鄭潤(rùn)橋，費(fèi)良軍，介飛龍，劉利華，劉 念，閻思宇

（西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

區(qū)域灌溉需水量時(shí)空變化特征及其影響因素研究——以魯西北地區(qū)為例

鄭潤(rùn)橋，費(fèi)良軍*，介飛龍，劉利華，劉 念，閻思宇

（西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

【目的】探尋魯西北地區(qū)灌溉需水量時(shí)空分布特征及影響因素。【方法】選取冬小麥為研究對(duì)象，利用Penman-Monteith公式對(duì)魯西北地區(qū)灌溉需水量進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析其變化趨勢(shì)，得出魯西北地區(qū)灌溉需水量的時(shí)間分布規(guī)律，使用反距離權(quán)重插值法得出灌溉需水量空間分布規(guī)律，并利用Pearson相關(guān)分析法對(duì)各氣象因素對(duì)灌溉需水量的影響程度進(jìn)行分析比較?！窘Y(jié)果】①魯西北地區(qū)的年平均灌溉需水量為339 mm，年際變化呈上升趨勢(shì)；②灌溉需水量空間變化呈帶環(huán)狀分布，各生育期內(nèi)規(guī)律不相同；③相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)是影響?hù)斘鞅钡貐^(qū)灌溉需水量較為重要的因素，分別呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)與較強(qiáng)正相關(guān)?！窘Y(jié)論】魯西北地區(qū)冬小麥灌溉需水量逐年緩慢上升，由東北到西南遞增；各站點(diǎn)降水量在播種期、返青期和拔節(jié)期內(nèi)均不滿(mǎn)足需水要求，需要人工灌溉補(bǔ)給。

灌溉需水量；時(shí)空變化；影響因素

0 引 言

【研究意義】山東作為我國(guó)農(nóng)業(yè)大省，人均水資源占有量?jī)H為334 m3，低于全國(guó)平均水平，水資源短缺情況嚴(yán)重[1]。除農(nóng)業(yè)用水量大和效率低等原因外，因山東省屬暖溫帶季風(fēng)氣候，降水集中在夏季，水資源時(shí)空分布不均勻也是造成水資源短缺的重要原因[2]。因此能否對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行高效灌溉和合理配置農(nóng)業(yè)用水規(guī)模，對(duì)灌溉需水量的時(shí)空變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析是關(guān)鍵所在。

【研究進(jìn)展】目前，對(duì)灌溉需水量的研究主要包括3個(gè)方面：①單考慮蒸散量的時(shí)空分布規(guī)律。如環(huán)海軍等[3]在計(jì)算冬小麥各生育階段需水量時(shí)采用了Penman-Monteith模型和單作物系數(shù)法，同時(shí)計(jì)算了有效降水量、水分盈虧指數(shù)，并對(duì)冬小麥在不同生育期的各種灌溉指標(biāo)包括需水量、有效降水量等指數(shù)的時(shí)空變化等進(jìn)行了計(jì)算。王景雷等[4]建立了基于DEM的山東省冬小麥作物需水量空間分布的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)也涉及ArcGIS的空間分析功能，對(duì)其蒸散量的空間關(guān)系進(jìn)行了分析。②從灌溉需水量的計(jì)算確定及其時(shí)空關(guān)系特征入手，尋其特征規(guī)律。如劉鈺等[5]選取國(guó)內(nèi)近300個(gè)氣象站點(diǎn)30 a的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)近30余種主要經(jīng)濟(jì)作物灌溉需水量進(jìn)行計(jì)算，得出我國(guó)不同地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物的灌溉需求指數(shù)。丁浩[6]對(duì)陜西寶雞峽灌區(qū)的氣候條件因素、冬小麥和夏玉米等主要經(jīng)濟(jì)作物情況和寶雞峽灌區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行整體研究，得出影響寶雞峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水的主要因素和時(shí)空變化規(guī)律。③氣象因素對(duì)灌溉需水量的影響研究，如宋妮等[7]以河南地區(qū)18個(gè)氣象站的氣象資料為基礎(chǔ)，對(duì)河南1961—2012年的主要經(jīng)濟(jì)作物需水量與不同氣象影響因素進(jìn)行了分析比較，得出結(jié)論為：影響河南地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物的氣象因素為日照時(shí)間與最高氣溫這2個(gè)因素。張山清等[8]在計(jì)算參考作物蒸散量時(shí)選取的氣象數(shù)據(jù)為1959—2007年的新疆吐魯番地區(qū)的基本氣象數(shù)據(jù)，并采用M-K突變檢驗(yàn)和線性回歸分析相結(jié)合的方式研究了不同氣象條件對(duì)作物需水量的影響，研究表明影響作物需水量的主要因素為風(fēng)速、有效降雨量和平均氣溫?！厩腥朦c(diǎn)】結(jié)合文獻(xiàn)資料可知，對(duì)于魯西北地區(qū)灌溉需水量的相關(guān)研究較少且多為單方面的計(jì)算分析，制約了當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，通過(guò)灌溉需水量的計(jì)算和影響因素分析，從年際變化尺度、生育期內(nèi)月際尺度下開(kāi)展山東省西北地區(qū)灌溉需水量時(shí)間、空間變化規(guī)律和影響因素的綜合研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省內(nèi)位于黃河以北的區(qū)域稱(chēng)之為魯西北地區(qū)，地區(qū)面積大約3萬(wàn)km2。魯西北地區(qū)北連河北，西臨河南，地貌單一，幾乎全部為坦蕩的黃泛平原，屬華北大平原的一部分[9]。降水主要受到大氣環(huán)流、季風(fēng)氣候和地形環(huán)境的影響，年際變化劇烈，年內(nèi)分配極不均勻，1965—2015年平均降水量為526 mm，且集中在夏季，6—8月的降水量占全年降水量的70%，多春旱夏澇。山東省年平均蒸發(fā)量為879 mm，蒸發(fā)量較大[10]。魯西北地區(qū)主要作物以冬小麥、夏玉米、大豆、棉花為主，其中冬小麥種植分布較廣，種植面積最大，占作物種植面積的54%[11]。

1.2 灌溉需水量計(jì)算

1.2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）

采用Penman-Monteith公式[12]計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)參考作物的潛在蒸散量。影響因素包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、日照時(shí)間、風(fēng)速、降水量等。計(jì)算式為：

式中：ET0為參考作物蒸散量（mm/d）；Rn為冠層表面凈輻射（MJ/（m2·d））；G為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線斜率（kPa/℃）；γ為濕度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）；T為平均氣溫（℃）；U2為2 m高處的風(fēng)速（m/s）；ex為空氣飽和水汽壓（kPa）；ea為空氣實(shí)際水汽壓（kPa）。

1.2.2 作物需水量（ETc）

一般采取田間測(cè)定進(jìn)行作物需水量的確定，同時(shí)也可進(jìn)行理論計(jì)算得出[13]。本文采用作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量，具體計(jì)算式為：

式中：Kc為作物系數(shù)；ETc為作物需水量（mm/d）；ET0為參考作物蒸散量（mm/d）。

1.2.3 有效降水量（Pe）

使用簡(jiǎn)化法計(jì)算有效降水量[14-15]，其計(jì)算式為：

式中：P為日降水量（mm/d）；Pe為有效降水量（mm/d）；ETc為作物需水量（mm/d）。

1.2.4 灌溉需水量（IS）

研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)的地下水埋深較大，平均達(dá)8.3 m，部分站點(diǎn)達(dá)20 m以上[16-17]，忽略地下水補(bǔ)給因素，灌溉需水量可由作物需水量減去有效降水量算出[18]，其計(jì)算見(jiàn)式（4）；而濟(jì)南地區(qū)為“泉城”，其區(qū)域內(nèi)地下水埋深較淺，地下水補(bǔ)給條件充沛。計(jì)算其灌溉量時(shí)，將泉域補(bǔ)給灌溉區(qū)的灌溉需水量簡(jiǎn)化為0，全濟(jì)南地區(qū)的灌溉需水量以式（4）計(jì)算得出后，乘以權(quán)重系數(shù)（非泉域灌溉區(qū)面積占總灌溉面積的比值），即得最終的灌溉需水量。

式中：ETc為作物需水量（mm/d）；N為生育期日數(shù)（d）；Pe為有效降水量（mm/d）；IS為灌溉需水量（mm）。

1.3 M-K突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)可以用來(lái)判斷序列中是否存在氣候的突變，并且可以確定其突變的時(shí)間，即突變年份[19]。假定Xn為一時(shí)間序列數(shù)據(jù)（X1，X2，…，Xn），其不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立、隨機(jī)的樣本數(shù)據(jù)；假設(shè)Hi是雙邊檢驗(yàn)，對(duì)于任意的k，j≤n，且k≠j，Xi和Xj的分布是不相同的，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S計(jì)算式[20]：

其中，

S服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，方差Vαr(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)ngt;10時(shí)，通過(guò)式（7）計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z值：

對(duì)于統(tǒng)計(jì)量Z，當(dāng)Zgt;0時(shí)表示當(dāng)前時(shí)間序列呈增加趨勢(shì)；Zlt;0時(shí)表示當(dāng)前時(shí)間序列呈減少趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)量|Z|≥1.28、|Z|≥1.64、|Z|≥2.32時(shí)，表示當(dāng)前時(shí)間序列分別通過(guò)了置信度為90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)還可以用于時(shí)間序列的突變節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，通過(guò)構(gòu)造秩序列：

其中：

定義統(tǒng)計(jì)變量：

式中：E(Sk)=k(k-1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72；UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，對(duì)于給定顯著性水平α，若｜UFk｜＞Uα/2則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化，將時(shí)間序列x按逆序排列，再按照式（10）計(jì)算，同時(shí)使：

對(duì)于統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk進(jìn)行進(jìn)一步分析時(shí)間序列的變化趨勢(shì)以及其突變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。若UFkgt;0，則表明序列呈增加趨勢(shì)；UFklt;0則表示呈減少趨勢(shì)；當(dāng)其達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，表示當(dāng)前時(shí)間序列具有顯著性的變化趨勢(shì)。如果UFk和UBk的序列統(tǒng)計(jì)曲線存在交點(diǎn)，并且交點(diǎn)位于設(shè)定閾值的范圍之內(nèi)時(shí)，那么此時(shí)交點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間即對(duì)應(yīng)時(shí)間序列突變時(shí)間點(diǎn)[21]。

1.4 空間插值法

基于相似性原理，反距離加權(quán)插值法(IDW)以插值點(diǎn)同樣本點(diǎn)之間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均。采樣點(diǎn)離插值點(diǎn)越近，分配給它的權(quán)重就越大[22]。采用反距離加權(quán)法對(duì)魯西北灌區(qū)冬小麥需水量進(jìn)行插值，得到魯西北灌區(qū)冬小麥需水量的空間分布圖。

1.5 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取魯西北地區(qū)5個(gè)代表氣象站點(diǎn)1961—2015年的逐日氣象資料，所使用的氣象數(shù)據(jù)均由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供。收集的氣象資料包括：2 m處風(fēng)速、日照時(shí)間、日降雨量、相對(duì)濕度、最低氣溫、平均氣溫和最高氣溫等。

冬小麥生育期的劃分依據(jù)國(guó)家氣象局編制的《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》[23]進(jìn)行，冬小麥作物系數(shù)基于《北方地區(qū)主要作物灌溉用水定額》[24]確定，共劃定5個(gè)生育期，播種期（1013—1215）內(nèi)作物系數(shù)Kc為0.60；越冬期（1216—0226）內(nèi)作物系數(shù)Kc為0.40；返青期（0227—0411）內(nèi)作物系數(shù)Kc為1.17；成熟期（0610）作物系數(shù)Kc為0.40。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉需水量的計(jì)算

利用式（1）—式（4），得出魯西北地區(qū)惠民、朝城、濟(jì)南3個(gè)氣象站點(diǎn)1986—2015年冬小麥年際灌溉需水量。由于德州、羊角溝站部分年份數(shù)據(jù)存在連續(xù)缺測(cè)，因此選取德州站點(diǎn)1986—2000年、羊角溝站點(diǎn)1986—2008年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1、表1所示。在選取的年份時(shí)段內(nèi)，德州地區(qū)冬小麥年際灌溉需水量在313～355 mm之間，平均值為336 mm，灌溉需水量最大的年份為1997年，最小的年份為1991年；惠民地區(qū)冬小麥年際灌溉需水量在315～378 mm之間，平均值為339 mm，灌溉需?水量最大的年份為2011年，最小的年份為1997年；羊角溝地區(qū)冬小麥年際灌溉需水量在324～390 mm之間，平均值為345 mm，灌溉需水量最大的年份為2007年，最小的年份為1999年；朝城地區(qū)冬小麥年際灌溉需水量在277～319 mm之間，平均值為303 mm，灌溉需水量最大的年份為1993年，最小的年份為2011年；濟(jì)南地區(qū)冬小麥年際灌溉需水量在356～387 mm之間，平均值為371 mm，灌溉需水量最大的年份為2001年，最小的年份為1997年；魯西北地區(qū)多年平均灌溉需水量最小地區(qū)為朝城，多年平均灌溉需水量最大地區(qū)為濟(jì)南。結(jié)合魯西北地區(qū)各氣象站的地理分布可以得出，中部多年平均灌溉需水量最大，東北部多年平均灌溉需水量適中，西南部多年平均灌溉需水量最小。

圖1 灌溉需水量年際變化Fig.1 Annual variation of irrigation water demand

表1 冬小麥多年平均灌溉需水量Table 1 Perennial average irrigation water requirement of winter wheat mm

2.2 灌溉需水量的時(shí)間變化規(guī)律研究

2.2.1 灌溉需水量的年際變化規(guī)律

使用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和線性?xún)A向估計(jì)法對(duì)各氣象站點(diǎn)的年際灌溉需水量進(jìn)行突變檢驗(yàn)和趨勢(shì)變化分析，最終得出魯西北灌溉區(qū)各氣象站點(diǎn)的冬小麥灌溉需水量的年際變化趨勢(shì)情況。5個(gè)站點(diǎn)灌溉需水量M-K檢驗(yàn)如圖2所示，各站點(diǎn)年際灌溉需水量線性?xún)A向估計(jì)值如表2所示。由圖2（a）可知，德州地區(qū)冬小麥年灌溉需水量變化趨勢(shì)在1994、1996年發(fā)生2次突變，結(jié)合線性?xún)A向估計(jì)可知，德州地區(qū)1986—1994年為上升趨勢(shì)，1994—1996年內(nèi)為下降趨勢(shì)，1996年后又轉(zhuǎn)為上升趨勢(shì)，根據(jù)顯著性檢驗(yàn)知全時(shí)間序列為不顯著變化；由圖2（b）可知，惠民地區(qū)2011年是唯一突變年，結(jié)合線性?xún)A向估計(jì)可知，1986—2011年為下降趨勢(shì)，其中1996—1998年趨勢(shì)變化顯著，2011年發(fā)生突變后2011—2014年轉(zhuǎn)為不顯著上升趨勢(shì)；由圖2（c）可知，羊角溝地區(qū)全序列顯著性檢驗(yàn)均未能通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，因此全序列變化趨勢(shì)不顯著，而存在2005年為突變年份，結(jié)合線性?xún)A向估計(jì)可知，1986—2005年為不顯著下降趨勢(shì)，2005—2008年趨勢(shì)變?yōu)轱@著性上升趨勢(shì)；由圖2（d）可知，朝城站點(diǎn)灌溉需水量的M-K檢驗(yàn)圖中UFk與UBk曲線交點(diǎn)較多，不易進(jìn)行判別，因此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：2005年為突變年份，1986—2005年為上升趨勢(shì)，其中1989—1998年內(nèi)變化趨勢(shì)顯著，2005年發(fā)生突變后，2005—2014年趨勢(shì)變?yōu)椴伙@著下降趨勢(shì)；由圖2（e）得出，濟(jì)南地區(qū)1986—2014年內(nèi)灌溉需水量時(shí)間變化趨勢(shì)均未發(fā)生突變，全序列為不顯著上升趨勢(shì)。

表2 各站點(diǎn)年際灌溉需水量線性?xún)A向估計(jì)Table 2 Annual linear trend estimation of irrigation water demand for each site

注*表示通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)。

圖2 各站點(diǎn)年際灌溉需水量M-K檢驗(yàn)Fig.2 Mann-Kendall test of inter-annual irrigation water requirement of each station

2.2.2 灌溉需水量的月際變化規(guī)律

將魯西北地區(qū)5個(gè)氣象點(diǎn)的冬小麥生育期內(nèi)多年平均月灌溉需水量進(jìn)行計(jì)算，詳情見(jiàn)圖3所示，各氣象站點(diǎn)生育期內(nèi)冬小麥多年平均灌溉需水量各月百分比如表3所示?？傮w上看，魯西北地區(qū)冬小麥在生育期內(nèi)灌溉需水量月際分布并不均勻，表現(xiàn)為從10月開(kāi)始到次年6月結(jié)束，各站點(diǎn)灌溉水量的變化趨勢(shì)基本類(lèi)似：先小幅度增加后減少，再大幅度增加和大幅度減少。具體各個(gè)站點(diǎn)情況見(jiàn)表3，德州地區(qū)冬小麥灌溉需水量最大的時(shí)期為拔節(jié)期，灌溉需水量模比系數(shù)為0.40，灌溉需水量最小的時(shí)期為越冬期，灌溉需水量模比系數(shù)為0.10；惠民地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)灌溉需水量最大的時(shí)期為拔節(jié)期，模比系數(shù)為0.44，最小時(shí)期為越冬期，模比系數(shù)為0.08；羊角溝地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)灌溉需水量最大的時(shí)期為拔節(jié)期，模比系數(shù)為0.41，最小時(shí)期為成熟期，模比系數(shù)為0.07；朝城地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)灌溉需水量最大的時(shí)期為拔節(jié)期，模比系數(shù)為0.41，最小時(shí)期為越冬期，模比系數(shù)為0.08；濟(jì)南地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)灌溉需水量最大的時(shí)期為拔節(jié)期，模比系數(shù)為0.39，最小時(shí)期為成熟期，模比系數(shù)為0.08。

對(duì)比5個(gè)氣象站點(diǎn)的灌溉需水量月際變化規(guī)律，并分析其原因：前半年的小幅度變化是因?yàn)榇藭r(shí)處于冬小麥的越冬時(shí)期，冬小麥停止生長(zhǎng)，需水量和灌溉量都很??；3月，魯西北地區(qū)氣溫回升，冬小麥度過(guò)越冬期進(jìn)入返青期，開(kāi)始正常生長(zhǎng)，因此作物需水量增大，灌溉需水量也開(kāi)始大幅度上升；4、5月時(shí)，冬小麥的生長(zhǎng)進(jìn)入拔節(jié)期，此時(shí)大量需要水分，是冬小麥作物需水量最大的時(shí)期，并且伴隨氣溫持續(xù)升高，蒸騰作用增大，因此該時(shí)期的灌溉用水量達(dá)到峰值，6月10日前后，魯西北地區(qū)冬小麥已經(jīng)進(jìn)入成熟期，不再進(jìn)行灌溉，因此灌溉需水量開(kāi)始減小。

圖3 魯西北地區(qū)冬小麥灌溉需水量月際變化Fig.3 Monthly variation of irrigation water requirement of winter wheat in northwest Shandong province

表3 各站點(diǎn)各生育期月灌溉需水量及模比系數(shù)Table 3 Irrigation water requirement and modulus ratio coefficient of each station in each growth period

2.3 灌溉需水量的空間變化規(guī)律研究

由于站點(diǎn)的經(jīng)緯度、降雨、地形地貌、氣象、水文等條件不同，因此冬小麥的灌溉需水量在空間分布上也存在一定差異。使用ArcGIS運(yùn)用反距離權(quán)重插值法對(duì)魯西北地區(qū)不同氣象站點(diǎn)的冬小麥多年平均灌溉需水量進(jìn)行空間插值，最終繪制出魯西北地區(qū)冬小麥灌溉需水量空間分布圖。如圖4所示，魯西北地區(qū)冬小麥灌溉需水量成帶環(huán)狀分布，朝城地區(qū)多年平均灌溉需水量最小，在303～318 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，處于第一級(jí)；其次為德州、惠民、羊角溝地區(qū)，多年平均灌溉需水量在318～334 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，處于第二級(jí)；濟(jì)南地區(qū)的多年平均灌溉需水量最大，其數(shù)值波動(dòng)范圍為356～371 mm，處于第五級(jí)。總體灌溉需水量呈“南多北少，西多東少”，“由西南至東北逐漸遞增”的分布規(guī)律。

圖4 魯西北地區(qū)冬小麥多年平均灌溉需水量空間分布Fig.4 Spatial distribution of perennial average irrigation water requirement of winter wheat in northwest Shandong

以4個(gè)主要生育期為研究尺度，對(duì)冬小麥不同生育期的灌溉需水量進(jìn)行反距離權(quán)重插值，并繪制各生育期內(nèi)灌溉水量空間分布圖5。由圖5得知，各生育期內(nèi)冬小麥灌溉需水量空間分布有所差異。播種期內(nèi)，朝城地區(qū)冬小麥的灌溉需水量最小，在35～40 mm上下波動(dòng)，處于第一等級(jí)，羊角溝地區(qū)冬小麥播種期灌溉需水量為40～44 mm，處于第二等級(jí)，惠民地區(qū)灌溉需水量則在43～45 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，位于第三等級(jí)，德州地區(qū)灌溉需水量則在45～48 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，位于第四等級(jí)，濟(jì)南地區(qū)灌溉需水量最大，范圍為48～51 mm，位于第五等級(jí)；越冬期內(nèi)，惠民、朝城地區(qū)的灌溉需水量較小，為26～30 mm，處于第一等級(jí)，羊角溝地區(qū)灌溉需水量位于第三等級(jí)，為32～34 mm，德州地區(qū)灌溉需水量位于第四等級(jí)，為34～37 mm，濟(jì)南地區(qū)灌溉需水量最大，位于第五等級(jí)，范圍為37～40 mm；返青期內(nèi)，位于第一等級(jí)的地區(qū)為德州和朝城地區(qū)，其灌溉需水量較小，為88～94 mm，惠民地區(qū)次之，灌溉需水量為94～96 mm，位于第二等級(jí)，羊角溝地區(qū)灌溉需水量則在98～102 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，位于第四等級(jí)，濟(jì)南地區(qū)最大，為102～106 mm，位于第五等級(jí)；拔節(jié)期內(nèi)，朝城地區(qū)灌溉需水量位于第一等級(jí)，為124～128 mm，德州地區(qū)灌溉需水量為133～137 mm，位于第三等級(jí)，羊角溝、惠民、濟(jì)南地區(qū)灌溉需水量為141～148 mm，處于第五等級(jí)；成熟期內(nèi)，朝城、羊角溝地區(qū)灌溉需水量較小，為24～27 mm，位于第一等級(jí)，濟(jì)南地區(qū)為28～29 mm，位于第四等級(jí)，德州和惠民地區(qū)灌溉需水量最大，范圍為29～31 mm，處于第五等級(jí)。

對(duì)比5個(gè)氣象站在不同生育期內(nèi)灌溉需水量空間分布情況發(fā)現(xiàn)：返青期與拔節(jié)期的魯西北冬小麥灌?溉需水量空間分布規(guī)律變化較明顯，結(jié)合站點(diǎn)的多年氣象數(shù)據(jù)得知，返青期與拔節(jié)期正處春季，此時(shí)的灌溉需水量最大，受不同年份冬季溫、濕度的影響，不同站點(diǎn)在春季的起始雨熱條件也不同，若遇旱冬，返青期田間起始濕度較低，加之降水不足，在春季的冬小麥灌溉量則會(huì)增加。因此推測(cè)造成不同生育期內(nèi)灌溉需水量空間分布規(guī)律不同的主要因素為各站點(diǎn)春冬季節(jié)的溫濕雨熱條件不同。

圖5 各生育期冬小麥灌溉需水量空間分布Fig.5 Spatial distribution of irrigation water requirement of winter wheat at different growth stages

2.4 灌溉需水量的影響因素研究

對(duì)魯西北地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)逐年灌溉需水量與對(duì)應(yīng)生育期內(nèi)站點(diǎn)的年平均風(fēng)速、年降水量、年日照時(shí)間、年相對(duì)濕度、年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。冬小麥灌溉需水量與各個(gè)氣象因素相關(guān)系數(shù)和顯著性見(jiàn)表4。

通過(guò)計(jì)算可知，各站點(diǎn)灌溉需水量與各氣象因素的相關(guān)性存在差異。其大小關(guān)系為：德州：相對(duì)濕度＞日照時(shí)間＞風(fēng)速＞降雨量＞最高溫度＞最低溫度＞平均溫度；惠民：相對(duì)濕度＞日照時(shí)間＞平均溫度＞風(fēng)速＞降雨量＞最低溫度＞最高溫度；羊角溝：相對(duì)濕度＞日照時(shí)間＞風(fēng)速＞降雨量＞最高溫度＞最低溫度＞平均溫度；朝城：相對(duì)濕度＞日照時(shí)間＞風(fēng)速＞最低溫度＞降雨量＞平均溫度＞最高溫度；濟(jì)南：相對(duì)濕度＞日照時(shí)間＞降雨量＞風(fēng)速＞最低溫度＞最高溫度＞平均溫度。綜合來(lái)看，影響灌溉需水量的主要?dú)庀笠蛩貫槿照諘r(shí)間和相對(duì)濕度，其中相對(duì)濕度和冬小麥灌溉需水量呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即相對(duì)濕度越大，灌溉需水量越小，而日照時(shí)間與冬小麥灌溉需水量呈較強(qiáng)正相關(guān)，即日照時(shí)間越長(zhǎng)，冬小麥的灌溉需水量越大。

表4 冬小麥灌溉需水量與各氣象因素的相關(guān)系數(shù)和顯著性Table 4 Correlation coefficient and significance between irrigation water requirement of winter wheat and meteorological factors

注*表示通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)；**表示通過(guò)α=0.01顯著性檢驗(yàn)。

3 討 論

本文得出的魯西北地區(qū)平均冬小麥作物需水量（517 mm）基本符合劉鈺等[25]華北區(qū)冬小麥生育期內(nèi)作物需水量的合理區(qū)間400～500 mm，本文計(jì)算出的魯西北地區(qū)平均灌溉需水量為339 mm，符合其給出的華北地區(qū)凈灌溉需水量范圍150～350 mm；再與任鴻瑞等[26]在魯西北的冬小麥耗水量試驗(yàn)結(jié)果比較，其得到魯西北地區(qū)冬小麥10 a內(nèi)平均耗水量為450 mm，降水占比35%，推得灌溉量為292 mm。綜合以上文獻(xiàn)的相似與差異分析得出：①有效降水量的大小與所選取的計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度有關(guān)，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)選取旬為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度。為保障結(jié)果精度，本文采用逐日數(shù)據(jù)計(jì)算，因此所得灌溉需水量較大。②由于時(shí)間局限性，任鴻瑞等[26]在魯西北研究區(qū)做耗水試驗(yàn)時(shí)，選取了1994—2002年時(shí)段長(zhǎng)度，以禹城實(shí)驗(yàn)站為測(cè)量點(diǎn)測(cè)得魯西北冬小麥的耗水量，本文選取研究區(qū)內(nèi)5個(gè)站點(diǎn)近30 a的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行推算灌溉蓄水量，因此結(jié)果在精度與代表性上有所不同。

本文對(duì)魯西北地區(qū)冬小麥的灌溉需水量進(jìn)行時(shí)空規(guī)律研究中，指出冬小麥灌溉需水量呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)的結(jié)論與劉曉英等[27]在華北地區(qū)的研究結(jié)果一致。不同的是，在時(shí)間尺度上，本文利用M-K突變檢驗(yàn)確定其突變點(diǎn)，再以突變點(diǎn)為分段點(diǎn)，對(duì)一致性不同的時(shí)間序列進(jìn)行了線性?xún)A向估計(jì)，得出各站點(diǎn)冬小麥趨勢(shì)不同的年際變化規(guī)律及趨勢(shì)顯著程度，同時(shí)也得出生育期月尺度下灌溉需水量存在變化：灌溉所需水資源無(wú)法長(zhǎng)期滿(mǎn)足灌溉要求時(shí)，最先應(yīng)確保冬小麥的拔節(jié)期的水量。在10—11月，山東冬小麥開(kāi)始進(jìn)入播種期，灌溉需水量維持在40 mm即可。12—2月，冬小麥進(jìn)入越冬期，自身對(duì)生長(zhǎng)所需水量要求很低，基本上不需要進(jìn)行灌溉。3—5月，冬小麥灌溉需水量變化趨勢(shì)為快速上升，所以灌溉量也應(yīng)及時(shí)跟隨加大，增加到135 mm。到6月夏季中旬，魯西北地區(qū)的冬小麥進(jìn)入收獲階段，基本上不需要灌溉；在空間尺度下，本文得出冬小麥的灌溉需水量呈“西南多、東北少，由西南至東北逐漸遞增”的分布規(guī)律，從朝城、德州，到惠民、羊角溝，再到濟(jì)南，灌溉水量逐漸增多，再將研究尺度調(diào)整至各生育期內(nèi)灌溉量的空間分布規(guī)律，本文發(fā)現(xiàn)在不同生育期內(nèi)，魯西北地區(qū)各站點(diǎn)灌溉需水量的空間變化趨勢(shì)也存在差異。

本文認(rèn)為在日照時(shí)間、風(fēng)速、相對(duì)濕度、最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降雨量這7個(gè)氣象因素中，影響?hù)斘鞅钡貐^(qū)冬小麥灌溉需水量的最顯著因素為日照時(shí)間和相對(duì)濕度，相對(duì)濕度越大，冬小麥的灌溉需水量越?。蝗照諘r(shí)間越長(zhǎng)，冬小麥的灌溉需水量越大。結(jié)論與馬婉棣[28]的結(jié)果一致。另外，魯西北地區(qū)各個(gè)灌溉分區(qū)內(nèi)各個(gè)氣象因素的影響率排名也存在一定差異。具體原因?yàn)椴煌喔确謪^(qū)的經(jīng)緯度及海拔高程的不同造成了雨熱條件不同，從而不同程度地影響了灌溉需水量。

4 結(jié) 論

1）魯西北地區(qū)冬小麥灌溉需水量逐年上升，西南區(qū)域高于東北區(qū)域。

2）播種、返青期和拔節(jié)期內(nèi)降水無(wú)法滿(mǎn)足魯西北地區(qū)冬小麥的需水要求，不同生育期內(nèi)灌溉需水量空間分布存在差異，農(nóng)業(yè)水資源配置時(shí)可作以參考。

3）溫濕條件是魯西北冬小麥灌溉需水量的主要影響因素，日照時(shí)間與灌溉需水量呈較強(qiáng)正相關(guān)；相對(duì)濕度與灌溉需水量呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)。

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Spatiotemporal Variation in Crop Demand for Irrigation Water and Its Determinants: Take Northwest Shandong Province as an Example

ZHENG Runqiao,FEI Liangjun*,JIE Feilong,LIU Lihua,LIU Nian,YAN Siyu
(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

【Objective】Agricultural production in most regions in northern China relies on irrigation.Understanding spatiotemporal variation of the demand of different crops for water is critical to improving agricultural management.Taking the northwest Shandong province as an example,this paper studies the change in its demand for irrigation.【Method】We took winter wheat as the model plant,and calculated its water demand based on the Penman-Monteith formula.Spatiotemporal variation in the water demand was analyzed using the Mann-Kendall mutation test,the inverse distance weighting and the interpolation method.The factors that affect the water demand was calculated using the Pearson correlation analysis method.【Result】①Annual average irrigation water demand of the winter wheat is 339 mm,but has been increasing.②Spatially,distribution of irrigation water demand is ring-shaped across the studied region,with the shape of the rings varying with growth season.③The relative humidity and sunshine duration are the factors that affect the irrigation water most,with the former negatively correlated while the latter positively correlated with the irrigation water demand,both at significant level.【Conclusion】The irrigation water demand of winter wheat in northwest Shandong province has been increasing.Spatially,it increases from the northeast to the southwest.Precipitation cannot meet the demand of the wheat during its seeding,returning green and elongation stages.Topping up the soil water by irrigation is hence required.

irrigation water requirement; spatiotemporal variation; influencing factors

S274.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021453

1672-3317（2022）04-0084-09

OSID：

鄭潤(rùn)橋,費(fèi)良軍,介飛龍,等.區(qū)域灌溉需水量時(shí)空變化特征及其影響因素研究：以魯西北地區(qū)為例[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2022,41(4): 84-92.

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2021-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52079105）；陜西省水利科技項(xiàng)目（2020SLKJ-19）

鄭潤(rùn)橋（1997-），男。碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水資源研究。E-mail: zhengrunqiao@163.com

費(fèi)良軍（1963-），男。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論和水資源利用研究。E-mail: feiliangjun2008@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳