曹永強，趙博雅，袁立婷

(遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，大連 116029)

0 引言

河北省是我國主要的農(nóng)業(yè)大省，作為環(huán)首都經(jīng)濟圈中以農(nóng)業(yè)為主的地區(qū)，其農(nóng)業(yè)增加值較高[1]，該省耕地面積達600萬hm2，居全國第4，是全國糧油主產(chǎn)區(qū)之一[2]。同時河北省也是資源型缺水省份，水資源的開發(fā)利用量遠遠超過了供水量，地表水的開發(fā)利用程度極高，地下水超采嚴重，以致形成了全國最大的地下水漏斗區(qū)，進而引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問題[3]。農(nóng)業(yè)用水量已占河北省總用水量的60%以上[4]。因此，為了合理分配利用有限的水資源，對農(nóng)作物用水量的確定顯得尤為重要。

作物需水量指作物在整個生育期中需要的水量，是農(nóng)業(yè)用水量的重要組成部分。近年來，對作物需水量的研究逐漸引起了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业母叨戎匾暋庥行W(xué)者則側(cè)重于對作物需水量影響因子的研究。Chowdhury等[5]通過預(yù)測發(fā)現(xiàn)沙特阿拉伯的Al-Jouf從2011—2050年作物需水量隨溫度的單位升高而平均增加2.9%，平均氣溫是影響作物需水量的最主要的氣象因子； Nkomozepi等[6]采用GCM模型和CROPWAT模型對津巴布韋自然農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)玉米的需水量進行分析預(yù)測，揭示了氣候變化對作物需水量的影響程度。國內(nèi)主要集中在對地區(qū)作物需水量的計算及趨勢分析、建立模型以期完善用水系統(tǒng)。邵東國等[7]基于時間序列法，建立區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水量長期預(yù)報分解模型，并應(yīng)用到南水北調(diào)中線供水區(qū)； 張兵等[8]基于L-M優(yōu)化算法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立作物需水量的預(yù)測模型并進行試驗驗證，誤差較小，為灌溉控制系統(tǒng)的完善提供了有效途徑； 孫爽等[9]采用FAO推薦的彭曼公式和作物系數(shù)，對中國22個省的冬小麥的需水量進行計算并分析其趨勢變化； 李春強等[10]利用同樣的研究方法計算了河北省35年來各地區(qū)的冬小麥和夏玉米的需水量和缺水量并對其進行變化趨勢分析。

文章選取河北省保定市作為典型區(qū)域，采用FAO推薦的公式以及分段單值平均系數(shù)法等對選定區(qū)域的冬小麥、夏玉米、棉花3種典型作物的作物需水量、有效降水量、缺水量及水分盈虧指數(shù)進行計算，時間范圍為1956—2015年，并通過M-K法，對保定市近60年的主要作物需水量和缺水量的變化趨勢進行分析。該文的研究結(jié)果對河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，提高水資源利用率等方面具有現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

河北省保定市位于河北省中部、華北平原中北部，是京津冀地區(qū)的中心城市之一。地理坐標位于38°10′N～40°00′N， 113°40′E～116°20′E之間，國土面積為2.2萬km2。保定受大陸性季風(fēng)氣候的影響，年均氣溫差距較大。年均降水量在500mm左右，降雨主要集中在7—8月，約占總降水量的60%。保定市多年平均水資源總量29.78億m3，第一產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)，種植面積約82.07萬hm2。近15年左右農(nóng)業(yè)用水量呈下降趨勢， 2000年的農(nóng)業(yè)用水量為28.21億m3、2010年為23.71億m3、2014年為18.98億m3，農(nóng)業(yè)用水在總用水量中占絕大比例，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的比例也呈降低趨勢。保定市在京津冀農(nóng)業(yè)協(xié)同發(fā)展中占有明顯的區(qū)位優(yōu)勢，作為耕地面積和人口最多的河北省城市，保定市的農(nóng)業(yè)已具有一定的產(chǎn)業(yè)特色與優(yōu)勢[11]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文所用氣象數(shù)據(jù)均來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)，時間范圍為1956年1月1日至2015年12月31日，測站選取該文研究區(qū)河北保定，選擇的氣象要素包括平均風(fēng)速、日照時數(shù)、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均水汽壓、平均相對濕度、20～20h降水量等。

該文所用的作物生育期日期劃分來自當?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象試驗站，土壤數(shù)據(jù)來自中國土壤數(shù)據(jù)庫(http：//gis.soil.csdb.cn/)。對冬小麥、夏玉米和棉花的具體生育期的時間段進行統(tǒng)計，如表1所示，冬小麥的生育期分為6個階段：初始生長期(S1)、凍融期(S2)、越冬期(S3)、快速發(fā)育期(S4)、發(fā)育中期(S5)、成熟期(S6)，夏玉米和棉花不存在凍融期和越冬期，分為4個階段。

表1 3種作物不同生育期日期

初始生長期(S1)凍融期(S2)越冬期(S3)快速發(fā)育期(S4)發(fā)育中期(S5)成熟期(S6)冬小麥09/23至11/2511/25至12/0412/05至03/1903/20至04/3005/01至06/0206/03至06/15夏玉米06/16至07/2//07/03至7/3108/01至09/0109/02至09/25棉花04/25至05/20//05/21至06/3007/01至08/1508/16至09/21

2.2 計算原理及方法

2.2.1 作物需水量計算

聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的計算需水量的公式為[12]：

ETC=KC×ET0

(1)

式(1)中，ETC為作物需水量(mm)，ET0為參照蒸散量(mm)，KC為作物系數(shù)。

參照蒸散量(ET0)的計算采用FAO推薦的彭曼—蒙特斯公式，具體計算步驟見參考文獻[12]。ET0是一種假想的標準參照作物冠層的蒸騰蒸發(fā)量，對于文中的3種作物，先計算ET0，再通過式(1)對作物需水量進行修正。

作物系數(shù)(KC)反應(yīng)實際作物與參照作物之間需水量的差異，F(xiàn)AO推薦的計算作物系數(shù)的分段單值平均系數(shù)法是用一個系數(shù)來綜合反映，即把蒸發(fā)和蒸騰統(tǒng)一來看，具體公式及計算步驟參見文獻[13]。根據(jù)分段單值作物系數(shù)法，結(jié)合表1中各主要作物的不同生育期時間段，得到冬小麥、夏玉米和棉花各生育期的作物系數(shù)，如表2。該方法廣泛適用于灌溉管理與設(shè)計。

表2 3種作物不同生育期的作物系數(shù)

作物S1S2S3S4S5S6冬小麥0.60.6～0.40.40.4～1.151.151.15～0.4夏玉米0.49//0.49～1.121.121.12～0.57棉花0.29//0.29～1.141.141.14～0.66

2.2.2 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部分降雨量，它不包括地表徑流和滲漏至作物根區(qū)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[14]，即能被作物吸收利用的那部分降水量。該文選取FAO推薦的降水量與參照蒸散量值的大小比較來確定有效降雨量[15]，在計算作物有效降雨量時考慮作物特性，用作物需水量代替參照蒸散量。

2.2.3 缺水量與水分盈虧指數(shù)計算

該文將各作物不同生育期內(nèi)的作物需水總量與該生育期的有效降水總量的差值稱為作物缺水量，用W表示。W為正值，說明有效降雨量無法供應(yīng)作物需水量，作物為缺水狀態(tài)； W為零，有效降雨量與作物需水量持平，作物水分供需恰好達到平衡狀態(tài)； W為負值，說明有效的供水量大于作物需水量，作物水分充足。

作物水分盈虧指數(shù)是指生育期內(nèi)的作物有效降雨量和作物需水量之間的差與作物需水量的比值，可反映出作物正常生長對水分的需求情況[16]。

2.2.4 M-K檢驗

曼-肯德爾(Mann-Kendall)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，計算簡便，利用MATLAB軟件對所求數(shù)據(jù)組進行編程計算，得到UF、UB兩列數(shù)據(jù)，即兩條曲線若UF的值大于0，則說明數(shù)據(jù)呈上升趨勢，反之，則呈下降趨勢。選定一個顯著性水平α，并對應(yīng)正態(tài)分布表查找相應(yīng)的臨界值，該文選取α=0.05，則臨界值為±1.96，若兩條曲線有交點，且交點在臨界值之間，則說明交點所對應(yīng)的時間就是發(fā)生突變的時刻[17]。

隨著全球氣候變暖，保定市農(nóng)業(yè)干旱呈加重趨勢，以往河北省干旱監(jiān)測主要采用降水距平百分率法，近幾年通過建立土壤水分平衡方程和利用遙感的方法嘗試進行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測，但由于建立土壤水分平衡方程需要實測土壤水分資料，而河北省全年固定地段土壤水分觀測站較少，給監(jiān)測帶來較大誤差，因此運用曼-肯德爾(Mann-Kendall)非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法對農(nóng)作物的需水量、缺水量和有效降雨量進行分析不僅計算簡單、精確，也可為各級政府宏觀決策、防災(zāi)抗旱提供科學(xué)依據(jù)，對農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)，合理利用水資源，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉等都具有十分重要的意義。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 作物需水量分析

3.1.1 參照蒸散量

圖1 近60年來保定市蒸散量變化趨勢

由保定近60年來的逐日氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)公式得到1956—2015年的每年蒸散量(圖1)，年蒸散量總體呈現(xiàn)為不顯著下降趨勢。年蒸散量最大值出現(xiàn)在1965年，為1 176.07mm，比年蒸散量平均值高14.40%，最小值出現(xiàn)在1964年，為873.93mm，比年蒸散量平均值低15.00%。蒸散量變化幅度最大的年份區(qū)間在1962—1965年、2001—2005年。

圖2 近60年來不同生育期平均作物需水量

3.1.2 作物需水量

計算作物在不同生育期的平均需水量，結(jié)果如圖2所示。從不同生育期的需水量分布特征來看，S1階段冬小麥的需水量最大，其次為夏玉米，棉花在S1階段的需水量最小，3種作物在初始生長期的需水量相對較??；而在S2階段，3種作物的需水量皆達到最小值，這是由于在凍融期時溫度降低，作物的潛在蒸散量變小，導(dǎo)致對水分的需求量變少，因此3種作物的需水量在凍融期時需水量達到最小值；在S4和S5階段3種作物的需水量較高，S5達到最大值，這是由于在作物的快速發(fā)育期和發(fā)育中期時，溫度較高，農(nóng)作物受光合作用影響對水分的需求量較大，并且作物的快速發(fā)育期和生育中期是需水的關(guān)鍵時期，在灌溉上應(yīng)優(yōu)先滿足其需水要求，否則會造成嚴重的減產(chǎn)；在S6階段，3種作物的需水量比S4階段略少，應(yīng)注重合理灌溉，防止控制灌水，提高水分利用率。從不同作物的需水量來看，棉花的需水量最大，而水分是棉花的重要組成部分且棉花生長所需的土壤含水量也較高，說明不同作物需水量的差異與其自身的生理特性有關(guān)。冬小麥、夏玉米和棉花在各個生育期的平均作物需水量分別為79.30mm、87.03mm、132.30mm。3種作物發(fā)育中期的需水量都是整個發(fā)育階段中最多的，分別約是其平均需水量的2.35倍、1.58倍和1.71倍。

圖3 近60年保定市主要作物需水量變化趨勢

通過M-K檢驗得到UF、UB兩條曲線， 3種作物的需水量年際變化情況如圖3所示。作物在1956—2015年的年際需水量均呈下降趨勢。其中，冬小麥需水量的變化傾向率為-4.09mm/10年，多年平均需水量為477.28mm。1956—1981年呈不顯著增減交替趨勢，在此之后需水量均呈減小變化趨勢； 夏玉米需水量的變化傾向率為-6.36mm/10年，多年平均需水量為348.12mm， 1956—1959年需水量呈不顯著增加的變化趨勢， 1959年以后均呈減少趨勢， 2010年之后的需水量均呈顯著減少的變化趨勢； 棉花需水量的變化傾向率為-5.68mm/10年，多年平均需水量為529.18mm，從整體上看變化趨勢不顯著， 1963年以前棉花的需水量以增減交替趨勢變化， 1963—1975年呈減少趨勢， 1976—1981年呈增長趨勢， 1982年以后，除2004年棉花需水量有不顯著增長趨勢外，其余年份均為不顯著減少趨勢變化。

3.2 有效降雨量分析

圖4 近60年來不同生育期平均有效降雨量

計算3種作物各生育階段的有效降雨量(圖4)。從不同生育期的有效降雨量分布特征來看， 3種農(nóng)作物在S2和S3的有效降雨量最小，其中在S2階段達到最小值，這是由于凍融期和越冬期處于冬季，溫度低、潛在蒸散量小、降水量少，因此這兩個階段的有效降雨量在全生育期最??； 在S4和S5階段3種作物的有效降雨量較大，其中在S5階段3種作物的有效降雨量達到最大值，由于快速發(fā)育期和發(fā)育中期處于春夏季節(jié)，此時保定地區(qū)受東南季風(fēng)影響降水偏多，因此有效降雨量的值達到最大； S1和S6階段比S4階段略小，在這初始生長期和成熟期要給農(nóng)作物進行適當?shù)难a水，適當?shù)乃郑趴蛇_到節(jié)水、增產(chǎn)、高效的生產(chǎn)目標。從不同作物的有效降雨量來看，冬小麥、夏玉米和棉花在各個生育期的平均有效降雨量分別為5.09mm、16.08mm和20.94mm。其中冬小麥的數(shù)值明顯小于其他兩種作物，是由于在冬小麥的生育階段中，S1后期、S2、S3和S4前期都是一年中降水量偏少的時期，夏玉米和棉花的發(fā)育期則有大部分處于降水量偏高的夏季。3種作物的有效降雨量最大值集中在發(fā)育中期，該時期有效降雨量分別比平均值高出128%、64%和122%。

利用M-K檢驗得到3種作物的有效降雨量年際變化情況(圖5)，冬小麥在1956—2015年的年際有效降雨量呈上升趨勢，夏玉米和棉花呈下降趨勢。其中，冬小麥的有效降雨量的變化傾向率為0.21mm/10年，多年平均有效降雨量為30.53mm。1986年之前除1985年為減少趨勢，均呈增長趨勢， 1986—1990年為不顯著減少趨勢， 1991年以后需水量呈現(xiàn)增減交替，增長居多且變化幅度相對較明顯； 夏玉米的有效降雨量的變化傾向率為-1.22mm/10年，多年平均有效降雨量為64.33mm， 1959—1961年、1964年和1967年夏玉米的有效降雨量為不顯著增長趨勢，其他年份均為減少趨勢，且1983—1985年、1999—2004年變化顯著； 棉花有效降雨量的變化傾向率為-1.46mm/10年，多年平均有效降水量為83.75mm，從圖上來看，棉花的有效降雨量變化趨勢線與夏玉米相似，其中1993—1994年、2000—2004年呈顯著性減少趨勢。

圖5 近60年來保定市主要作物有效降水量變化趨勢

3.3 作物缺水量分析

圖6 近60年來不同生育期平均缺水量

保定市近60年來不同生育期的作物缺水量(圖6)。3種作物的缺水量與需水量在各個階段的分布規(guī)律大致相同，從不同生育期的缺水量分布特征來看，S4和S53種農(nóng)作物的缺水量較大，其中在S5時期達到最大值； S2和S3時期的作物缺水量較小，其中在S2階段作物缺水量達到最小值； S1和S6階段的作物缺水量小于S4階段的缺水量。從不同農(nóng)作物的缺水量分布來看，冬小麥、夏玉米和棉花在不同生育期的平均缺水量分別為74.46mm、70.95mm和111.36mm。整體上看棉花的缺水量要大于其他兩種作物，雖然其有效降雨量最大，但缺水量是需水量和有效降雨量共同作用的結(jié)果，故經(jīng)計算得出此結(jié)果。3種作物在發(fā)育中期的缺水量分別高出其平均值的134%、56%和61%。

對缺水量變化趨勢進行分析，如圖7所示。近60年來冬小麥、夏玉米和棉花的年際缺水量均呈下降趨勢。其中，冬小麥缺水量的變化傾向率為-4.30mm/10年，多年平均缺水量為466.76mm， 1984年以前缺水量大多呈不顯著增長趨勢， 1984年以后均呈減少趨勢，且2009年以后變化趨勢顯著； 夏玉米缺水量的變化傾向率為-5.10mm/10年，多年平均缺水量為283.79mm，變化有增有減，波動較?。?棉花缺水量的變化傾向率為-4.2mm/10年，多年平均缺水量為445.43mm， 1956—1963年缺水量呈不顯著增長趨勢， 1964—1974年呈不顯著減少趨勢，之后直到2007年缺水量均呈增長趨勢， 2008—2015年呈不顯著減少趨勢。

圖7 近60年來保定市主要作物缺水量變化趨勢

圖8 近60年來保定市主要作物水分盈虧指數(shù)變化趨勢

3.4 水分盈虧指數(shù)分析

根據(jù)上面得出的作物有效降雨量和作物需水量，計算獲得保定市近60年來3種作物每年的水分盈虧指數(shù)，如圖8所示。從數(shù)據(jù)上看，冬小麥、夏玉米和棉花的多年平均水分盈虧指數(shù)分別為-93.50%、-81.25%和-84.11%，冬小麥的水分盈虧指數(shù)最低，其次是棉花，最后是夏玉米。3者水分盈虧指數(shù)的變化幅度相似，尤其是夏玉米和棉花，兩者的其他指標變化趨勢也相近，與兩者均為喜光的短日照植物且對水分更為敏感有關(guān)。棉花的初始生長期略早于夏玉米，但棉花的生育周期較長，使得兩者各生育期的氣候條件差別不大。

結(jié)合前文對3種農(nóng)作物的缺水量、需水量、有效降雨量和水分盈虧指數(shù)的分析可知，近60年3種作物的年均有效降雨量、作物需水量、缺水量及水分盈虧指數(shù)均呈下降的變化趨勢，下降程度有所不同，但作物的需水量和缺水量遠大于有效降雨量，因此，保定地區(qū)一直處于天然降水短缺的狀態(tài)； 作物的缺水量、需水量和有效降雨量在6個生長階段的分布特征大致相同，其值從小到大依次為S2、S3、S1、S6、S4、S5，因此，在不同的生育期內(nèi)要將土壤水分控制在合理范圍內(nèi)，不僅對作物的光合作用有利，而且降低了農(nóng)作物植株的奢侈蒸騰，減少了土壤水分的無效消耗，提高葉片的水分利用效率。作物的快速發(fā)育期和生長中期是需水的關(guān)鍵時期，在灌溉上應(yīng)優(yōu)先滿足其需水要求，否則會造成嚴重的減產(chǎn)； 在初始生長期控制灌水，不僅不影響產(chǎn)量，而且能提高水分利用效率。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)在突變檢驗分析中，發(fā)現(xiàn)冬小麥需水量的突變時期在20世紀80年代，而夏玉米和棉花的突變時期則集中在2009—2012年，該時期是生物新技術(shù)和新的誘變技術(shù)迅猛發(fā)展的時期，在作物改良以及之后的生產(chǎn)中有較為廣泛的應(yīng)用，并極大地提高了農(nóng)作物資源創(chuàng)新和品種選育的技術(shù)水平。

(2)在作物有效降雨量方面，由于冬小麥有越冬性，且生育期時間大多集中在降水較少的時期，所以有效降雨量明顯低于夏玉米和棉花。

(3)由于作物的需水量均大于有效降雨量，所以缺水量均為正值。3種作物的最大缺水量大致集中在20世紀的60—70年代，該時期為我國近半個多世紀干旱情況較重的時期[18]，與最大需水量的時期基本一致。

(4)與夏玉米和棉花相比，冬小麥的缺水形勢更為嚴峻。

4.2 討論

河北省近50年來的氣溫明顯上升，而作物需水量并未因此增加，說明影響水分變化不僅要考慮氣溫變化，還要考慮其他氣象因素，如在計算參照蒸散量中需要的風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度和降水量等。目前河北省的旱情較為嚴重，在水資源逐漸減少的情況下，過多開采水資源，嚴重影響作物生長及生態(tài)環(huán)境的平衡。該文利用Penman-Monteith公式、MK檢驗等方法對研究區(qū)主要作物的需水量和缺水量進行特征分析，在對作物需水量的分析中，與李春強等對河北省1965—1999年相關(guān)研究的計算結(jié)果及變化趨勢差距不大； 在對作物缺水量的分析中，與李鵬飛[19]等對華北平原北部農(nóng)田的缺水量研究中保定市缺水情況有相似性，但由于后者是對生育期4—10月分別進行分析，沒有把冬小麥的越冬期計算在內(nèi)，且研究對象為整個農(nóng)田，可能與該文僅對主要作物的研究存在出入?？傮w來看該文與前人的研究相比，選擇的時間尺度較大，計算及分析的指標較多，更能反映出近年來保定市農(nóng)業(yè)用水的情況?；谏鲜龅难芯拷Y(jié)果說明保定地區(qū)在未來一段時間內(nèi)作物的需水量、缺水量和有效降雨量會呈現(xiàn)微弱的減少趨勢，但這并不意味著保定市的農(nóng)作物灌溉用水量不趨近于短缺的狀態(tài)，只是不一定像預(yù)測那樣嚴重，應(yīng)根據(jù)農(nóng)作物各項指標的變化制定相應(yīng)的灌溉措施。在作物的生長期和快速發(fā)育期缺水量和需水量較大，會使保定地區(qū)在此時階段的水資源趨于緊張，應(yīng)該加大對作物需水量的灌溉補給。同時，在不同的生育期內(nèi)要將土壤水分控制在合理范圍內(nèi)，不僅對棉花的光合作用有利，而且降低了植株的奢侈蒸騰，減少了土壤水分的無效消耗，提高葉片的水分利用效率。作物的快速發(fā)育期和生長中期是需水的關(guān)鍵時期，在灌溉上應(yīng)優(yōu)先滿足其需水要求，否則會造成嚴重的減產(chǎn)。在初始生長期控制灌水，不僅不影響產(chǎn)量，而且能提高水分利用效率。