河北省典型區主要作物有效降雨量和需水量特征

曹永強,朱明明,李維佳

遼寧師范大學城市與環境學院, 大連 116029

全球氣候變化不僅影響大氣降水的時空變化特征,而且對作物需水量及作物生長都將產生巨大的影響[1]。作物需水量是指作物生長期間在適宜的土壤水分條件下的棵間蒸發量與葉面蒸騰量的總和,是作物本身生物學特性與環境條件綜合作用的結果。它既是作物栽培管理與灌溉制度的依據,也是農田水利工程設計的基本參數。明確作物有效降雨量和需水量等水資源指標的變化特征,對合理利用降水資源、提高農業水資源利用率等都具有現實意義。河北省是農業大省,也是我國農業取用水量較大的地區之一,在水資源相對短缺的形勢下,節水問題受到高度重視[2]。當前,河北省降水分布不均,農業灌溉用水量遠高于其他行業用水。全年供水總量為用水總量的77.27%,農業用水占總用水量的72.4%。此外,由于供水量不能滿足農業用水總量的需求,因此河北省農業灌溉取水源多來自地下水,據統計,河北省地下水年超采量高達50億m3,超采率高達23%[3]。長期超采地下水進行農業灌溉,不僅對區域內水資源及水環境的安全造成了嚴重的破壞[4- 6],也造成了地面下沉、裂縫和坍塌的危險,對人類生命安全造成極大地威脅。在水資源有限的形勢下,合理分配和利用農業灌溉水量十分必要。

近年來,關于有效降雨量與作物生長需水量受到廣泛關注。邵東國等[7]運用時間序列法建立區域作物需水量長期預報模型,并應用此模型對南水北調中線工程進行了很好的預測；李勇等[8]利用聯合國糧食與農業組織(FAO)推薦的方法對1961—2007年長江中下游地區需水量及有效降雨量進行計算,分別對不同地區單季稻和雙季稻的灌溉需水量及其水分利用效率進行了分析,該方法同時也在寧夏、津京冀、四川等地灌區得到了廣泛應用[9- 11]；叢振濤等[12]利用SRA1B情景對我國3種主要作物需水量進行預測,結果較為準確并得到廣泛認可。李春強等[13]利用FAO推薦的作物需水量計算方法對1965—1999年河北省冬小麥、夏玉米以及春玉米的作物需水量和缺水量變化趨勢進行分析,但研究的時間序列較短且缺少對近15年的研究分析。本文選取河北省雞澤縣作為典型區域,選取區域內種植面積較大且種植結構較為穩定的冬小麥、夏玉米、棉花為3種主要作物類型,采用聯合國糧食與農業組織(FAO)推薦的彭曼公式和作物系數法對有效降雨量及需水量等進行計算分析,最后通過M-K法,對1956—2015年雞澤縣主要灌區的3種主要作物的有效降雨量及作物需水量在不同水文年份的變化趨勢進行分析,以期為河北省其他各市、縣作物合理灌溉提供參考,從而實現水資源優化配置及高效利用。

1 研究區概況、研究方法及數據來源

1.1 研究區概況

本文以河北省邯鄲市雞澤縣為典型區域。雞澤縣位于河北省南端,邯鄲城區東北部。地理坐標介于36°45′—36°58′N,114°43′—114°58′E之間。縣境南北最長24.00 km,東西最寬20.40 km,國土總面積337.00 km2。全縣多年平均蒸發量為1088.00 mm,年內7—8月為濕潤期,9月至次年6月為干旱期[14]。多年平均降水量為497.90 mm,降水量70%—80%集中在汛期的6—9月份,降水量時空分布不均,年際變化懸殊是其主要特征。雞澤縣是典型的平原農業縣,全縣的耕地面積為2.62萬hm2,主要作物類型包括小麥、玉米、棉花、蔬菜等[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 計算方法

(1)作物需水量計算

經國內外大量分析研究表明,在近20多種參考蒸散量計算作物需水量的多種計算方法中,彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式的計算結果在不同條件下都與實測值非常接近,精度較高[16]。因此,本文采用Penman-Monteith公式進行計算。該方法計算簡單,并廣泛應用于實際作物需水量的計算與預報[15]。經過多年改進,FAO- 56推薦使用的公式為：

(1)

式中：ET0為逐日作物蒸散量(mm)；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率值(Kpa/℃)；Rn為作物表面的凈輻射量(MJ/m2)；γ是濕度計常數(kPa/℃)；T為日平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風速(m/s)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa/℃)。

聯合國糧食與農業組織(FAO)作物需水量專家咨詢組認為,在充分供水條件下,通常把某一時段作物蒸散量和作物系數的乘積作為該作物某一時段作物需水量[17]。公式如下：

ETC=KC×ET0

(2)

式中,ET0為逐日作物蒸散量(mm)；KC為作物系數；ETC為逐日作物需水量(mm)。

(2)有效降雨量計算

有效降雨量特指旱作種植條件下,用于滿足作物蒸散需要的那部分降雨量,它不包括地表徑流和滲漏至作物根區以下的部分,同時也不包括淋洗鹽分所需要的降水深層滲漏部分[3]。本文選取FAO推薦的降水量與需水量值的大小比較來確定有效降雨量,公式如下：

(3)

(4)

其中,Pei為日有效降雨量(mm)；P為日降雨量(mm)；Pe作物生育期內的有效降雨量(mm)；n為生育期按旬分組的數量。

(3)缺水量計算

作物缺水量又叫灌溉需水量,是指在全生育期內各個生育階段同期需水量和有效降雨量的差值,公式為：

W=ETC-Pe

(5)

若W>0,表示作物缺水,需補充灌溉；若W=0,表示水分供需平衡；若W<0,表示作物不缺水。

(4)水分盈虧指數計算

作物水分盈虧指數是農業生產監測的一項重要指標。通過計算可得作物水分供需關系,同時可以反映作物生長對水分的需求狀況。

(6)

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

1.2.2 研究方法

(1)曼-肯德爾(M-K)法

曼-肯德爾法是一種非參數統計檢驗方法。該方法借助Matlab軟件的程序編寫對序列數據進行計算,得到UF與UK兩條曲線,并用于檢驗序列的變化趨勢。若UF或UK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UF與UK兩條曲線出現交點時,且交點在臨界值之間則表示該時刻為突變開始時刻[18]。本文選定顯著水平為α=0.05,則對應的臨界值為±1.96。

(2)分段單值平均系數法

分段單值平均作物系數法是一種無需大量數據下的一種較為簡單的計算作物系數的方法,可廣泛應用于作物生育期需水量的計算、灌溉系統規劃設計以及灌溉管理等方面。該方法是根據各階段葉面蒸騰和土面蒸發的變化規律,用一個時段平均值表示該階段的作物系數[19]。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[19]。

1.3 數據來源

本文選取時間序列較長、結果較為準確的雞澤縣雨量站1956—2015年逐日降雨量的觀測數據,所用氣象資料均由中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/)提供,包括日最高氣溫、日最低氣溫、平均溫度、平均風速、日照時數、平均相對濕度和平均氣壓等。氣象數據在發布前已經過時間一致性和極值檢驗,質量可靠。

作物生育期數據來源于當地農業氣象試驗站,對3種主要作物(冬小麥、夏玉米、棉花)發育期數據進行統計后取多年平均值,結果如表1所示。其中,夏玉米和棉花的作物系數變化主要分為初始生長期(S1)、快速發育期(S4)、生育中期(S5)和成熟期(S6)四個階段,由于冬小麥具越冬特性,因此還有凍融期(S2)及越冬期(S3)共6個階段。

表1 三種主要作物生育日期表

*符號“/”表示該作物不具有此生育期,因此無數據

2 結果分析

2.1 作物需水量分析

根據雞澤縣氣象站近60 a逐日氣象數據,結合公式(1)得到1956—2015年雞澤縣蒸散量,具體變化情況如圖1所示。

如圖1,近60 a雞澤縣年蒸散量整體呈顯著下降趨勢,蒸散量的傾向率為-32.6 mm/10 a,年際間平均蒸散量為1166.9 mm。1964年雞澤縣年蒸散量最低,年蒸散量僅為1031.6 mm,低于年際平均值的11.6%。峰值出現在1968年,年蒸散量為1447.0 mm,與年際平均蒸散量相比高出280.2 mm。1965年以后年際之間變化波動不一,整體上呈現增減交替出現,但總體呈下降趨勢并通過了P<0.001的顯著性檢驗。

圖1 1956—2015年雞澤縣蒸散發量變化趨勢圖Fig.1 Change trend of evaporation in Jize county during 1956—2015

作物系數受作物種類、生育期、葉面積指數、地域等因素影響,不同環境下作物系數有所差別。作物系數反映的是作物本身的生物學特性對作物需水量的影響[20- 21]。本文根據分段單值平均作物系數法,結合表1中作物發育期情況,得到3種主要作物在不同生育期的作物系數。3種主要作物不同生育期作物系數的計算結果如圖2所示。

圖2 不同生育期作物系數變化趨勢圖Fig.2 Variation trend of crop coefficient at different growth stages初始生長期(S1)、凍融期(S2)及越冬期(S3)快速發育期(S4)、生育中期(S5)和成熟期(S6)

如圖2不同生育期,冬小麥值KC在[0.4,1.17]區間內變化,夏玉米KC在[0.55,1.14]區間內變化,4個時期內棉花KC在[0.28,1.15]區間內變化。根據作物需水量的計算公式(2),得到近60 a雞澤縣不同作物在不同時期的作物需水量,如圖3所示。

圖3 近60 a不同生育期作物需水量變化情況Fig.3 Changes of crop water requirement at different growth stages in recent 60 years

整體來看,近60 a不同生育期的冬小麥、夏玉米及棉花平均作物需水量分別為83.4、114.2、136.6 mm,且各生育期之間需水量不同,棉花需水量差異最大。初始生長期,各作物間作物需水量有所差異,夏玉米的需水量最大。僅冬小麥存在凍融期及越冬期,且作物需水量較小。快速發育期棉花需水量達到最大值,是平均需水量的166.8%,冬小麥需水量是上一時期的257.8%,夏玉米的需水量相較于初始生長期需水量減少44.7%。在生育中期,冬小麥的需水量達到最大值。成熟期3種作物需水量波動最大,需水量迅速減少。

結合公式(1)和(2)對3種主要作物在近60 a作物需水量進行計算。具體變化情況如圖4所示。

近60 a來,雞澤縣3種作物需水量年際變化如圖4所示。整體來看,3種作物需水量均呈顯著性減少的趨勢變化。冬小麥需水量整體呈顯著性減少趨勢變化,變化傾向率為-16.4 mm/10 a,多年平均需水量為500.5 mm；1956—1976年呈不顯著增加趨勢；1977—1987年呈不顯著減少趨勢,且1985年出現1個突變點；1988年以后冬小麥需水量呈顯著性減少趨勢變化。夏玉米需水量整體呈顯著性減少趨勢變化,變化傾向率為-13.3 mm/10 a,多年平均需水量為456.8 mm；1956—1958年呈不顯著增加趨勢；1959—1986年呈不顯著減少趨勢；至1988年出現1個突變點,1989年以后均呈顯著性減少趨勢。棉花需水量整體呈顯著減少趨勢變化,變化傾向率為-28.7 mm/10 a,多年平均需水量為575.7 mm；1956—1977年呈不顯著減少趨勢,且年際間變化幅度較小；1978—2015年呈顯著性減少的趨勢變化。

將本文計算結果與文獻[11]李春強等對河北省近35年同一作物需水量變化趨勢分析的計算結果進行對比,本文計算結果略大,這是因為本文數據來源及數據篩檢較為嚴苛,且典型區域的選擇不同,加上本文研究時間序列更為完整,因此準確度更高,計算結果有所差異,但作物需水量的變化趨勢基本一致。

圖4 近60 a雞澤縣3種主要作物需水量變化趨勢圖Fig.4 Trend of water requirement of three main crops in Jize County in recent 60 years

2.2 作物有效降雨量分析

如圖5所示,不同生育期內冬小麥、夏玉米及棉花平均有效降雨量分別為13.6、55.6、70.1 mm,作物在生育中期有效降雨量最高,初始生長期和成熟期有效降雨量較小。初始生長期,各作物有效降雨量較小。僅冬小麥具有凍融期及越冬期,且有效降雨量較小。快速發育期冬小麥和棉花有效降雨量是分別是平均有效降雨量的141.2%和84.0%,夏玉米有效降雨量相較于初始生長期上升了74.6%。生育中期,各作物有效降雨量達到最大值。成熟期有效降雨量迅速減少。

圖5 近60 a不同生育期有效降雨量變化情況Fig.5 Changes of effective precipitation at different growth stages in recent 60 years

根據對3種主要作物需水量和作物系數的計算結果,結合公式(3)和(4),得到雞澤縣3種主要作物近60 a的有效降雨量變化趨勢,如圖6所示。

圖6 近60 a雞澤縣3種主要作物的有效降雨量變化趨勢圖Fig.6 Trend of effective precipitation of three main crops in Jize County in recent 60 years

近60 a雞澤縣3種作物的有效降雨量變化情況如圖6所示,從年際波動情況來看,3種作物均呈不顯著減少趨勢變化,變化較為一致,且均在19世紀50—70年代發生突變現象。其中,冬小麥有效降雨量變化傾向率為-2.2 mm/10 a,多年平均有效降雨量為80.8 mm；1956—1973年呈增減交替趨勢變化；1974年以后呈不顯著減少趨勢變化,1978年有效降雨量最小,為29.7 mm；近60 a共出現5次突變現象,均發生在1967年之前。夏玉米有效降雨量變化傾向率為-6.3 mm/10 a,多年平均有效降雨量為222.5 mm；1956—1977年呈不顯著增減交替趨勢；1978—1996年呈不顯著減少趨勢,1992年有效降雨量最小僅為110.6 mm；1997年以后呈顯著減少趨勢；此外,1971年出現突變現象。棉花的有效降雨量變化傾向率為-6.4 mm/10 a,平均有效降雨量為280.5 mm；1956—1965年呈不顯著增減交替趨勢；1966年以后呈不顯著減少趨勢變化,1978年最低僅為146.9 mm；近60 a共出現6次突變現象。

2.3 作物缺水量分析

圖7為河北省主要作物近60 a不同生育期內作物缺水量變化情況。不同生育期內冬小麥、夏玉米及棉花平均缺水量分別為69.7、58.6、66.5 mm。初始生長期夏玉米缺水量達到不同生育期最大值,冬小麥和棉花的缺水量小于平均值；凍融期及越冬期的冬小麥缺水量隨需水量較低而有所減少；快速發育期棉花的缺水量達到最大值,夏玉米的缺水量達到最小值；生育中期冬小麥的缺水量達到最大值,棉花缺水量較上一時期下降了85.0%,夏玉米有所上升；成熟期冬小麥和棉花的缺水量迅速下降,而夏玉米缺水量僅比上一時期下降2.4 mm。在需水量和有效降雨量的共同作用下,不同生育期間缺水量變化情況與需水量及有效降雨量有所差異。

圖7 近60 a不同生育期缺水量變化情況Fig.7 Changes of Water deficit at different growth stages in recent 60 years

根據公式(5)對近60 a雞澤縣缺水量進行計算,并繪制缺水量變化趨勢圖。

由圖8,在需水量遠超于有效降雨量的情況下,3種作物缺水量均大于0,說明雞澤縣在近60 a都處在水資源入不敷出的狀態,加上作物本身及外在因素的共同作用,年際間各個作物變化趨勢差異較大。冬小麥缺水量整體呈顯著性減少趨勢變化,變化傾向率為-13.2 mm/10 a,多年平均缺水量為418.9 mm；1956—1985年基本上呈不顯著性增加趨勢；1986—1998年呈不顯著減少趨勢變化,且在1995年出現1個突變點；1999年以后呈顯著性減少的趨勢變化。夏玉米缺水量整體呈不顯著減少的趨勢變化,變化傾向率為-7.0 mm/10 a,多年平均缺水量為234.3 mm；1956—2006年呈不顯著增減交替趨勢,且在2003年及2004年出現突變現象；2006年以后呈不顯著減少的趨勢。棉花缺水量整體呈顯著性減少的趨勢變化,變化傾向率為-22.3 mm/10 a,多年平均缺水量為295.2 mm；1956—1974年呈不顯著增加趨勢；1975—1987年呈不顯著減少趨勢變化；1988年以后棉花缺水量減少趨勢,并通過0.05的顯著性檢驗,到2015年棉花缺水量為200.0 mm。本文計算結果與文獻[11]李春強等對河北省近35年農作物缺水量變化趨勢分析結果的基本一致。

圖8 近60 a雞澤縣3種主要作物的缺水量變化趨勢圖Fig.8 Trend of water deficit of three main crops in Jize County in recent 60 years

2.4 作物水分盈虧指數分析

水分盈虧指數不僅考慮了降水和作物蒸散量兩項因子,也反映了實際供水情況與最大水分需要量的平衡關系,可以較好地表征農田濕潤度和作物旱澇情況。因此,根據公式(6),對河北省雞澤縣近60 a 3種作物全生育期內的水分盈虧指數進行計算和分析,結果如圖9所示。

圖9 近60 a雞澤縣3種主要作物的水分盈虧指數變化趨勢圖Fig.9 Trend of moisture loss index of three main crops in Jize County in recent 60 years

整體上看,雞澤縣近60 a一直處于水資源嚴重短缺的狀態中,3種作物的水分盈虧指數變化趨勢基本相似。冬小麥、夏玉米和棉花的平均水分盈虧指數分別為-83.6%、-51.4%和-51.4%。冬小麥水分盈虧指數最大值出現在1963年,為-63.7%,最小值為1981年的-94.7%。與其他兩種作物相比,夏玉米水分盈虧指數較大,1992年水分盈虧指數最小,為-75.5%；2003年出現最大值,為-28.0%。棉花水分盈虧指數變化幅度較大最大值和最小值出現在1991年和1978年,分別為-30.0%和-73.7%。

3種作物的水分盈虧指數均在(-100,-20)的區間范圍內變化,參照我國氣象干旱等級(GB/T20481—2006)及農業干旱等級國家標準(GB/T32136—2015)的劃分標準對3種作物進行劃分,近60 a雞澤縣冬小麥水分盈虧指數處于中旱、重旱的干旱等級,夏玉米和棉花水分盈虧指數均處于輕旱、中旱的干旱等級。

3 結論與討論

3.1 結論

1)作物需水量研究表明,近60年雞澤縣3種主要作物需水量均呈顯著性減少的變化趨勢,不同作物多年平均需水量大小為棉花>冬小麥>夏玉米,其中冬小麥最大需水量為593.2 mm出現在1968年,夏玉米最大需水量為581.6 mm也出現在1968年,棉花需水量最大為710.4 mm出現在1972年。通過突變檢驗分析發現,需水量出現明顯拐點的時期均出現在20世紀80年代,這與作物品種改良有著直接關系。作物需水量的不同與作物自身的生理特性有關,從不同生育期作物需水量變化來看,冬小麥、夏玉米、棉花最大需水量出現時期有所不同,分別位于生育中期、初始生長期和快速發育期。

2)有效降雨量研究表明,近60 a雞澤縣3種作物的有效降雨量均呈不顯著減少的變化趨勢,滿足作物生長所需的天然降水量逐漸減少,冬小麥、夏玉米和棉花多年平均有效降雨量順序為棉花>夏玉米>冬小麥,其中冬小麥最大有效降雨量為170.4 mm出現在1963年,夏玉米最大有效降雨量為320.5 mm出現在1961年,棉花最大有效降雨量出為422.7 mm出現在1973年。由于冬小麥的生育期集中在冬春兩季,與北方降水不同期,因此有效降雨量遠低于夏玉米和棉花。從不同生育期來看,3種作物的有效降雨量均在生育中期達到最大。

3)從年際間作物缺水量變化情況來看,3種作物缺水量均呈下降趨勢,不同作物多年平均缺水量大小順序為冬小麥>棉花>夏玉米,突變點均出現在20世紀末至21世紀初。從水分盈虧指數來看,年際間冬小麥水分盈虧指數在(-100,-60)范圍內上下波動,夏玉米和棉花的水分盈虧指數均在(-80,-20)范圍內變化。盡管冬小麥需水量和有效降雨量的最大值出現在同一生育期,但水分盈虧指數相對較低,導致干旱等級較高,因此冬小麥缺水形勢更為嚴峻。值得注意的是,3種作物缺水量的變化規律與需水量基本相似。

3.2 討論

相關研究表明，近50年來,我國華北地區氣溫增幅較大,且平均增溫率超過全國的增溫率[22- 23]。氣溫升高理應導致地表蒸散量增加,而雞澤縣的蒸散量呈逐年遞減趨勢變化,這是由于溫度僅是引起蒸散量變化的因素之一,日照時數、風速、相對濕度及降雨量等也對蒸散量起到主要影響的作用,另有研究表明人類活動的影響也是制約蒸散量變化的重要因素之一[24]。因此,作物需水量也呈逐年遞減的趨勢變化。此外本文僅以雞澤縣為典型區域對河北省冬小麥、夏玉米和棉花的有效降雨量和需水規律進行研究分析略有不足,若增加典型區域個數,并且對典型區域進行空間對比,結果將更加精確。

當前河北省旱情較為嚴重,在自然水資源嚴重匱乏及氣候暖干化的背景下,農作物的缺水量理應增加。但對河北省作物缺水量的研究發現,在有效降雨量逐年減少的條件下,作物缺水量并未增加。主要歸因于近年來河北省大力超采地下水來滿足農業需水要求[25],然而,近年來隨著地下水嚴重超采現象,國家相關部門和地方政府已經采取相應的調控措施,地下水超采已嚴重影響到作物生長和水資源保護的協調發展,故此如何在水資源得以保護的前提下,解決作物生長灌溉用水問題,提高糧食生產安全將是未來研究的主要方向,單純就河北省來講,南水北調中線工程修建開通[26]作為可靠的替代水源將對受水區——河北省的糧食安全起到一定促進作用。

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