路 中，雷國平，張露洋

(東北大學土地管理研究所，遼寧沈陽 110169)

松嫩平原處于全球環(huán)境變化速率最大的東亞季風區(qū)，既是氣候變化敏感區(qū)［1］，又是氣候變暖的強增溫區(qū)域［2-3］。干旱與半干旱是該地區(qū)的顯著特點，區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)處于水分虧缺狀態(tài)［4］。特別是隨著全球平均氣溫的升高［5-6］，松嫩平原水分虧缺呈加劇態(tài)勢，春旱與春夏連旱的頻率和強度增加，這直接影響了區(qū)域內(nèi)的糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展［7］。因此，在全球氣候變暖、干旱發(fā)生頻率和強度逐漸加劇的大背景下，厘清該地區(qū)作物生長周期內(nèi)水分盈虧的演變規(guī)律，對于該地區(qū)的糧食生產(chǎn)安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前關于區(qū)域內(nèi)水分盈虧狀況的研究方法大致可以分為2類:一類是運用氣象干旱指數(shù)研究區(qū)域水分盈虧狀況，包括綜合氣象干旱指數(shù)(CI)［8］、標準化降雨蒸散指數(shù)(SPEI)［9-10］、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)［11-12］、Z指 數(shù)［13］以 及 干 旱 偵 測 指 數(shù)(RDI)［14-15］等;另一類是從水土資源平衡的角度研究區(qū)域水分盈虧情況，依據(jù)流域水量平衡模型［16-17］和傅抱璞(Budyko)模型［18-19］等方法求得實際蒸散量，并根據(jù)作物需水量計算水分盈虧量和水分盈虧率，進而對研究區(qū)域內(nèi)的水分盈虧情況進行研究?？傮w來講，第1類方法可以有效估算長時間范圍內(nèi)研究區(qū)域的水分盈虧情況，且可以分析作物生長周期內(nèi)不同時間段的水分盈虧情況，但該方法僅依據(jù)氣候條件進行區(qū)域水分盈虧情況的研究，未考慮土地資源對于水資源的需求情況，因此評價結果的精確性受到一定影響;第2種方法充分考慮了水資源與土地資源之間的相互關系，但學者多以年為時間尺度計算年平均實際蒸散量，這樣可以有效排除土壤含水量變化帶來的影響，但對于生長周期內(nèi)實際蒸散量的求解成為難點。

基于此，選擇季節(jié)性旱澇表現(xiàn)明顯的松嫩平原作為研究區(qū)域，利用土地利用數(shù)據(jù)、GLDAS土壤含水量數(shù)據(jù)和長時間序列氣象數(shù)據(jù)，結合區(qū)域農(nóng)田水量平衡模型求解月尺度上的實際蒸散量，在此基礎上構建水分盈虧模型，進行月尺度上的松嫩平原水土資源平衡效應研究，定量研究松嫩平原作物生長周期內(nèi)不同月份水分盈虧態(tài)勢，以期為松嫩平原水土資源合理利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境協(xié)調(diào)布局以及實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)和決策支持。

1 研究區(qū)概況

松嫩平原位于黑龍江省西南部和吉林省西北部，西臨大興安嶺東麓的丘陵臺地，北部和東部以小興安嶺和長白山外圍的山麓、丘陵臺地為界，南部為以松遼分水嶺為主的隆起帶，是中國最大的平原之一，地理位置介于 42°49"～49°12"N，121°38"～128°33"E之間，主要包括吉林省和黑龍江省59個縣(市、區(qū))，總面積為21.6萬km2。該區(qū)域主要地貌類型為低山丘陵、沖積平原、臺地和洼地，氣候類型為溫帶大陸性半濕潤、半干旱季風氣候，全年平均氣溫呈自北向南逐漸增高趨勢，等值線近緯向分布，大部分地區(qū)的年降水量為400～600 mm，自東向西逐漸減少，6—8月降水量占全年降水量的60%～70%，易形成干旱和洪澇災害。松嫩平原地勢平緩，土質(zhì)肥沃，黑土和黑鈣土占60%以上，其他土壤類型包括草甸土、暗棕壤、沼澤土、鹽土、堿土、風砂土、栗鈣土和水稻土等。松嫩平原是中國重要的商品糧生產(chǎn)地區(qū)之一，耕地面積為13.55萬km2。糧食作物以春小麥、玉米、高粱、谷子為主，局部地區(qū)栽種早熟的粳稻。經(jīng)濟作物以大豆、甜菜、亞麻為主。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)包括:2000和2010年2個基準年的30 m分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品GlobeLand30;1961—2016年5—9月研究區(qū)附近48個站點的氣象數(shù)據(jù)，主要包括降水、氣溫(最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫)、相對濕度、降雨天數(shù)、風速和日照時數(shù)等;國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺(http:∥www.geodata.cn)提供的中國1∶400萬土壤類型圖(1980s與2000s);全球陸面同化系統(tǒng)提供2種版本的數(shù)據(jù)集，即GLDAS-1和GLDAS-2，2種版本的數(shù)據(jù)集可提供氣壓、氣溫、風速、蒸散發(fā)、降水、降雪和土壤濕度等數(shù)據(jù)，時間為1961—2016年4—10月;基于監(jiān)督分類和目視解譯相結合的方式進行松嫩平原不同時間節(jié)點的耕地信息提取，得到30 m分辨率的耕地利用分布圖，時間節(jié)點為1980、1995、2005和2015年。

2.2 研究方法

2.2.1 作物需水量估算

作物需水量是作物在土壤水分適宜的條件下進行正常生長發(fā)育且能達到高產(chǎn)潛力值時所需要的水量，是耕地水分盈虧計算過程中必不可少的因素［20］。為了估算大區(qū)域范圍內(nèi)月尺度上作物需水量的空間分布，采用世界糧農(nóng)組織(FAO)公布的作物需水量公式計算，具體公式為

式(1)中，TE，t為作物生長期內(nèi)t月的需水量，mm;Kt為作物生長期內(nèi)t月的作物系數(shù);TE0，t為作物生長期內(nèi)t月的潛在蒸散量。Kt表示作物需水量與其潛在蒸散量之間的比值，其可靠性決定了作物需水量計算結果的準確性。為了有效估算研究區(qū)域內(nèi)的作物需水量，參考黃志剛等［1，21］的研究成果，確定研究區(qū)域內(nèi)的主要作物系數(shù)(表1)。

表1 松嫩平原主要農(nóng)作物生育時期內(nèi)各月份作物系數(shù)Table 1 The crop coefficient of each month during the growth period of main crops in Songnen Plain

對于潛在蒸散量，采用目前應用比較廣泛的Penman-Monteith模型［22］進行計算，具體公式為

式(2)中，Δ為飽和水汽壓曲線的斜率，kPa·(℃)-1;γ為干濕計常數(shù);Rn為地面凈輻射，MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量;u2為2 m高處風速，m·s-1;es為飽和水汽壓，kPa;ea為實際水汽壓，kPa;T為平均氣溫，℃。

2.2.2 作物實際蒸散量估算

作物實際蒸散量指在實際降雨量和土壤含水量條件下，農(nóng)田土壤、土壤水分流失和植物蒸騰的總耗水量。選用區(qū)域農(nóng)田水量平衡方程求解月實際蒸散量，具體公式為

式(3)中，Pt為t月時的降雨量，mm;TES，t為作物生長周期內(nèi)t月的實際蒸散量，mm;Qt為t月時的徑流量，mm;Sd，t和Su，t分別為t月時的降雨入滲量和毛管上升水量，mm;St+1和St分別為t+1和t月初時的土壤含水量，mm;ε為誤差項，mm。因筆者主要研究耕地的水分盈虧情況，土壤含水量取1 m深度的數(shù)據(jù)，且Sd，t和Su，t數(shù)據(jù)值較小，可相互抵消，所以將其計入誤差項，計算中忽略不計。因此，該研究使用的區(qū)域農(nóng)田水量平衡方程可以表述為

運用SCS-CN模型計算地表徑流量［23］，為了有效排除融雪徑流對于地表徑流的影響，將提取的降雪數(shù)據(jù)疊加到5月降水數(shù)據(jù)進行計算，其公式為

式(5)中，Ia為降雨初損量，mm;S為可能最大滯留量，mm。其中，Ia=λ×S，λ表示區(qū)域參數(shù)，其取值范圍為0.1～0.3。依據(jù)研究區(qū)域的實際情況和前人的研究成果［24-25］，該研究中λ取值0.2。S的計算公式為

式(6)中，NC為徑流曲線值，其值由土壤前期的濕潤程度、坡度、土壤屬性和土地利用狀況綜合決定。參考美國《國家工程手冊》和研究區(qū)域的實際環(huán)境特征來確定中等濕潤(AWCⅡ)時的徑流曲線值NC，Ⅱ。對于干旱(AWCⅠ)和濕潤(AWCⅢ)條件下的徑流曲線值NC，Ⅰ和NC，Ⅲ，具體計算公式［26］為

對于土壤干旱情況，依據(jù)次降雨前5 d的降雨量進行確定。如果前5 d的降雨量小于35.6 mm，則土壤處于干旱條件;如果前5 d降雨量大于53.3 mm，則土壤處于濕潤條件;其余處于中等濕潤條件。

為了確定1961—2016年逐年各月研究區(qū)域土壤含水量的變化情況，利用全球陸面同化系統(tǒng)提供的GLDAS-1和GLDAS-2數(shù)據(jù)集，得到各年生長周期內(nèi)各月月初的土壤(深度1 m)含水量數(shù)據(jù)。GLDAS數(shù)據(jù)精度已得到了認證［27-28］，可滿足研究需求。

2.2.3 水分盈虧模型

依據(jù)月作物需水量和月實際蒸散量構建水分盈虧模型，以此來計算研究區(qū)域內(nèi)不同月份作物的水分盈虧狀況，具體公式為

式(9)中，Wt為耕地在生長周期內(nèi)t月時的水分盈虧狀況，mm。

2.2.4 水分盈虧指數(shù)模型

為分析松嫩平原作物干旱嚴重程度，構建水分盈虧指數(shù)來表征研究區(qū)域內(nèi)不同月份作物的水分盈虧等級，進一步分析松嫩平原月尺度上水土資源平衡效應。具體公式為

式(10)中，WD，t為作物在t月時的水分盈虧指數(shù)。參考楊艷昭等［17］的研究，將水分盈虧指數(shù)劃分為正常(≤0.15)、輕度缺水(＞0.15～0.30)、中度缺水(＞0.30～0.45)、重度缺水(＞0.45～0.60)和嚴重缺水(＞0.60)5個等級。

2.2.5 趨勢分析

采用一元線性回歸分析法研究1961—2016年松嫩平原逐年時間序列數(shù)據(jù)的變化趨勢，其公式為

式(11)中，Ts為1961—2016年各時間序列數(shù)據(jù)年際變化的一元線性回歸方程的斜率，即趨勢變化率;n為年數(shù)，該研究取值55;Ti為研究區(qū)內(nèi)第i年的時間序列數(shù)據(jù)值。Ts＞0表明時間序列數(shù)據(jù)總體呈增加趨勢，反之為減少趨勢。

2.2.6 小波變換原理

Morlet小波分析是指利用固定窗口來揭示事件發(fā)生的時間和頻率，它能夠有效揭示時頻發(fā)生的細節(jié)信息，適合分析非穩(wěn)定信息［29-30］。對于給定小波函數(shù)ψ(t)，水分虧缺指數(shù)時間序列f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換定義為

式(12)中，Wf(a，b)為小波實部系數(shù);a為尺度因子，表示頻域特征;b為時間因子，表示時域特征;t為復共軛函數(shù)。實際水分虧缺指數(shù)時間序列是離散的，因此利用離散小波變換對時間序列數(shù)據(jù)進行分解，得到不同時間尺度的小波系數(shù)。這些小波系數(shù)是時間序列數(shù)據(jù)在不同時間和空間位置上的投影，能用來描述水分虧缺指數(shù)時間序列數(shù)據(jù)的內(nèi)在結構、性質(zhì)和變化特性。

3 結果與分析

3.1 潛在蒸散量的時空變化特征分析

依據(jù)世界糧農(nóng)組織提供的Penman-Monteith模型，并參考研究區(qū)域的實際情況，計算1961—2016年作物生長周期(5—9月)內(nèi)各氣象站點的潛在蒸散量，并利用ArcGIS軟件分析潛在蒸散量的空間分布情況及其變化趨勢，結果見圖1。

圖1 生長周期內(nèi)松嫩平原潛在蒸散量的空間分布及變化趨勢Fig.1 The spatial distribution and variation trend of potential evapotranspiration in growing period

由圖1可見，1961—2016年松嫩平原作物生長周期內(nèi)潛在蒸散量在432.9～605.8 mm之間，均值為528.1 mm。由于研究區(qū)地處大興安嶺余脈背風坡，降雨、氣溫、風速以及潛在蒸散量等氣候因素受到地理位置影響，潛在蒸散量整體空間分布格局表現(xiàn)為自西南向東北逐漸減少。潛在蒸散量高值區(qū)域主要出現(xiàn)在白城市、大慶市西部和齊齊哈爾市北部，潛在蒸散量在552.9～605.8 mm之間，均值為575.4 mm;低值區(qū)域主要出現(xiàn)在黑河市、伊春市中東部和哈爾濱市中部，潛在蒸散量在432.8～506.1 mm之間，均值為472.3 mm。生長周期內(nèi)各月份潛在蒸散量與總平均潛在蒸散量的空間分布狀況基本一致，均表現(xiàn)為由西向東逐漸減少的趨勢。5—9月潛在蒸散量分別占生長周期內(nèi)總平均潛在蒸散量的 24.4%、22.9%、20.1%、17.7%和 14.9%。松嫩平原降雨量主要分布在7—8月，致使研究區(qū)域內(nèi)容易出現(xiàn)春旱。

松嫩平原地區(qū)潛在蒸散量增減幅度存在明顯的空間差異(圖1～2)，其中松原市南部、長春市南部和四平市西北部均出現(xiàn)比較明顯的上升趨勢，平均增長幅度為0.210 mm·a-1;齊齊哈爾市東南部、大慶市北部、綏化市西部和哈爾濱市西部具有明顯下降趨勢，平均減少幅度為0.924 mm·a-1。

圖2 5—9月松嫩平原潛在蒸散量的變化趨勢Fig.2 The variation trend of potential evapotranspiration in each month of growing period

整體來看，研究區(qū)域潛在蒸散量的整體變化趨勢為-0.509 mm·a-1，空間分布表現(xiàn)為由中部向南北逐漸增強。5月潛在蒸散量整體呈下降趨勢，變化幅度為-0.257 mm·a-1，除黑河市少部分地區(qū)、長春市北部潛在蒸散量增加外，中部和西部地區(qū)潛在蒸散量明顯下降。6月潛在蒸散量傾斜率與總平均潛在蒸散量傾斜率的空間變化相似，其正負高傾斜率中心均與總平均潛在蒸散量正負高傾斜率的分布相同，但6月潛在蒸散量的下降趨勢稍弱，其變化幅度為-0.164 mm·a-1。7月不同區(qū)域表現(xiàn)出不同程度的變化趨勢，中部和中東部地區(qū)下降趨勢明顯，下降幅度為-0.137 mm·a-1，南部和西北部部分地區(qū)為上升趨勢，上升幅度為0.150 mm·a-1，研究區(qū)域整體變化趨勢為-0.090 mm·a-1。8和9月潛在蒸散量變化趨勢的空間分布情況較為相似，中部和中東部呈現(xiàn)下降趨勢，其余表現(xiàn)為上升趨勢，變化幅度分別為-0.030和0.020 mm·a-1。

3.2 松嫩平原水土平衡時空分布特征

經(jīng)過實地調(diào)研了解到松嫩平原主要以旱地和水田為主，旱地和水田的不斷增加以及氣候因子的變化是松嫩平原水土平衡變化的主要原因，所以筆者主要探討松嫩平原生長周期內(nèi)耕地的水分盈虧情況。

3.2.1 松嫩平原耕地變化情況

利用ArcGIS軟件隨機選取松嫩平原500個樣本點，提取解譯的1980、1995、2005以及2015年耕地利用分類結果信息，結合Google Earth軟件將分類結果與GlobeLand30提供的耕地信息進行對比，建立混淆矩陣進行精度評價。結果表明，解譯耕地利用信息的平均精度為91.32%，總體Kappa系數(shù)為0.873，滿足研究需求。

為了分析松嫩平原近35 a耕地利用變化情況，對不同時間節(jié)點的耕地利用類型進行統(tǒng)計，結果見表2。從表2可知，旱地面積占松嫩平原總面積的比例最大，2015年旱地占比為53.99%，水田占比為8.77%。從土地利用變化情況來看，1980—2015年旱地和水田面積分別增加9 760.99和15 166.43 km2。旱地面積的變化趨勢表現(xiàn)為先增加后減少，主要是因為2005—2015年間松嫩平原大量旱地開發(fā)為水田所致。

表2 1980—2015年松嫩平原耕地利用類型變化Table 2 Changes of different land use types in Songnen Plain in different periods from 1980 to 2015

如圖3所示，松嫩平原主要土地利用類型為耕地，主要分布于齊齊哈爾市東部、綏化市中部、哈爾濱市中西部、長春市以及西平市等地區(qū)，且旱地面積大于水田。從耕地的變化趨勢來看，旱地和水田面積均呈現(xiàn)增加趨勢，且水田變化趨勢大于旱地。

圖3 1980—2015年松嫩平原耕地利用類型分布Fig.3 The distribution map of cultivated land use in Songnen Plain from 1980 to 2015

3.2.2 不同月份水土平衡效應的空間分布特點

依據(jù)水分盈虧模型計算1961—2016年研究區(qū)各月平均水分盈虧指數(shù)的空間分布，其中作物需水量選取距離計算年份最近的耕地利用分布數(shù)據(jù)進行計算，不同干旱等級水分盈虧指數(shù)的空間分布見圖4。

圖4 5—9月松嫩平原水分盈虧情況的空間分布Fig.4 The spatial distribution of water deficit in each month of growing period

從圖4可知，5月水分虧缺嚴重的區(qū)域主要分 布在松嫩平原中西部，正常和輕度缺水區(qū)域主要分布在研究區(qū)域的南北兩端和東部地區(qū);6月中度缺水以上的區(qū)域明顯增加，分布范圍向東部和北部擴散，但嚴重缺水和重度缺水的區(qū)域面積減少;受降雨量影響，7—8月正常和輕度缺水的區(qū)域面積逐漸增加，中度缺水以上的區(qū)域零散分布，這主要是由于土壤保水性和透水性不同而引起的地表徑流量區(qū)域差異所致;9月研究區(qū)域內(nèi)中度缺水的區(qū)域面積明顯增加，主要分布于中部偏北地區(qū)，這是由于松嫩平原雨季結束，耕地水分虧缺情況增加。

從表3可知，5—9月正常和輕度缺水等級的區(qū)域面積占比表現(xiàn)為減少—增加—減少的趨勢，而中度缺水區(qū)域面積占比的變化趨勢剛好相反。這與研究區(qū)域內(nèi)的降雨量變化趨勢相符，即降雨量主要分布于7—8月，5—6月由于降雨量減少和季風影響，松嫩平原的旱情加劇。重度缺水和嚴重缺水區(qū)域的面積占比大致表現(xiàn)為逐漸減少，這主要是因為隨著雨季的到來，土壤含水量逐漸增加所致。總體來說，生長周期內(nèi)容易出現(xiàn)旱情的時間主要為5—6月。

表3 5—9月松嫩平原不同水分虧缺等級區(qū)域的面積占比Table 3 The water deficit area in each month of growing date %

3.2.3 基于作物虧缺指數(shù)的干旱頻率空間分布

依據(jù)ArcGIS平臺構建5 km×5 km的網(wǎng)格，提取近55 a生長周期內(nèi)的干旱發(fā)生頻率。用反距離加權插值法對干旱頻率進行空間插值，得到松嫩平原生育期內(nèi)近55 a各月份中度缺水以上的干旱發(fā)生頻率空間分布(圖5)。

圖5 5—9月松嫩平原中度缺水以上的干旱發(fā)生頻率空間分布Fig.5 The spatial distribution of dry and drought frequency in each month of growing period

5月中度缺水以上的干旱發(fā)生頻率較高，高值區(qū)域主要分布于研究區(qū)中部和西部，發(fā)生頻率均大于30%，發(fā)生頻率大于50%的區(qū)域主要分布在白城市、松原市北部和大慶市東南部分;6月中度缺水以上的干旱發(fā)生頻率分布與5月基本一致，但發(fā)生頻率相比5月略有降低;7月大部分地區(qū)的干旱發(fā)生頻率在20%以下，高值區(qū)主要分布在東南部的部分區(qū)域;8月中度缺水以上的干旱發(fā)生頻率較低，大部分地區(qū)在10%以下，北部少量區(qū)域的干旱發(fā)生頻率在＞20%～30%之間;9月干旱發(fā)生頻率的空間差異較大，南部和中部區(qū)域的干旱發(fā)生頻率大多低于20%，北部區(qū)域的干旱發(fā)生頻率為＞20%～30%?？梢娝赡燮皆鞑恳装l(fā)生伏旱和秋旱，這與李取生等［26］的研究結論一致。遼寧西部是伏旱和秋旱的易發(fā)區(qū)，遼寧東南部和吉林東南部則是夏澇和秋澇的高發(fā)區(qū)。

3.2.4 水分盈虧指數(shù)變化趨勢及周期變化特征

計算不同時期松嫩平原的平均水分盈虧指數(shù)，在此基礎上分析得到水分盈虧指數(shù)的年際變化趨勢(圖6)。

圖6 1961—2016年松嫩平原平均水分盈虧指數(shù)的年際變化Fig.6 The annual variation of average crop water deficit index in Songnen Plain from 1961 to 2016

1961—2016年5—7月松嫩平原水分盈虧指數(shù)呈下降趨勢，其變化速率分別為-0.038·(10 a)-1、-0.035·(10 a)-1和-0.007·(10 a)-1;8—9月水分盈虧指數(shù)呈上升趨勢，其變化速率分別為-0.01·(10 a)-1和-0.009·(10 a)-1。

從年際變化來看，不同月份的水分盈虧指數(shù)表現(xiàn)為波動變化狀態(tài)。5月水分盈虧指數(shù)呈周期性波動，其峰值出現(xiàn)在1963、1980和2001年，從5 a滑動平均來看，水分盈虧指數(shù)波動幅度逐漸增大，表明研究區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生頻率降低，但干旱強度并未減弱。6月水分盈虧指數(shù)逐漸降低，峰值出現(xiàn)在1993和2001年，從5 a滑動平均來看，干旱發(fā)生頻率變化趨勢與5月相似。7月水分盈虧指數(shù)呈周期性變化，峰值出現(xiàn)在1968和2001年，從5 a滑動平均來看，7月水分盈虧指數(shù)波動幅度增大，說明研究區(qū)域水分盈虧情況出現(xiàn)兩極分化。8—9月水分盈虧指數(shù)呈上升趨勢，峰值出現(xiàn)在1980和2009年，從5 a滑動平均來看，水分盈虧指數(shù)平均值的波動幅度逐漸減弱，表明松嫩平原8—9月的旱情比較穩(wěn)定，但發(fā)生概率變大。已有研究表明，松嫩平原2001年春夏季發(fā)生嚴重旱災，2009年出現(xiàn)春旱，2008年7—9月頻發(fā)大雨、暴雨，造成嚴重的澇災［27-28］。筆者的研究結論與其基本相符。

采用Morlet小波函數(shù)研究1961—2016年松嫩平原生長周期內(nèi)水分盈虧情況的周期變化特征，結果見圖7。

圖7 5—9月松嫩平原水分盈虧指數(shù)的Morlet小波系數(shù)等值線Fig.7 Themorlet wavelet coefficient isoline of water profit and loss index in each month of growing period in Songnen Plain

從圖7可以看出，松嫩平原區(qū)域內(nèi)各月份水分盈虧情況存在著明顯的周期變化特征。在15 a以上時間尺度，區(qū)域內(nèi)各月份水分盈虧情況出現(xiàn)明顯的周期波動，其周期波動的特征具有很強的連續(xù)性，小波系數(shù)符號表現(xiàn)為正—負—正—負等周期振蕩過程，表明1961—2016年水分盈虧情況表現(xiàn)出偏高—偏低—偏高—偏低等循環(huán)交替的周期振蕩過程;從15 a左右時間尺度來看，小波系數(shù)負等值線沒有全部閉合，反映在2016年以后一段時間內(nèi)，5、6和9月為水分盈虧的偏低時段，7—8月處于水分盈虧的偏高時段，這為松嫩平原土地利用水資源的合理分配提供了有效依據(jù);從10 a左右的時間尺度來看，區(qū)域內(nèi)各月份周期變化的結構性和連續(xù)性表現(xiàn)較為明顯，均表現(xiàn)為水分盈虧偏高期與偏低期交替出現(xiàn)，5、7、8和9月為水分盈虧的偏高期，6月為水分盈虧的偏低期;在5 a以內(nèi)時間尺度上，全區(qū)域各月份平均水分盈虧情況的周期變化特征極其復雜，正負交替振蕩情況更頻繁，水分盈虧情況存在更多的偏低期與偏高期。

4 討論

松嫩平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，糧食生產(chǎn)安全直接關系到區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展，而水資源是制約糧食生產(chǎn)的重要決定因素。以往的研究通常以年為時間尺度，分析區(qū)域內(nèi)年水土資源平衡狀態(tài)，通常假設土壤含水量在年初和年末一致，即土壤含水量是以年為單位進行周期循環(huán)，從而規(guī)避土壤含水量變化的影響，而實際上受年降水強度的影響，土壤含水量年內(nèi)變化明顯。因此，該研究充分考慮年內(nèi)土壤含水量變化對于水土平衡的影響，不僅可以更加準確地分析區(qū)域內(nèi)水土資源平衡態(tài)勢的變化情況，而且可以有效研究年內(nèi)不同月份水土資源的平衡效應。

該研究發(fā)現(xiàn)，松嫩平原不同月份的耕地水土平衡情況表現(xiàn)出明顯的差異性。其中，5—6月水分虧缺程度比較嚴重，而7—9月水分虧缺情況較為嚴重。這與已有研究結論［31］相符。此外，從水分虧缺的時間變化特征來看，5—6月水分虧缺狀況呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，而8—9月水分虧缺狀況呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，該結論可為研究區(qū)域的引水灌溉計劃提供參考。

松嫩平原地處于濕潤季風氣候與大陸性干旱氣候的過渡帶，蒸發(fā)量較大，為氣候敏感區(qū)域［32］，濕地資源和林地資源對于區(qū)域水土資源平衡具有重要影響［33］。隨著建設農(nóng)業(yè)生態(tài)文明理念的提出，山水林田湖草農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的概念不斷被強調(diào)，從系統(tǒng)的概念研究土地利用變化及其影響具有重要的意義。因此，只有將區(qū)域內(nèi)土地利用細化，從山水林田湖草系統(tǒng)整體角度出發(fā)，才能更為準確地研究區(qū)域水土資源平衡效應的變化，這也是未來研究的重點。

5 結論

(1)1961—2016年松嫩平原生長周期內(nèi)的多年平均潛在蒸散量在432.8～605.8 mm之間，研究區(qū)潛在蒸散量的變化趨勢表現(xiàn)為中部向南北逐漸增強，總體變化趨勢為-0.51 mm·a-1，5—9月的變化趨勢分別為-0.27、-0.16、-0.09、-0.03 和 0.02 mm·a-1。

(2)1961—2016年松嫩平原水分盈虧程度嚴重的月份為5—6月，中西部地區(qū)缺水程度比較嚴重;9月水分盈虧程度較為嚴重，缺水區(qū)域主要分布在松嫩平原北部偏東的少數(shù)地區(qū)。缺水發(fā)生頻率的分布情況與水分盈虧情況分布較為一致，其高值月份為5—6月，其次為9月，分布區(qū)域一致。

(3)從年際變化規(guī)律來看，15 a時間尺度上各月份均呈現(xiàn)比較連續(xù)的周期性變化，其中5—7月的水分盈虧情況處于波動下降趨勢，但水分盈虧指數(shù)波動幅度增大，表明旱情的發(fā)生強度有所增大，發(fā)生概率有所下降;而8—9月水分盈虧情況呈現(xiàn)波動上升趨勢，但水分盈虧指數(shù)波動幅度減弱，表明8—9月出現(xiàn)旱情的概率變大，旱情強度略微減弱。