河北省典型區(qū)主要作物有效降雨量和需水量特征

曹永強(qiáng),朱明明,李維佳

遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 大連 116029

全球氣候變化不僅影響大氣降水的時(shí)空變化特征,而且對(duì)作物需水量及作物生長(zhǎng)都將產(chǎn)生巨大的影響[1]。作物需水量是指作物生長(zhǎng)期間在適宜的土壤水分條件下的棵間蒸發(fā)量與葉面蒸騰量的總和,是作物本身生物學(xué)特性與環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果。它既是作物栽培管理與灌溉制度的依據(jù),也是農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。明確作物有效降雨量和需水量等水資源指標(biāo)的變化特征,對(duì)合理利用降水資源、提高農(nóng)業(yè)水資源利用率等都具有現(xiàn)實(shí)意義。河北省是農(nóng)業(yè)大省,也是我國(guó)農(nóng)業(yè)取用水量較大的地區(qū)之一,在水資源相對(duì)短缺的形勢(shì)下,節(jié)水問(wèn)題受到高度重視[2]。當(dāng)前,河北省降水分布不均,農(nóng)業(yè)灌溉用水量遠(yuǎn)高于其他行業(yè)用水。全年供水總量為用水總量的77.27%,農(nóng)業(yè)用水占總用水量的72.4%。此外,由于供水量不能滿足農(nóng)業(yè)用水總量的需求,因此河北省農(nóng)業(yè)灌溉取水源多來(lái)自地下水,據(jù)統(tǒng)計(jì),河北省地下水年超采量高達(dá)50億m3,超采率高達(dá)23%[3]。長(zhǎng)期超采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉,不僅對(duì)區(qū)域內(nèi)水資源及水環(huán)境的安全造成了嚴(yán)重的破壞[4- 6],也造成了地面下沉、裂縫和坍塌的危險(xiǎn),對(duì)人類生命安全造成極大地威脅。在水資源有限的形勢(shì)下,合理分配和利用農(nóng)業(yè)灌溉水量十分必要。

近年來(lái),關(guān)于有效降雨量與作物生長(zhǎng)需水量受到廣泛關(guān)注。邵東國(guó)等[7]運(yùn)用時(shí)間序列法建立區(qū)域作物需水量長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型,并應(yīng)用此模型對(duì)南水北調(diào)中線工程進(jìn)行了很好的預(yù)測(cè)；李勇等[8]利用聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的方法對(duì)1961—2007年長(zhǎng)江中下游地區(qū)需水量及有效降雨量進(jìn)行計(jì)算,分別對(duì)不同地區(qū)單季稻和雙季稻的灌溉需水量及其水分利用效率進(jìn)行了分析,該方法同時(shí)也在寧夏、津京冀、四川等地灌區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[9- 11]；叢振濤等[12]利用SRA1B情景對(duì)我國(guó)3種主要作物需水量進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果較為準(zhǔn)確并得到廣泛認(rèn)可。李春強(qiáng)等[13]利用FAO推薦的作物需水量計(jì)算方法對(duì)1965—1999年河北省冬小麥、夏玉米以及春玉米的作物需水量和缺水量變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,但研究的時(shí)間序列較短且缺少對(duì)近15年的研究分析。本文選取河北省雞澤縣作為典型區(qū)域,選取區(qū)域內(nèi)種植面積較大且種植結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的冬小麥、夏玉米、棉花為3種主要作物類型,采用聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的彭曼公式和作物系數(shù)法對(duì)有效降雨量及需水量等進(jìn)行計(jì)算分析,最后通過(guò)M-K法,對(duì)1956—2015年雞澤縣主要灌區(qū)的3種主要作物的有效降雨量及作物需水量在不同水文年份的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,以期為河北省其他各市、縣作物合理灌溉提供參考,從而實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置及高效利用。

1 研究區(qū)概況、研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

本文以河北省邯鄲市雞澤縣為典型區(qū)域。雞澤縣位于河北省南端,邯鄲城區(qū)東北部。地理坐標(biāo)介于36°45′—36°58′N,114°43′—114°58′E之間?？h境南北最長(zhǎng)24.00 km,東西最寬20.40 km,國(guó)土總面積337.00 km2。全縣多年平均蒸發(fā)量為1088.00 mm,年內(nèi)7—8月為濕潤(rùn)期,9月至次年6月為干旱期[14]。多年平均降水量為497.90 mm,降水量70%—80%集中在汛期的6—9月份,降水量時(shí)空分布不均,年際變化懸殊是其主要特征。雞澤縣是典型的平原農(nóng)業(yè)縣,全縣的耕地面積為2.62萬(wàn)hm2,主要作物類型包括小麥、玉米、棉花、蔬菜等[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 計(jì)算方法

(1)作物需水量計(jì)算

經(jīng)國(guó)內(nèi)外大量分析研究表明,在近20多種參考蒸散量計(jì)算作物需水量的多種計(jì)算方法中,彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式的計(jì)算結(jié)果在不同條件下都與實(shí)測(cè)值非常接近,精度較高[16]。因此,本文采用Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單,并廣泛應(yīng)用于實(shí)際作物需水量的計(jì)算與預(yù)報(bào)[15]。經(jīng)過(guò)多年改進(jìn),FAO- 56推薦使用的公式為：

(1)

式中：ET0為逐日作物蒸散量(mm)；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率值(Kpa/℃)；Rn為作物表面的凈輻射量(MJ/m2)；γ是濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；T為日平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa/℃)。

聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)作物需水量專家咨詢組認(rèn)為,在充分供水條件下,通常把某一時(shí)段作物蒸散量和作物系數(shù)的乘積作為該作物某一時(shí)段作物需水量[17]。公式如下：

ETC=KC×ET0

(2)

式中,ET0為逐日作物蒸散量(mm)；KC為作物系數(shù)；ETC為逐日作物需水量(mm)。

(2)有效降雨量計(jì)算

有效降雨量特指旱作種植條件下,用于滿足作物蒸散需要的那部分降雨量,它不包括地表徑流和滲漏至作物根區(qū)以下的部分,同時(shí)也不包括淋洗鹽分所需要的降水深層滲漏部分[3]。本文選取FAO推薦的降水量與需水量值的大小比較來(lái)確定有效降雨量,公式如下：

(3)

(4)

其中,Pei為日有效降雨量(mm)；P為日降雨量(mm)；Pe作物生育期內(nèi)的有效降雨量(mm)；n為生育期按旬分組的數(shù)量。

(3)缺水量計(jì)算

作物缺水量又叫灌溉需水量,是指在全生育期內(nèi)各個(gè)生育階段同期需水量和有效降雨量的差值,公式為：

W=ETC-Pe

(5)

若W>0,表示作物缺水,需補(bǔ)充灌溉；若W=0,表示水分供需平衡；若W<0,表示作物不缺水。

(4)水分盈虧指數(shù)計(jì)算

作物水分盈虧指數(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)計(jì)算可得作物水分供需關(guān)系,同時(shí)可以反映作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求狀況。

(6)

式中,I為水分盈虧指數(shù)。當(dāng)I>0時(shí),作物供水量>需水量；當(dāng)I=0時(shí),供水量=需水量；當(dāng)I<0時(shí),作物供水量<需水量。

1.2.2 研究方法

(1)曼-肯德?tīng)?M-K)法

曼-肯德?tīng)柗ㄊ且环N非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。該方法借助Matlab軟件的程序編寫對(duì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到UF與UK兩條曲線,并用于檢驗(yàn)序列的變化趨勢(shì)。若UF或UK的值大于0,則表示序列呈上升趨勢(shì),小于0則表示序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)UF與UK兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)時(shí),且交點(diǎn)在臨界值之間則表示該時(shí)刻為突變開(kāi)始時(shí)刻[18]。本文選定顯著水平為α=0.05,則對(duì)應(yīng)的臨界值為±1.96。

(2)分段單值平均系數(shù)法

分段單值平均作物系數(shù)法是一種無(wú)需大量數(shù)據(jù)下的一種較為簡(jiǎn)單的計(jì)算作物系數(shù)的方法,可廣泛應(yīng)用于作物生育期需水量的計(jì)算、灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)以及灌溉管理等方面。該方法是根據(jù)各階段葉面蒸騰和土面蒸發(fā)的變化規(guī)律,用一個(gè)時(shí)段平均值表示該階段的作物系數(shù)[19]。但該方法要求時(shí)段大,且未充分考慮土壤的影響。具體計(jì)算公式此處不再贅述,詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[19]。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取時(shí)間序列較長(zhǎng)、結(jié)果較為準(zhǔn)確的雞澤縣雨量站1956—2015年逐日降雨量的觀測(cè)數(shù)據(jù),所用氣象資料均由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)提供,包括日最高氣溫、日最低氣溫、平均溫度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度和平均氣壓等。氣象數(shù)據(jù)在發(fā)布前已經(jīng)過(guò)時(shí)間一致性和極值檢驗(yàn),質(zhì)量可靠。

作物生育期數(shù)據(jù)來(lái)源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站,對(duì)3種主要作物(冬小麥、夏玉米、棉花)發(fā)育期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后取多年平均值,結(jié)果如表1所示。其中,夏玉米和棉花的作物系數(shù)變化主要分為初始生長(zhǎng)期(S1)、快速發(fā)育期(S4)、生育中期(S5)和成熟期(S6)四個(gè)階段,由于冬小麥具越冬特性,因此還有凍融期(S2)及越冬期(S3)共6個(gè)階段。

表1 三種主要作物生育日期表

*符號(hào)“/”表示該作物不具有此生育期,因此無(wú)數(shù)據(jù)

2 結(jié)果分析

2.1 作物需水量分析

根據(jù)雞澤縣氣象站近60 a逐日氣象數(shù)據(jù),結(jié)合公式(1)得到1956—2015年雞澤縣蒸散量,具體變化情況如圖1所示。

如圖1,近60 a雞澤縣年蒸散量整體呈顯著下降趨勢(shì),蒸散量的傾向率為-32.6 mm/10 a,年際間平均蒸散量為1166.9 mm。1964年雞澤縣年蒸散量最低,年蒸散量?jī)H為1031.6 mm,低于年際平均值的11.6%。峰值出現(xiàn)在1968年,年蒸散量為1447.0 mm,與年際平均蒸散量相比高出280.2 mm。1965年以后年際之間變化波動(dòng)不一,整體上呈現(xiàn)增減交替出現(xiàn),但總體呈下降趨勢(shì)并通過(guò)了P<0.001的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 1956—2015年雞澤縣蒸散發(fā)量變化趨勢(shì)圖Fig.1 Change trend of evaporation in Jize county during 1956—2015

作物系數(shù)受作物種類、生育期、葉面積指數(shù)、地域等因素影響,不同環(huán)境下作物系數(shù)有所差別。作物系數(shù)反映的是作物本身的生物學(xué)特性對(duì)作物需水量的影響[20- 21]。本文根據(jù)分段單值平均作物系數(shù)法,結(jié)合表1中作物發(fā)育期情況,得到3種主要作物在不同生育期的作物系數(shù)。3種主要作物不同生育期作物系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同生育期作物系數(shù)變化趨勢(shì)圖Fig.2 Variation trend of crop coefficient at different growth stages初始生長(zhǎng)期(S1)、凍融期(S2)及越冬期(S3)快速發(fā)育期(S4)、生育中期(S5)和成熟期(S6)

如圖2不同生育期,冬小麥值KC在[0.4,1.17]區(qū)間內(nèi)變化,夏玉米KC在[0.55,1.14]區(qū)間內(nèi)變化,4個(gè)時(shí)期內(nèi)棉花KC在[0.28,1.15]區(qū)間內(nèi)變化。根據(jù)作物需水量的計(jì)算公式(2),得到近60 a雞澤縣不同作物在不同時(shí)期的作物需水量,如圖3所示。

圖3 近60 a不同生育期作物需水量變化情況Fig.3 Changes of crop water requirement at different growth stages in recent 60 years

整體來(lái)看,近60 a不同生育期的冬小麥、夏玉米及棉花平均作物需水量分別為83.4、114.2、136.6 mm,且各生育期之間需水量不同,棉花需水量差異最大。初始生長(zhǎng)期,各作物間作物需水量有所差異,夏玉米的需水量最大。僅冬小麥存在凍融期及越冬期,且作物需水量較小?？焖侔l(fā)育期棉花需水量達(dá)到最大值,是平均需水量的166.8%,冬小麥需水量是上一時(shí)期的257.8%,夏玉米的需水量相較于初始生長(zhǎng)期需水量減少44.7%。在生育中期,冬小麥的需水量達(dá)到最大值。成熟期3種作物需水量波動(dòng)最大,需水量迅速減少。

結(jié)合公式(1)和(2)對(duì)3種主要作物在近60 a作物需水量進(jìn)行計(jì)算。具體變化情況如圖4所示。

近60 a來(lái),雞澤縣3種作物需水量年際變化如圖4所示。整體來(lái)看,3種作物需水量均呈顯著性減少的趨勢(shì)變化。冬小麥需水量整體呈顯著性減少趨勢(shì)變化,變化傾向率為-16.4 mm/10 a,多年平均需水量為500.5 mm；1956—1976年呈不顯著增加趨勢(shì)；1977—1987年呈不顯著減少趨勢(shì),且1985年出現(xiàn)1個(gè)突變點(diǎn)；1988年以后冬小麥需水量呈顯著性減少趨勢(shì)變化。夏玉米需水量整體呈顯著性減少趨勢(shì)變化,變化傾向率為-13.3 mm/10 a,多年平均需水量為456.8 mm；1956—1958年呈不顯著增加趨勢(shì)；1959—1986年呈不顯著減少趨勢(shì)；至1988年出現(xiàn)1個(gè)突變點(diǎn),1989年以后均呈顯著性減少趨勢(shì)。棉花需水量整體呈顯著減少趨勢(shì)變化,變化傾向率為-28.7 mm/10 a,多年平均需水量為575.7 mm；1956—1977年呈不顯著減少趨勢(shì),且年際間變化幅度較?。?978—2015年呈顯著性減少的趨勢(shì)變化。

將本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[11]李春強(qiáng)等對(duì)河北省近35年同一作物需水量變化趨勢(shì)分析的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,本文計(jì)算結(jié)果略大,這是因?yàn)楸疚臄?shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)篩檢較為嚴(yán)苛,且典型區(qū)域的選擇不同,加上本文研究時(shí)間序列更為完整,因此準(zhǔn)確度更高,計(jì)算結(jié)果有所差異,但作物需水量的變化趨勢(shì)基本一致。

圖4 近60 a雞澤縣3種主要作物需水量變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend of water requirement of three main crops in Jize County in recent 60 years

2.2 作物有效降雨量分析

如圖5所示,不同生育期內(nèi)冬小麥、夏玉米及棉花平均有效降雨量分別為13.6、55.6、70.1 mm,作物在生育中期有效降雨量最高,初始生長(zhǎng)期和成熟期有效降雨量較小。初始生長(zhǎng)期,各作物有效降雨量較小。僅冬小麥具有凍融期及越冬期,且有效降雨量較小?？焖侔l(fā)育期冬小麥和棉花有效降雨量是分別是平均有效降雨量的141.2%和84.0%,夏玉米有效降雨量相較于初始生長(zhǎng)期上升了74.6%。生育中期,各作物有效降雨量達(dá)到最大值。成熟期有效降雨量迅速減少。

圖5 近60 a不同生育期有效降雨量變化情況Fig.5 Changes of effective precipitation at different growth stages in recent 60 years

根據(jù)對(duì)3種主要作物需水量和作物系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,結(jié)合公式(3)和(4),得到雞澤縣3種主要作物近60 a的有效降雨量變化趨勢(shì),如圖6所示。

圖6 近60 a雞澤縣3種主要作物的有效降雨量變化趨勢(shì)圖Fig.6 Trend of effective precipitation of three main crops in Jize County in recent 60 years

近60 a雞澤縣3種作物的有效降雨量變化情況如圖6所示,從年際波動(dòng)情況來(lái)看,3種作物均呈不顯著減少趨勢(shì)變化,變化較為一致,且均在19世紀(jì)50—70年代發(fā)生突變現(xiàn)象。其中,冬小麥有效降雨量變化傾向率為-2.2 mm/10 a,多年平均有效降雨量為80.8 mm；1956—1973年呈增減交替趨勢(shì)變化；1974年以后呈不顯著減少趨勢(shì)變化,1978年有效降雨量最小,為29.7 mm；近60 a共出現(xiàn)5次突變現(xiàn)象,均發(fā)生在1967年之前。夏玉米有效降雨量變化傾向率為-6.3 mm/10 a,多年平均有效降雨量為222.5 mm；1956—1977年呈不顯著增減交替趨勢(shì)；1978—1996年呈不顯著減少趨勢(shì),1992年有效降雨量最小僅為110.6 mm；1997年以后呈顯著減少趨勢(shì)；此外,1971年出現(xiàn)突變現(xiàn)象。棉花的有效降雨量變化傾向率為-6.4 mm/10 a,平均有效降雨量為280.5 mm；1956—1965年呈不顯著增減交替趨勢(shì)；1966年以后呈不顯著減少趨勢(shì)變化,1978年最低僅為146.9 mm；近60 a共出現(xiàn)6次突變現(xiàn)象。

2.3 作物缺水量分析

圖7為河北省主要作物近60 a不同生育期內(nèi)作物缺水量變化情況。不同生育期內(nèi)冬小麥、夏玉米及棉花平均缺水量分別為69.7、58.6、66.5 mm。初始生長(zhǎng)期夏玉米缺水量達(dá)到不同生育期最大值,冬小麥和棉花的缺水量小于平均值；凍融期及越冬期的冬小麥缺水量隨需水量較低而有所減少；快速發(fā)育期棉花的缺水量達(dá)到最大值,夏玉米的缺水量達(dá)到最小值；生育中期冬小麥的缺水量達(dá)到最大值,棉花缺水量較上一時(shí)期下降了85.0%,夏玉米有所上升；成熟期冬小麥和棉花的缺水量迅速下降,而夏玉米缺水量?jī)H比上一時(shí)期下降2.4 mm。在需水量和有效降雨量的共同作用下,不同生育期間缺水量變化情況與需水量及有效降雨量有所差異。

圖7 近60 a不同生育期缺水量變化情況Fig.7 Changes of Water deficit at different growth stages in recent 60 years

根據(jù)公式(5)對(duì)近60 a雞澤縣缺水量進(jìn)行計(jì)算,并繪制缺水量變化趨勢(shì)圖。

由圖8,在需水量遠(yuǎn)超于有效降雨量的情況下,3種作物缺水量均大于0,說(shuō)明雞澤縣在近60 a都處在水資源入不敷出的狀態(tài),加上作物本身及外在因素的共同作用,年際間各個(gè)作物變化趨勢(shì)差異較大。冬小麥缺水量整體呈顯著性減少趨勢(shì)變化,變化傾向率為-13.2 mm/10 a,多年平均缺水量為418.9 mm；1956—1985年基本上呈不顯著性增加趨勢(shì)；1986—1998年呈不顯著減少趨勢(shì)變化,且在1995年出現(xiàn)1個(gè)突變點(diǎn)；1999年以后呈顯著性減少的趨勢(shì)變化。夏玉米缺水量整體呈不顯著減少的趨勢(shì)變化,變化傾向率為-7.0 mm/10 a,多年平均缺水量為234.3 mm；1956—2006年呈不顯著增減交替趨勢(shì),且在2003年及2004年出現(xiàn)突變現(xiàn)象；2006年以后呈不顯著減少的趨勢(shì)。棉花缺水量整體呈顯著性減少的趨勢(shì)變化,變化傾向率為-22.3 mm/10 a,多年平均缺水量為295.2 mm；1956—1974年呈不顯著增加趨勢(shì)；1975—1987年呈不顯著減少趨勢(shì)變化；1988年以后棉花缺水量減少趨勢(shì),并通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn),到2015年棉花缺水量為200.0 mm。本文計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[11]李春強(qiáng)等對(duì)河北省近35年農(nóng)作物缺水量變化趨勢(shì)分析結(jié)果的基本一致。

圖8 近60 a雞澤縣3種主要作物的缺水量變化趨勢(shì)圖Fig.8 Trend of water deficit of three main crops in Jize County in recent 60 years

2.4 作物水分盈虧指數(shù)分析

水分盈虧指數(shù)不僅考慮了降水和作物蒸散量?jī)身?xiàng)因子,也反映了實(shí)際供水情況與最大水分需要量的平衡關(guān)系,可以較好地表征農(nóng)田濕潤(rùn)度和作物旱澇情況。因此,根據(jù)公式(6),對(duì)河北省雞澤縣近60 a 3種作物全生育期內(nèi)的水分盈虧指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析,結(jié)果如圖9所示。

圖9 近60 a雞澤縣3種主要作物的水分盈虧指數(shù)變化趨勢(shì)圖Fig.9 Trend of moisture loss index of three main crops in Jize County in recent 60 years

整體上看,雞澤縣近60 a一直處于水資源嚴(yán)重短缺的狀態(tài)中,3種作物的水分盈虧指數(shù)變化趨勢(shì)基本相似。冬小麥、夏玉米和棉花的平均水分盈虧指數(shù)分別為-83.6%、-51.4%和-51.4%。冬小麥水分盈虧指數(shù)最大值出現(xiàn)在1963年,為-63.7%,最小值為1981年的-94.7%。與其他兩種作物相比,夏玉米水分盈虧指數(shù)較大,1992年水分盈虧指數(shù)最小,為-75.5%；2003年出現(xiàn)最大值,為-28.0%。棉花水分盈虧指數(shù)變化幅度較大最大值和最小值出現(xiàn)在1991年和1978年,分別為-30.0%和-73.7%。

3種作物的水分盈虧指數(shù)均在(-100,-20)的區(qū)間范圍內(nèi)變化,參照我國(guó)氣象干旱等級(jí)(GB/T20481—2006)及農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T32136—2015)的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種作物進(jìn)行劃分,近60 a雞澤縣冬小麥水分盈虧指數(shù)處于中旱、重旱的干旱等級(jí),夏玉米和棉花水分盈虧指數(shù)均處于輕旱、中旱的干旱等級(jí)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)作物需水量研究表明,近60年雞澤縣3種主要作物需水量均呈顯著性減少的變化趨勢(shì),不同作物多年平均需水量大小為棉花>冬小麥>夏玉米,其中冬小麥最大需水量為593.2 mm出現(xiàn)在1968年,夏玉米最大需水量為581.6 mm也出現(xiàn)在1968年,棉花需水量最大為710.4 mm出現(xiàn)在1972年。通過(guò)突變檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),需水量出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)的時(shí)期均出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,這與作物品種改良有著直接關(guān)系。作物需水量的不同與作物自身的生理特性有關(guān),從不同生育期作物需水量變化來(lái)看,冬小麥、夏玉米、棉花最大需水量出現(xiàn)時(shí)期有所不同,分別位于生育中期、初始生長(zhǎng)期和快速發(fā)育期。

2)有效降雨量研究表明,近60 a雞澤縣3種作物的有效降雨量均呈不顯著減少的變化趨勢(shì),滿足作物生長(zhǎng)所需的天然降水量逐漸減少,冬小麥、夏玉米和棉花多年平均有效降雨量順序?yàn)槊藁?夏玉米>冬小麥,其中冬小麥最大有效降雨量為170.4 mm出現(xiàn)在1963年,夏玉米最大有效降雨量為320.5 mm出現(xiàn)在1961年,棉花最大有效降雨量出為422.7 mm出現(xiàn)在1973年。由于冬小麥的生育期集中在冬春兩季,與北方降水不同期,因此有效降雨量遠(yuǎn)低于夏玉米和棉花。從不同生育期來(lái)看,3種作物的有效降雨量均在生育中期達(dá)到最大。

3)從年際間作物缺水量變化情況來(lái)看,3種作物缺水量均呈下降趨勢(shì),不同作物多年平均缺水量大小順序?yàn)槎←?棉花>夏玉米,突變點(diǎn)均出現(xiàn)在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初。從水分盈虧指數(shù)來(lái)看,年際間冬小麥水分盈虧指數(shù)在(-100,-60)范圍內(nèi)上下波動(dòng),夏玉米和棉花的水分盈虧指數(shù)均在(-80,-20)范圍內(nèi)變化。盡管冬小麥需水量和有效降雨量的最大值出現(xiàn)在同一生育期,但水分盈虧指數(shù)相對(duì)較低,導(dǎo)致干旱等級(jí)較高,因此冬小麥缺水形勢(shì)更為嚴(yán)峻。值得注意的是,3種作物缺水量的變化規(guī)律與需水量基本相似。

3.2 討論

相關(guān)研究表明，近50年來(lái),我國(guó)華北地區(qū)氣溫增幅較大,且平均增溫率超過(guò)全國(guó)的增溫率[22- 23]。氣溫升高理應(yīng)導(dǎo)致地表蒸散量增加,而雞澤縣的蒸散量呈逐年遞減趨勢(shì)變化,這是由于溫度僅是引起蒸散量變化的因素之一,日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度及降雨量等也對(duì)蒸散量起到主要影響的作用,另有研究表明人類活動(dòng)的影響也是制約蒸散量變化的重要因素之一[24]。因此,作物需水量也呈逐年遞減的趨勢(shì)變化。此外本文僅以雞澤縣為典型區(qū)域?qū)颖笔《←湣⑾挠衩缀兔藁ǖ挠行Ы涤炅亢托杷?guī)律進(jìn)行研究分析略有不足,若增加典型區(qū)域個(gè)數(shù),并且對(duì)典型區(qū)域進(jìn)行空間對(duì)比,結(jié)果將更加精確。

當(dāng)前河北省旱情較為嚴(yán)重,在自然水資源嚴(yán)重匱乏及氣候暖干化的背景下,農(nóng)作物的缺水量理應(yīng)增加。但對(duì)河北省作物缺水量的研究發(fā)現(xiàn),在有效降雨量逐年減少的條件下,作物缺水量并未增加。主要?dú)w因于近年來(lái)河北省大力超采地下水來(lái)滿足農(nóng)業(yè)需水要求[25],然而,近年來(lái)隨著地下水嚴(yán)重超采現(xiàn)象,國(guó)家相關(guān)部門和地方政府已經(jīng)采取相應(yīng)的調(diào)控措施,地下水超采已嚴(yán)重影響到作物生長(zhǎng)和水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展,故此如何在水資源得以保護(hù)的前提下,解決作物生長(zhǎng)灌溉用水問(wèn)題,提高糧食生產(chǎn)安全將是未來(lái)研究的主要方向,單純就河北省來(lái)講,南水北調(diào)中線工程修建開(kāi)通[26]作為可靠的替代水源將對(duì)受水區(qū)——河北省的糧食安全起到一定促進(jìn)作用。

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