路 中，雷國(guó)平，張露洋

(東北大學(xué)土地管理研究所，遼寧沈陽(yáng) 110169)

松嫩平原處于全球環(huán)境變化速率最大的東亞季風(fēng)區(qū)，既是氣候變化敏感區(qū)［1］，又是氣候變暖的強(qiáng)增溫區(qū)域［2-3］。干旱與半干旱是該地區(qū)的顯著特點(diǎn)，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(shì)，春旱與春夏連旱的頻率和強(qiáng)度增加，這直接影響了區(qū)域內(nèi)的糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展［7］。因此，在全球氣候變暖、干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度逐漸加劇的大背景下，厘清該地區(qū)作物生長(zhǎng)周期內(nèi)水分盈虧的演變規(guī)律，對(duì)于該地區(qū)的糧食生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前關(guān)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(lèi):一類(lèi)是運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(cè) 指 數(shù)(RDI)［14-15］等;另一類(lèi)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(shí)際蒸散量，并根據(jù)作物需水量計(jì)算水分盈虧量和水分盈虧率，進(jìn)而對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的水分盈虧情況進(jìn)行研究。總體來(lái)講，第1類(lèi)方法可以有效估算長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)周期內(nèi)不同時(shí)間段的水分盈虧情況，但該方法僅依據(jù)氣候條件進(jìn)行區(qū)域水分盈虧情況的研究，未考慮土地資源對(duì)于水資源的需求情況，因此評(píng)價(jià)結(jié)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(guān)系，但學(xué)者多以年為時(shí)間尺度計(jì)算年平均實(shí)際蒸散量，這樣可以有效排除土壤含水量變化帶來(lái)的影響，但對(duì)于生長(zhǎng)周期內(nèi)實(shí)際蒸散量的求解成為難點(diǎn)。

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(zhǎng)時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域農(nóng)田水量平衡模型求解月尺度上的實(shí)際蒸散量，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建水分盈虧模型，進(jìn)行月尺度上的松嫩平原水土資源平衡效應(yīng)研究，定量研究松嫩平原作物生長(zhǎng)周期內(nèi)不同月份水分盈虧態(tài)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)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(tái)地，北部和東部以小興安嶺和長(zhǎng)白山外圍的山麓、丘陵臺(tái)地為界，南部為以松遼分水嶺為主的隆起帶，是中國(guó)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(gè)縣(市、區(qū))，總面積為21.6萬(wàn)km2。該區(qū)域主要地貌類(lèi)型為低山丘陵、沖積平原、臺(tái)地和洼地，氣候類(lèi)型為溫帶大陸性半濕潤(rùn)、半干旱季風(fēng)氣候，全年平均氣溫呈自北向南逐漸增高趨勢(shì)，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(zāi)害。松嫩平原地勢(shì)平緩，土質(zhì)肥沃，黑土和黑鈣土占60%以上，其他土壤類(lèi)型包括草甸土、暗棕壤、沼澤土、鹽土、堿土、風(fēng)砂土、栗鈣土和水稻土等。松嫩平原是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)地區(qū)之一，耕地面積為13.55萬(wàn)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(jì)作物以大豆、甜菜、亞麻為主。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用數(shù)據(jù)包括:2000和2010年2個(gè)基準(zhǔn)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(gè)站點(diǎn)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(duì)濕度、降雨天數(shù)、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等;國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http:∥www.geodata.cn)提供的中國(guó)1∶400萬(wàn)土壤類(lèi)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(fēng)速、蒸散發(fā)、降水、降雪和土壤濕度等數(shù)據(jù)，時(shí)間為1961—2016年4—10月;基于監(jiān)督分類(lèi)和目視解譯相結(jié)合的方式進(jìn)行松嫩平原不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的耕地信息提取，得到30 m分辨率的耕地利用分布圖，時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(jìn)行正常生長(zhǎng)發(fā)育且能達(dá)到高產(chǎn)潛力值時(shí)所需要的水量，是耕地水分盈虧計(jì)算過(guò)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(jì)算，具體公式為

式(1)中，TE，t為作物生長(zhǎng)期內(nèi)t月的需水量，mm;Kt為作物生長(zhǎng)期內(nèi)t月的作物系數(shù);TE0，t為作物生長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(shí)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(duì)于潛在蒸散量，采用目前應(yīng)用比較廣泛的Penman-Monteith模型［22］進(jìn)行計(jì)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(jì)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(fēng)速，m·s-1;es為飽和水汽壓，kPa;ea為實(shí)際水汽壓，kPa;T為平均氣溫，℃。

2.2.2 作物實(shí)際蒸散量估算

作物實(shí)際蒸散量指在實(shí)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(shí)際蒸散量，具體公式為

式(3)中，Pt為t月時(shí)的降雨量，mm;TES，t為作物生長(zhǎng)周期內(nèi)t月的實(shí)際蒸散量，mm;Qt為t月時(shí)的徑流量，mm;Sd，t和Su，t分別為t月時(shí)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(shí)的土壤含水量，mm;ε為誤差項(xiàng)，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(jì)入誤差項(xiàng)，計(jì)算中忽略不計(jì)。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(yùn)用SCS-CN模型計(jì)算地表徑流量［23］，為了有效排除融雪徑流對(duì)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?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(shí)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(jì)算公式為

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

對(duì)于土壤干旱情況，依據(jù)次降雨前5 d的降雨量進(jìn)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(rùn)條件;其余處于中等濕潤(rùn)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(zhǎng)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(rèn)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(shí)際蒸散量構(gòu)建水分盈虧模型，以此來(lái)計(jì)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(zhǎng)周期內(nèi)t月時(shí)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(yán)重程度，構(gòu)建水分盈虧指數(shù)來(lái)表征研究區(qū)域內(nèi)不同月份作物的水分盈虧等級(jí)，進(jìn)一步分析松嫩平原月尺度上水土資源平衡效應(yīng)。具體公式為

式(10)中，WD，t為作物在t月時(shí)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(yán)重缺水(＞0.60)5個(gè)等級(jí)。

2.2.5 趨勢(shì)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(shí)間序列數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，其公式為

式(11)中，Ts為1961—2016年各時(shí)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(shì)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(shí)間序列數(shù)據(jù)值。Ts＞0表明時(shí)間序列數(shù)據(jù)總體呈增加趨勢(shì)，反之為減少趨勢(shì)。

2.2.6 小波變換原理

Morlet小波分析是指利用固定窗口來(lái)揭示事件發(fā)生的時(shí)間和頻率，它能夠有效揭示時(shí)頻發(fā)生的細(xì)節(jié)信息，適合分析非穩(wěn)定信息［29-30］。對(duì)于給定小波函數(shù)ψ(t)，水分虧缺指數(shù)時(shí)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(shí)部系數(shù);a為尺度因子，表示頻域特征;b為時(shí)間因子，表示時(shí)域特征;t為復(fù)共軛函數(shù)。實(shí)際水分虧缺指數(shù)時(shí)間序列是離散的，因此利用離散小波變換對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到不同時(shí)間尺度的小波系數(shù)。這些小波系數(shù)是時(shí)間序列數(shù)據(jù)在不同時(shí)間和空間位置上的投影，能用來(lái)描述水分虧缺指數(shù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化特性。

3 結(jié)果與分析

3.1 潛在蒸散量的時(shí)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(shí)際情況，計(jì)算1961—2016年作物生長(zhǎng)周期(5—9月)內(nèi)各氣象站點(diǎn)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(shì)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

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

由圖1可見(jiàn)，1961—2016年松嫩平原作物生長(zhǎng)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(fēng)坡，降雨、氣溫、風(fēng)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(zhǎng)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(shì)。5—9月潛在蒸散量分別占生長(zhǎng)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(zhǎng)春市南部和四平市西北部均出現(xiàn)比較明顯的上升趨勢(shì)，平均增長(zhǎng)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(shì)，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(shì)Fig.2 The variation trend of potential evapotranspiration in each month of growing period

整體來(lái)看，研究區(qū)域潛在蒸散量的整體變化趨勢(shì)為-0.509 mm·a-1，空間分布表現(xiàn)為由中部向南北逐漸增強(qiáng)。5月潛在蒸散量整體呈下降趨勢(shì)，變化幅度為-0.257 mm·a-1，除黑河市少部分地區(qū)、長(zhǎng)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?jī)A斜率與總平均潛在蒸散量?jī)A斜率的空間變化相似，其正負(fù)高傾斜率中心均與總平均潛在蒸散量正負(fù)高傾斜率的分布相同，但6月潛在蒸散量的下降趨勢(shì)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(shì)，中部和中東部地區(qū)下降趨勢(shì)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(shì)，上升幅度為0.150 mm·a-1，研究區(qū)域整體變化趨勢(shì)為-0.090 mm·a-1。8和9月潛在蒸散量變化趨勢(shì)的空間分布情況較為相似，中部和中東部呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其余表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，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(shí)空分布特征

經(jīng)過(guò)實(shí)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(zhǎng)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(jī)選取松嫩平原500個(gè)樣本點(diǎn)，提取解譯的1980、1995、2005以及2015年耕地利用分類(lèi)結(jié)果信息，結(jié)合Google Earth軟件將分類(lèi)結(jié)果與GlobeLand30提供的耕地信息進(jìn)行對(duì)比，建立混淆矩陣進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。結(jié)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(duì)不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的耕地利用類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)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(lái)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(shì)表現(xiàn)為先增加后減少，主要是因?yàn)?005—2015年間松嫩平原大量旱地開(kāi)發(fā)為水田所致。

表2 1980—2015年松嫩平原耕地利用類(lèi)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(lèi)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(zhǎng)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(shì)來(lái)看，旱地和水田面積均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且水田變化趨勢(shì)大于旱地。

圖3 1980—2015年松嫩平原耕地利用類(lèi)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(yīng)的空間分布特點(diǎn)

依據(jù)水分盈虧模型計(jì)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(jì)算年份最近的耕地利用分布數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不同干旱等級(jí)水分盈虧指數(shù)的空間分布見(jiàn)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(yán)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(kuò)散，但嚴(yán)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(jié)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(jí)的區(qū)域面積占比表現(xiàn)為減少—增加—減少的趨勢(shì)，而中度缺水區(qū)域面積占比的變化趨勢(shì)剛好相反。這與研究區(qū)域內(nèi)的降雨量變化趨勢(shì)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(fēng)影響，松嫩平原的旱情加劇。重度缺水和嚴(yán)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?yàn)殡S著雨季的到來(lái)，土壤含水量逐漸增加所致。總體來(lái)說(shuō)，生長(zhǎng)周期內(nèi)容易出現(xiàn)旱情的時(shí)間主要為5—6月。

表3 5—9月松嫩平原不同水分虧缺等級(jí)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(tái)構(gòu)建5 km×5 km的網(wǎng)格，提取近55 a生長(zhǎng)周期內(nèi)的干旱發(fā)生頻率。用反距離加權(quán)插值法對(duì)干旱頻率進(jìn)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%。可見(jiàn)松嫩平原西部易發(fā)生伏旱和秋旱，這與李取生等［26］的研究結(jié)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(shì)及周期變化特征

計(jì)算不同時(shí)期松嫩平原的平均水分盈虧指數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析得到水分盈虧指數(shù)的年際變化趨勢(shì)(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(shì)，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(shì)，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(lái)看，不同月份的水分盈虧指數(shù)表現(xiàn)為波動(dòng)變化狀態(tài)。5月水分盈虧指數(shù)呈周期性波動(dòng)，其峰值出現(xiàn)在1963、1980和2001年，從5 a滑動(dòng)平均來(lái)看，水分盈虧指數(shù)波動(dòng)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(qiáng)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(dòng)平均來(lái)看，干旱發(fā)生頻率變化趨勢(shì)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(dòng)平均來(lái)看，7月水分盈虧指數(shù)波動(dòng)幅度增大，說(shuō)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(shì)，峰值出現(xiàn)在1980和2009年，從5 a滑動(dòng)平均來(lái)看，水分盈虧指數(shù)平均值的波動(dòng)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(yán)重旱災(zāi)，2009年出現(xiàn)春旱，2008年7—9月頻發(fā)大雨、暴雨，造成嚴(yán)重的澇災(zāi)［27-28］。筆者的研究結(jié)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(zhǎng)周期內(nèi)水分盈虧情況的周期變化特征，結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(dòng)，其周期波動(dòng)的特征具有很強(qiáng)的連續(xù)性，小波系數(shù)符號(hào)表現(xiàn)為正—負(fù)—正—負(fù)等周期振蕩過(guò)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(guò)程;從15 a左右時(shí)間尺度來(lái)看，小波系數(shù)負(fù)等值線沒(méi)有全部閉合，反映在2016年以后一段時(shí)間內(nèi)，5、6和9月為水分盈虧的偏低時(shí)段，7—8月處于水分盈虧的偏高時(shí)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(shí)間尺度來(lái)看，區(qū)域內(nèi)各月份周期變化的結(jié)構(gòu)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(shí)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(fù)雜，正負(fù)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(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，糧食生產(chǎn)安全直接關(guān)系到區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(shí)間尺度，分析區(qū)域內(nèi)年水土資源平衡狀態(tài)，通常假設(shè)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(jìn)行周期循環(huán)，從而規(guī)避土壤含水量變化的影響，而實(shí)際上受年降水強(qiáng)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(duì)于水土平衡的影響，不僅可以更加準(zhǔn)確地分析區(qū)域內(nèi)水土資源平衡態(tài)勢(shì)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(yīng)。

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(yán)重，而7—9月水分虧缺情況較為嚴(yán)重。這與已有研究結(jié)論［31］相符。此外，從水分虧缺的時(shí)間變化特征來(lái)看，5—6月水分虧缺狀況呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，而8—9月水分虧缺狀況呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，該結(jié)論可為研究區(qū)域的引水灌溉計(jì)劃提供參考。

松嫩平原地處于濕潤(rùn)季風(fēng)氣候與大陸性干旱氣候的過(guò)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(duì)于區(qū)域水土資源平衡具有重要影響［33］。隨著建設(shè)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(qiáng)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(xì)化，從山水林田湖草系統(tǒng)整體角度出發(fā)，才能更為準(zhǔn)確地研究區(qū)域水土資源平衡效應(yīng)的變化，這也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

(1)1961—2016年松嫩平原生長(zhǎng)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(shì)表現(xiàn)為中部向南北逐漸增強(qiáng)，總體變化趨勢(shì)為-0.51 mm·a-1，5—9月的變化趨勢(shì)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(yán)重的月份為5—6月，中西部地區(qū)缺水程度比較嚴(yán)重;9月水分盈虧程度較為嚴(yán)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(lái)看，15 a時(shí)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(dòng)下降趨勢(shì)，但水分盈虧指數(shù)波動(dòng)幅度增大，表明旱情的發(fā)生強(qiáng)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(dòng)上升趨勢(shì)，但水分盈虧指數(shù)波動(dòng)幅度減弱，表明8—9月出現(xiàn)旱情的概率變大，旱情強(qiáng)度略微減弱。