近60年河北省冬小麥干旱風險時空規律

張 力 陳 阜 雷永登

中國農業大學農學院 / 農業農村部農作制度重點實驗室,北京 100193

全球氣候的持續變化,特別是氣溫和降水的時空分布規律發生異常改變,給農業生產帶來很大的風險與挑戰。IPCC 第五次報告指出,1880—2012年期間全球地表平均溫度上升了約0.85 ℃[1],氣候變化造成了包括干旱、水資源短缺等一系列影響農業生產的生態環境問題及由此衍生的社會經濟問題[2-4]。以我國冬小麥主產區河北省為例,由于作物生長季內降水稀少,干旱成為限制以及危害河北地區冬小麥生產最主要的自然因素之一。河北省長期以來大面積的冬小麥種植消耗了大量的農業灌溉用水,不僅造成了地下水位的顯著下降[5],而且使得冬小麥生產面臨更加嚴峻的干旱風險。

已有研究從干旱災害監測,風險評估和區劃,防災減災等方面對冬小麥干旱問題進行了分析[6-8]。例如有學者通過氣象災害成因的四要素對華北地區冬小麥生產進行了風險評估[9]。然而,現有研究主要從氣象干旱角度或歷史災害統計分析等方面開展綜合評價,沒有很好考慮冬小麥的實際生長發育狀況和不同生育期的水分敏感性差異,無法明確冬小麥干旱災害發生的成因機制及其對氣候變化的響應過程。特別是在近幾十年華北地區暖干化背景下,針對冬小麥不同生育期、不同區域的干旱風險時空規律定量研究還需深入。現有關于作物干旱的評估指標主要分為氣象、水文以及農業干旱三類,但很多研究是采用單一的氣象或水文干旱指標,例如降水距平、帕默爾干旱指數、標準化降水蒸散指數等[10-13]。在實際農業生產中,還需采用適宜的農業干旱指標對作物不同生長發育過程干旱特征及其影響進行評價。其中,水分虧缺指數(CWDI)是一個可以綜合反映作物與大氣和土壤共同作用的農業干旱指標[14-15],能夠較好揭示不同時期水分脅迫對作物生長發育的影響過程,具有較好的機理性和解釋性。

因此,本研究擬采用CWDI 來分析河北省冬小麥生產干旱風險的時空規律及其歷史動態變化。在對過去60年河北省冬小麥不同生育期和不同區域干旱風險的定量評價基礎上,進一步分析氣候變化背景下降水、氣溫、濕度、風速等不同氣象因子對冬小麥干旱特征的影響差異,深入探討干旱災害的成因機制,為采取降低農業干旱風險的有效調控措施提供參考依據。本研究對于河北乃至華北地區冬小麥水分灌溉管理及農田防災減災具有一定借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河北省地處華北平原,包括石家莊、唐山、秦皇島、保定、滄州等11 個地市,面積約18.9 萬公頃。河北省是以傳統“冬小麥-夏玉米”種植模式為主的糧食主產區,由于區域降水和耕地資源的不匹配,長期以來過度的農業灌溉用水特別是大面積的冬小麥灌溉,導致地下水位顯著下降,河北已成為我國最典型的地下水漏斗區之一[16]。特別在近年來氣候暖干化趨勢下農業旱災頻發[17],對于區域糧食可持續穩產構成嚴重挑戰。因此選擇河北省開展冬小麥干旱風險時空特征定量評價分析,有很好的典型性和迫切性。

1.2 數據來源

本研究使用的氣象數據來自河北省內18個國家標準氣象站點1958—2016年的逐日氣象資料,包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、日照時數、風速、相對濕度等。冬小麥生育期數據來自中國氣象數據網的農作物生長發育數據集,按照冬小麥的生育特性將其生育期劃分為播種-返青、返青-拔節、拔節-抽穗、抽穗-成熟4 個階段。作物系數采用農業干旱等級國家標準(GB/T 32136-2015)提供的河北省冬小麥逐月Kc系數參考值(表1)。

表1 河北冬小麥不同生育期的Kc 系數 Table1 Kc coefficient of different growth stages of winter wheat in Hebei

1.3 研究方法

1.3.1 參考作物蒸散量 本文采用FAO 推薦的Penman-Monteith 公式[18]計算參考作物蒸散量：

式中,Rn為地表凈輻射,單位為兆焦每米每天(MJ m-1d-1),G為土壤熱通量,單位為兆焦每平方米每天(MJ m-2d-1),Tmean為日平均氣溫,單位為攝氏度(℃),U2為2 m 高處風速,單位為米每秒(m s-1),es為飽和水氣壓,單位為千帕(kPa),ea為實際水氣壓(kPa),Δ為飽和水氣壓曲線斜率,單位為千帕每攝氏度(kPa ℃-1),γ為干濕表常數(kPa ℃-1)。

1.3.2 作物需水量 作物需水量是作物的參考蒸散量與作物系數Kc的乘積：

式中,作物系數Kc采用表1中的冬小麥不同生育期參數。

1.3.3 作物水分虧缺指數 采用CWDI 來衡量冬小麥不同生育期水分虧缺脅迫下的干旱風險特征：

式中,CWDI 為以旬為單位計算的累積水分虧缺指數,CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4為該旬與其前四旬的水分虧缺指數,前面的系數為其對應的權重；本研究采用現有文獻中常用的權重系數[19],a為0.3,b為0.25,c為0.2,d為0.15,e為0.1。

式中,CWDIi為第i旬的水分虧缺指數,ETc為該旬的作物需水量,Pi為該旬的降水量。

1.3.4 敏感性分析 為進一步探究冬小麥水分虧缺和干旱風險的成因機制,本文進一步分析了CWDI 對不同氣象因子的敏感性。在氣象和水文等相關研究中,有很多學者運用敏感性分析方法研究作物潛在蒸散量或干旱指數與不同氣象因子的內在關系[20-21]。本文采用前人常用的計算方法(公式5),定量分析CWDI 對氣溫、降水、相對濕度等不同氣象因子的敏感性差異。

式中,SVi為CWDI 對第i個氣象因子的敏感系數,Vi為氣象因子。當iVS為正值時,表示干旱指數隨著氣象因子的增大而增大,反之則減少,絕對值越大,表示影響程度越大。

1.3.5 干旱發生頻率 冬小麥不同生育階段干旱發生頻率,即發生某等級干旱的年次數與統計的總年數之比。

式中,Fi為某等級干旱發生的頻率,n為該生育階段發生某等級干旱的年數,N為研究資料的總年數。根據現有文獻中常用的CWDI 劃分標準[22],本文將干旱劃分為無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱5 個等級。

1.3.6 氣候傾向率 利用一元線性方程計算氣候傾向率,分析相關要素的長時間序列變化趨勢。

式中,y代表氣候要素,x代表時間,b為該方程斜率,表示線性趨勢。通過最小二乘法求得線性方程的斜率,10b即為氣候傾向率[23]。

1.3.7 空間分析制圖 采用ArcGIS 10.5 軟件空間分析工具中的反距離權重法(IDW),對計算的氣象站點作物干旱頻率進行插值分析；并結合ArcMap制圖平臺,得到冬小麥不同時期重旱及特旱頻率的空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 河北省冬小麥生育期水分供求特征

利用河北省18 個氣象站點1958—2016年的氣象數據,計算了冬小麥各個生育期的旬平均需水量、降水量和CWDI,如圖1所示。

冬小麥生育期內的旬平均降水量由10月上旬的10 mm 逐漸下降到1月中旬的0.6 mm,從1月中旬開始逐旬增加,到生育期結束達到最大值 19.5 mm。作物需水量呈現和降水量相同的變化趨勢,但是只有2月下旬的降水量大于作物需水量,其余各旬的降水量均無法滿足冬小麥的水分需求。CWDI從10月上旬播種開始不斷上升,到12月下旬達到峰值后開始下降,2月下旬時為最小值,接著從返青-拔節到抽穗-成熟階段不斷上升,到收獲末期又下降。

2.2 干旱等級年際變化趨勢

通過計算河北省所有氣象站點CWDI 的平均值,分析冬小麥各個生育階段CWDI 從1958—2016 的年際變化。如圖2所示,在冬小麥4 個生育階段中,拔節-抽穗階段的CWDI 平均值最高(為80%),其次是抽穗-成熟階段,播種-返青階段的平均干旱程度最低。

圖1 河北省冬小麥不同生育期需水量、降水量和水分虧缺指數(CWDI)變化 Fig.1 Water demand,effective rainfall and water deficit index(CWDI)of winter wheat in Hebei province

圖2 冬小麥不同生育期階段CWDI年際變化 Fig.2 Interannual changes of CWDI in different growth stages of winter wheat

在播種-返青階段(圖2-a),CWDI 的平均值為67.49%,從20 世紀60年代初到20 世紀90年代末CWDI 值有23年高于平均值,17年低于平均值,超過半數的年份CWDI 值高于近60年的平均,且CWDI最高值發生在1988年,為78%。從2004年以來,除個別年份外,CWDI 值呈現下降趨勢,干旱程度有所減輕。相對于播種-返青階段,返青-拔節階段(圖2-b)的CWDI 值呈現較高的水平,平均為74%。整體來看,近60年該生育階段的CWDI 值波動較大,最高為91%,最低為47%。20 世紀90年代以來,超過70%年份的CWDI 高于平均水平,干旱向著更加頻繁的趨勢發展。

拔節-抽穗階段的平均CWDI 約為80%(圖2-c),高于其他3 個生育階段。除1964年以外,其余年份均保持著相對較高的水分虧缺值。自1970年以來,將近連續十年均高于平均值,這一階段經歷了較高且長期的干旱風險。在抽穗-成熟階段(圖2-d),CWDI 的平均值為79%,略低于拔節-抽穗階段,但遠遠高于其他的生育階段。與拔節-抽穗階段相同,1970年以來均有將近十年的時間經歷著高于平均值的干旱風險。但自2002年以來,有超過73%的年份的CWDI 低于平均值,干旱風險有著減輕的趨勢。

2.3 干旱頻率的時空分布特征

總的來看(圖3),冬小麥面臨嚴重的干旱風險。雖然在冬小麥生長發育的前4 個旬,無旱、輕旱和中旱頻率所占比例較高；但在其生長發育的中后期,特別是4月至5月份小麥產量形成的關鍵生育期,重旱和特旱頻率所占比例很高,尤其是特旱所占比例最高,超過了50%。

圖3 不同等級干旱頻率隨時間變化 Fig.3 Different grades of drought frequency changed with time

從冬小麥各個生育期的干旱頻率看,10月上旬的無旱頻率最高,為42%,隨著冬小麥的發育,處于無旱等級的頻率越來越小,從4月上旬開始均為0,即從4月上旬開始冬小麥都處于干旱的狀態。發生輕旱的頻率有相同的變化趨勢,10月上旬最大,為57%,之后不斷減少,至4月上旬減少至0。從10月中旬開始出現中旱,其頻率約為32%,之后在10月下旬和11月上旬均保持著較大的值,之后就呈現減小的趨勢,至2月上旬及之后的6 個旬略有增加。重旱的頻率始終保持著較高的水平,平均為 24%,隨著生育進程,波動較為明顯。冬小麥整個生育期的特旱頻率呈現先減少后增加的明顯波動,4月中旬的特旱頻率達到最高,為84%,而且整個5月份冬小麥關鍵的灌漿成熟期都維持很高的特旱強度。

圖4 冬小麥不同生育階段重旱及特旱頻率的空間分布 Fig.4 Spatial patterns of heavy drought and severe drought in different growth stages of winter wheat

河北省不同地區的重旱及特旱發生頻率如圖4所示。隨著不同生育階段的變化,重旱及特旱發生 的頻率在空間上呈現出不同的分布規律,其中播種-返青階段發生的頻率最低,拔節-返青階段次之,其余2 個階段發生的頻率較高。在播種-返青階段(圖4-a),河北省發生重特旱頻率較高的區域為中西部,東北部的重特旱發生頻率較低,其他區域的干旱頻率處于中間水平。在返青-拔節階段(圖4-b),該重特旱頻率較高的區域集中在河北省的中部,西北方向的頻率最低,其他區域發生干旱的頻率較低,小于中部地區。

在拔節-抽穗階段(圖4-c),干旱高等級風險區域則集中到了河北省的東部和東南部。在抽穗-成熟階段(圖4-d),重特旱發生頻率在空間上有輕微的西移。總體來看,河北省東南部地區,特別是保定、滄州、衡水、邢臺等黑龍港地區發生重旱及特旱的頻率很高,面臨非常嚴重的干旱風險。

2.4 不同生育階段的氣象因子變化趨勢

在近60年中,本研究所涉及的幾個主要氣象因子在冬小麥不同生育階段有著不同的變化趨勢(表2)。CWDI 除在返青-拔節階段有增加趨勢,其余生育階段均呈現下降的趨勢,尤其是在抽穗-成熟階段,下降程度最大。冬小麥需水量和CWDI 有著類似的變化趨勢,均是在返青-拔節階段上升,其他階段下降,在抽穗-成熟階段的下降趨勢最顯著。降水量在冬小麥前2 個生育階段的變化不明顯,在生育期的最后階段有所增加。

在所有的4 個生育階段,平均溫度都有上升的趨勢,除拔節-抽穗階段外,其余生育階段均極顯著上升,在這樣的背景之下,冬小麥的潛在蒸散量、需水量及灌溉需求量都會增加。如果未來氣候持續變暖,冬小麥將面臨很大的干旱風險。與此同時,日照時數和平均風速全部都有著下降的趨勢；相對濕度在不同的生育階段有著不同的特點,除了抽穗-成熟有上升的趨勢,從返青到拔節的前3 個生育階段均呈現較大的下降趨勢,表明冬小麥面臨著較大的干旱風險。

2.5 CWDI 對不同氣象因子的敏感性分析

冬小麥不同生育期的氣象因子對CWDI 的影響有較大差異(表3)。在整個生育期,降水和相對濕度的敏感系數均為負值,其余3 個要素均為正值。表明降水和相對濕度對于CWDI 的影響是負效應,氣溫、日照時數和風速對CWDI 為正效應。

對比不同氣象因子敏感系數的絕對值發現,在全部四個生育階段中,CWDI 對降水的變化最敏感,而其他氣象因子在不同時期的敏感系數差異較大。因此,在冬小麥生產中,應當根據其不同生育期的降水情況和水分虧缺程度適時補充灌溉,以減少干旱的發生。除降水外,在播種-返青階段相對濕度的敏感系數絕對值最大,為5.27,其次是風速和日照時數；在拔節-返青階段,絕對值由大到小依次為相對濕度、風速、氣溫和日照時數；在拔節-抽穗階段,氣溫的敏感系數絕對值最大,為1.13,風速的敏感系數絕對值最小,為0.56；抽穗-成熟階段與前一個時期類似,除降水外,氣溫的敏感系數絕對值最高,其次為相對濕度和日照時數。

表2 不同氣象因子的氣候傾向率 Table2 Climate tendency rate of different meteorological factors

表3 不同氣象因子對水分虧缺指數的敏感系數 Table3 Sensitivity coefficient of different meteorological factors to water deficit index

3 討論

本研究采用作物水分虧缺指數,分不同生育期和不同區域對河北省冬小麥的干旱風險進行了定量評價,通過將水分虧缺脅迫因子與作物生育進程耦合分析,可以更加客觀地反映冬小麥實際生產面臨的干旱風險。在此基礎上綜合分析了降水、氣溫、濕度、風速等多種氣象因子的變化及其對冬小麥干旱特征的影響差異和不同敏感性,初步闡明了影響冬小麥水分虧缺和干旱風險的關鍵氣象因子,可為區域防旱減災提供一定的理論支撐。

冬小麥生育期內面臨嚴重的干旱風險。特別在拔節-抽穗、抽穗-成熟等冬小麥產量形成的關鍵生育期,降水量明顯不足,加之氣溫偏高,導致其需水量顯著增加,造成嚴重的水分虧缺和干旱風險。有研究表明[24],黃淮海冬麥區的水分虧缺比較嚴重,在拔節-抽穗,抽穗-成熟這2 個生育階段的水分虧缺程度高于其他生育階段,且開花-成熟階段是決定冬小麥千粒重的關鍵時期[25],因此,發生在這2個階段的干旱最終會嚴重降低冬小麥的產量。前人相關研究與本文結果有較好的一致性。從干旱風險的空間規律上看,在冬小麥生長的中后期,河北省東南部特別是保定、滄州、衡水、邢臺等黑龍港地區面臨非常嚴重的干旱風險。也有類似研究采用SPEI 等氣象干旱指標對河北冬小麥開展評價,得出的空間規律與本研究基本吻合[26-27],當然也有部分高風險地區存在差異。原因可能是本研究采用了綜合考慮作物與大氣和土壤共同作用的農業干旱指標CWDI 作為評價指標,而且在分析空間規律時重點關注了對冬小麥生長有明顯抑制作用的重旱和特旱等級,此外在冬小麥生育期階段劃分以及不同干旱等級分類依據上也有一定差異。

本文對CWDI 的敏感性分析表明,在冬小麥的所有生育期內,降水均為主要的影響因素,播種-拔節階段相對濕度為次要的影響因素,最后2 個生育階段氣溫為次要的影響因素。以往針對華北地區的相關研究表明,過去幾十年該區氣溫均有較為明顯的增加趨勢,相對濕度和平均風速表現為總體減小的趨勢[28-29]。有研究通過氣象因子敏感性分析表明,華北平原作物的潛在蒸散量隨著溫度、日照時數和風速的增加而增加,隨著相對濕度的增加而減少[30]。也有研究通過參數化檢驗法分析得出,華北地區日照與風速的減少是造成作物需水量下降的主要原因[31]。因此本研究對于CWDI 主要影響因素的分析結果與相關文獻結論基本一致,當然由于地理環境差異,以及研究時段和空間尺度的不同也存在一定差異。冬小麥的CWDI 由潛在蒸散、降水和作物系數綜合決定,而且作物Kc系數還可能受到不同品種和輪作模式的影響。今后還需進一步分析不同小麥品種以及“冬小麥-夏玉米”等種植模式的干旱風險差異,從區域作物生產系統角度深入揭示旱災形成的過程機制和時空規律,為開展降低作物生產風險的結構布局調整和種植制度優化[32]提供理論依據。

4 結論

在冬小麥生育期內,降水難以滿足其水分需求,特別在拔節-抽穗、抽穗-成熟等產量形成的關鍵期,冬小麥需水量和水分虧缺程度顯著上升,面臨著嚴重的干旱減產風險。河北省東南部地區發生重旱和特旱的頻率很高,特別是保定、滄州、衡水、邢臺等黑龍港地區面臨非常嚴重的干旱風險。冬小麥水分虧缺程度和干旱風險受降水、氣溫、濕度等因素的影響,其中影響最大的是降水,冬小麥全生育期敏感系數絕對值均最高；生育前期相對濕度對水分虧缺的影響程度也較高；而在冬小麥生育中后期,氣溫成為除降水外的主要影響因素。近幾十年來冬小麥4 個生育內的平均氣溫都呈上升趨勢。如果華北地區未來氣候持續變暖,無疑將顯著增加冬小麥生長期的蒸散量以及灌溉需求量,導致遭受更大的干旱風險。