基于CROPWAT的涇惠渠灌區玉米和棉花灌溉需水量時空分布研究

宋 揚，周維博，李 慧

(1.長安大學環境科學與工程學院，西安 710054；2.長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，西安 710054)

0 引 言

近幾十年來全球氣候變暖，氣溫升高，致使作物需水量和農田灌溉需水量發生變化，導致農業需水量增加；而氣候變暖進一步導致降水資源的時空分布更加不均衡，用水部門的用水量也在不斷增加，用于農業的灌溉水量將會減少，這進一步加劇了農業水資源的供需矛盾。許多學者對農田灌溉需水量進行了大量研究，李立分析了氣候變化條件下寶雞峽灌區作物需水量的時空變化，認為作物需水量呈波動增加趨勢[1]；宋妮等分析了河南省冬小麥需水量時空變化及影響因素，得出河南省冬小麥需水量呈下降趨勢，日照時數和日平均高溫是影響冬小麥需水量的主要因素的結論[2]；劉曉英等分析了氣候變暖對華北地區主要作物需水量的影響，結果表明氣候變暖對不同地域的不同作物需水量的影響程度不同[3]；Ma Lin等分析了華北平原作物灌溉需水量的時空分布及驅動因素，認為華北平原作物灌溉需水量逐年增加，降雨是灌溉需水量變化的主要驅動因子[4]。綜上可知，作物需水量的分布特征及驅動因子已有大量研究，但是針對涇惠渠灌區玉米和棉花需水量變化特征研究相對較少，因此，研究灌區作物需水量的變化規律，對緩解農業水資源供需矛盾，合理利用水資源具有重要意義。

本文根據涇惠渠灌區近30 a來的氣象資料，利用FAO的CROPWAT模型計算玉米和棉花蒸發蒸騰量和生育期有效降水量，進而得到玉米和棉花灌溉需水量，利用SPSS軟件分析需水量與氣象因子的相關性，為灌區作物灌溉以及灌溉用水的分配提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況及資料來源

(1)研究區概況。涇惠渠灌區位于陜西省關中平原中部，屬涇、渭河沖積平原區，是典型的井渠結合灌區，東、西、南有石川河、涇河、渭河環繞，轄涇陽、三原、富平、高陵、閻良和臨潼6個縣區，總控面積為1 180 km2，土壤和水利條件良好，有效灌溉面積131.9萬畝，屬大陸半干旱氣候，多年平均降水量為540 mm，年蒸發量1 200 mm，灌溉水源為涇河引水和區內地下水。

(2)資料來源。本文所用氣象數據和空間數據均來源于陜西省涇惠渠管理局。其中氣象數據包括涇惠渠近30 a的氣象資料，空間數據為涇惠渠灌區行政分區圖，見圖1。

圖1 涇惠渠灌區平面圖Fig.1 The plan of Jinghui canal irrigation district

1.2 研究方法

CROPWAT 模型是聯合國糧農組織(FAO)土地與水發展司在 1992 年開發設計的，主要用于計算參考作物蒸發蒸騰量、作物蒸發蒸騰量、作物灌溉需水量、制定灌溉制度及評價雨養或非充分灌溉對產量的影響。該模型所需的輸入參數包括氣象參數、作物參數、土壤參數[5,6]。

1.2.1參考作物蒸發蒸騰量

CROPWAT模型根據當地的氣象資料，利用Penman-Monteith公式計算參考作物蒸發蒸騰量，其公式如下：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量， mm/d；Δ為飽和水氣壓ea與溫度曲線的斜率，kPa/℃；Rn為參考作物冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕表常數，kPa/℃；Ta為2 m高處的日平均氣溫，℃；μ為2 m高處的風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實際水汽壓，kPa。

1.2.2作物蒸發蒸騰量

CROPWAT模型通過ET0和不同階段的作物系數得到作物蒸發蒸騰量，在一定氣候條件下可以表示為：

ETc=KcET0

(2)

式中：ETc為作物蒸發蒸騰量， mm；Kc為作物系數。

1.2.3有效降水量

CROPWAT模型利用美國農業部提供的方法計算有效降水量[7-9]：

Pe=SF(0.709 17P0.823 16t-0.115 56)×100.024 2 ETc

(3)

式中：Pe為月平均有效降水量， mm：Pt為月平均降水量， mm；ETc為月平均作物蒸發蒸騰量， mm；SF為土壤水分儲存因子，其計算公式見公式(4)：

SF=(0.531 747+0.295 164D-0.057 69D2+

0.003 804D3)

(4)

式中：D為可使用的土壤儲水量， mm，通常取作物根區土壤有效持水量的40%～60%。

1.2.4灌溉需水量

模型根據作物蒸發蒸騰量和生育期內的有效降水量計算玉米和棉花灌溉需水量，由于研究區年降水量較少，地下水位較低。故在計算玉米和棉花灌溉需水量時將地下水上升補給量、土壤深層滲漏量忽略不計[9-12]：

I=ETc-Pe

(5)

式中：I為灌溉需水量， mm；Pe為作物生育期有效降水量， mm。

2 結果分析

2.1 作物生育期降水量分析

統計了6個站點近30 a的降水平均值，用最近零距法對各站點的多年平均值進行插值，得到灌區玉米和棉花生育期降水量的空間分布(見圖2)。玉米生育期降水量年際波動較大，如富平2001年生育期降水量僅82.9 mm，而在2003年降水量達到580.3 mm。由圖2看出玉米生育期降水量分布比較均勻，大部分地區降水量超過600 mm，臨潼區降水最大為682.4 mm，富平縣降水最小為580.7 mm；從空間分布來看，靠近涇河和渭河降水量較大，東部最多為173.4～682.4 mm北部最少為82.9～580.7 mm。棉花生育期降水平均為490.67 mm，降水分布比較均勻，最大降水量在臨潼為860.8 mm，最小在三原為713 mm，總體上，棉花生育期降水量東部大于西部，南部大于北部。

圖2 作物生育期降水量空間分布Fig.2 Spatial distribution of precipitation in growth stages of crop

2.2 作物生育期蒸發蒸騰量分析

利用上述公式計算出玉米和棉花各生育階段的蒸發蒸騰量，見圖3、圖4(篇幅所限，僅給出富平和涇陽作物的蒸發蒸騰量)。灌區玉米蒸發蒸騰量高峰期出現在7月中旬到8月下旬，峰值出現在7月下旬；整個研究區玉米蒸發蒸騰量平均值為524.33 mm，其中涇陽為533.83 mm，高陵為528.64 mm，三原為528.05 mm，臨潼為520.85 mm，閻良為519.11 mm，富平為515.5 mm；玉米生育期主要分為3個階段，播種-拔節期、拔節-抽雄期和抽雄-成熟期，3個階段平均蒸發蒸騰量為196.78、132.54和196.9 mm，在抽雄-成熟期蒸發蒸騰量最大，主要是由于在該階段為玉米籽粒飽滿期，氣溫和日照時數較大，此時如果玉米需水量不足會導致減產，嚴重干旱時會導致絕收，因而，在這個階段管理部門應做好灌溉工作，為灌區春小麥保產、增產提供保證。

圖3 灌區玉米生育期蒸發蒸騰量Fig.3 Transpiration and evaporation of maize in irrigation area

由圖4看出，棉花蒸發蒸騰量峰值出現在8月上旬，整個研究區棉花蒸發蒸騰量平均值為869.13 mm，其中涇陽最大為870.67 mm，閻良最小為867.8 mm，研究區各區域蒸發蒸騰量趨勢基本一致(圖略)，表現為從4月上旬增加至8月上旬，而后逐漸減小；棉花生育期主要分為5個階段，分別為播種期、苗床期、蕾期、花鈴期和吐絮期，在花鈴期蒸發蒸騰量最大，平均為337.33 mm，播種期最小，平均為26.7 mm，花鈴期蒸發蒸騰量增大主要原因是由于氣溫和日照時數增大，再加此階段是棉花產量和品質的決定期，其需水量最大。

圖4 灌區棉花生育期蒸發蒸騰量Fig.4 Transpiration and evaporation of cotton in irrigation area

2.3 作物生育期灌溉需水量分析

圖5為灌區玉米需水量及灌溉需水量空間分布圖，由圖5看出，生育期需水量西部大于北部，南部大于北部，富平縣生育期玉米需水量最小，為515.5 mm，涇陽縣需水量最大為535.30 mm，全區生育期平均需水量為524.42 mm；玉米生育期灌溉需水量最小值出現在臨潼區，最大值在涇陽縣，為359.20 mm，其灌溉需水量空間分布與需水量一致。由圖3及圖5分析得出，灌區玉米在出苗期-抽雄開花期，灌溉需水量增加，從5月開始，灌溉需水量逐漸增加至7月中下旬，此時為玉米喇叭口-開花期，7-8月份為玉米籽粒形成-乳熟期，需水量大幅增加，主要是由于夏季溫度較高，蒸發蒸騰量較大，導致玉米需水量增大；至9月下旬，玉米灌溉需水量下降，此時為完熟期，秸稈變黃，吸收水分減少。總體來說，灌區玉米生育期需水量主要受溫度、降水、日照時數及風速、濕度的影響，在干旱年，應增加灌溉水量，避免作物減產。

圖6為灌區棉花需水量及灌溉需水量空間分布圖。由圖6看出，整個研究區棉花生育期需水量空間分布比較均勻，各分區需水量基本一致，其平均值為869 mm；棉花灌溉需水量最大值出現在三原為547.3 mm，最小值出現在涇陽為373.9 mm，整個研究區灌溉需水量平均值為453.6 mm，總體上東部大于西部，南部大于北部。由圖4及圖6結合分析，灌區棉花苗床期灌溉需水量開始增加，花鈴期達到最大值，吐絮期灌溉需水量減小，分析其原因是苗床期開始，灌區氣溫和日照時數增大，其蒸發蒸騰量增大。

圖5 玉米(灌溉)需水量空間分布Fig.5 Spatial distribution of (irrigation) water requirement on maize

圖6 棉花(灌溉)需水量空間分布Fig.6 Spatial distribution of (irrigation) water requirement on cotton

3 作物生育期需水量影響因素分析

為進一步分析灌區作物生育期需水量的影響因素，運用SPSS軟件對灌區作物生育期需水量與氣溫、降水量、相對濕度和日照時數等做了相關性分析，具體見表1。由表1看出，灌區需水量與氣溫呈正相關，氣溫增大，蒸發能力增大，導致需水量上升，作物需水量受氣溫影響較大；需水量與降水呈負相關，說明隨著降水的增加，作物需水量減少；風速與需水量的相關性較弱，說明風速對需水量的影響較小；相對濕度與需水量呈負相關，濕度越大需水量越小；與日照時數呈正相關，日照數越大，作物蒸發蒸騰量越大。總體來說，研究區作物與氣溫、降水、相對濕度和日照時數相關性顯著，說明棉花需水量增大主要是氣溫升高、降水增多及日照時數增加共同導致。

表1 灌區作物需水量與氣象因子相關系數分析Tab.1 The analysis of correlation coefficient on water requirement of crop with meteorological factor in irrigation area

注：**在置信度(雙側)為0.05時，相關性是顯著的。

4 結果與討論

利用CROPWAT 模型分析了涇惠渠灌區作物蒸發蒸騰量和灌溉需水量，并對其進行了影響因素分析，得出如下結果。

(1)玉米生育期的蒸發蒸騰量平均值為524.33 mm，玉米蒸發蒸騰量高峰期出現在7月中旬到8月下旬(籽粒形成-乳熟期)，灌區各分區蒸發蒸騰量趨勢一致。棉花生育期蒸發蒸騰量平均為869.13 mm，花鈴期蒸發蒸騰量最大，播種期最小，整個灌區蒸發蒸騰量差異較小。

(2)玉米生育期需水量和灌溉需水量隨氣溫升高而增加，各個生育階段灌溉需水量差異較大，灌區各分區需水量和灌溉需水量空間分布基本一致，西部大于東部，南部大于北部。棉花生育期需水量空間分布比較均勻，花鈴期灌溉需水量較大，播種和吐絮期灌溉需水量較小，灌溉需水量平均值為453.6 mm，東部大于西部，南部大于北部。

(3)灌區玉米和棉花生育期需水量與氣溫呈正相關，與降水呈負相關，風速與需水量的相關性較弱，相對濕度與需水量呈負相關，與日照時數呈正相關，氣溫和降水是影響作物需水量的主要因素。

本文在分析灌區作物需水量的過程中，采用有效降水量計算需水量，一定程度上減少了無效降水引起的誤差，對灌溉需水量的計算更準確。作物生育期灌溉需水量及影響因素與李立研究計算結果基本一致[1]。由于研究區作物生育階段可能存在缺水問題，農業生產主要依賴于灌溉，因此在氣候變暖的趨勢下，準確分析作物生育期水分變化尤為重要。保證作物每個生育階段所需水分，是提高作物產量的必要措施，在明確了作物生育期需水量變化的基礎上，可采用針對性措施，有效應對氣候變化來提高作物產量。如在玉米籽粒形成-乳熟期保證其灌溉用水，可有效提高作物產量；合理調整種植面積、種植結構及采用節水措施，降低灌區灌溉需水量。對于灌區供需水問題，在以后的研究中要注重種植結構調整及提高用水效率方面來緩解供需水矛盾。

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