河北省夏玉米主产区作物需水量和缺水量研究

曹永强，李晓瑞

(辽宁师范大学 城市与环境学院, 辽宁 大连 116029)

在全球气候变暖的背景下[1]，近50年河北省降水量呈递减趋势[2]，气候变化将通过气温和降水变化的综合作用使生态系统各要素发生变化，进而影响作物生长发育过程。河北省降水时空分布不均，自然降水资源匮乏，多年平均水资源量205 亿m3，人均水资源量307 m3，仅为全国平均值的1/7[3]，而农业灌溉用水占到总用水量的70%以上[4]。作为我国重要粮食产区，其水资源供需情况及其变化趋势历来受人关注[5，6]。据《河北省水资源消耗总量和强度双控实施方案(2016-2020年)》的规定，到2020年，河北省农业用水将控制在130 亿m3以内[7]，因此如何在应对气候变化的同时，充分利用自然降水、合理开采地下水、提高农田灌溉用水效率和效益，保障农作物科学高效生产成为河北省农业发展所面临的主要问题。

开展区域作物需水量与缺水量研究，对高效利用水资源，合理安排灌溉制度，提高粮食产量等均有着重要的指导意义。目前，国内外学者已开展了大量研究，形成了一套较为完整的思路与方法。J.A.Rodriguez Diaz等[8]对西班牙的瓜达尔基维尔河流域的作物灌溉需水量进行预测，发现在气候变化条件下，20世纪50年代该流域农业灌溉用水显著增加20%；李新波等[9]分别利用Penman-Montieth、Priestley-Taylor和FAO-24Blaney-Criddle 3种方法计算了太行山区山前平原小麦和玉米的蒸散量和灌溉量，结果表明以Penman-Montieth公式为基础计算的作物系数更为合理；刘晓英等[10，11]利用6个城市站点的实测数据，探讨了环境变化下华北平原冬小麦和夏玉米近50年作物需水量的变化趋势和原因；与此同时，王占彪等[12]具体指出了河北省北部夏玉米生产高温风险与干旱风险呈增加趋势；李春强等[13]研究发现近35年河北省夏玉米需水量呈减少趋势；在成因分析方面，高歌等[14]认为，日照时数和风速的明显减少可能是导致中国大多数地区潜在蒸散量减少的主要原因；倪广恒等[15]对此也较为认同，并提出风速的减小、气温的升高也可能是导致我国干旱、半干旱、半湿润地区的参考作物腾发量呈减少趋势的主要原因。

整体来看，虽然针对河北省作物需水量和缺水量研究较多，但深入分析夏玉米的需水量和缺水量的时空变化格局及其成因机制的探讨较少。故此，本文根据河北省域范围内具有代表性的17个典型地面气象站资料，应用FAO推荐的Penman-Monteith公式以及其他公式对夏玉米需水量和缺水量进行计算，采用趋势分析法研究其时间变化，基于ArcGIS平台分析其空间变化，并采用敏感性分析法对其相关气候因素进行深入探讨，以期为河北省应对气候变化对作物生产的影响，提高农业用水效率等方面提供指导。

1 研究区概况与资料方法

1.1 研究区概况及数据来源

河北省地处中纬度欧亚大陆东岸，在113°27′～119°50′E，36°05′～42°40′N之间。地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜，地貌复杂多样，主要为坝上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌单元。属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候，大部分地区四季分明。降水量分布特点为东南多西北少，年均降水量484.5 mm,年日照时数为2 303.1 h，1月平均气温在3 ℃以下，7月平均气温18～27 ℃。粮食作物以冬小麦和夏玉米为主，其中夏玉米主要集中在廊坊以南地区。

本文的逐日气象数据来源于国家气象数据平台(http:∥data.cma.cn/)，时间序列为1955-2014年，主要包括日照时数、日平均相对湿度、日平均风速、20-20时降水量、日最低气温、日最高气温、日平均气温、日平均气压等，研究区内站点分布情况如图1所示。土壤数据主要来源于中国土壤数据库(http:∥gis.soil.csdb.cn/)，时间序列为1955-2014年，包括土壤蒸发层深度、蒸发层土壤的田间持水量、蒸发层土壤的凋萎点含水率、蒸发层土壤的砂粒含量和黏粒含量。

图1 夏玉米主产区各气象站点分布图Fig.1 The meteorological stations distribution map about main producing areas of Summer Maize

1.2 研究方法

1.2.1 需水量计算

联合国粮食组织(FAO)作物需水量专家咨询组认为，在充分供水条件下，通常把某一时段作物蒸散量和作物系数的乘积为该作物某一时段的需水量[16]，公式为：

ETc=KcET0

(2)

式中：ETc为作物需水量，mm；Kc为作物系数，本文采用FAO-56推荐的分段单值平均系数法计算[17]；ET0为参考作物蒸散量，mm，采用FAO推荐的Penman-Monteith公式[16]，以日为单位计算；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是干湿表常数，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。

1.2.2 有效降水量计算

有效降水量是指旱作物种植及生长条件下，用于满足作物蒸发蒸腾所需的部分降水量，不包括地表径流和渗漏至作物根区以下的部分，同时也不包括淋洗盐分所需要的降水深层渗漏部分[16]。研究表明，作物有效降水量的计算方法与计算时段长度的选取有关[18]，本研究以旬为单位，采用FAO参考作物蒸散量和降水量的比率法来计算逐旬有效降水量，其精度能够满足规划和设计的要求[19]，计算公式为：

Pe=∑ni=1Pei

(4)

式中：Pe为生育期内的有效降水量，mm；n为生育期按旬分组的数量；Pei为逐旬有效降水量，mm；P为逐旬累计自然降水量，mm；此处的ETc为逐旬作物需水量。

1.2.3 缺水量计算

作物缺水量又叫灌溉需水量，是指在全生育期内各个生育阶段同期需水量和有效降水量的差值，公式为：

W=ETc-Pe

(5)

式中：W为缺水量。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。

1.2.4 敏感性分析

利用Matlab软件，采用单因素敏感性分析法，深入研究气候变化对河北省夏玉米需水量和缺水量的影响，即在其他气候要素不变的情况下，假定其中一项气候因素变化一个幅度，计算这一气候因素的敏感系数。敏感系数绝对值越大，说明这一气候因素对需水量的影响程度越大[20]。基于Penman-Monteith公式推求的无量纲相对敏感系数(以下简称敏感系数)公式为：

(6)

式中：Vi为第i个气候变量；SVi为气候变量Vi的敏感系数。

1.2.5 统计方法

利用线性回归法和Mann-Kendall非参数检验法分析河北省60年夏玉米需水量和缺水量的变化趋势和突变分析，Mann-Kendall法得到UF与UB两条曲线，并用于检验序列的变化趋势，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[21]。同时为了检验气候要素转折是否达到突变的标准，对突变点进行信噪比S/N检验，计算公式见文献[22]，规定S/N>1时，则认为该年存在突变，否则不存在突变。另外，利用反距离权重插值法分析作物需水量和缺水量的空间分布情况。

2 结果与分析

2.1 夏玉米生育期需水量时空分布

2.1.1 需水量时间变化

河北省各站点1955-2014年夏玉米全生育期平均需水量年际变化如图2所示。整体来看，作物需水量呈显著下降趋势，变化倾向率为-11.19 mm/10 a。年际间需水量差异较大，多年平均作物需水量为310.71 mm；1960年夏玉米需水量达到最大，为398.54 mm；2004年夏玉米的需水量最小，仅为219.47 mm，二者差值为179.07 mm。从趋势线(UF曲线)可知，1955-1993年作物需水量先增后减，整体呈不显著减少为主的变化趋势；1993年以后，UF曲线超过临界值，说明作物需水量下降趋势相比于1993年之前更为显著。河北省夏玉米需水量在60年的变化过程中，UF曲线和UB曲线共出现3个交点，均在临界线范围内，但是这3个点的信噪比S/N均小于1，因此，可判定研究时段内河北省夏玉米全生育期需水量不存在显著突变现象。

图2 夏玉米全生育期需水量年际趋势变化Fig.2 The interannual trend variation of water demand of Summer Maize at full growth stage

图3为全省夏玉米各生育期平均需水量年际趋势变化，表1为全省各生育期需水量平均值及气候变化倾向率。整体来看，在1955-2014年作物需水量的变化过程中，各生育期作物需水量年际间差异都较大，作物需水量整体呈下降趋势，其中生育中期变化率最大，为-4.86 mm/10 a；除了初始生长期，其他生育期均通过0.01显著性检验，而呈显著下降趋势大致从20世纪90年代开始，这与全生育期的趋势变化比较吻合。不同生育期内的需水量同样存在明显差异，快速发育期需水量最大，为127.56 mm，占全生育期需水总量的41.05%；成熟期需水量最小，仅为30.34 mm，占全生育期需水总量的9.76%。

图3 夏玉米各生育期需水量年际趋势变化Fig.3 The interannual trend variation of water requirement of Summer Maize at each growth period

初始生长期快速发育期生育中期成熟期气候变化倾向率/[mm·(10 a)-1]-0.73-3.53-4.86-2.06显著性P >0.05P<0.01P<0.01P<0.01需水量均值/mm39.73127.56113.1330.34

图4 夏玉米全生育期需水量空间分布Fig.4 Spatial distribution of water requirement of summer maize at full growth stage

2.1.2 需水量空间分布

图4为河北省夏玉米全生育期多年(60年)平均需水量的空间分布情况。各站点之间需水量有所差距，全生育期需水量在264.67～375.01 mm之间，高值区分布在黄骅一带，低值区分布在研究区南部地区，大致呈以黄骅为高值中心，由东北向西南逐渐递减，并在涉县和馆陶形成两个低值中心的分布特征。

图5为河北省夏玉米不同生育期多年(60年)平均需水量的空间分布情况。初始生长期需水量空间分布差异较小，高值区分布在辛集和衡水一带，低值区主要分布在研究区南部的邢台、邯郸和馆陶一带。快速发育期是水分需求最大时期，其中，黄骅需水量最大，达到149.52 mm，东北部地区属于高值区，需水量均大于平均值，涉县需水量最小，为97.92 mm。生育中期需水量较高，在101.24～146.59 mm之间，相较于其他生育期，空间分布差异较大，高值区主要分布在黄骅一带，低值区分布在研究区中部。成熟期夏玉米需水量的高值区集中在黄骅、定州和辛集一带，其他地区空间分布差异较小，低值区分布在河北省南部地区。

2.2 夏玉米生育期缺水量时空分布

2.2.1 缺水量时间变化

图6为河北省1955-2014年夏玉米全生育期平均缺水量年际变化。整体来看，河北省夏玉米的缺水量呈不显著下降趋势，变化倾向率为-8.26 mm/10 a。年际间平均作物缺水量为235.01 mm，缺水量差异较大；1957年夏玉米缺水量达到最大，缺水量为312.25 mm；2004年夏玉米的缺水量最小，仅为150.31 mm，二者差值高达161.94 mm。从趋势线(UF曲线)可知，1955-1959年，夏玉米缺水量先增后减；1959-2006年，夏玉米缺水量呈增减交替趋势变化，整体呈微弱的下降趋势；2006-2014年，UF曲线超过临界线范围，夏玉米缺水量呈显著性下降趋势。研究时段内，UF曲线和UB曲线共出现5个交点，均在临界线范围内，但这5个交点的信噪比S/N均小于1，因此，可判定研究时段内河北省夏玉米全生育期缺水量不存在显著突变现象。

图5 夏玉米各生育期需水量空间分布Fig.5 Spatial distribution of water requirement of summer maize at each growth period

图6 夏玉米全生育期缺水量年际趋势变化Fig.6 The interannual trend variation of water deficit of Summer Maize at full growth stage

图7为全省夏玉米各生育期平均缺水量年际变化，表2为全省各生育期缺水量平均值及气候变化倾向率。整体来看，在1955-2014年作物缺水量的变化过程中，各生育期作物缺水量年际间差异较大，作物缺水量整体呈下降趋势，其中生育中期变化率最大，为-3.79 mm/10 a；初始生长期和快速发育期趋势变化均未通过0.05显著性检验，而生育中期和成熟期均通过0.01显著性检验。不同生育期内的缺水量同样存在明显差异，快速发育期夏玉米缺水量最大，为91.08 mm，占全生育期缺水量的38.62%；成熟期夏玉米缺水量最小，仅为25.69 mm，占全生育期缺水量的10.89%。

图7 夏玉米各生育期缺水量年际趋势变化Fig.7 The interannual trend variation of water deficit of Summer Maize at each growth period

2.2.2 缺水量空间分布

基于各站点全生育期内的降水数据，通过公式(5)计算得到各站点的夏玉米多年(60年)平均缺水量数值，并利用ArcGIS软件实现空间分布，结果如图8所示。河北省夏玉米缺水量在196.94～282.26 mm之间，高值区主要分布在研究区东北部地区，高值中心黄骅地区，霸州、沧州和泊头缺水量也较高；低值区分布在南宫、邢台和邯郸一带，大致呈以黄骅为高值中心，由东北向西南逐渐递减，并在邯郸形成低值中心的空间分布特征。

表2 各生育期缺水量均值及气候变化倾向率Tab.2 Climate change tendency and mean value of water deficit in different growth stages

图8 夏玉米全生育期缺水量空间分布Fig.8 Spatial distribution of water deficit of summer maize at full growth stage

河北省各生育期多年(60年)平均缺水量如图9所示。不同生育期之间，缺水量数值相差较大，空间分布形态差异也较大。初始生长期缺水量空间差异较小，高值区分布在辛集和衡水一带，辛集缺水量最大，为48.30 mm；低值区较为分散，分布在南宫、邢台、邯郸一带以及石家庄和定州一带。快速发育期缺水量最大，各站点之间有所差异，高值区主要分布在研究区的东北部，沧州缺水量最大，为110.59mm；低值区分布在定州、衡水以及南部的涉县地区；整体来看，自东北向西南缺水量呈先减少后增加而后减少的空间分布特征。生育中期缺水量较大，相较于其他生育期高值区范围较广，且主要分布在研究区北部，高值中心为黄骅；低值区分布在南宫、邢台和邯郸一带。成熟期缺水量高值区分布在辛集一带，其他地区缺水量空间差异较小，低值区主要分布在邯郸一带。

图9 夏玉米各生育期缺水量空间分布Fig.9 Spatial distribution of water deficit of summer maize at each growth period

3 河北夏玉米主产区时空格局特征的影响因素探讨

利用河北省各站点1955-2014年主要气候要素数据，计算气候要素的全省平均值及年际变化趋势，结果如图10所示。河北省平均气温、最高温和最低温均呈上升趋势，其中最低温变化率最大(0.28 ℃/10 a)，日照时数、风速、相对湿度和降水量均呈下降趋势。河北省日照时数减少的主要原因是总云量和雾日数的增加[23]；河北省夏秋季风速均在20世纪80年代前期开始呈显著下降趋势，这与夏玉米需水量和缺水量显著下降时间较一致，而影响风速的因素较多，北半球副高面积指数、北极涛动指数与风速存在一定的负相关，日照时数与气温日较差与地面风速呈正相关[24]；河北平原20世纪80年代以后进入旱期，1981-2000年相比于1971-1980年，平均降雨量减少70 mm[25]。另外，温度的升高、风速的增大和降水的减少均会使相对湿度降低[26]。

图10 河北省夏玉米全生育期的气候要素年际变化Fig.10 Interannual variation of climatic elements during the whole growth period of Summer Maize in Hebei

为探究各气候因素对作物需水量和缺水量的影响，基于公式(6)计算出各项气候因素对需水量和缺水量的敏感系数，结果如表3所列。由于Penman-Monteith公式中未涉及降水量这一要素，难以定量分析其对需水量的敏感系数，故表3中的降水量一列仅表示对缺水量(W)的敏感系数，其他气候因素表示对需水量和缺水量的敏感系数。分析表3可知，除降水量和相对湿度外，研究区其他气候因素对需水量和缺水量的敏感系数均为正值，表明气温、日照时数和风速与需水量和缺水量正相关；相对湿度与需水量和缺水量负相关；降水量与缺水量负相关。各项气候因素的敏感系数多年平均绝对值按大小排列为：降水量>相对湿度>最高气温>风速>日照时数>最低气温>平均温，即影响需水量的前四个主要气候因素依次为：相对湿度、最高气温、风速和日照时数，影响缺水量的前四个主要气候要素依次为降水量、相对湿度、最高气温和风速，降水量的大小反映农田土壤的干湿程度，是影响缺水量的最主要因素。在各气候因素的综合影响下，河北省夏玉米需水量和缺水量呈下降趋势，这在一定程度上说明，研究时段内，日照时数和风速的显著下降对需水量和缺水量产生的负效应超过了气温显著升高、相对湿度和降水量下降对需水量和缺水量的正效应。

在全球气候变化背景下，河北省夏玉米需水量和缺水量呈显著下降趋势，本文定量分析了气候因素对需水量和缺水量的影响，仅为改善农业用水供需矛盾研究提供理论数据，但缺水始终是河北省作物生长发育的制约因素，因此如何在保障水资源安全的前提下，解决作物生长灌溉用水问题、建立节水型农业结构、培育节水高产作物品种、提高粮食生产安全和产量是河北省面临的挑战，也是未来的研究方向。

4 结 论

(1)时间上，近60 a河北省夏玉米全生育期需水量和缺水量均呈显著下降趋势，需水量在20世纪90年代左右下降趋势较显著，缺水量在21世纪初下降趋势较显著。各生育期变化趋势与全生育期变化趋势较一致。全生育期需水量和缺水量年际平均值分别为310.71 mm和235.01 mm，缺水量占需水量的75.64%，说明有效降雨难以满足夏玉米的生长需求；不同生育期内，快速发育期需水量和缺水量最大，成熟期需水量和缺水量均是最小。

表3 河北省夏玉米主产区各项气候因素敏感系数Tab.3 Sensitivity coefficient of various climatic factors in main producing areas of summer maize in hebei province

(2)空间上，近60 a河北省夏玉米全生育期需水量和缺水量的分布特征大致为以黄骅为高值中心，由东北向西南逐渐递减，低值区主要集中在邢台和邯郸一带。各生育期需水量和缺水量空间分布差异较大，且与全生育期空间分布形态不一致，同一生育期的需水量和缺水量空间分布较一致。

(3)敏感性分析发现，各气候因素对需水量影响顺序为：相对湿度>最高气温>风速>日照时数>最低气温>平均气温，对缺水量的影响顺序为降水量>相对湿度>最高气温>风速>日照时数>最低气温>平均气温。

在气温的上升、相对湿度的下降、降水量的减少以及日照时数和风速的下降共同作用下，最终呈现出本文上述需水量和缺水量时空变化。研究中未考虑夏玉米品种改良和田间管理措施改良对作物水分利用的影响，也未考虑人类活动和地下水开采状况对农田灌溉需水量的影响，相关方面的研究工作有待进一步开展。

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