莫昱晨， 鮑振鑫， 宋曉猛， 王國(guó)慶, 劉翠善， 田益民

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州221116； 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210029； 3.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心,江蘇 南京210029)

水資源是支撐人類(lèi)生存和生物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，是維持人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的最重要資源之一。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水的比例超過(guò)了70%，用水量過(guò)大且用水效率低[1]。黃淮海流域作為我國(guó)最大的糧食產(chǎn)區(qū)，水資源非常短缺，尤其是農(nóng)業(yè)用水，時(shí)常出現(xiàn)農(nóng)業(yè)供水不足的現(xiàn)象。隨著全球氣溫的升高，帶來(lái)的降水時(shí)空格局的變化直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和耗水過(guò)程，進(jìn)而影響作物需水量和缺水量[2]。掌握流域的主要農(nóng)作物需水量和缺水量的時(shí)空演變特征對(duì)流域灌溉計(jì)劃的制定、灌溉水量時(shí)空分布的掌握和水資源的配置能夠起到重要作用。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于作物需水量的計(jì)算和時(shí)空演變特征的研究已經(jīng)有了較多的成果。19世紀(jì)初期，英、美、日、俄等國(guó)家采用田測(cè)法與筒測(cè)法進(jìn)行作物需水量的對(duì)比觀測(cè)[3-5]。直到19世紀(jì)末期，各國(guó)逐步開(kāi)展了對(duì)作物蒸散量的試驗(yàn)[6]。1926年中山大學(xué)的丁穎教授在廣東省進(jìn)行了多點(diǎn)水稻蒸散發(fā)量試驗(yàn)，并于3年后發(fā)表了水稻蒸發(fā)蒸騰量與水面蒸發(fā)量之間比值關(guān)系的研究論文[7]。Monteith導(dǎo)出了Penman-Monteith(P-M)公式，通過(guò)引入表面阻力的概念[8-10]，為非飽和下墊面的蒸散發(fā)研究開(kāi)辟了一條新的途徑。張華等[11]采用Penman-Monteith公式和作物系數(shù)法計(jì)算了甘肅省小麥的需水量；黃會(huì)平等[12]采用作物系數(shù)法研究了黃淮海平原主要作物需水量演變趨勢(shì)；基于P-M公式，楊曉琳等[13]利用SIMETAW模型計(jì)算了研究區(qū)域7個(gè)亞區(qū)冬小麥生育期的需水量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)、遙控技術(shù)的快速發(fā)展，需水量計(jì)算方法得到了不同程度的改進(jìn)，如渦度相關(guān)法和儀器加工技術(shù)的發(fā)展，使作物需水量的計(jì)算精度有所提高[14]。目前，運(yùn)用最廣泛的作物需水量計(jì)算方法是Penman-Monteith公式法，該方法既考慮了空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，又考慮了作物的生理特征，具有較充分的理論依據(jù)和較高的計(jì)算精度[15]。相較于Penman-Monteith公式法，筒測(cè)法測(cè)量面積小，邊界影響大，測(cè)得作物蒸散量數(shù)值偏大，現(xiàn)應(yīng)用范圍不廣。田測(cè)法試驗(yàn)區(qū)域大，代表性好，但不能消除側(cè)向土壤水分交換對(duì)結(jié)果的影響[16]。遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，但會(huì)受到觀測(cè)角度及氣象要素等因素的影響，使其數(shù)據(jù)的精確度降低。

作物需水量時(shí)空分布規(guī)律的研究方法主要有：空間插值法、主成分分析法、回歸分析法和地理加權(quán)回歸法等[17]。基于這些方法，LOBELL D B等[18]分析了氣候變化影響下全球作物產(chǎn)量的時(shí)空分布特征；KüHLING I等[19]以西伯利亞西部谷物帶的7個(gè)省份和中部22個(gè)區(qū)為研究區(qū)域，分別提出了在草地和農(nóng)田兩種時(shí)空尺度下衡量區(qū)域作物種植強(qiáng)度的兩種指數(shù)；IMBACH P等[20]結(jié)合歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)以及行政邊界，以地理空間的形式提供了一套亞馬遜地區(qū)時(shí)空范圍內(nèi)以農(nóng)作物和草場(chǎng)為分組類(lèi)型的農(nóng)業(yè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集；2006年，YOU L等[21]開(kāi)發(fā)出了模擬農(nóng)作物種植分布狀況的作物空間分配模型(Spatial Production Allocation Model,SPAM)；針對(duì)中國(guó)作物的空間分布特點(diǎn)，LIU Z等[22]將SPAM加以改進(jìn)得到SPAM-China，精確呈現(xiàn)了我國(guó)主要作物種植區(qū)域及產(chǎn)量的時(shí)空演變過(guò)程。

目前，國(guó)內(nèi)在作物需水與缺水的研究中，大部分研究區(qū)域較小，多以省或者市為例，且研究作物較為單一。為此，本文基于黃淮海流域186個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2017年的降水?dāng)?shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，選擇春小麥、冬小麥和夏玉米3種農(nóng)作物，研究區(qū)域大且選擇作物種類(lèi)較齊全，分析黃淮海流域作物全生育期的需水量、缺水量、降水量、有效降水量的年際演變趨勢(shì)，分析黃淮海流域作物全生育期需水量和缺水量的空間分布特征，分析作物需水量、缺水量的影響因素，為黃淮海流域農(nóng)作物生產(chǎn)中的水資源高效、合理分配和作物灌溉方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黃淮海流域是我國(guó)的一級(jí)流域(黃河、淮河和海河流域的統(tǒng)稱(chēng))，如圖1所示。黃淮海流域位于東經(jīng)95°53′～123°00′，北緯30°10′～43°00′；流域總面積139萬(wàn)km2，占中國(guó)面積的14.4%；人口總數(shù)占全國(guó)總?cè)丝诘?9.3%，流域生產(chǎn)總值(GDP)占全國(guó)GDP的42.75%。

圖1 研究區(qū)概況及氣象站點(diǎn)分布

黃淮海流域主要種植農(nóng)作物為春小麥、冬小麥和夏玉米，糧食總產(chǎn)量占全國(guó)流域糧食總產(chǎn)量的63.37%。黃淮海流域的降水區(qū)域分布不均，年際、年內(nèi)變化大，經(jīng)常出現(xiàn)連豐、連枯現(xiàn)象；其人均用水量、萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值用水量以及農(nóng)田實(shí)際灌溉單位用水量均低于全國(guó)平均水平，農(nóng)田灌溉用水量占用水總量的60%～70%[23]，對(duì)水量的需求很大，但水資源量稀缺，不足以滿(mǎn)足水量的需求。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)黃淮海流域186個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2017年的日降水、日輻射、日相對(duì)濕度、日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度、日平均風(fēng)速數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)的黃淮海流域邊界數(shù)據(jù)、地級(jí)市數(shù)據(jù)、三級(jí)流域邊界數(shù)據(jù)。主要農(nóng)作物種植面積來(lái)自各個(gè)地級(jí)市的1961—2018年的統(tǒng)計(jì)年鑒。黃淮海流域的水資源(徑流)數(shù)據(jù)來(lái)自全國(guó)第二次水資源評(píng)價(jià)的三級(jí)流域統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，地級(jí)市數(shù)據(jù)由該地級(jí)市所占三級(jí)流域面積加權(quán)平均得到。

2 研究方法

2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量

參考作物蒸發(fā)蒸騰量(reference crop evapotranspiration)是指供水充分條件下滿(mǎn)足參考作物的潛在蒸發(fā)蒸騰量。逐日參考作物蒸發(fā)蒸騰量采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)1998年修正的標(biāo)準(zhǔn)Penman-Monteith方法計(jì)算[24]，影響因素有逐日氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速等。具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，G=0.32 MJ/(m2·d)；γ為溫度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；U2為地面高度2.0 m處風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓溫度關(guān)系曲線的斜率，kPa/℃。

2.2 作物需水量

作物系數(shù)(Kc)是指作物的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量(ETc)與實(shí)測(cè)的或估算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)的比值，它反映不同作物與參照作物的區(qū)別，是根據(jù)參考作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算實(shí)際作物需水量的重要參數(shù)。作物系數(shù)(Kc)是農(nóng)作物自身生物學(xué)特性的反映，且與作物的種類(lèi)、品種、生育期及群體葉面積指數(shù)等因素密切相關(guān)[17]。公式如下：

ETc=ET0·Kc。

(2)

式中：ETc為作物實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Kc為作物各個(gè)生長(zhǎng)階段的作物系數(shù)。

FAO推薦在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(無(wú)水分脅迫)確定作物系數(shù)比較簡(jiǎn)單實(shí)用的方法為分段單值平均作物系數(shù)法，主要用于灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和灌溉管理[17]。

分段單值平均作物系數(shù)法是把作物全生育期分為4個(gè)階段，作物系數(shù)分為3個(gè)值進(jìn)行計(jì)算。4個(gè)階段為：初始生長(zhǎng)期為Kcini;快速發(fā)育期從Kcini提高到Kcmid;生育中期為Kcmid;成熟期從Kcmid下降到Kcend。黃淮海流域春小麥全生育期為每年3—8月、冬小麥為每年9月到次年6月、夏玉米為每年4—9月。

在FAO編寫(xiě)的《作物需水計(jì)算指南》[24]中，由于標(biāo)準(zhǔn)條件下的春小麥、冬小麥和夏玉米的作物系數(shù)需要根據(jù)各個(gè)地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行修正，因此，給出修正公式：

(3)

式中:Kc(FAO)為FAO標(biāo)準(zhǔn)條件下各生育階段的作物系數(shù);RHmin為各生育階段內(nèi)日最小相對(duì)濕度的平均值，%;u2為各生育階段內(nèi)2 m高日平均風(fēng)速，m/s;h為各生育階段內(nèi)作物平均株高，m。

2.3 作物缺水量

作物缺水量為作物生育期需水量同作物生育期有效降水量的差值[25]，公式如下：

W0=ETc-Pe；

(4)

Wc=(ETc-Pe)Sc×10-4。

(5)

式中：W0為作物實(shí)際缺水量，mm/d；Pe為有效降水量，mm/d；ETc為作物實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Wc為作物實(shí)際缺水量，億m3/d；Sc為作物種植面積，103hm2。

本文研究的是供水充分條件下滿(mǎn)足潛在蒸散發(fā)的理論缺水量，而非實(shí)際的灌溉缺水量。

能夠保存在作物根系層中并用于滿(mǎn)足作物實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量的那部分降水量稱(chēng)為作物的有效降水量[26]，本文提出以下有效降水量的計(jì)算公式：

Pe=P-Re。

(6)

式中：Pe為作物生育期有效降水量，mm/d；Re為作物生育期徑流量，mm/d；P為作物生育期降水量，mm/d。

2.4 趨勢(shì)分析方法

2.4.1 突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢(shì)分析法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)的方法，與其他檢驗(yàn)方法相比，該方法的優(yōu)勢(shì)在于它不需要樣本遵循特定的分布，且不會(huì)受到少數(shù)異常值的干擾，更適用于順序變量和類(lèi)型變量，廣泛應(yīng)用于水文學(xué)領(lǐng)域[16]。應(yīng)用Mann-Kendall法得到UF與UK兩條曲線，用于檢驗(yàn)序列的變化趨勢(shì)，當(dāng)UF與UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界值之間時(shí)，則表示該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變開(kāi)始時(shí)刻[27]。具體計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[28]。

(7)

2.4.2 趨勢(shì)分析法

采用線性回歸方程的傾向率來(lái)描述變化特征，其表達(dá)式為:

y=axi+b。

(8)

式中:xi為不同的年份(i=1、2、…、n)；a為回歸系數(shù)，即變化率；b為回歸常數(shù)。

2.4.3 敏感性分析法

參考作物蒸發(fā)蒸騰量敏感性分析是在特定時(shí)期內(nèi)，分析其中一個(gè)或幾個(gè)氣象要素在變化情況下氣象要素對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化影響程度的定性分析方法[31]。敏感系數(shù)法是1974年由MCCUEN R H等[32-33]提出的用數(shù)學(xué)定義的敏感性分析方法，敏感系數(shù)的正負(fù)表示當(dāng)氣象要素增加時(shí)參考作物蒸發(fā)蒸騰量增加或減少，敏感系數(shù)為正表明氣象要素對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量為正影響，敏感系數(shù)為負(fù)表明氣象要素對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量為負(fù)影響[31]。其公式為：

(9)

式中：SVi為第i個(gè)氣象變量的敏感系數(shù)，是該氣象變量對(duì)ET0的偏導(dǎo)數(shù)；Vi為第i個(gè)變量；ΔET、ΔVi為ET0和Vi的微分。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃淮海流域主要農(nóng)作物全生育期需水量和缺水量的年際變化

1961—2017年黃淮海流域春小麥、冬小麥、夏玉米需水量、缺水量的年際變化趨勢(shì)分別如圖2、圖3及表1所示。

圖2 黃淮海流域主要作物需水量年際變化

圖3 黃淮海流域主要作物缺水量年際變化

表1 黃淮海流域主要作物需水量和缺水量年際變化趨勢(shì)

由圖2可知：黃淮海流域春小麥(圖2(a))全生育期需水量為407.32～494.24 mm，平均年需水量為450.27 mm，最小值出現(xiàn)在1985年，最大值出現(xiàn)在2016年；黃淮海流域冬小麥(圖2(b))全生育期需水量為430.67～550.27 mm，平均年需水量495.50 mm，最小值出現(xiàn)在1964年，最大值出現(xiàn)在1966年；黃淮海流域夏玉米(圖2(c))全生育期需水量為415.53～507.49 mm，平均年需水量457.46 mm，最小值出現(xiàn)在1984年，最大值出現(xiàn)在2016年。

由表1可知,黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米全生育期需水量年際變化趨勢(shì)主要分為兩個(gè)階段：春小麥需水量在1961—1985年、冬小麥需水量在1961—1989年、夏玉米需水量在1961—1989年分別以-10.506 0、-14.523 5、-7.345 4 mm/(10年)的趨勢(shì)下降；春小麥需水量在1986—2017年、冬小麥需水量在1990—2017年、夏玉米需水量在1990—2017年分別以20.015 8、0.631 0、7.783 3 mm/(10年)的變化率呈上升趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)可知，1961—2017年，黃淮海流域主要農(nóng)作物需水量都未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。春小麥需水量Mann-Kendall檢驗(yàn)的UF和UB曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，分別是2011年和2013年，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Pettitt檢驗(yàn)，證實(shí)該兩個(gè)點(diǎn)都不是突變點(diǎn)。冬小麥需水量Mann-Kendall檢驗(yàn)的UF和UB曲線有5個(gè)交點(diǎn)，分別為2003年、2006年、2007年、2009年和2012年，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Pettitt檢驗(yàn)，證實(shí)2003年是突變點(diǎn)。夏玉米需水量Mann-Kendall檢驗(yàn)的UF和UB曲線沒(méi)有交點(diǎn)，因此不存在突變點(diǎn)。

由圖3可知：黃淮海流域春小麥全生育期缺水量(圖3(a))多年平均值252.57 mm，最大值出現(xiàn)在1962年(329.08 mm)，最小值出現(xiàn)在1984年(192.37 mm)；黃淮海流域冬小麥全生育期缺水量(圖3(b))多年平均值347.51 mm，最大值出現(xiàn)在1995年(423.80 mm)，最小值出現(xiàn)在1964年(236.43 mm)；黃淮海流域夏玉米全生育期缺水量(圖3(c))多年平均值192.07 mm，最大值出現(xiàn)在1965年(308.68 mm)，最小值出現(xiàn)在1964年(146.88 mm)。

由表1可知：黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米全生育期缺水量變化趨勢(shì)主要分為兩個(gè)階段：春(冬)小麥缺水量在1961—1990年、夏玉米缺水量在1961—1988年分別以-18.605 4(-12.180 5)、-18.208 5 mm/(10年)的趨勢(shì)下降；春(冬)小麥缺水量在1991—2017年、夏玉米缺水量在1989—2017年分別以14.149 2(8.484 7)、6.729 5 mm/(10年)的變化率呈輕微上升趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米全生育期缺水量都未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中只有冬小麥缺水量的UF和UB曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，分別是1999年和2013年，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Prttitt檢驗(yàn)，證實(shí)2013年是突變點(diǎn)。

3.2 黃淮海流域主要農(nóng)作物需水量和缺水量年內(nèi)分配變化

圖4給出了黃淮海流域主要作物需水量和缺水量的年內(nèi)分配情況。由圖4可知,黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米需水量(圖4(a))及其缺水量(圖4(b))年內(nèi)分配都呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢(shì)。春小麥需水量3月最低，為19.46 mm，5月最高，為151.94 mm；冬小麥需水量9月最低，為17.67 mm，4月最高，為117.75 mm；夏玉米需水量9月最低，為14.22 mm，7月最高，為148.82 mm。春小麥缺水量3月最低，為12.52 mm，5月最高，為116.84 mm；冬小麥缺水量9月最低，為0.58 mm，4月最高，為92.92 mm；夏玉米缺水量4月最低，為1.47 mm，6月最高，為85.73 mm。同時(shí)觀察到春小麥7—8月份的缺水量和夏玉米8—9月份的缺水量為零，原因是這幾個(gè)月份的有效降水量大于等于需水量，不存在缺水現(xiàn)象。

圖4 黃淮海流域主要作物需水量和缺水量年內(nèi)分配

表2為黃淮海流域主要作物需水量和缺水量年內(nèi)分配變化率。由表2可知：就春小麥而言，需水量在3—8月遞增，變化率為0.022 98～0.145 93 mm/年；缺水量在4月總體以0.146 58 mm/年的變化率呈遞增趨勢(shì)，3月、5月和6月缺水量總體以-0.220 91～-0.018 46 mm/年的變化率下降。就冬小麥而言，需水量在5月、6月、9月至來(lái)年1月總體上以-0.140 50～-0.011 19 mm/年的變化率下降；2月、3月和4月需水量總體以0.036 33～0.315 76 mm/年的變化率上升；除了3月和4月的缺水量總體以0.236 64 mm/年和0.416 07 mm/年的變化率上升外，其余月份的缺水量總體上都以-0.167 98～-0.004 54 mm/年的變化率下降。最后是夏玉米，其需水量在5月和6月總體分別以-0.013 72 mm/年和-0.094 22 mm/年的變化率下降，其余月份的以0.005 73～0.189 39 mm/年的變化率上升；缺水量變化趨勢(shì)和需水量的差別不大，4—7月的缺水量分別以0.071 26、-0.214 78、-0.347 05、0.464 49 mm/年的變化率變化。

表2 黃淮海流域主要作物需水量和缺水量年內(nèi)分配變化率 mm/年

3.3 黃淮海流域主要農(nóng)作物需水量和缺水量的空間變化

1961—2017年黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米生育期多年平均需水量的空間分布特征如圖5所示。由圖5可知：①黃淮海流域春小麥全生育期地級(jí)市多年平均需水量(圖5(a))為345.12～593.08 mm，自西向東呈逐漸遞增的趨勢(shì)，其中固原市、中衛(wèi)市、吳忠市、銀川市和張家口市春小麥多年平均需水量高于500 mm；果洛藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州、玉樹(shù)藏族自治州和呼和浩特市的春小麥多年平均需水量低于400 mm。②黃淮海流域冬小麥全生育期多年平均需水量(圖5(b))為354.83～639.68 mm，呈中部較高、東西兩部較低的分布特征，其中河北省北部、寧夏回族自治區(qū)和運(yùn)城市冬小麥多年平均需水量高于550 mm；黃淮海流域的西南部、東南部冬小麥多年平均需水量低于450 mm。③黃淮海流域夏玉米全生育期多年平均需水量(圖5(c))為185.11～691.73 mm，夏玉米空間分布特征同冬小麥空間分布特征大致相同，呈中部較高、東西兩部較低的分布特征。

圖5 黃淮海流域主要作物需水量空間分布特征

圖6為黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米全生育期多年平均需水量變化率分布圖。由圖6可知：黃淮海流域春小麥全生育期多年平均需水量變化率(圖6(a))為-4.44～-2.25 mm/年，多年平均需水量變化率為0.251 2 mm/年，整體呈現(xiàn)出由西向東逐步減少的趨勢(shì)，以忻州市和朔州市為界，往東需水量逐年減少；黃淮海流域冬小麥全生育期多年平均需水量變化率(圖6(b))為-5.40～3.97 mm/年，多年平均需水量變化率為-0.062 1 mm/年，整體呈現(xiàn)出由西向東逐步減少的趨勢(shì)，以臨汾市、運(yùn)城市、保定市和石家莊市為界，往東需水量逐年減少，山東省和江蘇省各地區(qū)多年平均需水量變化率低于-1.5 mm/年。黃淮海流域夏玉米全生育期多年平均需水量變化率(圖6(c))為-4.56～5.32 mm/年，多年平均需水量變化率為0.072 0 mm/年，整體呈現(xiàn)出由西向東逐步減少的趨勢(shì)，以臨汾市、運(yùn)城市、忻州市和朔州市為界，往東需水量逐年減少；山東省中北部和河南省東部各地區(qū)多年平均需水量變化率低于-1.1 mm/年。

圖6 黃淮海流域主要作物需水量變化率空間分布特征

1961—2017年黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米生育期缺水量空間分布特征如圖7所示，缺水量結(jié)合黃淮海流域地級(jí)市多年平均春(冬)小麥、夏玉米種植面積計(jì)算出以?xún)|m3為單位的黃淮海流域各地級(jí)市的作物缺水量。

圖7 黃淮海流域主要作物缺水量空間分布特征

黃淮海流域春小麥全生育期缺水量空間分布特征如圖7(a)所示，由圖可知，地級(jí)市多年平均春小麥缺水量為1.14億m3，整體呈現(xiàn)出由東西兩端向西北部和北部遞增的趨勢(shì)，呼和浩特市缺水量最大，為5.27億m3，玉樹(shù)藏族自治州缺水量最小，為0.000 28億m3，其中慶陽(yáng)市、平?jīng)鍪?、呼和浩特市以及巴彥卓爾市的缺水量均大?.0億m3。黃淮海流域冬小麥全生育期缺水量空間分布特征如圖7(b)所示，由圖可知，地級(jí)市多年平均冬小麥缺水量為4.63億m3，整體缺水量由西向東呈遞增趨勢(shì)，菏澤市缺水量最大，為18.71億m3，玉樹(shù)藏族自治州缺水量最小，為0.000 378億m3，其中缺水量大于多年平均值的地級(jí)市主要集中在甘肅省南部、山西省南部、河北省中南部、河南省、山東省以及江蘇省北部。黃淮海流域夏玉米全生育期缺水量空間分布特征如圖7(c)所示，由圖可知，地級(jí)市多年平均夏玉米缺水量為1.41億m3，整體呈由東西兩端向中部遞增的趨勢(shì)，玉樹(shù)藏族自治州缺水量最小，為7.62×10-6億m3，忻州市缺水量最大，為7.30億m3，其中渭南市、忻州市和保定市夏玉米缺水量達(dá)到了6億m3以上。

圖8為黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米全生育期多年平均缺水量變化率分布圖。

圖8 黃淮海流域主要作物缺水量變化率空間分布特征

由圖8可知：黃淮海流域春小麥全生育期多年平均缺水量變化率(圖8(a))為-394.05萬(wàn)～9.76萬(wàn)m3/年，多年平均缺水量變化率為-58.702 5萬(wàn)m3/年，整體呈現(xiàn)出由中部向東西兩端遞增的分布特征，其中除中衛(wèi)市、固原市和呼和浩特市的春小麥缺水量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)外，其余地級(jí)市的總體均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；黃淮海流域冬小麥全生育期多年平均缺水量變化率(圖8(b))為-1 368.96萬(wàn)～934.98萬(wàn)m3/年，多年平均缺水量變化率為3.665 2萬(wàn)m3/年，整體呈現(xiàn)出西北向東南遞增的分布特征，西部地區(qū)、中部地區(qū)、東北地區(qū)和山東省各個(gè)地級(jí)市的缺水量總體呈減少趨勢(shì)，其余地區(qū)的總體呈增加趨勢(shì)；黃淮海流域夏玉米全生育期多年平均缺水量變化率(圖8(c))為-329.25萬(wàn)～1 030.73萬(wàn)m3/年，多年平均缺水量變化率為224.403 0萬(wàn)m3/年，整體呈現(xiàn)出由東西兩端向中部遞增的分布特征，除了北京市、威海市、宿遷市、南通市和淮安市總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)外，其余地區(qū)的總體呈增加趨勢(shì)。

3.4 需水量和缺水量時(shí)空演變影響因素分析

3.4.1 氣象因素

圖9為黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米降水量和有效降水量年際變化特征。春(冬)小麥、夏玉米全生育期的多年平均降水量分別為280.16(204.47)、415.11 mm，其多年平均有效降水量為212.06(153.39)、315.94 mm。

圖9 黃淮海流域主要作物降水量和有效降水量年際變化

由圖9可知：降水量和有效降水量的年際變化趨勢(shì)相同，1961—2017年黃淮海流域春小麥的降水量和有效降水量整體以1.452 7、4.832 4 mm/(10年)的變化率呈上升趨勢(shì)，未通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)；1961—2017年黃淮海流域冬小麥和夏玉米的降水量和有效降水量整體以3.836 1、0.729 8 mm/(10年)和6.761 5、1.603 0 mm/(10年)的變化率呈下降趨勢(shì)，未通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)。黃淮海流域降水量、有效降水量和W0、ETc之間均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，3種主要農(nóng)作物的W0和ETc均隨降水量或有效降水量的增加(減少)而減少(增加)，該計(jì)算結(jié)果與大多學(xué)者的研究結(jié)果相近[34-36]。

除了降水量外，同樣能影響到W0和ETc的氣象因子有平均風(fēng)速、氣溫、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度，這些氣象因子主要通過(guò)影響潛在蒸發(fā)量而間接影響W0和ETc。其中：氣溫、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)為正影響因素；相對(duì)濕度為負(fù)影響因素，且影響程度從大到小依次為氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速[31,37-39]。不同的氣象因素對(duì)不同的流域影響程度不同：黃河流域W0和ETc受風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)影響程度最大；淮河流域W0和ETc受氣溫和相對(duì)濕度影響程度較大；海河流域W0和ETc受氣溫影響程度最大[31,37-39]。

3.4.2 種植面積

表3為黃淮海流域1961—2017年春小麥、冬小麥、夏玉米種植面積變化趨勢(shì)。

表3 黃淮海流域1961—2017年主要作物種植面積變化趨勢(shì)

由表3可知：這3種農(nóng)作物多年平均種植面積分別為1 727.32、17 095.15、9 649.12(103hm2)。經(jīng)過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，可知1961—2017年黃淮海流域主要農(nóng)作物種植面積都通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，春小麥的種植面積呈輕微下降趨勢(shì)，冬小麥和夏玉米的種植面積呈顯著上升趨勢(shì)。作物種植面積與作物的Wc和ETc呈正相關(guān)關(guān)系，隨著種植面積的增加，作物的Wc和ETc以相同的趨勢(shì)增大。

3.4.3 其他影響因素

除以上兩種影響因素外，影響作物Wc和ETc的其他因素包括農(nóng)業(yè)因素、人類(lèi)活動(dòng)及地形因素等。農(nóng)業(yè)因素是通過(guò)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)影響作物的Wc和ETc。張雅芳等[40]定量估算了華北平原2002—2012年種植結(jié)構(gòu)變化對(duì)農(nóng)業(yè)需水量的影響，結(jié)果表明，隨著冬小麥、夏玉米、棉花、水稻和春玉米種植面積的減少和林果、蔬菜種植面積的增加，使得農(nóng)業(yè)需水總量下降6.37%。

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)作物Wc和ETc的影響表現(xiàn)為地下水超采、節(jié)約用水的實(shí)施和城鎮(zhèn)化。廖梓龍等[41]研究了包頭市人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水的影響，發(fā)現(xiàn)地下水的過(guò)度開(kāi)采造成了潛水位和承壓水位的持續(xù)下降，從而導(dǎo)致作物Wc下降；陳益平等[42]在研究人類(lèi)活動(dòng)影響下張掖盆地需水量時(shí)發(fā)現(xiàn)：城鎮(zhèn)化和節(jié)約用水的實(shí)施會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)需水量產(chǎn)生影響，其中城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快包括GDP的增加、人口增加以及作物面積減少，導(dǎo)致作物ETc減少25.56%；節(jié)約用水的實(shí)施即減少作物需水定額致使作物ETc減少1.68%。

地形要素包括海拔、坡度、坡向和地表起伏度。隨著海拔升高，氣溫降低，日積溫減少，作物ETc增加。地形起伏度影響土壤中化學(xué)元素的遷移和聚集，如溝谷中土壤的養(yǎng)分含量高于坡地，從而使作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量均優(yōu)于坡地。農(nóng)田耕地的坡度以15°以下為宜;在丘陵山地，平坦的地面甚少，可在采取某些保持水土措施后將其作為農(nóng)耕地。坡向分為迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡，迎風(fēng)坡氣流受到阻擋會(huì)順坡抬升，降溫凝結(jié)致雨；背風(fēng)坡氣流下沉增溫，空氣干燥不利于降水，有時(shí)還會(huì)形成焚風(fēng)，所以農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境迎風(fēng)坡好于背風(fēng)坡[43-44]。

4 結(jié)論

1)近60年黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米全生育期需水量和缺水量的時(shí)間變化特征整體表現(xiàn)為兩種變化趨勢(shì)，即先下降、到20世紀(jì)80年代末期或90年代初期后上升。春小麥降水量和有效降水量呈輕微上升趨勢(shì)，冬小麥和夏玉米的呈輕微下降趨勢(shì)。

2)黃淮海流域春小麥全生育期多年平均需水量空間分布特征自西向東呈逐漸遞增的趨勢(shì)。黃淮海流域冬小麥和夏玉米全生育期多年平均需水量在空間上呈中部較高、東西兩部較低的分布特征。春小麥缺水量在空間分布上整體由東西兩端向西北部和北部遞增的趨勢(shì)，冬小麥缺水量整體由西向東呈遞增趨勢(shì)，夏玉米缺水量則整體呈由東西兩端向中部遞增的趨勢(shì)。

黃淮海流域春小麥、冬小麥、夏玉米全生育期多年平均需水量變化率分別為0.251 2、-0.062 1、0.072 0 mm/年。3種作物需水量變化率整體呈現(xiàn)出由西向東逐步減少的趨勢(shì)。黃淮海流域春小麥、冬小麥、夏玉米全生育期多年平均缺水量變化率分別為-58.702 5萬(wàn)、3.665 2萬(wàn)、224.403 0萬(wàn)m3/年，春小麥缺水量變化率呈現(xiàn)出由中部向東西兩端遞增的分布特征，冬小麥缺水量變化率呈現(xiàn)出由西北向東南遞增的分布特征，夏玉米缺水量變化率呈現(xiàn)出由東西兩端向中部遞增的分布特征。

3)黃淮海流域內(nèi)，春(冬)小麥全生育期的有效降水量都低于各作物的需水量，春小麥和夏玉米的需、缺水量滿(mǎn)足情況較好，缺水量較少。而冬小麥的需、缺水量滿(mǎn)足情況較差，缺水量相對(duì)較多。因此，同時(shí)為了保證黃淮海流域春(冬)小麥、夏玉米的正常生長(zhǎng)，需要合理進(jìn)行灌溉。

4)影響作物需水量和缺水量的因素包括氣象因素、農(nóng)業(yè)因素、人類(lèi)活動(dòng)和地形因素等。氣象因素中氣溫、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)為正影響因素，相對(duì)濕度為負(fù)影響因素，降水量與作物W0、ETc之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。人類(lèi)活動(dòng)在城鎮(zhèn)化、地下水超采等方面會(huì)造成作物Wc、ETc的減少。隨著地形類(lèi)型的不同，作物生態(tài)環(huán)境也會(huì)隨之變化。

5)本文研究的缺水量是供水充分條件下滿(mǎn)足潛在蒸散發(fā)的理論缺水量，而非實(shí)際的灌溉缺水量。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)實(shí)際的灌溉需水量的研究尚少，因此未來(lái)的研究方向?qū)⑹墙Y(jié)合實(shí)際缺水量計(jì)算所需的灌溉缺水量，為灌溉工作提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。