马雪晴,和骅芸,赵金媛,方 彤,张建珍,潘学标,2,潘志华,2,王 靖,2,胡 琦,2**

(1.中国农业大学资源与环境学院 北京 100193; 2.中国气象局-中国农业大学农业应对气候变化联合实验室 北京 100193)

IPCC 第六次评估报告(AR6)表明,气候增暖正在加剧水循环和影响降雨特征,导致区域间降水及蒸散的强度与分布发生改变,给不同地区带来多种不同的组合性变化[1]。大气降水和下垫面蒸散的变化共同影响气候干湿状况,然而气候变化对不同地区干湿气候的影响和机制存在差异性[2-4],因此明确地域间作物生长季内气候干湿状况差异及其变化特征,对指导农业生产和维持生态环境稳定具有重要意义。

小麦(Triticum aestivum)是我国三大主粮作物之一,种植面积约占全国耕种地总面积的20%左右,种植区分布于全国29 个省、自治区、直辖市[5],包含干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区。水资源短缺一直是我国小麦主产区农业生产的主要限制因素,气候变化使得全球干旱模态和干湿状况发生了改变[6],必然对我国小麦安全生产产生重大影响。相关科学问题已引起国内外学者的广泛关注并进行了诸多研究,采用的指标主要包括湿润指数[7]、SPEI 指数

(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)[8]、水分亏缺量[9]等。总结而言,华北[10-12]、西北[13-17]等干旱区、半干旱区由于温度升高和降水减少的协同作用缩短了小麦的生育期,同时麦田蒸散加大,造成水分亏缺量增加、干旱加剧,最终导致小麦产量和种植面积减少、种植制度结构调整; 西南[18-20]、华东[21-23]等湿润和半湿润区水热资源的季节性差异大,冬小麦生长季10月至翌年5月期间温度升高,干物质积累减少; 同时降水减少导致水分胁迫,限制冬小麦产量潜力的进一步提升。

相对于以上小麦主产区,探究华南、新疆等地区气候变化对小麦生长季气候资源分配与利用特征的研究报道甚少,特别是针对气候变化背景下全国尺度的小麦生长季内干湿状况时空变化和差异对比分析的研究较为罕见,限制了中国小麦种植区实现整体高产高效协同发展。因此,本文基于全国29 个省、自治区和直辖市的524 个气象站点,以有效降水量、作物需水量、水分盈缺量为指标系统分析了1961-2020年中国小麦种植区气候干湿状况的时空变化特征及变化趋势,并利用SPEI 干旱指数评估了1961-1990年(P1)和1991-2020年(P2)两个时段全国小麦种植区干旱频率分布和变化,为优化小麦种植区、采取合理措施以应对气候变化提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况与数据来源

根据全国冬小麦收获面积分布图(http://www.earthstat.org)和《中国小麦种植区划研究》[24],将我国小麦种植区域划分为10 个小麦主产区,即东北春麦区、蒙北春麦区、西北春麦区、北疆春麦区、北部冬麦区、华北冬麦区、西南冬麦区、长江中下游冬麦区、华南冬麦区和新疆冬麦区。选取研究区中具有1961-2020年完整时间序列逐日气象资料的台站,共计524 个,分布于29 个省、自治区和直辖市(港澳台除外),如图1 所示。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候资料日值数据集(http://data.cma.cn),数据集(包括降水、温度、日照时数、相对湿度等)经过严格质量控制、检查和R 语言编程进行订正。作物生长季数据来源于中国气象科学数据共享服务网的中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集(http://data.cma.cn)。

图1 中国小麦种植区划及524 个气象站点分布(图中斜杠区域为无数据区)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,一般将日降水量超过5 mm 的降水称为有效降水[25],公式如下:

1.2.2 作物需水量

根据FAO-56 推荐的作物系数法,利用参考作物蒸散量(ET0,mm·d-1)和作物系数(KC)计算作物需水量(ETC,mm·d-1)[26],公式如下:

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

式中,Δ为饱和水汽压-温度曲线的斜率,kPa·℃-1;Rn为地表净辐射,MJ·m-2·d-1;G为土壤热通量,MJ·m-2·d-1;T为日平均气温,℃;U2为2 m 高处风速,m·s-1;es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压,kPa;γ为干湿表常数,kPa·℃-1。

FAO-56 推荐的小麦生长初期、快速生长期和成熟期作物系数分别为0.42、1.15、0.50,结合小麦各生育期起止时段(表1),根据中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集(http://data.cma.cn),采用线性插值方法确定各种植区小麦逐日KC值。

1.2.3 水分盈缺量

参照史建国等[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),计算公式如下:

D为正值时,即有效降水量大于作物蒸散量,水分盈余; 反之,水分亏缺。

1.2.4 标准化降水蒸散指数(SPEI)

水分盈缺量可以表征小麦种植区水分盈余或亏缺状况,从而为合理配置灌溉计划提供建议,但无法直接反映作物遭受干旱影响的程度,因此进一步利用标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)[8]评估小麦生长季内干旱状况。SPEI 综合考虑降水和需水,且能基于多时间尺度合理地评估干旱,在区域和季节上均有较好的适用性[27]。但传统SPEI 指数属于气象干旱指数,直接用于评估农业干旱可能会产生偏差,本文采用小麦生长季内有效降水量和作物需水量替代降水量和作物蒸散量,更能反映小麦农田水分供需的情况。马雪晴等[28]利用该方法评估的华北平原冬小麦旱情结果与实际灾情资料对比验证表明,其准确率在76.0%以上。SPEI 指数计算过程如下:

首先,建立不同时间尺度气候学意义上的水分盈缺累积序列:

式中:i为月份,k为时间尺度(月),n为计算次数。当累计概率Q≤0.5 时,采用三参数的Log-logistic 概率分布F(x)对序列进行拟合,并对序列进行标准正态分布转化,计算每个对应的SPEI 值:

式中:Q为超过待定D值的累积概率,c0=2.515 517,c1=0.802 853,c2=0.010 328,d1=1.432 788,d2=0.189 269,d3=0.001 308。当Q＞0.5 时,SPEI 取相反数。

SPEI 指数干旱等级根据《中华人民共和国国家标准气象干旱等级》(GB/T 20481-2017)划分为无旱(SPEI＞-0.5)、轻度干旱(-1＜SPEI≤-0.5)、中度干旱(-1.5＜SPEI≤-1)、重度干旱(SPEI＜-1.5)。

SPEI 干旱指数的时间尺度为1 个月、3 个月、6 个月、12 个月,共4 种时间尺度,本文采用选取可以涵盖小麦生长季的6 个月时间尺度的SPEI 值(SPEI-6),用以表征小麦生长季内的干旱情况。根据中国农作物生长发育数据集,将不同分区的小麦生长季起止时段精确到上下旬更加科学、准确。例如,蒙北春麦区小麦生长季为4月上旬-8月上旬,共5个月,其生长季不包括完整的8月份,且干旱是一个累积的过程,因此采用2-7月(6 个月时间尺度)的SPEI 值表征生长季干旱情况,即选取“7月的SPEI-6 值”,各种植区选取的SPEI 值如表1 所示。

表1 中国不同小麦种植区生长季及选取的SPEI 指数Table 1 Growing periods and standardized precipitation evapotranspiration indexes (SPEI) in different wheat planting regions of China

1.2.5 干旱频率

利用干旱频率评价研究区某站点在研究时间段内干旱频发的程度,公式如下:

式中:S表示干旱频率(%),m为该站点研究时段内不同等级干旱发生的次数,M为研究时段总年数。

1.2.6 气候倾向率计算

倾向率表征某一特征量在某段时间内的变化趋势。用Y表示样本量为x的某一气候要素,用t表示对应的年序,拟合得到一元线性回归方程:

式中:a0为回归系数,本文采用最小二乘法估算,以a0的10 倍(即10a0)代表气象要素的气候倾向率。采用t检验法对拟合的回归方程进行显著性检验(P＜0.05)。

1.2.7 数据处理

本文中的数据处理,包括ETc、气候倾向率、SPEI 指数等计算均利用Matlab 2014 软件、R 语言实现; 气候要素的空间分布图利用ArcGIS 10.2 软件反距离权重插值法(Inverse distance weighted interpolation,IDW)制作; 箱式图采用Origin 2021 软件制作。

2 结果与分析

2.1 小麦生长季有效降水量、作物需水量及水分盈缺量空间分布特征

1961-2020年研究区小麦生长季有效降水量为2～1320 mm (图2a),作物需水量为156～832 mm (图2b),水分盈缺量为-828～1081 mm (图2c); 三者均呈东南-西北带状分布,有效降水量由西北向东南逐渐增加,作物需水量表现出相反的趋势,水分盈缺量以秦岭-淮河为分界线,分界线以北表现为水分亏缺,以南表现为水分盈余。

图2 1961-2020年小麦全生长季有效降水量(a)、作物需水量(b)和水分盈缺量(c)空间分布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

中国小麦种植区以大兴安岭-阴山北麓为界线,分界线以北的蒙北、西北、北疆春麦区以及新疆冬麦区生长季内平均有效降水量不足200 mm,但这些地区作物需水量最高,为400～900 mm,导致水分亏缺严重,亏缺量为200～900 mm,亏缺量由东向西逐渐增大,新疆地区平均水分亏缺量最大,为500 mm 以上,且受纬度、地形的影响,北疆水分亏缺量大于南疆。大兴安岭以南、秦岭淮河以北的北部、华北冬麦区生长季内平均有效降水量为200～400 mm,作物需水量在400 mm 左右,水分盈缺量大约为0 mm,即有效降水量与作物需水量达到平衡; 其中,黄土高原地区作物需水量较少,水分略有盈余。秦岭淮河以南的西南冬麦区西部、长江中下游冬麦区北部生长季内平均有效降水量为400～600 mm,作物需水量小于400 mm,水分盈余量为0～400 mm。长江中下游南部以及华南冬麦区为有效降水高值区,降水量均高于800 mm; 其中,华南沿海地区有效降水充沛,部分地区大于2600 mm,作物需水量则低于200 mm,平均水分盈余量均高于600 mm,广东清远、阳江等地水分盈余量大于1000 mm; 四川盆地、云贵高原地区由于地形和纬度的影响,有效降水量较低,水分盈余量小于600 mm。

总体而言,1961-2020年长江中下游、西南、华南冬麦区生长季内平均有效降水量大于作物需水量(图3),水分盈余量约为300～600 mm,生长季内不需要灌水,其中华南冬麦区水分盈余量最大,为606 mm;四大春麦区以及新疆、北部、华北冬麦区生长季内平均有效降水量小于作物需水量,水分亏缺量为6～500 mm,生长季内需要灌水。

图3 1961—2020年不同小麦种植区小麦全生长季水分盈缺量的盒须图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 小麦生长季有效降水量、作物需水量及水分盈缺量变化趋势

1961-2020年不同小麦种植区小麦生长季内有效降水量气候倾向率平均值为3.0 mm·(10a)-1,大多数站点多年变化趋势并不显著,仅有6.3% (n=33)的站点通过了0.05 水平的显著性检验,表明降水的年际间变异差异较大(图4a)。作物需水量变化趋势南北方差异较大,北方41.8%的站点(n=126)呈显著减少的趋势[-1.5 mm·(10a)-1]; 南方主要呈显著增加的趋势[0.7 mm·(10a)-1],20.4%的站点(n=46)通过了P＜0.05 水平的显著性检验(图4b)。

有效降水量和作物需水量的共同作用导致了水分盈缺量的变化,1961-2020年研究区小麦生长季水分盈缺量多年变化趋势总体表现为水分盈余,平均盈余量气候倾向率为3.6 mm·(10a)-1,有10.1% (n=53)的站点气候倾向率通过了P＜0.05 水平的显著性检验(图4c)。从空间分布来看,大兴安岭-阴山北麓以北的四大春麦区北部、新疆冬麦区,以及秦岭-淮河以南的长江中下游冬麦区北部、西南冬麦区北部、华南冬麦区中部均呈湿化趋势。但各地区的机制略有不同: 长江中下游冬麦区北部有效降水量和作物需水量均呈增加趋势,但有效降水量增加的幅度大于作物需水量增加的幅度,最终表现为水分盈余,长江中下游冬麦区平均盈余量气候倾向率为9.0 mm·(10a)-1; 其他地区有效降水量增加的同时作物需水量减少,其中东北春麦区中部,西南、华南冬麦区北部水分盈余量气候倾向率大于20.0 mm·(10a)-1。同时,大兴安岭-阴山北麓以南、秦岭-淮河以北的东北春麦区南部、华北、北部冬麦区,以及西南、长江冬麦区南部则表现为有效降水量减少的同时作物需水量增加,二者的共同作用导致干化。

图4 1961—2020年小麦全生长季有效降水量、作物需水量、水分盈缺量的气候倾向率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 不同年代际干旱空间分布及特征变化

如图5 所示,近60 a 研究区小麦生长季的轻旱发生频率空间分布表现为三大春麦区(东北、蒙北、西北)及华北、长江中下游冬麦区发生频率较高,其余地区以及北疆春麦区发生频率较低; 中旱和重旱则为大致相反的空间分布。

图5 1961—2020年小麦生长季干旱频率空间分布Fig.5 Distribution of drought frequency during the wheat growing season from 1961 to 2020

轻旱发生频率西南冬麦区、北疆春麦区较低,范围为20.0%～30.0%; 东北春麦区、西北春麦区、华南冬麦区约为30.0%～35.0%; 华北、长江中下游冬麦区中部为高值区,轻旱发生频率大于45.0%。中旱发生频率在四大春麦区的北部以及长江中下游冬麦区中部地区低于10.0%,而西南冬麦区北部盆地、西北春麦区北部黄土高原地区发生频率高达15.0%。重旱发生频率在新疆春麦区、华北冬麦区高达10.0%,在东北春麦区的北部、长江中下游冬麦区发生频率则低于5.0%。

进一步分析近60年小麦生长季干旱空间分布,并基于P1 (1961-1990年)、P2 (1991-2020年)两个时段的轻旱、中旱、重旱发生频率,分析不同年代际的干旱发生特征(图6)。干旱发生频率为35.2%～59.6%,空间分布以腾冲-漠河为分界线,分界线附近、分界线以北的春麦区,以及分界线以南的长江中下游冬麦区北部干旱发生频率较高; 其他地区干旱发生频率较低。干旱和轻旱发生频率表现为大致相似的空间分布,由此表明轻旱发生频率对干旱发生频率的贡献较大。干旱发生频率在东北春麦区北部、华北冬麦区中部、新疆冬麦区等高值区高于50.0%,北部冬麦区、西北春麦区南部、华南春麦区南部为低值区,发生频率低于30.0%。

图6 1961—2020年不同时段(1961—1990年,P1; 1991—2020年,P2)不同小麦种植区的小麦全生长季干旱频率空间分布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)

就年代际尺度而言,干旱发生频率总体呈降低的趋势。较P1 时段,P2 时段的干旱发生频率在北疆春麦区、东北春麦区、蒙北春麦区、新疆冬麦区降低15.0%左右; 其他麦区平均升高5.3%,波动范围较小。同时,较P1 时段,东北、蒙北、北疆春麦区和新疆冬麦区的轻中重旱发生频率均在P2 时段表现为降低,降低范围为1.6%～9.5%,其中北疆春麦区的平均降低幅度最大(5.0%); 华北、华南冬麦区轻旱和中旱发生频率增高,重旱发生频率降低,波动范围均小于2.0%; 西北春麦区、北部冬麦区、西南冬麦区、长江中下游冬麦区均表现为轻旱发生频率降低,中旱和重旱发生频率升高,其中重旱波动较大,西北春麦区的重旱发生频率在P2 时段提高7 个百分点,有效降水量远远低于小麦生长所需水分,因而干旱灾害尤为突出。

3 讨论

IPCC 第六次报告指出,气候持续变暖将进一步加剧全球水循环,包括更强的降雨和洪水,在许多地区则意味着将会发生更严重的干旱[1]。近60年全国小麦种植区生长季内有效降水量和作物需水量处于不均匀的变化中,区域间差异较大。本文以有效降水量、作物需水量和水分盈缺量(有效降水量与作物需水量的差值)为干湿状况指标,研究结果与刘钰等[29]学者的发现一致: 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现为亏缺量降低而盈余量增多,三者均表现为东南-西北带状分布的空间特征。

就年代际尺度而言,有效降水量在P1 时段变化趋势不明显,但P2 时段呈增加态势; 作物需水量的年际变化相对较小,呈波动下降后上升的趋势,生长季平均气候倾向率在P1、P2 时段分别为-7.6 mm·(10a)-1、5.7 mm·(10a)-1(表2)。赵俊芳等[3]基于情景数据研究表明,未来(2011-2050年)全国各地区降水量、作物需水量均呈增加趋势,但是区域间差异都很显著,与本文的研究结果相似。目前,普遍的观点认为,黄河以南的黄土高原、四川盆地、云贵高原等地形特殊地区降水的增加速率小于参考作物蒸散的增加速率,气候呈显著变干的趋势,本文的研究结果也验证了这一观点。

表2 1961—2020年不同时段小麦全生长季的有效降水量、作物需水量、水分盈缺量的气候倾向率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

有效降水量与作物需水量空间分布的不匹配最终导致水分盈缺,进一步明确影响水分盈缺量的驱动因素,小麦种植区在P1 时段大多表现为气候湿化,这是由于有效降水量增高的同时作物需水量降低,两者共同作用导致水分盈余量增加,这与有关学者[9]对水分盈缺量年代际的时空分布规律研究结果较为一致。其他麦区,比如华北、北部冬麦区则由于降水量升高的幅度与作物需水量升高幅度大致相同,导致水分盈缺变化不大。较P1 时段,P2 时段干旱程度呈略微减小的趋势,主要为中旱和重旱发生频率减小,这与胡琦等[4]的研究结果相似。

值得一提的是,前人研究表明我国南方大部分地区和新疆的西北部气候变湿,西北和西南大部分地区气候变干[3-5,29-31],然而本文研究发现近30年东北春麦区、西北春麦区、新疆冬麦区和华南冬麦区小麦生长季有效降水量和作物需水量均明显增加,且作物需水量增加趋势更大,导致气候呈干化趋势,这也表明作物生长季尺度的干湿变化与年尺度的变化并不总是一致的。

本研究仅考虑了自然状况下小麦生长季的干湿变化和水分盈亏状况,未考虑实际生产中的灌溉量与灌溉措施对生长季内气候干湿状况的影响,且由于缺乏高时空分辨率的土壤湿度数据,文中并未采用土壤含水量对计算的作物需水量进行订正,导致理论值与实际耗水量存在一定的误差。此外,关于气候变化背景下极端天气事件如暴雨、洪涝等对小麦种植区的影响也需要进一步深入分析。总之,本文从全国尺度上开展气候变化背景下小麦种植区生长季气候干湿状况时空变化的研究,对于合理配置小麦种植区生长季内用水,减缓农业水分供需矛盾,从而优化小麦种植区布局,保障粮食安全具有十分重要的意义。

4 结论

1)中国小麦种植区域小麦生长季有效降水量范围为2～1320 mm,作物需水量为156～832 mm,水分盈缺量为-828～1081 mm,东南-西北带状分布特征明显,且四川盆地、云贵高原的缺水量明显大于周边地区,而黄土高原等植被条件较差的地区作物需水量较低。华南、长江中下游和西南冬麦区水分盈余量为500 mm 左右,即生长季内不需要灌水; 其他麦区均表现为水分亏缺,新疆冬麦区(443.8 mm)和北疆春麦区(495.6 mm)为缺水量高值区。

2)中国小麦种植区干旱以及轻中重旱发生频率分别为35.2%～59.6%、18.7%～46.0%、0～21.5%、1.7%～11.6%。干旱空间分布表现为腾冲-漠河分界线附近、四大春麦区、长江冬麦区发生频率较高,其他地区发生频率较低。此外,干旱、轻旱的发生频率空间分布大致相似,与中旱、重旱的空间分布相反,由此表明轻旱发生频率对干旱发生频率的贡献较大。

3)近60年中国小麦种植区有效降水量以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为3.6 mm·(10a)–1,小麦种植区整体气候湿化趋势明显。其中,华北、北部冬麦区水分亏缺量以3.5 mm·(10a)–1的趋势增加,表现为气候干化。大多数麦区均呈气候湿化趋势,但形成机制存在差异,东北、蒙北、北疆春麦区以及新疆冬麦区有效降水量增加的同时作物需水量减少; 长江中下游冬麦区有效降水量增幅大于作物需水量增幅,最终表现为水分盈余。其他麦区有效降水量和作物需水量同时增加(或同时减少),水分盈缺量与干旱程度变化均不明显。

4)就年代际尺度而言,有效降水量呈略微增加的趋势,作物需水量为P1 时段(1961-1990年)减少、P2 时段(1991-2020年)增加; 水分盈缺量波动范围较小,P1、P2 时段分别表现为盈余量和亏缺量增加,表明P1 时段有效降水量对水分盈余量的贡献较大,P2 时段作物需水量对水分亏缺量贡献较大。较P1时段,P2 时段的东北、蒙北、北疆春麦区以及新疆冬麦区干旱发生频率均降低5.0%左右; 北部、长江中下游冬麦区及西北春麦区轻旱发生频率降低,中旱和重旱发生频率增高,其中,西北春麦区重旱发生频率升高7 个百分点,干旱程度严重。