黑龙港地区的农业干旱风险评估

摘要：干旱是黑龙港地区最严重的农业气象灾害，评估冬小麦各生育阶段的干旱风险可为合理制定灌溉制度、采取相应的防旱抗旱措施提供依据。基于验证后的APSIM模型所模拟的1961年-2005年31个点的土壤含水量动态，计算得到了冬小麦各生育期的土壤相对湿度干旱指数，分析了农民方案和优化方案的该地区的农业干旱时空分布特征。结果表明，干旱频率发生较高的时期农民方案中是播种越冬期和返青拔节期，分别为4889%和2760%；基于“吴桥模式”的优化方案是越冬返青期、返青拔节期和灌浆收获期，干旱发生的频率为5161%、3978%和6222%。易发生干旱的地方多位于邢台、衡水南部和邯郸北部。在冬小麦各生育阶段，干旱指数年际变化显示出两种方案的变化趋势基本一致。尽管总体说来优化方案发生干旱的风险要高于农民方案的，但基于“吴桥模式”的优化方案充分发挥了根系带的土体水库功能，减少了灌溉水，能够高效利用土壤水，如果全区31个点在1961年-2005年间，均按照优化方案灌溉，相比农民方案总共可节水61 785 mm，表明“吴桥模式”可在黑龙港地区推广，它在一定程度上可规避干旱风险，同时能达到节水、稳产的目标。

关键词：土壤相对湿度；农业干旱；黑龙港地区；冬小麦；吴桥模式

中图分类号：TV122；S152.7 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）06001809

Risk assessment of agricultural drought in Heilonggang District

MAO Meng，REN Li，HAN Linlin

（College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University；

Key Laboratory of Arable Land Conservation（North China），Ministry of Agriculture，Beijing 100193，China）

Abstract：Drought is the most severe agricultural meteorological disaster in Heilonggang District，assessment of drought risk during different growing stages of winter wheat may provide basis to determine rational irrigation schedule and to prevent and control drought.Based on the simulated soil water dynamics of 31 profiles for 1961-2005 using the calibrated APSIM model，relative soil moisture drought indexes were calculated for different growth stages of winter wheat，and the spatial and temporal characteristics of agricultural drought of two scenarios，Farm Scenario（FS） and Optimized Scenario（OS） were analyzed.The results showed that，from the point of view of different growth stages of winter wheat，highfrequency drought occurred in sowingoverwintering stage and turning greenjointing stage for FS，with frequencies of 4889% and 276% respectively，and in overwinteringturning green stage，turning greenjointing stage and grain fillingharvesting stage for OS，with drought frequencies of 5161%，3978% and 6222% respectively.High drought risk frequently occurred in central region and Xingtai，south part of Hengshui and north part of Handan.The time series of relative soil moisture drought index in the different growth stages of winter wheat showed the same change trend in the time series of relative soil moisture drought index of two scenarios.This study suggested that，in general，the relative soil moisture drought index was higher in FS than OS，but the OS，which based on ′Wuqiao Mode′，brought the soil root zone reservoir into play enough，reduced the irrigation water and could use soil water with high efficiency.The total water amount of 61 785 mm could be saved in OS compared to that in FS，if irrigation schedule of the OS was adopted in 31 profiles through the district in the period of 1961-2005.It showed that ′Wuqiao Mode′ can be extended to application in Heilonggang District，and this mode may avoid drought risk in some degree，and can reach the goal of saving water and maintaining high yield.

Key words：relative soil moisture；agricultural drought；Heilonggang District；winter wheat；Wuqiao mode

干旱是一个全球性问题，人类面临的第一个生态问题就是水分不足[1]。农业是受干旱发生影响首当其冲的部门，因为它依赖于作物生长不同生育期内的水资源和土壤水的保持[2]。据民政部1949年-2003年的统计，中国平均每年受旱耕地面积约2 2316万hm2，约占各种气象灾害影响耕地面积的60%，因旱灾每年损失粮食100亿kg[3]。2009年春天的黄淮海平原大旱，以及2009年秋冬至2010年春天的西南特大重度干旱给我国农业生产与粮食安全构成了严重威胁。华北地区近20多年来干旱不断加剧的形势十分严峻，从1970年代后期开始至今，华北的干旱不断加剧，20世纪90年代后期以来华北地区更是连年出现大旱[3]。霍治国等[4]也指出华北地区最严重的农业气象灾害是干旱，受旱和成灾面积分别占全国受旱和成灾面积的47%和51%。虽然不同学科对干旱有着不同的理解和定义，但农业干旱总是以一定时间和空间范围内降水缺少，并造成农业减产为特征的[5]。准确地评估与监测干旱的发生发展，是进一步采取科学的对策以减少其不良影响的关键，目前国内外研究农业干旱的方法多是制定出各种各样的干旱评估指标。关于干旱指数的计算和干旱评估方法的研究，在华北平原或黄淮海平原范围内有过大量的报道[623]，但这些研究成果中，所采用的干旱指数多为气象干旱指标，如以Z指数[67]、降水距平和减产率[812]、标准化降水指数[1316]、Palmer干旱指数[1718]、干旱综合指数值[1920]等居多；其他的，刘建栋等[21]建立了具有明确生物学机理的华北农业干旱预测数值模式，袁国富和吴连海[22]使用减产的程度衡量作物干旱程度，康西言等[23]采用作物水分生产函数，严登华等[24]结合累积相对湿润度指数和模糊集对评价法研究了干旱问题。Wu等[25]指出精确的土壤含水量模拟对于评价和预报农业干旱是必要的，也是重要的，土壤含水量要比降雨重要。在采用土壤含水量作为干旱指标方面，房稳静等[26]、郭晶等[27]、尹正杰等[28]、陈晓楠等[29]、Hunt等[30]、Wu等[25]在不同的地区做过一些研究。在这些以土壤含水量作为农业干旱指标的研究中，尚未见到对黑龙港地区内农业干旱的时空分析。

黑龙港地区气候干旱少雨，水资源严重匮乏，是华北平原的干旱中心，目前其闻名于世的是由于深层地下水超采而形成的深层地下水大漏斗，并且这些漏斗正在逐年扩大加深，节水的任务艰巨而迫切[31]。针对水资源不足和作物高产之间的矛盾，中国农业大学的研究人员们在河北省吴桥县进行了多年试验研究，形成了“冬小麦节水省肥简化高产四统一栽培技术”，在浇好底墒水和生育期间浇1～2水（每次灌溉75 mm）的条件下，产量达到6 000～7 500 kg/hm2，成功地实现了节水、高产、高资源效益三者的统一。河北省将这套节水技术体系定为“吴桥模式”，并大面积推广应用[3233]。本研究尝试用土壤相对湿度干旱指数作为农业干旱指标，分析农民方案和基于“吴桥模式”的优化方案下黑龙港地区冬小麦-夏玉米轮作体系下冬小麦生育阶段的干旱发生风险及其时空变化规律，探讨长期使用“吴桥模式”在该地区应用的农业干旱风险，以期为准确评估冬小麦各生育阶段的干旱风险和合理制定灌溉制度、有效的采取相应的防旱抗旱预案提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 资料来源

根据收集的来自气象、国土、水利和农业等部门的监测与统计资料，应用经过验证的农业生产系统模型（APSIM）的模拟结果[34]来进行分析研究，有关站点上模型率定的过程，可参考文献[35]。为了验证在区域上模型参数的可靠性，我们将在黑龙港地区所采集的31个2 m深的土壤剖面（简记为31个点）上模拟的产量进行空间插值，然后与县域尺度的统计年鉴产量进行了对比。在模拟结果中选出了两种情景，一种是农民情景，是指管理措施参照农民的施肥量和灌溉量及其他日常管理，冬小麦的灌溉时期概化为越冬、拔节、抽穗和灌浆期。施肥管理概化为：冬小麦施播前肥和拔节肥，施氮肥的基追比为1∶2。该方案的1985年-2005年冬小麦产量模拟值与县域上年鉴产量[36]的平均相对误差为624%，证明我们对农民方案的概化是可靠的。优化情景是基于“吴桥模式”设置的9种节水省氮方案所选出的保证粮食产量、水分利用效率和氮肥偏生产力都较优的方案基础上进行晚播增密设置后的方案，即在现有冬小麦播种日期的基础上晚播10天，对冬小麦的播种密度增至750万株/hm2。在灌溉上，冬小麦一般在播前、拔节、开花期灌溉，每次灌溉量为75 mm；施肥时间与农民方案一致，但施肥量方面进行了优化。具体的，可参考文献[37]中的节水省氮情景的设定。在模拟中我们考虑了冬小麦-夏玉米轮作，但在此仅分析展示冬小麦生育期的农业干旱情况。

2 结果与分析

2.1 冬小麦生育期内水分变化特征

图1显示了1961年-2005年冬小麦生育期内的作物蒸散量（ETa）、降水量（P）和土壤相对湿度的变化动态。整个冬小麦生育期降雨量较少，45年来平均降水量为151 mm，而平均的实际蒸散量农民方案为269 mm，优化方案为347 mm，降水量不能满足作物需水量。农民方案的蒸散量模拟的偏小，可能跟早期灌溉量较少、小麦产量模拟的较低有关。由农民方案和优化方案两种情景下0～50 cm土层的平均土壤相对湿度可以看出，两种土壤相对湿度基本与降雨量成正相关，通常降雨较多的年份，土层的土壤相对湿度也较高；优化情景中的土壤相对湿度明显小于农民情景，但两者的变化趋势一致。冬小麦生育期内两种方案的多年平均土壤相对湿度分别为83%和71%。按照表1中的标准，无论哪种情景的平均土壤相对湿度均属于无旱等级，但实际上在冬小麦的有些生育阶段有干旱的发生，所以还需要分生育期来讨论。

2.2 冬小麦各生育阶段干旱发生频率变化

特征

利用公式（1）和（2）计算了在黑龙港地区31个点1961年-2005年冬小麦各生育期干旱的发生频率，统计结果见表2。从表2可以看出，对于冬小麦整个生育期来说，农民方案中发生干旱频率较高的时期是播种越冬期，约有49%，并且特旱发生的频率达到了10%，这是因为农民方案中没有灌溉播前水而是在越冬时期灌溉，从而在这一时期发生了干旱。返青到拔节时期由于耗水量大，所以有大约28%的站点发生了不同程度的干旱；其他生育期干旱发生的频率基本在4%以下。优化方案由于浇足了底墒，所以播种越冬期内发生干旱的频率较农民方案有所下降，大约为17%，越冬返青期、返青拔节期及灌浆收获期是干旱发生频率较高的时期，分别为52%、40%和62%。虽然在灌浆收获期发生了干旱，但不会影响冬小麦的产量（限于篇幅，在此未列出）。总体来说，由于优化方案的总灌溉量远小于农民方案的，优化方案的干旱发生频率要高于农民方案的；尽管如此，优化方案在产量和水分利用率方面的表现要优于农民方案，所以是可取的。

2.3 基于土壤相对湿度干旱指数的冬小麦

各生育阶段干旱空间分布特征

根据公式（1）计算了31个点的1961年-2005年每年冬小麦各生育期的土壤相对湿度，并按表1的分级标准进行了干旱等级划分，然后对这31个点的多年平均土壤相对湿度值进行kriging插值得到其空间分布并在区域上进行分级显示（图2）。比较图2（a）和图2（b）可见，农民方案在播种到越冬期有许多地方发生了干旱，是因为农民方案没有灌溉播前水，而我们的优化方案，在这一时期仅有2个点发生了轻旱。在越冬返青期（图2（c）和2（d）），由于农民方案有越冬水，所以这个时期的土壤相对湿度要高于优化方案的。虽然优化方案里邢台市周围有7个点发生了中旱，但据吴东丽等[10]的研究，在苗期和越冬期，冬小麦处于营养生长阶段，水分亏缺并不直接影响产量的形成，加之气温较低，土壤蒸发能力较弱，小麦耗水较少，故对水分亏缺并不十分敏感。在返青拔节期（图2（e）和2（f）），农民方案中有6个点发生了轻旱，但在区域上内仅邢台和邯郸的小部分地区发生了轻旱；而优化方案中有6个点发生了中旱，位于研究区内的邢台市和邯郸市的县域的土壤相对湿度都在50%～60%之间，属于轻旱类型。在拔节期，冬小麦由营养生长逐渐转入生殖生长阶段，叶面积逐渐增大，加之土壤蒸发能力日益增强，小麦耗水量也日益加大，作物产量对水分亏缺越来越敏感[10]。两个方案都有拔节水，故而拔节孕穗这一时期的土壤相对湿度要高于上一生育期，优化方案虽然有一个点发生了轻旱，但整个区域的土壤相对湿度也达到75%以上（图2（g）和2（h））。由于拔节孕穗时期是小麦生长的关键期，对穗数和穗粒数影响最大[32]，缺水会造成减产，所以要保证这一段时期的土壤墒情。但农民方案的灌溉量明显过大，使得整个区域的土壤相对湿度基本都高于田持的90%。在孕穗抽穗期（图2（i）和2（j）），这一时段水分供应较充分，只有优化方案中有1个点发生了轻旱，两种方案在这个研究区上的土壤相对湿度都大于70%，但土壤相对湿度小于上一个生育期的。在抽穗灌浆期（图2（k）和2（l）），由于农民方案这一时期有灌溉，所以土壤贮水量继续增高，优化方案由于上一时期的灌溉水分继续向下运动，这一时期0～50 cm土体的土壤贮水量较上一时期有所下降，但整个研究区的土壤相对湿度也都大于70%，这说明农民方案中的抽穗水可以省略。吴东丽等[10]指出，在抽穗开花期，冬小麦叶面积最大，作物产量对水分亏缺最为敏感；而农民方案和优化方案都保证了这一时期的充分供水。在灌浆收获期（图2（m）和2（n）），农民方案由于有灌溉，0～50 cm土层中的土壤相对湿度大于90%，没有干旱现象的发生；而优化方案的土壤含水量较上一时期有明显的下降。农民方案的土壤相对湿度仍然处于超过田持90%的状态，优化方案中有多于1/2的点出现了干旱，其中有8个点还发生了中旱，整个研究区大部分地区的土壤相对湿度处于50%～60%，属于轻旱。然而在灌浆成熟期，冬小麦籽粒趋于饱满，水分亏缺对产量形成的影响渐小[10]，所以我们的优化方案在这个时期虽然出现了干旱，但对产量的影响不大。

2.4 冬小麦各生育阶段土壤相对湿度干旱

指数的年际变化特征

将整个研究区31个点每年的冬小麦生长的7个阶段的土壤相对湿度取平均后，分析冬小麦各生育时期的土壤相对湿度干旱指数在1961年-2005年间的年际变化。由图3可以看出，总的来说，农民方案的土壤相对湿度的年际变化较优化方案的年际变化要平缓，这可能是由于农民方案供水较充足，在拔节期以后土壤相对湿度一般在80%～100%间波动，农民方案中，各生育期年际间变异较大的为播种越冬期、返青拔节期和孕穗抽穗期；农民方案由于灌溉量大，反映不出枯水年年份，而优化方案中土壤相对湿度较低的年份一般对应的是枯水年和特枯水年。从5年移动平均线可以看出，两种方案在各生育期内的平均土壤相对湿度变化趋势基本一致。在播种越冬期，优化方案的土壤相对湿度高于农民方案的，两者都是在1967年前呈下降趋势，1967年-1978年间呈缓慢增加趋势，1978年-1983年呈急速下降趋势，1983年以后波动平缓。在越冬返青期，农民方案由于有越冬水，土壤相对湿度的年际间变化不明显，而优化方案的土壤相对湿度在1967年前呈下降趋势，1967年-1978年有缓慢增加趋势，1978年-1985年下降幅度较大，1985年-2005年间呈波动状态。返青拔节期，两种方案的土壤相对湿度都是在1990年和1997年最高，而在1999年和2002年最低。在拔节期以后，两种方案都是在1961年-1964年呈上升趋势、1964年-1968年呈明显的下降趋势，1968年以后成波动状态，但总体上有略微下降趋势。综合这几个时期土壤相对湿度的变化情况，在拔节期之前，1978年之前为年际间变化相对平缓的时期，1978年-1985年有一明显的下降趋势，1985年以后变化也相对平缓，但波动幅度比1961年-1978年间的幅度大。拔节期以后，1961年-2005年间两种方案均呈缓慢下降趋势，1998年-2003年间的下降幅度增大，但2003年-2005年稍有所回升。以干旱较严重的位于邢台市广宗县的站点为代表，在1961年-2005年间，优化方案相比农民方案可节水2 010 mm，这些水如果按照优化灌溉方案，大约可提供该站点9季冬小麦的生长。如果全区31个点在1961年-2005年间，均按照优化方案灌溉，相比农民方案总共可节水61 785 mm。

3 结论

基于模型模拟的1961年-2005年黑龙港地区31个点的土壤含水量动态，计算得到了冬小麦各生育期的土壤相对湿度干旱指数，分析了两种方案下该地区农业干旱的时空分布特征。结果表明，（1）对于冬小麦整个生长发育阶段来说，农民方案中发生干旱频率较高的时期是播种越冬期和返青拔节期，优化方案中越冬返青期、返青拔节期和灌浆收获期是干旱发生频率较高的时期；干旱均以轻旱为主，中旱次之。虽然优化方案发生干旱的风险高于农民方案的，但并不影响优化方案的产量和水分利用率，还是值得推广的。（2）从两种方案的土壤相对湿度干旱指数的空间分布图可知，对于冬小麦各生育期，黑龙港地区的西部地区的土壤相对湿度干旱指数要小于东部，说明西部发生干旱的风险要大于东部，易发生干旱的地方多位于邢台、衡水南部和邯郸北部。（3）从冬小麦不同生育阶段土壤相对湿度干旱指数的年际变化特征看，在冬小麦各生育阶段，优化方案和农民方案的变化趋势基本一致，优化方案的土壤相对湿度干旱指数虽然小于农民方案的，但优化方案45年间在全区31个点可节水61 785 mm。

当然，此研究也有一些局限性：由于收集到的评价标准、资料中未涉及到其他层次的土壤相对湿度对应的农业干旱的评判标准，所以只选择了较浅的50 cm土层用于农业干旱的评价。受收集的资料限制，在模拟时简单的将整个黑龙港地区分为南北两个分区，以保定和沧州为界，北部的沧州、保定、廊坊市的县（市）采用沧州吴桥的农民方案、作物品种，南部的衡水、邢台和邯郸的县（市）采用邯郸曲周的农民方案、作物品种；并且在45年的模拟时段里，由于缺乏比较详细的品种变化资料，没有考虑实际生产中的品种更替；在模拟时，不能满足每一个模拟站点所在县域有相对应的气象站点，基本上是每个地级市一个气象站，这些都会对模拟结果有影响。总体说来优化方案发生干旱的风险要高于农民方案的，但基于“吴桥模式”的优化方案充分发挥了根系带的土体水库功能，减少了灌溉水，能够高效利用土壤水，并创造前期和后期上层土壤适度水分亏缺的环境，从而可减少氮素损失。优化方案在黑龙港地区的应用表明“吴桥模式”可在黑龙港地区推广，它在一定程度上可规避干旱风险，同时能达到节水、稳产的目标。参考文献（References）：

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