1961—2020年中國小麥生長季干濕時空變化分析*

馬雪晴,和驊蕓,趙金媛,方 彤,張建珍,潘學標,2,潘志華,2,王 靖,2,胡 琦,2**

(1.中國農業大學資源與環境學院 北京 100193; 2.中國氣象局-中國農業大學農業應對氣候變化聯合實驗室 北京 100193)

IPCC 第六次評估報告(AR6)表明,氣候增暖正在加劇水循環和影響降雨特征,導致區域間降水及蒸散的強度與分布發生改變,給不同地區帶來多種不同的組合性變化[1]。大氣降水和下墊面蒸散的變化共同影響氣候干濕狀況,然而氣候變化對不同地區干濕氣候的影響和機制存在差異性[2-4],因此明確地域間作物生長季內氣候干濕狀況差異及其變化特征,對指導農業生產和維持生態環境穩定具有重要意義。

小麥(Triticum aestivum)是我國三大主糧作物之一,種植面積約占全國耕種地總面積的20%左右,種植區分布于全國29 個省、自治區、直轄市[5],包含干旱區、半干旱區、半濕潤區和濕潤區。水資源短缺一直是我國小麥主產區農業生產的主要限制因素,氣候變化使得全球干旱模態和干濕狀況發生了改變[6],必然對我國小麥安全生產產生重大影響。相關科學問題已引起國內外學者的廣泛關注并進行了諸多研究,采用的指標主要包括濕潤指數[7]、SPEI 指數

(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)[8]、水分虧缺量[9]等?？偨Y而言,華北[10-12]、西北[13-17]等干旱區、半干旱區由于溫度升高和降水減少的協同作用縮短了小麥的生育期,同時麥田蒸散加大,造成水分虧缺量增加、干旱加劇,最終導致小麥產量和種植面積減少、種植制度結構調整; 西南[18-20]、華東[21-23]等濕潤和半濕潤區水熱資源的季節性差異大,冬小麥生長季10月至翌年5月期間溫度升高,干物質積累減少; 同時降水減少導致水分脅迫,限制冬小麥產量潛力的進一步提升。

相對于以上小麥主產區,探究華南、新疆等地區氣候變化對小麥生長季氣候資源分配與利用特征的研究報道甚少,特別是針對氣候變化背景下全國尺度的小麥生長季內干濕狀況時空變化和差異對比分析的研究較為罕見,限制了中國小麥種植區實現整體高產高效協同發展。因此,本文基于全國29 個省、自治區和直轄市的524 個氣象站點,以有效降水量、作物需水量、水分盈缺量為指標系統分析了1961-2020年中國小麥種植區氣候干濕狀況的時空變化特征及變化趨勢,并利用SPEI 干旱指數評估了1961-1990年(P1)和1991-2020年(P2)兩個時段全國小麥種植區干旱頻率分布和變化,為優化小麥種植區、采取合理措施以應對氣候變化提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

根據全國冬小麥收獲面積分布圖(http://www.earthstat.org)和《中國小麥種植區劃研究》[24],將我國小麥種植區域劃分為10 個小麥主產區,即東北春麥區、蒙北春麥區、西北春麥區、北疆春麥區、北部冬麥區、華北冬麥區、西南冬麥區、長江中下游冬麥區、華南冬麥區和新疆冬麥區。選取研究區中具有1961-2020年完整時間序列逐日氣象資料的臺站,共計524 個,分布于29 個省、自治區和直轄市(港澳臺除外),如圖1 所示。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網的中國地面氣候資料日值數據集(http://data.cma.cn),數據集(包括降水、溫度、日照時數、相對濕度等)經過嚴格質量控制、檢查和R 語言編程進行訂正。作物生長季數據來源于中國氣象科學數據共享服務網的中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集(http://data.cma.cn)。

圖1 中國小麥種植區劃及524 個氣象站點分布(圖中斜杠區域為無數據區)Fig.1 Distribution of wheat planting regions and 524 meteorological stations in China (the areas with black slashes are no data areas)

1.2 研究方法

1.2.1 有效降水量

有效降水指自然降水中可被作物吸收利用的部分,一般將日降水量超過5 mm 的降水稱為有效降水[25],公式如下:

1.2.2 作物需水量

根據FAO-56 推薦的作物系數法,利用參考作物蒸散量(ET0,mm·d-1)和作物系數(KC)計算作物需水量(ETC,mm·d-1)[26],公式如下:

式中,ET0采用Penman-Monteith 方法[26]計算,公式如下:

式中,Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率,kPa·℃-1;Rn為地表凈輻射,MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量,MJ·m-2·d-1;T為日平均氣溫,℃;U2為2 m 高處風速,m·s-1;es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓,kPa;γ為干濕表常數,kPa·℃-1。

FAO-56 推薦的小麥生長初期、快速生長期和成熟期作物系數分別為0.42、1.15、0.50,結合小麥各生育期起止時段(表1),根據中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集(http://data.cma.cn),采用線性插值方法確定各種植區小麥逐日KC值。

1.2.3 水分盈缺量

參照史建國等[9]的方法,以有效降水量(P)和作物需水量(ETC)的差值表示水分盈缺量(D),計算公式如下:

D為正值時,即有效降水量大于作物蒸散量,水分盈余; 反之,水分虧缺。

1.2.4 標準化降水蒸散指數(SPEI)

水分盈缺量可以表征小麥種植區水分盈余或虧缺狀況,從而為合理配置灌溉計劃提供建議,但無法直接反映作物遭受干旱影響的程度,因此進一步利用標準化降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)[8]評估小麥生長季內干旱狀況。SPEI 綜合考慮降水和需水,且能基于多時間尺度合理地評估干旱,在區域和季節上均有較好的適用性[27]。但傳統SPEI 指數屬于氣象干旱指數,直接用于評估農業干旱可能會產生偏差,本文采用小麥生長季內有效降水量和作物需水量替代降水量和作物蒸散量,更能反映小麥農田水分供需的情況。馬雪晴等[28]利用該方法評估的華北平原冬小麥旱情結果與實際災情資料對比驗證表明,其準確率在76.0%以上。SPEI 指數計算過程如下:

首先,建立不同時間尺度氣候學意義上的水分盈缺累積序列:

式中:i為月份,k為時間尺度(月),n為計算次數。當累計概率Q≤0.5 時,采用三參數的Log-logistic 概率分布F(x)對序列進行擬合,并對序列進行標準正態分布轉化,計算每個對應的SPEI 值:

式中:Q為超過待定D值的累積概率,c0=2.515 517,c1=0.802 853,c2=0.010 328,d1=1.432 788,d2=0.189 269,d3=0.001 308。當Q＞0.5 時,SPEI 取相反數。

SPEI 指數干旱等級根據《中華人民共和國國家標準氣象干旱等級》(GB/T 20481-2017)劃分為無旱(SPEI＞-0.5)、輕度干旱(-1＜SPEI≤-0.5)、中度干旱(-1.5＜SPEI≤-1)、重度干旱(SPEI＜-1.5)。

SPEI 干旱指數的時間尺度為1 個月、3 個月、6 個月、12 個月,共4 種時間尺度,本文采用選取可以涵蓋小麥生長季的6 個月時間尺度的SPEI 值(SPEI-6),用以表征小麥生長季內的干旱情況。根據中國農作物生長發育數據集,將不同分區的小麥生長季起止時段精確到上下旬更加科學、準確。例如,蒙北春麥區小麥生長季為4月上旬-8月上旬,共5個月,其生長季不包括完整的8月份,且干旱是一個累積的過程,因此采用2-7月(6 個月時間尺度)的SPEI 值表征生長季干旱情況,即選取“7月的SPEI-6 值”,各種植區選取的SPEI 值如表1 所示。

表1 中國不同小麥種植區生長季及選取的SPEI 指數Table 1 Growing periods and standardized precipitation evapotranspiration indexes (SPEI) in different wheat planting regions of China

1.2.5 干旱頻率

利用干旱頻率評價研究區某站點在研究時間段內干旱頻發的程度,公式如下:

式中:S表示干旱頻率(%),m為該站點研究時段內不同等級干旱發生的次數,M為研究時段總年數。

1.2.6 氣候傾向率計算

傾向率表征某一特征量在某段時間內的變化趨勢。用Y表示樣本量為x的某一氣候要素,用t表示對應的年序,擬合得到一元線性回歸方程:

式中:a0為回歸系數,本文采用最小二乘法估算,以a0的10 倍(即10a0)代表氣象要素的氣候傾向率。采用t檢驗法對擬合的回歸方程進行顯著性檢驗(P＜0.05)。

1.2.7 數據處理

本文中的數據處理,包括ETc、氣候傾向率、SPEI 指數等計算均利用Matlab 2014 軟件、R 語言實現; 氣候要素的空間分布圖利用ArcGIS 10.2 軟件反距離權重插值法(Inverse distance weighted interpolation,IDW)制作; 箱式圖采用Origin 2021 軟件制作。

2 結果與分析

2.1 小麥生長季有效降水量、作物需水量及水分盈缺量空間分布特征

1961-2020年研究區小麥生長季有效降水量為2～1320 mm (圖2a),作物需水量為156～832 mm (圖2b),水分盈缺量為-828～1081 mm (圖2c); 三者均呈東南-西北帶狀分布,有效降水量由西北向東南逐漸增加,作物需水量表現出相反的趨勢,水分盈缺量以秦嶺-淮河為分界線,分界線以北表現為水分虧缺,以南表現為水分盈余。

圖2 1961-2020年小麥全生長季有效降水量(a)、作物需水量(b)和水分盈缺量(c)空間分布Fig.2 Distribution of effective precipitation (a),crop potential evapotranspiration (b) and water surplus and deficiency (c) during the wheat growing season in China from 1961 to 2020

中國小麥種植區以大興安嶺-陰山北麓為界線,分界線以北的蒙北、西北、北疆春麥區以及新疆冬麥區生長季內平均有效降水量不足200 mm,但這些地區作物需水量最高,為400～900 mm,導致水分虧缺嚴重,虧缺量為200～900 mm,虧缺量由東向西逐漸增大,新疆地區平均水分虧缺量最大,為500 mm 以上,且受緯度、地形的影響,北疆水分虧缺量大于南疆。大興安嶺以南、秦嶺淮河以北的北部、華北冬麥區生長季內平均有效降水量為200～400 mm,作物需水量在400 mm 左右,水分盈缺量大約為0 mm,即有效降水量與作物需水量達到平衡; 其中,黃土高原地區作物需水量較少,水分略有盈余。秦嶺淮河以南的西南冬麥區西部、長江中下游冬麥區北部生長季內平均有效降水量為400～600 mm,作物需水量小于400 mm,水分盈余量為0～400 mm。長江中下游南部以及華南冬麥區為有效降水高值區,降水量均高于800 mm; 其中,華南沿海地區有效降水充沛,部分地區大于2600 mm,作物需水量則低于200 mm,平均水分盈余量均高于600 mm,廣東清遠、陽江等地水分盈余量大于1000 mm; 四川盆地、云貴高原地區由于地形和緯度的影響,有效降水量較低,水分盈余量小于600 mm。

總體而言,1961-2020年長江中下游、西南、華南冬麥區生長季內平均有效降水量大于作物需水量(圖3),水分盈余量約為300～600 mm,生長季內不需要灌水,其中華南冬麥區水分盈余量最大,為606 mm;四大春麥區以及新疆、北部、華北冬麥區生長季內平均有效降水量小于作物需水量,水分虧缺量為6～500 mm,生長季內需要灌水。

圖3 1961—2020年不同小麥種植區小麥全生長季水分盈缺量的盒須圖Fig.3 Mean values of the water surplus and deficiency during the wheat growing season in different wheat planting regions of China from 1961 to 2020

2.2 小麥生長季有效降水量、作物需水量及水分盈缺量變化趨勢

1961-2020年不同小麥種植區小麥生長季內有效降水量氣候傾向率平均值為3.0 mm·(10a)-1,大多數站點多年變化趨勢并不顯著,僅有6.3% (n=33)的站點通過了0.05 水平的顯著性檢驗,表明降水的年際間變異差異較大(圖4a)。作物需水量變化趨勢南北方差異較大,北方41.8%的站點(n=126)呈顯著減少的趨勢[-1.5 mm·(10a)-1]; 南方主要呈顯著增加的趨勢[0.7 mm·(10a)-1],20.4%的站點(n=46)通過了P＜0.05 水平的顯著性檢驗(圖4b)。

有效降水量和作物需水量的共同作用導致了水分盈缺量的變化,1961-2020年研究區小麥生長季水分盈缺量多年變化趨勢總體表現為水分盈余,平均盈余量氣候傾向率為3.6 mm·(10a)-1,有10.1% (n=53)的站點氣候傾向率通過了P＜0.05 水平的顯著性檢驗(圖4c)。從空間分布來看,大興安嶺-陰山北麓以北的四大春麥區北部、新疆冬麥區,以及秦嶺-淮河以南的長江中下游冬麥區北部、西南冬麥區北部、華南冬麥區中部均呈濕化趨勢。但各地區的機制略有不同: 長江中下游冬麥區北部有效降水量和作物需水量均呈增加趨勢,但有效降水量增加的幅度大于作物需水量增加的幅度,最終表現為水分盈余,長江中下游冬麥區平均盈余量氣候傾向率為9.0 mm·(10a)-1; 其他地區有效降水量增加的同時作物需水量減少,其中東北春麥區中部,西南、華南冬麥區北部水分盈余量氣候傾向率大于20.0 mm·(10a)-1。同時,大興安嶺-陰山北麓以南、秦嶺-淮河以北的東北春麥區南部、華北、北部冬麥區,以及西南、長江冬麥區南部則表現為有效降水量減少的同時作物需水量增加,二者的共同作用導致干化。

圖4 1961—2020年小麥全生長季有效降水量、作物需水量、水分盈缺量的氣候傾向率Fig.4 Climatic tendency rates of effective precipitation,crop potential evapotranspiration and water surplus and deficiency during the wheat growing season in China from 1961 to 2020

2.3 不同年代際干旱空間分布及特征變化

如圖5 所示,近60 a 研究區小麥生長季的輕旱發生頻率空間分布表現為三大春麥區(東北、蒙北、西北)及華北、長江中下游冬麥區發生頻率較高,其余地區以及北疆春麥區發生頻率較低; 中旱和重旱則為大致相反的空間分布。

圖5 1961—2020年小麥生長季干旱頻率空間分布Fig.5 Distribution of drought frequency during the wheat growing season from 1961 to 2020

輕旱發生頻率西南冬麥區、北疆春麥區較低,范圍為20.0%～30.0%; 東北春麥區、西北春麥區、華南冬麥區約為30.0%～35.0%; 華北、長江中下游冬麥區中部為高值區,輕旱發生頻率大于45.0%。中旱發生頻率在四大春麥區的北部以及長江中下游冬麥區中部地區低于10.0%,而西南冬麥區北部盆地、西北春麥區北部黃土高原地區發生頻率高達15.0%。重旱發生頻率在新疆春麥區、華北冬麥區高達10.0%,在東北春麥區的北部、長江中下游冬麥區發生頻率則低于5.0%。

進一步分析近60年小麥生長季干旱空間分布,并基于P1 (1961-1990年)、P2 (1991-2020年)兩個時段的輕旱、中旱、重旱發生頻率,分析不同年代際的干旱發生特征(圖6)。干旱發生頻率為35.2%～59.6%,空間分布以騰沖-漠河為分界線,分界線附近、分界線以北的春麥區,以及分界線以南的長江中下游冬麥區北部干旱發生頻率較高; 其他地區干旱發生頻率較低。干旱和輕旱發生頻率表現為大致相似的空間分布,由此表明輕旱發生頻率對干旱發生頻率的貢獻較大。干旱發生頻率在東北春麥區北部、華北冬麥區中部、新疆冬麥區等高值區高于50.0%,北部冬麥區、西北春麥區南部、華南春麥區南部為低值區,發生頻率低于30.0%。

圖6 1961—2020年不同時段(1961—1990年,P1; 1991—2020年,P2)不同小麥種植區的小麥全生長季干旱頻率空間分布Fig.6 Distribution of drought frequency during the wheat growing season in different wheat planting regions in different periods(P1: 1961 to 1990; P2: 1991 to 2020)

就年代際尺度而言,干旱發生頻率總體呈降低的趨勢。較P1 時段,P2 時段的干旱發生頻率在北疆春麥區、東北春麥區、蒙北春麥區、新疆冬麥區降低15.0%左右; 其他麥區平均升高5.3%,波動范圍較小。同時,較P1 時段,東北、蒙北、北疆春麥區和新疆冬麥區的輕中重旱發生頻率均在P2 時段表現為降低,降低范圍為1.6%～9.5%,其中北疆春麥區的平均降低幅度最大(5.0%); 華北、華南冬麥區輕旱和中旱發生頻率增高,重旱發生頻率降低,波動范圍均小于2.0%; 西北春麥區、北部冬麥區、西南冬麥區、長江中下游冬麥區均表現為輕旱發生頻率降低,中旱和重旱發生頻率升高,其中重旱波動較大,西北春麥區的重旱發生頻率在P2 時段提高7 個百分點,有效降水量遠遠低于小麥生長所需水分,因而干旱災害尤為突出。

3 討論

IPCC 第六次報告指出,氣候持續變暖將進一步加劇全球水循環,包括更強的降雨和洪水,在許多地區則意味著將會發生更嚴重的干旱[1]。近60年全國小麥種植區生長季內有效降水量和作物需水量處于不均勻的變化中,區域間差異較大。本文以有效降水量、作物需水量和水分盈缺量(有效降水量與作物需水量的差值)為干濕狀況指標,研究結果與劉鈺等[29]學者的發現一致: 降水量南高北低,而作物需水量南低北高,造成水分盈缺量由北向南表現為虧缺量降低而盈余量增多,三者均表現為東南-西北帶狀分布的空間特征。

就年代際尺度而言,有效降水量在P1 時段變化趨勢不明顯,但P2 時段呈增加態勢; 作物需水量的年際變化相對較小,呈波動下降后上升的趨勢,生長季平均氣候傾向率在P1、P2 時段分別為-7.6 mm·(10a)-1、5.7 mm·(10a)-1(表2)。趙俊芳等[3]基于情景數據研究表明,未來(2011-2050年)全國各地區降水量、作物需水量均呈增加趨勢,但是區域間差異都很顯著,與本文的研究結果相似。目前,普遍的觀點認為,黃河以南的黃土高原、四川盆地、云貴高原等地形特殊地區降水的增加速率小于參考作物蒸散的增加速率,氣候呈顯著變干的趨勢,本文的研究結果也驗證了這一觀點。

表2 1961—2020年不同時段小麥全生長季的有效降水量、作物需水量、水分盈缺量的氣候傾向率Table 2 Climatic tendency rates of precipitation,crop potential evapotranspiration and water surplus and deficiency during the wheat growing season in China in different periods from 1961 to 2020

有效降水量與作物需水量空間分布的不匹配最終導致水分盈缺,進一步明確影響水分盈缺量的驅動因素,小麥種植區在P1 時段大多表現為氣候濕化,這是由于有效降水量增高的同時作物需水量降低,兩者共同作用導致水分盈余量增加,這與有關學者[9]對水分盈缺量年代際的時空分布規律研究結果較為一致。其他麥區,比如華北、北部冬麥區則由于降水量升高的幅度與作物需水量升高幅度大致相同,導致水分盈缺變化不大。較P1 時段,P2 時段干旱程度呈略微減小的趨勢,主要為中旱和重旱發生頻率減小,這與胡琦等[4]的研究結果相似。

值得一提的是,前人研究表明我國南方大部分地區和新疆的西北部氣候變濕,西北和西南大部分地區氣候變干[3-5,29-31],然而本文研究發現近30年東北春麥區、西北春麥區、新疆冬麥區和華南冬麥區小麥生長季有效降水量和作物需水量均明顯增加,且作物需水量增加趨勢更大,導致氣候呈干化趨勢,這也表明作物生長季尺度的干濕變化與年尺度的變化并不總是一致的。

本研究僅考慮了自然狀況下小麥生長季的干濕變化和水分盈虧狀況,未考慮實際生產中的灌溉量與灌溉措施對生長季內氣候干濕狀況的影響,且由于缺乏高時空分辨率的土壤濕度數據,文中并未采用土壤含水量對計算的作物需水量進行訂正,導致理論值與實際耗水量存在一定的誤差。此外,關于氣候變化背景下極端天氣事件如暴雨、洪澇等對小麥種植區的影響也需要進一步深入分析?？傊?本文從全國尺度上開展氣候變化背景下小麥種植區生長季氣候干濕狀況時空變化的研究,對于合理配置小麥種植區生長季內用水,減緩農業水分供需矛盾,從而優化小麥種植區布局,保障糧食安全具有十分重要的意義。

4 結論

1)中國小麥種植區域小麥生長季有效降水量范圍為2～1320 mm,作物需水量為156～832 mm,水分盈缺量為-828～1081 mm,東南-西北帶狀分布特征明顯,且四川盆地、云貴高原的缺水量明顯大于周邊地區,而黃土高原等植被條件較差的地區作物需水量較低。華南、長江中下游和西南冬麥區水分盈余量為500 mm 左右,即生長季內不需要灌水; 其他麥區均表現為水分虧缺,新疆冬麥區(443.8 mm)和北疆春麥區(495.6 mm)為缺水量高值區。

2)中國小麥種植區干旱以及輕中重旱發生頻率分別為35.2%～59.6%、18.7%～46.0%、0～21.5%、1.7%～11.6%。干旱空間分布表現為騰沖-漠河分界線附近、四大春麥區、長江冬麥區發生頻率較高,其他地區發生頻率較低。此外,干旱、輕旱的發生頻率空間分布大致相似,與中旱、重旱的空間分布相反,由此表明輕旱發生頻率對干旱發生頻率的貢獻較大。

3)近60年中國小麥種植區有效降水量以3.0 mm·(10a)–1的速度增加,作物需水量略有降低,水分盈余量的增加速度為3.6 mm·(10a)–1,小麥種植區整體氣候濕化趨勢明顯。其中,華北、北部冬麥區水分虧缺量以3.5 mm·(10a)–1的趨勢增加,表現為氣候干化。大多數麥區均呈氣候濕化趨勢,但形成機制存在差異,東北、蒙北、北疆春麥區以及新疆冬麥區有效降水量增加的同時作物需水量減少; 長江中下游冬麥區有效降水量增幅大于作物需水量增幅,最終表現為水分盈余。其他麥區有效降水量和作物需水量同時增加(或同時減少),水分盈缺量與干旱程度變化均不明顯。

4)就年代際尺度而言,有效降水量呈略微增加的趨勢,作物需水量為P1 時段(1961-1990年)減少、P2 時段(1991-2020年)增加; 水分盈缺量波動范圍較小,P1、P2 時段分別表現為盈余量和虧缺量增加,表明P1 時段有效降水量對水分盈余量的貢獻較大,P2 時段作物需水量對水分虧缺量貢獻較大。較P1時段,P2 時段的東北、蒙北、北疆春麥區以及新疆冬麥區干旱發生頻率均降低5.0%左右; 北部、長江中下游冬麥區及西北春麥區輕旱發生頻率降低,中旱和重旱發生頻率增高,其中,西北春麥區重旱發生頻率升高7 個百分點,干旱程度嚴重。