阿克蘇河灌區作物理論需水量的時空分布特征

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.西南林業大學 林學院， 云南 昆明 650224)

阿克蘇河灌區作物理論需水量的時空分布特征

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.西南林業大學 林學院， 云南 昆明 650224)

[目的] 研究阿克蘇河灌區作物的理論需水量的時空變化特征，為該區水資源科學管理、高效利用提供理論依據。 [方法] 基于灌區內1972—2014年6個氣象臺站的逐日氣象觀測數據，采用FAO修正的Penman-Monteith模型，計算參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，進行空間數據的插值分析，對阿克蘇河灌區作物的理論需水量特征分別在空間和時間兩個維度上進行探討。 [結果] (1) 阿克蘇河灌區多年平均ET0介于1 118～1 241 mm之間，呈現中部以北地區較低，西南部、南部地區較高的規律； (2) 春季和夏季的ET0最高，5，6，7月的月均ET0合計為533 mm，是作物最需要水分補給的重要時段； (3) 自20世紀70年代至今，作物年均蒸發蒸騰量呈現逐漸降低的趨勢，2010年以后的變化趨勢較為顯著； (4) 灌區各季節及全年的ET0變化均呈現S形曲線分布，至2014年已接近波谷并有抬升趨勢。 [結論] 在氣候變化背景下，阿克蘇河灌區作物的理論需水量隨時間變化顯著，春夏季受蒸騰作用影響是需要補水的關鍵時期，年際變化呈波動抬升趨勢；在空間上亦呈現明顯地帶分異特點，呈南高北低的特征。

作物理論需水; 參考作物蒸發蒸騰量； 時空分布; 阿克蘇河

近年來，隨著阿克蘇河灌區需水農業和林果業的快速發展，水資源需求量不斷增加[1]。2014年，灌區主要作物(包括棉花、土豆、小麥、玉米和水稻等)和經濟林(包括核桃、蘋果、葡萄和棗等)種植總面積已達8.87×105hm2，出現了較為突出的水資源供需矛盾及無序開發利用等問題[2-3]。通過對長時間序列氣象數據的統計分析，提取和計算阿克蘇河灌區需水作物和植被的理論需水量，能夠較為準確地為阿克蘇河灌區水資源管理提供基礎依據，實現水資源在灌區內的統一管理和優化配置，以克服傳統的僅憑經驗配水、上下游水資源調配不均、水資源配置空間分布不合理等弊端，對實現可持續農業具有較為深遠的理論和現實意義。

作物理論需水量亦稱為參考作物蒸發蒸騰量，是發生在土壤—植被—大氣系統體系內的復雜的連續過程[4]。計算參考作物蒸發蒸騰量的方法較多，常用方法包括水量平衡法、氣象數據估算法、儀器測量法和能量平衡法等[5-8]。本研究根據研究區需水作物和植被的特點，結合當地氣候、地形等特征，基于覆蓋研究區的6個國家一、二級氣象自動觀測臺站逐日觀測數據，選取了1998年世界糧農組織(FAO)修正的Penman-Monteith模型[9-11]計算參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，分析阿克蘇河灌區作物的理論需水量的時空變化特征，旨在為今后阿克蘇河灌區水資源科學管理、高效利用提供理論依據。

1 研究區概況

阿克蘇河灌區位于天山南麓中段西部、塔里木盆地西北邊緣，地處東經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、蒸發強烈，年均降水量64 mm，年均蒸發量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，年均日照時數2 850 h。屬河谷平原地貌，土壤肥沃，宜農宜牧。阿克蘇河灌區總面積2.21×106hm2，其中，耕地面積為5.86×105hm2，占灌區總面積的26.51%；園地面積為3.01×105hm2，占灌區總面積的13.60%。涉及烏什縣、溫宿縣、阿克蘇市、阿瓦提縣、柯坪縣共5個縣市的部分區域和新疆生產建設兵團農一師16個團場。

2 研究方法

2.1 氣象數據收集

收集了阿克蘇河灌區及周邊地區的共6個國家一、二級氣象自動觀測臺站1972—2014年的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日平均風速和日照時數等數據(來源于國家氣象中心地面氣候資料日值數據集)。涉及到的6個氣象臺站分別為：阿克蘇(站點號51628)、拜城(站點號51633)、庫車(站點號51644)、阿合奇(站點號51711)、柯坪(站點號51720)和阿拉爾(站點號51730)。

2.2 ET0模型估算

參考作物蒸發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蒸騰速率。假設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、生長旺盛、完全覆蓋地表的綠色草地的蒸發蒸騰速率[12]。本文采用1998年世界糧農組織(FAO)修正的Penman-Monteith模型計算參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，計算模型為：

(1)

式中：ET0——參考作物蒸發蒸騰量(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高度上的平均風速(m/s)； es——飽和水汽壓(kPa)； ea——實際水汽壓(kPa)；Δ——飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃)；γ——干濕表常數(kPa/℃)。各參數的計算方法詳見參考文獻[13-15]。

2.3 空間插值及曲線擬合

計算6個站點的ET0的年際變化、季節變化，采用反距離權重法(IDW)對6個站點的數據進行空間數據內插；采用多元曲線回歸法，擬合ET0的變化趨勢。

3 結果與分析

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有緊密關系。阿克蘇河灌區常年干旱少雨、蒸發量大；在地勢上呈現西北高、東南低的趨勢，地形自西北向東南傾斜，灌區北部為山區，中部為谷地平原，東南部與沙漠接壤。計算結果表明，阿克蘇河灌區多年平均ET0介于1 118～1 241mm之間。中部以北地區受年降水量、風速和日照等氣象因子的影響，ET0介于1 118～1 174mm之間，相對偏低；西南部、南部地區ET0相對較高，介于1 165～1 241mm之間。總體上，灌區年均ET0為1 166mm。

阿克蘇河灌區ET0的季節分布不均勻。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基本呈現與全年平均一致的規律，即中部以北地區相對偏低，西南部、南部地區相對較高。在進行水資源空間配置時，應重點加強西南部、南部地區需水作物和植被的水源供應，以實現灌區灌溉用水的合理布局。

一年中，作物的蒸發蒸騰主要發生在春季和夏季，占全年蒸發蒸騰量的76.4%，為了給作物提供更好的生長條件、提高生長效率，應在春夏季特別是夏季保障供應足夠的灌溉用水；秋季和冬季則相對較少，僅占全年蒸發蒸騰量的23.6%。具體月份方面，5，6，7月的月均ET0合計為533mm，占全年的45.1%，是全年中作物蒸發蒸騰最旺盛的時段；1，2，11，12這4個月的月均ET0合計為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蒸騰量空間分布

圖2 阿克蘇河流域參考作物蒸發蒸騰量年際變化

3.2 長時間序列ET0變化分析

受全球氣候變化的影響，阿克蘇河灌區近43a間在降水量、風速、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生了較大變化。總體上，受氣溫和降水量的影響，灌區作物自20世紀70年代至今，參考作物年均蒸發蒸騰量呈現逐漸降低的趨勢(表1，圖2)。需要注意的是，作物年均蒸發蒸騰量逐漸降低并非意味著灌區作物需水量絕對值在減少，僅能反映單位面積上的參考作物蒸發蒸騰量的降低。近年來，隨著灌區內集約化農業生產的快速發展以及耕作面積的不斷增加，作物實際需水量實際呈現增加的趨勢；另外，受全球氣候變化的影響，作為灌區灌溉用水的主要補給來源，冰川融雪后的地表徑流量逐年減少且呈現波動變化。因此，在水資源管理工作中，需要綜合考慮以上各影響因素，才能實現高效用水、合理分配。

表1 阿克蘇河流域參考作物蒸發蒸騰量年代際變化

3.3ET0變化空間分布

由阿克蘇河灌區各時期ET0的距平空間分布插值結果分析可知，總體上，阿克蘇河灌區各時期ET0的變化較為顯著，灌區整體呈現逐漸降低的趨勢。20世紀70年代期間，各站點的ET0均高于平均值，其中，灌區南部較高，西北部較低，呈現由西北向東南逐漸升高的趨勢。20世紀80年代，中北部地區(阿克蘇市北部、溫宿西南部)變化較大，主要受當時降水量的影響；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90年代至21世紀初，因同時期降水量相對偏高，導致整個灌區的平均ET0均降低，變化最為顯著的是灌區南部(阿克蘇市中部)。進入2010年后，阿克蘇市北部和溫宿西南部因干旱少雨導致ET0升高，阿克蘇市中部則出現較大幅度的降低。

3.4ET0變化趨勢分析

通過曲線回歸的不同方法的對比結果分析可知，采用三次多項式回歸模型的擬合結果最為理想，除冬季外，春、夏、秋和全年的回歸模型R2值均在0.65以上。各季節及全年的ET0變化均呈現S形曲線，至2014年已接近波谷并自此有抬升趨勢。氣候條件諸如降水量、風速、日照和氣溫等在長時間序列上的變化是有規律的，基本呈現S形曲線趨勢，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的變化趨勢是向升高的方向發展的，即單位面積上、單位時間內參考作物的蒸發蒸騰量升高。要滿足作物的正常生長，需要更多的水分補給。

4 結 論

(1) 阿克蘇河灌區多年平均ET0介于1 118～1 241mm之間，受氣候條件和地形地勢的影響，灌區ET0呈現中部以北地區較低(1 118～1 174mm之間)，西南部、南部地區ET0相對較高(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合計為533mm，是作物最需要水分補給的時段，1，2，11，12這4個月的月均ET0合計僅為99mm。

(3) 自20世紀70年代至今，作物年均蒸發蒸騰量呈現逐漸降低的趨勢。灌區南部為較為密集的農業耕作區，應重視該地區的水量分配。灌區各時期ET0的變化較為顯著，整個灌區呈現逐漸降低的趨勢，2010年以后的變化趨勢較為顯著。

(4) 灌區各季節及全年的ET0變化均呈現S形曲線，至2014年已接近波谷并有抬升趨勢，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

新疆維吾爾自治區水利廳科技支撐項目“塔里木河流域阿克蘇灌區斑塊類型動態變化遙感監測”(TGJAKS-SKS-2014-002)； 國家自然科學基金項目(31460195； 31660236)

張輝(1963—),男(漢族),甘肅省榆中縣人,高級工程師,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，碩士生導師，主要從事植被生態學方面的研究。E-mail：583711802@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.046

A

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

TV213.4， S127

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