黑龍港地區的農業干旱風險評估

毛萌++任理++韓琳琳

摘要：干旱是黑龍港地區最嚴重的農業氣象災害，評估冬小麥各生育階段的干旱風險可為合理制定灌溉制度、采取相應的防旱抗旱措施提供依據。基于驗證后的APSIM模型所模擬的1961年-2005年31個點的土壤含水量動態，計算得到了冬小麥各生育期的土壤相對濕度干旱指數，分析了農民方案和優化方案的該地區的農業干旱時空分布特征。結果表明，干旱頻率發生較高的時期農民方案中是播種越冬期和返青拔節期，分別為4889%和2760%；基于“吳橋模式”的優化方案是越冬返青期、返青拔節期和灌漿收獲期，干旱發生的頻率為5161%、3978%和6222%。易發生干旱的地方多位于邢臺、衡水南部和邯鄲北部。在冬小麥各生育階段，干旱指數年際變化顯示出兩種方案的變化趨勢基本一致。盡管總體說來優化方案發生干旱的風險要高于農民方案的，但基于“吳橋模式”的優化方案充分發揮了根系帶的土體水庫功能，減少了灌溉水，能夠高效利用土壤水，如果全區31個點在1961年-2005年間，均按照優化方案灌溉，相比農民方案總共可節水61 785 mm，表明“吳橋模式”可在黑龍港地區推廣，它在一定程度上可規避干旱風險，同時能達到節水、穩產的目標。

關鍵詞：土壤相對濕度；農業干旱；黑龍港地區；冬小麥；吳橋模式

中圖分類號：TV122；S152.7 文獻標志碼：A 文章編號：16721683（2016）06001809

Risk assessment of agricultural drought in Heilonggang District

MAO Meng，REN Li，HAN Linlin

（College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University；

Key Laboratory of Arable Land Conservation（North China），Ministry of Agriculture，Beijing 100193，China）

Abstract：Drought is the most severe agricultural meteorological disaster in Heilonggang District，assessment of drought risk during different growing stages of winter wheat may provide basis to determine rational irrigation schedule and to prevent and control drought.Based on the simulated soil water dynamics of 31 profiles for 1961-2005 using the calibrated APSIM model，relative soil moisture drought indexes were calculated for different growth stages of winter wheat，and the spatial and temporal characteristics of agricultural drought of two scenarios，Farm Scenario（FS） and Optimized Scenario（OS） were analyzed.The results showed that，from the point of view of different growth stages of winter wheat，highfrequency drought occurred in sowingoverwintering stage and turning greenjointing stage for FS，with frequencies of 4889% and 276% respectively，and in overwinteringturning green stage，turning greenjointing stage and grain fillingharvesting stage for OS，with drought frequencies of 5161%，3978% and 6222% respectively.High drought risk frequently occurred in central region and Xingtai，south part of Hengshui and north part of Handan.The time series of relative soil moisture drought index in the different growth stages of winter wheat showed the same change trend in the time series of relative soil moisture drought index of two scenarios.This study suggested that，in general，the relative soil moisture drought index was higher in FS than OS，but the OS，which based on ′Wuqiao Mode′，brought the soil root zone reservoir into play enough，reduced the irrigation water and could use soil water with high efficiency.The total water amount of 61 785 mm could be saved in OS compared to that in FS，if irrigation schedule of the OS was adopted in 31 profiles through the district in the period of 1961-2005.It showed that ′Wuqiao Mode′ can be extended to application in Heilonggang District，and this mode may avoid drought risk in some degree，and can reach the goal of saving water and maintaining high yield.

Key words：relative soil moisture；agricultural drought；Heilonggang District；winter wheat；Wuqiao mode

干旱是一個全球性問題，人類面臨的第一個生態問題就是水分不足[1]。農業是受干旱發生影響首當其沖的部門，因為它依賴于作物生長不同生育期內的水資源和土壤水的保持[2]。據民政部1949年-2003年的統計，中國平均每年受旱耕地面積約2 2316萬hm2，約占各種氣象災害影響耕地面積的60%，因旱災每年損失糧食100億kg[3]。2009年春天的黃淮海平原大旱，以及2009年秋冬至2010年春天的西南特大重度干旱給我國農業生產與糧食安全構成了嚴重威脅。華北地區近20多年來干旱不斷加劇的形勢十分嚴峻，從1970年代后期開始至今，華北的干旱不斷加劇，20世紀90年代后期以來華北地區更是連年出現大旱[3]。霍治國等[4]也指出華北地區最嚴重的農業氣象災害是干旱，受旱和成災面積分別占全國受旱和成災面積的47%和51%。雖然不同學科對干旱有著不同的理解和定義，但農業干旱總是以一定時間和空間范圍內降水缺少，并造成農業減產為特征的[5]。準確地評估與監測干旱的發生發展，是進一步采取科學的對策以減少其不良影響的關鍵，目前國內外研究農業干旱的方法多是制定出各種各樣的干旱評估指標。關于干旱指數的計算和干旱評估方法的研究，在華北平原或黃淮海平原范圍內有過大量的報道[623]，但這些研究成果中，所采用的干旱指數多為氣象干旱指標，如以Z指數[67]、降水距平和減產率[812]、標準化降水指數[1316]、Palmer干旱指數[1718]、干旱綜合指數值[1920]等居多；其他的，劉建棟等[21]建立了具有明確生物學機理的華北農業干旱預測數值模式，袁國富和吳連海[22]使用減產的程度衡量作物干旱程度，康西言等[23]采用作物水分生產函數，嚴登華等[24]結合累積相對濕潤度指數和模糊集對評價法研究了干旱問題。Wu等[25]指出精確的土壤含水量模擬對于評價和預報農業干旱是必要的，也是重要的，土壤含水量要比降雨重要。在采用土壤含水量作為干旱指標方面，房穩靜等[26]、郭晶等[27]、尹正杰等[28]、陳曉楠等[29]、Hunt等[30]、Wu等[25]在不同的地區做過一些研究。在這些以土壤含水量作為農業干旱指標的研究中，尚未見到對黑龍港地區內農業干旱的時空分析。

黑龍港地區氣候干旱少雨，水資源嚴重匱乏，是華北平原的干旱中心，目前其聞名于世的是由于深層地下水超采而形成的深層地下水大漏斗，并且這些漏斗正在逐年擴大加深，節水的任務艱巨而迫切[31]。針對水資源不足和作物高產之間的矛盾，中國農業大學的研究人員們在河北省吳橋縣進行了多年試驗研究，形成了“冬小麥節水省肥簡化高產四統一栽培技術”，在澆好底墑水和生育期間澆1～2水（每次灌溉75 mm）的條件下，產量達到6 000～7 500 kg/hm2，成功地實現了節水、高產、高資源效益三者的統一。河北省將這套節水技術體系定為“吳橋模式”，并大面積推廣應用[3233]。本研究嘗試用土壤相對濕度干旱指數作為農業干旱指標，分析農民方案和基于“吳橋模式”的優化方案下黑龍港地區冬小麥-夏玉米輪作體系下冬小麥生育階段的干旱發生風險及其時空變化規律，探討長期使用“吳橋模式”在該地區應用的農業干旱風險，以期為準確評估冬小麥各生育階段的干旱風險和合理制定灌溉制度、有效的采取相應的防旱抗旱預案提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 資料來源

根據收集的來自氣象、國土、水利和農業等部門的監測與統計資料，應用經過驗證的農業生產系統模型（APSIM）的模擬結果[34]來進行分析研究，有關站點上模型率定的過程，可參考文獻[35]。為了驗證在區域上模型參數的可靠性，我們將在黑龍港地區所采集的31個2 m深的土壤剖面（簡記為31個點）上模擬的產量進行空間插值，然后與縣域尺度的統計年鑒產量進行了對比。在模擬結果中選出了兩種情景，一種是農民情景，是指管理措施參照農民的施肥量和灌溉量及其他日常管理，冬小麥的灌溉時期概化為越冬、拔節、抽穗和灌漿期。施肥管理概化為：冬小麥施播前肥和拔節肥，施氮肥的基追比為1∶2。該方案的1985年-2005年冬小麥產量模擬值與縣域上年鑒產量[36]的平均相對誤差為624%，證明我們對農民方案的概化是可靠的。優化情景是基于“吳橋模式”設置的9種節水省氮方案所選出的保證糧食產量、水分利用效率和氮肥偏生產力都較優的方案基礎上進行晚播增密設置后的方案，即在現有冬小麥播種日期的基礎上晚播10天，對冬小麥的播種密度增至750萬株/hm2。在灌溉上，冬小麥一般在播前、拔節、開花期灌溉，每次灌溉量為75 mm；施肥時間與農民方案一致，但施肥量方面進行了優化。具體的，可參考文獻[37]中的節水省氮情景的設定。在模擬中我們考慮了冬小麥-夏玉米輪作，但在此僅分析展示冬小麥生育期的農業干旱情況。

2 結果與分析

2.1 冬小麥生育期內水分變化特征

圖1顯示了1961年-2005年冬小麥生育期內的作物蒸散量（ETa）、降水量（P）和土壤相對濕度的變化動態。整個冬小麥生育期降雨量較少，45年來平均降水量為151 mm，而平均的實際蒸散量農民方案為269 mm，優化方案為347 mm，降水量不能滿足作物需水量。農民方案的蒸散量模擬的偏小，可能跟早期灌溉量較少、小麥產量模擬的較低有關。由農民方案和優化方案兩種情景下0～50 cm土層的平均土壤相對濕度可以看出，兩種土壤相對濕度基本與降雨量成正相關，通常降雨較多的年份，土層的土壤相對濕度也較高；優化情景中的土壤相對濕度明顯小于農民情景，但兩者的變化趨勢一致。冬小麥生育期內兩種方案的多年平均土壤相對濕度分別為83%和71%。按照表1中的標準，無論哪種情景的平均土壤相對濕度均屬于無旱等級，但實際上在冬小麥的有些生育階段有干旱的發生，所以還需要分生育期來討論。

2.2 冬小麥各生育階段干旱發生頻率變化

特征

利用公式（1）和（2）計算了在黑龍港地區31個點1961年-2005年冬小麥各生育期干旱的發生頻率，統計結果見表2。從表2可以看出，對于冬小麥整個生育期來說，農民方案中發生干旱頻率較高的時期是播種越冬期，約有49%，并且特旱發生的頻率達到了10%，這是因為農民方案中沒有灌溉播前水而是在越冬時期灌溉，從而在這一時期發生了干旱。返青到拔節時期由于耗水量大，所以有大約28%的站點發生了不同程度的干旱；其他生育期干旱發生的頻率基本在4%以下。優化方案由于澆足了底墑，所以播種越冬期內發生干旱的頻率較農民方案有所下降，大約為17%，越冬返青期、返青拔節期及灌漿收獲期是干旱發生頻率較高的時期，分別為52%、40%和62%。雖然在灌漿收獲期發生了干旱，但不會影響冬小麥的產量（限于篇幅，在此未列出）。總體來說，由于優化方案的總灌溉量遠小于農民方案的，優化方案的干旱發生頻率要高于農民方案的；盡管如此，優化方案在產量和水分利用率方面的表現要優于農民方案，所以是可取的。

2.3 基于土壤相對濕度干旱指數的冬小麥

各生育階段干旱空間分布特征

根據公式（1）計算了31個點的1961年-2005年每年冬小麥各生育期的土壤相對濕度，并按表1的分級標準進行了干旱等級劃分，然后對這31個點的多年平均土壤相對濕度值進行kriging插值得到其空間分布并在區域上進行分級顯示（圖2）。比較圖2（a）和圖2（b）可見，農民方案在播種到越冬期有許多地方發生了干旱，是因為農民方案沒有灌溉播前水，而我們的優化方案，在這一時期僅有2個點發生了輕旱。在越冬返青期（圖2（c）和2（d）），由于農民方案有越冬水，所以這個時期的土壤相對濕度要高于優化方案的。雖然優化方案里邢臺市周圍有7個點發生了中旱，但據吳東麗等[10]的研究，在苗期和越冬期，冬小麥處于營養生長階段，水分虧缺并不直接影響產量的形成，加之氣溫較低，土壤蒸發能力較弱，小麥耗水較少，故對水分虧缺并不十分敏感。在返青拔節期（圖2（e）和2（f）），農民方案中有6個點發生了輕旱，但在區域上內僅邢臺和邯鄲的小部分地區發生了輕旱；而優化方案中有6個點發生了中旱，位于研究區內的邢臺市和邯鄲市的縣域的土壤相對濕度都在50%～60%之間，屬于輕旱類型。在拔節期，冬小麥由營養生長逐漸轉入生殖生長階段，葉面積逐漸增大，加之土壤蒸發能力日益增強，小麥耗水量也日益加大，作物產量對水分虧缺越來越敏感[10]。兩個方案都有拔節水，故而拔節孕穗這一時期的土壤相對濕度要高于上一生育期，優化方案雖然有一個點發生了輕旱，但整個區域的土壤相對濕度也達到75%以上（圖2（g）和2（h））。由于拔節孕穗時期是小麥生長的關鍵期，對穗數和穗粒數影響最大[32]，缺水會造成減產，所以要保證這一段時期的土壤墑情。但農民方案的灌溉量明顯過大，使得整個區域的土壤相對濕度基本都高于田持的90%。在孕穗抽穗期（圖2（i）和2（j）），這一時段水分供應較充分，只有優化方案中有1個點發生了輕旱，兩種方案在這個研究區上的土壤相對濕度都大于70%，但土壤相對濕度小于上一個生育期的。在抽穗灌漿期（圖2（k）和2（l）），由于農民方案這一時期有灌溉，所以土壤貯水量繼續增高，優化方案由于上一時期的灌溉水分繼續向下運動，這一時期0～50 cm土體的土壤貯水量較上一時期有所下降，但整個研究區的土壤相對濕度也都大于70%，這說明農民方案中的抽穗水可以省略。吳東麗等[10]指出，在抽穗開花期，冬小麥葉面積最大，作物產量對水分虧缺最為敏感；而農民方案和優化方案都保證了這一時期的充分供水。在灌漿收獲期（圖2（m）和2（n）），農民方案由于有灌溉，0～50 cm土層中的土壤相對濕度大于90%，沒有干旱現象的發生；而優化方案的土壤含水量較上一時期有明顯的下降。農民方案的土壤相對濕度仍然處于超過田持90%的狀態，優化方案中有多于1/2的點出現了干旱，其中有8個點還發生了中旱，整個研究區大部分地區的土壤相對濕度處于50%～60%，屬于輕旱。然而在灌漿成熟期，冬小麥籽粒趨于飽滿，水分虧缺對產量形成的影響漸小[10]，所以我們的優化方案在這個時期雖然出現了干旱，但對產量的影響不大。

2.4 冬小麥各生育階段土壤相對濕度干旱

指數的年際變化特征

將整個研究區31個點每年的冬小麥生長的7個階段的土壤相對濕度取平均后，分析冬小麥各生育時期的土壤相對濕度干旱指數在1961年-2005年間的年際變化。由圖3可以看出，總的來說，農民方案的土壤相對濕度的年際變化較優化方案的年際變化要平緩，這可能是由于農民方案供水較充足，在拔節期以后土壤相對濕度一般在80%～100%間波動，農民方案中，各生育期年際間變異較大的為播種越冬期、返青拔節期和孕穗抽穗期；農民方案由于灌溉量大，反映不出枯水年年份，而優化方案中土壤相對濕度較低的年份一般對應的是枯水年和特枯水年。從5年移動平均線可以看出，兩種方案在各生育期內的平均土壤相對濕度變化趨勢基本一致。在播種越冬期，優化方案的土壤相對濕度高于農民方案的，兩者都是在1967年前呈下降趨勢，1967年-1978年間呈緩慢增加趨勢，1978年-1983年呈急速下降趨勢，1983年以后波動平緩。在越冬返青期，農民方案由于有越冬水，土壤相對濕度的年際間變化不明顯，而優化方案的土壤相對濕度在1967年前呈下降趨勢，1967年-1978年有緩慢增加趨勢，1978年-1985年下降幅度較大，1985年-2005年間呈波動狀態。返青拔節期，兩種方案的土壤相對濕度都是在1990年和1997年最高，而在1999年和2002年最低。在拔節期以后，兩種方案都是在1961年-1964年呈上升趨勢、1964年-1968年呈明顯的下降趨勢，1968年以后成波動狀態，但總體上有略微下降趨勢。綜合這幾個時期土壤相對濕度的變化情況，在拔節期之前，1978年之前為年際間變化相對平緩的時期，1978年-1985年有一明顯的下降趨勢，1985年以后變化也相對平緩，但波動幅度比1961年-1978年間的幅度大。拔節期以后，1961年-2005年間兩種方案均呈緩慢下降趨勢，1998年-2003年間的下降幅度增大，但2003年-2005年稍有所回升。以干旱較嚴重的位于邢臺市廣宗縣的站點為代表，在1961年-2005年間，優化方案相比農民方案可節水2 010 mm，這些水如果按照優化灌溉方案，大約可提供該站點9季冬小麥的生長。如果全區31個點在1961年-2005年間，均按照優化方案灌溉，相比農民方案總共可節水61 785 mm。

3 結論

基于模型模擬的1961年-2005年黑龍港地區31個點的土壤含水量動態，計算得到了冬小麥各生育期的土壤相對濕度干旱指數，分析了兩種方案下該地區農業干旱的時空分布特征。結果表明，（1）對于冬小麥整個生長發育階段來說，農民方案中發生干旱頻率較高的時期是播種越冬期和返青拔節期，優化方案中越冬返青期、返青拔節期和灌漿收獲期是干旱發生頻率較高的時期；干旱均以輕旱為主，中旱次之。雖然優化方案發生干旱的風險高于農民方案的，但并不影響優化方案的產量和水分利用率，還是值得推廣的。（2）從兩種方案的土壤相對濕度干旱指數的空間分布圖可知，對于冬小麥各生育期，黑龍港地區的西部地區的土壤相對濕度干旱指數要小于東部，說明西部發生干旱的風險要大于東部，易發生干旱的地方多位于邢臺、衡水南部和邯鄲北部。（3）從冬小麥不同生育階段土壤相對濕度干旱指數的年際變化特征看，在冬小麥各生育階段，優化方案和農民方案的變化趨勢基本一致，優化方案的土壤相對濕度干旱指數雖然小于農民方案的，但優化方案45年間在全區31個點可節水61 785 mm。

當然，此研究也有一些局限性：由于收集到的評價標準、資料中未涉及到其他層次的土壤相對濕度對應的農業干旱的評判標準，所以只選擇了較淺的50 cm土層用于農業干旱的評價。受收集的資料限制，在模擬時簡單的將整個黑龍港地區分為南北兩個分區，以保定和滄州為界，北部的滄州、保定、廊坊市的縣（市）采用滄州吳橋的農民方案、作物品種，南部的衡水、邢臺和邯鄲的縣（市）采用邯鄲曲周的農民方案、作物品種；并且在45年的模擬時段里，由于缺乏比較詳細的品種變化資料，沒有考慮實際生產中的品種更替；在模擬時，不能滿足每一個模擬站點所在縣域有相對應的氣象站點，基本上是每個地級市一個氣象站，這些都會對模擬結果有影響。總體說來優化方案發生干旱的風險要高于農民方案的，但基于“吳橋模式”的優化方案充分發揮了根系帶的土體水庫功能，減少了灌溉水，能夠高效利用土壤水，并創造前期和后期上層土壤適度水分虧缺的環境，從而可減少氮素損失。優化方案在黑龍港地區的應用表明“吳橋模式”可在黑龍港地區推廣，它在一定程度上可規避干旱風險，同時能達到節水、穩產的目標。參考文獻（References）：

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