河北省冬小麦、棉花全生育期缺水量时空特征分析

曹永强, 李维佳, 朱明明

(辽宁师范大学 城市与环境学院, 辽宁 大连 116029)

水资源作为不可替代和不可或缺的自然资源，为社会发展提供了极大的动力[1]。目前，在工业、农业、生活、生态用水结构中农业水资源利用量占比最大[2]，据2016年水资源公报显示[3]，农业用水为3 768.0亿m3，占用水总量的62.4%。河北省是我国农业大省，也是水资源严重短缺的地区之一，长期超采地下水进行农业灌溉，对区域水资源及水环境的安全造成了严重的破坏。冬小麦、棉花作为河北省的主要农作物，受当地旱涝灾害频繁影响，而缺水量(W)与水分盈亏指数(I)可以直接反映农作物的旱涝情况。因此科学合理地确定缺水量与水分盈亏指数变化是进行农业水资源优化管理、合理制定灌溉方案的重要依据。

缺水量研究概括起来主要有3类[4-5]，第1类是通过田间试验来直接计算作物缺水量与其影响因素之间的关系[6-7]，该方法计算简单直接，但易受观测值测量精度影响；第2类是基于参考作物蒸散量计算实际作物需水量以及缺水量[8]，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缺水量，此法的实际运用价值和计算精度都比较高，更为可靠；第3类是通过遥感技术计算作物缺水量[9-10]，遥感技术优势显著，但由于气象及观测角度等因素的影响，遥感数据有效与否质疑性较大。近年来，我国学者对农作物缺水量的问题也进行了大量研究，其研究方法同样可概括为3类，分别为土壤水量平衡法、微气象学法和能量平衡法，其中较为熟知的Penman综合法就属于能量平衡法的一种，该方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缺水量，已成为计算参考作物缺水量的一种主要方法。姬兴杰等[11]采用美国土壤保持局推荐的方法计算出未来气候变化对河南省冬小麦缺水量的影响，并得出缺水量的距平百分率在空间分布上具有差异、未来河南省水资源可能更趋于短缺的结论；殷志强等[12]运用DNDC模型和GIS数据计算东北三省主要作物缺水量，发现辽宁省作物缺水量最为严重，为562.1亿m3，并且缺水情况将进一步加剧；邱兆美等[13]通过试验建立作物不同缺水量对作物叶面积和茎秆直径变化的影响，判断出不同作物缺水量所表现出来的生理指标变化，总结出作物缺水量是作物生长需求的重要指标之一。

目前，国内外对作物缺水量以及气候对其影响已成为人们关注水资源的一个重要方面。虽然有关作物耗水、需水量的文章逐渐增多，但相关研究大部分以作物生态需水为依据建立作物需水模型，不能直接反映作物本身的生理需求，满足不了对作物适当的水分补给。鉴于此，本文以河北省为研究区域，试探究该地区种植面积较大且种植结构较为稳定的冬小麦、棉花两种作物全生育期内缺水量的时空规律特征。旨在为今后河北省农业水资源优化配置、农业种植结构调整以及农业灌排等方面的研究与决策提供理论依据。

1 研究区概况、数据与方法

1.1 研究区概况

河北省地处北纬36°05′—42°40′，东经113°27′—119°50′，占地总面积18.77万km2[14]，年均降水量503.5 mm，主要集中在夏季，多年平均气温为11.8℃，属于温带半湿润半干旱大陆季风气候，四季分明，气候条件较好，适合多种农作物生长[15]。近年来，河北省农业经济持续保持快速发展的态势，粮食生产实现“十连增”[16]。其中，小麦播种面积234.27万hm2，产量为1 429.9万t；棉花播种面积41.09万hm2，产量43.1万t[17-21]，农业的发展为河北省的社会经济带来巨大效益，此外，主要农作物产量的增长也增加了河北省的农业用水量。

1.2 数据来源

由于河北省冬小麦和棉花的种植主要分布于省内的中部和南部地区，因此，本文选取了河北省13个气象站点的气象数据，时间范围为1955—2014年。具体气象站点分布及作物种植区分布情况如图1所示。气象数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)提供的逐日数据集，主要包括日照时数、平均相对湿度、平均风速、20时—20时降水量、最低气温、最高气温、平均气温、平均气压等。

作物系数的数据来源于FAO编写的《作物需水计算指南》[22]中查找标准条件下冬小麦和棉花的作物系数：

冬小麦：Kcini(Tab)=0.7(初始生长期)；Kcfro(Tab)=0.4(越冬期)；Kcmid(Tab)=1.15(生育中期)；Kcend(Tab)=0.4(成熟期)；h(冬小麦高度)=1

棉 花：Kcini(Tab)=0.35(初始生长期)；Kcmid(Tab)=1.2(生育中期)；Kcend(Tab)=0.7(成熟期)；h(棉花高度)=1.5

作物生育期数据来源于当地农业气象试验站，对两种主要作物(冬小麦、棉花)发育期数据进行统计后取多年平均值。其中，棉花的作物系数变化主要分为初始生长期、快速发育期、生育中期和成熟期4个阶段，由于冬小麦具越冬特性，因此共划分6个阶段：初始生长期、冻融期、越冬期、快速发育期、生育中期、成熟期，由于北方冬小麦在冬季0～1℃时麦苗基本停止生长，因此还具有融冻期和越冬期，并且冬小麦不同生育期对水分的需求量不同，另外，冬小麦的冻融期和棉花的快速发育期作物系数值参考文献[22-23]，h代表作物的生长高度。

图1 气象站点及作物种植区分布

1.3 研究方法

1.3.1 缺水量(W)计算 作物缺水量(W)又叫灌溉需水量，指在全生育期内各个生育阶段同期需水量和有效降雨量的差值。若W>0，表示作物缺水，需补充灌溉；若W=0，表示水分供需平衡；若W<0，表示作物不缺水。公式为：

W=ETc-Pe

(1)

ETc=Kc×ET0

(2)

(3)

式中：ETc为作物需水量(mm)；Pe为作物生育期内的有效降雨量(mm)；Kc为作物系数；ET0为逐日作物蒸散量(mm)，采用Penman-Monteith公式[24-25]计算；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率值(kpa/℃)；Rn为作物表面的净辐射量(MJ/m2)；γ是湿度计常数(kPa/℃)；T为日平均气温(℃)；u2为2 m高处风速(m/s)；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；es为空气饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kpa/℃)。

(4)

(5)

式中：Pei为日有效降雨量(mm)；P为日降雨量(mm)；Pe为作物生育期内的有效降雨量(mm)；n为生育期按旬分组的数量。

1.3.2 水分盈亏指数(I)计算 作物I是农业生产监测、管理等方面的重要指标，更能反映农作物水分盈亏和旱涝状况，通过计算可得作物水分供需关系，同时可以反映作物生长对水分的需求状况。I越小则说明干旱程度越严重，W越大，因此I与W呈负相关。

(6)

式中：I为水分盈亏指数。当I>0时，作物供水量>需水量；当I=0时，供水量=需水量；当I<0时，作物供水量<需水量。

1.3.3 分段单值平均系数法 分段单值平均作物系数法是一种无需大量数据下的一种较为简单的计算作物系数的方法，可广泛应用于作物生育期缺水量的计算、灌溉系统规划设计以及灌溉管理等方面。该方法是根据各阶段叶面蒸腾和土面蒸发的变化规律，用一个时段平均值表示该阶段的作物系数[26]。但该方法要求时段大，且未充分考虑土壤的影响。具体计算公式此处不再赘述，详见参考文献[26]。该方法结合作物全生育期内的4个阶段，作物系数根据4个阶段分为3个值进行计算，4个阶段的划分为：(1) 初始生长期，从播种到作物覆盖率约达到10%。此时期内作物系数为Kcini。(2) 快速发育期，从覆盖率10%到作物覆盖率约为75%；此时期内作物系数从Kcini提高到Kcmid。(3) 生育中期，从充分覆盖到成熟期开始，叶片逐渐变黄。此时期内作物系数为Kcmid。(4) 成熟期，从叶片开始逐渐到生理成熟或收获。此时期内作物系数从Kcmid下降到Kcend。

1.3.4 数据处理与图像分析方法 普通克里金是基于GIS平台的一种应用较广泛的克里金插值方法，该方法假设采样点值不存在潜在的全局趋势，只用局部因素就可以很好地预测未知值，相对于传统插值方法精度较高[27-28]。本文利用普通克里金插值来实现河北省冬小麦和棉花W，I的空间变化。

曼—肯德尔法(Mann-Kendall)是一种非参数统计检验方法[29]。该方法借助Matlab软件的程序编写对序列数据进行计算，得到UF与UB两条曲线，并用于检验序列的变化趋势。若UF或UB的值大于0，则表示序列呈上升趋势，小于0则表示序列呈下降趋势。当UF与UB两条曲线出现交点时，且交点在临界值之间则表示该时刻为突变开始时刻。本文运用曼—肯德尔法对河北省冬小麦和棉花的W及I的时间变化趋势进行分析，并得到了W和I在研究时段内的突变点时刻。

小波分析法能够同时从时域和频域两个方面揭示时间序列的局部特征，因此适合于研究具有多时间尺度变化特征和非平稳特性的水文时间序列[30]，本文通过小波方差图和小波等值线图来判定河北省冬小麦和棉花全生育期内W及I的变化周期。

2 结果与分析

2.1 河北省冬小麦缺水量时空变化特征

2.1.1 时间规律特征分析 河北省冬小麦W年际趋势变化如图2所示。整体以-3.74 mm/(d·10 a)的速率呈下降趋势，年际间差异较小，平均为594.26 mm。图2绘出的UF曲线，若UF或者UB的值大于0，则表明缺水量整体呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，根据图2中冬小麦W的升降趋势特征大致可分为3个阶段：1955—1976年呈增减交替趋势变化，1964年冬小麦的W最小，仅为450.84 mm，1973年冬小麦W最大，达到640.66 mm；1977—1990年，呈不显著增加趋势变化；1990年以后，河北省冬小麦W呈显著性减少趋势变化，且年际间缺水量差异较小。突变检验发现，UF曲线和UB曲线共出现5个交点，但由于UF统计量曲线基本都在0.05显著水平线之间，即年均缺水量的变化趋势不显著，没有发生明显的突变。

图2 河北省冬小麦缺水量年际趋势变化

进一步分析其周期性问题，由小波变换等值线图(图3A)可以明显发现，河北省冬小麦W在30～50 a尺度上震荡周期较为显著，此外W在10～28 a有小幅度的震荡，但没有明显波峰出现。结合小波方差图(图3B)，40 a左右小波方差出现最大峰值，此外在25 a左右出现第2个峰值，故此可以判断，河北省冬小麦W存在40 a左右的震荡主周期和25 a左右的震荡次周期，并且呈现“大—小—大”的变化特征。

从时间序列上看，冬小麦年平均W整体呈下降趋势变化，气候因素是影响作物缺水量的主要因素，缺水量变化趋势很可能是气候自然波动影响的结果[11]，因此在农业灌溉时期需要加强对冬小麦W进行预测分析，提前做好抗旱准备。

2.1.2 空间分布特征分析 如附图6所示，河北省冬小麦的W空间分布不均，各个站点之间差距较大，W变化范围为462～662 mm，平均为551.13 mm；其中，全生育期W最大的为南宫，达到661.59 mm；其次为黄骅，冬小麦的W为626.88 mm，W最小的为秦皇岛和邢台，全生育期内的W分别为462.03 mm和467.34 mm。

图3 河北省冬小麦缺水量周期分析

近60年河北省冬小麦在不同生育期内缺水量的空间分布情况如附图7—8所示。初始生长期冬小麦W平均值为39.79 mm，不同站点多年平均有效降雨量变化为27.78～50.41 mm，其中；冻融期冬小麦最小，平均值为5.46 mm，空间分布差异较小，变化范围在3.64～7.72 mm；越冬期冬小麦W的平均值为54.58 mm，变化范围在36.42～77.21 mm；快速发育期冬小麦W平均值为195.22 mm，是冬小麦最为严重的时期，其中，秦皇岛最小，为132.52 mm，南宫最大，是秦皇岛W的198.06%；生育中期冬小麦W分布特征与河北省全生育期冬小麦W分布特征基本一致，平均值为180.44 mm，黄骅W最大，为214.66 mm，邢台W最小，为150.83 mm；成熟期冬小麦的W平均值为75.65 mm，变化范围在62.39～86.55 mm，黄骅缺水量最大，秦皇岛的缺水量最小。

从上述分析可以看出，各个时期冬小麦W的分布特征各不相同，而且河北省中部地区的灌溉用水供需矛盾尖锐，在冬小麦生长过程中，不同生育阶段的W带来的影响完全不同，特别是在冬小麦的快速发育期和生育中期，冬小麦在这两个阶段水分亏损严重，若灌溉水量不充足冬小麦产量存在极大的风险；初始生长期灌溉能显著提高冬小麦快速发育期和生长中期的株高增长速率，而快速生长期灌溉对株高的影响较成熟期小，成熟期灌溉对促进叶面积指数增长效果最为显著。因此，要在不同生长期给冬小麦补给适当的水分，才可达到节水、增产、高效的生产目标，与姬兴杰等[11]的研究结果相吻合。

2.2 河北省棉花缺水量(W)时空变化特征

2.2.1 时间规律特征分析 图4为河北省棉花缺水量近60年年际趋势变化图。河北省棉花的W整体呈显著性下降趋势，变化倾向率为-22.88 mm/(d·10 a)，年际间平均作物W为457.89 mm，际间差异较大。近60年来棉花的增幅变化较大，根据图4中绘制的UF曲线，具体可分为2个阶段。1955—1988年，棉花W呈不显著下降趋势，且在1968年，棉花W达到最大，为602.48 mm；1988年以后，河北省棉花W显著性下降的趋势变化，且在1995年出现最小值，仅为339.43 mm，2014年棉花W为401.53 mm。近60年的变化过程中UF曲线和UB曲线共出现1个交点，不在临界线范围内，因此河北省棉花W无明显的突变点。

图4 河北省棉花缺水量年际趋势变化

河北省棉花W周期变化如图5所示。总体来看，由小波变换等值线图(图5A)可以明显看出，河北省棉花在30～50 a大时间尺度上周期性震荡显著，此外在15～28 a左右的小时间尺度上的周期性也很明显。结合小波方差图(图5B)，40 a左右小波方差出现最大峰值，此外在25 a左右出现第2个峰值，可以判断，河北省棉花W存在40 a左右的震荡主周期和25 a左右的震荡次周期，因此要在干湿交替的过渡期做好对棉花的灌溉准备。

2.2.2 空间分布特征分析 河北省近60年棉花全生育期W的空间分布情况如附图9所示。河北省棉花W空间差异较明显，W范围为366～497 mm，平均为434.57 mm；其中，全生育期W最大的站点为黄骅(496.57 mm)；其次为霸州(469.713 mm)，缺水量最小的为遵化和邢台，全生育期内分别为366.66 mm和374.03 mm。

如附图10所示，近60年棉花W在同一生育期内空间差异较小，各个站点不同生育期之间差异较大，并且棉花不同生育期对水分的需求量不同。初始生长期W平均值为35.12 mm，W分布在31.61～43.22 mm；快速发育期棉花W平均值为197.23 mm，相较于其他生育期空间差异较大，其中邯郸W最大，达到224.04 mm，其次为黄骅、霸州和饶阳，W均大于210.00 mm，邢台W最小，为163.67 mm；生育中期棉花W平均值为159.86 mm，W分布在131.91～188.81 mm，最大值和最小值分别出现在黄骅和遵化；成熟期棉花W平均值为42.36 mm，W分布在35.71～52.47 mm。

从上述分析可知，与冬小麦相似，由于地理环境的不同及气候条件的差异导致河北省中部地区棉花灌溉用水量较大，但从总体上看，在棉花快速发育期W较大，会使河北省在此时阶段的水资源趋于紧张，应该加大对棉花需水量的灌溉补给。同时，在不同的生育期内要将土壤水分控制在合理范围内，不仅对棉花的光合作用有利，而且降低了植株的奢侈蒸腾，减少了土壤水分的无效消耗，提高叶片的水分利用效率。棉花的快速发育期和生长中期是需水的关键时期，在灌溉上应优先满足其需水要求，否则会造成严重的减产[31]。在初始生长期控制灌水，不仅不影响产量，而且能提高水分利用效率。

图5 河北省棉花缺水量周期分析

2.3 河北省冬小麦水分盈亏指数(I)时空变化特征

2.3.1 时间分布特征分析 如图6所示，河北省冬小麦的I整体呈增减交替变化，变化倾向率几乎为0，年际间I的平均值为-0.91，且年际间差异较小。冬小麦I最大值出现在1963年，I为-0.86，1978年冬小麦的I最小，仅为-0.94 mm。近60 a来冬小麦的I变化较小，根据图6绘制的UF曲线，可判断冬小麦水分盈亏指数的增减趋势变化，具体可分为3个阶段，即1955—1974年冬小麦I呈增减交替趋势的趋势变化；1975—2008年，冬小麦I呈不显著性减少趋势变化，2008年以后，I呈不显著性增减的趋势变化，2014年冬小麦I为-0.90。近60 a的变化过程中UF曲线和UB曲线共出现9个交点，均在临界线范围内，但仅1960年两曲线交点之后的曲线变化趋势呈相反变化趋势，因此河北省冬小麦I在1960年出现突变点。

河北省冬小麦I如图7所示，总体来看，由小波变换等值线图(图7A)可以明显看出，河北省冬小麦I在34～55 a尺度上震荡周期较为显著，此外I在20～28 a期间有小幅度的震荡周期，但没有明显波峰出现。结合小波方差图(图7B)，40 a左右小波方差出现最大峰值，此外在25 a左右出现第2个峰值，可以判断，河北省冬小麦I存在40 a左右的震荡主周期和25 a左右的震荡次周期，次周期的周期性并不显著，周期整体并且呈现“大—小—大”的变化特征，与小波等值线的分析结果基本一致。将河北省冬小麦W与I的震荡周期结合来看，变化情况极为一致。

结合上文对冬小麦W的分析可知，W偏多的年份，I较低，不同年份W与I的变化有所差异，并且年际间变化较小。李瑜玲等[32]认为河北省作为种植冬小麦的大省，要结合冬小麦的缺水规律和盈亏指数的年际周期变化来制定灌溉次数及灌溉量，因此加强对灌溉用水的利用效率不仅可以满足小麦的生长需求，又能用较少的水资源生产出更多的粮食，稳定农业生产。

图6 河北省冬小麦水分盈亏指数年际趋势变化

图7 河北省冬小麦水分盈亏指数周期分析

2.3.2 空间分布特征分析 附图11为河北省近60年冬小麦全生育期I空间分布情况。河北省冬小麦I空间差异较小，基本上呈由中心向四周逐渐增大的分布特征。结合上文对W的计算，冬小麦的I与W呈现负相关分布规律，I偏小的地区，W偏大，干旱程度较强。冬小麦平均I为-0.91；其中，全生育期I最大的为邯郸，I为-0.88；其次为邢台和秦皇岛，I均约为-0.90，其余站点I均为-0.91；南宫I最小，为-0.92。

近60年河北省冬小麦在不同生育期内I的空间分布情况如附图12—13所示，同一生育期内，各站点之间空间差距较小。初始生长期冬小麦I平均值为-0.86，不同站点多年平均I变化为-0.88～-0.80，其中，邯郸I最大，黄骅和南宫I最小；冻融期冬小麦I平均值为-0.93，空间分布差异较小，变化范围为-0.95～-0.90，最大值和最小值分别出现在邯郸和遵化；越冬期冬小麦I的平均值为-0.93，变化范围为在-0.95～-0.90，邯郸的I最大，遵化的I最小；快速发育期冬小麦I平均值为-0.93，其中，南宫I最小，为-0.95，秦皇岛I最大，为-0.90；生育中期冬小麦I空间差异较小，平均值为-0.91，南宫、黄骅、饶阳和霸州I最小，都为-0.92，邯郸I最大，为-0.90；成熟期冬小麦I平均值为-0.88，变化范围为-0.86～-0.92，邯郸和秦皇岛I最大，为-0.86，南宫I最小，为-0.92。

综上来看，冬小麦在冻融和越冬期受到干旱危害，I较低，不仅需要注意对这两个时期灌溉需水量进行适当的补给，而且还要结合不同地区的实际情况有计划的对冬小麦进行灌溉，这与李夕军等[33]的研究结果相吻合。

2.4 河北省棉花水分盈亏指数时空变化特征

2.4.1 时间分布特征分析 如图8所示，河北省棉花的I整体呈增减交替变化，变化倾向率几乎为0，年际间I的平均值为-0.79，且年际间差异较小。1995年棉花I最大为-0.72，最大值与最小值出现的年份较为接近。近60年来棉花的I变化较小，具体可分为2个阶段：1955—1980年棉花I呈增减交替的趋势变化；1981年以后，棉花的I呈不显著性下降趋势变化。近60年的变化过程中UF曲线和UB曲线共出现10个交点，均在临界线范围内，但仅1970年两曲线相交后呈相反变化趋势，因此1970年为河北省棉花I的突变点。

图8 河北省棉花水分盈亏指数年际趋势变化

河北省棉花I震荡周期变化如图9所示，总体来看，由小波变换等值线图(图9A)可以明显看出，河北省棉花I在30～55 a大时间尺度上周期性震荡显著，此外在18～28 a左右的小时间尺度上的周期性也很明显。结合小波方差图(图9B)，40 a左右小波方差出现最大峰值，此外在25 a左右出现第2个峰值，可以判断，河北省棉花W存在40 a左右的震荡主周期和25 a左右的震荡次周期。可以判定河北省棉花I存在2个次周期，周期性显著，并且呈现“大—小—大”的变化特征，年际间差异较大，与小波等值线的分析结果基本一致。将河北省棉花W与I的震荡周期结合来看，变化情况极为一致。

图9 河北省棉花水分盈亏指数周期分析

2.4.2 空间分布特征分析 附图14为近60年河北省棉花全生育期I的空间分布情况。结合上文对棉花W的计算可知，棉花的I与W呈现负相关分布规律，棉花I偏小的地区，W偏大，干旱程度较强。河北省各个站点间棉花I差距较小，平均I为-0.81，其中，全生育期I最大的为邯郸，为-0.79；其次为遵化、保定和邢台，I为-0.80，I最小的为霸州，全生育期内I为-0.82。

如附图15所示，河北省近60年不同生育期内棉花I空间分布差异较小，但各个站点生育期之间有所差异。初始生长期棉花I整平均值为-0.86，其变化范围为-0.87～-0.85，石家庄、邢台、保定和邯郸I最大，饶阳和黄骅I为-0.86，其他站点I均为-0.87；快速发育期棉花I平均值为-0.86，其中，邢台I最大，为-0.85，饶阳和霸州I最小，为-0.88，其余站点均为-0.8～-0.86；生育中期棉花I平均值为-0.71，是棉花各生育期中I最大的时期，其变化范围为-0.73～-0.70，邢台、遵化和霸州I最大，饶阳和黄骅I最小；成熟期棉花I平均值为-0.78，I在-0.80～-0.75之间，唐山I最大，石家庄I最小。

2.5 缺水量和水分盈亏指数的联系与讨论

结合前文对冬小麦和棉花的时空分析结果，首先，由于青龙、遵化和石家庄部分地区为山地丘陵区，土地资源丰富，但是土地质量较差，加之石家庄为该省省会城市工农业与生活用水量大，根据附图6，9，11，14分析可知该区域缺水量较大，水分盈亏指数较小，因此，应以水土保持为重，营造农田防护体系，以草、灌、林相结合进行植被建设，提高植被覆盖率，这样既有助于防风固沙、保持水土、保护农田，又有利于改善局部小气候，为旱地农业创造良好的生态环境。由于保定、饶阳、南宫和石家庄西部地区缺水量较小，水分盈亏指数较大，且地势平坦，分布有盐碱地，但是近几年盐化程度有所下降，因此适当建设蓄水工程，使发生旱情时能及时进行灌溉，灌溉应该采用喷灌进行大面积的灌溉，喷灌雾点小，均匀，土表不容易板结，既节水又节约劳动力[34]。

根据上述分析，并且结合河北省玉米和棉花的缺水量与水分盈亏指数特征来看，该区域主要农作物生长长期处于干旱状态。在干旱指标研究方面，由于不同的部门或学科对干旱的定义不同，所以出现了不同的干旱评判指标[35]。水分盈亏指数是评价干旱体系中的一个重要指标，并且也作为研究作物缺水量的重要指标，在一定程度上可以反映作物的干旱程度，是一种实时的干旱监测方法，能运用于河北省农业干旱监测业务，作物水分盈亏指数和缺水量作为精准灌溉决策的依据，缺水量指以维持作物正常生长发育所需的体外环境消耗的水[13]，当缺水量增大时，水分盈亏指数减小，呈现负相关关系，也可以说，可将水分盈亏指数的结果作为缺水量研究结果的真实性验证。

随着全球气候变暖，河北省农业干旱呈加重趋势，以往河北省干旱监测主要采用降水距平百分率法，近几年通过建立土壤水分平衡方程和利用遥感的方法尝试进行农业干旱监测，但由于建立土壤水分平衡方程需要实测土壤水分资料，而河北省全年固定地段土壤水分观测站较少，给监测带来较大误差，因此迫切需要开展农业干旱监测技术研究及应用服务。本文对作物水分盈亏指数和缺水量的计算是土壤墒情监测的目的和科学灌溉的工作基础，可为各级政府宏观决策、防灾抗旱提供科学依据，对农业抗旱减灾，合理利用水资源，指导农业节水灌溉等都具有十分重要的意义。因此，要将缺水量与水分盈亏指数结合起来研究对主要农作物生产合理用水和防灾减灾提供依据。

3 结 论

(1) 近60年，河北省冬小麦和棉花W均呈下降的趋势变化，年均W分别为594.26 mm和457.89 mm，冬小麦在2012年出现一个突变点，而河北省棉花W无明显的突变点，两种作物均存在40 a左右的主周期和25 a左右的次周期。

(2) 空间上，河北省冬小麦、棉花的W空间分布不均，各个站点间W差距较大；全生育期内棉花W最大值均出现在黄骅，为496.57 mm，遵化W最小，为366.66 mm，冬小麦W最大值出现在南宫，为661.59 mm，W最小值均出现在秦皇岛，为462.03 mm；从不同生育期来看，冬小麦和棉花平均W均在快速发育期达到最大值。

(3) 时间上看，I整体均呈增减交替变化；两种作物均存在40 a左右的主周期和25 a左右的次周期；空间分布上，冬小麦、棉花I各个站点空间差异较小，但冬小麦空间分布变化差异要大于棉花，基本上呈由中心向四周逐渐增大的分布特征。

(4) 整体来看，近60年两种作物的W及I均呈下降变化趋势，下降程度有所不同。空间上，冬小麦、棉花的W最大值分别出现在南宫和黄骅，所以应当在W较大的地区改善灌溉方式、提高灌溉用水效率，根据当地W以及I的实际情况做到科学灌溉，保证作物正常生长。近年来随着地下水严重超采现象，国家相关部门和地方政府已经采取相应的调控措施，地下水超采已严重影响到作物生长和水资源保护的协调发展，故此如何在水资源得以保护的前提下，解决作物生长灌溉用水问题，提高粮食生产安全将是未来研究的主要方向。