阿克蘇河灌區(qū)作物需水量對(duì)氣候變化的敏感性分析

王志成，方功煥，張　輝，唐新成，段雷振

（1.新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆　阿克蘇 843000；2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所/荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆　烏魯木齊 830011）

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，作物需水量的準(zhǔn)確估算是優(yōu)化灌溉制度、進(jìn)行農(nóng)田水利工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)的依據(jù)，對(duì)干旱區(qū)水資源管理和規(guī)劃尤為重要[1-3]。

作物需水量可由實(shí)測(cè)土壤水分在某時(shí)間段的變化計(jì)算獲得，也可通過(guò)作物系數(shù)法得到。實(shí)測(cè)土壤水分法是根據(jù)水量平衡的原理，依據(jù)時(shí)段內(nèi)田間作物土壤儲(chǔ)水量的差值與降水量、地下水補(bǔ)給量、灌溉水量、地面徑流量和土壤水分滲漏量綜合計(jì)算得到，但是該方法受觀測(cè)值影響較大，獲得難度高。作物系數(shù)法因其簡(jiǎn)單高效，廣泛應(yīng)用于作物需水量的估算中[4，5]。用作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量就是在參考作物蒸散發(fā)的基礎(chǔ)上乘以作物系數(shù)。有多種方法用于評(píng)估參考作物蒸散發(fā)[6-13]，例如Penman-Monteith FAO-56[4]，Matt-Shuttleworth[7]、Makkink 方 法[8]、Blaney-Criddle方法[9]、Turc[10]方法和Hargreaves-Samani[11]方法等。FAO給出了40種作物在多種參考作物蒸散發(fā)計(jì)算方法下對(duì)應(yīng)的作物系數(shù)，其中Penman-Monteith方法只需利用常規(guī)氣象資料便可較為準(zhǔn)確地計(jì)算出參考作物需水量，已成為計(jì)算參考作物蒸散發(fā)的一種主要方法。

許多學(xué)者對(duì)作物需水量進(jìn)行了相關(guān)研究。王鶴齡等[14]利用Penman-Monteith方法評(píng)估了河西走廊綠洲灌區(qū)的作物需水量；姬興杰等[15]計(jì)算了河南省冬小麥的作物需水量；Shen等[5]計(jì)算了中國(guó)西北干旱區(qū)的作物需水量。在全球變暖的背景下，中國(guó)西北干旱區(qū)在近50 a來(lái)氣溫不斷升高，尤其是1998年以來(lái)，氣溫保持高位態(tài)震蕩特征，蒸發(fā)皿蒸散發(fā)存在先下降后上升的趨勢(shì)。區(qū)域氣象要素的變化帶來(lái)參考作物蒸散發(fā)的變化，從而影響不同類(lèi)型作物需水量[16]。不同區(qū)域和氣候條件下的參考作物蒸散發(fā)對(duì)氣象要素的敏感度不同，例如在美國(guó)愛(ài)荷華州影響參考作物蒸散發(fā)的最為敏感因子為凈輻射[17]，在濕潤(rùn)的比利時(shí)最敏感的因子為最高氣溫[18]；在濕潤(rùn)的里海區(qū)域，當(dāng)溫度上升3.3℃或者水汽壓增加20%時(shí)，參考作物蒸散發(fā)增加16%或者減少19%～30%[19]。長(zhǎng)江流域最敏感的氣象因子是相對(duì)濕度[20]，海河流域最敏感的氣象因子是水汽壓[21]，而風(fēng)速減小是引起阿克蘇綠洲參考作物蒸散發(fā)減少的主要因素[22]。劉昌明院士[3]采用優(yōu)化太陽(yáng)輻射計(jì)算的Penman-Monteith潛在蒸散發(fā)計(jì)算方法，分析了中國(guó)10大流域的潛在蒸散發(fā)對(duì)氣象因子的敏感性，指出水汽壓和最高氣溫是兩個(gè)最為敏感的因素。但是對(duì)于干旱灌區(qū)，氣候變化對(duì)作物需水量的研究還有待加強(qiáng)。

本研究采用Penman-Monteith方法計(jì)算了參考作物蒸散發(fā)，結(jié)合作物系數(shù)法估算了阿克蘇河灌區(qū)1960—2015年主要作物的需水量，并分析了作物需水量對(duì)氣候因子的敏感性，研究結(jié)果可服務(wù)于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉管理和灌溉制度的調(diào)整和優(yōu)化。

1　研究方法和資料

1.1　研究區(qū)概況

阿克蘇河位于天山南麓西段，塔里木盆地的西北部，由托什干河和庫(kù)瑪拉克河匯流而成。根據(jù)《阿克蘇河流域志》，阿克蘇河灌區(qū)屬于暖溫帶干旱型氣候，具有大陸性氣候的特征：氣候干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈、日照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大。年均降水量64 mm，年潛在蒸散發(fā)量為1890 mm，年平均氣溫9.2～12℃，年日照時(shí)數(shù)2 570.9～2 996.8 h。區(qū)內(nèi)人口約150萬(wàn)，其中少數(shù)民族約占75%。

阿克蘇灌區(qū)灌溉面積5720 km2（2015年），灌溉用水量4.16×109m3，占阿克蘇河總來(lái)水量的52%（圖1）。研究區(qū)內(nèi)有4個(gè)氣象站點(diǎn)，它們是阿合奇、阿克蘇、柯坪和阿拉爾（表1）。

圖1　阿克蘇河灌區(qū)與氣象站點(diǎn)分布

表1　阿克蘇河灌區(qū)氣象站點(diǎn)信息和多年平均參考作物蒸散發(fā)ET0

阿克蘇灌區(qū)農(nóng)業(yè)以種植業(yè)為主，是典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)，形成了以糧、棉、果林為中心的多元格局，以種植小麥、玉米、水稻、棉花等為主，另外還有以紅棗、核桃等為主的灌溉園林。自1988年以來(lái)，糧食種植面積比例逐步下降，經(jīng)濟(jì)作物如棉花、核桃等種植面積比例逐步上升，糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的比重由1988年的0.77：0.23調(diào)整到2015年的0.30：0.70（圖2）。到2015年，棉花和果林的播種面積相對(duì)于1988年分別擴(kuò)大了10.11倍和7.39倍，棉花、小麥、玉米、水稻和果林分別占灌溉面積的48%、15%、11%、2%和17%，其他作物類(lèi)型如油料、甜菜、蔬菜、果用瓜等占8%，棉花已經(jīng)成為本區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。

圖2　阿克蘇河灌區(qū)主要作物種植面積比例（a）和各生育階段的作物系數(shù)（b）

1.2　研究方法與資料

綜合考慮Guo等[23]和McMahon等[6]的研究，本研究采用FAO推薦的參考作物蒸散發(fā)方法Penman-Monteith計(jì)算各站點(diǎn)逐日參考作物蒸散量，結(jié)合作物系數(shù)法，估算主要作物生育期內(nèi)的作物需水量，并分析了作物需水量對(duì)氣候要素和作物種植結(jié)構(gòu)的敏感性。

1.2.1數(shù)據(jù)資料

選取阿克蘇河流域灌區(qū)及周邊的4個(gè)氣象站1960—2015年的資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，觀測(cè)變量包括平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、日平均氣溫、日最高氣溫和最低氣溫、平均水汽壓、平均相對(duì)濕度和最小相對(duì)濕度以及降水，資料來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集由中國(guó)756個(gè)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查進(jìn)行整編統(tǒng)計(jì)而得。作物系數(shù)參考FAO推薦的作物系數(shù)。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如作物結(jié)構(gòu)、作物種植制度等，由塔里木河流域阿克蘇管理局提供。土地利用數(shù)據(jù)由中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)數(shù)據(jù)中心提供。

1.2.2參考作物蒸散發(fā)的計(jì)算

本研究采用FAO推薦的Penman-Monteith方法計(jì)算參考作物蒸散發(fā)（ET0）。Penman-Monteith方法計(jì)算ET0的公式如下[9]：

式中，Rn為作物表層凈輻射（MJ/（m2·d））；G為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；u2為2 m高度24 h內(nèi)平均風(fēng)速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)際水汽壓（kPa）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）；γ為干濕表常數(shù)（kPa/℃）。

依據(jù)灌區(qū)和氣象站的相對(duì)位置，選擇距離較近的氣象站計(jì)算參考作物蒸散發(fā)。對(duì)于托河烏什灌區(qū)，受阿合奇和阿克蘇氣象站控制，托河溫宿灌區(qū)和庫(kù)河溫宿灌區(qū)受阿克蘇氣象站控制，阿克蘇河灌區(qū)受阿克蘇、柯坪和阿拉爾共同影響，塔河灌區(qū)受阿拉爾控制。不同灌區(qū)的參考作物蒸散發(fā)可以看作是周邊氣象站參考作物蒸散發(fā)的平均值，例如，托河烏什灌區(qū)的潛在蒸散發(fā)為阿合奇和阿克蘇站潛在蒸散發(fā)的平均值。

1.2.3作物需水量的計(jì)算

作物需水量ETc指作物在土壤水分、養(yǎng)分適宜、管理良好、生長(zhǎng)正常、大面積高產(chǎn)條件下的棵間土面（或水面）蒸發(fā)量與植株蒸騰量之和。本文采用作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量[5，9]，計(jì)算公式為：

式中，ETci為第i種作物的作物需水量（mm）；ET0為參考作物蒸散量（mm）；Kci為第i種作物的作物系數(shù)。

作物系數(shù)Kc是指灌溉條件良好的作物蒸散發(fā)量ETc和參考需水量ET0的比值，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得出，反映了不同作物不同生育階段的作物耗水能力的差異。由于阿克蘇地區(qū)的主要果林類(lèi)型為紅棗和核桃，依據(jù)《阿克蘇地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》，2011—2015年紅棗和核桃的種植面積比例約為1.4：1，本文用到的果林的作物系數(shù)為紅棗和核桃的種植面積的加權(quán)平均值（假設(shè)1960—2010年紅棗和核桃也是最重要的林果類(lèi)型，其種植面積比例為1.4：1），其中紅棗的作物系數(shù)參考王則玉等的研究[24]，核桃的作物系數(shù)參考張龍等的研究[25]，其余作物類(lèi)型的作物系數(shù)Kc采用FAO的推薦值。阿克蘇灌區(qū)主要作物的作物系數(shù)如圖2b所示。

2　結(jié)果分析

2.1　作物需水量年際和年內(nèi)變化

阿克蘇灌區(qū)參考作物蒸散量ET0介于1 077.5～1 166.4 mm，其中阿合奇、阿克蘇、柯坪和阿拉爾站的多年平均ET0分別為1 122.9 、1 077.5、1 166.4 mm和1 131.4 mm（表1）。近56 a來(lái)阿克蘇灌區(qū)的ET0呈顯著上升趨勢(shì)（p<0.001），上升速率為12.65 mm/10 a（圖3）。利用Students’t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ET0在1989年發(fā)生逆轉(zhuǎn)，1960—1989年阿克蘇灌區(qū)ET0在p=0.000 1水平上呈顯著下降趨勢(shì)，但是1990—2015年ET0呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，增加速率可達(dá)52.37 mm/10 a。2010—2015年，阿克蘇灌區(qū)的參考作物蒸散發(fā)為998.5 mm，較20世紀(jì)60年代的917.7 mm增加了8.8%。這主要是因?yàn)榘⒖颂K河灌區(qū)氣溫不斷升高，導(dǎo)致了參考作物蒸散量增加。ET0發(fā)生逆轉(zhuǎn)的時(shí)間與研究時(shí)段密切相關(guān)，例如普宗朝等[26]發(fā)現(xiàn)烏魯木齊河流域的潛在蒸散發(fā)在1970—2000年表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，而Li等[27]發(fā)現(xiàn)中國(guó)西北干旱區(qū)的蒸發(fā)皿蒸散發(fā)表現(xiàn)出先減少（1960—1992年）后增加的趨勢(shì)（1993—2012年）。

圖31960　—2015年阿克蘇灌區(qū)參考作物潛在蒸散量ET0（a）和作物需水量ETc（b）的變化

利用作物系數(shù)法計(jì)算了灌區(qū)主要作物生育期的作物需水量，結(jié)果表明，阿克蘇灌區(qū)1960—2015年多年平均作物需水量為586 mm。與ET0的變化趨勢(shì)類(lèi)似，ETc在1960—1989年間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在1989年以后作物需水量以99.37 mm/10 a的速度迅猛增加，增加速度遠(yuǎn)大于ET0在本時(shí)期的增加速度（52.37 mm/10 a），這主要是由于1989年以來(lái)，棉花、果林（紅棗、核桃等）高耗水經(jīng)濟(jì)作物的種植比例增加（圖2）。在氣候變化和作物種植結(jié)構(gòu)改變條件下，2010—2015年作物需水量達(dá)到了740.3 mm，較20世紀(jì)60年代的539.6 mm增加了37.2%。

ETc的年內(nèi)變化結(jié)果顯示（圖4），5、6月是作物需水最為旺盛的時(shí)期，ETc分別達(dá)到167.5 mm和174.3 mm，其次是7月（ETc=101.4 mm）和4月（ETc=66.9 mm），9月和10月的作物需水量最少。在未來(lái)氣候變化條件下，隨著融雪徑流的提前[28]，春旱問(wèn)題將有所緩解，但是夏季缺水形勢(shì)將更加嚴(yán)峻。

圖4　各月作物需水量

2.2　不同作物和灌區(qū)的灌溉需水量特征

基于流域平均氣候條件，阿克蘇灌區(qū)棉花、小麥、玉米、水稻和果林的多年平均作物需水量見(jiàn)表2，果林的需水量最大，高達(dá)829.8 mm，其次是棉花、水稻、玉米、小麥，其作物需水量分別為754.8、591.2、519.8 mm和388.5 mm。其中小麥在5月達(dá)到最大作物需水量，其余作物類(lèi)型在6月達(dá)到需水頂峰，是生理需水的關(guān)鍵期。

灌區(qū)作物需水量不僅受到種植結(jié)構(gòu)的影響，還受地理位置、氣象條件的影響。在現(xiàn)有作物種植結(jié)構(gòu)條件下，塔河灌區(qū)的作物需水量最大，高達(dá)909.9 mm，其次是阿瓦提灌區(qū)、托河溫宿灌區(qū)和庫(kù)河溫宿灌區(qū)，相對(duì)寒冷的托河烏什灌區(qū)的作物需水量最低。各個(gè)灌區(qū)均在6月達(dá)到需水量高峰，月需水量達(dá)200 mm以上，尤其是塔河灌區(qū)，由于海拔低、緯度低，溫度高，光照充足，需水量較高。

表2　阿克蘇河灌區(qū)不同作物類(lèi)型和不同灌區(qū)的平均作物需水量　mm

2.3　需水量對(duì)氣候變化的敏感性分析

阿克蘇灌區(qū)對(duì)全球變化響應(yīng)敏感，自1960年以來(lái)，阿克蘇灌區(qū)氣溫以0.18℃/10 a的速率迅速升高，氣候變化勢(shì)必引起作物需水量的變化。本文綜合評(píng)估了阿克蘇灌區(qū)作物需水量對(duì)不同氣候因子和作物種植結(jié)構(gòu)的敏感性（圖5）。結(jié)果顯示，作物需水量對(duì)日最高氣溫的敏感性高于日最低氣溫，當(dāng)日最高氣溫升高1℃和2℃時(shí)，作物需水量分別增加2.1%和4.3%，而當(dāng)最低氣溫升高1℃和2℃時(shí)，作物需水量?jī)H增加1%和2%。作物需水量對(duì)日照時(shí)數(shù)的敏感性高于風(fēng)速和水汽壓。當(dāng)日照時(shí)數(shù)增加10%時(shí)，作物需水量將增加3.2%，當(dāng)風(fēng)速增加10%時(shí)，作物需水量增加2.1%，而水汽壓增加10%時(shí)，作物需水量減少1.4%。

由作物需水量對(duì)作物種植結(jié)構(gòu)的敏感性可以看出，水稻、棉花和果林是高耗水作物，而小麥和玉米的耗水量較低。當(dāng)棉花的種植面積比例增加10%時(shí)，流域作物需水量平均增加了9.2%；當(dāng)果林的種植面積增加10%時(shí)，作物需水量增加了12.1%。由此，可以得出，作物種植結(jié)構(gòu)對(duì)作物需水量的影響很大。隨著全球氣候變暖，ETc不斷增加，在水資源總量約束下，應(yīng)適時(shí)的進(jìn)行農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到節(jié)水和增效的目的，使有限的水資源發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5　作物需水量對(duì)氣候因子（a）和對(duì)種植結(jié)構(gòu)（b）的敏感性

3　結(jié)論

近幾十年來(lái)，阿克蘇河灌區(qū)溫度上升，經(jīng)濟(jì)作物種植面積增加，勢(shì)必會(huì)引起作物需水量的變化，了解阿克蘇灌區(qū)作物需水量變化特征對(duì)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、水資源優(yōu)化配置至關(guān)重要。本研究計(jì)算了阿克蘇灌區(qū)作物需水量的時(shí)空變化和不同作物類(lèi)型的需水量特征，并探討了作物需水量對(duì)氣候變化和種植結(jié)構(gòu)的敏感性，可得出以下結(jié)論。

（1）阿克蘇河灌區(qū)多年平均作物需水量為586 mm，1960—2015年作物需水量呈顯著增加趨勢(shì)（p<0.001），增加速率為38.43 mm/10 a，其中1960—1989年作物需水量呈下降趨勢(shì)，1990—2015年作物需水量呈快速增加趨勢(shì)，增加速率達(dá)99.37 mm/10 a。

（2）果林的需水量最大，高達(dá)829.8 mm，小麥需水量最小，僅為388.5 mm，整體上呈果林＞棉花＞水稻＞玉米＞小麥的特征。塔河灌區(qū)的作物需水量最大，高達(dá)909.9 mm，其次是阿瓦提灌區(qū)、托河溫宿灌區(qū)和庫(kù)河溫宿灌區(qū)，處于相對(duì)寒冷區(qū)的托河烏什灌區(qū)的作物需水量最低。

（3）作物需水量對(duì)日最高氣溫和日照時(shí)數(shù)較為敏感，而對(duì)最低氣溫、風(fēng)速和水汽壓的敏感度較低。當(dāng)日最高氣溫升高2℃時(shí)，作物需水量增加4%，而當(dāng)日照時(shí)數(shù)增加10%時(shí)，作物需水量將增加3.2%。同時(shí)，作物需水量對(duì)作物種植結(jié)構(gòu)非常敏感，當(dāng)果林的種植面積增加10%時(shí)，作物需水量增加了12.1%。