三江平原撓力河流域主要作物水分盈虧時空變化特征

周 浩，金 平，夏衛生，雷國平

三江平原撓力河流域主要作物水分盈虧時空變化特征

周 浩1，金 平2，夏衛生1，雷國平3※

（1. 湖南師范大學資源與環境科學學院，長沙 410081；2. 湖北省城市規劃設計研究院，武漢 430071；3. 東北大學土地管理研究所，沈陽 110004）

明確中國糧食生產基地主要作物種植條件下的水分盈虧條件，有利于區域灌溉策略制定及保障國家糧食安全。該研究基于MODIS遙感數據和常規氣象數據，運用Priestley-Taylor公式以及作物水分盈虧指數，以三江平原腹地的撓力河流域為研究區，揭示2000年以來該流域主要作物（中稻、春小麥和春玉米）的水分盈虧時空變化特征。結果表明：1）撓力河流域潛在蒸散量由2000年的910.25 mm增至2015年的964.04 mm，各作物需水量整體呈現不同幅度的上升態勢；2）各作物表現出不同的水分盈虧特點。中稻水分虧缺明顯，缺水量由東北向西南遞增，天然降水不能滿足其水分需求。春小麥水分虧缺程度低，灌溉需求量在空間上變化較小。春玉米多處于輕度缺水狀態，且西北部的缺水量小于東南部；3）流域境內的中稻多處于輕旱狀態，2000—2015年干旱區持續擴張，面積增長幅度達到143.46%。對于旱作物而言，春小麥的缺水量尚未達到輕旱的標準，而春玉米的輕旱區面積往復變化，2000—2015年間面積減少了79.90%。作物種植結構的快速變化，使得中稻種植區迅速擴張，加劇了該流域的水分虧缺態勢，而春小麥和春玉米的種植區變化未對水分盈虧態勢造成顯著影響。研究可為撓力河流域的農業結構調整與農田灌溉措施制定提供支持。

遙感；作物；Priestley-Taylor公式；水分盈虧；撓力河流域

0 引 言

水分是作物生長發育的重要因子，而農業旱澇的根本原因在于水分盈虧失衡[1]。對于北方干旱區而言，水分盈虧及其變化研究對于糧食生產與作物布局具有較強的現實意義[2]。因此，揭示不同作物種植條件下的水分盈虧條件，有利于科學引導農業結構調整及制定農田排灌措施。

當前，學者圍繞水分盈虧問題開展了大量研究。研究方法和手段上，常基于田間試驗或傳統數理特征統計法[3-5]，來研究作物水分盈虧的分項特點，進而分析區域水分盈虧特征。具體的評價指標包括標準化降雨蒸散指數（Standardized Precipitation Evaporation Index，SPEI）[6]、帕爾默綜合氣象干旱指數（Palmer Drought Severity Index，PDSI）[7]、干濕指數[8]和作物水分盈虧指數（Crop Water Surplus & Deficit Index，CWSDI）[9]等，其中CWSDI指數能夠很好地反映作物水分供需矛盾大小以及作物對水分的需求程度；研究內容上，著重分析了氣象、作物和農田土壤的水分盈虧特征，如高歌等[10]研究了中國主要流域的水分盈虧特征及其影響因素；張淑杰等[11-12]分析了東北地區氣象水分盈虧特征，并得出該地區水分盈虧量逐年下降的結論；姚曉軍等[13]和史建國等[14]分別對中國西北地區以及黃河流域的水分盈虧特征進行了研究。上述研究對象多為較大面積的流域或地區，對于偏僻的中小尺度區域而言，由于境內氣象水文要素數據較為匱乏，不利于水分盈虧評估工作的開展。

位于中國東北端的三江平原具有特有的濕地生態服務功能和糧食生產地位，一直是全球變化研究的重點地區[15-16]。自21世紀以來，在“兩江一湖”土地整治以及農戶自發型農業結構調整背景下，該地區作物種植結構持續變化[17]，對作物水分盈虧造成了顯著影響。但三江平原地處邊境地帶，境內氣象站點偏少，氣象資料匱乏。因此，科學評估該資料欠缺地區作物種植條件下的水分盈虧特征，對于區域糧食生產安全尤為重要。近年來，隨著計算機技術的發展，水文遙感正逐漸成為資料欠缺地區獲取水分條件數據的重要手段，能夠彌補傳統監測資料不足的劣勢[18-20]。基于此，本文選取三江平原腹地的撓力河流域為研究區，采用區域遙感反演手段，來研究資料欠缺地區的主要作物（中稻、春小麥和春玉米）水分盈虧特征，明確作物種植條件與氣候濕潤狀況的相互匹配程度，為該流域乃至三江平原的農業結構管理與灌溉策略制定提供依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

撓力河流域為三江平原境內最大的流域，總面積為2.49萬km2（圖1）。該流域地處半干旱地帶，多年平均降水量518 mm，且主要集中于6—9月份，水系自西南流向東北，地勢西南高而東北低，地貌類型是山地和平原，二者分別占流域面積的38.3%和61.7%。自建國初以來，撓力河流域歷經多次大規模土地利用開發，導致濕地大面積喪失、結構破壞和功能退化，耕地面積持續上升，并已成為三江平原主要的糧食產區和國家重要商品糧生產基地，主要作物類型為中稻、春小麥和春玉米[21]。

圖1 撓力河流域地理位置

1.2 數據來源及預處理

本文數據包括：1）MCD43B3（1 d）、MOD11A2（1 d）、MCD15A2（8 d）和LST，以上數據均來自于MODIS陸地標準3級產品，對數據進行拼接、裁剪、空間范圍缺值插補和時間序列缺值插補等一系列預處理后[18]，最終得到2000、2005、2010和2015年撓力河流域的MODIS數據集，其時間分辨率和空間分辨率分別為1 d和1 km；2）逐日降水和溫度數據均來自于中國氣象數據中心“中國地面氣象資料日值數據集V3.0”的寶清站、鶴崗站、佳木斯站、勃利站、雞西站、綏芬河站、富錦站和虎林站共8個地面基準氣象站點數據；3）土地利用分布數據通過人機交互式目視解譯方法獲得，解譯基礎數據源為美國陸地資源衛星Landsat TM/OLI遙感影像，并輔以中國科學院資源環境科學數據中心的“中國土地利用現狀遙感監測數據”；4）基礎地理信息數據包括SRTM的DEM數字高程模型數據（90 m）和經、緯度空間分布數據，對基礎數據經投影變化（Albers等積投影）和重采樣處理操作（1 km）；5）主要作物生長周期及面積結構系數來自于國家氣象數據中心“中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集”和流域境內分縣農業統計資料。

2 研究方法

2.1 潛在蒸散量

2.1.1 瞬時潛在蒸散量

蒸散量是水循環中的重要支出項，準確估算蒸散量是流域水循環與水分盈虧研究的基礎。選用Priestley-Taylor[22]公式作為瞬時潛在蒸散遙感反演的基礎，公式如下

式中ET0為潛在蒸散量，mm；為Priestley-Taylor系數；R為地表凈輻射量，W/m2，可通過MODIS數據來推算衛星過境時刻，并結合大氣溫度T和Emis地表發射率數據進行計算[20]；為土壤熱通量，W/m2；為汽化潛熱，MJ/kg，由空氣定壓比熱和大氣壓（經海拔高度進行推算）等計算得到[23]；為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/℃，可基于大氣溫度T的經驗公式進行計算；為干濕表常數，kPa/℃，可由空氣定壓比熱，大氣壓（海拔高度推算）等計算得到。

2.1.2 瞬時潛在蒸散量的逐日尺度轉換

一天中凈輻射R呈正弦曲線變化特點，決定了瞬時潛在蒸散量也具有正弦曲線變化特點，因此可以采用正弦曲線擬合的方法實現瞬時潛在蒸散量的逐日尺度轉換，公式如下

式中ET0_max為日最大潛在蒸散量，mm；為模擬時刻，h；rise為日出時刻，h；set為日落時刻，h。rise和set分別對應著一天中凈輻射值變為正和負的時刻。

2.2 有效降水量

作物生育階段有效降水量是指作物生育階段內降水實際補充到根層土壤中的凈水量，代表總降水量中的有效部分。本文利用美國農業部土壤保持局推薦的有效降水量計算方法[24]。

式中e為逐日有效降水量，mm/d；為逐日總降水量，mm/d。

2.3 作物需水量

作物需水量為確定作物灌溉量的基礎，受土壤、作物、氣候等多種因素影響，主要研究方法包括田間測定和理論計算兩類，本文采用作物系數法進行計算。公式如下[1]

式中ET為作物需水量，mm；ET0采用上文逐日潛在蒸散量的計算結果；K為作物系數，反映了作物在標準狀態下的蒸散特性。該系數受土壤、氣候、作物生長狀況和管理方式等多種因素綜合影響，對于K的確定，可采用FAO推薦的標準作物系數與修正公式進行作物系數修正[9]。公式如下

式中K為作物不同生育階段的標準作物系數；2為2 m高處的風速，m/s；RHmin為日最低相對濕度平均值，%；為作物平均高度值，m；同時依據中稻、春小麥和春玉米的生長發育特點，將全生育期分為為4個生育階段（初期、發育期、中期和成熟期），依據撓力河流域的作物實際生長發育資料，劃分對應的作物生育周期及確定作物系數（表1），進而確定全生育期作物的需水量。

表1 撓力河流域主要作物生育階段劃分及其作物系數

注：K為作物系數。

Note:Kis crop coefficient.

2.4 作物水分盈虧評價

考慮到作物不同生育階段對應著不同需水量，構建作物水分盈虧量與作物需水量的比值CWSDI，以反映其水分盈虧程度，公式如下

式中=P-ET表示作物實際水分盈虧量的大小，mm。當CWSDI＞0，表示水分盈余，CWSDI=0，表示水分收支平衡，CWSDI＜0，表示水分虧缺[9]。

3 結果與分析

3.1 潛在蒸散量特征

潛在蒸散量遙感反演結果顯示，撓力河流域4個研究時點（2000、2005、2010和2015年）的年潛在蒸散量分別為910.25、936.84、937.23和964.04 mm。在空間分布上，撓力河流域各研究時點的平均潛在蒸散量處于780～1 179 mm范圍，其中農作物主要分布區的潛在蒸散值普遍高于940 mm，流域東部及南部多山，海拔較高，潛在蒸散量整體偏低。相對于流域中部的內、外七星河地區而言，上游寶清縣地區的相對濕度低，加之受緯度帶影響，導致潛在蒸散量偏高（圖2）。

圖2 撓力河流域平均潛在蒸散量空間分布

3.2 有效降水量特征

撓力河流域4個研究時點的平均中稻全生育期有效降水量略低于春小麥和春玉米的有效降水量。中稻生長期約為130 d（5月20日至9月29日），生育期內平均有效降水量為291.81 mm，占全年總降水量的60.16%，降水較為集中。春小麥生長期約為115 d（5月8日至9月5日），平均有效降水量高于中稻，為303.31 mm。春玉米的生長期共135 d（4月26日至9月12日），平均有效降水量達到324.77 mm（圖3）。

3.3 作物需水量特征

對于中稻而言，4個研究時點（2000、2005、2010和2015年）的全生育期需水量逐步上升，依次為609.63、617.02、673.23和673.65 mm。2000年和2005年，流域北端的富錦市與饒河縣交界區的需水量偏低，撓力河干流沿岸的富錦寶清段是需水高值集中區，平均值達到620 mm。至2010年，中稻需水量空間分布發生了較大變化，呈現出由西向東不斷遞減的特點，相對高值區多分布于寶清縣境內，相對低值區多分布于北端的富錦市境內，但面積較小。2015年，流域境內的需水高值區分布較為零散，但由于該年份的寶清縣溫度偏低，使得區域潛在蒸散量偏低，并導致對應的中稻需水量也處于較低水平。

作為旱作物的春小麥和春玉米，其需水量顯著低于中稻。4個研究時點的春小麥需水量均值依次為460.31、464.22、468.17和461.34 mm，且相對空間分布差異較大，2000年和2005年的相對高值區多位于內、外七星河地區，撓力河干流沿岸的饒河寶清段和流域南端部分地區的需水量偏低，2010年，春小麥需水量在空間上整體表現出西高東低的特點，而至2015年，流域南部的需水量高于東部，北部富錦市與友誼縣交界區的需水量處于較低水平；與春小麥相比，春玉米全生育期較長，其需水量高于春小麥，4個研究時點均值依次為510.63、502.24、522.73和518.68 mm。2000年，需水高值和低值區交錯分布，趨勢性特征差，2005年，春玉米需水量下降幅度較小，且在空間上仍保持著高、低值混合分布的特點，2010年和2015年，春玉米需水量東高西低。總體而言，位于西部的友誼集賢地區和東部寶清縣地區的旱作物需水波動較大（圖4）。

3.4 作物水分盈虧特征

依據CWSDI作物水分盈虧模型，評估撓力河流域主要作物的水分盈虧特征（圖5），并依據《中國農業干旱監測指標方法與等級劃分》標準（無旱（?0.50

3.4.1 作物水分盈虧指數特征

各研究時點的中稻水分盈虧指數均小于0，反映了中稻全生育期以水分虧缺狀態為主，天然降水難以滿足該地區的灌溉需求。不同時間點的水分盈虧指數存在差別，對應著中稻不同的灌溉需求度。2000年，中稻水分盈虧指數處于?0.50～?0.72范圍，平均值為?0.523，整體處于輕度干旱狀態，人工灌溉需求量由東北向西南遞增；相對于2000年，2005年的水分虧缺態勢加劇，盈虧指數均值變為?0.532，對應的指數范圍為?0.32～?0.62；2010年水分盈虧指數處于?0.30～?0.65范圍，平均值為?0.57，盈虧指數下降幅度較大，流域水分虧缺態勢趨于惡化，而至2015年，水分盈虧指數的平均值變為?0.58。同時在空間分布上，水分盈虧指數絕對值均由東北向西南遞增，友誼集賢地區以及富錦市西南端的中稻灌溉壓力較大。

圖4 撓力河流域典型年份的作物需水量空間分布

對于春小麥而言，各研究時點的水分盈虧指數均值小于0，但灌溉需求量小于中稻。2000年，春小麥的水分盈虧指數處于?0.38～?0.53范圍，平均值為?0.44。依據干旱等級劃分標準，流域大部分地區的春小麥處于無旱狀態，即無需額外的人工灌溉措施來滿足春小麥的水分灌溉需求，可利用天然降水、土壤水分條件進行正常生長發育；2005年，春小麥的水分盈虧指數范圍變為?0.29～?0.45，對應的均值為?0.359，水分虧缺量下降；2010年和2015年的水分盈虧指數均值分別為?0.362和?0.365，水分需求量增加，且在空間上表現出需水量差異較小的特點。

各研究時點的春玉米均為輕度缺水狀態，且缺水程度處于相似水平，西北部的友誼和集賢地區以及富錦市西南端的春玉米水分虧缺量顯著高于東南部的寶清縣地區。2000年，春玉米的水分盈虧指數范圍為?0.40～?0.61，均值達到?0.537，處于輕度干旱狀態，天然降水難以滿足其灌溉需求；相對于2000年，2005年的春玉米盈虧指數均值為?0.47，水分虧缺量下降，對應的指數范圍為?0.42～?0.54；2010年和2015年，水分盈虧指數均值分別為?0.489和?0.484，水分灌溉需求度有所增加。

注：CWSDI為作物水分盈虧指數。

Note: CWSDI: Crop Water Surplus & Deficit Index.

圖5 撓力河流域典型年份的作物水分盈虧指數空間分布特征

Fig.5 Spatial distribution of crop water surplus & deficit index in typical years in Naoli River Basin

3.4.2 作物干旱特征

依據水分盈虧指數和干旱等級劃分標準，對撓力河流域主要作物的干旱程度進行評價，發現撓力河流域中稻種植區多處于輕度干旱狀態，需通過抽取地下水、渠道引水等措施，以保障該地區水稻的正常生長發育。2000年，約有6.72%面積的中稻處于中度干旱狀態，且多位于富錦市東南部；2005、2010和2015年，春小麥水分盈虧態勢良好，盡管處于水分虧缺的狀態，但可通過土壤儲水以及適當的農田灌溉措施，以保證春小麥的正常生長發育；春玉米和春小麥同為旱作物，且春玉米生長期的需水量顯著高于春小麥，2000—2015年，該流域春玉米表現出不同程度的輕度干旱特點，2000年的輕旱區相對面積比例達到94.43%，其余年份的面積占比依次為17.65%、31.24%和24.08%（表2）。

表2 撓力河流域作物不同干旱等級面積占比

自21世紀初以來，撓力河流域中稻種植區迅速擴張，加劇了該流域農田的水分虧缺情勢，而春小麥和春玉米種植結構的變化，未對該流域的水分盈虧情勢造成顯著的負面影響。具體表現為：輕旱是撓力河流域中稻的主要干旱類型，2000年以來，在中稻種植面積迅速增加的背景下，輕旱區面積約增加了3 225.00 km2，16 a間擴張幅度達到143.46%，每5 a相鄰時點的擴張幅度也分別為25.71%、39.21%和39.12%；2000年，春小麥的輕旱區面積為803.00 km2，相對面積比例達到6.74%，其余年份的春小麥均處于無旱狀態；對于春玉米而言，研究期內的輕旱區面積共減少了8 931.00 km2，變化幅度達到79.90%。

4 討 論

合理的水分條件是農業生產的先決條件[16]，從柵格尺度評估區域水分盈虧特征，能夠指導農田水分的科學管理。水分盈虧研究一般被分為涉及降水、蒸發等水文過程的天然狀態和額外增加人類活動影響的人工狀態2個層次[25]。前者側重于植被水分需求量與自然供水量之間的差額問題，可從氣候、作物與農田3個層次進行研究[26]，被認為是在水分管理過程中逐層增加限制性因素，其中氣候水分盈虧與作物水分盈虧是天然狀態下水分盈虧研究的初始層次，更具理論意義，農田土壤水分盈虧是天然狀態下水分盈虧研究的實際層次，更具實踐價值[27]。本文以三江平原腹地的撓力河流域為研究區，開展作物種植條件下的水分盈虧研究，為理論意義上的水分平衡關系，后續可考慮研究農田土壤水分盈虧關系以提高評估結果的實踐價值，或依次從作物、農田和土壤層次來研究水分盈虧問題。

以水稻為主要種植類型的水田是撓力河流域重要的糧食生產載體，灌溉需水量偏大。在水田面積持續擴張下，水田的水分虧缺態勢愈加突出，應將水田或水稻視作水分條件管理的重點對象。宮興龍等[28-29]也對撓力河流域的水土資源綜合利用問題開展了系統性研究，并認為水稻種植對區域干旱特征影響非常顯著，研究結論與本文基本一致。但由于作物尤其是水稻不同生長階段的需水量不同，使得對應的水分盈虧量也存在差別，后續研究應細化作物生育階段，來揭示不同生長階段的水分盈虧特點，并針對性地指導該流域農業灌溉管理。

5 結 論

基于MODIS遙感影像和常規氣象數據，在Priestley-Taylor公式以及作物水分盈虧模型支持下，揭示2000年以來撓力河流域主要作物（中稻、春小麥和春玉米）的水分盈虧時空變化特征。主要得出以下結論：

1）撓力河流域潛在蒸散量由2000年的910.25 mm增至2015年的964.04 mm，中稻、春小麥和春玉米的全生育期有效降水量依次為291.81、303.31和324.77 mm；

2）撓力河流域的中稻以水分虧缺特點為主，缺水量由東北向西南遞增，天然降水難以滿足該流域水田的灌溉需求；春小麥的水分盈虧態勢良好，各年份間的空間需水量處于同一水平；春玉米的水分虧缺態勢較為嚴峻，且虧缺量由東南部向西北部緩慢增加；

3）撓力河流域中稻多處于輕度干旱狀態，2000—2015年面積持續增長了143.46%。流域的春小麥多未達到缺水的干旱標準，而春玉米的輕旱區面積減少了79.90%。中稻面積的迅速擴張，加劇了該流域的水分虧缺態勢，春小麥和春玉米種植結構的改變，未對水分盈虧造成顯著的負面影響。

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Spatial-temporal characteristics of water surplus and deficit for the main crops in Naoli River Basin of Sanjiang Plain, China

Zhou Hao1, Jin Ping2, Xia Weisheng1, Lei Guoping3※

(1.,,410081,; 2.,430071,;3.,,110004,)

Naoli River Basin is located within the Sanjiang Plain in Heilongjiang Province, China. The agricultural structure of Sanjiang Plain has been greatly adjusted with a large amount of dry land crops into wetland rice since the early 2000s, thereby resulting in a series of problems in the utilization of water resources in Naoli River Basin. Therefore, it is necessary to explore the water profit and loss situation of main crops, in order to implement regional irrigation strategies, and thereby to serve as the national food security. In this study, the Priestley Taylor formula, and Crop Water Surplus and Deficit Index (CWSDI) were used to reveal the water profit and loss situation of the middle rice, spring wheat and spring maize, in Naoli River Basin. The fundamental resources included the MODIS image, the long-term sequenced meteorological and the DEM data sets during the processing. Results showed that the Potential Evapotranspiration (ET0) increased from 910.25 mm in 2000 to 964.04 mm in 2015 in this river basin. The water demand of main crops, including middle crop, spring wheat and spring maize, also increased at different ranges as a whole. There was a decrease trend in the CWSDI from 2000 to 2015 in Naoli River Basin, indicating the natural precipitations can not meet the irrigation demand of middle rice, while the absolute value of index increased from the northeast to southwest in the spatial distribution. The CWSDI of spring wheat was larger than that of the middle rice, showing similar characteristics in the whole spatial distribution for each year. The CWSDI of spring maize indicated that the spatial characteristics of northwest were slightly lower than that of the southeast, indicating both regions in the condition of mild water shortage in Naoli River Basin. Drought classification was also evaluated using the CWSDI. The middle rice, accounting for the area proportion of 143.46%, was basically in mild drought state in the research basin. Despite at the state of water shortage, spring wheat has not reached the drought standard. The cultivated area of spring maize has decreased by 79.90% in the mild drought state in Naoli River Basin. The reason can be that the spring wheat and spring maize have been partly substituted for the middle rice with a rapid increasing trend since 2000, and thereby the planting of wetland crops, such as rice, led to a severe shortage of water. The spring wheat and spring maize demonstrated an extremely rare negative impact on the water surplus and deficit situation. These findings can provide the promising references when implementing the farmland irrigation schemes and agricultural structure adjustment in Naoli River Basin, China.

remote sensing; crops; Priestley-Taylor formula; water surplus & deficit; Naoli River Basin.

周浩，金平，夏衛生，等. 三江平原撓力河流域主要作物水分盈虧時空變化特征[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：159-166.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.019 http://www.tcsae.org

Zhou Hao, Jin Ping, Xia Weisheng, et al. Spatial-temporal characteristics of water surplus and deficit for the main crops in Naoli River Basin of Sanjiang Plain, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 159-166. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.019 http://www.tcsae.org

2019-11-12

2020-06-28

國家自然科學基金項目（41671520）；國家重點研發計劃項目（2016YFC0502406）

周浩，博士，講師，主要從事耕地及國土資源綜合利用研究。Email：zhouhao7404@ 163.com

雷國平，博士，教授，主要從事土地利用規劃與管理研究。Email：guopinglei@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.019

F323.2；F301.21

A

1002-6819(2020)-14-0159-08