變化環(huán)境下云南省作物需水和農(nóng)業(yè)用水特征研究

喬偉 朱赟 熊玉江

摘 要：根據(jù)云南省33個氣象站點近60年的氣象及近10年農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)等資料，計算了參考作物需水量，分析了云南省參考作物需水量區(qū)域分布特征，利用曼-肯德爾（Mann-Kendall）趨勢檢驗法檢驗，揭示了云南省氣候變化及參考作物需水量變化趨勢，研究了云南省農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、節(jié)水灌溉面積和農(nóng)業(yè)用水特征。

關(guān)鍵詞：變化環(huán)境;作物需水量;氣候變化;人類活動;云南

中圖法分類號：S162 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0406

近年來，全球氣候變化加劇，人類活動明顯增強，環(huán)境變化對水資源的影響成為熱點問題之一[1]。我國農(nóng)業(yè)用水量大，區(qū)域作物需水量是合理調(diào)配水資源、優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。氣候、種植結(jié)構(gòu)等變化是影響區(qū)域作物需水量最主要的自然因素和人為因素。近年來，氣溫增加、極端降雨事件、CO2濃度變化不僅引起了水資源量及其在時空分布的變化，還對作物生長發(fā)育造成直接的影響，作物需水規(guī)律發(fā)生變化，增加了作物的潛在需水量[2-3]。作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整、灌溉管理方式等措施，也會使區(qū)域作物需水量發(fā)生變化。不合理調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、增加種植面積、不科學(xué)的灌溉方式，加劇了農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾，影響了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣候變化對作物需水量的影響開展了大量研究。有研究表明，隨著氣候變暖，作物需水量和灌溉需水量呈增加趨勢[4-5]。同時，也有研究表明，氣候溫度增加不明顯、降雨增加、日照時數(shù)減少和風(fēng)速降低等原因，導(dǎo)致了作物需水量和灌溉需水量呈減少趨勢[6-8]。上述研究工作僅分析了參考作物需水量或作物需水量與氣候變化的關(guān)系，缺乏氣候、種植結(jié)構(gòu)和灌溉管理等變化環(huán)境對作物需水量及農(nóng)業(yè)用水的影響。本文選擇地處低緯高原、氣候特征復(fù)雜[9-10]的云南省為研究對象，根據(jù)氣候及作物種植面積資料，研究變化環(huán)境下云南省作物需水量演變趨勢，分析變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)用水量，以便為緩解變化環(huán)境下云南省水資源供需矛盾、優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、科學(xué)發(fā)展節(jié)水灌溉、制定灌溉管理制度提供依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?資料來源

研究所用的氣象資料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn），包括云南省內(nèi)33個氣象站（見圖1）1956—2015年日最高最低氣溫、平均氣溫、大氣壓、空氣相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)和降雨量。作物種植面積及農(nóng)業(yè)用水量資料摘自《中國統(tǒng)計年鑒》，包括2006—2015年農(nóng)作物播種面積、谷類、油料、烤煙、蔬菜等種植面積以及農(nóng)業(yè)用水量。2006—2015年云南省農(nóng)田灌溉用水量來自《云南省水資源公報》，節(jié)水灌溉面積數(shù)據(jù)取自《中國水利統(tǒng)計年鑒》。

1.1.1 ?參考作物需水量計算

參考作物需水量計算采用世界糧農(nóng)組織推薦的FAO Penman-Monteith（P-M）方法進(jìn)行計算[11]，計算公式如下：

式中：為日參考作物需水量，mm/d;為凈輻射，MJm-2d-1;G為土壤熱通量，MJm-2d-1;T為平均氣溫℃;為2m高度處的風(fēng)速ms-1;和分別為飽和水汽壓和實際水汽壓kPa;為飽和水汽壓-溫度曲線上在T處的切線斜率，kPa°C-1;為濕度計常數(shù)kPa°C-1。

1.1.2 ?趨勢檢驗

氣候變化、參考作物需水量總體變化趨勢采用曼-肯德爾（Mann-Kendall，簡稱MK）趨勢檢驗法檢驗[12]分析。在MK檢驗中，原假設(shè)為時間序列數(shù)據(jù)（X1，X2，…Xn），是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本;備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗，對于所有的i，j

其中：

式中：sing0為符號函數(shù)。當(dāng)小于、等于或者大于0時，分別為-1、0或1。

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的置信水平，若，則原假設(shè)是不可能接受的，即在置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢。│Z│≥1.28，1.64，2.32時表示分別通過了置信度90%，95%，99%的顯著性檢驗。

1.1.3 ?插值分析

研究利用云南省33個氣象站點的參考作物需水量及其MK檢驗統(tǒng)計量Z作為樣本點，插值得到云南全省參考作物需水量及其MK檢驗統(tǒng)計量Z。常用的插值方法有整體插值法（趨勢面法和多元回歸法等）、局部插值法（泰森多邊形法、反距離加權(quán)法、克里金插值法和樣條法等）和混合插值法（整體插值法和局部插值法的綜合）[13]。本文為了考慮高程對參考作物的影響，選擇克里金插值，即假設(shè)參考作物需水量及其變化與高程具有相關(guān)性。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?參考作物需水量特征分析

利用公式（1）對云南省33個氣象站點1956～2015年參考作物需水量進(jìn)行了計算（見表1），并利用克里金插值方法得到云南省參考作物分布圖（見圖2）。從表1、圖2可知，云南省多年平均參考作物需水量最低值為793.1mm，最大值為1 490.8mm，極值比為1.88，說明參考作物需水量區(qū)域差異較大。由圖2可知，云南省參考作物需水量總體表現(xiàn)為滇西北、滇東南小，滇北、滇南和滇中地區(qū)大。從地區(qū)看，元謀、華坪和元江等干熱河谷地區(qū)參考作物需水量大，德欽、迪慶、維西等高海拔地區(qū)小。對33個氣象站點參考作物需水量排序及統(tǒng)計分析結(jié)果如表1所示，平均氣溫和日照時數(shù)增加十分顯著，相對濕度呈減小趨勢，風(fēng)速變化趨勢不明顯，平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)與參考作物需水量的相關(guān)系數(shù)R分別為0.72、-0.46、0.18和0.64。因此，云南省參考作物需水量區(qū)域差異主要是由氣溫和日照時數(shù)造成的。

2.2 ?氣候變化對農(nóng)業(yè)用水的影響分析

氣候變化主要改變了作物生育周期和作物需水規(guī)律，從而影響區(qū)域農(nóng)業(yè)用水情況，而這種影響可以通過參考作物需水量變化來表征。采用肯德爾（Kendall）非參數(shù)檢驗法，在水平α分別為0.05、0.1水平下，對云南省33個氣象站點60年的氣溫、相對濕度、降雨、風(fēng)速、日照時數(shù)和參考作物需水量進(jìn)行了顯著性檢驗，典型代表站點結(jié)果如表2所示，采用克里金插值法得到云南省參考作物需水量MK檢驗統(tǒng)計量Z分布，如圖3所示。從表2可知，近60年，除元謀和屏邊站氣溫降低外，其他地區(qū)均呈現(xiàn)顯著上升趨勢，且部分地區(qū)通過了可信度95%的顯著性檢驗，在α=0.05下具有統(tǒng)計學(xué)意義，說明云南省氣候逐漸變暖;除大理、元謀外，其余站點空氣相對濕度均呈降低趨勢，且大部分地區(qū)下降趨勢顯著;沾益、會澤、臨滄、景洪、文山等地年降雨減少顯著，昭通、維西、騰沖、元謀等地降雨量略有增加，但趨勢不明顯;風(fēng)速變化區(qū)域差異明顯，但大部分區(qū)域風(fēng)速變化不顯著;大部分地區(qū)日照時數(shù)呈增加趨勢，例如文山、維西、元謀、昆明等地，且增加趨勢顯著。

從圖3可知，氣候變化條件下云南省參考作物需水量變化呈現(xiàn)明顯的區(qū)域特征，主要表現(xiàn)為滇中、滇東、滇東南、滇東北、滇南呈減少趨勢，其中元謀地區(qū)通過置信度99%的顯著性檢驗，下降趨勢極顯著，其他地區(qū)趨勢不明顯;滇西、滇西北、滇西南呈現(xiàn)增加趨勢，其中滇西北、滇西南地區(qū)下降趨勢顯著，迪慶、臨滄地區(qū)通過了置信度95%的顯著性檢驗。

表2對比分析了主要氣象要素和參考作物需水量變化特征值，參考作物需水量的增加主要是氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)增加和相對濕度減小共同作用的結(jié)果，且不同地區(qū)影響因子不同，如臨滄參考作物需水量增加主要是氣溫顯著增加和相對濕度顯著減小的作用，而會澤是由于氣溫和日照時數(shù)顯著增加的結(jié)果。元謀參考作物需水量呈顯著減小趨勢，主要受氣溫、日照時數(shù)減小，相對濕度增加影響，這一結(jié)果與起樹華和王建彬的研究結(jié)果一致，其主要原因是元謀特殊地形條件下，下墊面性質(zhì)和狀態(tài)改變影響的結(jié)果[14]。

2.3 ?人類活動對農(nóng)業(yè)用水的影響分析

近10年來，云南省農(nóng)作物播種面積逐年增加，2015年農(nóng)作物播種面積較2006年增加了16.9%。從表3可知，近年來云南省農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為稻谷、烤煙、蔬菜和油料種植面積均不同程度地增加，烤煙、油料種植面積占比基本保持不變，但谷類種植面積占比降低5%，蔬菜種植面積占比增加了5%，糧經(jīng)比降低。農(nóng)作物種植面積的增加，勢必增加云南省農(nóng)業(yè)需水量，從而增加農(nóng)業(yè)用水量。但從近年統(tǒng)計的用水情況看，云南省農(nóng)業(yè)用水量基本保持穩(wěn)定，2015年云南省農(nóng)業(yè)用水量為104.6×108m3，比2006年減少1×108 m3。由表3可知，近年來，隨著國家大力推進(jìn)節(jié)水行動，大興農(nóng)田水利工程，農(nóng)業(yè)用水效率得到大幅提高。云南省2015年節(jié)水灌溉面積由2006年的42.5×104 hm2增加到72.5×104 hm2，增幅達(dá)到70%，農(nóng)田畝均灌溉用水量減少145m3，減幅達(dá)到26.7%。人類要通過改變農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和用水管理等方式影響農(nóng)業(yè)用水量，近10年來，由于云南省作物播種面積的增加，大部分地區(qū)降雨量的減少，參考作物需水量的增加加劇了云南省農(nóng)業(yè)用水供需矛盾，但由于種植結(jié)構(gòu)中糧經(jīng)比例逐漸降低，以及農(nóng)田水利工程建設(shè)和節(jié)水灌溉面積的增加，農(nóng)業(yè)用水量基本保持穩(wěn)定。若云南省作物種植面積和種植結(jié)構(gòu)保持不變，大部分地區(qū)降雨量減少以及作物需水量的增大將會導(dǎo)致云南省農(nóng)業(yè)需水量明顯增加，從而加劇水資源的供需矛盾。因此，云南省應(yīng)該繼續(xù)加強水利工程建設(shè)，提高用水效率，同時要制定科學(xué)的灌溉制度，加強節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用，提高應(yīng)對氣候、種植結(jié)構(gòu)等變化環(huán)境的能力。

3 ?結(jié)論

（1）云南省多年平均參考作物需水量極值比為1.88，存在明顯的區(qū)域差異，總體表現(xiàn)為滇西北、滇東南小，滇北、滇南和滇中地區(qū)大。參考作物需水量區(qū)域差異主要由氣溫和日照時數(shù)造成的，其相關(guān)系數(shù)分別為0.72和0.64，參考作物需水量隨著氣溫、日照時數(shù)增加和相對濕度的減小而增加。

（2）近60年，云南省氣溫總體呈現(xiàn)顯著上升趨勢，大部分地區(qū)相對濕度有所下降，降雨量略有減少，部分地區(qū)趨勢明顯，風(fēng)速總體變化不顯著，大部分地區(qū)日照時數(shù)呈增加趨勢。氣候變化對參考作物需水量影響區(qū)域差異明顯，主要表現(xiàn)為滇中、滇東、滇東南、滇東北、滇南呈減小趨勢，滇西、滇西北、滇西南呈現(xiàn)增大趨勢。

（3）云南省2006—2015年，農(nóng)作物播種面積逐年增加，種植結(jié)構(gòu)變化較大，谷類種植面積占比降低5%，蔬菜種植面積占比增加了5%，糧經(jīng)比減小。云南省節(jié)水灌溉面積顯著增加，增加幅度達(dá)到70%，農(nóng)田畝均灌溉用水量減少26.7%。在種植面積、種植結(jié)構(gòu)和節(jié)水灌溉等人類活動的綜合作用下，云南省農(nóng)業(yè)用水量基本保持穩(wěn)定。

（4）氣候變化、種植結(jié)構(gòu)、灌溉管理等變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)需水規(guī)律發(fā)生了深刻變化，從而影響農(nóng)業(yè)用水格局。云南省大部分地區(qū)由于氣候變化、作物種植面積增加，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)需水量呈增加趨勢，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾加劇，且隨著未來環(huán)境變化不斷惡化，而通過農(nóng)田水利工程建設(shè)提高農(nóng)業(yè)用水效率的潛力有限。因此，今后應(yīng)加強變化環(huán)境對農(nóng)業(yè)用水及糧食生產(chǎn)安全的影響研究，為制定保障云南省農(nóng)業(yè)用水安全的適應(yīng)性對策提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]董平國，馮紹元，霍再林.氣候變化及人類活動對石羊河下游徑流的影響[J].中國農(nóng)村水利水電，2010，（7）：22-24.

[2]李萍，魏曉妹.變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)需水量演變趨勢及驅(qū)動力[J].排灌機械工程學(xué)報，2013，31（2）：822-828.

[3]王小軍，張建云，王國慶，賀瑞敏，尚熳廷.氣候變化與農(nóng)業(yè)用水安全[J].中國農(nóng)村水利水電，2012（2）：23-25.

[4]韓冰，羅玉峰，王衛(wèi)光.氣候變化對水稻生育期及灌溉需水量的影響[J].灌溉排水學(xué)報，2011，30（1）：29-32.

[5]李勇，楊曉光，葉濤.氣候變化對長江中下游地區(qū)水稻需水量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（9）：175-183.

[6]王衛(wèi)光，彭世彰，孫風(fēng)朝.氣候變化下長江中下游水稻灌溉需水量時空變化特征[J]，水科學(xué)進(jìn)展，2012，23（5）：656-664.

[7]羅玉峰，彭世彰，王衛(wèi)光.氣候變化對水稻灌溉需水量的影響——以高郵灌區(qū)為例[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2009，42（5）：609-613.

[8]韓宇平，王朋，王富強.氣候變化下淮河區(qū)主要作物需水量變化特征[J]，灌溉排水學(xué)報，2013，32（5）：114-117.

[9]段傾瓊，王靜，劉彤.低緯高原地區(qū)ET_0多時間尺度變化特征及變化趨勢分析[J].節(jié)水灌溉，2011，（9）：25-28.

[10]顧世祥，傅驊，高嵩.低緯度高原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水規(guī)律研究[J].灌溉排水學(xué)報，2004，23（4）：71-74.

[11]R G Allen，L S Pereira，D Raes，et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop requirements-FAO Irrigation and Drainage[M]. FAO. Rome，Italy，1998，45-46.

[12]張盛霖，鄧高燕，黃勇奇. Mann-Kendall檢驗法在Excel中的實現(xiàn)與應(yīng)用[EB/OL].北京：中國科技論文在線[2014-06-22]. http：//www.paper.edu.cn/relea -sepaper/content/201406-448.

[13]何紅艷，郭志華，肖文發(fā).降水空間插值技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（10）：1187-1191.

[14]起樹華，王建彬.元謀干熱河谷氣候生態(tài)環(huán)境變化的初步分析[J]. 氣象研究與應(yīng)用，2007，28（a02）：125-127.

The Characteristic of Crop Water Demand and Agricultural Water Consumption under Changed Environment in Yunnan Province

Qiao Wei1 ? ?Zhu Yun2 ? ?Xiong Yujiang1

（1. Yangtze Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China;

2. School of Water Conservancy Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：60 years meteorological data of 33 weather stations and 10 yearsagricultural planting data in Yunnan province were collected to calculate reference crop evapotranspiration（ETo），and explore the regional distribution characteristic of ETo. The changing trends of ETo were analyzed using Mann - Kendall method. We also investigated the characteristic of agricultural planting structure，water-saving irrigation area and agricultural water consumption.

Key words：changed environment;Yunnan;water demand of crop;climate change;human activity

收稿日期：2021-01-29

作者簡介：喬偉，女，碩士研究生，高級工程師，主要從事農(nóng)村飲水安全、節(jié)水灌溉等技術(shù)工作。E-mail：502853934@qq.com