气候变化情景下新疆棉花和甜菜需水量的变化趋势

利用改进的非参数统计检验Mann-Kendall(MK)方法进行序列趋势检验时,因考虑了时间序列自相关性的影响而使检验结果更趋严格。本文采用MK法及改进的MK法对新疆地区41站1961-2010及2015-2099年主要经济作物棉花和甜菜需水量ETc和相关气候要素的变化趋势进行了检验,探讨了序列自相关性对ETc趋势检验结果的影响,并给出了各站及全疆ETc的变化趋势。结果表明:1)当自相关阶数大于0时,应采用改进MK法判断ETc的变化趋势;2)1961-2010棉花和甜菜的ETc具有一定的相依结构,2015-2099年棉花的ETc具有非常明显的长程相关性,但2015-2099年甜菜的ETc均具有时间独立性;3)无论对于棉花还是甜菜ETc,各站点Sen斜率和线性斜率值很接近,满足极好的线性关系,表明两者在反映趋势幅度时具有高度一致性;4)ETc序列是否存在相依性对于趋势显著性有重要影响,最终的趋势检验需用MK法和改进的MK法综合判断。1961-2010和2015-2099年棉花和甜菜的ETc在多数站点呈下降趋势,但其显著性各异。ETc序列的下降说明未来新疆棉花和甜菜用水需求降低,遭受干旱的风险降低。棉花及甜菜ETc的趋势特征对于气候变化背景下干旱-半干旱区作物灌溉制度的制定和防灾抗旱有重要参考价值。     

用统计降尺度模型预测川中丘陵区参考作物蒸散量

区域蒸散量(evapotranspiration)预测对精准灌溉预报与农田水分管理意义重大。该文利用川中丘陵区11个气象站点1961-2013年逐日气象资料,采用FAO-56 Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量(reference evapotranspiration,ET0),基于Hadley Centre Coupled Model version 3(HadCM3)的输出和统计降尺度模型(statistical downscaling model,SDSM)分别对A2(高温室气体排放)、B2(低温室气体排放)情景下川中丘陵区2014-2099年ET0进行预测,并使用Mann-Kendall检验和反距离加权插值法对1961-2099年ET0的时空演变特征进行分析。结果表明:基准期(1961-2010年)川中丘陵区ET0整体呈现明显下降趋势,空间上呈现出东北部、西北部和东南部相对较大、中部相对较小的差异;与基准期相比,A2、B2情景下未来2020 s(2011-2040年)、2050 s(2041-2070年)和2080 s(2071-2099年)川中丘陵区ET_0月和年均值都呈增大趋势;A2情景下3个时期ET0将分别增加7.9%、10.9%和16.7%,B2情景下ET_0将分别增加7.1%、4.9%和12.8%;A2、B2情景下3个时期川中丘陵区ET_0空间分布均呈现西北部和南部较大、中部较小的空间差异,且3个时期的ET0相对变化率显示中部及其偏北、偏南区域ET_0增幅相对较大,北部和南部增幅相对较小。因此,未来川中丘陵区ET0的上升可能导致水资源短缺与季节性干旱进一步加剧。该研究可为川中丘陵区水资源优化管理和灌溉制度制定提供科学参考。     

基于地统计学的作物需水量空间变异性分析

依据宝鸡峡灌区11个站1981-2008年各月的气象资料,基于ArcGIS 9.2平台,运用地统计学分析了灌区三种主要作物多年平均需水量在空间上的变化规律.通过反距离权插法与克里格插值的比较,显示了地统计插值较确定性插值的优越性.分析结果表明:灌区不同作物需水量差异较大,冬小麦多年平均需水量459.5～559.6mm,玉米454.6～528.3mm,棉花609.2～681.3mm.但是,各种作物多年平均需水量的空间分布呈现出类似规律,均在西南-东北方向上变程最大,眉县附近需水量最小,往东北方向逐渐增大.     

灌区分布式多水源时空优化配置

为充分考虑灌区多水源供需水时空分布不均问题,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为例,通过遥感技术反演土壤含水率并计算不同生育期的土壤水分修正系数,进而计算各子单元的作物需水量;分别以水库配水缺水量最小、灌区效益最大作为配置目标建立灌区分布式多水源优化配置模型,计算并分析9种水文情景下（蓄水高值-降水丰值、蓄水高值-降水平值、蓄水高值-降水枯值、蓄水中值-降水丰值、蓄水中值-降水平值、蓄水中值-降水枯值、蓄水低值-降水丰值、蓄水低值-降水平值、蓄水低值-降水枯值）配水量的时空分布规律。结果表明：通过遥感反演并模拟得出的灌区土壤含水率空间分布符合灌区实际土壤情况;漳滏河灌区4～8月的累计需水量最大,占全年总需水量的76.8%;不同情景下,民有分区的配水量均高于滏阳河分区,且空间分布变化规律明显;为保证灌区的经济效益,应优先选择水价较低、单位面积配水量较高的引黄水作为主要外调水源。研究结果可为灌区水资源时空配置及水资源高效管理提供新思路。     

滁州市冬小麦生育期作物需水量和降水变化特征

基于1961—2013年滁州市气象数据,运用集合经验模态分解和交叉小波分析,探究了冬小麦生育期需水量和灌溉需水量的变化特征。结果表明:1961—2013年滁州市冬小麦生育期需水量和灌溉需水量均呈增加趋势（增势分别为:2.80,1.48 mm/a）;年代变化上,冬小麦生育期需水量逐渐增大,灌溉需水量大致呈现先减少后增加的变化特征。冬小麦生育期作物需水量和灌溉需水量均呈现明显的多尺度变化特征,表现为多尺度的周期变化特征和趋势变化特征。作物需水量存在2.65,6.63,13.25,26.50 a的周期,灌溉需水量存在3.11,5.89,10.60,26.5 a的周期。研究时段,作物需水量和灌溉需水量与潜在蒸散量呈同相位分布,与降水量呈显著的反相位。     

未来主要气候情景下黄淮海地区参考作物蒸散量时空分布

探索未来主要气候情景下参考作物蒸散量(reference evapotranspiration,ET0)的时空分布可为农业水资源科学配置,科学应对气候变化对农业生产的影响提供基础数据支撑。该文利用黄淮海及周围88个站点1961-2010年逐日气象数据,Penman-Monteith公式估算的ET0为因变量,采用非线性回归分析方法对Hargreaves公式进行参数属地化订正,基于1961-2005年温度日序列,利用统计降尺度模型(statistical downscaling model,SDSM)以及大气环流模型(general circulation models,GCMs)中加拿大地球系统模式(the second generation of Canadian Earth System Model,Can ESM2)得到代表性浓度(representative concentration pathways,RCPs)4.5和8.5两种排放情景下2010-2100年温度日序列,通过率定的Hargreaves公式预测黄淮海地区ET0,并采用普通克里格(ordinary Kriging)方法进行空间化处理。结果表明:率定后的Hargreaves公式与Penman-Monteith公式的相关指数波动范围为0.65~0.85,平均值为0.80,SDSM模拟的最低温度、最高温度率定期和验证期的确定性系数都在0.95以上;未来两种气候情景下,黄淮海地区ET0整体上均呈增加趋势;RCP4.5情景下ET0从河北与山东、河南交界处形成的"勺"状向周围逐渐减小,在河北唐山与乐亭、江苏东台、河南驻马店附近达到最小值;RCP8.5情景下黄淮海地区2020 s(2011-2040年)、2050 s(2041-2070年)ET0的空间分布和RCP4.5非常相似,但2080 s(2071-2100年)ET0的空间分布差异较大,最高值主要分布在山东惠民县附近、河南新乡附近、安徽蚌阜和江苏盱眙附近。如不采取科学的应对措施,未来ET0的增加,可能会进一步加剧该区水资源短缺程度,该研究可为黄淮海地区水资源的优化管理和灌溉制度制定提供科学参考。     

中国主要作物灌溉需水量空间分布特征

作物需水量和灌溉需水量的时空分布是科学地制定不同地区灌溉用水定额的依据。该文基于全国范围200多个气象站近30 a逐日的气象资料和不同地区作物生育阶段的调查统计资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith方法和作物系数法,计算了30种作物的需水量和净灌溉需水量,并用各地灌溉试验站的实测资料进行了检验。利用GIS的空间分析功能,采用反距离加权插值法得到主要作物多年平均作物需水量与净灌溉需水量的等值线图。选择种植面积最广的小麦、玉米、棉花和水稻4种作物,分析其作物需水量与净灌溉需水量的空间分布特征,得到不同地区主要作物的灌溉需求指数。研究表明：中国东北区、长江中下游区、华南区、川渝区和云贵区平均灌溉需求指数小于0.5,作物对灌溉的需求比较低;华北区、蒙宁区和晋陕甘区旱作物30%～50%的需水靠灌溉补充,水稻55%～80%的需水依靠灌溉;新疆地区主要作物的灌溉需求指数均在0.7以上,农业的发展完全依赖于灌溉。     

中国冬小麦需水量时空特征分析

作物需水量是科学确定灌溉时期和灌溉量的重要依据。该文基于中国冬小麦种植区22个省(市、自治区)356个气象站点的气候资料以及冬小麦生育期资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数计算了中国冬小麦1961-2010年全生育期及不同生育阶段的需水量,明确了研究区域内冬小麦需水量的空间分布特征和年代际变化特征,并结合降水量时空分布特征,综合分析冬小麦生长季内水分满足情况。研究结果表明:除播种-越冬(出苗)生育阶段冬小麦降水量空间分布特征不明显外,全生育期及各生育阶段冬小麦降水量空间分布特征均为东南沿海地区高西北内陆地区低的分布特征;除返青(出苗)-拔节生育阶段冬小麦需水量空间分布特征不明显外,全生育期及其他各生育阶段空间分布特征均呈西北高东南低的分布趋势;冬小麦全生育期和各生育阶段需水量近50a来均呈下降趋势,尤其是全生育期及开花-成熟生育阶段内需水量下降趋势更明显,返青(出苗)-拔节生育阶段下降速率较少;若不考虑灌溉条件,从全国尺度来看,华南冬麦区和长江下游冬麦区水分满足情况较好,其他区域冬小麦各个生育阶段的降水条件均不能满足水分需求。比较各区域典型站点冬小麦水分满足情况,北部冬麦区、黄淮冬麦区、新疆冬春麦区和西南冬麦区水分亏缺比较严重,比较水分亏缺严重区域的冬小麦各个生育阶段的水分满足情况看出,相对水分亏缺程度较轻的为播种-越冬生育阶段,开花-成熟生育阶段冬小麦的水分亏缺程度最严重,该生育阶段是决定冬小麦千粒重的关键期,有灌溉条件地区适时灌溉,对保证高产稳产具有重要意义。     

1961-2010年中国参考作物蒸散量变化趋势与时空格局

根据甄选的中国529个气象台站1961-2010年的观测资料,利用联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的Penman-Monteith模型估算了全国年际参考作物蒸散量,探究了中国1961-2010年参考作物蒸散量变化趋势与时空格局.结果表明:(1)通过对中国参考作物蒸散量的年变化趋势进行分析,发现1961-2010年参考作物蒸散量先有下降趋势(1961-1993年),下降幅度不大,后又有缓慢的回升(1994-2010年),但总体呈下降趋势;(2)通过对各站近50年参考作物蒸散量平均值的时空分布进行分析,发现中国西北地区和西南地区明显大于东北地区和中部腹地;(3)中国参考作物蒸散量时空分布主要影响因素是风速和气温(气温影响范围广,风速影响程度大),也与中国地形复杂、面积广阔、经纬跨度大、各地气象条件差异导致作物蒸散能力差异有关.     

河北省棉花灌溉需水量与灌溉需求指数分析

对不同水文年份作物需水量和灌溉需水量的分析能够为作物灌溉用水定额的制定、作物生育期的水分管理和农业水资源规划提供基础数据。该文基于河北省棉区的气象资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算参照作物需水量和棉花需水量;利用水文计算应用最广的皮尔逊III型分布曲线,通过频率计算和配线法确定不同水文年份棉花生育期的有效降水量和需水量;据此分析不同水文年份棉花的灌溉需水量和灌溉需求指数。分析结果表明,河北省棉花多年平均需水量648.9 mm,多年平均灌溉需水量190.6 mm,多年平均灌溉需求指数0.29。枯水年(P=75%)、平水年(P=50%)和丰水年(P=25%)河北省棉花灌溉需水量分别为299.1、182.8和84.7 mm,灌溉需求指数分别为0.45、0.28和0.13。     

灌溉制度对膜下滴灌甜菜产量及水分利用效率的影响

为制定新疆合理的甜菜膜下滴灌制度,设置3个灌水次数(8、9和10次)和2个灌水定额(45和60mm)两因素全组合试验,于2016—2017年在新疆玛纳斯县农科院甜菜改良中心开展田间试验。结果表明,灌水次数增加时甜菜叶面积指数与产量增加,含糖率降低,对甜菜的水分利用效率、耗水量无明显影响(P0.05),甜菜叶绿素值随灌水次数与定额增加呈下降趋势;在灌水次数与定额交互作用下,灌水8次时由于土壤相对含水率低于50%,甜菜会减产;当灌水9次,灌水定额为45 mm时,增加15 mm灌水定额土壤相对含水率达50%以上,此时甜菜增产7.4%～7.7%,糖产增加9.4%～9.7%;而继续增加灌水次数时,会导致甜菜含糖率降低而降低糖产。因此针对新疆膜下滴灌甜菜以60 mm灌水定额灌水9次为宜,可获得高产与糖产,较传统新疆膜下滴灌甜菜制度节水10%。该研究对指导新疆膜下滴灌甜菜灌溉制度具有一定意义。     

冀京津冬小麦灌溉需水量时空变化特征

利用冀京津地区20个气象站点1961-2010年气象资料和1980-2009年冬小麦生育期资料,采用美国农业部土壤保持局推荐方法计算有效降水量,同时利用FAO推荐的Penman-Monteith方法计算冬小麦全生育期和4个主要生育阶段的需水量,并对冬小麦生育阶段灌溉需水量进行探讨。结果表明,过去50a来,冀京津冬小麦生育期内有效降水量呈增加趋势,空间上呈经向分布特点,表现为从西向东梯状增加的趋势。而冬小麦的需水量呈减少趋势,其中抽穗-乳熟期减少幅度最大,全生育期需水量的空间分布呈带状特征,全区差异较大。抽穗-乳熟期分布由东南向北递减。为满足冬小麦需水要求,全生育期灌溉需水量为291~381mm,灌溉需水量较多的地区为沧州市和衡水市一带。其中需水较多的生育阶段为拔节-抽穗期和抽穗-乳熟期。在空间上,拔节-抽穗期灌溉需水量以沧州市为中心,向南北两侧递减;抽穗-乳熟期灌溉需水量南高北低,有明显的带状分布特征。研究结果可为冀京津冬小麦适时定量灌溉和提高水分利用效率提供基础数据支撑。     

1961－2010年四川盆地玉米有效降水和需水量的变化特征

作物有效降水量和需水量是科学确定灌溉时期与灌溉量的重要依据。该研究基于1961－2010年四川盆地104个气象台站的地面气象资料和1981－2010年17个农业气象观测站的玉米生育期资料,采用联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的参考作物蒸散量和降水量的比率法计算了研究区域内玉米全生育期及不同生育阶段的有效降水量,采用参考作物蒸散量法结合单作物系数法计算了相应时段的需水量,并探讨了玉米不同生育阶段缺水量和水分盈亏指数的变化。结果表明：近50年来,除乳熟到成熟期外,玉米全生育期及播种到乳熟期的有效降水量总体呈下降趋势;全生育期和各生育阶段的需水量均呈减少趋势;除播种到拔节期外,全生育期和拔节到成熟期的缺水量以下降趋势为主。比较各区域典型地区玉米水分盈亏状况,盆地北部玉米水分亏缺程度最严重,而盆地西部最轻;比较玉米各个生育阶段的水分满足情况,播种到拔节阶段水分亏缺程度最严重。研究可为四川盆地玉米种植区的农业用水以及合理灌溉提供科学依据。     

华北平原小麦－玉米两熟制节水潜力与灌溉对策

利用详细校正的农业系统模型可以综合土壤、气候及作物等因素综合评价节水灌溉制度,为农田水分优化调控提供理论和技术支持。该文利用根系水质模型（RZWQM-CERES）模拟分析了华北平原2个代表性站点（禹城和栾城）小麦-玉米两熟制下作物产量、农田蒸散和灌溉需水量多年的变化特征（1961－1999）,结果表明栾城站小麦季农田最大蒸散量与灌溉需水量多年平均分别为632和496 mm,明显高于禹城站,而玉米季最大蒸散量相近,分别为395和384 mm。2个站点灌溉需水量都集中在小麦季（3－5月）,但在栾城站播种期（6、10月）灌溉需水量较高。由于2站点气候和土壤条件的差异,作物产量对水分胁迫的响应特征明显不同,在获得相似目标产量时,禹城站灌溉需水量低于栾城站。以作物水分胁迫指数为基础的节水灌溉制度模拟评价表明2个站点冬小麦水分敏感期为孕穗期,但播前灌溉的产量效应差异明显。综合以上结果初步建立了2个站点高效用水和环境友好型的节水灌溉策略。     

黄河流域主要农作物的降水盈亏格局分析

以1961—2000年的气象资料为数据基础，采用FAO 1998年推荐使用的Penman—Monteith模型和参考作物法，对黄河流域不同类型旱农地区主要农作物的降水盈亏格局进行了分析。结果表明：黄河流域大部分地区冬小麦全生育期多年平均缺水量在250～500mm，且由南向北缺水量有依次递增的趋势，主要反映了冬小麦全生育期降水量与需水量的双重影响；夏玉米全生育期缺水量较多的地区为陕西省关中地区，约为200mm左右，由此向东缺水量值逐渐减少；春小麦全生育期多年平均缺水量基本上是从南向北逐渐升高，缺水量在200—500mm，显然是受降雨与需水两方面的双重影响；春玉米全生育期多年平均缺水量分布则是从南部向北部递增，亏缺量在0～400mm。     

近50年新疆小麦需水量时空特征及气候影响因素分析

基于新疆地区54个国家基本气象站1963—2012年的逐日气象资料,利用FAO Penman-Monteith公式和作物系数法,得到近50 a来新疆小麦全育期和各生长阶段需水量,并利用线性趋势估计、MK检验、空间插值法分析了小麦全育期及各生长阶段需水量的年际变化趋势、空间分布特征及气象影响因素。结果表明:近50 a新疆小麦全育期平均需水量空间分布总体呈现南疆大于北疆、东部大于西部、由西北向东南增大的格局,生长初期和发育期需水量空间分布表现为南多北少,而生长中期和生长末期则为东多西少。小麦全育期年需水量平均以7.8 mm/10 a的速率呈极显著的下降趋势,并于1978年开始发生突变。小麦全育期内风速降低、日照时数减少是导致小麦全育期需水量下降的主要原因。     

河北省近35年农作物需水量变化趋势分析

根据联合国粮农组织(FAO)推荐的参考作物蒸散计算方法和相关作物系数,利用河北省84个地面气象站的资料,计算了河北省主要作物冬小麦和玉米近35年(1965～1999年)的需水量和缺水量,并分析了其变化趋势.结果表明:河北省主要作物冬小麦和玉米的需水量在近35年呈减少趋势,每10年下降量冬小麦全省平均26 mm,其中中南部地区28 mm,东部地区15mm;夏玉米全省平均9.7 mm,其中南部地区9.4 mm,中部地区10.2mm;春玉米全省平均9.9mm,其中东部地区8.8 mm,北部地区10.5 mm.全省和各区域作物需水量变化均通过0.05信度的显著性检验.不同作物缺水量不同,其中冬小麦最多,全省平均345 mm,夏玉米20 mm,春玉米29 mm;虽然不同作物均表现出缺水增加的趋势,但不显著.