基于CROPWAT的昆明主要農(nóng)作物虛擬水分析

趙福民 王新華 萬(wàn)大紅

摘要 人類(lèi)對(duì)水資源的需求量隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，水資源保護(hù)與合理開(kāi)發(fā)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要影響。云南省2001—2015年水資源總量由2 561.94億m3降低到1 872.00億m3；其中昆明市2015年水資源總量為66.43億m3，農(nóng)業(yè)用水只占總量的12%。為解決水資源短缺和區(qū)域水資源安全問(wèn)題，從而引入虛擬水的研究。結(jié)合氣象資料，利用CROPWAT軟件對(duì)昆明主要農(nóng)作物需水量和灌溉用水量進(jìn)行計(jì)算分析，在滿足保證率的情況下，確定不同作物的灌溉用水量。通過(guò)研究計(jì)算，甘蔗、水稻、馬鈴薯、花生等作物的多年平均需水量分別為1 174.50、701.75、488.10和434.00 mm，灌溉需水量為717.30、715.20、170.50、119.35 mm。該研究可根據(jù)昆明的水資源實(shí)際情況為農(nóng)作物種植和制訂相應(yīng)的節(jié)水灌溉制度提供一些理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 虛擬水；CROPWAT軟件；昆明；作物需水量

中圖分類(lèi)號(hào) S273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）25-0218-03

Abstract The demand of water is growing as the population grows. Water resources protection and rational conservation can make a significant impact on the development of national economy。From 2001 to 2015， the gross of water resources in Yunnan province has reduced from 256 billion 194 million cubic meters to 187 billion 200 million cubic meters. The amount of water resources in Kunming in 2015 was about 6 billion 643 million cubic meters while used in agriculture was only about 12%.In order to solve water shortage and regional water resources security issues， the research of virtual water is introduced. Combined with the meteorological data， this paper calculates and analyzes the water requirements and irrigation requirements of main crops in Kunming by using CROPWAT to determine irrigation requirement of different crops with water demand satisfying ratio. After research and calculation， the average annual water requirements of sugarcane，rice，potato，peanut and other crops were 1 174.50，701.75，488.10 and 434.00 mm respectively. Correspondingly， the irrigation requirements were about 717.30，715.20，170.50，119.35 mm. This research， in the light of the actual situation of water resources in Kunming， provides some theoretical basis for the cultivation of crops and the establishment of watersaving irrigation system.

Key words Virtual water；CROPWAT software；Kunming；Crop water requirement

由于水資源在時(shí)間和空間上的分布不均，使得水資源供求矛盾日漸尖銳，因水資源短缺所帶來(lái)的影響已成為許多國(guó)家為發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)而需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界范圍內(nèi)26個(gè)國(guó)家的約2.32億人口受到缺水問(wèn)題的困擾，有約占世界人口總數(shù)的20%的居民無(wú)法使用到符合安全衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的淡水；另外，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象屢禁不止，世界的水資源更新速度已經(jīng)難以滿足人類(lèi)的用水需求[1]。

虛擬水[2]指的是在農(nóng)作物的生產(chǎn)過(guò)程中，不同種類(lèi)的農(nóng)作物生產(chǎn)時(shí)耗用的水資源。在虛擬水研究意義方面，其研究過(guò)程大致可分為3個(gè)階段[3]：第1階段的研究主要以各地區(qū)虛擬水量的計(jì)算為主；第2階段的研究重點(diǎn)是虛擬水計(jì)算方法的改善；第3階段，將虛擬水的研究由原先的理論研究上升到管理高度，更加注重對(duì)虛擬水理論的應(yīng)用。虛擬水的研究在我國(guó)相對(duì)起步較晚，但不可忽視我國(guó)在虛擬水研究上取得的豐碩成果。自2000年之后，在理論計(jì)算方面：項(xiàng)學(xué)敏等[4]提出了工業(yè)產(chǎn)品虛擬水的概念和計(jì)算方法；韓宇平等[5]就虛擬水在農(nóng)產(chǎn)品中的計(jì)算方法提出了改善。在虛擬水含量計(jì)算方面：李秀波等[6]計(jì)算了濟(jì)南市部分農(nóng)作物的虛擬水含量；秦麗杰等[7]分析了長(zhǎng)春市農(nóng)作物虛擬水量的時(shí)空分異特征；鐘華平等[8]對(duì)虛擬水和虛擬水貿(mào)易進(jìn)行了分析；秦麗杰等[9]研究了糧食貿(mào)易與水資源安全問(wèn)題；馬靜等[10]對(duì)國(guó)內(nèi)虛擬水的流動(dòng)進(jìn)行了分析研究；雷玉桃等[11]分析了我國(guó)水資源管理存在的問(wèn)題，從開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)3個(gè)角度提出創(chuàng)新方法用于管理。虛擬水為水資源緊缺和以種植農(nóng)作物為主的地區(qū)提供了優(yōu)化配置新途徑，能較好地減輕局部因水資源緊缺而帶來(lái)的壓力，并且對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生惡劣的影響。筆者為尋求緩解水資源短缺的問(wèn)題，結(jié)合CROPWAT軟件對(duì)昆明市的主要農(nóng)作物虛擬水進(jìn)行分析，以促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 昆明市水資源概況

云南省水資源緊缺，同時(shí)也是全國(guó)最為主要的農(nóng)業(yè)大省。昆明地處云貴高原中部，位于102°10′～103°40′ E，24°23′～26°22′ N，屬北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長(zhǎng)、霜期短，年平均氣溫15 ℃，年均日照2 200 h左右，無(wú)霜期240 d以上。年降水量1 035 mm，5～10月為雨季，降水量占全年的85%左右；11月至次年4月為干季，降水量?jī)H占全年的15%左右。糧食作物以水稻、玉米和馬鈴薯等為主，種植面積分別為69.66萬(wàn)、170.14萬(wàn)、67.29萬(wàn)hm2。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

研究數(shù)據(jù)包括氣象、作物生長(zhǎng)資料、土壤數(shù)據(jù)等。其中，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自昆明氣象臺(tái)站，主要包括逐日降雨量、最高和最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等，時(shí)間序列為1981—2010年；作物生長(zhǎng)資料通過(guò)歷年的《中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《云南省統(tǒng)計(jì)年鑒》獲得，主要包括作物名稱(chēng)、播種日期、各生育階段時(shí)長(zhǎng)和作物系數(shù)及生育期時(shí)間（表1、2）；采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）作物系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，得到不同作物在不同生長(zhǎng)期的作物系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)刈魑锏纳L(zhǎng)期做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；土壤數(shù)據(jù)通過(guò)野外調(diào)查獲得，包括土壤中總的可利用土壤含水量、最大降雨入滲率、土壤孔隙率、滲漏率、播種時(shí)土壤水可利用量和最大水層深度等。

2.2 研究方法

根據(jù)已有的氣象、作物生長(zhǎng)和土壤資料，利用CROPWAT軟件測(cè)算云南省部分農(nóng)作物的作物需水量，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際的降雨情況，計(jì)算出作物灌溉需水量。將氣象站地理位置參數(shù)、氣象參數(shù)輸入模型，即可算出各年逐月參考作物需水量和有效降雨量，再輸入作物參數(shù)和生育期資料、土壤特征資料，可得到該種作物需水量和生育期有效降雨及灌溉需水量。利用統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算出各種作物生育期的需水量、有效降雨量和灌溉需水量，通過(guò)分析云南省農(nóng)作物生產(chǎn)所需的作物需水量與灌溉需水量，為提高當(dāng)?shù)氐乃Y源利用率和農(nóng)業(yè)節(jié)水生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2.2.4 灌溉需水量。當(dāng)有效降雨量>作物需水量，則取該階段灌溉需水量為0。整個(gè)生育期灌溉需水量（IR旱）等于各階段灌溉需水量之和：IR旱=∑max（ ETc-Peff，0）。

3 結(jié)果與分析

由表3可知，作物需水量及灌溉需水量年際變化，甘蔗生長(zhǎng)期長(zhǎng)，生長(zhǎng)期發(fā)生在3月～次年2月，由于其根深葉茂，相應(yīng)的作物需水量和灌溉需水量也較高。水稻、玉米、馬鈴薯、花生4種大春作物中，以水稻的需水量為最高，其次是馬鈴薯、花生和玉米。作物的生育期主要集中在5～9月，大春作物生長(zhǎng)期內(nèi)有效降水較多，作物僅需要少量的補(bǔ)充灌溉（水稻除外）就可滿足需水量要求。由于水稻種植的特殊性，在移植之前需要進(jìn)行泡田處理、秧田期泡田水量以及生育期還有較多的滲漏水量，因此，水稻灌溉需水量較大，甚至常常超過(guò)作物需水量。鑒于水稻灌溉需水量巨大，在水資源緊缺的地區(qū)，應(yīng)適當(dāng)壓縮水稻種植面積，多種植抗旱植物。生長(zhǎng)期內(nèi)平均氣溫、風(fēng)速、日照、相對(duì)濕度等氣象因子的波動(dòng)，降雨發(fā)生時(shí)間、降雨量大小隨機(jī)性比較大，各年計(jì)算出來(lái)的作物需水量和灌溉需水量都不相同。由計(jì)算得到，大春作物多年平均作物需水量和灌溉需水量從高到低依次為水稻、馬鈴薯、花生、玉米，相應(yīng)的作物需水量為701.75、488.10、434.00、400.05 mm，灌溉需水量依次為715.20、170.50、119.35、98.75 mm。馬鈴薯需水量較高的主要原因是其播種日期在4月份，由于該月份在該地區(qū)年內(nèi)蒸發(fā)量大，且月降雨量很少，造成作物需水量和灌溉需水量較大。小春作物需水量以油菜的為最高，其多年平均需水量為475.05 mm；其次為大豆，其多年平均需水量為372.95 mm。

4 結(jié)論與討論

昆明大春種植的主要作物水稻、玉米、馬鈴薯、花生多年平均需水量為400.05～701.75 mm，多年平均灌溉需水量為98.75～715.20 mm。大春作物多年平均作物需水量和灌溉需水量從高到低依次為水稻、馬鈴薯、花生、玉米，相應(yīng)的作物需水量為701.75、488.10、434.00、400.05 mm，灌溉需水量依次為715.20、170.50、119.35、98.75 mm。小春作物需水量以油菜的為最高，其多年平均需水量為475.05 mm，其次為大豆，其多年平均需水量為372.95 mm。甘蔗生長(zhǎng)期長(zhǎng)，且根深葉茂，相應(yīng)的作物需水量和灌溉需水量也較高。甘蔗的多年平均需水量分別為1 174.50 mm，多年平均灌溉需水量717.30 mm。

根據(jù)作物需水量及其生育期內(nèi)的有效降雨量，進(jìn)行合理灌溉，科學(xué)地利用水資源，是水資源優(yōu)化配置的必然要求。但是，研究地作物灌溉試驗(yàn)資料都很少，工程設(shè)計(jì)中，作物需水量基本上是采用彭曼公式并利用作物系數(shù)計(jì)算出來(lái)的，抗旱作物灌溉制度大都是根據(jù)當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)習(xí)慣和豐產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制訂，具有較大的隨意性，保證率概念不明確。虛擬水貿(mào)易歸根結(jié)底還是糧食貿(mào)易，依靠虛擬水研究，在水資源緊缺的地區(qū)，適當(dāng)壓縮喜水作物的種植面積，多種植抗旱植物是最直接、最有效的途經(jīng)。同時(shí)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)各地區(qū)的糧食貿(mào)易；由于水資源短缺導(dǎo)致的糧食供給不足地區(qū)，可以從國(guó)內(nèi)糧食生產(chǎn)富足的地區(qū)購(gòu)進(jìn)糧食，一方面緩解了區(qū)域水資源不足所帶來(lái)的問(wèn)題，另一方面實(shí)現(xiàn)區(qū)域糧食供給平衡和水資源的可持續(xù)利用。在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，應(yīng)該根據(jù)不同作物的作物需水量和灌溉需水量，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃Y源具體情況作出合理的安排作物布局和灌溉，以淡化風(fēng)險(xiǎn)，保障糧食安全。

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