Impact of climate variation from 1965 to 2016 on cotton water
requirements in North China Plain
1965-2016年气候变化对华北平原棉花需水量的影响
气候变化直接影响作物蒸散量和灌溉需求。作物蒸散的时空变化对灌溉进度规划和水资源管理至关重要。利用华北平原43个站点52 年的气象数据，研究了棉花的蒸散量(ETc)和灌溉需求(Iwr)的趋势和空间分布，揭示了气候变化对棉花ETc变化的影响。
【材料与方法】
（1）数据获取：从中国气象数据共享服务系统(http://www.nmic.cn/)获取了43个标准气象站1965年至2016年（52年)的日气象数据，包括日平均气温（T）、最高气温（Tmax）最低气温（Tmin）、日照时数（n）、2m处风速（u）和相对湿度（RH）等。土壤参数来自国家土壤调查数据库，包括土壤类型、土壤质地、凋萎系数、土壤容重、饱和含水量等。
图1华北平原棉花种植分区（国家棉花区2）和代表性气象站
图2 华北平原1965-2016年期间的月均温度和降水
（2）计算公式
①需水量
②参考作物蒸散量
③降雨蒸散指数
（3）空间分析
使用 ArcGIS（10.2）中的反向距离加权(IDW)插值来插值ETc和lwr的空间分布。
（4）评价指标
方差分析(ANOVA)确定平均值之间差异的统计意义，然后在5%概率水平上使用最小显着性差异(LSD)检验进行事后比较。
【结果】
（1）华北平原近52年棉花需水量的时间变化
图3 华北平原棉花生长季节ETc、Re和lwr 的年变化(ETc：作物蒸散量；Re作物生长季节有效降雨；Lwr：灌溉需水量)
表1 1965-2016年华北平原棉花生长季节的Re、Lwr、 ETc平均值的变化
华北平原棉花年蒸散量在1965-2016年显著下降。在1965-2016 年期间，棉花生长季节（有效降雨量) 略有下降，平均值为451毫米，每十年的下降率各不相同。
表 2 1965-2016年华北平原棉花生长季节各种植区每十年Re、Lwr、 ETc平均值的变化
（2）华北平原近52年棉花需水量的空间变化
比较了近 52 年各分区棉花生长季节ETc、Re 和Iwr值的平均值。过去52年棉花平均ETc值在7个子区间有明显差异。最高ETc发生在子区2.6，值为593mm，最低值为545mm。
总的来说，棉花ETc的空间格局在过去52年中表现出明显的变化。较高的ETc值在1965-1975年从南部地区转移到 1976-1985 年的东北地区，然后在2006-2016年转移到华北平原的西部。此外，ETc较高的区域从1965-1975年到2006-2016年，数值变小，数值从1965-1975年的613-629毫米下降到2006-2016年的555-564毫米。
图4 过去 50 年棉花生长季节平均ETc的空间分布(a.1965-1975；b.1976-1985；c.1986-1995；d.1996-2005；e.2006-2016)
图5 过去 50 年棉花生长季节平均Iwr的空间分布(a.1965-1975；b.1976-1985；c.1986-1995；d.1996-2005；e.2006-2016)
表3 华北平原不同分区，1965-2016年棉花生长季节的平均ETc、Re 和Iwr的空间变化
（3）有效降雨与棉花需水量的降雨-作物相容性指标
将该地区各棉花生长阶段进行细分，棉花在播种期和苗期的降雨作物相容性指数均小于后期，分别为 0.47 和 0.53。这是因为棉花种植季节前期降雨较少：4月底至6月初。这一早期生长阶段的降雨相容性率仅为50%左右。棉花在开花成铃阶段的作物相容性指数最大，值为 0.8，因为这一时期是从7月中旬到8月底降雨峰值。芽期（6月中旬至7月中旬)和开铃期(8月底至10月中旬)雨作物相容性指标分别为0.65 和 0.62。
表4 华北平原分区各棉花生长阶段近52年平均降雨耦合度
（4） 1965-2016年日平均气象因子的时空变化
表5 华北平原近52年平均日气象因子的年代际变化
表6 华北平原不同分区1965-2016年各气象因子平均值
（5） ETc与各气象因子的相关性分析
太阳辐射（或其接近当量，日照时数）、风速和降水与棉花ETc的线性相关性最强，0.410~0.789、0.361~0.676和-0.215~0.410之间(显着性 P<0.01)。相对湿度、露点温度和日均温度与ET c的相关性较弱。棉花ETc的下降趋势与太阳辐射、日照时数和风速的降低是一致的。除气候外，作物需水量还与不同地区的作物生理、农艺措施、地形和海拔有关。
表7 华北平原各分区棉花生长季节ETc和日气象因子间的相关系数
正值表示上升趋势，负值表示下降趋势。*和**分别在0.05和0.01水平上显著。
图6 华北平原1965-2016年期间年气象因子趋势(a.日太阳辐射；b.日照时数；c.日均气温；d.日平均降水量；e.日相对湿度；f.露点温度)
【结论】
棉花（ETc）在生长季节呈现出显著的下降趋势，从1965-1975年606毫米下降至551毫米。棉花生长季节的年有效降雨量(Re)和（Iwr）在52年期间没有表现出一致性，平均分别为451毫米（441-466毫米）和122 毫米(105-145）毫米。棉花ETc的75%由降雨供应，25%由灌溉用水供应。这比冬小麦好得多，因为冬小麦的 60%必须由灌溉供应。空间最大棉 ETc的位置在过去的五十年中发生了变化。从1965年到1975年，最大ETc值出现在南部，然后从1976年到1985年转移到东北部。在1986年至2005年期间，最大ETc发生在中部地区，并于2006-2016年转移到西部地区。在过去的50年里，太阳辐射、日照时数和风速显著下降，导致ETc以-1.1mm/a的速率显著下降。本研究对华北平原未来棉花灌溉调度所需水量具有指导作用。
Reference
Xiaolin Yang, Xinnan Jin, Qingquan Chu, et al. Impact of climate variation from 1965 to 2016 on cotton water requirements in North China Plain. 2021, 243