曹永強(qiáng), 李維佳, 朱明明

(遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 大連 116029)

水資源作為不可替代和不可或缺的自然資源，為社會(huì)發(fā)展提供了極大的動(dòng)力[1]。目前，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)用水結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)水資源利用量占比最大[2]，據(jù)2016年水資源公報(bào)顯示[3]，農(nóng)業(yè)用水為3 768.0億m3，占用水總量的62.4%。河北省是我國(guó)農(nóng)業(yè)大省，也是水資源嚴(yán)重短缺的地區(qū)之一，長(zhǎng)期超采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，對(duì)區(qū)域水資源及水環(huán)境的安全造成了嚴(yán)重的破壞。冬小麥、棉花作為河北省的主要農(nóng)作物，受當(dāng)?shù)睾禎碁?zāi)害頻繁影響，而缺水量(W)與水分盈虧指數(shù)(I)可以直接反映農(nóng)作物的旱澇情況。因此科學(xué)合理地確定缺水量與水分盈虧指數(shù)變化是進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化管理、合理制定灌溉方案的重要依據(jù)。

缺水量研究概括起來(lái)主要有3類[4-5]，第1類是通過(guò)田間試驗(yàn)來(lái)直接計(jì)算作物缺水量與其影響因素之間的關(guān)系[6-7]，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單直接，但易受觀測(cè)值測(cè)量精度影響；第2類是基于參考作物蒸散量計(jì)算實(shí)際作物需水量以及缺水量[8]，只需利用常規(guī)氣象資料便可較為準(zhǔn)確地計(jì)算出參考作物的缺水量，此法的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值和計(jì)算精度都比較高，更為可靠；第3類是通過(guò)遙感技術(shù)計(jì)算作物缺水量[9-10]，遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，但由于氣象及觀測(cè)角度等因素的影響，遙感數(shù)據(jù)有效與否質(zhì)疑性較大。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)農(nóng)作物缺水量的問(wèn)題也進(jìn)行了大量研究，其研究方法同樣可概括為3類，分別為土壤水量平衡法、微氣象學(xué)法和能量平衡法，其中較為熟知的Penman綜合法就屬于能量平衡法的一種，該方法只需利用常規(guī)氣象資料便可較為準(zhǔn)確地計(jì)算出參考作物的缺水量，已成為計(jì)算參考作物缺水量的一種主要方法。姬興杰等[11]采用美國(guó)土壤保持局推薦的方法計(jì)算出未來(lái)氣候變化對(duì)河南省冬小麥缺水量的影響，并得出缺水量的距平百分率在空間分布上具有差異、未來(lái)河南省水資源可能更趨于短缺的結(jié)論；殷志強(qiáng)等[12]運(yùn)用DNDC模型和GIS數(shù)據(jù)計(jì)算東北三省主要作物缺水量，發(fā)現(xiàn)遼寧省作物缺水量最為嚴(yán)重，為562.1億m3，并且缺水情況將進(jìn)一步加??；邱兆美等[13]通過(guò)試驗(yàn)建立作物不同缺水量對(duì)作物葉面積和莖稈直徑變化的影響，判斷出不同作物缺水量所表現(xiàn)出來(lái)的生理指標(biāo)變化，總結(jié)出作物缺水量是作物生長(zhǎng)需求的重要指標(biāo)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)作物缺水量以及氣候?qū)ζ溆绊懸殉蔀槿藗冴P(guān)注水資源的一個(gè)重要方面。雖然有關(guān)作物耗水、需水量的文章逐漸增多，但相關(guān)研究大部分以作物生態(tài)需水為依據(jù)建立作物需水模型，不能直接反映作物本身的生理需求，滿足不了對(duì)作物適當(dāng)?shù)乃盅a(bǔ)給。鑒于此，本文以河北省為研究區(qū)域，試探究該地區(qū)種植面積較大且種植結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的冬小麥、棉花兩種作物全生育期內(nèi)缺水量的時(shí)空規(guī)律特征。旨在為今后河北省農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整以及農(nóng)業(yè)灌排等方面的研究與決策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省地處北緯36°05′—42°40′，東經(jīng)113°27′—119°50′，占地總面積18.77萬(wàn)km2[14]，年均降水量503.5 mm，主要集中在夏季，多年平均氣溫為11.8℃，屬于溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸季風(fēng)氣候，四季分明，氣候條件較好，適合多種農(nóng)作物生長(zhǎng)[15]。近年來(lái)，河北省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)保持快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)“十連增”[16]。其中，小麥播種面積234.27萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為1 429.9萬(wàn)t；棉花播種面積41.09萬(wàn)hm2，產(chǎn)量43.1萬(wàn)t[17-21]，農(nóng)業(yè)的發(fā)展為河北省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大效益，此外，主要農(nóng)作物產(chǎn)量的增長(zhǎng)也增加了河北省的農(nóng)業(yè)用水量。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

由于河北省冬小麥和棉花的種植主要分布于省內(nèi)的中部和南部地區(qū)，因此，本文選取了河北省13個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為1955—2014年。具體氣象站點(diǎn)分布及作物種植區(qū)分布情況如圖1所示。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的逐日數(shù)據(jù)集，主要包括日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、20時(shí)—20時(shí)降水量、最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、平均氣壓等。

作物系數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)源于FAO編寫(xiě)的《作物需水計(jì)算指南》[22]中查找標(biāo)準(zhǔn)條件下冬小麥和棉花的作物系數(shù)：

冬小麥：Kcini(Tab)=0.7(初始生長(zhǎng)期)；Kcfro(Tab)=0.4(越冬期)；Kcmid(Tab)=1.15(生育中期)；Kcend(Tab)=0.4(成熟期)；h(冬小麥高度)=1

棉 花：Kcini(Tab)=0.35(初始生長(zhǎng)期)；Kcmid(Tab)=1.2(生育中期)；Kcend(Tab)=0.7(成熟期)；h(棉花高度)=1.5

作物生育期數(shù)據(jù)來(lái)源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，對(duì)兩種主要作物(冬小麥、棉花)發(fā)育期數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后取多年平均值。其中，棉花的作物系數(shù)變化主要分為初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期4個(gè)階段，由于冬小麥具越冬特性，因此共劃分6個(gè)階段：初始生長(zhǎng)期、凍融期、越冬期、快速發(fā)育期、生育中期、成熟期，由于北方冬小麥在冬季0～1℃時(shí)麥苗基本停止生長(zhǎng)，因此還具有融凍期和越冬期，并且冬小麥不同生育期對(duì)水分的需求量不同，另外，冬小麥的凍融期和棉花的快速發(fā)育期作物系數(shù)值參考文獻(xiàn)[22-23]，h代表作物的生長(zhǎng)高度。

圖1 氣象站點(diǎn)及作物種植區(qū)分布

1.3 研究方法

1.3.1 缺水量(W)計(jì)算 作物缺水量(W)又叫灌溉需水量，指在全生育期內(nèi)各個(gè)生育階段同期需水量和有效降雨量的差值。若W>0，表示作物缺水，需補(bǔ)充灌溉；若W=0，表示水分供需平衡；若W<0，表示作物不缺水。公式為：

W=ETc-Pe

(1)

ETc=Kc×ET0

(2)

(3)

式中：ETc為作物需水量(mm)；Pe為作物生育期內(nèi)的有效降雨量(mm)；Kc為作物系數(shù)；ET0為逐日作物蒸散量(mm)，采用Penman-Monteith公式[24-25]計(jì)算；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率值(kpa/℃)；Rn為作物表面的凈輻射量(MJ/m2)；γ是濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；T為日平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kpa/℃)。

(4)

(5)

式中：Pei為日有效降雨量(mm)；P為日降雨量(mm)；Pe為作物生育期內(nèi)的有效降雨量(mm)；n為生育期按旬分組的數(shù)量。

1.3.2 水分盈虧指數(shù)(I)計(jì)算 作物I是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、管理等方面的重要指標(biāo)，更能反映農(nóng)作物水分盈虧和旱澇狀況，通過(guò)計(jì)算可得作物水分供需關(guān)系，同時(shí)可以反映作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求狀況。I越小則說(shuō)明干旱程度越嚴(yán)重，W越大，因此I與W呈負(fù)相關(guān)。

(6)

式中：I為水分盈虧指數(shù)。當(dāng)I>0時(shí)，作物供水量>需水量；當(dāng)I=0時(shí)，供水量=需水量；當(dāng)I<0時(shí)，作物供水量<需水量。

1.3.3 分段單值平均系數(shù)法 分段單值平均作物系數(shù)法是一種無(wú)需大量數(shù)據(jù)下的一種較為簡(jiǎn)單的計(jì)算作物系數(shù)的方法，可廣泛應(yīng)用于作物生育期缺水量的計(jì)算、灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)以及灌溉管理等方面。該方法是根據(jù)各階段葉面蒸騰和土面蒸發(fā)的變化規(guī)律，用一個(gè)時(shí)段平均值表示該階段的作物系數(shù)[26]。但該方法要求時(shí)段大，且未充分考慮土壤的影響。具體計(jì)算公式此處不再贅述，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[26]。該方法結(jié)合作物全生育期內(nèi)的4個(gè)階段，作物系數(shù)根據(jù)4個(gè)階段分為3個(gè)值進(jìn)行計(jì)算，4個(gè)階段的劃分為：(1) 初始生長(zhǎng)期，從播種到作物覆蓋率約達(dá)到10%。此時(shí)期內(nèi)作物系數(shù)為Kcini。(2) 快速發(fā)育期，從覆蓋率10%到作物覆蓋率約為75%；此時(shí)期內(nèi)作物系數(shù)從Kcini提高到Kcmid。(3) 生育中期，從充分覆蓋到成熟期開(kāi)始，葉片逐漸變黃。此時(shí)期內(nèi)作物系數(shù)為Kcmid。(4) 成熟期，從葉片開(kāi)始逐漸到生理成熟或收獲。此時(shí)期內(nèi)作物系數(shù)從Kcmid下降到Kcend。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與圖像分析方法 普通克里金是基于GIS平臺(tái)的一種應(yīng)用較廣泛的克里金插值方法，該方法假設(shè)采樣點(diǎn)值不存在潛在的全局趨勢(shì)，只用局部因素就可以很好地預(yù)測(cè)未知值，相對(duì)于傳統(tǒng)插值方法精度較高[27-28]。本文利用普通克里金插值來(lái)實(shí)現(xiàn)河北省冬小麥和棉花W，I的空間變化。

曼—肯德?tīng)柗?Mann-Kendall)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[29]。該方法借助Matlab軟件的程序編寫(xiě)對(duì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到UF與UB兩條曲線，并用于檢驗(yàn)序列的變化趨勢(shì)。若UF或UB的值大于0，則表示序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表示序列呈下降趨勢(shì)。當(dāng)UF與UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)時(shí)，且交點(diǎn)在臨界值之間則表示該時(shí)刻為突變開(kāi)始時(shí)刻。本文運(yùn)用曼—肯德?tīng)柗▽?duì)河北省冬小麥和棉花的W及I的時(shí)間變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并得到了W和I在研究時(shí)段內(nèi)的突變點(diǎn)時(shí)刻。

小波分析法能夠同時(shí)從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面揭示時(shí)間序列的局部特征，因此適合于研究具有多時(shí)間尺度變化特征和非平穩(wěn)特性的水文時(shí)間序列[30]，本文通過(guò)小波方差圖和小波等值線圖來(lái)判定河北省冬小麥和棉花全生育期內(nèi)W及I的變化周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省冬小麥缺水量時(shí)空變化特征

2.1.1 時(shí)間規(guī)律特征分析 河北省冬小麥W年際趨勢(shì)變化如圖2所示。整體以-3.74 mm/(d·10 a)的速率呈下降趨勢(shì)，年際間差異較小，平均為594.26 mm。圖2繪出的UF曲線，若UF或者UB的值大于0，則表明缺水量整體呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)，根據(jù)圖2中冬小麥W的升降趨勢(shì)特征大致可分為3個(gè)階段：1955—1976年呈增減交替趨勢(shì)變化，1964年冬小麥的W最小，僅為450.84 mm，1973年冬小麥W最大，達(dá)到640.66 mm；1977—1990年，呈不顯著增加趨勢(shì)變化；1990年以后，河北省冬小麥W呈顯著性減少趨勢(shì)變化，且年際間缺水量差異較小。突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)5個(gè)交點(diǎn)，但由于UF統(tǒng)計(jì)量曲線基本都在0.05顯著水平線之間，即年均缺水量的變化趨勢(shì)不顯著，沒(méi)有發(fā)生明顯的突變。

圖2 河北省冬小麥缺水量年際趨勢(shì)變化

進(jìn)一步分析其周期性問(wèn)題，由小波變換等值線圖(圖3A)可以明顯發(fā)現(xiàn)，河北省冬小麥W在30～50 a尺度上震蕩周期較為顯著，此外W在10～28 a有小幅度的震蕩，但沒(méi)有明顯波峰出現(xiàn)。結(jié)合小波方差圖(圖3B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值，故此可以判斷，河北省冬小麥W存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期，并且呈現(xiàn)“大—小—大”的變化特征。

從時(shí)間序列上看，冬小麥年平均W整體呈下降趨勢(shì)變化，氣候因素是影響作物缺水量的主要因素，缺水量變化趨勢(shì)很可能是氣候自然波動(dòng)影響的結(jié)果[11]，因此在農(nóng)業(yè)灌溉時(shí)期需要加強(qiáng)對(duì)冬小麥W進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，提前做好抗旱準(zhǔn)備。

2.1.2 空間分布特征分析 如附圖6所示，河北省冬小麥的W空間分布不均，各個(gè)站點(diǎn)之間差距較大，W變化范圍為462～662 mm，平均為551.13 mm；其中，全生育期W最大的為南宮，達(dá)到661.59 mm；其次為黃驊，冬小麥的W為626.88 mm，W最小的為秦皇島和邢臺(tái)，全生育期內(nèi)的W分別為462.03 mm和467.34 mm。

圖3 河北省冬小麥缺水量周期分析

近60年河北省冬小麥在不同生育期內(nèi)缺水量的空間分布情況如附圖7—8所示。初始生長(zhǎng)期冬小麥W平均值為39.79 mm，不同站點(diǎn)多年平均有效降雨量變化為27.78～50.41 mm，其中；凍融期冬小麥最小，平均值為5.46 mm，空間分布差異較小，變化范圍在3.64～7.72 mm；越冬期冬小麥W的平均值為54.58 mm，變化范圍在36.42～77.21 mm；快速發(fā)育期冬小麥W平均值為195.22 mm，是冬小麥最為嚴(yán)重的時(shí)期，其中，秦皇島最小，為132.52 mm，南宮最大，是秦皇島W的198.06%；生育中期冬小麥W分布特征與河北省全生育期冬小麥W分布特征基本一致，平均值為180.44 mm，黃驊W最大，為214.66 mm，邢臺(tái)W最小，為150.83 mm；成熟期冬小麥的W平均值為75.65 mm，變化范圍在62.39～86.55 mm，黃驊缺水量最大，秦皇島的缺水量最小。

從上述分析可以看出，各個(gè)時(shí)期冬小麥W的分布特征各不相同，而且河北省中部地區(qū)的灌溉用水供需矛盾尖銳，在冬小麥生長(zhǎng)過(guò)程中，不同生育階段的W帶來(lái)的影響完全不同，特別是在冬小麥的快速發(fā)育期和生育中期，冬小麥在這兩個(gè)階段水分虧損嚴(yán)重，若灌溉水量不充足冬小麥產(chǎn)量存在極大的風(fēng)險(xiǎn)；初始生長(zhǎng)期灌溉能顯著提高冬小麥快速發(fā)育期和生長(zhǎng)中期的株高增長(zhǎng)速率，而快速生長(zhǎng)期灌溉對(duì)株高的影響較成熟期小，成熟期灌溉對(duì)促進(jìn)葉面積指數(shù)增長(zhǎng)效果最為顯著。因此，要在不同生長(zhǎng)期給冬小麥補(bǔ)給適當(dāng)?shù)乃?，才可達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)、高效的生產(chǎn)目標(biāo)，與姬興杰等[11]的研究結(jié)果相吻合。

2.2 河北省棉花缺水量(W)時(shí)空變化特征

2.2.1 時(shí)間規(guī)律特征分析 圖4為河北省棉花缺水量近60年年際趨勢(shì)變化圖。河北省棉花的W整體呈顯著性下降趨勢(shì)，變化傾向率為-22.88 mm/(d·10 a)，年際間平均作物W為457.89 mm，際間差異較大。近60年來(lái)棉花的增幅變化較大，根據(jù)圖4中繪制的UF曲線，具體可分為2個(gè)階段。1955—1988年，棉花W呈不顯著下降趨勢(shì)，且在1968年，棉花W達(dá)到最大，為602.48 mm；1988年以后，河北省棉花W顯著性下降的趨勢(shì)變化，且在1995年出現(xiàn)最小值，僅為339.43 mm，2014年棉花W為401.53 mm。近60年的變化過(guò)程中UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)1個(gè)交點(diǎn)，不在臨界線范圍內(nèi)，因此河北省棉花W無(wú)明顯的突變點(diǎn)。

圖4 河北省棉花缺水量年際趨勢(shì)變化

河北省棉花W周期變化如圖5所示?？傮w來(lái)看，由小波變換等值線圖(圖5A)可以明顯看出，河北省棉花在30～50 a大時(shí)間尺度上周期性震蕩顯著，此外在15～28 a左右的小時(shí)間尺度上的周期性也很明顯。結(jié)合小波方差圖(圖5B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值，可以判斷，河北省棉花W存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期，因此要在干濕交替的過(guò)渡期做好對(duì)棉花的灌溉準(zhǔn)備。

2.2.2 空間分布特征分析 河北省近60年棉花全生育期W的空間分布情況如附圖9所示。河北省棉花W空間差異較明顯，W范圍為366～497 mm，平均為434.57 mm；其中，全生育期W最大的站點(diǎn)為黃驊(496.57 mm)；其次為霸州(469.713 mm)，缺水量最小的為遵化和邢臺(tái)，全生育期內(nèi)分別為366.66 mm和374.03 mm。

如附圖10所示，近60年棉花W在同一生育期內(nèi)空間差異較小，各個(gè)站點(diǎn)不同生育期之間差異較大，并且棉花不同生育期對(duì)水分的需求量不同。初始生長(zhǎng)期W平均值為35.12 mm，W分布在31.61～43.22 mm；快速發(fā)育期棉花W平均值為197.23 mm，相較于其他生育期空間差異較大，其中邯鄲W最大，達(dá)到224.04 mm，其次為黃驊、霸州和饒陽(yáng)，W均大于210.00 mm，邢臺(tái)W最小，為163.67 mm；生育中期棉花W平均值為159.86 mm，W分布在131.91～188.81 mm，最大值和最小值分別出現(xiàn)在黃驊和遵化；成熟期棉花W平均值為42.36 mm，W分布在35.71～52.47 mm。

從上述分析可知，與冬小麥相似，由于地理環(huán)境的不同及氣候條件的差異導(dǎo)致河北省中部地區(qū)棉花灌溉用水量較大，但從總體上看，在棉花快速發(fā)育期W較大，會(huì)使河北省在此時(shí)階段的水資源趨于緊張，應(yīng)該加大對(duì)棉花需水量的灌溉補(bǔ)給。同時(shí)，在不同的生育期內(nèi)要將土壤水分控制在合理范圍內(nèi)，不僅對(duì)棉花的光合作用有利，而且降低了植株的奢侈蒸騰，減少了土壤水分的無(wú)效消耗，提高葉片的水分利用效率。棉花的快速發(fā)育期和生長(zhǎng)中期是需水的關(guān)鍵時(shí)期，在灌溉上應(yīng)優(yōu)先滿足其需水要求，否則會(huì)造成嚴(yán)重的減產(chǎn)[31]。在初始生長(zhǎng)期控制灌水，不僅不影響產(chǎn)量，而且能提高水分利用效率。

圖5 河北省棉花缺水量周期分析

2.3 河北省冬小麥水分盈虧指數(shù)(I)時(shí)空變化特征

2.3.1 時(shí)間分布特征分析 如圖6所示，河北省冬小麥的I整體呈增減交替變化，變化傾向率幾乎為0，年際間I的平均值為-0.91，且年際間差異較小。冬小麥I最大值出現(xiàn)在1963年，I為-0.86，1978年冬小麥的I最小，僅為-0.94 mm。近60 a來(lái)冬小麥的I變化較小，根據(jù)圖6繪制的UF曲線，可判斷冬小麥水分盈虧指數(shù)的增減趨勢(shì)變化，具體可分為3個(gè)階段，即1955—1974年冬小麥I呈增減交替趨勢(shì)的趨勢(shì)變化；1975—2008年，冬小麥I呈不顯著性減少趨勢(shì)變化，2008年以后，I呈不顯著性增減的趨勢(shì)變化，2014年冬小麥I為-0.90。近60 a的變化過(guò)程中UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)9個(gè)交點(diǎn)，均在臨界線范圍內(nèi)，但僅1960年兩曲線交點(diǎn)之后的曲線變化趨勢(shì)呈相反變化趨勢(shì)，因此河北省冬小麥I在1960年出現(xiàn)突變點(diǎn)。

河北省冬小麥I如圖7所示，總體來(lái)看，由小波變換等值線圖(圖7A)可以明顯看出，河北省冬小麥I在34～55 a尺度上震蕩周期較為顯著，此外I在20～28 a期間有小幅度的震蕩周期，但沒(méi)有明顯波峰出現(xiàn)。結(jié)合小波方差圖(圖7B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值，可以判斷，河北省冬小麥I存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期，次周期的周期性并不顯著，周期整體并且呈現(xiàn)“大—小—大”的變化特征，與小波等值線的分析結(jié)果基本一致。將河北省冬小麥W與I的震蕩周期結(jié)合來(lái)看，變化情況極為一致。

結(jié)合上文對(duì)冬小麥W的分析可知，W偏多的年份，I較低，不同年份W與I的變化有所差異，并且年際間變化較小。李瑜玲等[32]認(rèn)為河北省作為種植冬小麥的大省，要結(jié)合冬小麥的缺水規(guī)律和盈虧指數(shù)的年際周期變化來(lái)制定灌溉次數(shù)及灌溉量，因此加強(qiáng)對(duì)灌溉用水的利用效率不僅可以滿足小麥的生長(zhǎng)需求，又能用較少的水資源生產(chǎn)出更多的糧食，穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

圖6 河北省冬小麥水分盈虧指數(shù)年際趨勢(shì)變化

圖7 河北省冬小麥水分盈虧指數(shù)周期分析

2.3.2 空間分布特征分析 附圖11為河北省近60年冬小麥全生育期I空間分布情況。河北省冬小麥I空間差異較小，基本上呈由中心向四周逐漸增大的分布特征。結(jié)合上文對(duì)W的計(jì)算，冬小麥的I與W呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)分布規(guī)律，I偏小的地區(qū)，W偏大，干旱程度較強(qiáng)。冬小麥平均I為-0.91；其中，全生育期I最大的為邯鄲，I為-0.88；其次為邢臺(tái)和秦皇島，I均約為-0.90，其余站點(diǎn)I均為-0.91；南宮I最小，為-0.92。

近60年河北省冬小麥在不同生育期內(nèi)I的空間分布情況如附圖12—13所示，同一生育期內(nèi)，各站點(diǎn)之間空間差距較小。初始生長(zhǎng)期冬小麥I平均值為-0.86，不同站點(diǎn)多年平均I變化為-0.88～-0.80，其中，邯鄲I最大，黃驊和南宮I最??；凍融期冬小麥I平均值為-0.93，空間分布差異較小，變化范圍為-0.95～-0.90，最大值和最小值分別出現(xiàn)在邯鄲和遵化；越冬期冬小麥I的平均值為-0.93，變化范圍為在-0.95～-0.90，邯鄲的I最大，遵化的I最??；快速發(fā)育期冬小麥I平均值為-0.93，其中，南宮I最小，為-0.95，秦皇島I最大，為-0.90；生育中期冬小麥I空間差異較小，平均值為-0.91，南宮、黃驊、饒陽(yáng)和霸州I最小，都為-0.92，邯鄲I最大，為-0.90；成熟期冬小麥I平均值為-0.88，變化范圍為-0.86～-0.92，邯鄲和秦皇島I最大，為-0.86，南宮I最小，為-0.92。

綜上來(lái)看，冬小麥在凍融和越冬期受到干旱危害，I較低，不僅需要注意對(duì)這兩個(gè)時(shí)期灌溉需水量進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)給，而且還要結(jié)合不同地區(qū)的實(shí)際情況有計(jì)劃的對(duì)冬小麥進(jìn)行灌溉，這與李夕軍等[33]的研究結(jié)果相吻合。

2.4 河北省棉花水分盈虧指數(shù)時(shí)空變化特征

2.4.1 時(shí)間分布特征分析 如圖8所示，河北省棉花的I整體呈增減交替變化，變化傾向率幾乎為0，年際間I的平均值為-0.79，且年際間差異較小。1995年棉花I最大為-0.72，最大值與最小值出現(xiàn)的年份較為接近。近60年來(lái)棉花的I變化較小，具體可分為2個(gè)階段：1955—1980年棉花I呈增減交替的趨勢(shì)變化；1981年以后，棉花的I呈不顯著性下降趨勢(shì)變化。近60年的變化過(guò)程中UF曲線和UB曲線共出現(xiàn)10個(gè)交點(diǎn)，均在臨界線范圍內(nèi)，但僅1970年兩曲線相交后呈相反變化趨勢(shì)，因此1970年為河北省棉花I的突變點(diǎn)。

圖8 河北省棉花水分盈虧指數(shù)年際趨勢(shì)變化

河北省棉花I震蕩周期變化如圖9所示，總體來(lái)看，由小波變換等值線圖(圖9A)可以明顯看出，河北省棉花I在30～55 a大時(shí)間尺度上周期性震蕩顯著，此外在18～28 a左右的小時(shí)間尺度上的周期性也很明顯。結(jié)合小波方差圖(圖9B)，40 a左右小波方差出現(xiàn)最大峰值，此外在25 a左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值，可以判斷，河北省棉花W存在40 a左右的震蕩主周期和25 a左右的震蕩次周期?？梢耘卸ê颖笔∶藁↖存在2個(gè)次周期，周期性顯著，并且呈現(xiàn)“大—小—大”的變化特征，年際間差異較大，與小波等值線的分析結(jié)果基本一致。將河北省棉花W與I的震蕩周期結(jié)合來(lái)看，變化情況極為一致。

圖9 河北省棉花水分盈虧指數(shù)周期分析

2.4.2 空間分布特征分析 附圖14為近60年河北省棉花全生育期I的空間分布情況。結(jié)合上文對(duì)棉花W的計(jì)算可知，棉花的I與W呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)分布規(guī)律，棉花I偏小的地區(qū)，W偏大，干旱程度較強(qiáng)。河北省各個(gè)站點(diǎn)間棉花I差距較小，平均I為-0.81，其中，全生育期I最大的為邯鄲，為-0.79；其次為遵化、保定和邢臺(tái)，I為-0.80，I最小的為霸州，全生育期內(nèi)I為-0.82。

如附圖15所示，河北省近60年不同生育期內(nèi)棉花I空間分布差異較小，但各個(gè)站點(diǎn)生育期之間有所差異。初始生長(zhǎng)期棉花I整平均值為-0.86，其變化范圍為-0.87～-0.85，石家莊、邢臺(tái)、保定和邯鄲I最大，饒陽(yáng)和黃驊I為-0.86，其他站點(diǎn)I均為-0.87；快速發(fā)育期棉花I平均值為-0.86，其中，邢臺(tái)I最大，為-0.85，饒陽(yáng)和霸州I最小，為-0.88，其余站點(diǎn)均為-0.8～-0.86；生育中期棉花I平均值為-0.71，是棉花各生育期中I最大的時(shí)期，其變化范圍為-0.73～-0.70，邢臺(tái)、遵化和霸州I最大，饒陽(yáng)和黃驊I最?。怀墒炱诿藁↖平均值為-0.78，I在-0.80～-0.75之間，唐山I最大，石家莊I最小。

2.5 缺水量和水分盈虧指數(shù)的聯(lián)系與討論

結(jié)合前文對(duì)冬小麥和棉花的時(shí)空分析結(jié)果，首先，由于青龍、遵化和石家莊部分地區(qū)為山地丘陵區(qū)，土地資源豐富，但是土地質(zhì)量較差，加之石家莊為該省省會(huì)城市工農(nóng)業(yè)與生活用水量大，根據(jù)附圖6，9，11，14分析可知該區(qū)域缺水量較大，水分盈虧指數(shù)較小，因此，應(yīng)以水土保持為重，營(yíng)造農(nóng)田防護(hù)體系，以草、灌、林相結(jié)合進(jìn)行植被建設(shè)，提高植被覆蓋率，這樣既有助于防風(fēng)固沙、保持水土、保護(hù)農(nóng)田，又有利于改善局部小氣候，為旱地農(nóng)業(yè)創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。由于保定、饒陽(yáng)、南宮和石家莊西部地區(qū)缺水量較小，水分盈虧指數(shù)較大，且地勢(shì)平坦，分布有鹽堿地，但是近幾年鹽化程度有所下降，因此適當(dāng)建設(shè)蓄水工程，使發(fā)生旱情時(shí)能及時(shí)進(jìn)行灌溉，灌溉應(yīng)該采用噴灌進(jìn)行大面積的灌溉，噴灌霧點(diǎn)小，均勻，土表不容易板結(jié)，既節(jié)水又節(jié)約勞動(dòng)力[34]。

根據(jù)上述分析，并且結(jié)合河北省玉米和棉花的缺水量與水分盈虧指數(shù)特征來(lái)看，該區(qū)域主要農(nóng)作物生長(zhǎng)長(zhǎng)期處于干旱狀態(tài)。在干旱指標(biāo)研究方面，由于不同的部門(mén)或?qū)W科對(duì)干旱的定義不同，所以出現(xiàn)了不同的干旱評(píng)判指標(biāo)[35]。水分盈虧指數(shù)是評(píng)價(jià)干旱體系中的一個(gè)重要指標(biāo)，并且也作為研究作物缺水量的重要指標(biāo)，在一定程度上可以反映作物的干旱程度，是一種實(shí)時(shí)的干旱監(jiān)測(cè)方法，能運(yùn)用于河北省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，作物水分盈虧指數(shù)和缺水量作為精準(zhǔn)灌溉決策的依據(jù)，缺水量指以維持作物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的體外環(huán)境消耗的水[13]，當(dāng)缺水量增大時(shí)，水分盈虧指數(shù)減小，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，也可以說(shuō)，可將水分盈虧指數(shù)的結(jié)果作為缺水量研究結(jié)果的真實(shí)性驗(yàn)證。

隨著全球氣候變暖，河北省農(nóng)業(yè)干旱呈加重趨勢(shì)，以往河北省干旱監(jiān)測(cè)主要采用降水距平百分率法，近幾年通過(guò)建立土壤水分平衡方程和利用遙感的方法嘗試進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)，但由于建立土壤水分平衡方程需要實(shí)測(cè)土壤水分資料，而河北省全年固定地段土壤水分觀測(cè)站較少，給監(jiān)測(cè)帶來(lái)較大誤差，因此迫切需要開(kāi)展農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用服務(wù)。本文對(duì)作物水分盈虧指數(shù)和缺水量的計(jì)算是土壤墑情監(jiān)測(cè)的目的和科學(xué)灌溉的工作基礎(chǔ)，可為各級(jí)政府宏觀決策、防災(zāi)抗旱提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)，合理利用水資源，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉等都具有十分重要的意義。因此，要將缺水量與水分盈虧指數(shù)結(jié)合起來(lái)研究對(duì)主要農(nóng)作物生產(chǎn)合理用水和防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1) 近60年，河北省冬小麥和棉花W均呈下降的趨勢(shì)變化，年均W分別為594.26 mm和457.89 mm，冬小麥在2012年出現(xiàn)一個(gè)突變點(diǎn)，而河北省棉花W無(wú)明顯的突變點(diǎn)，兩種作物均存在40 a左右的主周期和25 a左右的次周期。

(2) 空間上，河北省冬小麥、棉花的W空間分布不均，各個(gè)站點(diǎn)間W差距較大；全生育期內(nèi)棉花W最大值均出現(xiàn)在黃驊，為496.57 mm，遵化W最小，為366.66 mm，冬小麥W最大值出現(xiàn)在南宮，為661.59 mm，W最小值均出現(xiàn)在秦皇島，為462.03 mm；從不同生育期來(lái)看，冬小麥和棉花平均W均在快速發(fā)育期達(dá)到最大值。

(3) 時(shí)間上看，I整體均呈增減交替變化；兩種作物均存在40 a左右的主周期和25 a左右的次周期；空間分布上，冬小麥、棉花I各個(gè)站點(diǎn)空間差異較小，但冬小麥空間分布變化差異要大于棉花，基本上呈由中心向四周逐漸增大的分布特征。

(4) 整體來(lái)看，近60年兩種作物的W及I均呈下降變化趨勢(shì)，下降程度有所不同?？臻g上，冬小麥、棉花的W最大值分別出現(xiàn)在南宮和黃驊，所以應(yīng)當(dāng)在W較大的地區(qū)改善灌溉方式、提高灌溉用水效率，根據(jù)當(dāng)?shù)豔以及I的實(shí)際情況做到科學(xué)灌溉，保證作物正常生長(zhǎng)。近年來(lái)隨著地下水嚴(yán)重超采現(xiàn)象，國(guó)家相關(guān)部門(mén)和地方政府已經(jīng)采取相應(yīng)的調(diào)控措施，地下水超采已嚴(yán)重影響到作物生長(zhǎng)和水資源保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，故此如何在水資源得以保護(hù)的前提下，解決作物生長(zhǎng)灌溉用水問(wèn)題，提高糧食生產(chǎn)安全將是未來(lái)研究的主要方向。