阿克蘇河灌區(qū)作物理論需水量的時(shí)空分布特征

張 輝， 徐永軍， 張 超， 劉江華

(1.塔里木河流域阿克蘇管理局, 新疆 阿克蘇 843300； 2.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 云南 昆明 650224)

阿克蘇河灌區(qū)作物理論需水量的時(shí)空分布特征

張 輝1， 徐永軍1， 張 超2， 劉江華2

(1.塔里木河流域阿克蘇管理局, 新疆 阿克蘇 843300； 2.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 云南 昆明 650224)

[目的] 研究阿克蘇河灌區(qū)作物的理論需水量的時(shí)空變化特征，為該區(qū)水資源科學(xué)管理、高效利用提供理論依據(jù)。 [方法] 基于灌區(qū)內(nèi)1972—2014年6個(gè)氣象臺(tái)站的逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用FAO修正的Penman-Monteith模型，計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的插值分析，對(duì)阿克蘇河灌區(qū)作物的理論需水量特征分別在空間和時(shí)間兩個(gè)維度上進(jìn)行探討。 [結(jié)果] (1) 阿克蘇河灌區(qū)多年平均ET0介于1 118～1 241 mm之間，呈現(xiàn)中部以北地區(qū)較低，西南部、南部地區(qū)較高的規(guī)律； (2) 春季和夏季的ET0最高，5，6，7月的月均ET0合計(jì)為533 mm，是作物最需要水分補(bǔ)給的重要時(shí)段； (3) 自20世紀(jì)70年代至今，作物年均蒸發(fā)蒸騰量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，2010年以后的變化趨勢(shì)較為顯著； (4) 灌區(qū)各季節(jié)及全年的ET0變化均呈現(xiàn)S形曲線分布，至2014年已接近波谷并有抬升趨勢(shì)。 [結(jié)論] 在氣候變化背景下，阿克蘇河灌區(qū)作物的理論需水量隨時(shí)間變化顯著，春夏季受蒸騰作用影響是需要補(bǔ)水的關(guān)鍵時(shí)期，年際變化呈波動(dòng)抬升趨勢(shì)；在空間上亦呈現(xiàn)明顯地帶分異特點(diǎn)，呈南高北低的特征。

作物理論需水; 參考作物蒸發(fā)蒸騰量； 時(shí)空分布; 阿克蘇河

近年來，隨著阿克蘇河灌區(qū)需水農(nóng)業(yè)和林果業(yè)的快速發(fā)展，水資源需求量不斷增加[1]。2014年，灌區(qū)主要作物(包括棉花、土豆、小麥、玉米和水稻等)和經(jīng)濟(jì)林(包括核桃、蘋果、葡萄和棗等)種植總面積已達(dá)8.87×105hm2，出現(xiàn)了較為突出的水資源供需矛盾及無序開發(fā)利用等問題[2-3]。通過對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提取和計(jì)算阿克蘇河灌區(qū)需水作物和植被的理論需水量，能夠較為準(zhǔn)確地為阿克蘇河灌區(qū)水資源管理提供基礎(chǔ)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)水資源在灌區(qū)內(nèi)的統(tǒng)一管理和優(yōu)化配置，以克服傳統(tǒng)的僅憑經(jīng)驗(yàn)配水、上下游水資源調(diào)配不均、水資源配置空間分布不合理等弊端，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有較為深遠(yuǎn)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

作物理論需水量亦稱為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，是發(fā)生在土壤—植被—大氣系統(tǒng)體系內(nèi)的復(fù)雜的連續(xù)過程[4]。計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量的方法較多，常用方法包括水量平衡法、氣象數(shù)據(jù)估算法、儀器測(cè)量法和能量平衡法等[5-8]。本研究根據(jù)研究區(qū)需水作物和植被的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、地形等特征，基于覆蓋研究區(qū)的6個(gè)國家一、二級(jí)氣象自動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)，選取了1998年世界糧農(nóng)組織(FAO)修正的Penman-Monteith模型[9-11]計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)，分析阿克蘇河灌區(qū)作物的理論需水量的時(shí)空變化特征，旨在為今后阿克蘇河灌區(qū)水資源科學(xué)管理、高效利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河灌區(qū)位于天山南麓中段西部、塔里木盆地西北邊緣，地處東經(jīng)78°46′—82°44′，北緯40°7′—41°35′之間。屬溫帶大陸性干旱氣候，常年干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均降水量64 mm，年均蒸發(fā)量1 890 mm。寒冬酷夏，晝夜溫差大，年均氣溫9.2～12 ℃，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-27.6 ℃。光照充足，年均日照時(shí)數(shù)2 850 h。屬河谷平原地貌，土壤肥沃，宜農(nóng)宜牧。阿克蘇河灌區(qū)總面積2.21×106hm2，其中，耕地面積為5.86×105hm2，占灌區(qū)總面積的26.51%；園地面積為3.01×105hm2，占灌區(qū)總面積的13.60%。涉及烏什縣、溫宿縣、阿克蘇市、阿瓦提縣、柯坪縣共5個(gè)縣市的部分區(qū)域和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師16個(gè)團(tuán)場(chǎng)。

2 研究方法

2.1 氣象數(shù)據(jù)收集

收集了阿克蘇河灌區(qū)及周邊地區(qū)的共6個(gè)國家一、二級(jí)氣象自動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站1972—2014年的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)(來源于國家氣象中心地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集)。涉及到的6個(gè)氣象臺(tái)站分別為：阿克蘇(站點(diǎn)號(hào)51628)、拜城(站點(diǎn)號(hào)51633)、庫車(站點(diǎn)號(hào)51644)、阿合奇(站點(diǎn)號(hào)51711)、柯坪(站點(diǎn)號(hào)51720)和阿拉爾(站點(diǎn)號(hào)51730)。

2.2 ET0模型估算

參考作物蒸發(fā)蒸騰量的估算方法有很多，是一種假想的參考作物冠層的蒸發(fā)蒸騰速率。假設(shè)參考作物的平均高度為0.12 m，固定葉面阻力為70 s/m，葉面反射率為0.23，類似于表面開闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛、完全覆蓋地表的綠色草地的蒸發(fā)蒸騰速率[12]。本文采用1998年世界糧農(nóng)組織(FAO)修正的Penman-Monteith模型計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)，計(jì)算模型為：

(1)

式中：ET0——參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)； Rn——作物表面的凈輻射量〔MJ/(m2·d)〕； G——土壤熱通量〔MJ/(m2·d)〕； T——2m高度上的平均氣溫(℃)； U2——2m高度上的平均風(fēng)速(m/s)； es——飽和水汽壓(kPa)； ea——實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ——飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃)；γ——干濕表常數(shù)(kPa/℃)。各參數(shù)的計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[13-15]。

2.3 空間插值及曲線擬合

計(jì)算6個(gè)站點(diǎn)的ET0的年際變化、季節(jié)變化，采用反距離權(quán)重法(IDW)對(duì)6個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)內(nèi)插；采用多元曲線回歸法，擬合ET0的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 多年平均ET0空間分布

ET0的空間分布與氣候條件和地形地勢(shì)有緊密關(guān)系。阿克蘇河灌區(qū)常年干旱少雨、蒸發(fā)量大；在地勢(shì)上呈現(xiàn)西北高、東南低的趨勢(shì)，地形自西北向東南傾斜，灌區(qū)北部為山區(qū)，中部為谷地平原，東南部與沙漠接壤。計(jì)算結(jié)果表明，阿克蘇河灌區(qū)多年平均ET0介于1 118～1 241mm之間。中部以北地區(qū)受年降水量、風(fēng)速和日照等氣象因子的影響，ET0介于1 118～1 174mm之間，相對(duì)偏低；西南部、南部地區(qū)ET0相對(duì)較高，介于1 165～1 241mm之間?？傮w上，灌區(qū)年均ET0為1 166mm。

阿克蘇河灌區(qū)ET0的季節(jié)分布不均勻。春、夏、秋、冬季的多年平均ET0分別為376，525，212，67mm。空間分布方面，春、夏、秋、冬季多年平均ET0基本呈現(xiàn)與全年平均一致的規(guī)律，即中部以北地區(qū)相對(duì)偏低，西南部、南部地區(qū)相對(duì)較高。在進(jìn)行水資源空間配置時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)西南部、南部地區(qū)需水作物和植被的水源供應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉用水的合理布局。

一年中，作物的蒸發(fā)蒸騰主要發(fā)生在春季和夏季，占全年蒸發(fā)蒸騰量的76.4%，為了給作物提供更好的生長(zhǎng)條件、提高生長(zhǎng)效率，應(yīng)在春夏季特別是夏季保障供應(yīng)足夠的灌溉用水；秋季和冬季則相對(duì)較少，僅占全年蒸發(fā)蒸騰量的23.6%。具體月份方面，5，6，7月的月均ET0合計(jì)為533mm，占全年的45.1%，是全年中作物蒸發(fā)蒸騰最旺盛的時(shí)段；1，2，11，12這4個(gè)月的月均ET0合計(jì)為99mm，僅占全年的8.4%(圖1)。

圖1 阿克蘇河流域月份參考作物蒸發(fā)蒸騰量空間分布

圖2 阿克蘇河流域參考作物蒸發(fā)蒸騰量年際變化

3.2 長(zhǎng)時(shí)間序列ET0變化分析

受全球氣候變化的影響，阿克蘇河灌區(qū)近43a間在降水量、風(fēng)速、日照、氣溫和冰川融雪量等方面均有不同程度的變化，加之需水作物和植被的面積不斷增加，作物需水量亦隨之發(fā)生了較大變化?？傮w上，受氣溫和降水量的影響，灌區(qū)作物自20世紀(jì)70年代至今，參考作物年均蒸發(fā)蒸騰量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)(表1，圖2)。需要注意的是，作物年均蒸發(fā)蒸騰量逐漸降低并非意味著灌區(qū)作物需水量絕對(duì)值在減少，僅能反映單位面積上的參考作物蒸發(fā)蒸騰量的降低。近年來，隨著灌區(qū)內(nèi)集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展以及耕作面積的不斷增加，作物實(shí)際需水量實(shí)際呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；另外，受全球氣候變化的影響，作為灌區(qū)灌溉用水的主要補(bǔ)給來源，冰川融雪后的地表徑流量逐年減少且呈現(xiàn)波動(dòng)變化。因此，在水資源管理工作中，需要綜合考慮以上各影響因素，才能實(shí)現(xiàn)高效用水、合理分配。

表1 阿克蘇河流域參考作物蒸發(fā)蒸騰量年代際變化

3.3ET0變化空間分布

由阿克蘇河灌區(qū)各時(shí)期ET0的距平空間分布插值結(jié)果分析可知，總體上，阿克蘇河灌區(qū)各時(shí)期ET0的變化較為顯著，灌區(qū)整體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代期間，各站點(diǎn)的ET0均高于平均值，其中，灌區(qū)南部較高，西北部較低，呈現(xiàn)由西北向東南逐漸升高的趨勢(shì)。20世紀(jì)80年代，中北部地區(qū)(阿克蘇市北部、溫宿西南部)變化較大，主要受當(dāng)時(shí)降水量的影響；西南部(阿瓦提縣中部)和西北部(烏什縣中部)較70年代亦有不同程度的升高。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，因同時(shí)期降水量相對(duì)偏高，導(dǎo)致整個(gè)灌區(qū)的平均ET0均降低，變化最為顯著的是灌區(qū)南部(阿克蘇市中部)。進(jìn)入2010年后，阿克蘇市北部和溫宿西南部因干旱少雨導(dǎo)致ET0升高，阿克蘇市中部則出現(xiàn)較大幅度的降低。

3.4ET0變化趨勢(shì)分析

通過曲線回歸的不同方法的對(duì)比結(jié)果分析可知，采用三次多項(xiàng)式回歸模型的擬合結(jié)果最為理想，除冬季外，春、夏、秋和全年的回歸模型R2值均在0.65以上。各季節(jié)及全年的ET0變化均呈現(xiàn)S形曲線，至2014年已接近波谷并自此有抬升趨勢(shì)。氣候條件諸如降水量、風(fēng)速、日照和氣溫等在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化是有規(guī)律的，基本呈現(xiàn)S形曲線趨勢(shì)，以上變化曲線恰好反映了ET0的變化主要受如上氣候條件變化的影響。分析可知，2014年以后ET0的變化趨勢(shì)是向升高的方向發(fā)展的，即單位面積上、單位時(shí)間內(nèi)參考作物的蒸發(fā)蒸騰量升高。要滿足作物的正常生長(zhǎng)，需要更多的水分補(bǔ)給。

4 結(jié) 論

(1) 阿克蘇河灌區(qū)多年平均ET0介于1 118～1 241mm之間，受氣候條件和地形地勢(shì)的影響，灌區(qū)ET0呈現(xiàn)中部以北地區(qū)較低(1 118～1 174mm之間)，西南部、南部地區(qū)ET0相對(duì)較高(1 165～1 241mm之間)。

(2) 一年中，春季和夏季的ET0最高，占全年的76.4%，秋季和冬季則較少，僅占23.6%；5，6，7月的月均ET0合計(jì)為533mm，是作物最需要水分補(bǔ)給的時(shí)段，1，2，11，12這4個(gè)月的月均ET0合計(jì)僅為99mm。

(3) 自20世紀(jì)70年代至今，作物年均蒸發(fā)蒸騰量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。灌區(qū)南部為較為密集的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，應(yīng)重視該地區(qū)的水量分配。灌區(qū)各時(shí)期ET0的變化較為顯著，整個(gè)灌區(qū)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，2010年以后的變化趨勢(shì)較為顯著。

(4) 灌區(qū)各季節(jié)及全年的ET0變化均呈現(xiàn)S形曲線，至2014年已接近波谷并有抬升趨勢(shì)，今后的作物理論需水量將逐年增加。

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Temporal and Spatial Distribution of Theoretic Water Requirement of Crop in Aksu River Irrigation Area

ZHANG Hui1, XU Yongjun1, ZHANG Chao2, LIU Jianghua2

(1.AksuManagementBureauoftheTarimRiverBasin,Aksu，Xinjiang843300,China； 2.CollegeofForestry,SouthwestForestryUniversity,Kunming，Yunnan650224,China)

[Objective] This study aimed to explore the temporal and spatial distribution of theoretic water requirement of crop in Aksu River irrigation area. It would be the theory evidence for water resources management and high efficient utilization. [Methods] Based on the daily weather observation data of 6 meteorological stations during 1972—2014, the research was carried out using the correction model of Penman-Monteith which was recommended by FAO. The reference crop evapotranspiration(ET0) were calculated, and the spatial data interpolation was executed. The theoretic water requirement of crop in Aksu River Irrigation Area was discussed based on the dimension of temporal and spatial. [Results] (1) Annual mean ET0was between 1 118 and 1 241 mm. It showed a trend of gradually increasing from the northern area to the southern area. (2) The value of ET0was the highest in spring and summer. The total value of ET0was 533 mm in the months of May, June and July, a period having the most need for water supplement. (3) Yearly reference crop evapotranspiration showed a trend of gradually decrease since 1970 s, and a significant decreasing trend after 2010 s. (4) The ET0variation presented a S-type curve, after the year of 2014, it showed an increasing trend . [Conclusion] The theoretic water requirement of crop showed a significant change over time in Aksu River Irrigation Area in the context of climate change. Spring and summer were the critical periods of irrigation. It showed a fluctuated and inclined steadily trend. Zone differentiation characteristics were obvious.

theoretic water requirement of crop； reference crop evapotranspiration; temporal and spatial distribution； Aksu River

2015-09-18

2016-05-05

新疆維吾爾自治區(qū)水利廳科技支撐項(xiàng)目“塔里木河流域阿克蘇灌區(qū)斑塊類型動(dòng)態(tài)變化遙感監(jiān)測(cè)”(TGJAKS-SKS-2014-002)； 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460195； 31660236)

張輝(1963—),男(漢族),甘肅省榆中縣人,高級(jí)工程師,主要從事水資源管理及研究工作。E-mail: zhakesu@126.com。

劉江華(1970—)，男(漢族)，湖北省天門市人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事植被生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail：583711802@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.046

A

1000-288X(2016)06-0278-04

TV213.4， S127

文獻(xiàn)參數(shù)： 張輝.阿克蘇河灌區(qū)作物理論需水量的時(shí)空分布特征[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：274-281.