石羊河流域不同農(nóng)作物耗水量時(shí)間序列變化研究

韓杰

摘 要：石羊河流域作為以灌溉農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域，存在用水效率較低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾十分突出。所以，本研究在水足跡的基礎(chǔ)上，通過Penman-Monteith公式，計(jì)算了流域尺度10種主要農(nóng)作物1991-2013年蒸散量、總耗水量的時(shí)間序列變化特征，研究結(jié)果表明：石羊河流域玉米、棉花、瓜類和蘋果作物ETC時(shí)間序列變化特征相似，薯類、胡麻、油菜、蔬菜和葡萄作物ETC時(shí)序變化特征相似，春小麥作物則具有獨(dú)特性;除春小麥和胡麻作物外，其他農(nóng)作物總耗水量均呈上升趨勢。

關(guān)鍵詞：水足跡;農(nóng)業(yè)耗水量;時(shí)間序列

1 研究區(qū)概況

石羊河流域是我國西北部河西走廊三個(gè)內(nèi)陸河盆地之一，位于甘肅省的東部 ，處于東經(jīng)101°41′-104°16′，北緯36°29′-39°27′，屬于干旱半干旱地區(qū)。石羊河流域行政區(qū)劃上主要包括金昌市和武威市，本區(qū)的東南部與白銀市、蘭州市相鄰，西南部與青海省接壤，西北部與張掖相連，東北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，流域面積達(dá)4.16萬km2，占整個(gè)河西地區(qū)總面積的15.4%。

石羊河流域內(nèi)水資源短缺，加上水資源被過度的開發(fā)利用，導(dǎo)致流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。

2 作物綠水與藍(lán)水計(jì)算方法

水足跡的概念被用來評估石羊河流域10種主要農(nóng)作物的需水量，農(nóng)作物生長期內(nèi)水足跡（WF crop）的計(jì)算方法參照Hoekstra et al：

WFcrop，green指的是作物生長過程中綠水消耗量，綠水其實(shí)就是作物生育期內(nèi)雨水的總蒸發(fā)量，WFcrop，blue是藍(lán)水資源的消耗量，包括河水、湖水、地下水或總灌溉水蒸發(fā)量[m3/ha]。

這里因?yàn)閿?shù)據(jù)的局限性以及農(nóng)作物的灰水消耗量并不是嚴(yán)格意義上的實(shí)體水消費(fèi)，而主要和水污染相關(guān)，所以灰水沒有被考慮進(jìn)去。為了計(jì)算WFgreen和WFblue，需要通過作物調(diào)節(jié)系數(shù)（KC）計(jì)算作物蒸散量（ETC），參考作物蒸散量（ET0）的計(jì)算公式如下：

作物蒸散量是兩部分的水分流失，分別為土壤表面的蒸發(fā)和作物蒸騰。ETcrop是作物蒸散量（mm/day），Kc為作物調(diào)節(jié)系數(shù)（無量綱），ETo是參考作物蒸散量（mm/day），參照聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式，運(yùn)用Cropwat作物需水軟件進(jìn)行計(jì)算。此方程是WFcrop的一般計(jì)算方法。因子10是將水深單位mm轉(zhuǎn)化為水的體積單位m3/ha.求是指作物生長期內(nèi)從播種日（第一天）到收獲日總蒸散量，lgp表示生長期的天數(shù)。通過作物蒸散量ETcrop計(jì)算WFgreen和WFblue的具體步驟如下：

計(jì)算每種作物的蒸散量ETcrop;計(jì)算作物生長期內(nèi)的有效降水量;

WFcrop，green通過比較作物生長期內(nèi)的潛在蒸散量與有效降水量（ER）來確定，當(dāng)ET>ER時(shí)，WFcrop，green等于有效降水量;然而，當(dāng)ET

WFcrop，blue即是灌溉需水量，如果ET>ER， WFcrop，green=ET-ER;若ET

3 作物潛在蒸散量（ETC）時(shí)間序列分析

用線性回歸分析法對石羊河流域尺度農(nóng)作物ETC時(shí)間序列變化進(jìn)行線性傾向性分析，用變差系數(shù)Cv表示作物蒸散量年際變化的離散程度，用時(shí)間序列距平值判斷時(shí)間節(jié)點(diǎn)和異常值。

農(nóng)作物ETC線性傾向率通過最小二乘法得到，具體計(jì)算公式為：

式中，b為作物蒸散量的線性傾向率，xj表示第j年作物x的蒸散量，tj為第j年對應(yīng)的時(shí)間，n為時(shí)間序列樣本量。

變差系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，cv為變差系數(shù)，S表示標(biāo)準(zhǔn)差，xj為農(nóng)作物x第j年的ETC值，x-為作物蒸散量的時(shí)間序列均值，n代表樣本量。Cv值越大表示時(shí)間序列的離散程度越大，波動(dòng)性越強(qiáng)，反之?dāng)?shù)據(jù)序列越平穩(wěn)，波動(dòng)性越小。

根據(jù)石羊河流域ETC時(shí)間序列變化特征以及不同時(shí)間段的距平值，對近25年作物ETC時(shí)間序列變化做分階段研究。

階段性分析結(jié)果顯示，1991-2003年10種作物ETC的線性傾向均為正，增加幅度較大的是糧食作物（春小麥、玉米）、薯類、油料作物（胡麻、葵花）和葡萄作物，每10年增加10mm以上，其余作物類型增加量均在10mm以下。瓜類的ETC波動(dòng)性較大，CV高達(dá)0.091，其余作物類型之間差異不顯著。

2004-2013年所有作物的ETC均隨時(shí)間變化逐年下降，且下降速度大于1991-2003年間的增加速率，ETC隨時(shí)間下降較快的作物為蔬菜、春小麥、油料（胡麻、油菜），每10年分別減少41mm、40mm、35mm、28mm，棉花和葡萄的ETC下降速率較慢，每10年的減少量在10mm以下。10種作物的波動(dòng)幅度差異不大，CV基本都在0.04～0.05之間。1991-2013年10種農(nóng)作物類型ETC在整體保持上升趨勢的基礎(chǔ)上，在兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，均呈現(xiàn)先緩慢上升，然后以稍快的速度下降的變化趨勢，其中糧食作物（春小麥、玉米）、油料作物、蔬菜和薯類作物的上升和下降速度均較快，棉花和葡萄作物的兩種變化趨勢均不明顯。兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，除棉花和瓜類外，其余作物類型的變化率均呈現(xiàn)由小變大趨勢，波動(dòng)性逐漸增強(qiáng)。

4 石羊河流域分作物總耗水量時(shí)序分析

1991-2013年石羊河流域作物總耗水量隨時(shí)間在波動(dòng)中呈逐漸上升的趨勢， 10種作物耗水量占比隨時(shí)間變化情況為1991-2013年間春小麥耗水量在所有農(nóng)作物中占絕對優(yōu)勢，達(dá)到50%以上，但占比逐年下降，玉米和蔬菜總耗水量占比逐年增加，近兩年玉米總耗水量所占比重已經(jīng)超越春小麥，占比達(dá)到34%，成為主要耗水作物，蔬菜次之（23%）。油料作物（胡麻、葵花）和蘋果作物總耗水量占比在波動(dòng)中呈下降趨勢，葡萄、棉花和瓜類作物總耗水量占比隨時(shí)間逐漸增加，其中葡萄作物總耗水量占比隨時(shí)間增加較快。

參考文獻(xiàn)

[1]魏懷東，李亞，了峰等.石羊河流1951-2000年氣候變化特征[J].草業(yè)科學(xué)，2014，31（4）：590-598.

[2]周俊菊，雷莉，石培基等.石羊河流域河川徑流對氣候與止地利用變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（11）：1-13.

[3]Gheewala S H， Silalertruksa T， Nilsalab P， et al. Water footprint and impact of water consumption for food， feed， fuel crops production in Thailand[J].Water，2014，6（6）：1698-1718.

[4]Allen R G， Pereira L S， Raes D， et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56[J].FAO，Rome，1998，300（9）： D05109.