王電龍 馮慧敏 張寶忠 魏 征 杜旭婷

(1.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系， 太原 030012；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院， 太谷 030801)

0 引言

華北平原是我國(guó)小麥、玉米等糧食作物主產(chǎn)區(qū)，灌溉農(nóng)業(yè)是主要用水戶，灌溉水量占該區(qū)總水量的比率達(dá)70%以上[1]，由于連年大規(guī)模取水灌溉，部分區(qū)域地表水開(kāi)發(fā)利用程度已接近100%，多年平均地下水開(kāi)采量達(dá)130億m3[2]，導(dǎo)致地下水水位下降、降落漏斗面積不斷擴(kuò)大、地面沉降、河道斷流等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。農(nóng)業(yè)灌溉用水強(qiáng)度與氣候變化密切相關(guān)[3-7]，降水及氣溫等氣象因子的變化均可顯著增大(或減少)糧食作物灌溉需水，尤其是連續(xù)降水枯水年份或連續(xù)降水豐水年份[8-12]。近些年來(lái)，華北氣候條件發(fā)生較大變化，多年平均降水量由608 mm(1956—1979年)降低到528 mm(1980—2020年)，年平均氣溫以0.25℃/(10 a)的增大速率升高，且空間分布極不均勻[13]。在此氣候背景下，開(kāi)展降水變化對(duì)華北主要糧食作物灌溉需求影響特征研究，對(duì)有針對(duì)性地提出華北農(nóng)業(yè)區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)調(diào)控措施，合理開(kāi)發(fā)利用區(qū)域水資源具有重要意義。

目前，已有較多針對(duì)不同區(qū)域灌溉需求時(shí)空特征及主控因素的研究成果，符娜等[14]基于灌溉需求指數(shù)研究了滇中烤煙需水量時(shí)空變化特征，并指出降水是影響該區(qū)凈灌溉需水量的主要因素；劉小剛等[15]針對(duì)河南地區(qū)主要糧食作物的灌溉需水量進(jìn)行了研究，指出該區(qū)灌溉需求指數(shù)隨經(jīng)緯度的增大而增大，且冬小麥對(duì)灌溉的依賴程度高于夏玉米；聶堂哲等[16]指出1959—2015年期間，黑龍江地區(qū)玉米灌溉需水量呈減小趨勢(shì)。鄭東方等[17]研究了云南省烤煙需水量及灌溉需求指數(shù)變化特征，認(rèn)為該區(qū)灌溉需水量及灌溉需求指數(shù)隨海拔的升高而增加。雷宏軍等[18]認(rèn)為氣候變化是貴州省凈灌溉需水量和灌溉需求指數(shù)升高的主控因素。從以上分析可以看出，目前已有研究成果多集中在氣候變化對(duì)作物灌溉需水量或灌溉需求指數(shù)的定量或定性分析上。本文基于降水對(duì)作物需水的滿足程度及作物產(chǎn)量與需水滿足程度對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立作物灌溉需求指數(shù)IRI分級(jí)體系；探明不同降水條件下華北主要糧食作物不同分級(jí)IRI空間變化特征；識(shí)別IRI演變主控因素及不同分級(jí)IRI轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的降水臨界值；厘清降水變化對(duì)IRI概率分布影響特征，預(yù)測(cè)不同區(qū)位、不同分級(jí)IRI的概率，以期為緩解華北地區(qū)地下水超采趨勢(shì)，保障國(guó)家糧食安全、水資源安全提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

華北農(nóng)業(yè)區(qū)地處太行山山脈以東，燕山山脈以南，地勢(shì)平坦廣闊，根據(jù)水文地質(zhì)條件可分為3部分：山前沖積-洪積平原(山前平原)、中部沖積-湖積泛濫平原(中部平原)和東部沖積-海積濱海平原(濱海平原)。其中，山前平原又可以分為燕山山前平原、太行山前-豫北平原和太行山前-冀中平原等3部分，中部平原可以分為中部-冀中平原、中部-魯北平原和中部-豫北平原等3部分(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area

華北農(nóng)業(yè)區(qū)屬歐亞大陸東岸暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為556.5 mm，且年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在7—9月，占年內(nèi)總降水量的75%左右，多年平均氣溫介于10～14℃之間(表1)。該區(qū)是我國(guó)重要的糧食基地，以小麥為主的夏糧作物和以玉米為主的秋糧作物播種面積占全區(qū)農(nóng)作物總播種面積的80%以上，主要種植方式為冬小麥和夏玉米一年兩季輪作種植。全區(qū)以地下水為主要灌溉水源，近5年平均農(nóng)業(yè)用水開(kāi)采量132.34億m3，占該區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉總用水量的62.9%。

表1 研究區(qū)多年平均氣象特征Tab.1 Long term meteorological characteristics

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

基本氣象數(shù)據(jù)主要源自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng) (http:∥data.cma.cn)，主要包括1971—2020年華北地區(qū)60個(gè)氣象站逐日氣象資料(圖1)，主要包括：降水量P、最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、每日日照時(shí)數(shù)N、相對(duì)濕度Rh及風(fēng)速Ws。

1.3 冬小麥及夏玉米需水量

采用作物系數(shù)法計(jì)算冬小麥和夏玉米需水量，計(jì)算式為

(1)

式中ETc——作物需水量,mm

kci——作物需水系數(shù)

i——計(jì)算時(shí)段,d

n——總計(jì)算時(shí)段,d

ET0i——參考作物需水量，mm/d

其中，作物各生育階段的需水系數(shù)采用劉鈺等[19]的研究成果。

采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計(jì)算參考作物需水量(Reference crop evapotranspiration)，計(jì)算式為

(2)

式中Δ——飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在T處的切線斜率,kPa/K

Rn——農(nóng)作物冠層表面凈輻射強(qiáng)度，MJ/(m2·d)

G——土壤熱通量,MJ/(m2·d)

γ——濕度計(jì)常數(shù),kPa/K

T——平均溫度,℃

U2——高度2.0 m處風(fēng)速,m/s

es——飽和水汽壓,kPa

ea——實(shí)際水汽壓,kPa

1.4 冬小麥及夏玉米凈灌溉需水量及灌溉需求指數(shù)

將作物生育期內(nèi)需水量ETc與有效降水量Pe的差值定義為凈灌溉需水量IR，將凈灌溉需水量與作物需水量的比值定義為作物灌溉需求指數(shù)IRI，用以評(píng)估作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)灌溉的依賴程度，計(jì)算式為

(3)

其中

(4)

式中Pj——第j時(shí)段降水量，mm/旬

Pej——作物生育期內(nèi)有效降水量,mm/旬

j——計(jì)算時(shí)段，旬，按照劉鈺等[19]的研究成果，在我國(guó)華北地區(qū)以旬為時(shí)段計(jì)算作物有效降水量滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)精度要求

m——計(jì)算總時(shí)段，旬

基于降水量對(duì)作物需水的滿足度及作物需水滿足度與作物產(chǎn)量對(duì)應(yīng)關(guān)系(按照任憲韶等[20]在太行山前-冀中平原的研究成果，在適宜的灌溉制度下，冬小麥與夏玉米作物需水滿足度接近75%時(shí)，可達(dá)高產(chǎn)目標(biāo)，小于25%則大幅減產(chǎn)，減產(chǎn)幅度達(dá)40%以上)，對(duì)IRI進(jìn)行了如下分級(jí)：IRI<0.25，輕度灌溉需求，有效降水量可滿足作物需水量75%以上；IRI為0.25～0.50，中度灌溉需求，有效降水量可滿足作物灌溉需水量50%～75%；IRI為0.50～0.75，高度灌溉需求，有效降水量?jī)H可滿足作物需水量 25%～50%；IRI>0.75，極高灌溉需求，有效降水量不足作物需水量的25%。

1.5 概率分析

首先，利用頻率直方圖初步分析不同區(qū)位IRI的概率分布函數(shù)；其次，利用卡方χ2擬合檢驗(yàn)法對(duì)擬定的概率分布函數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；最后，利用確定的概率分布函數(shù)進(jìn)行不同區(qū)位、不同分級(jí)IRI的概率分析。

1.6 相對(duì)貢獻(xiàn)度分析

采用多元回歸分析計(jì)算最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、每日日照時(shí)數(shù)N、相對(duì)濕度Rh、風(fēng)速Ws及降水量P等氣象因素對(duì)IRI影響的相對(duì)貢獻(xiàn)度。本文利用DPS 19.05軟件建立IRI與Tmax、Tmin、N、Rh、Ws、P的多元回歸模型

IRI=α0+α1Tmax+α2Tmin+α3N+α4Rh+
α5Ws+α6P

(5)

各氣象因素對(duì)IRI影響的相對(duì)貢獻(xiàn)度為

(6)

式中αi——Tmax、Tmin、N、Rh、Ws和P的線性回歸系數(shù)

Ci——Tmax、Tmin、N、Rh、Ws和P的相對(duì)貢獻(xiàn)度

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降水年份冬小麥與夏玉米灌溉需求空間變化特征

2.1.1冬小麥

采用式(1)～(4)計(jì)算華北地區(qū)60個(gè)縣(市、區(qū))1971—2020年冬小麥灌溉需求指數(shù)；采用反距離權(quán)重插值法(IDW)得到降水豐水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)灌溉需求指數(shù)空間分布特征(圖2)。

圖2 冬小麥灌溉需求指數(shù)空間特征Fig.2 Spatial characteristics of IRI of winter wheat

由圖2a可以看出，在豐水年，冬小麥灌溉需求指數(shù)IRI在0.40～0.75之間，且以IRI在0.50～0.75之間的高度灌溉需求區(qū)為主，分布面積占華北全區(qū)92%，IRI低于 0.50的中度灌溉需求區(qū)僅占8%，主要分布在太行山前-豫北平原焦作、新鄉(xiāng)一帶。在平水年，IRI增大至0.65～0.80之間(圖2b)，主要以IRI大于0.75的極高灌溉需求區(qū)為主，占華北全區(qū)56%；在枯水年，IRI較平水年份進(jìn)一步增大(圖2c)，在0.70～0.85之間，高度灌溉需求區(qū)面積比率急劇減少至3%，極高灌溉需求區(qū)驟升至97%。

對(duì)豐水年份仍為極高、高度灌溉需求區(qū)，如燕山山前平原的唐山、廊坊一帶、太行山前-冀中平原、太行山前-豫北平原的安陽(yáng)一帶、中部-冀中平原、中部-豫北平原的濮陽(yáng)一帶、中部-魯北平原和濱海平原等區(qū)域，當(dāng)?shù)厮Y源承載力已無(wú)法支撐灌溉需求，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)減少作物種植規(guī)模，調(diào)引客水等措施，緩解灌溉壓力。

2.1.2夏玉米

同冬小麥，采用式(1)～(4)計(jì)算研究區(qū)60個(gè)縣(市、區(qū))1971—2020年夏玉米灌溉需求指數(shù)，采用反距離權(quán)重插值法(IDW)得到豐水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)夏玉米灌溉需求指數(shù)空間分布特征(圖3)。

圖3 夏玉米灌溉需求指數(shù)空間特征Fig.3 Spatial characteristics of IRI of summer maize

由圖3a可以看出，在豐水年，夏玉米灌溉需求指數(shù)IRI在0.20～0.50之間，且以IRI在0.25～0.50的中度灌溉需求分布區(qū)為主，分布面積占華北全區(qū)的86%，IRI低于0.25的輕度灌溉需求分布區(qū)占14%，主要分布在太行山前-豫北平原焦作一帶；在平水年，IRI較豐水年份增大至0.25～0.50之間(圖3b)，研究區(qū)全區(qū)均屬中度灌溉需求區(qū)，低度灌溉需求區(qū)全部消失；在枯水年，IRI以0.50～0.75 之間的高度灌溉需求分布區(qū)為主，分布面積占華北全區(qū)的84%，較平水年份，IRI在0.25～0.50之間的中度灌溉需求區(qū)急劇減少90%，且出現(xiàn)了IRI大于0.75的極高灌溉需求區(qū)，分布區(qū)占華北全區(qū)的比率為6%，主要分布在中部-冀中平原的衡水一帶。對(duì)枯水年份仍為中度、輕度灌溉需求的區(qū)域，如燕山山前部分區(qū)域(圖3c)，灌溉壓力較小，可適度擴(kuò)大種植規(guī)模，增加糧食產(chǎn)能。

2.2 降水變化對(duì)冬小麥與夏玉米灌溉需求的影響

2.2.1冬小麥

圖4為研究區(qū)不同區(qū)位冬小麥灌溉需求指數(shù)IRI與作物生育期內(nèi)降水量相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯觯煌瑓^(qū)位IRI與降水量均呈良好的線性關(guān)系(P<0.01)，隨著降水量的增大，IRI直線降低，但敏感性略有差異，其中，燕山山前平原、太行山前-冀中平原、中部-冀中平原和濱海平原隨生育期內(nèi)降水變化敏感性最強(qiáng)，降水量每增大100 mm，IRI均降低0.14，其次為太行山前-豫北平原和中部-豫北平原，降水量每增大100 mm，IRI降低0.12，中部-魯北平原敏感性最低，降水量每增大100 mm，IRI降低0.11。

從圖4還可以看出，7個(gè)區(qū)位冬小麥IRI在0.75處的降水臨界值均為175 mm 左右，即當(dāng)降水量小于175 mm，冬小麥IRI均趨于大于0.75，灌溉需求過(guò)渡至極高灌溉需求；IRI在0.50處的降水量臨界值不盡相同，其中，燕山山前平原、太行山前-冀中平原、中部-冀中平原和濱海平原均在350 mm左右，太行山前-豫北平原和中部-豫北平原在400 mm左右，中部-魯北平原則大于400 mm。

圖4 華北不同區(qū)位冬小麥灌溉需求指數(shù)與降水量相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationships between precipitation and irrigation water demand index of winter wheat in different regions of North China Plain

2.2.2夏玉米

圖5為夏玉米灌溉需求指數(shù)IRI與作物生育期內(nèi)有效降水量關(guān)系。由圖5可以看出，隨著降水量的增大，不同區(qū)位夏玉米灌溉需求指數(shù)IRI均呈直線下降趨勢(shì)(P<0.01)，且中部-冀中平原敏感性最強(qiáng)，降水量每增大100 mm，IRI降低0.26，其次為太行山前-冀中平原、中部-魯北平原、濱海平原、燕山山前平原、太行山前-豫北平原、中部-豫北平原，敏感性分別為-0.25/(100 mm)、-0.22/(100 mm)、-0.22/(100 mm)、-0.20/(100 mm)、-0.18/(100 mm) 和-0.17/(100 mm)。從圖5還可以看出，當(dāng)有效降水量增大至175 mm以上時(shí)，燕山山前平原、太行山前-冀中平原、中部-冀中平原和濱海平原IRI可降至0.25以下，當(dāng)有效降水量增大至200 mm以上時(shí)，太行山前-豫北平原、中部-魯北平原、中部-豫北平原IRI可降至0.25以下；當(dāng)降水量減少至75 mm以下時(shí)，除燕山山前平原外，其余6個(gè)分區(qū)IRI均增大至0.50以上，當(dāng)降水量減少至50 mm以下時(shí)，燕山山前平原IRI亦增大至0.50以上，升至高度灌溉需求。

圖5 華北不同區(qū)位夏玉米灌溉需求指數(shù)與降水量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relationships between irrigation water demand index of summer maize and precipitation in different regions of North China Plain

2.3 不同降水條件下IRI概率分布

2.3.1冬小麥

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，華北7個(gè)區(qū)位冬小麥灌溉需求指數(shù)IRI均呈正態(tài)分布(P>0.05)，但其分布參數(shù)隨降水條件不同而存在明顯差異(圖6，圖中GF為正態(tài)分布曲線，CF為累積頻率曲線，下同)。在太行山前-豫北平原和燕山山前平原，多年平均降水量均大于600 mm(表1)，正態(tài)分布的均值μ均為0.70，屬高度灌溉需求，標(biāo)準(zhǔn)差為0.09和0.10，IRI大于0.75(極高灌溉需求)的概率分別為0.33和0.30；在中部-豫北平原和濱海平原，多年平均降水量減少至550～600 mm之間，均值μ則分別增大至0.71和0.74，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.10和0.07，IRI大于0.75的概率大幅增大，分別為0.36和0.43；在太行山前-冀中平原、中部-冀中平原和中部-魯北平原，多年平均降水量進(jìn)一步減少至500～550 mm之間，均值μ則進(jìn)一步分別增大至0.75、0.78和0.75，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.09、0.08和0.08，IRI大于0.75的概率急劇上升，分別達(dá)到0.52、0.43和0.51。

圖6 華北不同區(qū)位冬小麥灌溉需求指數(shù)概率分布Fig.6 Statistical distributions of winter wheat IRI for different regions of North China Plain

2.3.2夏玉米

圖7為夏玉米灌溉需求指數(shù)IRI概率分布圖。由圖7可以看出，不同區(qū)位夏玉米灌溉需求指數(shù)亦服從正態(tài)分布(P>0.05)，且分布參數(shù)隨降水條件的不同亦存在較大差異。在降水量最低的中部-冀中平原和中部-魯北平原(多年平均降水量?jī)H為 511 mm和 533 mm，表1)，正態(tài)分布均值μ分別為0.45和0.44，屬中度灌溉需求，IRI小于0.25(低度灌溉需求)概率分別為0.04和0.06，大于0.50(高度、極高灌溉需求)的概率分別為0.35和0.40；當(dāng)降水量增大至580 mm以上時(shí)(例如中部-豫北平原)，均值μ減小至0.41，IRI小于0.25概率增大至0.11，大于0.50的概率則減小至0.25；當(dāng)降水量增大至 636 mm (例如燕山山前平原)，均值μ減小至0.33，IRI小于0.25概率增大至0.22，大于0.50的概率則減小至0.05。

圖7 華北不同區(qū)位夏玉米灌溉需求指數(shù)概率分布Fig.7 Statistical distributions of summer maize IRI for different regions of North China Plain

3 討論

由圖2～7可以看出，降水量變化對(duì)華北主要糧食作物-冬小麥和夏玉米灌溉需求影響顯著，與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果相同[21-27]。由圖4和圖5還可以看出，研究區(qū)不同區(qū)位冬小麥和夏玉米的灌溉需求指數(shù)IRI對(duì)降水量變化的敏感性存在明顯差異，這是因?yàn)镮RI除受降水量P影響外，還受最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、每日日照時(shí)數(shù)N、相對(duì)濕度Rh及風(fēng)速Ws等因素的影響。由式(5)、(6)計(jì)算得到上述各氣象參數(shù)對(duì)IRI變化影響相對(duì)貢獻(xiàn)度(表2、3)。

由表2可以看出，降水量對(duì)冬小麥IRI影響的相對(duì)貢獻(xiàn)度最大，可見(jiàn)在作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期，適當(dāng)開(kāi)展人工增雨作業(yè)，可有效降低IRI，緩解灌溉壓力。其次是相對(duì)濕度Rh、每日日照時(shí)數(shù)N、最高氣溫Tmax和最低氣溫Tmin，且不同區(qū)位上述氣象參數(shù)對(duì)IRI影響的相對(duì)貢獻(xiàn)度及氣象參數(shù)本身數(shù)值(表1)均存在較大差異，由此造成不同區(qū)位冬小麥IRI對(duì)降水量變化敏感程度不同。同樣，由于各氣象參數(shù)對(duì)不同區(qū)位夏玉米IRI的相對(duì)影響貢獻(xiàn)度(表3)及氣象參數(shù)本身數(shù)值亦均存在明顯的空間差異，導(dǎo)致了不同區(qū)位夏玉米IRI對(duì)降水量變化敏感程度存在差異。

表2 不同區(qū)位氣象參數(shù)對(duì)冬小麥IRI影響相對(duì)貢獻(xiàn)度Tab.2 Relative contribution degree of meteorological factors on IRI of winter wheat %

表3 不同區(qū)位氣象參數(shù)對(duì)夏玉米IRI影響相對(duì)貢獻(xiàn)度Tab.3 Relative contribution degree of meteorological factors on IRI of summer maize %

4 結(jié)論

(1)在豐水年，冬小麥以IRI在 0.50～0.75區(qū)間的高度灌溉需求分布區(qū)為主，夏玉米則以IRI在 0.25～0.50區(qū)間的中度灌溉需求分布區(qū)為主，分別占全區(qū)92%、86%；在平水年，冬小麥以IRI大于0.75的極高灌溉需求分布區(qū)為主，占全區(qū)56%，夏玉米仍以IRI在0.25～0.50的中度灌溉分布區(qū)為主，但分布面積比率擴(kuò)大至100%；在枯水年，冬小麥極高灌溉需求分布區(qū)比例增大至97%，夏玉米則以IRI在 0.50～0.75的高度灌溉需求分布區(qū)為主，分布面積占全區(qū)的84%。對(duì)極高、高度灌溉需求分布區(qū)，尤其是在豐水年仍為極高、高度灌溉需求的區(qū)域，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)減少作物種植規(guī)模，調(diào)引客水等措施，緩解灌溉壓力；反之，在中度、輕度灌溉需求分布區(qū)，尤其是在枯水年仍為中度、輕度灌溉需求的區(qū)域，則可以適度擴(kuò)大種植規(guī)模，增加糧食產(chǎn)能，保障國(guó)家糧食安全。

(2)降水是影響研究區(qū)不同區(qū)位冬小麥和夏玉米IRI的主控因素。隨降水量的增大，冬小麥和夏玉米IRI均呈直線下降趨勢(shì)，但不同區(qū)位IRI對(duì)降水變化敏感性不同，冬小麥以燕山山前平原、太行山前-冀中平原、中部-冀中平原和濱海平原最為敏感，降水量每增大100 mm，IRI均降低0.14，夏玉米則是中部-冀中平原敏感性最強(qiáng)，降水量每增大100 mm，IRI降低0.26。在作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期，應(yīng)搶抓有利天氣時(shí)機(jī)，適時(shí)開(kāi)展人工增雨作業(yè)，以緩解灌溉壓力。

(3)研究區(qū)不同區(qū)位冬小麥和夏玉米IRI均服從正態(tài)分布，但隨降水條件的不同，分布參數(shù)變化明顯。降水量減小，正態(tài)分布均值μ增大，冬小麥IRI大于0.75(極高灌溉需求)的概率呈明顯增大趨勢(shì)，小于0.25(輕度灌溉需求)的概率則呈減少趨勢(shì)，夏玉米IRI大于0.50(高度、極高灌溉需求)的概率呈增大趨勢(shì)，小于0.25的概率呈減少趨勢(shì)。