河北省冬小麥、棉花全生育期缺水量時空特征分析

曹永強(qiáng), 李維佳, 朱明明

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

水資源作為不可替代和不可或缺的自然資源，為社會發(fā)展提供了極大的動力[1]。目前，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)用水結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)水資源利用量占比最大[2]，據(jù)2016年水資源公報顯示[3]，農(nóng)業(yè)用水為3 768.0億m3，占用水總量的62.4%。河北省是我國農(nóng)業(yè)大省，也是水資源嚴(yán)重短缺的地區(qū)之一，長期超采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，對區(qū)域水資源及水環(huán)境的安全造成了嚴(yán)重的破壞。冬小麥、棉花作為河北省的主要農(nóng)作物，受當(dāng)?shù)睾禎碁?zāi)害頻繁影響，而缺水量(W)與水分盈虧指數(shù)(I)可以直接反映農(nóng)作物的旱澇情況。因此科學(xué)合理地確定缺水量與水分盈虧指數(shù)變化是進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化管理、合理制定灌溉方案的重要依據(jù)。

缺水量研究概括起來主要有3類[4-5]，第1類是通過田間試驗來直接計算作物缺水量與其影響因素之間的關(guān)系[6-7]，該方法計算簡單直接，但易受觀測值測量精度影響；第2類是基于參考作物蒸散量計算實際作物需水量以及缺水量[8]，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缺水量，此法的實際運用價值和計算精度都比較高，更為可靠；第3類是通過遙感技術(shù)計算作物缺水量[9-10]，遙感技術(shù)優(yōu)勢顯著，但由于氣象及觀測角度等因素的影響，遙感數(shù)據(jù)有效與否質(zhì)疑性較大。近年來，我國學(xué)者對農(nóng)作物缺水量的問題也進(jìn)行了大量研究，其研究方法同樣可概括為3類，分別為土壤水量平衡法、微氣象學(xué)法和能量平衡法，其中較為熟知的Penman綜合法就屬于能量平衡法的一種，該方法只需利用常規(guī)氣象資料便可較為準(zhǔn)確地計算出參考作物的缺水量，已成為計算參考作物缺水量的一種主要方法。姬興杰等[11]采用美國土壤保持局推薦的方法計算出未來氣候變化對河南省冬小麥缺水量的影響，并得出缺水量的距平百分率在空間分布上具有差異、未來河南省水資源可能更趨于短缺的結(jié)論；殷志強(qiáng)等[12]運用DNDC模型和GIS數(shù)據(jù)計算東北三省主要作物缺水量，發(fā)現(xiàn)遼寧省作物缺水量最為嚴(yán)重，為562.1億m3，并且缺水情況將進(jìn)一步加劇；邱兆美等[13]通過試驗建立作物不同缺水量對作物葉面積和莖稈直徑變化的影響，判斷出不同作物缺水量所表現(xiàn)出來的生理指標(biāo)變化，總結(jié)出作物缺水量是作物生長需求的重要指標(biāo)之一。

目前，國內(nèi)外對作物缺水量以及氣候?qū)ζ溆绊懸殉蔀槿藗冴P(guān)注水資源的一個重要方面。雖然有關(guān)作物耗水、需水量的文章逐漸增多，但相關(guān)研究大部分以作物生態(tài)需水為依據(jù)建立作物需水模型，不能直接反映作物本身的生理需求，滿足不了對作物適當(dāng)?shù)乃盅a(bǔ)給。鑒于此，本文以河北省為研究區(qū)域，試探究該地區(qū)種植面積較大且種植結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的冬小麥、棉花兩種作物全生育期內(nèi)缺水量的時空規(guī)律特征。旨在為今后河北省農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以及農(nóng)業(yè)灌排等方面的研究與決策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省地處北緯36°05′—42°40′，東經(jīng)113°27′—119°50′，占地總面積18.77萬km2[14]，年均降水量503.5 mm，主要集中在夏季，多年平均氣溫為11.8℃，屬于溫帶半濕潤半干旱大陸季風(fēng)氣候，四季分明，氣候條件較好，適合多種農(nóng)作物生長[15]。近年來，河北省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)保持快速發(fā)展的態(tài)勢，糧食生產(chǎn)實現(xiàn)“十連增”[16]。其中，小麥播種面積234.27萬hm2，產(chǎn)量為1 429.9萬t；棉花播種面積41.09萬hm2，產(chǎn)量43.1萬t[17-21]，農(nóng)業(yè)的發(fā)展為河北省的社會經(jīng)濟(jì)帶來巨大效益，此外，主要農(nóng)作物產(chǎn)量的增長也增加了河北省的農(nóng)業(yè)用水量。

1.2 數(shù)據(jù)來源

由于河北省冬小麥和棉花的種植主要分布于省內(nèi)的中部和南部地區(qū)，因此，本文選取了河北省13個氣象站點的氣象數(shù)據(jù)，時間范圍為1955—2014年。具體氣象站點分布及作物種植區(qū)分布情況如圖1所示。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的逐日數(shù)據(jù)集，主要包括日照時數(shù)、平均相對濕度、平均風(fēng)速、20時—20時降水量、最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、平均氣壓等。

作物系數(shù)的數(shù)據(jù)來源于FAO編寫的《作物需水計算指南》[22]中查找標(biāo)準(zhǔn)條件下冬小麥和棉花的作物系數(shù)：

冬小麥：Kcini(Tab)=0.7(初始生長期)；Kcfro(Tab)=0.4(越冬期)；Kcmid(Tab)=1.15(生育中期)；Kcend(Tab)=0.4(成熟期)；h(冬小麥高度)=1

棉 花：Kcini(Tab)=0.35(初始生長期)；Kcmid(Tab)=1.2(生育中期)；Kcend(Tab)=0.7(成熟期)；h(棉花高度)=1.5

作物生育期數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象試驗站，對兩種主要作物(冬小麥、棉花)發(fā)育期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計后取多年平均值。其中，棉花的作物系數(shù)變化主要分為初始生長期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期4個階段，由于冬小麥具越冬特性，因此共劃分6個階段：初始生長期、凍融期、越冬期、快速發(fā)育期、生育中期、成熟期，由于北方冬小麥在冬季0～1℃時麥苗基本停止生長，因此還具有融凍期和越冬期，并且冬小麥不同生育期對水分的需求量不同，另外，冬小麥的凍融期和棉花的快速發(fā)育期作物系數(shù)值參考文獻(xiàn)[22-23]，h代表作物的生長高度。

圖1 氣象站點及作物種植區(qū)分布

1.3 研究方法

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

W=ETc-Pe

(1)

ETc=Kc×ET0

(2)

(3)

式中：ETc為作物需水量(mm)；Pe為作物生育期內(nèi)的有效降雨量(mm)；Kc為作物系數(shù)；ET0為逐日作物蒸散量(mm)，采用Penman-Monteith公式[24-25]計算；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/(m2·d)]；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kpa/℃)。

(4)

(5)

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

1.3.2 水分盈虧指數(shù)(I)計算 作物I是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測、管理等方面的重要指標(biāo)，更能反映農(nóng)作物水分盈虧和旱澇狀況，通過計算可得作物水分供需關(guān)系，同時可以反映作物生長對水分的需求狀況。I越小則說明干旱程度越嚴(yán)重，W越大，因此I與W呈負(fù)相關(guān)。

(6)

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

1.3.3 分段單值平均系數(shù)法 分段單值平均作物系數(shù)法是一種無需大量數(shù)據(jù)下的一種較為簡單的計算作物系數(shù)的方法，可廣泛應(yīng)用于作物生育期缺水量的計算、灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計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，用一個時段平均值表示該階段的作物系數(shù)[26]。但該方法要求時段大，且未充分考慮土壤的影響。具體計算公式此處不再贅述，詳見參考文獻(xiàn)[26]。該方法結(jié)合作物全生育期內(nèi)的4個階段，作物系數(shù)根據(jù)4個階段分為3個值進(jìn)行計算，4個階段的劃分為：(1) 初始生長期，從播種到作物覆蓋率約達(dá)到10%。此時期內(nèi)作物系數(shù)為Kcini。(2) 快速發(fā)育期，從覆蓋率10%到作物覆蓋率約為75%；此時期內(nèi)作物系數(shù)從Kcini提高到Kcmid。(3) 生育中期，從充分覆蓋到成熟期開始，葉片逐漸變黃。此時期內(nèi)作物系數(shù)為Kcmid。(4) 成熟期，從葉片開始逐漸到生理成熟或收獲。此時期內(nèi)作物系數(shù)從Kcmid下降到Kcend。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與圖像分析方法 普通克里金是基于GIS平臺的一種應(yīng)用較廣泛的克里金插值方法，該方法假設(shè)采樣點值不存在潛在的全局趨勢，只用局部因素就可以很好地預(yù)測未知值，相對于傳統(tǒng)插值方法精度較高[27-28]。本文利用普通克里金插值來實現(xiàn)河北省冬小麥和棉花W，I的空間變化。

曼—肯德爾法(Mann-Kendall)是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[29]。該方法借助Matlab軟件的程序編寫對序列數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到UF與UB兩條曲線，并用于檢驗序列的變化趨勢。若UF或UB的值大于0，則表示序列呈上升趨勢，小于0則表示序列呈下降趨勢。當(dāng)UF與UB兩條曲線出現(xiàn)交點時，且交點在臨界值之間則表示該時刻為突變開始時刻。本文運用曼—肯德爾法對河北省冬小麥和棉花的W及I的時間變化趨勢進(jìn)行分析，并得到了W和I在研究時段內(nèi)的突變點時刻。

小波分析法能夠同時從時域和頻域兩個方面揭示時間序列的局部特征，因此適合于研究具有多時間尺度變化特征和非平穩(wěn)特性的水文時間序列[30]，本文通過小波方差圖和小波等值線圖來判定河北省冬小麥和棉花全生育期內(nèi)W及I的變化周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省冬小麥缺水量時空變化特征

2.1.1 時間規(guī)律特征分析 河北省冬小麥W年際趨勢變化如圖2所示。整體以-3.74 mm/(d·10 a)的速率呈下降趨勢，年際間差異較小，平均為594.26 mm。圖2繪出的UF曲線，若UF或者UB的值大于0，則表明缺水量整體呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢，根據(jù)圖2中冬小麥W的升降趨勢特征大致可分為3個階段：1955—1976年呈增減交替趨勢變化，1964年冬小麥的W最小，僅為450.84 mm，1973年冬小麥W最大，達(dá)到640.66 mm；1977—1990年，呈不顯著增加趨勢變化；1990年以后，河北省冬小麥W呈顯著性減少趨勢變化，且年際間缺水量差異較小。突變檢驗發(fā)現(xiàn)，UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)5個交點，但由于UF統(tǒng)計量曲線基本都在0.05顯著水平線之間，即年均缺水量的變化趨勢不顯著，沒有發(fā)生明顯的突變。

圖2 河北省冬小麥缺水量年際趨勢變化

進(jìn)一步分析其周期性問題，由小波變換等值線圖(圖3A)可以明顯發(fā)現(xiàn)，河北省冬小麥W在30～50 a尺度上震蕩周期較為顯著，此外W在10～28 a有小幅度的震蕩，但沒有明顯波峰出現(xiàn)。結(jié)合小波方差圖(圖3B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個峰值，故此可以判斷，河北省冬小麥W存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期，并且呈現(xiàn)“大—小—大”的變化特征。

從時間序列上看，冬小麥年平均W整體呈下降趨勢變化，氣候因素是影響作物缺水量的主要因素，缺水量變化趨勢很可能是氣候自然波動影響的結(jié)果[11]，因此在農(nóng)業(yè)灌溉時期需要加強(qiáng)對冬小麥W進(jìn)行預(yù)測分析，提前做好抗旱準(zhǔn)備。

2.1.2 空間分布特征分析 如附圖6所示，河北省冬小麥的W空間分布不均，各個站點之間差距較大，W變化范圍為462～662 mm，平均為551.13 mm；其中，全生育期W最大的為南宮，達(dá)到661.59 mm；其次為黃驊，冬小麥的W為626.88 mm，W最小的為秦皇島和邢臺，全生育期內(nèi)的W分別為462.03 mm和467.34 mm。

圖3 河北省冬小麥缺水量周期分析

近60年河北省冬小麥在不同生育期內(nèi)缺水量的空間分布情況如附圖7—8所示。初始生長期冬小麥W平均值為39.79 mm，不同站點多年平均有效降雨量變化為27.78～50.41 mm，其中；凍融期冬小麥最小，平均值為5.46 mm，空間分布差異較小，變化范圍在3.64～7.72 mm；越冬期冬小麥W的平均值為54.58 mm，變化范圍在36.42～77.21 mm；快速發(fā)育期冬小麥W平均值為195.22 mm，是冬小麥最為嚴(yán)重的時期，其中，秦皇島最小，為132.52 mm，南宮最大，是秦皇島W的198.06%；生育中期冬小麥W分布特征與河北省全生育期冬小麥W分布特征基本一致，平均值為180.44 mm，黃驊W最大，為214.66 mm，邢臺W最小，為150.83 mm；成熟期冬小麥的W平均值為75.65 mm，變化范圍在62.39～86.55 mm，黃驊缺水量最大，秦皇島的缺水量最小。

從上述分析可以看出，各個時期冬小麥W的分布特征各不相同，而且河北省中部地區(qū)的灌溉用水供需矛盾尖銳，在冬小麥生長過程中，不同生育階段的W帶來的影響完全不同，特別是在冬小麥的快速發(fā)育期和生育中期，冬小麥在這兩個階段水分虧損嚴(yán)重，若灌溉水量不充足冬小麥產(chǎn)量存在極大的風(fēng)險；初始生長期灌溉能顯著提高冬小麥快速發(fā)育期和生長中期的株高增長速率，而快速生長期灌溉對株高的影響較成熟期小，成熟期灌溉對促進(jìn)葉面積指數(shù)增長效果最為顯著。因此，要在不同生長期給冬小麥補(bǔ)給適當(dāng)?shù)乃?，才可達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)、高效的生產(chǎn)目標(biāo)，與姬興杰等[11]的研究結(jié)果相吻合。

2.2 河北省棉花缺水量(W)時空變化特征

2.2.1 時間規(guī)律特征分析 圖4為河北省棉花缺水量近60年年際趨勢變化圖。河北省棉花的W整體呈顯著性下降趨勢，變化傾向率為-22.88 mm/(d·10 a)，年際間平均作物W為457.89 mm，際間差異較大。近60年來棉花的增幅變化較大，根據(jù)圖4中繪制的UF曲線，具體可分為2個階段。1955—1988年，棉花W呈不顯著下降趨勢，且在1968年，棉花W達(dá)到最大，為602.48 mm；1988年以后，河北省棉花W顯著性下降的趨勢變化，且在1995年出現(xiàn)最小值，僅為339.43 mm，2014年棉花W為401.53 mm。近60年的變化過程中UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)1個交點，不在臨界線范圍內(nèi)，因此河北省棉花W無明顯的突變點。

圖4 河北省棉花缺水量年際趨勢變化

河北省棉花W周期變化如圖5所示。總體來看，由小波變換等值線圖(圖5A)可以明顯看出，河北省棉花在30～50 a大時間尺度上周期性震蕩顯著，此外在15～28 a左右的小時間尺度上的周期性也很明顯。結(jié)合小波方差圖(圖5B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個峰值，可以判斷，河北省棉花W存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期，因此要在干濕交替的過渡期做好對棉花的灌溉準(zhǔn)備。

2.2.2 空間分布特征分析 河北省近60年棉花全生育期W的空間分布情況如附圖9所示。河北省棉花W空間差異較明顯，W范圍為366～497 mm，平均為434.57 mm；其中，全生育期W最大的站點為黃驊(496.57 mm)；其次為霸州(469.713 mm)，缺水量最小的為遵化和邢臺，全生育期內(nèi)分別為366.66 mm和374.03 mm。

如附圖10所示，近60年棉花W在同一生育期內(nèi)空間差異較小，各個站點不同生育期之間差異較大，并且棉花不同生育期對水分的需求量不同。初始生長期W平均值為35.12 mm，W分布在31.61～43.22 mm；快速發(fā)育期棉花W平均值為197.23 mm，相較于其他生育期空間差異較大，其中邯鄲W最大，達(dá)到224.04 mm，其次為黃驊、霸州和饒陽，W均大于210.00 mm，邢臺W最小，為163.67 mm；生育中期棉花W平均值為159.86 mm，W分布在131.91～188.81 mm，最大值和最小值分別出現(xiàn)在黃驊和遵化；成熟期棉花W平均值為42.36 mm，W分布在35.71～52.47 mm。

從上述分析可知，與冬小麥相似，由于地理環(huán)境的不同及氣候條件的差異導(dǎo)致河北省中部地區(qū)棉花灌溉用水量較大，但從總體上看，在棉花快速發(fā)育期W較大，會使河北省在此時階段的水資源趨于緊張，應(yīng)該加大對棉花需水量的灌溉補(bǔ)給。同時，在不同的生育期內(nèi)要將土壤水分控制在合理范圍內(nèi)，不僅對棉花的光合作用有利，而且降低了植株的奢侈蒸騰，減少了土壤水分的無效消耗，提高葉片的水分利用效率。棉花的快速發(fā)育期和生長中期是需水的關(guān)鍵時期，在灌溉上應(yīng)優(yōu)先滿足其需水要求，否則會造成嚴(yán)重的減產(chǎn)[31]。在初始生長期控制灌水，不僅不影響產(chǎn)量，而且能提高水分利用效率。

圖5 河北省棉花缺水量周期分析

2.3 河北省冬小麥水分盈虧指數(shù)(I)時空變化特征

2.3.1 時間分布特征分析 如圖6所示，河北省冬小麥的I整體呈增減交替變化，變化傾向率幾乎為0，年際間I的平均值為-0.91，且年際間差異較小。冬小麥I最大值出現(xiàn)在1963年，I為-0.86，1978年冬小麥的I最小，僅為-0.94 mm。近60 a來冬小麥的I變化較小，根據(jù)圖6繪制的UF曲線，可判斷冬小麥水分盈虧指數(shù)的增減趨勢變化，具體可分為3個階段，即1955—1974年冬小麥I呈增減交替趨勢的趨勢變化；1975—2008年，冬小麥I呈不顯著性減少趨勢變化，2008年以后，I呈不顯著性增減的趨勢變化，2014年冬小麥I為-0.90。近60 a的變化過程中UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)9個交點，均在臨界線范圍內(nèi)，但僅1960年兩曲線交點之后的曲線變化趨勢呈相反變化趨勢，因此河北省冬小麥I在1960年出現(xiàn)突變點。

河北省冬小麥I如圖7所示，總體來看，由小波變換等值線圖(圖7A)可以明顯看出，河北省冬小麥I在34～55 a尺度上震蕩周期較為顯著，此外I在20～28 a期間有小幅度的震蕩周期，但沒有明顯波峰出現(xiàn)。結(jié)合小波方差圖(圖7B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個峰值，可以判斷，河北省冬小麥I存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期，次周期的周期性并不顯著，周期整體并且呈現(xiàn)“大—小—大”的變化特征，與小波等值線的分析結(jié)果基本一致。將河北省冬小麥W與I的震蕩周期結(jié)合來看，變化情況極為一致。

結(jié)合上文對冬小麥W的分析可知，W偏多的年份，I較低，不同年份W與I的變化有所差異，并且年際間變化較小。李瑜玲等[32]認(rèn)為河北省作為種植冬小麥的大省，要結(jié)合冬小麥的缺水規(guī)律和盈虧指數(shù)的年際周期變化來制定灌溉次數(shù)及灌溉量，因此加強(qiáng)對灌溉用水的利用效率不僅可以滿足小麥的生長需求，又能用較少的水資源生產(chǎn)出更多的糧食，穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

圖6 河北省冬小麥水分盈虧指數(shù)年際趨勢變化

圖7 河北省冬小麥水分盈虧指數(shù)周期分析

2.3.2 空間分布特征分析 附圖11為河北省近60年冬小麥全生育期I空間分布情況。河北省冬小麥I空間差異較小，基本上呈由中心向四周逐漸增大的分布特征。結(jié)合上文對W的計算，冬小麥的I與W呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)分布規(guī)律，I偏小的地區(qū)，W偏大，干旱程度較強(qiáng)。冬小麥平均I為-0.91；其中，全生育期I最大的為邯鄲，I為-0.88；其次為邢臺和秦皇島，I均約為-0.90，其余站點I均為-0.91；南宮I最小，為-0.92。

近60年河北省冬小麥在不同生育期內(nèi)I的空間分布情況如附圖12—13所示，同一生育期內(nèi)，各站點之間空間差距較小。初始生長期冬小麥I平均值為-0.86，不同站點多年平均I變化為-0.88～-0.80，其中，邯鄲I最大，黃驊和南宮I最小；凍融期冬小麥I平均值為-0.93，空間分布差異較小，變化范圍為-0.95～-0.90，最大值和最小值分別出現(xiàn)在邯鄲和遵化；越冬期冬小麥I的平均值為-0.93，變化范圍為在-0.95～-0.90，邯鄲的I最大，遵化的I最??；快速發(fā)育期冬小麥I平均值為-0.93，其中，南宮I最小，為-0.95，秦皇島I最大，為-0.90；生育中期冬小麥I空間差異較小，平均值為-0.91，南宮、黃驊、饒陽和霸州I最小，都為-0.92，邯鄲I最大，為-0.90；成熟期冬小麥I平均值為-0.88，變化范圍為-0.86～-0.92，邯鄲和秦皇島I最大，為-0.86，南宮I最小，為-0.92。

綜上來看，冬小麥在凍融和越冬期受到干旱危害，I較低，不僅需要注意對這兩個時期灌溉需水量進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)給，而且還要結(jié)合不同地區(qū)的實際情況有計劃的對冬小麥進(jìn)行灌溉，這與李夕軍等[33]的研究結(jié)果相吻合。

2.4 河北省棉花水分盈虧指數(shù)時空變化特征

2.4.1 時間分布特征分析 如圖8所示，河北省棉花的I整體呈增減交替變化，變化傾向率幾乎為0，年際間I的平均值為-0.79，且年際間差異較小。1995年棉花I最大為-0.72，最大值與最小值出現(xiàn)的年份較為接近。近60年來棉花的I變化較小，具體可分為2個階段：1955—1980年棉花I呈增減交替的趨勢變化；1981年以后，棉花的I呈不顯著性下降趨勢變化。近60年的變化過程中UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)10個交點，均在臨界線范圍內(nèi)，但僅1970年兩曲線相交后呈相反變化趨勢，因此1970年為河北省棉花I的突變點。

圖8 河北省棉花水分盈虧指數(shù)年際趨勢變化

河北省棉花I震蕩周期變化如圖9所示，總體來看，由小波變換等值線圖(圖9A)可以明顯看出，河北省棉花I在30～55 a大時間尺度上周期性震蕩顯著，此外在18～28 a左右的小時間尺度上的周期性也很明顯。結(jié)合小波方差圖(圖9B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個峰值，可以判斷，河北省棉花W存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期?？梢耘卸ê颖笔∶藁↖存在2個次周期，周期性顯著，并且呈現(xiàn)“大—小—大”的變化特征，年際間差異較大，與小波等值線的分析結(jié)果基本一致。將河北省棉花W與I的震蕩周期結(jié)合來看，變化情況極為一致。

圖9 河北省棉花水分盈虧指數(shù)周期分析

2.4.2 空間分布特征分析 附圖14為近60年河北省棉花全生育期I的空間分布情況。結(jié)合上文對棉花W的計算可知，棉花的I與W呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)分布規(guī)律，棉花I偏小的地區(qū)，W偏大，干旱程度較強(qiáng)。河北省各個站點間棉花I差距較小，平均I為-0.81，其中，全生育期I最大的為邯鄲，為-0.79；其次為遵化、保定和邢臺，I為-0.80，I最小的為霸州，全生育期內(nèi)I為-0.82。

如附圖15所示，河北省近60年不同生育期內(nèi)棉花I空間分布差異較小，但各個站點生育期之間有所差異。初始生長期棉花I整平均值為-0.86，其變化范圍為-0.87～-0.85，石家莊、邢臺、保定和邯鄲I最大，饒陽和黃驊I為-0.86，其他站點I均為-0.87；快速發(fā)育期棉花I平均值為-0.86，其中，邢臺I最大，為-0.85，饒陽和霸州I最小，為-0.88，其余站點均為-0.8～-0.86；生育中期棉花I平均值為-0.71，是棉花各生育期中I最大的時期，其變化范圍為-0.73～-0.70，邢臺、遵化和霸州I最大，饒陽和黃驊I最小；成熟期棉花I平均值為-0.78，I在-0.80～-0.75之間，唐山I最大，石家莊I最小。

2.5 缺水量和水分盈虧指數(shù)的聯(lián)系與討論

結(jié)合前文對冬小麥和棉花的時空分析結(jié)果，首先，由于青龍、遵化和石家莊部分地區(qū)為山地丘陵區(qū)，土地資源豐富，但是土地質(zhì)量較差，加之石家莊為該省省會城市工農(nóng)業(yè)與生活用水量大，根據(jù)附圖6，9，11，14分析可知該區(qū)域缺水量較大，水分盈虧指數(shù)較小，因此，應(yīng)以水土保持為重，營造農(nóng)田防護(hù)體系，以草、灌、林相結(jié)合進(jìn)行植被建設(shè)，提高植被覆蓋率，這樣既有助于防風(fēng)固沙、保持水土、保護(hù)農(nóng)田，又有利于改善局部小氣候，為旱地農(nóng)業(yè)創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。由于保定、饒陽、南宮和石家莊西部地區(qū)缺水量較小，水分盈虧指數(shù)較大，且地勢平坦，分布有鹽堿地，但是近幾年鹽化程度有所下降，因此適當(dāng)建設(shè)蓄水工程，使發(fā)生旱情時能及時進(jìn)行灌溉，灌溉應(yīng)該采用噴灌進(jìn)行大面積的灌溉，噴灌霧點小，均勻，土表不容易板結(jié)，既節(jié)水又節(jié)約勞動力[34]。

根據(jù)上述分析，并且結(jié)合河北省玉米和棉花的缺水量與水分盈虧指數(shù)特征來看，該區(qū)域主要農(nóng)作物生長長期處于干旱狀態(tài)。在干旱指標(biāo)研究方面，由于不同的部門或?qū)W科對干旱的定義不同，所以出現(xiàn)了不同的干旱評判指標(biāo)[35]。水分盈虧指數(shù)是評價干旱體系中的一個重要指標(biāo)，并且也作為研究作物缺水量的重要指標(biāo)，在一定程度上可以反映作物的干旱程度，是一種實時的干旱監(jiān)測方法，能運用于河北省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)，作物水分盈虧指數(shù)和缺水量作為精準(zhǔn)灌溉決策的依據(jù)，缺水量指以維持作物正常生長發(fā)育所需的體外環(huán)境消耗的水[13]，當(dāng)缺水量增大時，水分盈虧指數(shù)減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，也可以說，可將水分盈虧指數(shù)的結(jié)果作為缺水量研究結(jié)果的真實性驗證。

隨著全球氣候變暖，河北省農(nóng)業(yè)干旱呈加重趨勢，以往河北省干旱監(jiān)測主要采用降水距平百分率法，近幾年通過建立土壤水分平衡方程和利用遙感的方法嘗試進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測，但由于建立土壤水分平衡方程需要實測土壤水分資料，而河北省全年固定地段土壤水分觀測站較少，給監(jiān)測帶來較大誤差，因此迫切需要開展農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用服務(wù)。本文對作物水分盈虧指數(shù)和缺水量的計算是土壤墑情監(jiān)測的目的和科學(xué)灌溉的工作基礎(chǔ)，可為各級政府宏觀決策、防災(zāi)抗旱提供科學(xué)依據(jù)，對農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)，合理利用水資源，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉等都具有十分重要的意義。因此，要將缺水量與水分盈虧指數(shù)結(jié)合起來研究對主要農(nóng)作物生產(chǎn)合理用水和防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1) 近60年，河北省冬小麥和棉花W均呈下降的趨勢變化，年均W分別為594.26 mm和457.89 mm，冬小麥在2012年出現(xiàn)一個突變點，而河北省棉花W無明顯的突變點，兩種作物均存在40 a左右的主周期和25 a左右的次周期。

(2) 空間上，河北省冬小麥、棉花的W空間分布不均，各個站點間W差距較大；全生育期內(nèi)棉花W最大值均出現(xiàn)在黃驊，為496.57 mm，遵化W最小，為366.66 mm，冬小麥W最大值出現(xiàn)在南宮，為661.59 mm，W最小值均出現(xiàn)在秦皇島，為462.03 mm；從不同生育期來看，冬小麥和棉花平均W均在快速發(fā)育期達(dá)到最大值。

(3) 時間上看，I整體均呈增減交替變化；兩種作物均存在40 a左右的主周期和25 a左右的次周期；空間分布上，冬小麥、棉花I各個站點空間差異較小，但冬小麥空間分布變化差異要大于棉花，基本上呈由中心向四周逐漸增大的分布特征。

(4) 整體來看，近60年兩種作物的W及I均呈下降變化趨勢，下降程度有所不同?？臻g上，冬小麥、棉花的W最大值分別出現(xiàn)在南宮和黃驊，所以應(yīng)當(dāng)在W較大的地區(qū)改善灌溉方式、提高灌溉用水效率，根據(jù)當(dāng)?shù)豔以及I的實際情況做到科學(xué)灌溉，保證作物正常生長。近年來隨著地下水嚴(yán)重超采現(xiàn)象，國家相關(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，解決作物生長灌溉用水問題，提高糧食生產(chǎn)安全將是未來研究的主要方向。