不同環(huán)境下臨沂市主要作物需水量分析

高立玉

（臨沂市河?xùn)|區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276000）

近年來，受人類活動與全球氣候變化的影響，全國各地的光照、氣溫、與降水等氣象因子的時(shí)空分布規(guī)律皆出現(xiàn)了一定程度的變化，這些因素變化必將改變作物的需水規(guī)律，在此背景下，變化環(huán)境下作物需水量的精準(zhǔn)預(yù)測成為重要的研究課題。本文以臨沂市為例，采用AGCM3（The Third Generation Atmospheric General Circulation Model）大氣環(huán)流模型模擬該市各地變化條件下的水文氣象因子（即變化環(huán)境因子），利用Priestley-Taylor模型估算變化環(huán)境下的參考作物騰發(fā)量，并對該市各地不同時(shí)間段內(nèi)的主要作物需水量進(jìn)行預(yù)測，從而為該市的農(nóng)業(yè)與水資源發(fā)展規(guī)劃提供參考。

1 模擬計(jì)算方法

1.1 研究區(qū)概況

臨沂市地處暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫13.6℃，年降水量797.0 mm，年日照時(shí)數(shù)2 289 h?？偯娣e17 191.2萬km2，人口1 124萬。主要作物包括小麥、玉米、水稻、花生、甘薯等。

1.2 變化環(huán)境模擬

采用AGCM3模型對臨沂市的變化環(huán)境進(jìn)行模擬，該模型由加拿大氣候模擬與分析中心(Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis)開發(fā)，可充分模擬影響作物需水量的影響因子（如光、溫、水等）變化情況，在北美地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。模型模擬與驗(yàn)證所需的水文氣象資料主要來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)與相關(guān)文獻(xiàn)等。

1.3 作物需水量估算

作物需水量可表示為作物系數(shù)f和參考作物騰發(fā)量 ET0的乘積，即：W＝f·ET0（1）

其中：f的取值隨作物類型與所在地區(qū)條件而變化，山東省臨沂市小麥、玉米、水稻、花生、甘薯的作物系數(shù)取值方法主要參考文獻(xiàn)【1】。參考作物騰發(fā)量ET0的預(yù)測主要基于AGCM3的模擬結(jié)果、通過 Priestley-Taylor模型計(jì)算【2】。Priestley-Taylor模型是Priestley和Taylor對Penman公式的修正式，以平衡蒸發(fā)為基礎(chǔ)，引進(jìn)常數(shù)，導(dǎo)出了估算無平流條件下蒸發(fā)的模式，公式如下：

式中：α為Priestley-Taylor系數(shù)（取值1.26），Δ為飽和水氣壓-氣溫關(guān)系斜率，γ為干濕計(jì)常數(shù)，Rn為灌層表面凈輻射，G為土壤熱通量，各中間變量的計(jì)算公式或取值方法參考文獻(xiàn)【2】。

2 模擬計(jì)算

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證AGCM3模型在臨沂市變化環(huán)境因子預(yù)測中的適用性，首先采用該模型對臨沂市1991—2015年間的水文氣象因子進(jìn)行模擬，將結(jié)果按月分類匯總、得到該研究時(shí)間段內(nèi)的逐月氣溫和降水模擬值，再將模擬結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，如圖1所示。

觀察圖1可知，臨沂市在研究時(shí)段內(nèi)的平均最高溫出現(xiàn)于7月份、為26.8°C；最低氣溫出現(xiàn)于1月份、為－0.8°C；模擬值與實(shí)測值的最大誤差率出現(xiàn)于9月份、約為8.84%，各月份誤差率的平均值為0.63%；最大誤差率與誤差率平均值皆較小，因此，AGCM3模型滿足氣溫預(yù)測的精度要求。臨沂市在研究時(shí)段內(nèi)的平均最高降水量也出現(xiàn)于7月份、為257.3 mm；最低降水量也與氣溫分布規(guī)律一致，即出現(xiàn)于1月份、為11.4 mm；模擬值與實(shí)測值的最大誤差率出現(xiàn)于1月份、約為－9.60%，各月份誤差率的平均值為－0.82%，因此，AGCM3模型也滿足降水預(yù)測的精度要求。由于氣溫與降水是環(huán)境變化最為重要的因素，而AGCM3模型在兩者的預(yù)測中均表現(xiàn)出較高的精確度，因此，AGCM3模型在臨沂市變化環(huán)境因子的模擬與預(yù)測中具有較高的適用性。

2.2 參考作物騰發(fā)量

基于AGCM3模型的模擬結(jié)果，利用公式（2）所代表的Priestley－Taylor模型計(jì)算臨沂市各地區(qū)于不同時(shí)間段內(nèi)的參考作物騰發(fā)量；由于水文氣象因子具有較為強(qiáng)烈的短期波動性，因此選取的分析步長為10年，各時(shí)間段內(nèi)不同地區(qū)的計(jì)算結(jié)果匯總見表1。計(jì)算各地在不同時(shí)期內(nèi)的平均參考作物騰發(fā)量可知，在1991—2000年間臨沂市的平均參考作物騰發(fā)量為1 065.1 mm，而2011—2020年為1 086.2，即現(xiàn)狀值相對于20年前升高了約1.98%；而2041～2050年間的平均值為1 118.6，即約30年后臨沂市的參考作物騰發(fā)量相對于現(xiàn)狀值將升高約2.98%?？傮w而言，臨沂市的參考作物騰發(fā)量呈現(xiàn)遞增趨勢，其速率大約為每10年升高1%左右。

表1 臨沂市各地區(qū)參考作物騰發(fā)量 mm

2.3 主要作物需水量

根據(jù)表2數(shù)據(jù)結(jié)合公式（1）可計(jì)算臨沂市不同地區(qū)在各時(shí)期內(nèi)的主要作物需水量。取2011—2020時(shí)間段為現(xiàn)狀條件，得到臨沂市各地區(qū)主要作物需水量值，結(jié)果如表2所示。

同種類作物的作物需水量空間分布規(guī)律主要取決于參考作物騰發(fā)量，計(jì)算小麥、玉米、水稻、花生、甘薯在各地區(qū)的平均作物需水量值，結(jié)果 分 別 為 505.4 mm、398.12 mm、787.22 mm、547.33 mm、535.14 mm，即水稻耗水量最大、而玉米最小。

表2 現(xiàn)狀條件下臨沂市主要作物需水量 mm

同理可計(jì)算變化環(huán)境下臨沂市的主要作物需水量，取2041—2050年間的模擬結(jié)果作為變化后的環(huán)境條件，得到各地的主要作物需水量，如圖2所示。

圖2 變化環(huán)境下臨沂市主要作物需水量

通過圖2可明顯觀察出，在變化環(huán)境下臨沂市主要作物需水量的相對大小與現(xiàn)狀條件基本保持一致，最小的為玉米、全市平均值為410.0 mm，最大的為水稻、全市平均值為810.6 mm。空間分布規(guī)律方面也與現(xiàn)狀條件較為接近，主要作物需水量最小的為蒙陰縣、各作物平均需水量為523.7 mm，最大的為市區(qū)、各作物平均需水量為588.4 mm，總體呈現(xiàn)由西北至東南逐漸升高的趨勢。在作物需水量大小方面，變化環(huán)境下臨沂市主要作物需水量相對于現(xiàn)狀值明顯增大，其中水稻增加幅度最大、平均為23.4 mm，玉米相對最小，各作物按需水量增加幅度由小到大排序分別為玉米、小麥、甘薯、花生、水稻。

3 結(jié)語

AGCM3大氣環(huán)流模型可準(zhǔn)確預(yù)測出臨沂市的變化環(huán)境因子，為變化條件下的主要作物需水量分析提供基礎(chǔ)。通過預(yù)測得知，在變化環(huán)境下山東省臨沂市主要作物的作物需水量相對大小和空間分布規(guī)律基本與現(xiàn)狀條件保持一致，但其大小相對于現(xiàn)狀值將明顯增大。

[1]傅信玉.(2001).臨沂市主要作物種植面積線性規(guī)劃方法.山東氣象,21(2),23-24.

[2] 李菲菲,饒良懿,呂琨瓏,李會杰,&宋丹丹.(2013).Priestley-Taylor模型參數(shù)修正及在蒸散發(fā)估算中的應(yīng)用.浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào),30(5),748-754.