河北省夏玉米需水量變化特征及未來可能趨勢

曹永強(qiáng)，劉明陽，張路方

(1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875)

糧食問題是影響人類生存發(fā)展的基本問題之一[1]。近年來，盡管我國糧食生產(chǎn)仍然保持增長態(tài)勢，并在2014年實(shí)現(xiàn)了“十一連增”，但增產(chǎn)趨勢已漸轉(zhuǎn)緩。在城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快、有效耕地減少和環(huán)境退化的背景下，糧食生產(chǎn)問題依然是制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的不穩(wěn)定因素[2]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第5次評估報(bào)告第一工作組報(bào)告決策者摘要表明，未來全球氣候變暖仍然持續(xù)，到21世紀(jì)末全球地面平均氣溫在1986—2005年的基礎(chǔ)上將上升0.3～4.8 ℃，海平面相應(yīng)升高0.18～0.59 m[3]。與此同時(shí)，高溫、熱浪、強(qiáng)降水等極端天氣事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度很可能有所增加，進(jìn)而影響干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物的耗水過程和需水量，造成農(nóng)作物物候變化，最終導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[4]。河北省是我國夏玉米的主要產(chǎn)地，夏玉米種植區(qū)主要分布在除張家口和承德以外的地區(qū)[5]。當(dāng)前河北省農(nóng)業(yè)灌溉用水水源多來自地下水，超采量達(dá)50億m3，超采率高達(dá)23%[6]。長期超采地下水不僅對區(qū)域內(nèi)水資源造成嚴(yán)重的破壞，還對人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅。因此在氣候變化和我國農(nóng)作物需水量及水分盈虧變化顯著的背景下[5]，對農(nóng)作物需水量的變化規(guī)律進(jìn)行深入預(yù)測，不但有利于相關(guān)部門對農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)給出科學(xué)指導(dǎo)，而且對研究區(qū)內(nèi)作物生產(chǎn)的合理規(guī)劃和基礎(chǔ)水利設(shè)施的建設(shè)都具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

19世紀(jì)20年代初，農(nóng)作物需水量的相關(guān)研究已得到國外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國外學(xué)者在研究初期多選用簡便易操作的筒測法和田間測量法。美國學(xué)者于1877年建成了農(nóng)業(yè)觀測試驗(yàn)站，并著手開展作物需水量等與農(nóng)作物相關(guān)的試驗(yàn)研究，在不斷的實(shí)踐中，逐漸形成了α值法(又稱水面蒸發(fā)量法)、坑測法、lysimeter(測滲計(jì))法和Penman-Monteith法等更加科學(xué)準(zhǔn)確的方法[7-9]。

我國學(xué)者對作物需水量的研究相對起步較晚，但近幾年也取得了豐碩的研究成果。劉曉英等[10]利用6個(gè)主要城市氣象數(shù)據(jù)分析了氣候變化下華北平原主要作物需水量的影響因素，發(fā)現(xiàn)氣候變暖對不同作物需水量的影響程度不同，其中對冬小麥的影響最大；靳春香[11]利用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的方法對1960—2014年遼寧省玉米全生育期有效降雨和需水量進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果表明，在成熟期的玉米需水量呈現(xiàn)：西部>南部>中部>北部>東部的分布規(guī)律；黃志剛等[12]認(rèn)為在未來氣候情景下，2040年溫度和降水量變化對松嫩平原玉米需水量的貢獻(xiàn)率為38.3%；張建平等[13]以東北三省玉米為研究對象，運(yùn)用作物系數(shù)估算法，結(jié)合《排放情景特別報(bào)告》推測出A2情景下2040年東北三省玉米需水量距平百分率將增加27.2%。

目前，關(guān)于夏玉米需水特征的研究呈現(xiàn)增多的趨勢，這些研究大多從歷史氣象方面對夏玉米的需水特征進(jìn)行分析，只有少數(shù)從氣候變化背景入手，結(jié)合長時(shí)間序列的氣象數(shù)據(jù)，深入挖掘未來不同排放情景下夏玉米需水量的變化規(guī)律。本文在綜合考慮河北省近50年來夏玉米需水量變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法和Mann-kendall法，找出夏玉米需水量的主要影響因素，再結(jié)合未來氣候情景，分析河北省夏玉米需水量的時(shí)空變化特征，為今后河北省農(nóng)作物生產(chǎn)和水資源合理利用提供建議。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

河北省是農(nóng)業(yè)資源大省，全省共有耕地 9 842.03萬hm2，夏玉米是河北省主要的農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)來源，其主要種植區(qū)地跨36°02′N～40°04′N、113°27′E～117°47′E，位于河北省中南部，包括廊坊市、保定市、滄州市、石家莊市、衡水市、邢臺市和邯鄲市，陸地面積9.1萬km2，屬于溫帶濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量536 mm[14]。區(qū)內(nèi)人均、頃均水資源量分別為307 m3、4 605 m3，為全國的1/7和1/9。河北省主要夏玉米種植區(qū)氣象站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 河北省主要夏玉米種植區(qū)氣象站點(diǎn)分布

夏玉米的生長周期一般為6月中旬到9月中旬，生育期為90～100 d，全生育期需水量為300～400 mm。由于降水時(shí)空不均勻，大部分地區(qū)需要補(bǔ)充灌溉一水，中等干旱和特殊干旱的地區(qū)需灌溉兩水[15]。

本文所用的土壤數(shù)據(jù)和氣象資料來自于國家氣象數(shù)據(jù)平臺的逐日氣象資料(http：//data.cma.cn/)，時(shí)間為1963年1月至2015年12月。首先將逐日氣象資料丟失達(dá)5日及5日以上的月份判定為無效月，然后將資料不足12個(gè)月的年份判定為無效年，最后剔除氣象資料不足50年的站點(diǎn)，最終選取數(shù)據(jù)完整均勻分布的8個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行分析。未來氣候變化情景數(shù)據(jù)(氣溫、降水等)在CCAF(Climate Change，Agriculture and Food security)網(wǎng)站下載，其空間分辨率為30 s(大約為1 km)。

2 研究方法

2.1 夏玉米需水量的計(jì)算

作物需水量指作物在土壤水分和養(yǎng)分適宜、管理良好、生長正常、大面積高產(chǎn)條件下，棵間土面(或水面)蒸發(fā)量與植物蒸騰量之和。作物需水量主要通過田間測定，也可以采用理論計(jì)算的方法獲得。本文采用作物蒸散發(fā)量和作物系數(shù)的乘積的方法來得出作物需水量[15]，采用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)1998年推薦的Penman-Monteith公式得出參考作物蒸散發(fā)量。計(jì)算公式如下：

ETC=KCET0

(1)

(2)

式中：ETC為作物需水量，mm；KC為作物系數(shù)；ET0為日參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，逐日計(jì)算時(shí)G≈0；T為日均氣溫，℃；U2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃[15]。

2.2 作物系數(shù)的確定

作物系數(shù)是作物蒸發(fā)量和參考作物蒸發(fā)量之比，是確定作物需水量的一個(gè)重要參數(shù)。參考已有的研究，利用作物系數(shù)修正公式進(jìn)行修正，一定程度上提高了作物系數(shù)的精確性，彌補(bǔ)了FAO推薦的作物系數(shù)不適用于河北地區(qū)的不足[15]，計(jì)算結(jié)果見表1。作物系數(shù)修正公式如下：

kc=kctab+[0.04(U2-2)-

0.04(RHmin-45)](h/3)0.3

(3)

式中：kctab為不同生育階段標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)；RHmin為該生育階段內(nèi)日最低相對濕度的平均值，%；h為該生育階段作物生長的平均高度，m。

表1 河北省各站點(diǎn)夏玉米各生育階段的作物系數(shù)

圖2 近50年河北省夏玉米需水量變化趨勢

2.3 Mann-kendall法

Mann-kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，廣泛應(yīng)用于檢測時(shí)間序列的趨勢分析中。其優(yōu)點(diǎn)是不需要遵循一定的空間分布，不受限于少數(shù)異常數(shù)據(jù)的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也較為方便[16]。

2.4 主成分分析法

主成分分析法(PCA)是將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化研究，在引進(jìn)多方面變量的同時(shí)將復(fù)雜因素歸結(jié)為幾個(gè)主成分，使問題簡單化的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。其主要是利用降維的思想，即用一種數(shù)學(xué)變換方法將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少量的幾個(gè)主要指標(biāo)，這些指標(biāo)應(yīng)盡量多地保留原有指標(biāo)的信息[17]。

2.5 反距離權(quán)重法

反距離權(quán)重法是ArcGIS中地統(tǒng)計(jì)插值最重要的組成部分，它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離查找點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。

3 河北省夏玉米需水量變化規(guī)律及影響因素

3.1 需水量變化規(guī)律

根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算出河北省夏玉米種植區(qū)8個(gè)站點(diǎn)近50年的需水量，如圖2所示。從需水量變化趨勢可以看出需水量年際變化比較明顯，呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢，速率為10年-20.8 mm，平均需水量為334.93 mm。夏玉米需水量變化大致趨勢可以分為2個(gè)階段：①1963—1973年需水量呈現(xiàn)出交替增減的趨勢；②1973年以后需水量呈顯著減少趨勢，這與李春強(qiáng)等[5]的研究基本一致。近50年夏玉米需水量變化過程UF和UB曲線共出現(xiàn)1個(gè)交點(diǎn)，但不在臨界線范圍，因此不存在突變現(xiàn)象。

圖3 近50年河北省夏玉米需水量空間變化

為了便于分析，將1963—2015年50年間分為5個(gè)時(shí)間跨度：20世紀(jì)60—70年代、20世紀(jì)70—80年代、20世紀(jì)80—90年代、20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)和21世紀(jì)初期。運(yùn)用ArcGIS的反距離權(quán)重法對5個(gè)時(shí)間跨度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，河北省夏玉米需水量各地有明顯的差異。在空間分布上高值區(qū)分布在黃驊和邯鄲，低值區(qū)分布在南宮和邢臺一帶，大致呈以黃驊為高值中心，由東北向西南逐漸遞減，并在邢臺形成低值中心的分布特征；在年際變化上河北省夏玉米需水量空間分布呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢。20世紀(jì)60—70年代作物需水量在5個(gè)時(shí)段平均值最大，其變化在363.71～491.75 mm，平均值為 390.88 mm，其中石家莊、邢臺和南宮一帶出現(xiàn)需水量低值區(qū)，平均值為365.61 mm；21世紀(jì)初作物需水量在5個(gè)時(shí)段平均值最小，其變化在211.86～423.84 mm，平均值為295.90 mm。邯鄲站夏玉米需水量一直都是這8個(gè)站點(diǎn)最大的，這和邯鄲地處河北省南部，其需水量受到緯度、蒸散發(fā)和氣溫的影響有直接關(guān)系[5]。南宮站夏玉米需水量是近50年變化最大的，平均值為285.33 mm，但在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)時(shí)需水量出現(xiàn)了小幅度的增加(269.82 mm)，較上一時(shí)段(20世紀(jì)80—90年代)增加了21.45 mm，隨后又在21世紀(jì)繼續(xù)下降。霸州站夏玉米需水量變化是最小的，變幅為22.41 mm。河北省夏玉米種植區(qū)基本上呈現(xiàn)出北部和南部需水量較多，中部較少的特點(diǎn)，作物需水量受當(dāng)年作物所在位置的平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速的影響較大，因此需水量的變化規(guī)律呈現(xiàn)不同的變化特征[5]。

3.2 需水量氣候影響因素

針對夏玉米需水量影響因素的特點(diǎn)，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對日最低氣溫、日最高氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對濕度和降水量7個(gè)主要影響因素進(jìn)行主成分分析。

從表2可以看出，當(dāng)初始特征值的累計(jì)方差大于80%的時(shí)候，只需選取前4個(gè)主要成分即可滿足信息需求[18]。第一主成分上載荷較大，即相關(guān)程度較高，包含對需水量影響的因子信息最多，以此類推。因此根據(jù)表3，第一主成分是平均氣溫，第二主成分是降水量，第三主成分是日照時(shí)數(shù)，第四主成分是平均風(fēng)速，其方差貢獻(xiàn)率分別為46.680%、16.213%、14.308%、9.327%，其累計(jì)方差率為86.528%。因此平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速是夏玉米需水量的主要影響因素。

表2 特征值和主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

表3 成分矩陣

從河北省主要?dú)夂蛞蛩啬觌H變化趨勢圖發(fā)現(xiàn)(圖4)：①氣溫上升了0.4～0.5 ℃(圖4(a))，這與劉學(xué)鋒等[19-20]的研究基本一致，UF和UB曲線出現(xiàn)1個(gè)交點(diǎn)并在臨界值范圍內(nèi)，說明1990年氣溫發(fā)生了較大變化；②降水量在20世紀(jì)90年代后期經(jīng)歷了一次較大幅度的下降過程，但總體上下降趨勢不明顯，基本處于穩(wěn)中有降(圖4(b))的狀態(tài)，UF和UB曲線出現(xiàn)2個(gè)交點(diǎn)并在臨界值范圍內(nèi)，說明1965年和2011年降水量發(fā)生突變；③日照時(shí)數(shù)近50年下降明顯，總云量和霧日數(shù)的增加是河北省日照時(shí)數(shù)減少的主要原因[21](圖4(c))；④風(fēng)速呈現(xiàn)下降的趨勢，其影響因素較多，如北半球副高壓面積和北極波動指數(shù)越小、日照時(shí)數(shù)與氣溫日較差越大，則風(fēng)速均變小[22](圖4(d))。在各氣候因素的綜合影響下，河北省夏玉米需水量呈下降趨勢，這在一定程度上說明日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和降水量的顯著下降對需水量產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)超過了氣溫顯著升高對需水量的正效應(yīng)。

圖4 河北省夏玉米需水量主要影響因素年際變化趨勢

4 未來河北省夏玉米需水量變化分析

未來氣候變化2014年IPCC第五次評估報(bào)告(AR5)基于大氣輻射強(qiáng)度設(shè)定，并融入政策因素，提出具有4種代表性的濃度路徑(representative concentration pathway，RCPs)情景數(shù)據(jù)，分別為RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5。與第3次(TAR)、第4次(AR4)，和第4次評估報(bào)告中的SRES情景相比，其在對極端天氣模擬方面的效果更好[23]。

根據(jù)對未來氣候情景進(jìn)行預(yù)測[24]，并結(jié)合主成分分析，說明溫度和降水量是影響夏玉米需水量的主要影響因素，因此選取這兩個(gè)因素，并結(jié)合未來2020年、2030年、2050年、2070年在RCP2.6(低排放情景)和RCP8.5(持續(xù)排放情景)情景(見表4)情況下，分析夏玉米需水量空間插值分布特征(結(jié)果見圖5和6)。

表4 河北省未來氣候變化情景下溫度和降水增幅

a. RCP2.6情景下：①2020年夏玉米需水量變化范圍為150.82～430.82 mm，和2015年需水量相比增長變化范圍在3.59%～6.26%之間，平均值增長4.63%，是4個(gè)典型年份中增長率最低的；②2030年夏玉米需水量變化范圍為153.91～447.87 mm，增長變化范圍在5.26%～9.01%之間，平均值為7.32%；③2050年夏玉米需水量變化范圍為157.43～453.68 mm，較2030年需水量平均增加7.35 mm；④2070年夏玉米需水量變化范圍為161.95～467.13 mm，增長變化范圍在12.32%～15.94%之間，平均值為12.91%，是4個(gè)典型年份中增長率最高的。

圖6 RCP8.5情景下未來河北省夏玉米需水量空間分布

b. RCP8.5情景下，2020年、2030年、2050年、2070年的需水量均高于RCP2.6情景。①2020年夏玉米需水量變化范圍為152.36～435.94 mm，比RCP2.6情景下平均高2.38 mm，和相對基準(zhǔn)年(2015年)相比增長變化范圍在4.17%～6.95%之間，平均值為5.48%；②2030年夏玉米需水量變化范圍為154.52～389.01 mm，和2020年相比需水量平均增加7.99 mm；③2050年夏玉米需水量變化范圍為159.06～467.68 mm，增長變化范圍在8.98%～12.25%之間，平均值為11.28%；④2070年夏玉米需水量變化范圍為164.38～484.76 mm，增長變化范圍在10.96%～17.76%之間，平均值為15.03%，是4個(gè)典型年份中增長率最高的?？梢钥闯觯S著未來氣候變化的趨勢愈演愈烈，河北省夏玉米需水量明顯增多，溫度和降水量的改變是影響需水量的主要因素。

從空間分布發(fā)現(xiàn)，未來4個(gè)典型年河北省夏玉米需水量的分布情況均大致相同，需水量較基準(zhǔn)年相比都有明顯的增加，但各個(gè)地區(qū)的變化程度不盡相同。①RCP2.6情景下，相對于基準(zhǔn)年，南宮站需水量的增長率最大，為10.61%，黃驊站需水量的增長率最小，為8.23%，這可能是因?yàn)辄S驊地處沿海地帶，為溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，相對濕度和風(fēng)速可能抵消了一部分溫度和降水量變化帶來的影響。②RCP8.5情景下，相對基準(zhǔn)年，霸州站需水量的增長率最大，為12.12%，饒陽站需水量的增長率最小，為7.88%。

總的來說，在RCP2.6和RCP8.5情境下，未來河北省夏玉米需水量預(yù)測得到的結(jié)果變化規(guī)律基本相似，整體呈現(xiàn)出增長的特征，這與劉曉英等[10，24]的研究結(jié)果基本一致。隨著氣候變化日趨明顯，作物生長條件的改變必然引起作物需水量的改變，進(jìn)而引起灌溉需水量的變化。因此未來河北省應(yīng)充分利用降水和灌溉水，合理種植規(guī)劃，提高水資源的利用效率，盡快普及低壓管道輸水等地面灌溉技術(shù)，建立高效有序的農(nóng)業(yè)用水體系。

5 結(jié) 論

a. 從作物需水量的年際變化看，近50年河北省夏玉米需水量呈現(xiàn)以10年-20.8 mm的速度下降的趨勢，整體浮動在274～451 mm之間。從空間變化來看，河北省各地區(qū)夏玉米需水量不盡相同，總體呈現(xiàn)從黃驊和邯鄲向南宮、邢臺一帶逐漸減少的特征，作物需水量是由溫度、太陽輻射、降水、相對濕度等多方面因素共同作用的結(jié)果。

b. 從未來氣候變化情景下河北省夏玉米需水量來看，無論是RCP2.6還是RCP8.5情景，夏玉米需水量平均值都會呈現(xiàn)出不同程度增多的特征；在空間分布來看，各個(gè)地區(qū)夏玉米需水量相比基準(zhǔn)年都有不同程度的增加。在未來全球氣候變化的環(huán)境下，相關(guān)部門應(yīng)該采取一定的適應(yīng)性措施，如適當(dāng)調(diào)整作物的品種以減輕氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的負(fù)面影響。

c. 由于人類活動的破壞，水資源的利用率受到很大的影響。河北省一直是缺水大省，夏玉米的灌溉更是處于水分供給不足的狀態(tài)，在未來氣候條件下，夏玉米主要生產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水競爭有可能進(jìn)一步加劇。本文在未來需水量預(yù)測部分只對溫度和降水量進(jìn)行了研究，分析較為片面，未對其他氣候因子進(jìn)行耦合研究，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步利用生態(tài)水文模型模擬未來階段夏玉米需水量的變化情況。