太行山山前平原是河北省小麦、玉米、大豆、油菜、棉花的主产区, 近几十年来, 以中国科学院栾城农业生态系统实验站为基础进行了大量农业节水研究^[1~2], 从而奠定了该站在华北平原特别是山前平原农业水管理研究中的地位。该站位于河北省石家庄市栾城县东南, 北纬37°50′, 东经114°40′, 海拔50.1 m, 属暖温带半湿润半干旱气候, 可代表太行山前华北平原高产农区的农业生产概况。区域内地势平坦开阔, 土层深厚, 质地良好, 也是华北平原的主要粮食生产区。降水是该区水资源的重要补给源, 降水通过对作物的水供给以及对地下水的补给, 对当地的农业生产有重要影响^[3]。降水异常及其导致的旱涝灾害是影响作物产量的主要气象因子。因此, 研究这一区域降水量的波动变化规律及其在不同作物生育期的分配状况, 对其发生发展的长期趋势作出预测具有十分重要的意义。关于华北地区的降水特征分析已有不少研究, 如年际分析、年代际特征分析及其趋势预测^[4~8]、季节降水时空特征分析^[9]等等。这些研究多侧重区域分析, 很难避免进行空间平均时不削弱某些点的特征, 而定位的深入分析尚少见报道。

本研究的目的是试图通过分析这一地区的自然降水特征, 用小波分析的手段, 寻找其时间分布规律, 为该区农作物节水生产管理提供决策依据, 为进一步研究该区降水与地下水动态、作物耗水、粮食产量关系提供基础。该站地处太行山山前平原, 宏观下垫面相对均一, 其定位研究对其他类似地区亦有一定的借鉴意义。

小波分析自提出以来, 目前在许多领域应用并取得了大量的研究成果, 为探讨华北地区长期旱涝趋势的可预报性提供了信息^[10~14]。本文采用在水文资料分析中常用的Mexican Hat函数对降水时间序列按照全年和冬小麦生育期进行详细分析, 以期发现其变化趋势。

本研究选取栾城农业生态系统实验站1960~2001年降水量进行分析。通过对不同时间尺度 (包括全年和冬小麦不同生长季) 降水量进行小波分析, 探讨降水量的变化特征。

表1是栾城站降水量的统计特征, 由表可知, 年降水量变化最大。冬小麦生育期降水量的标准差相对较小, 但各阶段降水量的最小值均小于5 mm, 对冬小麦的生长无益。在冬小麦生育期, 最大、最小降水量与平均值之比分别为2.5和0.4。其中, 冬小麦生育期中的4月最大值为多年平均值的6.8倍。

由此可知, 不管是年降水量, 还是冬小麦各生育期的降水量, 都表现出非稳定性。为了获得40多年来作物生长期间降水量的变化, 有必要运用谱分析方法对其数据系列进行分析。

表 1

表 1 栾城站年降水量及冬小麦生育期降水量统计特征

表 1 栾城站年降水量及冬小麦生育期降水量统计特征

1960~2001年降水资料的分析结果表明, 42年平均降水量为480.3 mm, 其中1963年为百年罕见的暴雨年, 降水量达1047 mm, 降水量贡献主要来自当年8月, 降水量达751.9 mm, 其他各月较多年平均降水量还少54.3 mm。最旱年发生在1972年, 年降水量仅244.1 mm, 最大与最小值相差达3.3倍之多, 变幅达803.9 mm。为消除周期变化, 对数据进行3年滑动平均处理, 其变化趋势表明, 42年来栾城降水量呈逐渐下降的趋势。降水的丰枯趋势大致可分为:20世纪60年代偏多, 70年代正常, 80年代以后偏少, 1980~2001年年平均降水量仅414.5 mm, 较平均值低13.7 %, 这与华北平原20世纪80年代以来降水量变化的大趋势相同^[15]。

栾城站多年降水的年内分配分析可知, 在季风气候影响下, 该区降水主要集中在夏季, 6~9月降水量达364.7 mm, 占全年降水量的75.9 %, 而且常以暴雨形式发生。在过去42年中, 7月降水量最大, 达137.9 mm, 8月次之为130.8 mm, 6月和9月相近分别为47.0 mm和49.0 mm。根据气象学上常规划分, 该站夏季 (6~8月) 多年平均总降水量为315.7 mm, 占全年降水量的65.7 %, 秋季 (9~11月) 为90.1 mm, 占18.8 %, 冬季 (12月至次年2月) 和春季 (3~5月) 分别为12.7 mm和61.7 mm, 分别占全年降水量的2.6 %和12.9 %。由此可知, 秋季降水可一定程度上补给冬小麦播种、出苗所需水分, 但由于冬季该区基本无雨雪补给, 秋季降水不足以满足冬小麦越冬耗水需求, 必须通过灌溉补充。

全年降水量变化的小波分析结果见图1, 图中通过小波变换系数的正值 (实线) 和负值 (虚线) 的交替来表示, 零线用标注0的实线表示。为了更好地分析年降水量的周期演变特征, 分为2年、5年、10年、20年和40年时间尺度, 描绘了数据的小波变换结果 (见图1)。由图1可知, 在不同时间尺度上的周期变化不同, 在40年以上的较大时间尺度上降水变化总体可分为两个阶段:即l975年前的偏多期和其后的偏少期; 10~30年可分为三个阶段:60年代末以前的偏多、1997年以后的偏少和这期间的动荡期; 在较小时间尺度上存在5~7年的周期变化。在前20年中有7年左右的偏少期, 大致为1968~1975年, 而在1975年以后的偏少期中还存在一个6~7年的偏多和偏少的交替变化。由这些趋势分析, 今后10年内, 年降水量的总体趋势依旧偏少, 5年内为少中有稍偏高于平均降水量的趋势。

图 1

图 1. 栾城站年降水量的小波分析 (a) 与不同时间尺度周期演变特征 (b)(1960~2001年)

由图2、3可知, 该区冬小麦全生育期 (10月至次年5月) 周期变化比全年变化稍平缓, 与全年变化不同, 从20~40年长时间尺度分析, 均存在较明显的4个阶段的交替变化, 即1967年以前的偏多期、1967~1983年左右的偏少期、1984~1994年左右的偏多期、1995年以后的偏少期。在长周期变化下还隐藏着短周期变化趋势, 但这些周期变化与全年相比比较模糊, 1985年以前偏多和偏少周期大致为4~6年, 而其后这种变化变得不明显, 并可能1~3年内存在稍高于平均降水量的趋势。由于降水量相对稳定, 冬小麦的生长受降水量影响也相对较小。灌溉是满足其生长的主要水量供给。

图 2

图 2. 不同时间尺度冬小麦全生育期降水量的小波变化

图 3

图 3. 冬小麦各生育期降水量的小波分析

10~11月是冬小麦的苗期, 降水量和灌溉量的多少将直接影响冬小麦的出苗、长势和有效分蘖, 是基本苗的保证, 期间降水状况将影响底墒水的灌溉量。期间降水量的大趋势以20年为尺度看, 1974年前偏多, 1975~1981年偏少、1982~1994年偏多、1995~1998年偏少、1999年以后稍有偏多。在1974年前的偏多中又含有2个分别约4年和3年的偏少期。同样在1982~1994年的偏多期也存在偏少。由图可知期间降水量的极值出现在1979年。近年的苗期降水量仍处于多于平均年。

充足的越冬水是冬小麦正常过冬的保证。12月至次年2月的降水量小波分析结果表明, 该期间的变化周期约为15年, 其偏多和偏少的变化较均匀。在小尺度上还大致有3年左右的小周期, 但不是很明显。2001年后进入偏多期, 冬季降雪增加将有助于冬小麦过冬, 利于冬小麦增产。

3月大致为该区冬小麦的返青和起身期, 该期降水量的多少对其返青和起身有一定影响, 多年平均降水量仅10.7 mm。图3表明, 期间降水量存在30年的大周期和10年左右的小周期变化, 2000年以后一直处于偏少期, 加之该期风大, 在长势不好时, 起身水仍有必要灌溉, 以保证齐苗。

4月的降水总体上周期不明显, 大致可以分为2个阶段:1975年以前周期为5~6年, 其后周期为10年左右。虽然多年降水量不高, 仅19.0 mm, 但多雨年降水量也达30 mm左右, 此期正值冬小麦拔节孕穗, 是决定产量的关键期, 可以缓解旱情和减少灌溉量。近年处于偏多期。

从30年时间尺度看, 冬小麦抽穗-灌浆-成熟期的5月降水量在1965~1976年偏少, 1995年以后偏少, 其他年偏多。1982年以前变化周期大致为5~8年, 1962~1965;1970年前后; 1977年前后偏多, 其他时段偏少。1983~1996年期间周期变化不明显, 此后大致有5年的周期, 预计2005年前仍以干旱为主, 灌溉仍为产量的重要保证。

对栾城站40年来的降水量资料进行详细分析, 结果表明:该区多年平均降水量为480.3 mm, 最大降水量达1047 mm, 最小仅244.1 mm; 降水量的年内分配以6~9月为主, 占全年总降水量的75.9 %; 冬小麦生育期降水量为117 mm, 主要靠灌溉补给。

对全年和冬小麦生育期降水量的小波分析表明:40年来全年降水量变化可分为1980年前的偏多期和其后的偏少期; 20世纪60年代末以前的偏多、1997年以后的偏少和这期间的动荡期; 在较小时间尺度上存在5~7年的周期变化, 今后10年内年降水量的总体趋势依旧偏少, 5年内为少中有稍偏高于平均降水量的趋势。

冬小麦全生育期均存在较明显的4个阶段的交替变化:1967年以前的偏多期、1967~1983年左右的偏少期、1984~1994年左右的偏多期、1995年以后的偏少期。可能在1~3年内存在稍高于平均降水量的趋势。近年的苗期降水量仍处于多于平均年。12月至次年2月降水量2001年后进入偏多期, 3月一直处于偏少期, 4月近年处于偏多期。5月降水量预计2005年前仍以干旱为主, 灌溉仍为产量的重要保证。

小波分析结果表明, 分时段的降水量并无一个稳定周期, 而是变周期, 各时段的周期性差异很大。该地区年降水量较低, 近2年有稍偏多的趋势, 偏多量集中在冬小麦生育期。

上述降水量结果表明, 在当地一年两熟的种植制度下, 冬小麦主要靠灌溉补给, 通过各种农艺和工程节水措施达到作物蒸散耗水与产量的边际效益最大, 将是我们实施节水管理追求的目标。在过去对降水量进行小波分析的研究中, 主要是分析降水的特征^{[6, 8, 12, 16]}, 本研究在分析降水特征的同时, 围绕华北主要农作物冬小麦各生育期的降水量进行了较详细的讨论, 使我们对基于作物的降水分配有了进一步的认识。通过分析, 为我们如何根据降水量的时空分配与节水措施实现优化组合提供了依据。

此外, 在全球变化和人类活动影响的大背景下, 降水量的变化必然与温度以及人类活动特别是农业水管理发生密切联系。降水量的变化趋势及其与其他因素的关系仍有待进一步研究。