氣候變暖背景下河西走廊典型綠洲主要農(nóng)作物需水量變化研究＊

蘇軍德，李國(guó)霞

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

全球氣候變暖已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)[1]，過去100年間，全球平均氣溫約升高了0.6～0.7℃[2]，地處干旱地區(qū)的河西走廊綠洲灌溉區(qū)，常年受東亞季風(fēng)的影響[3]，水資源短缺是限制區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素[4]。作為我國(guó)重要的糧棉生產(chǎn)區(qū)之一，河西綠洲灌溉區(qū)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要的意義，但隨著全球氣候的變暖，致使區(qū)域內(nèi)水資源供需之間的矛盾更加突出[5]。因此，研究氣候變暖對(duì)區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物需水量的影響，對(duì)研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和相關(guān)政策的制定具有十分重要的意義。

作物需水量作為農(nóng)業(yè)用水的主要組成部分，是確定灌溉制度和灌溉用水量的基礎(chǔ)[6]。近年來，眾多學(xué)者對(duì)不同區(qū)域農(nóng)作物需水量進(jìn)行了深入研究，例如魏堃等[7]對(duì)甘肅省河?xùn)|地區(qū)玉米的需水量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明受降水的影響，河?xùn)|地區(qū)玉米在不同的生長(zhǎng)期需水量出現(xiàn)了先增大后減小的變化趨勢(shì)；湯瑛芳等[8]運(yùn)用GIS 對(duì)甘肅省糧食作物需水量的時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析，結(jié)果呈現(xiàn)出由西向東減小的趨勢(shì)；宋德海等[9]基于2000-2012 年氣象觀測(cè)資料，對(duì)河南省三義寨灌溉區(qū)主要農(nóng)作物需水量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。但上述研究都是針對(duì)區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物需水量的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行分析，關(guān)于作物需水量與氣候變化之間的相關(guān)性研究還相對(duì)較少，尤其對(duì)河西走廊綠洲農(nóng)作物需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究更是鮮有報(bào)道。文章選取河西走廊典型的2 個(gè)站點(diǎn)為研究對(duì)象，通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)主要的3 種農(nóng)作物的需水量與氣候變暖的響應(yīng)變化進(jìn)行深入研究，試圖為區(qū)域內(nèi)合理改變農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)奠定理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為相關(guān)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河西走廊位于祁連山以北，烏鞘嶺以西，長(zhǎng)約1000km，屬祁連山地槽邊緣拗陷帶，屬大陸性干旱氣候，因受季風(fēng)的影響，氣候干燥，風(fēng)大沙多，年均溫為5.8～9.2℃，多數(shù)地區(qū)日照時(shí)數(shù)約3000h，降水量不足200mm[10]。文章分別選取河西走廊極端干旱區(qū)的敦煌和干旱區(qū)的金昌2 個(gè)站點(diǎn)，對(duì)其主要農(nóng)作物需水量與氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行研究。敦煌位于河西走廊最西端，介于92°13′～95°30′E，39°40′～41°40′N之間，四季分明，氣候干燥，年均氣溫為9.9℃，年均降雨量為42.2mm，全年日照時(shí)數(shù)約為3246h，年均無(wú)霜期為152d[11]。金昌地處河西走廊中段，介于101°04′～102°43′E，37°47′～39°00′E 之間，光照充足，氣候干燥，全年多西北風(fēng)，年均溫度為9.2℃，年均降水量為120mm，多集中在5～9 月，無(wú)霜期為182d[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 作物需水量計(jì)算

作物需水量采用聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）常用的作物系數(shù)法[13]，計(jì)算方法為：ETP=KC×ET0，其中ETP和ET0分別是作物需水量（mm·d-1）和參考作物蒸騰量（mm），KC為作物系數(shù)。見表1。

表1 不同生長(zhǎng)階段作物系數(shù)

1.2.2 作物灌溉需水量計(jì)算

河西走廊灌溉區(qū)農(nóng)作物所需水分主要依靠天然降水和灌溉補(bǔ)給[14]，因此，灌溉需水量可按照IR=ETP-P 進(jìn)行計(jì)算，其中IR 和P 分別為農(nóng)作物灌溉需水量（mm）和作物生長(zhǎng)期降水量（mm）。見表2。

表2 近50a 來河西走廊綠洲灌溉區(qū)典型站點(diǎn)作物生長(zhǎng)期內(nèi)平均降雨量（mm）

1.2.3 氣候變化情景的假定

根據(jù)英國(guó)Hadley[15]的模型預(yù)測(cè)，到2080 年，我國(guó)西北地區(qū)的平均溫度將會(huì)上升1.5～3.9℃，故文章假定未來溫度上升1～4℃的溫度變化情景。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)用Excel 2019 和Origin lab 9.1 統(tǒng)計(jì)分析軟件處理，以平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同區(qū)域不同農(nóng)作物需水量增幅進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同增溫條件下作物需水量的響應(yīng)差異

不同增溫條件下，3 種作物的需水量都隨著增溫幅度的升高而增加（如圖1 所示），其中，氣溫升高對(duì)棉花和玉米的需水量影響較大，對(duì)春小麥需水量的影響相對(duì)較小。氣溫升高1℃，敦煌和金昌2 個(gè)站點(diǎn)的玉米需水量分別增加14.17mm，15.43mm，棉花需水量分別增加16.76mm，18.92mm，小麥需水量分別增加9.27mm，10.22mm；氣溫升高2℃，敦煌和金昌2 個(gè)站點(diǎn)的玉米需水量分別增加28.85mm，28.19mm，棉花需水量分別增加31.69mm，31.62mm，小麥需水量分別增加18.20mm，17.72mm；氣溫升高3℃，敦煌和金昌2 個(gè)站點(diǎn)的玉米需水量分別增加49.82mm，46.98mm，棉花需水量分別增加52.71mm，50.79mm，小麥需水量分別增加31.69mm，32.24mm；氣溫升高4℃，敦煌和金昌2 個(gè)站點(diǎn)的玉米需水量分別增加82.88mm，76.24mm，棉花需水量分別增加85.15mm，79.47mm，小麥需水量分別增加50.70mm，49.59mm。綜合敦煌、金昌2 個(gè)站點(diǎn)的結(jié)果來看，當(dāng)氣溫上升1～4℃，河西典型綠洲棉花需水量將增加16.75～85.15mm，玉米需水量將增加14.17～82.88mm，小麥需水量將增加9.26～50.70mm。

圖1 給定溫度情境對(duì)作物需水量的影響

2.2 不同區(qū)域作物需水量對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異

不同區(qū)域作物需水量隨著溫度的升高出現(xiàn)了明顯的差異（如圖2 所示），當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，金昌3種作物需水量所受影響大于敦煌，金昌玉米、棉花、小麥需水量的增加值高于敦煌相應(yīng)作物需水量增加值1.26mm、2.15mm、0.96mm。溫度升高2～4℃時(shí)，位于極端干旱區(qū)的敦煌3 種農(nóng)作物需水量增加值都高于位于干旱區(qū)的金昌，當(dāng)溫度升高2℃時(shí)，敦煌玉米、棉花、小麥需水量增加值高于金昌相應(yīng)農(nóng)作物增加值0.65mm、0.07mm、0.48mm；當(dāng)溫度升高3℃時(shí)，敦煌3 種作物需水量增加值大于金昌，敦煌玉米、棉花需水增長(zhǎng)量分別高于金昌相應(yīng)作物2.84mm，1.92mm，而小麥需水量增加值低于金昌0.56mm；當(dāng)溫度升高4℃時(shí)，敦煌玉米、棉花、小麥的需水量分別增加了82.87mm，85.15mm、50.69mm，金昌相應(yīng)作物需水量增加了76.25mm，79.47mm，49.59mm，相比敦化低了6.62mm，5.68mm，1.10mm。總體來看，在給定溫度情境下，敦煌玉米、棉花、小麥的需水量分別增加了14.17～82.88mm，16.76～85.15mm，9.27～50.70mm，金昌相應(yīng)3種作物的需水量增加了15.43～76.25mm，18.92～49.47mm，10.23～49.59mm。由此可見，同種作物在不同區(qū)域?qū)夂蜃兣捻憫?yīng)存在明顯的差異。

圖2 不同區(qū)域作物對(duì)氣候變暖的響應(yīng)

2.3 氣候變暖對(duì)作物灌溉需水量的影響

不同區(qū)域不同作物灌溉需水量的變化表明（見表3），氣候變暖對(duì)玉米和棉花的灌溉需水量的影響大于春小麥，且不同區(qū)域同種作物灌溉需水量隨氣候變暖的增幅也有明顯的差異。在溫度上升1℃～4℃的情境下，敦煌玉米灌溉需水量將由目前的755.2mm 增加至769.4～831.1mm，增幅約為1.9%～11.0%，敦煌棉花灌溉需水量將由目前的685.4mm 增加至702.2～770.6mm，增幅約為2.5%～12.4%，敦煌小麥灌溉需水量將由目前的534.9mm 增加至544.2～585.6mm，增幅約為1.7%～9.5%；在溫度升高1～4℃的情境下，金昌相應(yīng)農(nóng)作物灌溉需水量增幅大于敦煌，金昌玉米灌溉需水量將由目前的594.3mm 增加至610.0～670.5mm，增幅約為2.6%～12.8%，金昌棉花灌溉需水量將由目前的685.4mm 增加至702.2～770.6mm，增幅約為5.1%～12.4%，金昌春小麥灌溉需水量將由目前的534.9mm 增加至544.2～585.6mm，增幅約為1.7%～9.5%。

表3 河西走廊典型綠洲主要農(nóng)作物灌溉需水量變化

河西走廊位于黃河以西，祁連山以北，屬大陸性干旱氣候，降水量相對(duì)較少，農(nóng)業(yè)灌溉主要以冰雪融水為主。根據(jù)甘肅省各地區(qū)主要農(nóng)作物播種面積構(gòu)成統(tǒng)計(jì)計(jì)算，河西綠洲玉米、棉花、小麥的種植面積分別為113.09×103hm2、94.21×103hm2、143.87×103hm2，按照河西走廊典型綠洲（敦煌、金昌）相應(yīng)農(nóng)作物灌溉需水量計(jì)算（見表4），當(dāng)溫度升高1-4℃時(shí)，整個(gè)河西綠洲玉米的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.32×108m3、0.55×108m3、0.90×108m3，棉花的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.30×108m3、0.49×108m3、0.78×108m3，小麥的灌溉需水量將分別增加0.14×108m3、0.26×108m3、0.46×108m3、0.72×108m3。

表4 河西綠洲主要農(nóng)作物灌溉需水量估算

3 討論

西北地區(qū)作為我國(guó)氣候變化最敏感的地區(qū)之一，水資源不足是限制區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。近年來，隨著全球氣候的變暖和水資源的短缺，干旱區(qū)農(nóng)作物需水量的研究引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，張華等[16]基于甘肅省28 個(gè)氣象站點(diǎn)對(duì)甘肅省過去40a 間春小麥和冬小麥的需水量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明日照時(shí)數(shù)和日平均氣溫是其主要影響因子，且二者之間需水量具有明顯的差異；方芳等[17]對(duì)新疆不同農(nóng)作物虛擬含水量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)作物虛擬含水量具有較大的差異；曹永強(qiáng)等[18]在保定市主要農(nóng)作物需水量的研究中也表明，不同農(nóng)作物蓄水具有一定的差異。本文研究結(jié)果也同樣表明，在給定增溫條件下，河西典型綠洲玉米、棉花、小麥的需水量有不同程度的變化，棉花和玉米的需水量增幅大于小麥。作物需水量的大小是外部氣候條件和內(nèi)部生物學(xué)特征共同作用的結(jié)果，本研究玉米和棉花在同樣的增溫情景下，需水量增加幅度基本相似，而小麥的需水量增幅卻小于玉米和棉花，這說明玉米和棉花在耗水量等生物學(xué)特征上具有相似性，對(duì)氣候變暖具有相似的響應(yīng)機(jī)制[19]。

在干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物的需水量與氣候類型有較大的關(guān)系，對(duì)氣候變化的響應(yīng)也較為明顯。李應(yīng)林等[20]研究表明，氣候條件對(duì)我國(guó)玉米主要的種植區(qū)是有利的；張華[21]在對(duì)近50 年來甘肅省玉米需水量研究中表明，甘肅省玉米需水量整體上由東南向西北增加，具有明顯的空間異質(zhì)性。本研究也同樣發(fā)現(xiàn)，在相同的增溫條件下，極端干旱區(qū)（敦煌）農(nóng)作物需水量增幅略高于干旱區(qū)（金昌），這表明在天然降水條件的差異，會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物在應(yīng)對(duì)氣候變化方面產(chǎn)生不同的響應(yīng)，研究區(qū)小麥較小的需水量增幅，表明其對(duì)抵御氣候變暖不利影響具有較強(qiáng)的能力。

氣候變暖將致使河西走廊綠洲水資源更加匱乏，按照河西走廊典型綠洲主要農(nóng)作物需水量增幅估算，整個(gè)河西走廊綠洲在溫度升高1-4℃的情境下，區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物需水量將增加0.46×108m3～2.46×108m3，按照農(nóng)業(yè)用水價(jià)格0.06 元/m3計(jì)算，可致使區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水價(jià)值增長(zhǎng)約2.76×106元～14.76×106元。由此可見，合理改變區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，盡早建立預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)緩解區(qū)域內(nèi)水資源供需矛盾具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

（1）不同增溫條件下，3 種作物的需水量都隨著增溫幅度的升高而增加，氣溫升高對(duì)棉花和玉米的需水量影響較大，對(duì)春小麥需水量的影響相對(duì)較小。當(dāng)氣溫上升1～4℃，河西典型綠洲棉花需水量將增加16.75～85.15mm，玉米需水量將增加14.17～82.88mm，小麥需水量將增加9.26～50.70mm。

（2）不同區(qū)域作物需水量隨著溫度的升高出現(xiàn)了明顯的差異，當(dāng)氣溫上升1～4℃，敦煌玉米、棉花、小麥的需水量分別增加14.17～82.88mm，16.76～85.15mm，9.27～50.70mm，金昌相應(yīng)3種作物的需水量增加15.43～76.25mm，18.92～49.47mm，10.23～49.59mm。

（3）當(dāng)溫度升高1～4℃時(shí)，整個(gè)河西綠洲玉米的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.32×108m3、0.55×108m3、0.90×108m3，棉花的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.30×108m3、0.49×108m3、0.78×108m3，小麥的灌溉需水量將分別增加0.14×108m3、0.26×108m3、0.46×108m3、0.72×108m3。