華北平原冬小麥-夏玉米作物虧缺水量空間分布研究

曹大禹， 吳鑫淼， 郄志紅

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001)

華北平原是我國(guó)最重要的“糧倉(cāng)”之一，是確保全國(guó)糧食安全的重要基地，尤其是京津冀一體化的提出和雄安新區(qū)的設(shè)立，為環(huán)京津冀的華北平原發(fā)展提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。如何優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源，在確保其糧食生產(chǎn)穩(wěn)定的同時(shí)，節(jié)約更多的水資源用于城市和工業(yè)發(fā)展，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。目前存在的問(wèn)題是華北平原降水量并不充沛，年平均降水量較少，約為500～900 mm，降水分布地區(qū)、季節(jié)、年際間變化較大，其中80%的降水發(fā)生在6-9月[1]，導(dǎo)致降水集中期與作物需水關(guān)鍵期的不匹配，作物生長(zhǎng)仍然需補(bǔ)充灌溉才能獲得較高的產(chǎn)量和質(zhì)量[2]。但如今我國(guó)的農(nóng)業(yè)水資源的數(shù)量和質(zhì)量都令人擔(dān)憂，其中又以華北地區(qū)尤為嚴(yán)重[3]，地下水超采和水資源污染嚴(yán)重?zé)o不為農(nóng)業(yè)用水設(shè)置了難題[4]。在此背景下，摸清主要作物的虧缺水量分布狀況，找到虧缺水量分布規(guī)律，才能合理地制定灌溉制度，進(jìn)一步調(diào)整農(nóng)業(yè)作物種植結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源配置。本研究是在作物需水量、作物系數(shù)相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，首先對(duì)華北平原區(qū)域內(nèi)20個(gè)代表區(qū)域20年的冬小麥-夏玉米傳統(tǒng)作物耗水量進(jìn)行計(jì)算分析，然后根據(jù)降水信息，計(jì)算得到各區(qū)域的水分虧缺量，利用ArcGIS軟件生成華北平原水分虧缺等值線圖，直觀地顯示華北平原冬小麥-夏玉米的虧缺水量空間分布情況。

1 冬小麥-夏玉米虧缺水量的計(jì)算

1.1 氣象觀測(cè)點(diǎn)的選取及基本數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。從華北地區(qū)篩選出具有完整觀測(cè)序列的氣象站點(diǎn)作為分析對(duì)象，共選取20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)[5-7]。以行政區(qū)劃為標(biāo)準(zhǔn)，按照華北區(qū)域內(nèi)各省份所占面積權(quán)重的大小確定各省份觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量，觀測(cè)點(diǎn)分布為北京市1個(gè)，天津市1個(gè)，河北省6個(gè)，山東省3個(gè)，河南省3個(gè)，江蘇省3個(gè)，安徽省3個(gè)，分別為北京市、天津市、唐山市、滄州市、保定市、石家莊市、衡水市、邯鄲市、青島市、濟(jì)南市、濰坊市、新鄉(xiāng)市、鄭州市、開(kāi)封市、南京市、高郵市、徐州市、蚌埠市、阜陽(yáng)市、合肥市等20個(gè)區(qū)域。觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)選取1996-2015年的20年完整觀測(cè)序列的氣象資料作為分析對(duì)象[8]，氣象數(shù)據(jù)包括逐日降水，平均溫度(℃)、最高和最低溫度(℃)、平均相對(duì)濕度(%)、最低相對(duì)濕度(%)、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、經(jīng)緯度等[9,10]。作物系數(shù)來(lái)源于《中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線圖研究》[11]。各區(qū)域逐日氣象數(shù)據(jù)的單位和精度如表1所示。

表1 氣象數(shù)據(jù)的單位和精度Tab.1 Meteorological data unit and accuracy

1.2 數(shù)據(jù)指標(biāo)計(jì)算方法

1.2.1 典型水文年下作物需水量的估算

從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取該20個(gè)觀測(cè)區(qū)域在1996-2015年共計(jì)20年間的逐日降水資料，篩選出冬小麥生長(zhǎng)期(10月15日-次年6月14日)和夏玉米的生長(zhǎng)期(6月15日-10月14日)內(nèi)的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，分別累加計(jì)算出作物生長(zhǎng)期內(nèi)的降水量。

(1)典型水文年的選取。本文采用經(jīng)驗(yàn)頻率曲線法來(lái)確定作物生育期的不同水文年型，選取與頻率相對(duì)應(yīng)的年份作為典型水文年。分別確定20個(gè)代表性觀測(cè)區(qū)域的冬小麥、夏玉米生長(zhǎng)期的典型水文年，即經(jīng)驗(yàn)頻率分別為25%、50%、75%所對(duì)應(yīng)的豐水年、平水年、枯水年，及相應(yīng)的降水量。選取結(jié)果如表2和表3所示。

(2)作物系數(shù)的選取。有研究表明，不同年際間作物系數(shù)逐月變化受降水、灌溉的影響而呈波動(dòng)變化，但作物整個(gè)生育期的作物系數(shù)則較為穩(wěn)定，故本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)《中國(guó)主要農(nóng)作物需水量等值線圖研究》采用全生育期作物系數(shù)計(jì)算實(shí)際作物需水量。作物系數(shù)選值與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對(duì)比，具有地區(qū)代表性，冬小麥和夏玉米全生育期作物系數(shù)KC的選定分別如表4和表5所示。

表2 冬小麥典型水文年及降水量表Tab.2 Typical hydrological year and precipitation table of winter wheat

表3 夏玉米典型水文年及降水量表Tab.3 Typical hydrological year and precipitation table of summer maize

表4 不同區(qū)域冬小麥全生育期Kc值Tab.4 Kc of the whole growth period of winter wheat in different regions

表5 不同區(qū)域夏玉米全生育期Kc值Tab.5 Kc of the whole growth period of Summer corn in different regions

(3)數(shù)據(jù)的合理性分析、數(shù)據(jù)缺測(cè)的處理。風(fēng)速為搜集的10 m高處的風(fēng)速，根據(jù)公式轉(zhuǎn)化為2 m高度的風(fēng)速，轉(zhuǎn)化公式為：

(1)

式中：U2為2 m高度的風(fēng)速；z為高度差；U10為10 m高度的風(fēng)速。

最高相對(duì)濕度值RHmax由RHmax=2RHmean-RHmin得到(其中RHmean為平均相對(duì)濕度，RHmin為最低相對(duì)濕度值)。作物生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)的參考作物需水量和降水量分別由日值累積得到[12]。在所搜集的氣象數(shù)據(jù)中，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值記錄數(shù)值微量時(shí)，數(shù)據(jù)修正為0；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值記錄數(shù)據(jù)漏測(cè)時(shí)，此時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)：當(dāng)存在連續(xù)5日之內(nèi)的缺測(cè)數(shù)據(jù)情況下，用缺失項(xiàng)前后兩日的平均值代替；當(dāng)超過(guò)5日時(shí)，采用缺失日的多年平均值代替[13]。

1.2.2 蒸發(fā)蒸騰量ET0計(jì)算

蒸發(fā)蒸騰量采用彭曼公式進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(2)

式中：ET0為參考作物騰發(fā)量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為溫度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓—溫度曲線斜率。

1.2.3 虧缺水量計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[14]所述，水分虧缺量W定義為作物(冬小麥、夏玉米)生育期內(nèi)降水量與作物需水量的差值。公式如下：

W=P-ETc

(3)

ETc=KcET0

(4)

式中：W為水分虧缺量，mm；P為作物生育期降水量，mm；ETc為作物需水量；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物騰發(fā)量，mm。

2 ArcGIS地理信息系統(tǒng)

ArcGIS是現(xiàn)在地理信息行業(yè)使用最為廣泛的軟件，通過(guò)對(duì)信息處理分析，歸類，從中提取簡(jiǎn)單并且對(duì)用戶有用的信息。經(jīng)過(guò)30年的研究和改進(jìn)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始普及，技術(shù)越發(fā)完善，功能越發(fā)齊全。自20世紀(jì) 70年代國(guó)外學(xué)者就將 ArcGIS 技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。但在我國(guó)，ArcGIS 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始的[15,16]，盡管與國(guó)外相比起步略晚，但部分研究成果已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益[17]。本文利用ArcGIS軟件的柵格數(shù)據(jù)分析功能，通過(guò)Kriging插值法繪制等值線圖[18,19]。

2.1 等值線圖差值法

本文等值線圖法作圖遵循反距離加權(quán)法插值的原理：假設(shè)空間待插點(diǎn)為P(xi，yp，zp)，P點(diǎn)的鄰域內(nèi)有已知散亂點(diǎn)Q(xi，yi，zi)i=1，2，…，n，利用距離加權(quán)反比法對(duì)P點(diǎn)的屬性值Zp進(jìn)行差值，其差值原理是，待插點(diǎn)的屬性值是待插點(diǎn)鄰域內(nèi)已知散亂點(diǎn)的屬性值的加權(quán)平均，權(quán)的大小與待插點(diǎn)與鄰域內(nèi)散亂點(diǎn)之間的距離有關(guān)，是距離的k(0≤k≤2，一般取2)次方的倒數(shù)。即:

(5)

式中：di為待插點(diǎn)與其鄰域內(nèi)第i個(gè)點(diǎn)之間的距離[20]。

2.2 基于Arcgis的等值線圖繪制步驟

利用ArcGIS軟件中的插值算法得到等值線圖的具體步驟如下：①將數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS：files-Add X Y data，依次導(dǎo)入經(jīng)緯度坐標(biāo)，生成柵格文件(圖1)，得到采樣點(diǎn)的空間分布圖(圖2)；②由柵格文件生成矢量數(shù)字文件；③利用反距離加權(quán)插值(inverse distence weighted)方法內(nèi)插出等值線圖。

圖1 生成柵格文件過(guò)程Fig.1 Process of generating a raster file

圖2 生成柵格文件圖Fig.2 Generate a raster file map

3 虧缺水量等值線圖繪制

根據(jù)計(jì)算出的設(shè)計(jì)典型年下作物虧缺水量，再利用ArcGIS對(duì)華北平原整個(gè)地區(qū)的水分虧缺量進(jìn)行了插值，得到圖3～圖8，分別為華北平原冬小麥豐水年、枯水年、平水年，夏玉米豐水年、枯水年、平水年的虧缺水量等值線圖。圖中顏色越淺區(qū)域表示虧缺水越多，可直觀的表征華北平原主要作物生長(zhǎng)期間的水分虧缺量。

圖3 冬小麥豐水年虧缺水量等值線圖Fig.3 Contour map of winter wheat flood water deficit

圖5 冬小麥枯水年虧缺水量等值線圖Fig.5 Contour map of winter wheat dry water deficit

圖6 夏玉米豐水年虧缺水量等值線圖Fig.6 Contour map of summer maize flood water deficit

圖7 夏玉米平水年虧缺水量等值線圖Fig.7 Contour map of summer maize flat water deficit

圖8 夏玉米枯水年虧缺水量等值線圖Fig.8 Contour map of summer maize dry water deficit

4 結(jié) 論

通過(guò)以上作物虧缺水量等值線圖，主要得出以下結(jié)論：

(1)由圖3～圖8可知，以安徽徐州為界，以北地區(qū)冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)期間水分虧缺嚴(yán)重，尤以開(kāi)封、濟(jì)南呈帶狀分布，以南地區(qū)，水分仍以虧缺為主，僅在夏玉米生長(zhǎng)季節(jié)的豐水年和平水年有所盈余。為了緩解華北平原地下水下降速度減少地區(qū)用水過(guò)量的問(wèn)題，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性，遵循可持續(xù)發(fā)展的原則，冬小麥種植應(yīng)盡量避免在開(kāi)封、濟(jì)南、濰坊所在帶狀區(qū)域。

(2)華北地區(qū)冬小麥生育期內(nèi)需水量在444.4～894.6 mm之間，缺水量在29.8～743.2 mm，不同水文年型條件下冬小麥生育期內(nèi)均需要灌溉；山東、河南、北京虧缺水量最大，河北和天津虧缺水量次之，江蘇和安徽因地理位置偏南，降水量偏多，虧缺水量較少。華北地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)需水量在304.3 ～636.1 mm之間，缺水量在-370.1～283.7mm，夏玉米生育期內(nèi)需水量較冬小麥為低，而降水量則高于冬小麥，在豐水年，除少部分區(qū)域需要補(bǔ)充灌溉少量水外，大部分區(qū)域降水量有所盈余，平水年也有部分區(qū)域降水量可滿足作物需水量。虧缺水量最嚴(yán)重的地區(qū)為河北、北京和山東，河南和天津次之，安徽和南京虧缺水量最小。

(3)由ArcGIS插值的整個(gè)華北平原的虧缺水量等值線圖，可知，以安徽徐州為界，以北地區(qū)冬小麥和夏玉米生長(zhǎng)期間水分虧缺嚴(yán)重，尤以開(kāi)封、濟(jì)南呈帶狀分布，以南地區(qū)，水分仍以虧缺為主，僅在夏玉米生長(zhǎng)季節(jié)的豐水年和平水年有所盈余。

(4)本文定量計(jì)算了華北地區(qū)冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)的作物虧缺水量，為華北地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)虧水量等值線圖的分析，確定了不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)虧水程度，為確定華北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的優(yōu)先次序及重點(diǎn)調(diào)整區(qū)域提供理論支撐。

本文研究結(jié)論適用于對(duì)精度需求度較低，側(cè)重于趨勢(shì)分析的大面積宏觀規(guī)劃分析，例如定制灌溉制度、調(diào)整農(nóng)業(yè)作物種植結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源配置等研究，可為其提供參考依據(jù)，本文數(shù)據(jù)精度不適用于指導(dǎo)小規(guī)模田間灌溉。

建議下一步可考慮以本文的作物虧缺水量為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對(duì)地表水和地下水水資源的承載能力進(jìn)行分析，為華北地區(qū)水資源的優(yōu)化配置和作物種植結(jié)構(gòu)的逐步調(diào)整提供理論支撐。本文的不足之處為對(duì)華北平原20個(gè)區(qū)域的虧缺水量進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)于其他區(qū)域的虧缺水量進(jìn)行了內(nèi)插計(jì)算，但是內(nèi)插值與實(shí)際數(shù)值是否有偏差并沒(méi)有進(jìn)行分析，有待進(jìn)一步研究確定。

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