华北冬小麦降水亏缺变化特征及气候影响因素分析

2013-12-21梅旭荣严昌荣杨建莹

生态学报 2013年20期

刘勤，梅旭荣，严昌荣，* ，居煇，杨建莹

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081;2.农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081;3.农业部农业环境重点实验室，北京 100081)

粮食安全是当前国内外关注的焦点，尤其是近年来国内外粮食供需矛盾越来越突出。随着粮食主产区持续向缺水和生态脆弱的北方地区转移，水土资源不相匹配、水资源匮乏对粮食生产的影响更加凸显［1］。在水资源方面，我国降水呈现总量少、年际分布不均匀且在全球气候变化的影响下变化愈加复杂等特性。据统计，1956—2005年降水总量81%分布在长江流域及以南地区，而60%以上的耕地却集中于北方地区，且以400 mm等雨量线以东地区为主。随着我国粮食主产区逐渐向中部和北部转移，单位耕地面积上水资源的占有量还将进一步减少，可见，水资源不足和水土资源不相匹配成为影响我国粮食安全的主要因素。与此同时，农业灌溉水量锐减，用水效率低，进一步影响了我国的粮食产量。据统计，我国2/3的粮食产量来自于占总耕地面积1/2的灌溉面积上［2］，在农业生产的规划和实际灌溉管理中，常常通过加大灌溉力度满足农田用水的需求，而土壤水却在无效消耗。据相关分析，整个华北地区降水量的55%以上转化为土壤水资源［3］，黄淮海大部分地区的冬小麦全生育期需水量的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，研究区域尺度上降水量和作物需水量的匹配情况，摸清作物降水亏缺值变化规律，对因地制宜地采取综合节水措施，提高农业水资源利用效率，缓解水资源供需矛盾具有重要意义。

随着气候变化的加剧，农业水资源对气候变化尤其是全球变暖的响应问题，包括水循环、水量时空分布、降水极端事件与洪涝灾害等的改变逐渐受到关注［5］。作物降水亏缺是引起作物减产的重要原因［6］，弄清作物需水量及其空间分布，是确定作物灌溉制度以及地区灌溉用水量的基础［7］。在土壤水分充分的情况下，气象因素是影响作物需水量的主要因素［8］，同时，农业技术措施也会对作物需水产生影响。多年来，对作物需水量的研究主要集中在田间或点的水平，主要采用经验公式法、水量平衡法［9-11］和微气象学法［12］等，并取得了较大进展。以能量平衡原理为基础的Penman公式法，只需利用常规气象资料便可较为准确地计算出参考作物的需水量，该法已成为计算参考作物需水量的一种主要方法［13-14］。我国在作物需水量的研究方面做了大量工作［15-17］，此外，有关作物系数的研究工作开展的也比较广泛，全国许多地方都对当地主要农作物的作物系数进行了测定，积累了比较丰富的资料。但关于区域尺度作物降水亏缺研究还相对较少，大多局限在区域全年内水分变化或者作物全生育期内降水盈亏方面，针对具体作物和具体生育阶段降水亏缺的研究还很少见。杨建莹［18］比较研究了1971—1980年和21世纪近10年两个时期华北地区气候资源及冬小麦生育期的变化，发现华北地区北部年均气温及≥10℃积温增加显著，但降水减少，暖干趋势明显，中部和南部年均气温和≥10℃积温也呈现增加趋势，但降水增多，日照下降，出现暖湿趋势;冬小麦生育期也发生了不同程度的变化，播期普遍推迟7—10 d，拔节期提前，其中北部地区幅度较大，约5—10 d，大部分地区冬小麦成熟期推迟5—10 d。本文旨在基于华北地区两个不同时间阶段气象数据和冬小麦生育期资料，研究冬小麦各生育阶段内降水量与需水量匹配情况，探讨气候变化对冬小麦各生育阶段降水亏缺的影响，为及早建立预警预报系统，合理利用农业水资源、缓解水资源供需矛盾提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文采用国家“十一五”科技支撑计划“农田水分生产潜力适度开发研究”项目对华北地区的划分方法。华北地区主要指长城沿线以南，淮河、秦岭和白龙江以北，黄土高原以东，汾渭河以东地区，包括北京、天津、山西、河北、山东、河南、江苏、安徽等省(市)的全部或部分，共计587个县市(图1)，位于110°12'—122°43'E，31°2'—42°42'N。据统计，该区耕地面积约2.44×107hm2，其中水田面积占3%，水浇地面积占54%，旱地面积占43%。年降水量在500—800 mm，季节分布不均，作物熟制以一年两熟或两年三熟为主，是中国小麦、玉米、棉花和花生等优势农产品的主产区。

图1 华北区主要气象站点分布图Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northern China

1.2 数据来源

本文采用的气象资料来源于国家气象局。从华北地区及周边筛选出107个具有1971—2009年完整观测序列的气象站点作为分析对象(华北地区内72个气象站点和华北地区周边35个气象站点)。20世纪70年代冬小麦生育期数据来源于文献［19］，21世纪近10年冬小麦生育期数据来源于对华北地区各县市的冬小麦生育期调研资料。冬小麦各生育期阶段的作物系数来源于文献［15］。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith 方程

计算参考作物蒸散量的Penman-Monteith公式如下［20］

式中，ET0为参考作物蒸散量(mm/d);Rn为作物表面净辐射量(MJ·m－2·d－1);G为土壤热通量(MJ·m－2·d－1);γ为湿度计常数(kPa/℃);T为空气平均温度(℃);U2为在地面以上2m高处的风速(m/s);es为空气饱和水汽压(kPa);Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa/℃);ea为空气实际水压(kPa)。

1.3.2 小麦生育期内降水亏缺计算方法［16］

式中，Wi为生育期第i阶段水分盈亏量(mm);Pei为第i阶段有效降水量(mm);ETci为第i阶段冬小麦需水量。

式中，ETci是第i阶段冬小麦需水量(mm);kci是第i阶段冬小麦的作物系数，ET0i是第i阶段参考作物蒸散量(mm)。

有效降水量是根据美国农业部土壤保持局推荐的方法，其有效性已在许多学者的研究中予以证明［21-22］。

1.3.3 敏感度分析模型

为了研究作物生育期内降水亏缺量变化对降水量、平均温度、日照时数、相对湿度和风速5个基本气象要素的变化的响应，构建了降水亏缺量对这5个基本要素的敏感度评价模型:

式中，Wt、Wt+1分别为基期(20世纪70年代)和末期(21世纪近10年)的降水亏缺量(mm)，xt、xt+1分别为相应的5个基本气象要素的值;若β＜0表明降水亏缺量对基本气象要素变化呈反向敏感，β的绝对值越大，反向敏感性越强;若β＞0，说明降水亏缺量与基本气象要素同向变化，β值越大，降水亏缺量对基本气候要素变化的正向敏感性越高，即气候要素的较小波动会引起降水亏缺量的较大变化。

2 结果与分析

2.1 冬小麦全生育期降水亏缺变化

为了探讨2个时间阶段(20世纪70年代和21世纪近10年)冬小麦生育期内降水亏缺变化情况，明确华北地区冬小麦生育期内水分供需平衡变化特征，本文近10年华北地区冬小麦全生育期降水亏缺量减去70年代冬小麦全生育期降水亏缺量的差值，对其空间变化特征进行了研究。由图2可见，70年代相比，近10年来华北大部分地区冬小麦生育期内降水亏缺愈加严重，研究结果与陈玉民［15］、王文峰［23］研究结论基本一致。河北省南部保定、石家庄地区，河南省郑州以及山东省济南地区冬小麦全生育期内降水亏缺加重程度明显。河南省郑州以及山东省济南地区70年代冬小麦全生育期内降水亏缺量在200—300 mm，近10年来降水亏缺量增至300—350 mm，变化程度在75 mm以上。河北省唐山、秦皇岛地区，山西省北部地区以及山东省胶东半岛地区冬小麦全生育期内降水亏缺程度有所缓和。70年代，这部分地区冬小麦全生育期内降水亏缺量在300—350 mm，近10年来该地区冬小麦全生育期内降水亏缺量下降至200—300 mm，变化幅度在50 mm以上。

图2 冬小麦生育期内降水亏缺变化空间分布图Fig.2 Variation of water mismatch in whole growth stage of winter wheat

2.2 冬小麦各生育期阶段降水亏缺变化

图3 冬小麦各生育阶段降水亏缺变化空间分布图Fig.3 Variation of water mismatch of winter wheat during different periods

近10年，华北地区冬小麦播种期—返青期内降水亏缺程度自江苏省徐州—河南许昌一线以北都有所增加(图3)。河北省中部及南部、山东省西北部以及山西与河南两省的交界处冬小麦播种期—返青期内降水亏缺变化在20 mm以上，其中以河北石家庄、衡水和山东济南地区冬小麦播种期—返青期内干旱程度加重，变化幅度在40 mm以上，是华北地区冬小麦播种期—返青期内降水亏缺变化最为剧烈的地区，这部分地区需要灌溉来满足冬小麦对水分的需求。大部分地区冬小麦返青期—拔节期内降水亏缺程度有所缓解，只在华北中部地区有所加重(图3)。河北省南部邯郸、衡水地区，河南省东北部及山东省西部地区冬小麦拔节期—抽穗期内干旱程度加剧(图3)，增加幅度可达20 mm以上。冬小麦拔节期—抽穗期内降水亏缺程度加重，华北北部的北京市、天津市、河北省及华北中部的山东省、河南省等省市冬小麦降水亏缺加重，降水亏缺增加量在20 mm以上，另外，70年代，江苏省北部及安徽省北部冬小麦拔节期—抽穗期表现为水分盈余，而近10年来这部分地区出现干旱，亏缺量在20 mm以上，需要灌溉来满足冬小麦对水分的需求。华北南部的安徽省安庆地区和江苏省泰州地区近10年虽然也表现为水分盈余，但相比盈余量减少。华北中部地区冬小麦抽穗期—成熟期内降水亏缺有所缓解，西南部地区冬小麦抽穗期—成熟期内干旱加剧(图3)。近10年来，北京市、天津市、河北省东部和南部、山西省、河南省北部及山东省北部冬小麦抽穗期—成熟期内降水亏缺得到缓解，幅度可达20 mm。河南省南部及安徽省阜阳、淮南地区冬小麦抽穗期—成熟期内干旱加重，幅度在20 mm以上。河南省南部及安徽省南部冬小麦抽穗期—成熟期内水分盈余面积减少，且水分盈余量减少20 mm以上。冬小麦抽穗-成熟阶段是生殖生长时期，是决定千粒质量的关键期，在这个时段内，河南省南部及安徽省阜阳、淮南地区水分亏缺较重，生产中应密切关注土壤墒情，做到适时灌溉，才能获得高产。

2.3 冬小麦生育期内降水亏缺量对影响因素的敏感性特征

为了查明冬小麦生育期内降水亏缺变化原因，本文以冬小麦拔节—抽穗期为例，拔节—抽穗期是冬小麦生殖生长主阶段，利用构建的敏感度分析模型，分别对华北平原内的72个站点70年代和近10年冬小麦降水亏缺量对降水、平均温度、日照时数、相对湿度以及风速的敏感性进行了分析计算(图4)。

降水亏缺量对降水具有正向敏感性的气象站点为53个，其中高度正向敏感(β＞0.9)的站点为18个，中度(0.3＜β＜0.9)13个，低度(0＜β＜0.3)22个，具有较高敏感性的站点主要分布在河北省的秦皇岛、承德和张家口地区，河南省的郑州、平顶山和驻马店地区，以及安徽省的北部地区，而敏感性呈负向负向敏感的站点(β＜0)为19个，主要分布在山东省和主要分布在山东省以及山西省、河北省、和山西省、河南省交界地区(图4)。降水亏缺量对平均温度具有正向敏感性的气象站点也为53个，其中高度敏感的站点18个，中度23个，低度12个，具有较高敏感性较高的站点主要分布在河北省的秦皇岛、承德、张家口和衡水地区，河南省的的郑州、平顶山和驻马店地区，以及安徽省的北部地区，而敏感性呈负向负向敏感的站点有19个，主要分布在山东省以及山西省、河北省和河南省交界地区主要分布在山东省和河北省南部地区(图4)。降水亏缺量对日照时数正向敏感性的气象站点为54个，其中高度敏感的站点30个，中度16个，低度8个，具有较高敏感性较高的站点主要分布在河北省的秦皇岛、承德、张家口、唐山和保定地区，安徽省的北部地区，而具有负向敏感的站点有18个，主要分布在河北省的邢台和邯郸地区和山东省和河北省的邢台和邯郸地区(图4)。降水亏缺量对相对湿度具有正向敏感性呈正向的气象站点为53个，其中高度敏感的站点17个，中度22个，低度14个，具有较高敏感性的站点主要分布在安徽省的北部地区和河南省中北部地区和安徽省的北部地区，而负向敏感性呈负向的站点有19个，主要分布在中部地区。主要分布在中部地区(图4)。对风速具有正向敏感性的气象站点为50个，其中高度敏感的站点22个，中度15个，低度13个，敏感性较高的站点主要分布在河北省的秦皇岛、承德和张家口，天津市以及安徽省的北部地区，负向敏感的站点有22个，主要分布在中南部地区(图4)。

3 结论与讨论

(1)70年代与近10年华北地区全生育期内降水亏缺空间分布的总趋势均表现为:由南向北降水亏缺程度逐减加重，4个不同生育阶段北部地区降水亏缺严重，南部地区降水亏缺相对缓和的趋势。近10年，冬小麦生育期内降水亏缺面积较70年代略有增加。与70年代相比，近10年来华北大部分地区冬小麦生育期内降水亏缺愈加严重。河北省南部保定、石家庄地区，河南省郑州以及山东省济南地区冬小麦全生育期内降水亏缺加重程度明显。

(2)近10年，华北地区冬小麦播种期—返青期内降水亏缺程度自江苏省徐州—河南省许昌一线往北都有所加重，返青期—拔节期内降水亏缺程度有所缓解，只在华北中部地区有所加重，拔节期—抽穗期内亏缺程度加重，只在华北西部山西中部太原地区水分略有盈余，抽穗期—成熟期内降水亏缺有所缓解，西南部地区冬小麦抽穗期—成熟期内干旱加剧，冬小麦抽穗-成熟阶段生殖生长时期，是决定千粒质量的关键期，在这个时段内，生产中应密切关注土壤墒情，做到适时灌溉，才能获得高产。

图4 冬小麦拔节—抽穗期降水亏缺量对影响因素的敏感性格局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)冬小麦拔节期—抽穗期降水亏缺量对日照时数高度正向敏感站点最多，主要分布在河北省北部地区和南部安徽省，华北地区近48年太阳辐射量减弱［24］，日照时数减少，降水亏缺程度加重，其次是风速，降水盈亏量对温度和降水的高度正向敏感站点最少。

华北区降水量南高北低，而且大部分地区呈现降低的趋势［25］，而冬小麦需水量却呈现北高南低的特点［15］。本文基于历史气象资料比较研究了华北区两个时间段冬小麦全生育期和各生育期阶段降水亏缺格局变化特征，将为华北区冬小麦调整合理灌溉时期和灌溉定额，达到合理灌溉提供理论指导。另外，在计算冬小麦生育期内需水量时，为了选取一套完整的冬小麦作物系数值，笔者经过思考对比，最终选用《中国主要农作物需水量等值线图研究》［15］一书中的冬小麦作物系数作为标准作物系数，此值基本能够反映冬小麦不同生育阶段对水分的需求特征。但是，此套数据是基于20世纪90年代初期的试验计算得到，至今已经有近20年的时间，是否能够准确的表征当前作物品种和气候条件下作物需水特征有待进一步研究。

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