華北冬小麥降水虧缺變化特征及氣候影響因素分析

劉 勤，梅旭榮，嚴(yán)昌榮，* ，居 煇，楊建瑩

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081;2.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，北京 100081;3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京 100081)

糧食安全是當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)注的焦點，尤其是近年來國內(nèi)外糧食供需矛盾越來越突出。隨著糧食主產(chǎn)區(qū)持續(xù)向缺水和生態(tài)脆弱的北方地區(qū)轉(zhuǎn)移，水土資源不相匹配、水資源匱乏對糧食生產(chǎn)的影響更加凸顯［1］。在水資源方面，我國降水呈現(xiàn)總量少、年際分布不均勻且在全球氣候變化的影響下變化愈加復(fù)雜等特性。據(jù)統(tǒng)計，1956—2005年降水總量81%分布在長江流域及以南地區(qū)，而60%以上的耕地卻集中于北方地區(qū)，且以400 mm等雨量線以東地區(qū)為主。隨著我國糧食主產(chǎn)區(qū)逐漸向中部和北部轉(zhuǎn)移，單位耕地面積上水資源的占有量還將進(jìn)一步減少，可見，水資源不足和水土資源不相匹配成為影響我國糧食安全的主要因素。與此同時，農(nóng)業(yè)灌溉水量銳減，用水效率低，進(jìn)一步影響了我國的糧食產(chǎn)量。據(jù)統(tǒng)計，我國2/3的糧食產(chǎn)量來自于占總耕地面積1/2的灌溉面積上［2］，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)劃和實際灌溉管理中，常常通過加大灌溉力度滿足農(nóng)田用水的需求，而土壤水卻在無效消耗。據(jù)相關(guān)分析，整個華北地區(qū)降水量的55%以上轉(zhuǎn)化為土壤水資源［3］，黃淮海大部分地區(qū)的冬小麥全生育期需水量的50%—70%，夏玉米全生育期需水量的80%以上可由土壤水提供［4］，因此，研究區(qū)域尺度上降水量和作物需水量的匹配情況，摸清作物降水虧缺值變化規(guī)律，對因地制宜地采取綜合節(jié)水措施，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，緩解水資源供需矛盾具有重要意義。

隨著氣候變化的加劇，農(nóng)業(yè)水資源對氣候變化尤其是全球變暖的響應(yīng)問題，包括水循環(huán)、水量時空分布、降水極端事件與洪澇災(zāi)害等的改變逐漸受到關(guān)注［5］。作物降水虧缺是引起作物減產(chǎn)的重要原因［6］，弄清作物需水量及其空間分布，是確定作物灌溉制度以及地區(qū)灌溉用水量的基礎(chǔ)［7］。在土壤水分充分的情況下，氣象因素是影響作物需水量的主要因素［8］，同時，農(nóng)業(yè)技術(shù)措施也會對作物需水產(chǎn)生影響。多年來，對作物需水量的研究主要集中在田間或點的水平，主要采用經(jīng)驗公式法、水量平衡法［9-11］和微氣象學(xué)法［12］等，并取得了較大進(jìn)展。以能量平衡原理為基礎(chǔ)的Penman公式法，只需利用常規(guī)氣象資料便可較為準(zhǔn)確地計算出參考作物的需水量，該法已成為計算參考作物需水量的一種主要方法［13-14］。我國在作物需水量的研究方面做了大量工作［15-17］，此外，有關(guān)作物系數(shù)的研究工作開展的也比較廣泛，全國許多地方都對當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物的作物系數(shù)進(jìn)行了測定，積累了比較豐富的資料。但關(guān)于區(qū)域尺度作物降水虧缺研究還相對較少，大多局限在區(qū)域全年內(nèi)水分變化或者作物全生育期內(nèi)降水盈虧方面，針對具體作物和具體生育階段降水虧缺的研究還很少見。楊建瑩［18］比較研究了1971—1980年和21世紀(jì)近10年兩個時期華北地區(qū)氣候資源及冬小麥生育期的變化，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)北部年均氣溫及≥10℃積溫增加顯著，但降水減少，暖干趨勢明顯，中部和南部年均氣溫和≥10℃積溫也呈現(xiàn)增加趨勢，但降水增多，日照下降，出現(xiàn)暖濕趨勢;冬小麥生育期也發(fā)生了不同程度的變化，播期普遍推遲7—10 d，拔節(jié)期提前，其中北部地區(qū)幅度較大，約5—10 d，大部分地區(qū)冬小麥成熟期推遲5—10 d。本文旨在基于華北地區(qū)兩個不同時間階段氣象數(shù)據(jù)和冬小麥生育期資料，研究冬小麥各生育階段內(nèi)降水量與需水量匹配情況，探討氣候變化對冬小麥各生育階段降水虧缺的影響，為及早建立預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，合理利用農(nóng)業(yè)水資源、緩解水資源供需矛盾提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文采用國家“十一五”科技支撐計劃“農(nóng)田水分生產(chǎn)潛力適度開發(fā)研究”項目對華北地區(qū)的劃分方法。華北地區(qū)主要指長城沿線以南，淮河、秦嶺和白龍江以北，黃土高原以東，汾渭河以東地區(qū)，包括北京、天津、山西、河北、山東、河南、江蘇、安徽等省(市)的全部或部分，共計587個縣市(圖1)，位于110°12'—122°43'E，31°2'—42°42'N。據(jù)統(tǒng)計，該區(qū)耕地面積約2.44×107hm2，其中水田面積占3%，水澆地面積占54%，旱地面積占43%。年降水量在500—800 mm，季節(jié)分布不均，作物熟制以一年兩熟或兩年三熟為主，是中國小麥、玉米、棉花和花生等優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品的主產(chǎn)區(qū)。

圖1 華北區(qū)主要氣象站點分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northern China

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的氣象資料來源于國家氣象局。從華北地區(qū)及周邊篩選出107個具有1971—2009年完整觀測序列的氣象站點作為分析對象(華北地區(qū)內(nèi)72個氣象站點和華北地區(qū)周邊35個氣象站點)。20世紀(jì)70年代冬小麥生育期數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)［19］，21世紀(jì)近10年冬小麥生育期數(shù)據(jù)來源于對華北地區(qū)各縣市的冬小麥生育期調(diào)研資料。冬小麥各生育期階段的作物系數(shù)來源于文獻(xiàn)［15］。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith 方程

計算參考作物蒸散量的Penman-Monteith公式如下［20］

式中，ET0為參考作物蒸散量(mm/d);Rn為作物表面凈輻射量(MJ·m－2·d－1);G為土壤熱通量(MJ·m－2·d－1);γ為濕度計常數(shù)(kPa/℃);T為空氣平均溫度(℃);U2為在地面以上2m高處的風(fēng)速(m/s);es為空氣飽和水汽壓(kPa);Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率(kPa/℃);ea為空氣實際水壓(kPa)。

1.3.2 小麥生育期內(nèi)降水虧缺計算方法［16］

式中，Wi為生育期第i階段水分盈虧量(mm);Pei為第i階段有效降水量(mm);ETci為第i階段冬小麥需水量。

式中，ETci是第i階段冬小麥需水量(mm);kci是第i階段冬小麥的作物系數(shù)，ET0i是第i階段參考作物蒸散量(mm)。

有效降水量是根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法，其有效性已在許多學(xué)者的研究中予以證明［21-22］。

1.3.3 敏感度分析模型

為了研究作物生育期內(nèi)降水虧缺量變化對降水量、平均溫度、日照時數(shù)、相對濕度和風(fēng)速5個基本氣象要素的變化的響應(yīng)，構(gòu)建了降水虧缺量對這5個基本要素的敏感度評價模型:

式中，Wt、Wt+1分別為基期(20世紀(jì)70年代)和末期(21世紀(jì)近10年)的降水虧缺量(mm)，xt、xt+1分別為相應(yīng)的5個基本氣象要素的值;若β＜0表明降水虧缺量對基本氣象要素變化呈反向敏感，β的絕對值越大，反向敏感性越強;若β＞0，說明降水虧缺量與基本氣象要素同向變化，β值越大，降水虧缺量對基本氣候要素變化的正向敏感性越高，即氣候要素的較小波動會引起降水虧缺量的較大變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥全生育期降水虧缺變化

為了探討2個時間階段(20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)近10年)冬小麥生育期內(nèi)降水虧缺變化情況，明確華北地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)水分供需平衡變化特征，本文近10年華北地區(qū)冬小麥全生育期降水虧缺量減去70年代冬小麥全生育期降水虧缺量的差值，對其空間變化特征進(jìn)行了研究。由圖2可見，70年代相比，近10年來華北大部分地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)降水虧缺愈加嚴(yán)重，研究結(jié)果與陳玉民［15］、王文峰［23］研究結(jié)論基本一致。河北省南部保定、石家莊地區(qū)，河南省鄭州以及山東省濟南地區(qū)冬小麥全生育期內(nèi)降水虧缺加重程度明顯。河南省鄭州以及山東省濟南地區(qū)70年代冬小麥全生育期內(nèi)降水虧缺量在200—300 mm，近10年來降水虧缺量增至300—350 mm，變化程度在75 mm以上。河北省唐山、秦皇島地區(qū)，山西省北部地區(qū)以及山東省膠東半島地區(qū)冬小麥全生育期內(nèi)降水虧缺程度有所緩和。70年代，這部分地區(qū)冬小麥全生育期內(nèi)降水虧缺量在300—350 mm，近10年來該地區(qū)冬小麥全生育期內(nèi)降水虧缺量下降至200—300 mm，變化幅度在50 mm以上。

圖2 冬小麥生育期內(nèi)降水虧缺變化空間分布圖Fig.2 Variation of water mismatch in whole growth stage of winter wheat

2.2 冬小麥各生育期階段降水虧缺變化

圖3 冬小麥各生育階段降水虧缺變化空間分布圖Fig.3 Variation of water mismatch of winter wheat during different periods

近10年，華北地區(qū)冬小麥播種期—返青期內(nèi)降水虧缺程度自江蘇省徐州—河南許昌一線以北都有所增加(圖3)。河北省中部及南部、山東省西北部以及山西與河南兩省的交界處冬小麥播種期—返青期內(nèi)降水虧缺變化在20 mm以上，其中以河北石家莊、衡水和山東濟南地區(qū)冬小麥播種期—返青期內(nèi)干旱程度加重，變化幅度在40 mm以上，是華北地區(qū)冬小麥播種期—返青期內(nèi)降水虧缺變化最為劇烈的地區(qū)，這部分地區(qū)需要灌溉來滿足冬小麥對水分的需求。大部分地區(qū)冬小麥返青期—拔節(jié)期內(nèi)降水虧缺程度有所緩解，只在華北中部地區(qū)有所加重(圖3)。河北省南部邯鄲、衡水地區(qū)，河南省東北部及山東省西部地區(qū)冬小麥拔節(jié)期—抽穗期內(nèi)干旱程度加劇(圖3)，增加幅度可達(dá)20 mm以上。冬小麥拔節(jié)期—抽穗期內(nèi)降水虧缺程度加重，華北北部的北京市、天津市、河北省及華北中部的山東省、河南省等省市冬小麥降水虧缺加重，降水虧缺增加量在20 mm以上，另外，70年代，江蘇省北部及安徽省北部冬小麥拔節(jié)期—抽穗期表現(xiàn)為水分盈余，而近10年來這部分地區(qū)出現(xiàn)干旱，虧缺量在20 mm以上，需要灌溉來滿足冬小麥對水分的需求。華北南部的安徽省安慶地區(qū)和江蘇省泰州地區(qū)近10年雖然也表現(xiàn)為水分盈余，但相比盈余量減少。華北中部地區(qū)冬小麥抽穗期—成熟期內(nèi)降水虧缺有所緩解，西南部地區(qū)冬小麥抽穗期—成熟期內(nèi)干旱加劇(圖3)。近10年來，北京市、天津市、河北省東部和南部、山西省、河南省北部及山東省北部冬小麥抽穗期—成熟期內(nèi)降水虧缺得到緩解，幅度可達(dá)20 mm。河南省南部及安徽省阜陽、淮南地區(qū)冬小麥抽穗期—成熟期內(nèi)干旱加重，幅度在20 mm以上。河南省南部及安徽省南部冬小麥抽穗期—成熟期內(nèi)水分盈余面積減少，且水分盈余量減少20 mm以上。冬小麥抽穗-成熟階段是生殖生長時期，是決定千粒質(zhì)量的關(guān)鍵期，在這個時段內(nèi)，河南省南部及安徽省阜陽、淮南地區(qū)水分虧缺較重，生產(chǎn)中應(yīng)密切關(guān)注土壤墑情，做到適時灌溉，才能獲得高產(chǎn)。

2.3 冬小麥生育期內(nèi)降水虧缺量對影響因素的敏感性特征

為了查明冬小麥生育期內(nèi)降水虧缺變化原因，本文以冬小麥拔節(jié)—抽穗期為例，拔節(jié)—抽穗期是冬小麥生殖生長主階段，利用構(gòu)建的敏感度分析模型，分別對華北平原內(nèi)的72個站點70年代和近10年冬小麥降水虧缺量對降水、平均溫度、日照時數(shù)、相對濕度以及風(fēng)速的敏感性進(jìn)行了分析計算(圖4)。

降水虧缺量對降水具有正向敏感性的氣象站點為53個，其中高度正向敏感(β＞0.9)的站點為18個，中度(0.3＜β＜0.9)13個，低度(0＜β＜0.3)22個，具有較高敏感性的站點主要分布在河北省的秦皇島、承德和張家口地區(qū)，河南省的鄭州、平頂山和駐馬店地區(qū)，以及安徽省的北部地區(qū)，而敏感性呈負(fù)向負(fù)向敏感的站點(β＜0)為19個，主要分布在山東省和主要分布在山東省以及山西省、河北省、和山西省、河南省交界地區(qū)(圖4)。降水虧缺量對平均溫度具有正向敏感性的氣象站點也為53個，其中高度敏感的站點18個，中度23個，低度12個，具有較高敏感性較高的站點主要分布在河北省的秦皇島、承德、張家口和衡水地區(qū)，河南省的的鄭州、平頂山和駐馬店地區(qū)，以及安徽省的北部地區(qū)，而敏感性呈負(fù)向負(fù)向敏感的站點有19個，主要分布在山東省以及山西省、河北省和河南省交界地區(qū)主要分布在山東省和河北省南部地區(qū)(圖4)。降水虧缺量對日照時數(shù)正向敏感性的氣象站點為54個，其中高度敏感的站點30個，中度16個，低度8個，具有較高敏感性較高的站點主要分布在河北省的秦皇島、承德、張家口、唐山和保定地區(qū)，安徽省的北部地區(qū)，而具有負(fù)向敏感的站點有18個，主要分布在河北省的邢臺和邯鄲地區(qū)和山東省和河北省的邢臺和邯鄲地區(qū)(圖4)。降水虧缺量對相對濕度具有正向敏感性呈正向的氣象站點為53個，其中高度敏感的站點17個，中度22個，低度14個，具有較高敏感性的站點主要分布在安徽省的北部地區(qū)和河南省中北部地區(qū)和安徽省的北部地區(qū)，而負(fù)向敏感性呈負(fù)向的站點有19個，主要分布在中部地區(qū)。主要分布在中部地區(qū)(圖4)。對風(fēng)速具有正向敏感性的氣象站點為50個，其中高度敏感的站點22個，中度15個，低度13個，敏感性較高的站點主要分布在河北省的秦皇島、承德和張家口，天津市以及安徽省的北部地區(qū)，負(fù)向敏感的站點有22個，主要分布在中南部地區(qū)(圖4)。

3 結(jié)論與討論

(1)70年代與近10年華北地區(qū)全生育期內(nèi)降水虧缺空間分布的總趨勢均表現(xiàn)為:由南向北降水虧缺程度逐減加重，4個不同生育階段北部地區(qū)降水虧缺嚴(yán)重，南部地區(qū)降水虧缺相對緩和的趨勢。近10年，冬小麥生育期內(nèi)降水虧缺面積較70年代略有增加。與70年代相比，近10年來華北大部分地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)降水虧缺愈加嚴(yán)重。河北省南部保定、石家莊地區(qū)，河南省鄭州以及山東省濟南地區(qū)冬小麥全生育期內(nèi)降水虧缺加重程度明顯。

(2)近10年，華北地區(qū)冬小麥播種期—返青期內(nèi)降水虧缺程度自江蘇省徐州—河南省許昌一線往北都有所加重，返青期—拔節(jié)期內(nèi)降水虧缺程度有所緩解，只在華北中部地區(qū)有所加重，拔節(jié)期—抽穗期內(nèi)虧缺程度加重，只在華北西部山西中部太原地區(qū)水分略有盈余，抽穗期—成熟期內(nèi)降水虧缺有所緩解，西南部地區(qū)冬小麥抽穗期—成熟期內(nèi)干旱加劇，冬小麥抽穗-成熟階段生殖生長時期，是決定千粒質(zhì)量的關(guān)鍵期，在這個時段內(nèi)，生產(chǎn)中應(yīng)密切關(guān)注土壤墑情，做到適時灌溉，才能獲得高產(chǎn)。

圖4 冬小麥拔節(jié)—抽穗期降水虧缺量對影響因素的敏感性格局Fig.4 Sensitivity of water deficit changes to precipitation，mean air temperature，sunshine hours，relative humidity and wind speed during jointing stage and heading stage of winter wheat

(3)冬小麥拔節(jié)期—抽穗期降水虧缺量對日照時數(shù)高度正向敏感站點最多，主要分布在河北省北部地區(qū)和南部安徽省，華北地區(qū)近48年太陽輻射量減弱［24］，日照時數(shù)減少，降水虧缺程度加重，其次是風(fēng)速，降水盈虧量對溫度和降水的高度正向敏感站點最少。

華北區(qū)降水量南高北低，而且大部分地區(qū)呈現(xiàn)降低的趨勢［25］，而冬小麥需水量卻呈現(xiàn)北高南低的特點［15］。本文基于歷史氣象資料比較研究了華北區(qū)兩個時間段冬小麥全生育期和各生育期階段降水虧缺格局變化特征，將為華北區(qū)冬小麥調(diào)整合理灌溉時期和灌溉定額，達(dá)到合理灌溉提供理論指導(dǎo)。另外，在計算冬小麥生育期內(nèi)需水量時，為了選取一套完整的冬小麥作物系數(shù)值，筆者經(jīng)過思考對比，最終選用《中國主要農(nóng)作物需水量等值線圖研究》［15］一書中的冬小麥作物系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)，此值基本能夠反映冬小麥不同生育階段對水分的需求特征。但是，此套數(shù)據(jù)是基于20世紀(jì)90年代初期的試驗計算得到，至今已經(jīng)有近20年的時間，是否能夠準(zhǔn)確的表征當(dāng)前作物品種和氣候條件下作物需水特征有待進(jìn)一步研究。

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