氣候變暖對河西走廊綠洲灌區(qū)主要作物需水量的影響

王鶴齡，?？×x，王潤元，呂曉東

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州730720；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室 中國氣象局干旱氣候變化重點開放實驗室，甘肅 蘭州730020；3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州730070）

河西走廊綠洲灌區(qū)是指在極端干旱的沙漠地區(qū)，由于水源的存在（地下泉水或冰川融水）而發(fā)展起來的農(nóng)業(yè)，水資源不足是該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要限制因素［1－3］。河西走廊地處東亞季風(fēng)區(qū)，是我國重要的糧棉主產(chǎn)區(qū)之一，適宜多種糧食及經(jīng)濟作物生長，播種面積最大的3種作物為春小麥（Triticumaestivum）、春玉米（Zeamays）和棉花（Gossypiumhirsutum）［1－6］。但綠洲灌區(qū)水資源短缺，干旱災(zāi)害頻繁，是重要的氣候脆弱區(qū)之一。

作物需水量是農(nóng)田水分循環(huán)系統(tǒng)中最重要的因素之一，它是水利工程規(guī)劃設(shè)計及節(jié)水農(nóng)業(yè)研究中非常重要的參數(shù)，作物的需水規(guī)律是制訂作物合理灌溉制度和作物水分科學(xué)管理的基礎(chǔ)。作物需水量可由實測土壤水分通過水量平衡法計算得到，也可由綜合的氣候?qū)W方法計算得到。土壤水量平衡法是根據(jù)水量平衡的原理，在分析時段內(nèi)田間作物土壤儲水量的差值、降水量、地下水補給量、灌溉水量、地面徑流量、土壤水分滲漏量的基礎(chǔ)上，根據(jù)水量平衡方程計算作物時段內(nèi)的蒸發(fā)蒸騰量，該方法計算簡單直接，但受觀測值測量精度的影響，使得土壤水量平衡的最短時間間隔通常達到1周左右，計算精度與實際情況相距甚遠［7，8］。

綜合的氣候?qū)W方法是指以能量平衡原理為基礎(chǔ)的Penman公式法，只需利用常規(guī)氣象資料便可較為準確地計算出參考作物的需水量，該法已成為計算參考作物需水量的一種主要方法。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）在1977年推薦經(jīng)修改后的Penman公式來確定參考作物需水量，首次充分利用了參考作物需水量和作物系數(shù)的概念，但因晝夜風(fēng)速修正系數(shù)（u）與眾多因素有關(guān)，使得該公式在實際運用時受到一定的限制［9］；此后，聯(lián)合國糧農(nóng)組織又在1979年提出了Penman修正公式，該公式雖精度略低，但便于運用。由于Penman－Monteith方法不需要專門的地區(qū)率定和風(fēng)函數(shù)等，使用一般氣象資料即可計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，此法的實際運用價值和計算精度都比較高［10］。國內(nèi)許多學(xué)者也對參考作物需水量進行了相關(guān)研究。史海濱等［11］通過實驗論證，認為Penman－Monteith方法計算值比較接近實際值，適用范圍廣，使用一般氣象資料即可計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量。孫景生等［12］利用Penman－Monteith公式對逐旬參考作物需水量在年內(nèi)、年際間的變化進行了分析。

由于土壤水分的不易獲得性及其空間變異性，綜合的氣候?qū)W方法得到廣泛應(yīng)用［13，14］。但氣候變化對我國不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)需水將產(chǎn)生怎樣影響，為此，本試驗以極端干旱區(qū)敦煌和干旱區(qū)武威地區(qū)為研究對象，通過假定不同的溫度情景，對這一問題進行探討。研究氣候變化對本區(qū)主要作物需水量的影響，將為盡早建立預(yù)報、預(yù)警系統(tǒng)，緩解水資源供需矛盾，制定防災(zāi)、減災(zāi)提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

全球變暖已成為不爭的事實。過去100年來，全球平均溫度已升高0.60～0.70℃。近幾十年來，我國地面平均溫度上升了0.80～1.50℃［15，16］。西北地區(qū)是中國氣候變暖最敏感的地區(qū)之一，據(jù)統(tǒng)計，西北地區(qū)年平均氣溫1987－2003年比1961－1986年升高了0.70℃，冬季氣溫升高幅度最大，為1.37℃，春、夏、秋季分別升高0.33、0.40及0.73℃，≥0℃年積溫平均增加了112℃，≥10℃年積溫平均增加了107℃，＜0℃負積溫的絕對值平均減少137℃［17］。根據(jù)部分研究預(yù)測，到2080年，我國西部氣溫增幅為1.5～3.9℃［18］。氣候變暖有可能使我國21世紀面臨更嚴重的水資源危機。

在甘肅河西走廊綠洲灌區(qū)選取了2個有代表性的氣象站點敦煌站和武威站，分別代表極端干旱區(qū)和干旱區(qū)。敦煌站海拔為1 138m，由于地處內(nèi)陸，氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，日照時間長，年平均降水量39.9mm，蒸發(fā)量2 486mm，全年日照時數(shù)為3 246.7h，年平均氣溫為9.4℃，月平均最高氣溫為24.9℃（7月），月平均最低氣溫為－9.3℃（1月），年平均無霜期142d，屬典型的暖溫帶極端干旱性氣候。武威站位于甘肅省中部的河西走廊上，日照充足，溫差大，年平均氣溫8℃左右，年平均降水量170mm左右，日照時數(shù)2 200～3 000 h。本試驗只研究氣候變暖對棉花、玉米和小麥三大作物需水量的影響。作物需水量可由實測土壤水分通過水量平衡法計算得到，也可由綜合的氣候?qū)W方法計算得到。由于土壤水分的不易獲得性及其空間變異性，綜合的氣候?qū)W方法得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的公式［19］，在土壤水分不成為限制因素的條件下，作物需水量計算公式為：

式中，ETm為作物需水量；Kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸散量。

式中，ET0：參考作物需水量（mm／d）；Rn：作物表面凈輻射（MJ／m2·d）；G：土壤熱通量（MJ／m2·d）；T：2m高度處平均氣溫（℃）；U2：2m 高度處24h平均風(fēng)速（m／s）；VPD：2m高度處水汽壓差（kPa）；Δ：飽和水汽壓斜率（kPa／℃）；γ：干濕球常數(shù)（kPa／℃）（以上各要素計算公式略）。

FAO確定了不同作物不同生長階段的Kc值（表1）［16］。由公式（1）可見，參照作物蒸散量是影響作物需水量的關(guān)鍵因子，而在影響的諸多氣象因素中，溫度是最為重要的因素。因此，氣候變暖將主要通過溫度的變化影響作物對水分的需求。

氣候變化情景的獲得，除了可以通過運行大氣環(huán)流模式（GCM）外，簡單的方法是使用一些假定的氣候要素變化，例如溫度升高1℃或降水量減少10%等，甚至可以在一定范圍內(nèi)進行不同溫度、降水梯度的敏感性分析。本試驗將采用第2種簡單的方法，即假定溫度變化情景。據(jù)英國Hadley模型的預(yù)測，到2080年我國西北地區(qū)各月平均氣溫將上升1.5～3.9℃［13］，故假定未來溫度情景為上升1～4℃。

根據(jù)各氣象站歷年逐月的平均氣象數(shù)據(jù)，在3種作物生長期內(nèi)溫度分別增加1～4℃、而其他氣象要素保持不變的情景下，逐年計算3種作物的需水量，最后取多年平均值作為氣候變化的影響結(jié)果。

表1 作物不同生育階段Kc取值Table 1 The Kcvalue of crops in different development periods

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物需水量對氣候變化的響應(yīng)差異

圖1為3種作物在生長期內(nèi)溫度分別增加1～4℃時，需水量相應(yīng)增加的百分數(shù)。圖1中2個站點的結(jié)果一致表明，隨溫度上升，3種作物的需水量隨之增加。其中氣候變暖對棉花需水量的影響最大，其次是玉米和春小麥。在給定溫度情景下，敦煌、武威2個站點棉花的需水量將依次增加2.17%～12.03%，2.60%～12.66%；玉米需水量將依次增加1.90%～10.85%，2.40%～11.49%；春小麥需水量依次增加1.80%～9.39%，2.13%～10.03%。將所有站點的結(jié)果綜合來看，當(dāng)溫度上升1～4℃時，河西綠洲灌區(qū)棉花、玉米、春小麥的需水量將分別增加2.17%～12.66%，1.90%～11.49%，1.80%～10.03%。

由于棉花、玉米和小麥3種作物有各自的生長發(fā)育特點，故其需水特性有很大差異。僅從需水增加的百分數(shù)只能了解氣候變暖影響的一個側(cè)面。例如，對于不同作物，在需水增加百分數(shù)相同的情況下，對應(yīng)的絕對需水增加量會不同，故有必要從絕對增加量上進一步分析氣候變化的影響。圖2是給定溫度情景下3種作物需水量絕對數(shù)量的變化情況。

圖1 給定溫度情景對作物需水量的影響Fig.1 The impact of given temperature scenario on water requirement

圖2 給定溫度情景對作物需水量絕對值的影響Fig.2 The impact of given temperature scenario on water requirement absolute value

圖2和圖1的趨勢完全相同，但氣候變暖對玉米和棉花需水量的影響在武威表現(xiàn)得更為一致。氣候變暖對棉花和玉米的絕對需水量的影響最大，對小麥影響次之。當(dāng)溫度上升1℃時，棉花、玉米、小麥需水量將增加15.00～15.90，14.60～16.50，9.70～10.40mm；當(dāng)溫度上升2℃時，3種作物的需水量依次增加29.00～29.90，28.50～29.20，17.40～18.50mm；當(dāng)溫度上升3℃時，3種作物的需水量依次增加47.90～50.00，48.50～50.00，31.40～32.20mm；當(dāng)溫度上升4℃時，3種作物的需水量依次增加77.90～83.00，77.50～82.50，49～50.70mm。

綜合各站點的結(jié)果來看，當(dāng)溫度上升1～4℃時，河西綠洲灌區(qū)棉花需水量將增加15.00～83.00mm；玉米需水量將增加14.60～82.50mm；小麥需水量將增加9.70～50.70mm。

2.2 作物需水量對氣候變化響應(yīng)的區(qū)域差異

在給定溫度情景下，敦煌棉花、玉米和小麥的需水量將分別增加15.00～83.00，14.60～82.50，9.70～50.70mm；武威相應(yīng)3種作物的需水量將分別增加15.90～77.90，16.50～77.50，10.40～49.00mm?？梢?，不同地區(qū)同一種作物對氣候變暖的響應(yīng)存在差異。為方便分析，將同一種作物不同地區(qū)的結(jié)果繪于圖3。

不論棉花、玉米還是小麥，不同區(qū)域的作物需水量隨著溫度的增加出現(xiàn)了差異（圖3）。當(dāng)溫度增加1℃時，對武威作物需水量的影響略大于敦煌，武威棉花、玉米和小麥的需水量將依次增加15.90，16.50，10.40 mm；敦煌的相應(yīng)作物需水量增加15.00，14.60，9.70 mm，比敦煌分別高了6.00%，13.00%，7.20%。當(dāng)溫度增加2℃時，武威和敦煌的作物需水量幾乎相當(dāng)。當(dāng)溫度增加3℃時，則對敦煌作物需水量的影響大于武威，敦煌棉花、玉米和小麥的需水量將依次增加50.00，50.00，32.20mm，武威的相應(yīng)作物需水量增加47.90，48.50，31.40mm，比敦煌分別低了2.10，1.50，0.80mm。當(dāng)溫度增加4℃時，敦煌棉花、玉米和小麥的需水量將依次增加83.00，82.50，50.70mm，武威的相應(yīng)作物需水量增加77.90，77.50，49.00mm，比敦煌分別低了5.10，5.00，1.70mm。

2.3 氣候變化對灌溉需水量的影響

目前，河西灌區(qū)作物生長所需水分主要來自天然降水和灌溉補充。因此，灌溉需水量可以認為是作物需水量與天然降水之差，即：

式中，IR：灌溉需水量（mm）；P：降水量（mm）。根據(jù)近50年的氣象資料，各站主要作物生長期內(nèi)多年平均降雨（mm）見表2。

根據(jù)公式3，計算出各站點凈灌溉需水量（表3）。氣候變暖仍然對玉米和棉花的灌溉需水量影響最大。就棉花而言，敦煌將由目前684.10mm上升到699.00～767.00mm；武威由目前的524.80mm上升到540.80～602.80mm；對玉米來說，敦煌由目前的754.30mm上升到768.80～836.70mm；武威由目前的586.60 mm上升到603.10～664.10mm；對小麥來說，敦煌由目前的536.30mm 上升到546.00～587.00mm，武威由目前的437.60mm 上升到448.00～486.00mm。氣候變暖使各地作物的缺水形勢進一步加劇。

由于河西綠洲灌區(qū)降水極度匱乏，特別是處于極端干旱區(qū)的敦煌。所以綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展主要依靠冰川消融的水進行灌溉。根據(jù)河西綠洲目前的種植結(jié)構(gòu)，棉花、玉米和小麥的播種面積依次為93.90，112.12，140.80千hm2［21，22］。據(jù)此估算，當(dāng)溫度上升1～4℃時，將使整個地區(qū)棉花的灌溉需水量增加0.11、0.21、0.37、0.62億 m3；玉米的灌溉需水量增加0.16，0.33，0.56，0.93億 m3；小麥的灌溉需水量增加0.14，0.26，0.45，0.71億 m3；當(dāng)溫度上升1～4℃時，總灌溉需水量增加0.41，0.80，1.38，2.25億m3（表4）。氣候變暖將使河西綠洲灌區(qū)業(yè)已緊張的水資源供需矛盾更加突出，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和調(diào)整種植結(jié)構(gòu)是當(dāng)務(wù)之急。

圖3 不同地區(qū)作物需水量對氣候變暖響應(yīng)的差異Fig.3 Water requirements respond to climate warming in different regions

表2 各站主要作物生長期內(nèi)多年平均降雨Table 2 The average rainfall during the crop growth period mm

3 討論與結(jié)論

在干旱區(qū)，水資源不足已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素，隨著人們對氣候變化和水資源短缺以及糧食安全問題的高度關(guān)注，目前對區(qū)域作物需水量的計算研究已較為廣泛，作物需水量的大小取決于作物生長發(fā)育和對水分需求的內(nèi)部因子與外部因子。其中內(nèi)部因子是指對需水規(guī)律有影響的生物學(xué)特性，與作物種類、品種以及生長階段有關(guān)；外部因子指氣候條件（包括太陽輻射、氣溫、相對濕度、水面蒸發(fā)量、風(fēng)速等）和土壤條件（包括土壤質(zhì)地與含水量等）［22，23］。

有關(guān)作物需水量計算以及對氣候變化響應(yīng)的研究內(nèi)容很多。有研究表明，我國北方旱區(qū)主要農(nóng)作物水分供需水量存在明顯的生長季節(jié)差異，農(nóng)作物需水量與種植區(qū)氣候類型關(guān)系十分密切，作物需水量隨氣候變化的響應(yīng)比較明顯，在干旱、半干旱地區(qū)表現(xiàn)尤為突出［24］。李應(yīng)林和高素華［25］分析了我國春玉米水分的供需狀況，表明我國春玉米主要種植區(qū)內(nèi)氣候條件是有利的；張旭東等［26］對甘肅河?xùn)|小麥需水規(guī)律分析認為，氣候類型不同，旱作麥田的需水量存在一定的差別，南北向的變化明顯大于東西向，基本為由北向南遞減。劉曉英和林而達［14］研究表明由于天然降水條件的差異，華北各地在抵御未來氣候變暖不利影響方面有所差異，各地冬小麥在抵御氣候變化不利影響方面能力均較差，其中濟南和北京尤為嚴重。北京地區(qū)夏玉米和棉花抵御未來氣候變暖不利影響的能力較強。而太原夏玉米和棉花抵御未來氣候變暖不利影響的能力較差。

表3 氣候變暖對主要作物灌溉需水量的影響Table 3 The effects of climate warming on irrigation

表4 氣候變暖對河西主要作物新增灌溉量的影響Table 4 The effects of climate warming on increase irrigation 億 Million m3

本研究指出不同作物的需水量對氣候變暖的響應(yīng)存在差異。其中對棉花和玉米的影響最大，小麥次之?？傮w來看，當(dāng)溫度上升1℃ 時，棉花、玉米、小麥需水量將增加15.00～15.90，14.60～16.50，9.70～10.40mm；當(dāng)溫度上升2℃三種作物的需水量依次增加29.00～29.90，28.50～29.20，17.40～18.50mm；當(dāng)溫度上升3℃時，3種作物的需水量依次增加47.90～50.00，48.50～50.00，31.40～32.20mm；當(dāng)溫度上升4℃時，3種作物的需水量依次增加77.90～83.00，77.50～82.50，49.00～50.70mm。

氣候變化對作物需水量的影響存在一定的地域性差異。當(dāng)溫度增加1℃時，對武威作物需水量的影響略大于敦煌。當(dāng)溫度增加2℃時，武威和敦煌的作物需水量幾乎相當(dāng)。當(dāng)溫度增加3和4℃時，則對敦煌作物需水量的影響大于武威。根據(jù)河西綠洲目前的種植結(jié)構(gòu)，棉花、玉米和小麥的播種面積依次為93.90，112.12，140.80千hm2。據(jù)此估算，當(dāng)溫度上升1～4℃時，將使整個地區(qū)棉花的灌溉需水量增加0.11，0.21，0.37，0.62億 m2；玉米的灌溉需水量增加0.16，0.33，0.56，0.93億 m2；小麥的灌溉需水量增加0.14，0.26，0.45，0.71億 m2；當(dāng)溫度上升1～4℃時，總的灌溉需水量增加0.41，0.80，1.38，2.25億m2。氣候變暖將使河西綠洲灌區(qū)業(yè)已緊張的水資源供需矛盾更加突出。

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