黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米生育期內(nèi)水分供需時空變化特征

張 力 陳 阜 雷永登*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點實驗室，北京 100193)

在氣候變化背景下，氣溫和降水等與作物生長發(fā)育直接相關(guān)的氣候資源要素發(fā)生了較大的時空變異，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也因此面臨極大的風(fēng)險與挑戰(zhàn)。近百年來全球地表氣溫上升約0.85 ℃[1]，氣候變化在造成水資源短缺、干旱事件頻發(fā)等資源環(huán)境問題的同時，也對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生影響[2-4]。黃淮海地區(qū)是以“冬小麥-夏玉米”為主要種植模式的糧食主產(chǎn)區(qū)，年降水量在500～900 mm，且集中在夏季， 全年水分虧缺約400 mm[5]。冬小麥生長季內(nèi)降水稀少，水分虧缺量在200 mm左右[5]，為滿足其水分需求消耗了大量的灌溉用水，由于長期抽提地下水使得地下水位快速下降[6]，目前已經(jīng)形成約170個地下水超采區(qū)[7]。夏玉米生長季內(nèi)降水多，但往往容易面臨階段性干旱[8]，糧食生產(chǎn)同樣受到威脅。

針對該區(qū)域冬小麥和夏玉米的水分供需特征已有大量的研究報道，利用SIMETAW模型對黃淮海農(nóng)作區(qū)冬小麥需水量的時空變化特征分析表明，冬小麥生育期內(nèi)需水量呈下降趨勢[9]，杜玲等[10]以河北省吳橋縣為例，針對典型區(qū)域的冬小麥在不同生育階段的水分生態(tài)適應(yīng)性進行了研究，結(jié)果表明，冬小麥生育期內(nèi)平均氣溫上升趨勢顯著，增加0.27 ℃/10年，預(yù)測在2020和2030年生育期內(nèi)需水量將分別達到466.7和472.6 mm，并進一步解析出影響冬小麥需水量的關(guān)鍵氣象因子。研究表明，淮河流域夏玉米生育期內(nèi)的水分需求多年平均為534 mm，約93%的站點呈下降趨勢，總體下降趨勢顯著且在抽雄—乳熟階段面臨較大的干旱風(fēng)險[11]，夏玉米生育期內(nèi)降水基本能滿足水分需求，水分虧缺嚴重的年份可通過補充灌溉降低產(chǎn)量損失[12]。在單作物分析的基礎(chǔ)上，通過明確冬小麥-夏玉米的耗水規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者的水分利用效率在1960—2009年均有所提高[13]。華北地區(qū)平均降雨量為632.9 mm，其中70%集中在夏玉米生長季，冬小麥和夏玉米的蒸散分別為531.2和487.4 mm，進一步對冬小麥-夏玉米生長季內(nèi)氣溫、太陽輻射和干燥度指數(shù)等時空變化研究表明，華北地下水漏斗區(qū)降水量降低，且蒸散量高，可能會加劇這些地區(qū)地下水超采[14]。通過對作物水分供需特征的研究可以為采取合理灌溉措施提供理論支撐，減輕氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響[15-17]。之前對黃淮海區(qū)冬小麥-夏玉米的研究往往針對單個作物，僅側(cè)重時間維度的變化或側(cè)重空間維度的分布，對二者的綜合分析以及對該地區(qū)冬小麥-夏玉米水分供需特征的時空變化規(guī)律的全面分析鮮有報道。

因此，本研究在對黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米水分供需特征變化評價的基礎(chǔ)上，進一步分析1987—2016年氣溫、濕度和風(fēng)速等不同氣象因子的時空變化規(guī)律及其對作物需水量的影響差異，旨在明確影響作物需水的關(guān)鍵氣象因子及其變化特征，以期為優(yōu)化該區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源管理和減輕氣候變化帶來的不利影響提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究區(qū)域主要包括北京市、天津市、河北省中南部、河南省、山東省、安徽省和江蘇省北部地區(qū)，所使用的氣象數(shù)據(jù)為1987—2016年黃淮海地區(qū)內(nèi) 66個 國家標(biāo)準氣象站點的逐日氣象資料，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、風(fēng)速和相對濕度等。冬小麥和夏玉米生育期數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的農(nóng)作物生長發(fā)育數(shù)據(jù)集。

1.2 研究方法

本研究采用FAO推薦的Penman-Monteith公式以及分段單值平均法[18]計算冬小麥和夏玉米的需水量(ETc)，并參考相關(guān)研究的核算方式[19-21]計算作物生育期內(nèi)的有效降水(Pe)和灌溉需水量(ETaw)。

本研究采用氣象和農(nóng)業(yè)需水量等相關(guān)研究中常用的敏感性分析法[22-23]，定量分析ETc對氣溫、風(fēng)速、相對濕度等不同氣象因子的敏感性差異。針對不同指標(biāo)及氣象因子使用九點二次平滑法來表征其變化趨勢，并利用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法對九點二次平滑后的結(jié)果作顯著性檢驗[24]。

1.3 統(tǒng)計方法

本研究利用R語言進行數(shù)據(jù)處理分析；采用ArcGIS 10.5軟件空間分析工具中的反距離權(quán)重法(IDW)，對不同氣象站點ETc、ETaw、Pe的多年平均值進行插值分析；并結(jié)合ArcMap制圖平臺，得到冬小麥-夏玉米水分供需特征的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米水分供需特征年際間變化

圖1(a)～(c)可知，黃淮海地區(qū)冬小麥ETaw年際間波動較大，2010年最高為359 mm，1997年最低僅為125 mm，多年平均為264 mm。1987—2016年冬小麥的ETaw沒有明顯的增加或減少的趨勢，1987—2000年波動較大，2000年以后整體相對穩(wěn)定。冬小麥的ETc與ETaw的年際間變化特征相似，冬小麥年均ETc為417 mm，其中1987—2005年波動大，年際間極差可達95 mm；2005—2016年相對維持穩(wěn)定。冬小麥生育期內(nèi)Pe在1987—2000年波動大，之后相對穩(wěn)定，但總體表現(xiàn)出下降的趨勢。1987—2015年，冬小麥Pe為180 mm/年，1997年最多，達到2010年98 mm的3倍以上。

實線為相應(yīng)指標(biāo)實際值；虛線為經(jīng)過平滑處理的數(shù)據(jù)，可以更好地表征不同指標(biāo)的年際間變化趨勢。

圖1(d)～(f)所示，夏玉米ETaw平均為79 mm，年際間變化較大，其中1997年對灌溉水的需求量最高為169 mm。ETaw的變化可分為4個階段，第一個階段為1987—1995年，第二階段為1995—1999年，第三和第四階段分別為1999—2006年和2006—2010年。第一個階段和第四階段波動小，無明顯的增加或者減少的趨勢。ETaw在第二階段顯著增加，第三階段顯著降低。夏玉米年均ETc為326 mm，以1999年為界限，1987—1999年以前夏玉米ETc呈增加的趨勢，1999—2016年變化趨勢為降低。與ETaw和ETc不同，夏玉米生育期內(nèi)Pe表現(xiàn)出不同的變化趨勢，多年平均為385 mm，年際間波動較大。1995—1999年和1999—2006年這2個時期內(nèi)Pe分別顯著減少和增加，2006—2016年呈顯著下降趨勢。

1987—2016年冬小麥的ETaw、ETc和Pe均是前期波動，后期相對平穩(wěn)，除有效降水總體表現(xiàn)出下降的趨勢外，其余二者無明顯的變化趨勢。1999年是夏玉米水分供需的一個轉(zhuǎn)折點，1987—1999年，ETaw和ETc增加，Pe下降，之后ETaw和ETc下降，Pe先升后降。

2.2 黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米水分供需特征空間分布

圖2(a)～(c)可知，黃淮海地區(qū)冬小麥生育期ETaw空間分布表現(xiàn)出由南向北增加的特征。北京市、天津市、山東省西北部以及河北省大部分地區(qū)ETaw≥300 mm，是對灌溉水需求最高的區(qū)域。次高值區(qū)為河北省南部、河南省北部與山東省中部地區(qū)。黃淮海地區(qū)南部的ETaw較低，主要包括安徽省、江蘇省和河南省的部分地區(qū)。冬小麥的ETc總體上和ETaw有著相似的空間特征，最高在500 mm以上，僅分布在山東省、北京市、天津市和河北省的極小部分地區(qū)。冬小麥生育期內(nèi)Pe空間分布特征為西南部最高，北部最低。只有河南省的部分地區(qū)的Pe≥250 mm，河北省、北京市和天津市全境以及山東省和河南省北部的Pe均≤200 mm。

黃淮海地區(qū)夏玉米生育期ETaw的空間分布表現(xiàn)為西北部高于東南部，見圖2(d)～(f)。ETaw高值區(qū)主要分布在北京市、河北省東南部和東北部、山東省北部的部分地區(qū)，對灌溉水的需求≥100 mm。黃淮海地區(qū)東南部以江蘇省為主的地區(qū)灌溉需水量最低，≤40 mm。ETc的分布空間上主要表現(xiàn)為北高南低，但也有安徽省等少部分地區(qū)不完全符合該規(guī)律。夏玉米生育期內(nèi)Pe在黃淮海地區(qū)東南部的較高，最高達500 mm以上，其他部分地區(qū)Pe相對較少。

圖2 1987—2016年黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米生育期水分供需特征平均值空間分布

從區(qū)域來看，黃淮海地區(qū)北部大部分地區(qū)冬小麥ETc較高，Pe較少，因此ETaw遠高于其他部分地區(qū)。而黃淮地區(qū)東南部由于ETc較小，Pe相對較多，所以對灌溉水的需求量也低。黃淮海地區(qū)西南部則有著不同的特征，ETc相對較高，但Pe較多，因此該區(qū)域同樣為ETaw的低值區(qū)。對夏玉米而言，黃淮海地區(qū)東南部夏玉米ETc較小，同時Pe多，因此對灌溉水的需求也最小。

2.3 黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米水分供需特征變化趨勢

圖3(a)～(c)可知，黃淮海地區(qū)南部冬小麥ETaw的變化趨勢，以顯著增加為主，北部以顯著降低為主，其中54%的站點灌溉需水量增加，增加的站點中，顯著增加與不顯著增加各占一半。冬小麥ETc變化趨勢與ETaw相似，黃淮海地區(qū)東南部如安徽省和江蘇等省ETc顯著增加，河北省的站點以減少趨勢為主，總的來看，48%的站點作物需水量增加，39%的站點顯著增加，而顯著降低的站點所占比例為27%。冬小麥生育期內(nèi)有42%的站點Pe增加，在Pe減少的站點中，73%的站點的變化趨勢顯著。Pe顯著減少的站點主要分布在黃淮海地區(qū)東南部的安徽省和江蘇省，以及與其交界的河南省和山東省的部分地區(qū)，北部的Pe顯著增加，Pe的變化趨勢的空間分布有著相對明顯的南北差異。

圖3 1987—2016年黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米水分供需特征變化趨勢

84%的站點夏玉米生育期的ETaw減少，減少的站點中有82%變化趨勢顯著，見圖3(d)～(f)。河南省有部分站點對灌溉水的需求增加，但趨勢不顯著，僅黃淮海地區(qū)北部有站點灌溉需水量顯著增多。黃淮海地區(qū)夏玉米ETc的變化趨勢空間分布與ETaw較為一致，僅有16%的站點需水量增加，在黃淮海地區(qū)北部以及江蘇省、河南省和山東省均有分布。河北省和安徽省內(nèi)黃淮海地區(qū)的所有站點ETc減少，其余省份以ETc減少為主，超過60%的站點ETc顯著降低。黃淮海區(qū)夏玉米生育期內(nèi)Pe在黃淮海地區(qū)以增加的趨勢為主導(dǎo)，73%的站點Pe增加，其中超過50%增加趨勢顯著。顯著增加的站點主要分布在黃淮海地區(qū)南部和山東省，其余區(qū)域分布較少。僅有3個站點Pe顯著減少，在河南省和江蘇省有所分布。

2.4 黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米水分供需特征與氣象因子關(guān)系及敏感性分析

圖4(a)～(d)可知，黃淮海地區(qū)內(nèi)87%的站點相對濕度呈減少的趨勢，其中將近90%的站點相對濕度顯著下降，僅有3個站點相對濕度顯著增加。日照時數(shù)變化趨勢的空間分布，與相對濕度相同，都是以下降趨勢為主導(dǎo)，有53%的站點日照時數(shù)顯著下降，在所有地區(qū)均有分布。黃淮海地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)氣溫在多數(shù)地區(qū)都顯著增加，有57%的站點顯著增加，黃淮海地區(qū)西北部站點以不顯著變化為主。風(fēng)速的變化趨勢空間分布與氣溫相反，風(fēng)速的變化趨勢以減小為主導(dǎo)，將近85%的站點生育期內(nèi)風(fēng)速降低，僅分布在黃淮海地區(qū)北部以及江蘇省的個別站點風(fēng)速呈顯著增加的變化趨勢。

圖4(e)～(h)所示，68%的站點在夏玉米生長期內(nèi)相對濕度有所降低，75%降低趨勢顯著，主要分布在河南、安徽和江蘇三省的北部、河北省南部以及山東省，黃淮海地區(qū)西北部變化不顯著。這些站點在夏玉米生長期內(nèi)日照時數(shù)都呈減少的趨勢，超過95%的站點變化趨勢顯著，日照時數(shù)顯著減少。與日照時數(shù)的變化不同，氣溫以顯著增加為主導(dǎo)，53%的站點增加趨勢顯著，這些站點主要分布在河南省、山東省東部、安徽省和江蘇省北部以及黃淮海地區(qū)北部的區(qū)域。僅有27%的站點氣溫有所下降，零星分布在各個區(qū)域。風(fēng)速在空間上主要表現(xiàn)為減小的趨勢，并且以顯著減少為主。

表1可知，冬小麥和夏玉米的總體規(guī)律基本相同，除相對濕度對需水量的影響為負效應(yīng)外，其他氣象因子的敏感系數(shù)均為正值，對作物需水量的影響為正效應(yīng)，其中相對濕度的影響程度大，其次是氣溫，對冬小麥需水量影響程度最小的為日照時數(shù)，對夏玉米需水量影響程度最小的則是平均風(fēng)速。

3 討 論

本研究從時間和空間2個維度對黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米的水分供需特征進行綜合分析，并在此基礎(chǔ)上量化氣溫、濕度和風(fēng)速等不同氣象因子對冬小麥-夏玉米水分供需特征的不同影響和敏感性差異，初步闡明冬小麥-夏玉米水分供需特征的時空變化及關(guān)鍵氣象因子。

黃淮海地區(qū)冬小麥和夏玉米的水分供需特征不同，冬小麥生長周期內(nèi)的需水量高于夏玉米，但有效降水小于夏玉米，因此冬小麥對灌溉水的需求高于夏玉米。2000—2006年，由于有效降水的增加和需水量的相對減少，因此，夏玉米的灌溉需水量也表現(xiàn)出下降的趨勢。由于黃淮海地區(qū)東南部降水多，蒸散小，冬小麥和夏玉米在該區(qū)域內(nèi)的灌溉需水量較低。黃淮海地區(qū)南部氣象站點的冬小麥灌溉需水量增加，是需水量增加和有效降水減少共同導(dǎo)致的，需水量的增加可能是由于氣溫的增加和相對濕度減少所導(dǎo)致的。夏玉米生育期內(nèi)需水量降低，則可能是由于日照時數(shù)的下降所導(dǎo)致。

冬小麥生育期內(nèi)面臨嚴重的水分虧缺，有效降水量減小的同時氣溫不斷升高，會導(dǎo)致其對水分的需求進一步增加，從而造成嚴重的水分虧缺和干旱風(fēng)險。相關(guān)研究表明，在冬小麥拔節(jié)-抽穗和抽穗-成熟這2個生育階段的水分虧缺程度高于其他生育階段[25]，開花-成熟階段是決定冬小麥千粒重的關(guān)鍵時期[26]，因此發(fā)生在這2個階段的水分供給不足會導(dǎo)致嚴重減產(chǎn)。1961—2015年夏玉米生育期內(nèi)需水量呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，高值區(qū)主要分布在淮河流域北部，與本研究結(jié)論總體一致[11]。薛昌穎等[27]研究認為1971—2010年黃淮海地區(qū)水分虧缺最嚴重的年份是1997年，且在2000—2010年有所減輕，空間上則是由東南向西北水分虧缺程度不斷加重。

本研究通過對冬小麥-夏玉米生育期需水量的敏感性分析表明，相對濕度是最主要的影響因素，其次為氣溫，平均風(fēng)速對作物需水量的影響程度最小。除氣溫外，各個氣象因子的變化趨勢都以降低為主。已有相關(guān)研究表明，1981—2015年該地區(qū)氣溫呈逐年升高趨勢，相對濕度和平均風(fēng)速則呈現(xiàn)逐年降低的趨勢[10]。也有研究發(fā)現(xiàn)，華北平原作物的潛在蒸散量受到氣溫、日照時數(shù)和風(fēng)速的正向促進，相對濕度的增加會造成潛在蒸散的下降[28]。通過不同的研究方法，例如參數(shù)化檢驗法，表明日照時數(shù)和風(fēng)速的減少會導(dǎo)致作物需水量的降低[29]。本研究結(jié)果與楊曉琳等[9]和劉曉英等[29]結(jié)論基本一致，由于所研究的地區(qū)范圍的差異，以及研究時段和空間維度的不同也存在一定差異。

圖4 1987—2016年黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米生育期內(nèi)相關(guān)氣象因子變化趨勢

即使在冬小麥灌溉需水量的低值區(qū)，其生育期需水量和灌溉需水量都有一定的增加趨勢，因此農(nóng)業(yè)用水壓力的增加，可能會對該地區(qū)的冬小麥種植產(chǎn)生不利的影響。尤其2006—2016年，冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)有效降水均表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢，同時，對需水量影響較大的相對濕度減少和氣溫升高都將進一步加劇該地區(qū)作物生產(chǎn)對水分的需求。因此，在關(guān)注冬小麥需水的同時，還需進一步關(guān)注夏玉米的水分供需特征。1987—2016年，作物品種的更替，耕作措施和水肥管理等農(nóng)藝措施的改進，同樣會對農(nóng)田水分產(chǎn)生影響，今后還需進一步考慮相關(guān)因素，合理協(xié)調(diào)規(guī)劃該區(qū)域作物生產(chǎn)布局和種植制度，確保未來氣候變化和水資源短缺情況下黃淮海糧食主產(chǎn)區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。

表1 不同氣象因子對黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米需水量的敏感系數(shù)

4 結(jié) 論

1)1987—2016年，冬小麥生育期內(nèi)灌溉需水量高，生育期內(nèi)有效降水難以滿足其生長發(fā)育，年均灌溉需水量為264 mm，且有效降水量表現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢。黃淮海地區(qū)北部為冬小麥灌溉需水量和需水量的高值區(qū)，南部地區(qū)灌溉需水量相對較低，近年來增加趨勢顯著。

2)夏玉米生育期內(nèi)有效降水和需水的耦合度較高，年均灌溉需水量僅為79 mm，其灌溉需水量和需水量的變化特征基本一致，1995—1999年表現(xiàn)出增加的趨勢，1999—2006年，呈下降趨勢，2007—2016年有效降水不斷減少。

3)相對濕度和氣溫對作物需水量的影響最大，其次為平均風(fēng)速和日照時數(shù)，相對濕度的減少和氣溫的顯著升高都將導(dǎo)致作物需水量的增加。