保定市主要作物需水量和缺水量特征分析*

曹永强，赵博雅，袁立婷

(辽宁师范大学城市与环境学院，大连 116029)

0 引言

河北省是我国主要的农业大省，作为环首都经济圈中以农业为主的地区，其农业增加值较高[1]，该省耕地面积达600万hm2，居全国第4，是全国粮油主产区之一[2]。同时河北省也是资源型缺水省份，水资源的开发利用量远远超过了供水量，地表水的开发利用程度极高，地下水超采严重，以致形成了全国最大的地下水漏斗区，进而引起了一系列的生态环境问题[3]。农业用水量已占河北省总用水量的60%以上[4]。因此，为了合理分配利用有限的水资源，对农作物用水量的确定显得尤为重要。

作物需水量指作物在整个生育期中需要的水量，是农业用水量的重要组成部分。近年来，对作物需水量的研究逐渐引起了国内外相关领域专家的高度重视。国外有些学者则侧重于对作物需水量影响因子的研究。Chowdhury等[5]通过预测发现沙特阿拉伯的Al-Jouf从2011—2050年作物需水量随温度的单位升高而平均增加2.9%，平均气温是影响作物需水量的最主要的气象因子； Nkomozepi等[6]采用GCM模型和CROPWAT模型对津巴布韦自然农业生态区玉米的需水量进行分析预测，揭示了气候变化对作物需水量的影响程度。国内主要集中在对地区作物需水量的计算及趋势分析、建立模型以期完善用水系统。邵东国等[7]基于时间序列法，建立区域农业灌溉用水量长期预报分解模型，并应用到南水北调中线供水区； 张兵等[8]基于L-M优化算法BP神经网络建立作物需水量的预测模型并进行试验验证，误差较小，为灌溉控制系统的完善提供了有效途径； 孙爽等[9]采用FAO推荐的彭曼公式和作物系数，对中国22个省的冬小麦的需水量进行计算并分析其趋势变化； 李春强等[10]利用同样的研究方法计算了河北省35年来各地区的冬小麦和夏玉米的需水量和缺水量并对其进行变化趋势分析。

文章选取河北省保定市作为典型区域，采用FAO推荐的公式以及分段单值平均系数法等对选定区域的冬小麦、夏玉米、棉花3种典型作物的作物需水量、有效降水量、缺水量及水分盈亏指数进行计算，时间范围为1956—2015年，并通过M-K法，对保定市近60年的主要作物需水量和缺水量的变化趋势进行分析。该文的研究结果对河北省农业节水灌溉，提高水资源利用率等方面具有现实意义。

1 研究区概况

河北省保定市位于河北省中部、华北平原中北部，是京津冀地区的中心城市之一。地理坐标位于38°10′N～40°00′N， 113°40′E～116°20′E之间，国土面积为2.2万km2。保定受大陆性季风气候的影响，年均气温差距较大。年均降水量在500mm左右，降雨主要集中在7—8月，约占总降水量的60%。保定市多年平均水资源总量29.78亿m3，第一产业为农业，种植面积约82.07万hm2。近15年左右农业用水量呈下降趋势， 2000年的农业用水量为28.21亿m3、2010年为23.71亿m3、2014年为18.98亿m3，农业用水在总用水量中占绝大比例，农业用水量占总用水量的比例也呈降低趋势。保定市在京津冀农业协同发展中占有明显的区位优势，作为耕地面积和人口最多的河北省城市，保定市的农业已具有一定的产业特色与优势[11]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

该文所用气象数据均来自中国气象数据网(http：//data.cma.cn/)，时间范围为1956年1月1日至2015年12月31日，测站选取该文研究区河北保定，选择的气象要素包括平均风速、日照时数、平均气温、日最高气温、日最低气温、平均水汽压、平均相对湿度、20～20h降水量等。

该文所用的作物生育期日期划分来自当地农业气象试验站，土壤数据来自中国土壤数据库(http：//gis.soil.csdb.cn/)。对冬小麦、夏玉米和棉花的具体生育期的时间段进行统计，如表1所示，冬小麦的生育期分为6个阶段：初始生长期(S1)、冻融期(S2)、越冬期(S3)、快速发育期(S4)、发育中期(S5)、成熟期(S6)，夏玉米和棉花不存在冻融期和越冬期，分为4个阶段。

表1 3种作物不同生育期日期

初始生长期(S1)冻融期(S2)越冬期(S3)快速发育期(S4)发育中期(S5)成熟期(S6)冬小麦09/23至11/2511/25至12/0412/05至03/1903/20至04/3005/01至06/0206/03至06/15夏玉米06/16至07/2//07/03至7/3108/01至09/0109/02至09/25棉花04/25至05/20//05/21至06/3007/01至08/1508/16至09/21

2.2 计算原理及方法

2.2.1 作物需水量计算

联合国粮农组织(FAO)推荐的计算需水量的公式为[12]：

ETC=KC×ET0

(1)

式(1)中，ETC为作物需水量(mm)，ET0为参照蒸散量(mm)，KC为作物系数。

参照蒸散量(ET0)的计算采用FAO推荐的彭曼—蒙特斯公式，具体计算步骤见参考文献[12]。ET0是一种假想的标准参照作物冠层的蒸腾蒸发量，对于文中的3种作物，先计算ET0，再通过式(1)对作物需水量进行修正。

作物系数(KC)反应实际作物与参照作物之间需水量的差异，FAO推荐的计算作物系数的分段单值平均系数法是用一个系数来综合反映，即把蒸发和蒸腾统一来看，具体公式及计算步骤参见文献[13]。根据分段单值作物系数法，结合表1中各主要作物的不同生育期时间段，得到冬小麦、夏玉米和棉花各生育期的作物系数，如表2。该方法广泛适用于灌溉管理与设计。

表2 3种作物不同生育期的作物系数

作物S1S2S3S4S5S6冬小麦0.60.6～0.40.40.4～1.151.151.15～0.4夏玉米0.49//0.49～1.121.121.12～0.57棉花0.29//0.29～1.141.141.14～0.66

2.2.2 有效降雨量计算

有效降雨量特指旱作种植条件下，用于满足作物蒸散需要的部分降雨量，它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[14]，即能被作物吸收利用的那部分降水量。该文选取FAO推荐的降水量与参照蒸散量值的大小比较来确定有效降雨量[15]，在计算作物有效降雨量时考虑作物特性，用作物需水量代替参照蒸散量。

2.2.3 缺水量与水分盈亏指数计算

该文将各作物不同生育期内的作物需水总量与该生育期的有效降水总量的差值称为作物缺水量，用W表示。W为正值，说明有效降雨量无法供应作物需水量，作物为缺水状态； W为零，有效降雨量与作物需水量持平，作物水分供需恰好达到平衡状态； W为负值，说明有效的供水量大于作物需水量，作物水分充足。

作物水分盈亏指数是指生育期内的作物有效降雨量和作物需水量之间的差与作物需水量的比值，可反映出作物正常生长对水分的需求情况[16]。

2.2.4 M-K检验

曼-肯德尔(Mann-Kendall)法是一种非参数统计检验方法。该方法结构简单，计算简便，利用MATLAB软件对所求数据组进行编程计算，得到UF、UB两列数据，即两条曲线若UF的值大于0，则说明数据呈上升趋势，反之，则呈下降趋势。选定一个显著性水平α，并对应正态分布表查找相应的临界值，该文选取α=0.05，则临界值为±1.96，若两条曲线有交点，且交点在临界值之间，则说明交点所对应的时间就是发生突变的时刻[17]。

随着全球气候变暖，保定市农业干旱呈加重趋势，以往河北省干旱监测主要采用降水距平百分率法，近几年通过建立土壤水分平衡方程和利用遥感的方法尝试进行农业干旱监测，但由于建立土壤水分平衡方程需要实测土壤水分资料，而河北省全年固定地段土壤水分观测站较少，给监测带来较大误差，因此运用曼-肯德尔(Mann-Kendall)非参数统计检验方法对农作物的需水量、缺水量和有效降雨量进行分析不仅计算简单、精确，也可为各级政府宏观决策、防灾抗旱提供科学依据，对农业抗旱减灾，合理利用水资源，指导农业节水灌溉等都具有十分重要的意义。

3 研究结果与分析

3.1 作物需水量分析

3.1.1 参照蒸散量

图1 近60年来保定市蒸散量变化趋势

由保定近60年来的逐日气象数据，根据公式得到1956—2015年的每年蒸散量(图1)，年蒸散量总体呈现为不显著下降趋势。年蒸散量最大值出现在1965年，为1 176.07mm，比年蒸散量平均值高14.40%，最小值出现在1964年，为873.93mm，比年蒸散量平均值低15.00%。蒸散量变化幅度最大的年份区间在1962—1965年、2001—2005年。

图2 近60年来不同生育期平均作物需水量

3.1.2 作物需水量

计算作物在不同生育期的平均需水量，结果如图2所示。从不同生育期的需水量分布特征来看，S1阶段冬小麦的需水量最大，其次为夏玉米，棉花在S1阶段的需水量最小，3种作物在初始生长期的需水量相对较小；而在S2阶段，3种作物的需水量皆达到最小值，这是由于在冻融期时温度降低，作物的潜在蒸散量变小，导致对水分的需求量变少，因此3种作物的需水量在冻融期时需水量达到最小值；在S4和S5阶段3种作物的需水量较高，S5达到最大值，这是由于在作物的快速发育期和发育中期时，温度较高，农作物受光合作用影响对水分的需求量较大，并且作物的快速发育期和生育中期是需水的关键时期，在灌溉上应优先满足其需水要求，否则会造成严重的减产；在S6阶段，3种作物的需水量比S4阶段略少，应注重合理灌溉，防止控制灌水，提高水分利用率。从不同作物的需水量来看，棉花的需水量最大，而水分是棉花的重要组成部分且棉花生长所需的土壤含水量也较高，说明不同作物需水量的差异与其自身的生理特性有关。冬小麦、夏玉米和棉花在各个生育期的平均作物需水量分别为79.30mm、87.03mm、132.30mm。3种作物发育中期的需水量都是整个发育阶段中最多的，分别约是其平均需水量的2.35倍、1.58倍和1.71倍。

图3 近60年保定市主要作物需水量变化趋势

通过M-K检验得到UF、UB两条曲线， 3种作物的需水量年际变化情况如图3所示。作物在1956—2015年的年际需水量均呈下降趋势。其中，冬小麦需水量的变化倾向率为-4.09mm/10年，多年平均需水量为477.28mm。1956—1981年呈不显著增减交替趋势，在此之后需水量均呈减小变化趋势； 夏玉米需水量的变化倾向率为-6.36mm/10年，多年平均需水量为348.12mm， 1956—1959年需水量呈不显著增加的变化趋势， 1959年以后均呈减少趋势， 2010年之后的需水量均呈显著减少的变化趋势； 棉花需水量的变化倾向率为-5.68mm/10年，多年平均需水量为529.18mm，从整体上看变化趋势不显著， 1963年以前棉花的需水量以增减交替趋势变化， 1963—1975年呈减少趋势， 1976—1981年呈增长趋势， 1982年以后，除2004年棉花需水量有不显著增长趋势外，其余年份均为不显著减少趋势变化。

3.2 有效降雨量分析

图4 近60年来不同生育期平均有效降雨量

计算3种作物各生育阶段的有效降雨量(图4)。从不同生育期的有效降雨量分布特征来看， 3种农作物在S2和S3的有效降雨量最小，其中在S2阶段达到最小值，这是由于冻融期和越冬期处于冬季，温度低、潜在蒸散量小、降水量少，因此这两个阶段的有效降雨量在全生育期最小； 在S4和S5阶段3种作物的有效降雨量较大，其中在S5阶段3种作物的有效降雨量达到最大值，由于快速发育期和发育中期处于春夏季节，此时保定地区受东南季风影响降水偏多，因此有效降雨量的值达到最大； S1和S6阶段比S4阶段略小，在这初始生长期和成熟期要给农作物进行适当的补水，适当的水分，才可达到节水、增产、高效的生产目标。从不同作物的有效降雨量来看，冬小麦、夏玉米和棉花在各个生育期的平均有效降雨量分别为5.09mm、16.08mm和20.94mm。其中冬小麦的数值明显小于其他两种作物，是由于在冬小麦的生育阶段中，S1后期、S2、S3和S4前期都是一年中降水量偏少的时期，夏玉米和棉花的发育期则有大部分处于降水量偏高的夏季。3种作物的有效降雨量最大值集中在发育中期，该时期有效降雨量分别比平均值高出128%、64%和122%。

利用M-K检验得到3种作物的有效降雨量年际变化情况(图5)，冬小麦在1956—2015年的年际有效降雨量呈上升趋势，夏玉米和棉花呈下降趋势。其中，冬小麦的有效降雨量的变化倾向率为0.21mm/10年，多年平均有效降雨量为30.53mm。1986年之前除1985年为减少趋势，均呈增长趋势， 1986—1990年为不显著减少趋势， 1991年以后需水量呈现增减交替，增长居多且变化幅度相对较明显； 夏玉米的有效降雨量的变化倾向率为-1.22mm/10年，多年平均有效降雨量为64.33mm， 1959—1961年、1964年和1967年夏玉米的有效降雨量为不显著增长趋势，其他年份均为减少趋势，且1983—1985年、1999—2004年变化显著； 棉花有效降雨量的变化倾向率为-1.46mm/10年，多年平均有效降水量为83.75mm，从图上来看，棉花的有效降雨量变化趋势线与夏玉米相似，其中1993—1994年、2000—2004年呈显著性减少趋势。

图5 近60年来保定市主要作物有效降水量变化趋势

3.3 作物缺水量分析

图6 近60年来不同生育期平均缺水量

保定市近60年来不同生育期的作物缺水量(图6)。3种作物的缺水量与需水量在各个阶段的分布规律大致相同，从不同生育期的缺水量分布特征来看，S4和S53种农作物的缺水量较大，其中在S5时期达到最大值； S2和S3时期的作物缺水量较小，其中在S2阶段作物缺水量达到最小值； S1和S6阶段的作物缺水量小于S4阶段的缺水量。从不同农作物的缺水量分布来看，冬小麦、夏玉米和棉花在不同生育期的平均缺水量分别为74.46mm、70.95mm和111.36mm。整体上看棉花的缺水量要大于其他两种作物，虽然其有效降雨量最大，但缺水量是需水量和有效降雨量共同作用的结果，故经计算得出此结果。3种作物在发育中期的缺水量分别高出其平均值的134%、56%和61%。

对缺水量变化趋势进行分析，如图7所示。近60年来冬小麦、夏玉米和棉花的年际缺水量均呈下降趋势。其中，冬小麦缺水量的变化倾向率为-4.30mm/10年，多年平均缺水量为466.76mm， 1984年以前缺水量大多呈不显著增长趋势， 1984年以后均呈减少趋势，且2009年以后变化趋势显著； 夏玉米缺水量的变化倾向率为-5.10mm/10年，多年平均缺水量为283.79mm，变化有增有减，波动较小； 棉花缺水量的变化倾向率为-4.2mm/10年，多年平均缺水量为445.43mm， 1956—1963年缺水量呈不显著增长趋势， 1964—1974年呈不显著减少趋势，之后直到2007年缺水量均呈增长趋势， 2008—2015年呈不显著减少趋势。

图7 近60年来保定市主要作物缺水量变化趋势

图8 近60年来保定市主要作物水分盈亏指数变化趋势

3.4 水分盈亏指数分析

根据上面得出的作物有效降雨量和作物需水量，计算获得保定市近60年来3种作物每年的水分盈亏指数，如图8所示。从数据上看，冬小麦、夏玉米和棉花的多年平均水分盈亏指数分别为-93.50%、-81.25%和-84.11%，冬小麦的水分盈亏指数最低，其次是棉花，最后是夏玉米。3者水分盈亏指数的变化幅度相似，尤其是夏玉米和棉花，两者的其他指标变化趋势也相近，与两者均为喜光的短日照植物且对水分更为敏感有关。棉花的初始生长期略早于夏玉米，但棉花的生育周期较长，使得两者各生育期的气候条件差别不大。

结合前文对3种农作物的缺水量、需水量、有效降雨量和水分盈亏指数的分析可知，近60年3种作物的年均有效降雨量、作物需水量、缺水量及水分盈亏指数均呈下降的变化趋势，下降程度有所不同，但作物的需水量和缺水量远大于有效降雨量，因此，保定地区一直处于天然降水短缺的状态； 作物的缺水量、需水量和有效降雨量在6个生长阶段的分布特征大致相同，其值从小到大依次为S2、S3、S1、S6、S4、S5，因此，在不同的生育期内要将土壤水分控制在合理范围内，不仅对作物的光合作用有利，而且降低了农作物植株的奢侈蒸腾，减少了土壤水分的无效消耗，提高叶片的水分利用效率。作物的快速发育期和生长中期是需水的关键时期，在灌溉上应优先满足其需水要求，否则会造成严重的减产； 在初始生长期控制灌水，不仅不影响产量，而且能提高水分利用效率。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)在突变检验分析中，发现冬小麦需水量的突变时期在20世纪80年代，而夏玉米和棉花的突变时期则集中在2009—2012年，该时期是生物新技术和新的诱变技术迅猛发展的时期，在作物改良以及之后的生产中有较为广泛的应用，并极大地提高了农作物资源创新和品种选育的技术水平。

(2)在作物有效降雨量方面，由于冬小麦有越冬性，且生育期时间大多集中在降水较少的时期，所以有效降雨量明显低于夏玉米和棉花。

(3)由于作物的需水量均大于有效降雨量，所以缺水量均为正值。3种作物的最大缺水量大致集中在20世纪的60—70年代，该时期为我国近半个多世纪干旱情况较重的时期[18]，与最大需水量的时期基本一致。

(4)与夏玉米和棉花相比，冬小麦的缺水形势更为严峻。

4.2 讨论

河北省近50年来的气温明显上升，而作物需水量并未因此增加，说明影响水分变化不仅要考虑气温变化，还要考虑其他气象因素，如在计算参照蒸散量中需要的风速、日照时数、相对湿度和降水量等。目前河北省的旱情较为严重，在水资源逐渐减少的情况下，过多开采水资源，严重影响作物生长及生态环境的平衡。该文利用Penman-Monteith公式、MK检验等方法对研究区主要作物的需水量和缺水量进行特征分析，在对作物需水量的分析中，与李春强等对河北省1965—1999年相关研究的计算结果及变化趋势差距不大； 在对作物缺水量的分析中，与李鹏飞[19]等对华北平原北部农田的缺水量研究中保定市缺水情况有相似性，但由于后者是对生育期4—10月分别进行分析，没有把冬小麦的越冬期计算在内，且研究对象为整个农田，可能与该文仅对主要作物的研究存在出入。总体来看该文与前人的研究相比，选择的时间尺度较大，计算及分析的指标较多，更能反映出近年来保定市农业用水的情况。基于上述的研究结果说明保定地区在未来一段时间内作物的需水量、缺水量和有效降雨量会呈现微弱的减少趋势，但这并不意味着保定市的农作物灌溉用水量不趋近于短缺的状态，只是不一定像预测那样严重，应根据农作物各项指标的变化制定相应的灌溉措施。在作物的生长期和快速发育期缺水量和需水量较大，会使保定地区在此时阶段的水资源趋于紧张，应该加大对作物需水量的灌溉补给。同时，在不同的生育期内要将土壤水分控制在合理范围内，不仅对棉花的光合作用有利，而且降低了植株的奢侈蒸腾，减少了土壤水分的无效消耗，提高叶片的水分利用效率。作物的快速发育期和生长中期是需水的关键时期，在灌溉上应优先满足其需水要求，否则会造成严重的减产。在初始生长期控制灌水，不仅不影响产量，而且能提高水分利用效率。