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，嚴昌榮，* ，居 煇，楊建瑩

(1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081;2.農業部旱作節水農業重點實驗室，北京 100081;3.農業部農業環境重點實驗室，北京 100081)

糧食安全是當前國內外關注的焦點，尤其是近年來國內外糧食供需矛盾越來越突出。隨著糧食主產區持續向缺水和生態脆弱的北方地區轉移，水土資源不相匹配、水資源匱乏對糧食生產的影響更加凸顯［1］。在水資源方面，我國降水呈現總量少、年際分布不均勻且在全球氣候變化的影響下變化愈加復雜等特性。據統計，1956—2005年降水總量81%分布在長江流域及以南地區，而60%以上的耕地卻集中于北方地區，且以400 mm等雨量線以東地區為主。隨著我國糧食主產區逐漸向中部和北部轉移，單位耕地面積上水資源的占有量還將進一步減少，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，農業灌溉水量銳減，用水效率低，進一步影響了我國的糧食產量。據統計，我國2/3的糧食產量來自于占總耕地面積1/2的灌溉面積上［2］，在農業生產的規劃和實際灌溉管理中，常常通過加大灌溉力度滿足農田用水的需求，而土壤水卻在無效消耗。據相關分析，整個華北地區降水量的55%以上轉化為土壤水資源［3］，黃淮海大部分地區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律，對因地制宜地采取綜合節水措施，提高農業水資源利用效率，緩解水資源供需矛盾具有重要意義。

隨著氣候變化的加劇，農業水資源對氣候變化尤其是全球變暖的響應問題，包括水循環、水量時空分布、降水極端事件與洪澇災害等的改變逐漸受到關注［5］。作物降水虧缺是引起作物減產的重要原因［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灌溉用水量的基礎［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，農業技術措施也會對作物需水產生影響。多年來，對作物需水量的研究主要集中在田間或點的水平，主要采用經驗公式法、水量平衡法［9-11］和微氣象學法［12］等，并取得了較大進展。以能量平衡原理為基礎的Penman公式法，只需利用常規氣象資料便可較為準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，有關作物系數的研究工作開展的也比較廣泛，全國許多地方都對當地主要農作物的作物系數進行了測定，積累了比較豐富的資料。但關于區域尺度作物降水虧缺研究還相對較少，大多局限在區域全年內水分變化或者作物全生育期內降水盈虧方面，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世紀近10年兩個時期華北地區氣候資源及冬小麥生育期的變化，發現華北地區北部年均氣溫及≥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℃積溫也呈現增加趨勢，但降水增多，日照下降，出現暖濕趨勢;冬小麥生育期也發生了不同程度的變化，播期普遍推遲7—10 d，拔節期提前，其中北部地區幅度較大，約5—10 d，大部分地區冬小麥成熟期推遲5—10 d。本文旨在基于華北地區兩個不同時間階段氣象數據和冬小麥生育期資料，研究冬小麥各生育階段內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，為及早建立預警預報系統，合理利用農業水資源、緩解水資源供需矛盾提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本文采用國家“十一五”科技支撐計劃“農田水分生產潛力適度開發研究”項目對華北地區的劃分方法。華北地區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，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。據統計，該區耕地面積約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、棉花和花生等優勢農產品的主產區。

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

1.2 數據來源

本文采用的氣象資料來源于國家氣象局。從華北地區及周邊篩選出107個具有1971—2009年完整觀測序列的氣象站點作為分析對象(華北地區內72個氣象站點和華北地區周邊35個氣象站點)。20世紀70年代冬小麥生育期數據來源于文獻［19］，21世紀近10年冬小麥生育期數據來源于對華北地區各縣市的冬小麥生育期調研資料。冬小麥各生育期階段的作物系數來源于文獻［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(kPa/℃);T為空氣平均溫度(℃);U2為在地面以上2m高處的風速(m/s);es為空氣飽和水汽壓(kPa);Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率(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，ET0i是第i階段參考作物蒸散量(mm)。

有效降水量是根據美國農業部土壤保持局推薦的方法，其有效性已在許多學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降水虧缺量變化對降水量、平均溫度、日照時數、相對濕度和風速5個基本氣象要素的變化的響應，構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70年代)和末期(21世紀近10年)的降水虧缺量(mm)，xt、xt+1分別為相應的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70年代和21世紀近10年)冬小麥生育期內降水虧缺變化情況，明確華北地區冬小麥生育期內水分供需平衡變化特征，本文近10年華北地區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冬小麥生育期內降水虧缺愈加嚴重，研究結果與陳玉民［15］、王文峰［23］研究結論基本一致。河北省南部保定、石家莊地區，河南省鄭州以及山東省濟南地區冬小麥全生育期內降水虧缺加重程度明顯。河南省鄭州以及山東省濟南地區70年代冬小麥全生育期內降水虧缺量在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，山西省北部地區以及山東省膠東半島地區冬小麥全生育期內降水虧缺程度有所緩和。70年代，這部分地區冬小麥全生育期內降水虧缺量在300—350 mm，近10年來該地區冬小麥全生育期內降水虧缺量下降至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，華北地區冬小麥播種期—返青期內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冬小麥播種期—返青期內干旱程度加重，變化幅度在40 mm以上，是華北地區冬小麥播種期—返青期內降水虧缺變化最為劇烈的地區，這部分地區需要灌溉來滿足冬小麥對水分的需求。大部分地區冬小麥返青期—拔節期內降水虧缺程度有所緩解，只在華北中部地區有所加重(圖3)。河北省南部邯鄲、衡水地區，河南省東北部及山東省西部地區冬小麥拔節期—抽穗期內干旱程度加劇(圖3)，增加幅度可達20 mm以上。冬小麥拔節期—抽穗期內降水虧缺程度加重，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期—抽穗期表現為水分盈余，而近10年來這部分地區出現干旱，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和江蘇省泰州地區近10年雖然也表現為水分盈余，但相比盈余量減少。華北中部地區冬小麥抽穗期—成熟期內降水虧缺有所緩解，西南部地區冬小麥抽穗期—成熟期內干旱加劇(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—成熟期內降水虧缺得到緩解，幅度可達20 mm。河南省南部及安徽省阜陽、淮南地區冬小麥抽穗期—成熟期內干旱加重，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，是決定千粒質量的關鍵期，在這個時段內，河南省南部及安徽省阜陽、淮南地區水分虧缺較重，生產中應密切關注土壤墑情，做到適時灌溉，才能獲得高產。

2.3 冬小麥生育期內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降水虧缺變化原因，本文以冬小麥拔節—抽穗期為例，拔節—抽穗期是冬小麥生殖生長主階段，利用構建的敏感度分析模型，分別對華北平原內的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、相對濕度以及風速的敏感性進行了分析計算(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，河南省的鄭州、平頂山和駐馬店地區，以及安徽省的北部地區，而敏感性呈負向負向敏感的站點(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(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，河南省的的鄭州、平頂山和駐馬店地區，以及安徽省的北部地區，而敏感性呈負向負向敏感的站點有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主要分布在山東省和河北省南部地區(圖4)。降水虧缺量對日照時數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，安徽省的北部地區，而具有負向敏感的站點有18個，主要分布在河北省的邢臺和邯鄲地區和山東省和河北省的邢臺和邯鄲地區(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和河南省中北部地區和安徽省的北部地區，而負向敏感性呈負向的站點有19個，主要分布在中部地區。主要分布在中部地區(圖4)。對風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，負向敏感的站點有22個，主要分布在中南部地區(圖4)。

3 結論與討論

(1)70年代與近10年華北地區全生育期內降水虧缺空間分布的總趨勢均表現為: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降水虧缺嚴重，南部地區降水虧缺相對緩和的趨勢。近10年，冬小麥生育期內降水虧缺面積較70年代略有增加。與70年代相比，近10年來華北大部分地區冬小麥生育期內降水虧缺愈加嚴重。河北省南部保定、石家莊地區，河南省鄭州以及山東省濟南地區冬小麥全生育期內降水虧缺加重程度明顯。

(2)近10年，華北地區冬小麥播種期—返青期內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—拔節期內降水虧缺程度有所緩解，只在華北中部地區有所加重，拔節期—抽穗期內虧缺程度加重，只在華北西部山西中部太原地區水分略有盈余，抽穗期—成熟期內降水虧缺有所緩解，西南部地區冬小麥抽穗期—成熟期內干旱加劇，冬小麥抽穗-成熟階段生殖生長時期，是決定千粒質量的關鍵期，在這個時段內，生產中應密切關注土壤墑情，做到適時灌溉，才能獲得高產。

圖4 冬小麥拔節—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)冬小麥拔節期—抽穗期降水虧缺量對日照時數高度正向敏感站點最多，主要分布在河北省北部地區和南部安徽省，華北地區近48年太陽輻射量減弱［24］，日照時數減少，降水虧缺程度加重，其次是風速，降水盈虧量對溫度和降水的高度正向敏感站點最少。

華北區降水量南高北低，而且大部分地區呈現降低的趨勢［25］，而冬小麥需水量卻呈現北高南低的特點［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，將為華北區冬小麥調整合理灌溉時期和灌溉定額，達到合理灌溉提供理論指導。另外，在計算冬小麥生育期內需水量時，為了選取一套完整的冬小麥作物系數值，筆者經過思考對比，最終選用《中國主要農作物需水量等值線圖研究》［15］一書中的冬小麥作物系數作為標準作物系數，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，此套數據是基于20世紀90年代初期的試驗計算得到，至今已經有近20年的時間，是否能夠準確的表征當前作物品種和氣候條件下作物需水特征有待進一步研究。

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