平均风速和平均气温对葡萄生育期需水量有促进作用；平均相对湿度(X2)和最低气温(X4)与需水量呈负相关关系，且平均相对湿度与需水量的相关性极显著，说明平均相对湿度对葡萄生育期需水量有抑制作用。对各因子的间接通径系数分析结果表明，平均风速和日照时数之间的相互作用效应明显。

不同气象因子的偏相关性分析结果表明，平均风速(X1)除与最高气温(X5)无显著相关外，与其他气象因子均呈极显著相关；平均相对湿度(X2)与日照时数(X3)呈极显著正相关，与最高气温(X5)呈极显著负相关。

表4 葡萄生育期需水量影响因素的通径分析Tab.4 Path analysis between meteorological factors and water requirement of grape growth period

注：**表示极显著差异(P<0.01)，*表示显著差异(P<0.05)。

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

3 结论与讨论

本研究结果表明，1960—2015年河南省葡萄生育期需水量整体呈下降趋势，尤其是在葡萄的浆果生长阶段(6月、7月、8月)下降趋势明显。其中，生育期平均需水量为451.71 mm，最大值出现在1966年(546.35 mm)，最小值出现在2003年(391.10 mm)，但李雅善等[11]的研究表明，近30 a来，甘肃省酿酒葡萄需水量呈现上升趋势，这表明不同地区气候变化对葡萄需水量的影响不同。

气象因素是影响作物需水量的主要因素，作物需水量因地区和时间有明显差异[15]，因此采用不同时期的数据和分析方法也会产生不同的结论。本研究结果表明，1960—2015年影响河南省葡萄需水量的主要气象因素为平均风速、日照时数和平均相对湿度，这与尹海霞等[16]对春小麦和玉米的需水量主要气象影响因子的研究结果一致。本研究结果中，日照时数对葡萄需水量的影响度最高，而姬兴杰等[17]和周迎平等[18]研究表明，平均风速对作物需水量的影响最为明显。李雅善等[11]对甘肃省1982—2011年葡萄需水量的研究认为，气温是影响需水量的主要气象因素。

本研究在计算作物需水量时，一因缺乏关于河南省及临近地区的葡萄作物系数的相关试验资料，二因国内外学者的研究主要集中在干旱、半干旱地区酿酒葡萄的需水量，而针对鲜食葡萄的需水量研究较少，因此，采用ROMERO等[14]在干旱地区试验获得的逐月的作物系数进行河南省葡萄需水量分析，其分析结果对葡萄需水量的具体量化值具有一定的影响，但对其需水量的变化规律影响不明显。