石津灌区冬小麦关键生育期逐时降水的变化特征

任庆福,翁白莎,裴宏伟,袁　喆

(1 北京林业大学 水土保持学院,北京 100083；2 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038；3 中国科学院遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心,河北 石家庄 050022)



石津灌区冬小麦关键生育期逐时降水的变化特征

任庆福1,2,翁白莎2,裴宏伟3,袁喆2

(1 北京林业大学 水土保持学院,北京 100083；2 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038；3 中国科学院遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心,河北 石家庄 050022)

【目的】 研究气候变化背景下石津灌区冬小麦关键生育期(拔节期、抽穗期、乳熟期)内有效降水过程的变化，为灌区雨水的高效利用、制定科学合理的灌溉制度提供科学依据。【方法】 采用灌区内部及周边15个气象站1983-2012年4-6月的逐时降水资料，基于降水历时与降水强度的分类标准，运用Mann-Kendall趋势检验，借助ArcGIS平台的反距离插值(IDW)工具，分析了4类有效降水(短历时小雨、长历时小雨、短历时中雨、长历时中雨)在冬小麦3个生育期内发生时刻的变化规律、逐站逐年的累计降水次数以及总降雨量的时空变化规律。【结果】 (1)午后至夜间(14:00-06:00)为4类有效降水的高发时段，其中长历时中雨在拔节期的发生时刻集中在10:00-15:00时段。(2)4类有效降水的累计降水次数以及总降雨量30年的变化趋势一致：①短历时小雨在冬小麦拔节期、抽穗期呈增加趋势，在乳熟期表现出减少趋势；②长历时小雨在拔节期呈增加趋势，抽穗期、乳熟期为减少趋势；③短历时中雨、长历时中雨在1998年以前呈减少趋势，1998年以后短历时中雨在拔节期为减少趋势，其他时期表现为增加趋势，长历时中雨在抽穗期为减少趋势，其他时期则为增加趋势。(3)4类有效降水的累计降水次数以及总降雨量的空间分布一致：拔节期4种类型降水均表现为北多南少；抽穗期不同历时小雨表现为中间少四围多，不同历时中雨则表现为西南多东北少；乳熟期不同历时小雨的空间分布与抽穗期一致，短历时中雨呈北多南少的分布，长历时中雨则呈东多西少的分布格局。【结论】 气候变化背景下冬小麦拔节期有效降水的发生次数和降雨量逐渐增加；乳熟期的有效降水次数和降雨量呈减少趋势。

石津灌区；冬小麦生育期；逐时降水；有效降水；降水历时

充足的水分是保证作物高产稳产的关键因子，在气候变化背景下，华北平原降雨量减少已是不争的事实[1-3]。尽管近50年来华北平原粮食产量持续增加，但这是以超采地下水为代价，华北平原灌溉用水占到水资源消耗总量的70%～75.2%[4-5]，作物的水分供需矛盾日趋紧张。从长远来看，在灌溉用水保持零增长或负增长的条件下，实现粮食产量的提高，必须提高农田水分利用效率。农田水分利用效率主要包括灌溉水利用率、降雨利用率和作物水分利用率[6]，但以往研究偏重于灌溉水利用效率[7]以及作物水分利用效率[8]，对于降雨利用率的研究也只集中在降雨量上[9-10]。就农作物而言，关键生育期内的降水过程对作物产量的影响至关重要，降水的发生时刻、发生频率、历时、强度等指标在时空上的变化很大程度上决定着降水对作物的有效性[11]，然而对降水过程的这些指标特征研究多见于气象[12-14]、极端水文事件[15-16]以及城市暴雨[17-18]等领域，在作物的降雨利用方面却鲜有报道，因而深入了解这些降雨特性对设计及管理农田灌溉系统、提高农田水分利用效率具有重要的理论指导意义。

石津灌区是全国大型灌区，是华北平原典型的井渠结合灌区。存在着灌溉水源不足、水分利用效率较低等问题，农业用水矛盾突出。深入研究该灌区的降水过程，可以充分挖掘作物对降雨的利用潜力、缓解当前灌区的用水矛盾。本研究利用石津灌区及周边15个气象站1983-2012年冬小麦关键生育期的逐时降水资料，以降水历时、降水强度为分类指标，深入分析4类降水在灌区冬小麦3个关键生育期内的发生时刻、发生频次及雨量的时空变化规律，为灌区降雨的高效利用、制定科学合理的灌溉制度、提高农田水分利用效率、实现作物的稳产高产提供必要的理论依据。

1　研究区概况

石津灌区位于东经114°19′～116°30′、北纬37°30′～38°18′，涉及冀县、宁晋、晋县、武强、武邑、深县、深泽、藁城、衡水、赵县、辛集等11个县市，平均海拔30 m(图1)。灌区属于暖温带大陆性季风气候，春季多风干旱、夏季高温多雨，年均降水量为488 mm，且降水年内分布不均，70%的全年降水主要集中在6-8月；多年平均水面蒸发量为1 000～1 200 mm。多年平均气温在12～13 ℃；年均日照时数为2 626 h，无霜期190～200 d；灌区土壤以褐土、潮土为主。灌区内主要作物为冬小麦、夏玉米。

图 1　石津灌区地理位置及周边气象站点

2　资料与方法

2.1数据来源

逐时降水数据采用国家气象信息中心提供的《中国国家级地面气象站逐小时降水数据集》，作物生育期数据采用中国气象科学数据共享服务网提供的《中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集》与《中国生态系统定位观测与研究数据集——农田生态系统卷》(河北栾城站1998-2008)[19]。选取石津灌区内部及其周边共15个气象站点，为保证灌区降水数据的连续性及完整性，将1983-2012年4-6月作为研究时段(图1)。

2.2研究方法

(1)小麦生育期的确定。作物物候期的观测通常以植株高度、叶片数量和叶片长度以及开花时间等为主要指标，考虑到在灌区尺度上的观测误差，忽略气温的变化对冬小麦生育期的影响，本研究假定研究区在研究时段(1983-2012年)灌区内冬小麦生育期不发生变化。根据藁城、栾城、深县、南宫4个站点的作物生长发育日期及栾城试验站的观测结果，确定石津灌区冬小麦关键生育期为拔节期(4月10日-5月1日)、抽穗期(5月1日-5月21日)以及乳熟期(5月21-6月10日)。

(2)降水过程的确定及分类。确定降水间歇长度为2 h作为2次降水过程的分界，即当一次降水过程连续2 h 没有降水时，划分为2次降水过程；将一次降水过程的全部时间定义为降水历时(h)；将该降水过程的雨量定义为次降雨量(mm)；平均雨强(mm/h)定义为次降雨量与降水历时之比，并将峰值雨强(mm/h)定义为一次降水过程中最大的单位降水雨强；同时将文中的总降雨量定义为冬小麦某生育期的全部雨量(mm)；降水次数定义为冬小麦某生育期内发生降水的总次数(次)。

根据降水平均雨强将降水过程分为小雨、中雨、大雨、暴雨4个等级；根据降水历时将降水过程分为长历时降水(≥6 h)和短历时降水(<6 h)[13,15]，因此根据降水历时、降水平均雨强将降水过程分为8类(表1)。

(3)冬小麦生育期有效降水类型的确定。殷水清等[15]认为，降水强度≥10 mm/h的降水过程为极端降水事件，根据表1分类标准，认为短历时大雨、短历时暴雨、长历时大雨、长历时暴雨均为极端降水。极端降水可能会产生大量的径流、引起深层渗漏，使得冬小麦对降水的利用率下降。而降水强度低、持续时间短的降水通常有效性最高，但这类降水存在被冬小麦冠层截留率高、入渗到土壤中易蒸发、持续性低等问题。由此可见，短历时小雨对作物的有效性较高，但受到冬小麦冠层、蒸发、土壤入渗等因子的影响；而长历时小雨、短历时中雨、长历时中雨尽管易发生深层渗漏，但入渗到土壤中的水分充足，消退时间较长。因此本研究重点分析这4类降水。

冬小麦冠层截留量受到小麦品种、叶面积指数、降雨强度、降水历时等因素的影响，本研究依据王迪等[20]的试验结果，取冬小麦在拔节期、抽穗期、乳熟期的最大冠层截留量分别为0.7，1.5，1.2 mm，认为在冬小麦拔节期、抽穗期、乳熟期分别大于0.68 mm、1.47 mm、1.20 mm的降水为有效降水。

(4)灌区降水特征指标的选取及处理。本研究分别对冬小麦拔节、抽穗、乳熟等3个生育期的短历时小雨、短历时中雨、长历时小雨、长历时中雨的发生时刻、发生频率、降水量等3个指标进行分析。各过程降雨量通过反距离权重(Inverse Distance Weighted,IDW)空间插值法求得；降水发生时刻、发生频率按站点统计。运用Mann-Kendall非参数检验法对降水过程各指标序列进行趋势分析；采用最小二乘法计算各降水指标的气候倾向率。

应用Origin9.0、ArcGIS10.0等软件以及Fortran语言对试验数据进行整理分析。

表 1　降水过程的分类结果Table 1　Classification of precipitation

3　结果与分析

3.1各降水过程的统计特征

对灌区内部及周边15个典型站点(晋县、赵县、栾城、宁晋、饶阳、深县、安平、深泽、新河、武强、辛集、衡水、武邑、冀县、枣强)在冬小麦拔节期、抽穗期、乳熟期的降水进行分类，并统计各降雨过程的总降雨量、总降水次数、次降雨量、降雨历时、平均雨强、峰值雨强，结果见表2和表3。由表2可以看出，石津灌区1983-2012年冬小麦关键生育期15个站点逐年逐站统计，共发生 6 151 次降水，总降雨量为29 151.9 mm，平均每站点每年降雨量为64.8 mm。从总降水次数来看，1983-2012年灌区在冬小麦拔节期、抽穗期、乳熟期15个站点分别发生了1 695，2 222，2 234次降水，其中短历时降水发生了1 238，1 601，1 759次，分别占到总降水次数的73.0%，72.1%，78.7%。3个生育期小雨发生次数分别为1 608，2 055，1 990次，分别占到总降水次数的94.9%，92.5%，89.1%。短历时小雨在3个生育期发生次数分别为1 179，1 482，1 562次，逐渐增多，相应的总降雨量也逐渐增加，每次降雨量都在1.25～1.28 mm。3个生育期内均未发生长历时暴雨，而短历时暴雨在拔节、抽穗2个时期内各发生1次，在乳熟期发生了8次；长历时大雨在抽穗期发生了1次，仅在乳熟期发生了2次，但平均每次降雨量可达68.75 mm，由此可见灌区冬小麦在乳熟期有极端降水的发生。

表 2　各降水类型降雨量与降雨次数逐站统计结果(1983-2012年)Table 2　Amount and frequency of different precipitation at each station (1983-2012)

注：“-”表示无此数据。表3同。

Note：“-” means no data.The same for Table 3.

表 3　各降水类型降水历时和降水强度逐站统计结果(1983-2012年)Table 3　Duration and intensity of different precipitation at each station (1983-2012)

由表3可以看出，短历时降雨在冬小麦3个生育期内的平均历时为2.2 h，长历时降雨平均历时为9.7 h；短历时降雨在3个生育期之间的降雨历时、平均雨强、降雨峰值变化不大，其中短历时小雨平均历时为2.22 h、平均雨强为0.51 mm/h、降雨峰值为0.86 mm/h；短历时中雨也具有同样的规律，平均历时为2.66 h、平均雨强为4.31 mm/h、降雨峰值为8.14 mm/h；长历时小雨在乳熟期降水历时有所减少，但降雨峰值可达3.16 mm/h；长历时中雨在拔节期平均雨强为3.45 mm/h。极端降水在3个生育期内的降雨历时、平均雨强、降雨峰值变化较大，短历时暴雨在拔节、抽穗期平均历时均为1.00 h，但在乳熟期平均历时达到2.00 h；短历时大雨的平均雨强在抽穗期为9.42 mm/h，在乳熟期达到10.53 mm/h。

将次降雨量超过冬小麦最大冠层截留量的4类降水(短历时小雨、短历时中雨、长历时小雨、长历时中雨)进行重新统计，结果见表4。由表4可知，灌区长、短历时小雨平均发生次数为3.0次/(a·站)，而长、短历时中雨平均发生次数平均为0.2～0.7次/(a·站)，因此本研究对长、短历时小雨2类降水的时间尺度为1年；对长、短历时中雨2类降水的时间尺度为5年。

表 4　冬小麦不同生育期4类有效降水次数及有效降水量逐站统计结果(1983-2012年)Table 4　Amount and frequency of the 4 effective precipitation types at different wheat growth stages at each station (1983-2012)

3.24类有效降水过程的发生时刻

3.2.1不同历时小雨发生时刻逐年变化由图2-a可以看出，短历时小雨在冬小麦3个生育期发生总次数整体上呈现“午后”单峰型变化，主要集中在15:00-20:00。其中拔节期短历时小雨主要发生在16:00-18:00，在17:00发生了40次，在20:00达到一个峰值；乳熟期的发生时刻略有提前，在16:00发生了39次；在抽穗期短历时小雨主要发生在早晨08:00以前、晚上21:00以后；3个生育期在08:00-13:00时段发生短历时小雨频率低，拔节期在13:00只发生过7次。由图2-b可以看出，长历时小雨整体上呈现“夜间-午后”双峰型变化，但3个生育期的“峰值”时刻各不相同。其中夜间时段拔节期集中在02:00-06:00，抽穗期集中在00:00-08:00，乳熟期则集中在01:00-11:00；午后时段3个生育期都在15:00以后。

图 2　不同历时小雨在各时刻的发生次数(1983-2012年)

不同历时小雨在各时刻发生次数的逐年变化(1983-2012年)见图3。

图 3不同历时小雨在各时刻发生次数的逐年变化(1983-2012年)

Ⅰ.拔节期；Ⅱ.抽穗期;Ⅲ.乳熟期；a.短历时小雨;b.长历时小雨

Fig.3Annual variation of frequency of short and long light rain types at different hours (1983-2012)

Ⅰ.Jointing stage;Ⅱ.Heading stage;Ⅲ.Milk ripe stage;a.Short light rain;b.Long light rain

图3-Ⅰ-a、Ⅱ-a、Ⅲ-a显示了短历时小雨在冬小麦3个生育期各时刻发生次数的逐年变化。从变化趋势上看，在1992年之前，拔节期短历时小雨的发生主要集中在上午时段，1992年之后，趋向于午后15:00以后及夜间时段；抽穗期这种趋势更加明显，且2002年以后，短历时小雨主要发生在午后13:00-20:00；在乳熟期，短历时小雨的发生时刻呈现从“午后”型向“白天”型变化，表现为在1992年之前发生时刻主要集中在15:00-21:00时段，1992年以后逐渐向中午时刻集中，2006年13:00达7次。

图3-Ⅰ-b、Ⅱ-b、Ⅲ-b显示了长历时小雨在冬小麦3个生育期各时刻发生次数的逐年变化。从变化趋势来看，1994年之前，长历时小雨在冬小麦拔节、乳熟期发生时刻分布于05:00-20:00时段，在抽穗期发生时刻集中在00:00-08:00；1994年以后，降雨发生时刻趋向于夜间，拔节期发生时刻呈“夜间-傍晚”型，抽穗期集中在15:00以后，乳熟期向深夜00:00-06:00时段集中。

3.2.2不同历时中雨发生时刻的变化图4-a中短历时中雨在冬小麦3个生育期呈单峰型，发生时刻主要集中在14:00-01:00，在拔节期30年15个站点短历时中雨未在01:00、03:00-08:00、10:00、12:00-13:00时段发生过，但在22:00发生过8次；17:00是乳熟期短历时中雨发生的高频时段，发生了24次；08:00-12:00是短历时中雨发生低频时段，在冬小麦3个生育时期共发生了18次。图4-b中长历时中雨在冬小麦拔节期的发生时刻主要集中在午间10:00-15:00时段，呈单峰型；长历时中雨在抽穗期主要集中在18:00-06:00，属于夜间型降雨；在乳熟期降水发生时刻呈“凌晨-下午”双峰型，主要发生在04:00-06:00、17:00-18:00时段。

图 4　不同历时中雨在各时刻的发生次数(1983-2012年)

3.34类有效降水过程的降水次数及雨量

3.3.1不同历时小雨降水次数及降雨量的时空变化灌区冬小麦3个生育期不同历时小雨的降水次数、降雨量1983-2012年的变化趋势检验结果见表5。表5表明，降水次数与降雨量变化趋势一致。在拔节期短历时小雨、长历时小雨的总降水次数与总降雨量均呈增加的趋势，且短历时小雨的降水次数与总降雨量增加趋势显著(α=0.05)，15个站点短历时小雨的总降水次数以6.08次/10a的速率增加，总降雨量的气候倾向率为16.16 mm/10a；长历时小雨的总降水次数则以1.18次/10a的速率增加，总降雨量的增加速率为12.29 mm/10a。在抽穗期，短历时小雨的总降水次数与总降雨量仍然呈增加趋势，但增加趋势不显著，而长历时小雨的总降水次数与总降雨量则呈微弱下降趋势，降水次数下降速率为2.00次/10a，降雨量气候倾向率为-23.26 mm/10a。在乳熟期，短历时小雨、长历时小雨的总降水次数与总降雨量均呈减少趋势，且长历时小雨的降雨次数与降雨量显著减少(α=0.05)，长历时小雨的降雨量在乳熟期以49.23 mm/10a的速率减少，降水次数的减少速率为4.63次/10a，且在α=0.10水平上降雨量也以1.47 mm/次的速率显著减少。

表 5　不同历时小雨降水次数及降雨量的Mann-Kendall趋势检验结果(1983-2012年)Table 5　Frequency and amount of short and long light rain types by Mann-Kendall test (1983-2012)

注：**表示显著水平为0.05；*表示显著水平为0.10。

Note：** indicates the significant level is 0.05,and * indicates the significant level is 0.10.

不同历时小雨降水次数与降雨量的空间分布见图5。

图 5不同历时小雨降水次数与降雨量的空间分布

Ⅰ.拔节期；Ⅱ.抽穗期；Ⅲ.乳熟期；a.短历时小雨；b.长历时小雨

Fig.5Spatial distribution of frequency and amount of short and long light rain types

Ⅰ.Jointing stage;Ⅱ.Heading stage;Ⅲ.Milk ripe stage;a.Short light rain;b.Long light rain

图5-Ⅰ-a、Ⅰ-b显示了1983-2012年灌区在冬小麦拔节期短历时小雨、长历时小雨降雨量的空间分布：短历时小雨30年的总降雨量为90.5 mm，平均3.0 mm/a，长历时小雨30年的总降雨量为 315.6 mm，平均10.5 mm/a。降水发生次数与降雨量空间分布一致，短历时小雨表现为沿深泽、辛集、衡水一带分别向东北、西南方向递减，长历时小雨表现为灌区西北部的藁城、晋县向东南方向递减；短历时小雨发生次数最多的为衡水站，发生了47次，平均1.5次/a，降雨量也达到109.2 mm，平均2.3 mm/次；但在衡水站长历时小雨30年只发生了22次，降雨量在290 mm以下。

图5-Ⅱ-a、Ⅱ-b显示了1983-2012年灌区在冬小麦抽穗期短历时小雨、长历时小雨降雨量的空间分布，其中短历时小雨30年的总降雨量为83.9 mm，平均2.8 mm/a，长历时小雨30年的总降雨量为342.3 mm，平均11.4 mm/a。与拔节期不同，此期短历时小雨、长历时小雨的降雨次数与降雨量的空间分布均表现为由灌区四围向中北部递减，沿晋县站、深县站一带为灌区降雨量最低值，短历时小雨在深县站30年降雨次数为19次，降雨量在77 mm以下；长历时小雨在冀县站30年的降雨次数达到45次，降雨量394.6 mm，平均13.2 mm/次。

图5-Ⅲ-a、Ⅲ-b显示了1983-2012年灌区在冬小麦乳熟期短历时小雨、长历时小雨降雨量的空间分布，其中短历时小雨30年的总降雨量为100.2 mm，平均3.3 mm/a，长历时小雨30年的总降雨量为270.8 mm，平均9.0 mm/a。乳熟期短历时小雨的降雨次数及降雨量空间分布表现为由深县、辛集、宁晋一带分别向东、西方向递增，在藁城、晋县一带达到降雨量最大值，在107.2 mm以上，晋县站降雨次数为34次，深县站降雨次数为24次，相差10次；长历时小雨则是沿深县、辛集、赵县一带分别向南、北两方向递增，分别在灌区南部的新河、冀州、衡水一带，北部地区的深泽达到降雨量最大，在286 mm以上，但深泽站降雨次数为25次，降雨量为323.4 mm，平均13.0 mm/次。

3.3.2不同历时中雨降雨量的时空变化灌区冬小麦3个生育期不同历时中雨降雨量在5年尺度上的变化见图6。

图 6　不同历时中雨5年尺度降雨量的变化(1983-2012年)

由图6可以看出，长历时中雨降雨量整体上要大于短历时中雨，从1983-1997年除乳熟期的短历时中雨降雨量有所增加(1988-1992年降雨量达到516 mm)外，短(长)历时中雨在冬小麦3个生育期均呈下降趋势，且在1993-1997年，冬小麦拔节期、抽穗期并未发生长历时中雨。1998年以后，拔节期短历时中雨降雨量表现出减少的趋势，长历时中雨则呈增加趋势；在抽穗期、乳熟期，这种趋势相反，短历时中雨降雨量表现出增加趋势，而长历时中雨降雨量则表现出降低的趋势。

由图7可以看出，整体上看短历时中雨、长历时中雨在冬小麦3个生育期的降水次数与降水量的空间分布一致。在冬小麦拔节期，短历时中雨降雨量为37.8 mm，多年平均1.3 mm，其空间分布整体上自灌区北向南方向递减，灌区北部的深泽降雨量在65.5 mm以上，深泽站降雨次数为7次，是15个站点中短历时中雨发生次数最多的，灌区降雨量最小值位于东北部的武强、武邑一带，降雨量在32.9 mm以下，只发生了2～3次降水(图7-Ⅰ-a)。长历时中雨降雨量为82.0 mm，多年平均2.7 mm，空间分布整体上自灌区东北向西南方向递减。灌区东北部的深县、武强一带降雨量在112.3～148.5 mm，与短历时中雨相比，尽管降雨量大，但降水次数整体上较少，其中栾城、赵县、冀县站只发生过1次，晋县、深县站无长历时中雨发生(图7-Ⅰ-b)。

图 7　不同历时中雨降水次数与降雨量的空间分布

在冬小麦抽穗期，短历时中雨降雨量为71.6 mm，多年平均2.4 mm，其空间分布整体上自灌区西南向东北方向递减，在灌区西北部的深泽、晋县一带降雨量在56.3 mm以下，2个站点的降雨次数分别为3次、4次，灌区东南部的宁晋、辛集降雨量在87.4 mm以上，降水次数也达到9次(图7-Ⅱ-a)。长历时中雨降雨量为145.4 mm，多年平均4.8 mm，其空间分布整体上与短历时中雨分布一致，但降雨量高值区位于灌区中西部的辛集，降雨量在222.3 mm以上，降水次数为6次，宁晋站长历时中雨只发生过2次，因而在灌区西南端的宁晋地区降雨量也偏低(图7-Ⅱ-b)。

在冬小麦乳熟期，短历时中雨降雨量为123.5 mm，多年平均4.1 mm，其空间分布整体上与拔节期相似，均为自北向南递减，灌区北部的深县降雨量在147.0 mm以上，降水次数达到14次，降雨量少的地区位于灌区东南部的武邑、衡水一带，降雨量在91.5 mm以下，降水次数为6次(图7-Ⅲ-a)。长历时中雨降雨量为90.0 mm，多年平均3.0 mm，空间分布表现为自东向西递减，灌区最东端的武强地区降雨量在163.9 mm以上，武强站降水次数为8次，到灌区西部的晋县、赵县、宁晋一带，降雨量在 41.9～81.5 mm，宁晋站30年来只发生过1次短历时中雨(图7-Ⅲ-b)。

4　讨　论

(1)不同历时、不同雨型降水的发生时刻，对冬小麦生育期内降水的吸收更为重要。短历时小雨发生于18:00-05:00，此时处于冬小麦蒸散作用微弱时段，根系吸收少，加之降雨历时短，降水很快入渗到土壤中，且降水在土壤中的消退时间短，因此该时段冬小麦对降水的利用率低；而短历时小雨发生于白天，冬小麦根系吸水作用增强，该时段的降水对冬小麦最为有效；同样，短历时中雨、长历时中雨可使降水充分入渗到土壤中，土壤水分达到饱和，土壤水分消退时间长，冬小麦对该类降雨利用率高。

本研究结果表明，短历时小雨在冬小麦拔节期、乳熟期主要发生在16:00-18:00，在抽穗期则发生在早晨08:00以前、晚上21:00以后；短历时中雨在冬小麦3个生育期的发生时刻主要集中在14:00-01:00；长历时小雨在冬小麦3个生育期的发生均呈现“夜间-午后”型，长历时中雨在冬小麦拔节期的发生时刻主要集中在午间10:00-15:00时段，在抽穗期主要集中在18:00-06:00，属于夜间型降雨，在乳熟期降水发生时刻主要集中在04:00-06:00、17:00-18:00时段。Yu等[12]研究指出，中国中东部地区，长历时降水的峰值雨强出现在清晨，短历时降水易出现在下午和傍晚；李建等[13]研究显示，北京地区夏季(6-8月)长历时降水的峰值多出现在后半夜至清晨，而短历时降水峰值多集中在下午至前半夜；殷水清等[15]研究认为，海河流域夏季长历时降水峰值发生在早上，短历时降水峰值发生在下午。由此对于短历时小雨、短历时中雨的发生，与前人研究结果一致，均发生于午后至翌日凌晨01:00。而对于长历时小雨与长历时中雨，本研究结果显示这2种降雨的发生时刻更趋于白天、或“后半夜-午后”，与前人研究结果并不一致，主要原因：①前人研究时段主要集中在夏季(6-8月)，而本研究时段主要集中在春季(4-5月)；②前人研究基于降水历时描述了降水量的日变化特征，曲线峰值表示了降雨量的大小[12]或某时刻有无降水发生[15]，但并未考虑不同的降水强度等级，历时短的降水发生时刻与峰值强度出现时刻相差不大，但历时长的降水发生时刻与峰值强度出现时刻间隔时间较长，因此不同的降水强度下，长历时降雨的发生时刻与长历时降雨的日变化规律并不一致。

(2)研究也指出，海河流域1960-2010年春季降水呈增加趋势[21-22]。本研究时段主要集中在春季(4-5月)，短历时小雨降雨量在冬小麦拔节期、抽穗期均呈增加趋势，进入乳熟期之后呈减小趋势，长历时小雨降雨量在乳熟期显著减少。整体上与前人研究基本一致，由于本研究将春季(4-5月)划分为3个阶段(拔节期、抽穗期、乳熟期)，且在冬小麦乳熟期包括了初夏，因此在冬小麦乳熟期，短历时小雨、长历时小雨降雨量的变化呈减少的趋势。1998年为短历时中雨、长历时中雨变化趋势的转折点。

5　结　论

(1)灌区1983-2012年4类降水发生时刻：短历时小雨在冬小麦拔节期、乳熟期主要发生在16:00-18:00，在抽穗期则发生在早晨08:00以前、晚上21:00以后，短历时中雨在冬小麦3个生育期的发生时刻主要集中在14:00-01:00；长历时小雨在冬小麦3个生育期的发生均呈现“夜间-午后”型，长历时中雨在冬小麦拔节期的发生时刻主要集中在午间10:00-15:00时段，在抽穗期主要集中在18:00-06:00，在乳熟期降水发生时刻主要集中在04:00-06:00、17:00-18:00时段。

(2)灌区1983-2012年4类降水在冬小麦3个生育期内累计次数与总降雨量的时间变化一致：①短历时小雨在冬小麦拔节期、抽穗期呈增加趋势，在乳熟期表现出减少趋势；②长历时小雨在拔节期呈增加趋势，在抽穗期、乳熟期为减少趋势；③短历时中雨、长历时中雨在1998年以前呈减少趋势，1998年以后短历时中雨在拔节期为减少趋势，其他时期表现为增加趋势，长历时中雨在抽穗期为减少趋势，其他时期则为增加趋势。

(3)灌区1983-2012年冬小麦3个生育期内4类降水累计降水次数与总降雨量的空间分布一致：①拔节期短历时小雨表现为沿深泽、辛集、衡水一带分别向东北、西南方向递减；长历时小雨表现为由灌区西北部的藁城、晋县向东南方向递减；短历时中雨整体上自北向南递减；长历时中雨则表现为自东北向西南方向递减。②抽穗期短历时小雨、长历时小雨均表现为由灌区四围向中北部递减；短历时中雨、长历时中雨空间分布一致，整体上均表现为自西南向东北方向递减。③乳熟期短历时小雨表现为由深县、辛集、宁晋一带分别向东、西方向递增；长历时小雨则是沿深县、辛集、赵县一带分别向南、北两方向递增；短历时中雨空间分布整体上与拔节期相似，均为自北向南递减；长历时中雨则表现为自东向西递减。

(4)本研究假定了灌区在1983-2012年冬小麦物候期并未发生变化，忽略了气温的影响。而研究指出，气温的升高使得河北省冬小麦在1998年以后，起身期和抽穗期较1991-1997年间各提早了5 d，拔节期提早了4 d，返青期和成熟期提早了3 d[23]；90年代以后冬小麦播种期比80年代推迟2～5 d，成熟期提早1～2 d，生育期缩短了2～7 d[24]。因此需要对温度影响下的冬小麦关键生育期的降水变化做进一步探讨。

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Hourly precipitation during key growth periods of winter wheat in Shijin irrigation district

REN Qingfu1,2,WENG Baisha2,PEI Hongwei3,YUAN Zhe2

(1CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China;3CenterforAgriculturalResourcesResearch,InstituteofGeneticsandDevelopmentalBiology,ChineseAcademyofSciences,Shijiazhuang,Hebei050022,China)

【Objective】 This study investigated effective precipitation process on key growth periods of winter wheat (jointing,heading,and milk ripe) under climate change in Shijin irrigation district to provide scientific basis for rainfall utilization and reasonable irrigation schedule.【Method】 Based on the hourly precipitation data from 15 meteorological stations in study area on April,May,and June from 1983 to 2012,the precipitation was classified according to duration and intensity.The occurrence time,frequency and amount of the four effective precipitation types (short light rain,long light rain,short moderate rain,and long moderate rain) in three growth stages of winter wheat were analyzed with the Mann-Kendall trend test and the inverse distance interpolation (IDW) method.【Result】 (1) The occurrence time of the effective precipitation types was mainly from afternoon to morning (14:00-06:00),and long moderate rain mainly occurred at jointing stage during 10:00-15:00.(2) The trend and amount of all precipitation types were same.The short light rain increased at jointing and heading stages while decreased at milk ripe stage.Long light rain increased at jointing stage while decreased at heading and milk ripe stages.Short and long moderate rain types decreased during the three growth stages before 1998.After then,short moderate rain increased at heading and milk ripe stages and long moderate rain increased at jointing and milk ripe stages.(3) The spatial distribution of frequency and amount of the precipitation types was also identical.All precipitation types at jointing stage were high in north and low in south.At heading stage,the amounts of the short and long light rain types decreased from border to center,while the short and long moderate rain types increased from northeast to southwest.Distribution of short and long light rain types at milk ripe stage was consistent at heading stage.The amount of short moderate rain at milk ripe stage was high in north and low in south while that of long moderate rain was high in east and low in west. 【Conclusion】 The frequency and amount of effective precipitation would increase at jointing stage and decrease at milk ripe stage of winter wheat under climate change.

Shijin irrigation district;winter wheat growth periods;hourly precipitation;effective precipitation；precipitation duration

时间:2016-08-0909:40DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.09.013

2015-02-09

国家“十二五”科技支撑计划项目“气候变化对水资源影响与风险评估技术”(2012BAC19B03)；国家自然科学基金面上项目“基于水资源系统的广义干旱风险评价与风险区划研究”(51279207)

任庆福(1983-)，男，山西汾阳人，博士，主要从事农业水文水资源和气候变化研究。E-mail：wxws.2008@163.com

翁白莎(1986-)，女，福建晋江人，工程师，博士，主要从事变化环境下干旱风险评价与应对研究。

E-mail：wengbs@iwhr.com

S271

A

1671-9387(2016)09-0092-13

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160809.0940.026.html