氣候變化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及預(yù)測(cè)

黃志剛,肖 燁,張 國(guó),曹 云, 彭保發(fā)

1 湖南文理學(xué)院, 常德 415000 2 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130102 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 4 國(guó)家氣象中心, 北京 100081

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氣候變化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及預(yù)測(cè)

黃志剛1,2,*,肖 燁1,張 國(guó)3,曹 云4, 彭保發(fā)1

1 湖南文理學(xué)院, 常德 415000 2 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130102 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 4 國(guó)家氣象中心, 北京 100081

開展農(nóng)作物需水規(guī)律研究對(duì)于干旱半干旱區(qū)域旱作物節(jié)水灌溉和水分管理實(shí)踐具有重要意義。以松嫩平原玉米為研究對(duì)象,研究玉米生育期需水量規(guī)律及灌溉需水量。結(jié)果表明：(1) 歷史時(shí)期和未來(lái)氣候變化情景下,松嫩平原玉米全生育期和Lmid時(shí)段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減,其中全生育期和Lmid時(shí)段2000s灌溉需水量臨界等勢(shì)線(灌溉需水量為0的等勢(shì)線)分別比1970s北移70.2 km和53.4 km,全生育期和Lmid時(shí)段2040s灌溉需水量臨界等勢(shì)線分別比2010s北移30.9 km和55.2 km。(2)歷史時(shí)期和氣候變化情景下玉米全生育期灌溉需水量隨年代呈波動(dòng)增加趨勢(shì),其中前者以29.1 mm/(10a)速度增加,后者以17.5 mm/(10a)速度增加。(3)未來(lái)溫度和降雨量變化對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為波動(dòng)上升趨勢(shì),與1970s相比,2000s溫度和降雨量變化對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為22.1%,增加6.8億m3灌溉水量；2040s溫度和降雨量變化對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為38.3%,增加12.6億m3灌溉水量。

氣候變化；有效降雨量；玉米需水量；灌溉需水量；氣候變化貢獻(xiàn)率

IPCC第4次評(píng)估報(bào)告認(rèn)為全球氣候變化已是不爭(zhēng)的事實(shí),將對(duì)全球和區(qū)域水資源安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1],氣候變化通過改變降雨量的時(shí)空分布來(lái)影響干旱半干旱區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2- 4]。近年來(lái)世界范圍的氣候異常給許多國(guó)家的糧食生產(chǎn)和水資源帶來(lái)了嚴(yán)重影響[5- 8],能否正確預(yù)測(cè)氣候異常變化和這些變化帶來(lái)的影響已成為當(dāng)前迫切需要解決的重大問題[9- 11]。作物需水量是農(nóng)業(yè)用水的主要組成部分,通過蒸散計(jì)算作物需水量是一個(gè)復(fù)雜的物理過程和生物過程,成為許多國(guó)際性項(xiàng)目的重要研究?jī)?nèi)容[12- 15]。學(xué)者們多借助氣候模型模擬未來(lái)氣象參數(shù)變化序列(主要是溫度和降水量)來(lái)研究未來(lái)氣候變化對(duì)農(nóng)作物需水量的影響[13,16]。國(guó)際上一些關(guān)于氣候變化對(duì)農(nóng)作物需水量及灌溉需水量的研究認(rèn)為,未來(lái)氣候變化情景下作物灌溉需水量將有所增加,增加幅度為10%—30%,但是區(qū)域差異較大[17- 22]。

松嫩平原屬于全球氣候變化的敏感區(qū),是我國(guó)最好的一熟制作物種植區(qū)和國(guó)家重要的商品糧基地之一,其農(nóng)田面積占總土地面積的50%以上,占全國(guó)農(nóng)田總面積的7.8%,屬于典型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力區(qū)域,對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有舉足輕重的地位[23-24]。近年來(lái),松嫩平原春旱和秋旱發(fā)生頻率有所增加,其強(qiáng)度也呈加劇的趨勢(shì)[25,26]。玉米是松嫩平原的主要糧食作物,但對(duì)于松嫩平原玉米生育期內(nèi)降雨利用效率、需水特性及氣候因素相關(guān)性等研究報(bào)道較少。因此,開展玉米需水規(guī)律的研究對(duì)于松嫩平原玉米節(jié)水灌溉管理和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的水分調(diào)控,提高玉米農(nóng)田水分利用效率具有重要意義。本文利用松嫩平原及周邊區(qū)域34個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)1970—2009年氣象數(shù)據(jù),分析了近40年玉米生長(zhǎng)期內(nèi)特別是需水關(guān)鍵期的水分盈虧和時(shí)空分布規(guī)律,探討氣候變化對(duì)玉米需水量和灌溉需水量的影響,為松嫩平原玉米合理布局及雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)水分管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 松嫩平原地理位置及行政區(qū)劃Fig.1 Location and administration maps of Songnen plain

松嫩平原地處中國(guó)濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)與內(nèi)陸干旱區(qū)之間的過渡帶,地理位置(121°38′—128°33′ E、42° 49′—49° 12′ N),總面積18.95×104km2(圖1)。松嫩平原屬半干旱半濕潤(rùn)氣候,是氣候變化敏感區(qū),年平均氣溫為0—5℃,其中1月平均氣溫-16—-26℃,7月平均氣溫21—23℃；全年降水量400—600 mm,自東向西逐漸減少；年均日照時(shí)數(shù)2600—2900 h,年總輻射量4500—5300 MJ/m2；無(wú)霜期日數(shù)115—160 d,≥10℃活動(dòng)積溫2300—3100℃,自南向北遞減[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用氣象資料為松嫩平原20個(gè)氣象站及周邊14個(gè)氣象站1970—2009年逐日大氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度觀測(cè)數(shù)據(jù),以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。松嫩平原土地利用圖(1975、1985、1996、2005)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所遙感與地理信息研究中心。玉米生育期觀測(cè)資料來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所德惠農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站。

1.2.2 松嫩平原作物系數(shù)估算

FAO 56指南推薦的基礎(chǔ)作物系數(shù)(Kc)為土壤表層干燥但根層水分含量仍能完全維持作物蒸騰時(shí)的作物需水量(ETc)與潛在蒸散量(ET0)的比值。根據(jù)作物發(fā)育特點(diǎn),把生育期劃分為生育早期(Liniperiod)、發(fā)育期(Ldevperiod)、生育中期(Lmidpe riod)、生育后期(Lendperiod)4個(gè)階段,每個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間不等。由于Kc主要考慮作物特性和個(gè)別氣象因素,從而使得Kc標(biāo)準(zhǔn)值在不同地點(diǎn)、不同氣候區(qū)經(jīng)修訂后能互相通用。Kc修正值Kcm由公式1—公式2)估算[27]：

(1)

Kcm=Kc+0.04×(U2-2)-0.004× (RHmin-45)×(h/3)0.3

(2)

式中，Kci為玉米生育期第i天的作物系數(shù)；Kcprew為第i天所在生育時(shí)期的前一個(gè)生育時(shí)期的Kc值；Kcnext為第i天所在生育時(shí)期的后一個(gè)生育時(shí)期的Kc值；Lstage為第i天所在生育時(shí)期歷時(shí)天數(shù)(d)；∑(Lstage)為第i天所在生育時(shí)期之前所有生育時(shí)期歷時(shí)天數(shù)之和(d)；U2為作物生長(zhǎng)中、晚期2 m高處日風(fēng)速平均值(m/s)；RHmin為作物生長(zhǎng)中、晚期20%—80%的最低相對(duì)溫度平均值；h為作物生長(zhǎng)中、晚期日最低相對(duì)濕度在20%—80%情況下的植株平均高度(m)。

根據(jù)上述作物系數(shù)估算方法(公式1—公式2),計(jì)算松嫩平原及周邊34個(gè)氣象臺(tái)站玉米生育期內(nèi)逐日作物系數(shù),統(tǒng)計(jì)得到不同生育時(shí)段作物系數(shù)均值。應(yīng)用GIS軟件Kriging插值法對(duì)20個(gè)氣象臺(tái)站玉米不同生育時(shí)段作物系數(shù)進(jìn)行空間插值,得到玉米作物系數(shù)空間分布。

1.2.3 過去40年松嫩平原玉米需水量估算

潛在蒸散量(ET0)是指從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“參照表面”發(fā)生的蒸散量。FAO定義了參照表面為高度均勻、生長(zhǎng)旺盛、完全覆蓋土表并且供水充足的草地,其高度為12 cm,表面阻力為70 s/m,反射率為0.23。根據(jù)定義的標(biāo)準(zhǔn)參照表面,FAO提出了計(jì)算潛在蒸散量的FAO 56 Penman-Monteith公式[28]。

(3)

ETc=Kcm·ET0

(4)

式中,ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)；T為日平均氣溫(℃)；u為2 m高處日平均風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；es-ea為飽和水汽壓差(kPa)；Δ為水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)。松嫩平原玉米種植除播種時(shí)噴灑少量水濕潤(rùn)土壤外,整個(gè)生育期不灌水,基本上屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。在日尺度或者年尺度范圍內(nèi),土壤熱通量變化量很小,故本文中忽略土壤熱通量,認(rèn)為土壤熱通量變化值為0。

在不考慮玉米品種變化的情況下,根據(jù)作物系數(shù)法(公式4)估算松嫩平原及周邊34個(gè)氣象臺(tái)站玉米生育期內(nèi)日需水量,統(tǒng)計(jì)得到玉米不同生育時(shí)段需水量。分年代統(tǒng)計(jì)34個(gè)氣象臺(tái)站玉米生育期需水量,應(yīng)用GIS軟件Kriging插值法對(duì)玉米生育期內(nèi)需水量進(jìn)行空間插值,得到玉米需水量年代際空間分布。

1.2.4 未來(lái)40年松嫩平原玉米需水量估算

氣候變化情景選取國(guó)家氣象中心提供的區(qū)域氣候模式CMIP5_Rcp 4.5排放情景數(shù)據(jù)集(0.5°×0.5°),即2100年太陽(yáng)輻射強(qiáng)迫上升至4.5 W/m。該氣候變化情景只提供了月均溫度、月均最低、最高溫度及月均降雨量數(shù)據(jù)。根據(jù)松嫩平原經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍,提取了81個(gè)格點(diǎn)數(shù)據(jù)。未來(lái)40年松嫩平原玉米需水量估算過程如下：1)建立歷史時(shí)期(1961—2005年)實(shí)測(cè)月均溫度數(shù)據(jù)與國(guó)家氣象中心提供的區(qū)域氣候模式月均溫度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,用以校正預(yù)估的未來(lái)月均溫度；2)建立歷史時(shí)期(1961—2005年)實(shí)測(cè)月均降雨量數(shù)據(jù)與國(guó)家氣象中心提供的區(qū)域氣候模式月均降雨量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,用以校正預(yù)估的未來(lái)月均降雨量；3)采用McCloud模型[29]基于氣溫估算歷史時(shí)期(1970—2009年)潛在蒸發(fā)量(公式5),同時(shí)采用P-M模型估算歷史時(shí)期(1970—2009年)潛在蒸散量,建立P-M模型與McCloud模型估算的潛在蒸散量線性回歸模型(公式6)。

ETMc=25.4KW(1.8T)

(5)

ETP-M=a·ETMc+b

(6)

式中,ETMc為潛在蒸散量(mm)；K=0.01；W=1.07；T為月平均溫度(℃)。

4)應(yīng)用McCloud模型估算未來(lái)40年玉米生育期內(nèi)(5—9月)潛在蒸散量,應(yīng)用公式(6)換算成P-M模型估算的潛在蒸散量。在不考慮玉米品種變化的情況下,根據(jù)作物系數(shù)法(公式4)估算松嫩平原未來(lái)40年34個(gè)氣象臺(tái)站玉米生育期內(nèi)月均需水量,統(tǒng)計(jì)得到玉米不同生育時(shí)段需水量。分年代統(tǒng)計(jì)未來(lái)40年34個(gè)氣象臺(tái)站玉米生育期內(nèi)需水量,應(yīng)用GIS軟件Kriging插值法對(duì)玉米生育期內(nèi)需水量進(jìn)行空間插值,得到玉米需水量年代際空間分布。

1.2.5 玉米灌溉需水量

松嫩平原玉米種植基本上靠雨養(yǎng)。有效降雨量采用目前應(yīng)用最廣泛的美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持司推薦的方法計(jì)算[30-31]：

(7)

式中,Peff為月有效降雨量(mm/month),Pmonth為月總降雨量(mm/month)。

玉米的灌溉需水量等于玉米生育期作物需水量與有效降雨量的差值,再加上播種時(shí)灑水量和田間滲漏量。根據(jù)德惠農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站多年試驗(yàn)數(shù)據(jù),播種時(shí)灑水量一般在5—6 m3/667m2,換算成需水量約為8 mm；遇極端干旱季節(jié)需要灌溉時(shí),一般采用軟管噴灌,田間無(wú)積水,故田間滲漏量忽略不計(jì)。所以,玉米生育期灌溉需水量(Is)公式及不同生育時(shí)段灌溉需水量(Is_i)可分別表達(dá)如下：

(8)

(9)

式中,n為不同生育時(shí)段,d為不同生育時(shí)段持續(xù)天數(shù)。

以松嫩平原20個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站估算的玉米灌溉需水量進(jìn)行kriging插值得到過去40年玉米灌溉需水量空間分布圖,然后以相應(yīng)年代的玉米空間分布圖截取過去不同年代玉米灌溉需水量空間分布圖,取其均值作為該年代玉米灌溉需水量均值；以截取的81個(gè)格點(diǎn)估算的玉米灌溉需水量進(jìn)行kriging插值得到未來(lái)40年玉米灌溉需水量空間分布圖,然后以2005年的玉米空間分布圖截取未來(lái)不同年代玉米灌溉需水量空間分布圖,取其均值作為該年代玉米灌溉需水量均值。應(yīng)用ArcGIS軟件buffer analysis模塊計(jì)算等高線間平均距離。

1.2.6 氣候變化對(duì)玉米需水量貢獻(xiàn)率計(jì)算

以1970s玉米需水量為基準(zhǔn),計(jì)算氣候變化對(duì)松嫩平原玉米需水量貢獻(xiàn)率。作物需水量(WR)與潛在蒸散量及作物系數(shù)相關(guān),在不考慮小氣候影響下與作物種植面積無(wú)關(guān)。假定玉米品種和栽培技術(shù)不變,則玉米需水量的增加來(lái)源于氣候變化。氣候變化對(duì)玉米需水量貢獻(xiàn)率(RCC)可采用公式(10)計(jì)算,氣候變化增加灌溉需水量(IWIcc)可采用公式(11)計(jì)算。式中,WRi為i年代玉米需水量(mm)；Si為i年代玉米種植面積(104hm2)；IWIi為i年代灌溉需水量(108m3)。

(10)

IWIcci=CRCCi×Si×IWIi

(11)

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素變化特征

整理松嫩平原過去40年氣象要素?cái)?shù)據(jù),應(yīng)用ArcGIS空間信息系統(tǒng),分析氣象要素時(shí)間空間變化規(guī)律。空間上,降水量沿西南—東北、南—北方向遞增,平均氣溫和日照時(shí)數(shù)沿西南—東北、南—北方向遞減；時(shí)間上,降雨量以3.63mm/(10a)的速率減少,平均氣溫以0.16 ℃/(10a)的速率增加,日照時(shí)數(shù)以16.3h/(10a)年的速率減少。

2.2 玉米作物系數(shù)

松嫩平原種植一季玉米,根據(jù)中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所德惠農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站近10年玉米栽培生育期觀測(cè)記錄數(shù)據(jù),松嫩平原玉米種植制度年際間變化較為穩(wěn)定。玉米種植一般在每年5月1日前后播種,9月20日左右收割,生育期為153d。結(jié)合FAO56推薦的玉米生育時(shí)段歷時(shí)的劃分,本文對(duì)松嫩平原玉米生育時(shí)段和相應(yīng)歷時(shí)做了劃分(表1)。發(fā)育期與發(fā)育中期修正之后的作物系數(shù)略低于推薦值,其原因在于中國(guó)東北地區(qū)建立了較完善的防護(hù)林,風(fēng)速較低；生育后期修正之后的作物系數(shù)略低于推薦值,其原因在于中國(guó)東北地區(qū)地處高緯度,該時(shí)段溫度下降幅度大且相對(duì)濕度低。

表1 松嫩平原玉米(中晚熟品種/組合)生育時(shí)期劃分級(jí)作物系數(shù)

表中括號(hào)內(nèi)數(shù)值為該生育時(shí)段均值

2.3 潛在蒸散量校準(zhǔn)

分別采用McCloud模型和Penman-Monteith模型計(jì)算松嫩平原20個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站過去40年月均潛在蒸散量,然后建立McCloud模型(y)和Penman-Monteith模型(x)之間的數(shù)量線性模型(表2)。作物非生長(zhǎng)季節(jié)(10月—次年4月)線性模型決定系數(shù)高于作物生長(zhǎng)季節(jié)(5—9月),模型決定系數(shù)(R2)變化范圍為0.530—0.950,表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。故可用該方法估算氣候變化情景下作物潛在蒸散量。

2.4 松嫩平原玉米全生育期灌溉需水量變化

2.4.1 過去40年玉米全生育期灌溉需水量時(shí)間變化

過去40年,氣候變化對(duì)松嫩平原玉米水分需求產(chǎn)生影響,松嫩平原玉米全生育期需水量及灌溉需水量均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)(圖2),其中需水量以23.0 mm/(10a)的速率增長(zhǎng),灌溉需水量以29.1 mm/(10a)的速率增長(zhǎng),比需水量增長(zhǎng)速率高26.5%。其原因在于有效降雨量呈波動(dòng)下降趨勢(shì),以6.1 mm/(10a)的速率減少。

2.4.2 過去40年玉米全生育期灌溉需水量空間變化

以松嫩平原20個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站估算的玉米全生育期灌溉需水量在相應(yīng)年代玉米空間分布圖上進(jìn)行Kriging插值,結(jié)果如圖3所示,圖中等勢(shì)線值為負(fù)數(shù)的區(qū)域,表示該區(qū)域種植玉米不需要額外灌溉水,降雨量能夠滿足玉米生育期需水量,下同。過去40年,氣候變化對(duì)松嫩平原玉米全生育期灌溉需水量空間變化產(chǎn)生影響。在空間變化上,灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減；同一灌溉需水量等值線北移,與1970s相比,2000s灌溉需水量臨界等勢(shì)線(灌溉需水量為0的等勢(shì)線)北移70.2 km。在時(shí)間變化上,灌溉需水量隨年代增加呈顯著增加趨勢(shì)。1970s灌溉需水量為0—100 mm,2000s灌溉需水量為0—200 mm,為1970s灌溉需水量的2倍。

表2 歷史時(shí)期McCloud模型和P-M模型估算月均潛在蒸散線性模型

圖2 過去40a玉米全生育期灌溉需水量時(shí)間變化Fig.2 Temporal variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the past 40 years

圖3 過去40 a玉米全生育期灌溉需水量空間變化(類似圖例下同)Fig.3 Spatial variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the past 40 years (The similar Legend is the same below)

2.4.3 未來(lái)40年玉米全生育期灌溉需水量時(shí)間變化

未來(lái)40年松嫩平原玉米全生育期需水量及灌溉需水量均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)(圖4),其中需水量以23.0 mm/(10a)的速率增長(zhǎng)；灌溉需水量以17.5 mm/(10a)的速率增長(zhǎng),比需水量增長(zhǎng)速率低23.9%。其原因在于有效降雨量呈波動(dòng)上升趨勢(shì),以5.5 mm/(10a)的速率增長(zhǎng),緩解了玉米需水量增加帶來(lái)的水分需求。

圖4 未來(lái)40 a玉米全生育期灌溉需水量時(shí)間變化Fig.4 Temporal variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the future 40 years

2.4.4 未來(lái)40年玉米全生育期灌溉需水量空間變化

以松嫩平原81個(gè)格點(diǎn)估算的玉米全生育期灌溉需水量在2005年玉米空間分布圖上進(jìn)行Kriging插值,結(jié)果如圖5所示。未來(lái)40年,雖然氣候變化對(duì)松嫩平原玉米全生育期灌溉需水量空間變化影響相對(duì)較小,但是總的來(lái)說還是增加玉米灌溉需水量。在空間變化上,灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減。同一灌溉需水量等值線北移,但北移幅度較過去40年小；與2010s相比,2040s灌溉需水量臨界等勢(shì)線(灌溉需水量為0的等勢(shì)線)北移30.9 km。在時(shí)間變化上,灌溉需水量隨年代增加呈增加趨勢(shì)。2010s灌溉需水量為0—200 mm,2040s灌溉需水量為0—250 mm,為2010s灌溉需水量的1.25倍。說明未來(lái)氣候變化對(duì)松嫩平原玉米水分需求的影響將相對(duì)減弱。

圖5 未來(lái)40 a玉米全生育期灌溉需水量空間變化Fig.5 Spatial variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the future 40 years

2.5 玉米不同生育時(shí)段灌溉需水量變化

2.5.1 過去40年玉米不同生育時(shí)段需水量時(shí)間變化

統(tǒng)計(jì)整理過去40年松嫩平原玉米不同生育時(shí)段灌溉需水量(圖6),4個(gè)生育時(shí)段玉米需水量隨著年代際均呈顯著增加趨勢(shì),說明過去40年氣候變化使得松嫩平原呈變旱的趨勢(shì)。Lini時(shí)段灌溉需水量為33.7—43.1 mm,日均值為1.2 mm/d；Ldev時(shí)段灌溉需水量為102.8—127.2 mm,日均值為2.8 mm/d；Lmid時(shí)段灌溉需水量為121.7—141.9 mm,日均值為2.6 mm/d；Lend時(shí)段灌溉需水量為64.6—81.9 mm,日均值為2.3 mm/d。Ldev時(shí)段日均需水量稍高于Lmid時(shí)段,是因?yàn)樵摃r(shí)段是玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期,又是雨季的開始,較充沛的降雨,早期土壤蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,后期植株蒸騰作用強(qiáng)烈,導(dǎo)致該時(shí)段需水量高于以植株蒸騰作用為主的Lmid時(shí)段。

圖6 過去40 a玉米不同生育時(shí)段需水量時(shí)間變化Fig.6 Temporal variation of maize water requirement during different growth period in the past 40 years

2.5.2 過去40年玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量空間變化

Lmid時(shí)段是玉米生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,以松嫩平原20個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站估算的玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量在相應(yīng)年代玉米空間分布圖上進(jìn)行Kriging插值,結(jié)果如圖7所示。過去40年,氣候變化對(duì)松嫩平原玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量空間變化影響較小,說明Lmid時(shí)段松嫩平原玉米需水量與降雨量相對(duì)較穩(wěn)定。在空間變化上,Lmid時(shí)段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減；同一灌溉需水量等值線北移,與1970s相比,2000s灌溉需水量臨界等勢(shì)線(灌溉需水量為0的等勢(shì)線)北移53.4 km。在時(shí)間變化上,灌溉需水量隨年代增加呈顯著增加趨勢(shì)。1970s灌溉需水量為0—50 mm,2000s灌溉需水量為0—80 mm,為1970s灌溉需水量的1.6倍。

圖7 過去40 a玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量空間變化Fig.7 Spatial variation of maize irrigation water requirement during Lmid period in the past 40 years

2.5.3 未來(lái)40年玉米不同生育時(shí)段灌溉需水量時(shí)間變化

統(tǒng)計(jì)整理未來(lái)40年松嫩平原玉米不同生育時(shí)段灌溉需水量(圖8),Lini時(shí)段灌溉需水量為35.4—44.8 mm,日均值為1.3 mm/d；Ldev時(shí)段灌溉需水量為110.5—129.2 mm,日均值為3.0 mm/d；Lmid時(shí)段灌溉需水量為149.1—167.9 mm,日均值為3.2 mm/d；Lend時(shí)段灌溉需水量為83.2—105.0 mm,日均值為3.0 mm/d。氣候變化背景下,4個(gè)時(shí)段玉米需水量隨年代際顯著增加,說明未來(lái)氣候變化對(duì)4個(gè)時(shí)段均有不同程度的影響。未來(lái)40年4個(gè)時(shí)段玉米需水量均高于過去40年相應(yīng)時(shí)段玉米需水量,其原因一方面在于未來(lái)氣溫升高增加潛在蒸散量；另一方面未來(lái)降雨量增加,增加了可蒸散水分。

圖8 未來(lái)40 a玉米不同生育時(shí)段灌溉需水量時(shí)間變化Fig.8 Temporal variation of maize irrigation water requirement during different growth period in the future 40 years

2.5.4 未來(lái)40年玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量空間變化

以松嫩平原81個(gè)格點(diǎn)估算的玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量在2005年玉米空間分布圖上進(jìn)行Kriging插值,結(jié)果如圖9所示。未來(lái)40年,氣候變化對(duì)松嫩平原玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量空間變化影響較大,主要是Lmid時(shí)段松嫩平原玉米需水量增加較多。在空間變化上,Lmid時(shí)段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減；同一灌溉需水量等值線北移,與2010s相比,2040s灌溉需水量臨界等勢(shì)線(灌溉需水量為0的等勢(shì)線)北移55.2 km。在時(shí)間變化上,Lmid時(shí)段灌溉需水量隨年代增加變化不顯著趨勢(shì)；2020s和2030s玉米灌溉需水量為0—60 mm,稍高于2010s和2040s。

圖9 未來(lái)40 a玉米Lmid時(shí)段灌溉需水量空間變化Fig.9 Spatial variation of maize irrigation water requirement during Lmid period in the future 40 years

2.6 氣候變化對(duì)松嫩平原玉米水分需求貢獻(xiàn)率

分縣統(tǒng)計(jì)黑龍江省和吉林省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒(2001—2009)玉米種植面積數(shù)據(jù),2000s年均種植面積為339.4×104hm2,占松嫩平原旱地面積(1058.1×104hm2)的32.08%。由于土地利用圖上無(wú)法分辨旱地作物種類,因此在估算作物需水量及灌溉需水量時(shí),按照2000s玉米種植面積比例估算其他年代玉米種植面積,同時(shí)假設(shè)未來(lái)玉米種植面積與2000s相同。松嫩平原不同年代玉米灌溉需水量計(jì)算結(jié)果見表3。過去40年,玉米需水量隨著氣候變化增加；由于年代降雨量分配不均,1980s降雨量能夠滿足玉米生育期需水量要求,故不需要灌溉,其余年代均需要灌溉。1980s之前,大量的濕地、草地、林地被開墾為農(nóng)田種植糧食作物,之后為保護(hù)濕地與草地,開始退耕還濕、還林、還草,旱地面積減少；1990s之后,由于糧食增產(chǎn)工程的實(shí)施,大量的濕地草地又被開墾為農(nóng)田,旱地面積再次增加。2000s玉米種植面積比1970s面積增加3.1%,而玉米灌溉需水量增加366.7%。氣候變化情景對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為波動(dòng)上升,與1970s相比,在不考慮玉米新品種及新栽培技術(shù)的應(yīng)用情況下,2000s氣候變化對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為22.1%,2040s氣候變化對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為38.3%。氣候變化將增加玉米水分需求,在不考慮玉米新品種及新栽培技術(shù)的應(yīng)用情況下,與1970s相比,2000s氣候變暖將增加6.8×108m3灌溉水量,2040s氣候變暖將增加12.6×108m3灌溉水量。

表3 氣候變化對(duì)松嫩平原玉米需水量貢獻(xiàn)率

3 討論

區(qū)域氣候模式提供的氣候變化情景,一般提供溫度與降雨量2個(gè)參數(shù)。學(xué)者們多采用Hargreaves模型計(jì)算氣候變化情景下作物潛在蒸散量[32-33],該模型需要太陽(yáng)輻射、平均溫度、最低溫度、最高溫度4個(gè)變量。由于區(qū)域氣候模式提供的氣候變化情景是在假定的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下預(yù)測(cè)區(qū)域未來(lái)氣象要素變化量,太陽(yáng)輻射本身就是一個(gè)自變量,如果用太陽(yáng)輻射估算未來(lái)氣候情景下潛在蒸散,將增加其估算誤差。此外,Hargreaves模型所用參數(shù)少于P-M模型,其潛在作物蒸散量精度也低于P-M模型。本研究中,首次引入一種估算氣候變化情景下作物潛在蒸散量方法。即先采用溫度變量模型McCloud模型[29]估算歷史時(shí)期作物潛在蒸散量,同時(shí)采用P-M模型估算歷史時(shí)期潛在蒸散量,建立2個(gè)模型之間的線性數(shù)量模型；再采用McCloud模型估算氣候變化情景下作物潛在蒸散量,利用之前建立的線性數(shù)量模型換算成P-M模型估算潛在蒸散量。該方法估算的作物潛在蒸散量精度較高,能夠作為一種估算氣候變化情景下的潛在蒸散量方法。

本研究中應(yīng)用水量平衡模型估算作物灌溉需水量,引入有效降雨量替代降雨量數(shù)據(jù)。采用的有效降雨量模型源自美國(guó)美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持司推薦的方法。目前計(jì)算有效降雨量的常用方法有直接實(shí)地監(jiān)測(cè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)方法和土壤水量平衡法[31]。Patwardhan等[30]提出了基于土壤水量平衡模型的兩種有效降雨量計(jì)算方法及適用條件；馬建琴等[34]根據(jù)田間水量平衡原理建立了作物在線實(shí)時(shí)灌溉模型,提出了采用經(jīng)驗(yàn)的降雨利用系數(shù)法計(jì)算有效降雨量；劉戰(zhàn)東等[35]對(duì)旱作物有效降雨量計(jì)算模式進(jìn)行了研究,通過計(jì)算結(jié)果的可靠性和適應(yīng)性對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)不同模式在相同條件下模擬計(jì)算的結(jié)果存在明顯的差異。中國(guó)東北松嫩平原過去40年(1970—2009)作物生長(zhǎng)季節(jié)(5—9月)月均降雨量為81.5 mm,與該方法引入的降雨常數(shù)125差別較大,將使得估算的有效降雨量與真實(shí)值差異較大,從而影響估算的灌溉需水量精度。對(duì)非充分實(shí)時(shí)灌溉來(lái)講,有效降雨量是制定作物灌溉制度、灌溉用水管理的一個(gè)重要影響因素。因此,有必要通過田間試驗(yàn)和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建適合中國(guó)區(qū)域的有效降雨量估算模型,這也將是今后研究作物灌溉需水量研究的一個(gè)重要方向。

作物不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分需求不一樣,關(guān)鍵需水期缺水將導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收,研究作物不同生育時(shí)段需水規(guī)律能夠減少或減輕這種不利影響。本研究在估算作物灌溉需水量時(shí),沒有考慮降雨的季節(jié)分配不均,因而得到的灌溉需水量值比實(shí)際值偏低。同時(shí),本研究中假定作物品種特性和生育期不變,僅從作物潛在蒸散量和降雨量2方面考慮氣候變化引起的作物需水量改變及其對(duì)水分供需的影響。事實(shí)上,影響作物水分供需變化的因子十分復(fù)雜,如果能結(jié)合機(jī)理性強(qiáng)的作物生長(zhǎng)模型將會(huì)更好地揭示這一影響過程。另外,溫度升高也會(huì)引起作物生育期的改變,從而導(dǎo)致作物水分盈虧程度可能稍有變化。但是確定大范圍作物生育期的改變需要多點(diǎn)多年逐日氣象資料、多年作物生育期觀測(cè)資料和具有普適性的作物生長(zhǎng)模式等,目前還存在一定難度,這些都將有待于今后進(jìn)一步討論和研究。

4 結(jié)論

本文通過分析氣候變化背景下松嫩平原玉米需水規(guī)律和灌溉需水量時(shí)空分布規(guī)律,得到如下結(jié)論：

(1) 氣候變化(溫度和降水量)對(duì)松嫩平原玉米需水量和灌溉需水量空間分布產(chǎn)生影響。歷史時(shí)期和氣候變化情景下,松嫩平原玉米全生育期和Lmid時(shí)段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減,其中全生育期和Lmid時(shí)段2000s灌溉需水量臨界等勢(shì)線(灌溉需水量為0的等勢(shì)線)分別比1970s北移70.2 km和53.4 km,全生育期和Lmid時(shí)段2040s灌溉需水量臨界等勢(shì)線分別比2010s北移30.9 km和55.2 km。

(2) 歷史時(shí)期和氣候變化情景下玉米全生育期灌溉需水量隨年代呈波動(dòng)增加趨勢(shì),分別以29.1 mm/(10a)和17.5 mm/(10a)速度增加。

(3) 氣候變化情景對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為波動(dòng)上升,與1970s相比,2000s氣候變化對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為22.1%,增加6.8億m3灌溉水量；2040s氣候變化對(duì)玉米需水量的貢獻(xiàn)率為38.3%,增加12.6億m3灌溉水量。

致謝：感謝國(guó)家氣候中心提供的中國(guó)區(qū)域未來(lái)氣候變化模擬結(jié)果。

[1] IPCC. Climate change 2007: the physical science basis//Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt K B, Tignor M, Miller H L, eds. Contribution of Working Group Ⅰ to the Fourth Assessment Report of the IPCC. Cambridge: Cambridge University Press, 2007: 996- 996.

[2] 謝立勇, 李悅, 錢鳳魁, 趙洪亮, 韓雪, 林而達(dá). 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)-敏感性與脆弱性. 中國(guó)人口·資源與環(huán)境, 2014, 24(5): 25- 30.

[3] 于贏東, 楊志勇, 劉永攀, 秦大庸, 劉家宏. 變化環(huán)境下海河流域降水演變研究綜述. 水文, 2010, 30(4): 32- 35.

[4] 王紅麗, 張緒成, 魏勝文. 氣候變化對(duì)西北半干旱區(qū)旱作農(nóng)業(yè)的影響及解決途徑. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 32(6): 517- 524.

[5] 肖國(guó)舉, 張強(qiáng), 李裕, 張峰舉, 王潤(rùn)元, 羅成科. 氣候變暖對(duì)寧夏引黃灌區(qū)土壤鹽分及其灌水量的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(6): 7- 13.

[6] 袁曉玉. 浙江省氣候變化特征及自然災(zāi)害時(shí)空分布的統(tǒng)計(jì)分析[D]. 南京: 南京氣象學(xué)院, 2002.

[7] Charlton M B, Arnell N W. Adapting to climate change impacts on water resources in England-an assessment of draft Water Resources Management Plans. Global Environmental Change, 2011, 21(1): 238- 248.

[8] 吳燕鋒, 巴特爾·巴克, 羅那那, Rasulov H. 石河子地區(qū)冬小麥生育期需水量變化特征及其氣候成因. 水土保持通報(bào), 2016, 36(1): 69- 74.

[9] Molua E L. An empirical assessment of the impact of climate change on smallholder agriculture in Cameroon. Global and Planetary Change, 2009, 67(3/4): 205- 208.

[10] Southworth J, Randolph J C, Habeck M, Doering O C, Pfeifer R A, Rao D G, Johnston J J. Consequences of future climate change and changing climate variability on maize yields in the midwestern United States. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2000, 82(1/3): 139- 158.

[11] 江敏, 石春林, 薛昌穎, 金之慶. A2和B2排放情景下氣候變化對(duì)福建省水稻生產(chǎn)的階段性影響. 氣象與環(huán)境科學(xué), 2015, 38(4): 38- 46.

[12] Elgaali E, Garcia L A, Ojima D S. High resolution modeling of the regional impacts of climate change on irrigation water demand. Climatic Change, 2007, 84(3/4): 441- 461.

[13] Thomas A. Agricultural irrigation demand under present and future climate scenarios in China. Global and Planetary Change, 2008, 60(3/4): 306- 326.

[14] 劉鈺, 汪林, 倪廣恒, 叢振濤. 中國(guó)主要作物灌溉需水量空間分布特征. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(12): 6- 12.

[15] 黃志剛, 王小立, 肖燁, 楊飛, 王晨溪. 氣候變化對(duì)松嫩平原水稻灌溉需水量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(1): 260- 268.

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

[17] Yano T, Aydin M, Haraguchi T. Impact of climate change on irrigation demand and crop growth in a Mediterranean environment of Turkey. Sensors, 2007, 7(10): 2297- 2315.

[18] Díaz J A R, Weatherhead E K, Knox J W, Camacho E. Climate change impacts on irrigation water requirements in the Guadalquivir river basin in Spain. Regional Environmental Change, 2007, 7(3): 149- 159.

[19] Fleischer A, Lichtman I, Mendelsohn R. Climate change, irrigation, and Israeli agriculture: will warming be harmful?. Ecological Economics, 2008, 65(3): 508- 515.

[20] 李春強(qiáng), 李保國(guó), 洪克勤. 河北省近35年農(nóng)作物需水量變化趨勢(shì)分析. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2009, 17(2): 359- 363.

[21] 劉園, 王穎, 楊曉光. 華北平原參考作物蒸散量變化特征及氣候影響因素. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(4): 923- 932.

[22] 馬潔華, 劉園, 楊曉光, 王文峰, 薛昌穎, 張曉煜. 全球氣候變化背景下華北平原氣候資源變化趨勢(shì). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(14): 3818- 3827.

[24] 姚作芳. 松嫩平原主要糧食作物結(jié)構(gòu)布局對(duì)氣候變化的響應(yīng)及產(chǎn)量預(yù)測(cè)研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2011.

[25] Tao F L, Yokozawa M, Hayashi Y, Lin E D. Future climate change, the agricultural water cycle, and agricultural production in China. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2003, 95(1): 203- 215.

[26] 高曉容. 東北地區(qū)玉米主要?dú)庀鬄?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D]. 南京: 南京信息工程大學(xué), 2012.

[27] Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M. Crop Evapotranspiration-Guidelines for Computing Crop Water Requirements-FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome: Food and Agriculture Organization of the United, 1998: 166- 171.

[28] Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M. Crop Evapotranspiration-Guidelines for Computing Crop Water Requirements-FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome: Food and Agriculture Organization of the United, 1998: 85- 85.

[29] McCloud D E. Water requirements of field crops in Florida as influenced by climate. Proceedings Soil and crop Science Society of Florida, 1955, 15: 165- 172.

[30] Patwardhan A S, Nieber J L, John E L. Effective rainfall estimation methods. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1990, 116(2): 182- 193.

[31] D?ll P, Siebert S. Global modeling of irrigation water requirements. Water Resources Research, 2002, 38(4): 8- 1- 8- 10.

[32] Hargreaves G H, Samini Z A. Reference crop evapotranspiration from temperature. Applied Engineering in Agriculture, 1985, 1(2): 96- 99.

[33] Droogers P, Allen R G. Estimating reference evapotranspiration under inaccurate data conditions. Irrigation and Drainage Systems, 2002, 16(1): 33- 45.

[34] 馬建琴, 何勝, 郝秀平. 作物實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)中有效降雨量的計(jì)算方法. 人民黃河, 2015, 37(5): 138- 142.

[35] 劉戰(zhàn)東, 段愛旺, 肖俊夫, 劉祖貴. 旱作物生育期有效降水量計(jì)算模式研究進(jìn)展. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2007, 26(3): 27- 30, 34- 34.

Estimation and prediction of maize irrigation water requirement based on climate change in Songnen Plain, NE China

HUANG Zhigang1,2,*, XIAO Ye1, ZHANG Guo3, CAO Yun4, PENG Baofa1

1HunanUniversityofArtsandScience,Changde415000,China2NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China3ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China4NationalMeteorologicalCenterofChina,Beijing100081,China

It is important to study crop water requirement rule for water-saving irrigation and water regulation management of dry land crops in arid and semi-arid regions. In this study, the maize water requirement was estimated by means of McCloud model and Penman-Monteith model, and the amount of irrigation water in maize field was estimated by water balance approach in Songnen Plain, NE China. The main results are shown below: (1) both in historical period and projected climate change scenario, the maize irrigation water amount contour lines during the whole growth period andLmidperiods decreased along southwest to northeast geographically, and the same irrigation water amount contour line moved north with the progression of decades. Compared with 1970s, the zero equipotential line of irrigation water requirement during the whole growth period andLmidperiod in 2000s moved to north by 70.2 km and 53.4 km, respectively. Compared with 2010s, the zero equipotential line of irrigation water requirement during the whole growth andLmidperiods in 2040s moved to north by 30.9 km and 55.2 km, respectively. (2) The maize irrigation water requirement during the whole growth period increased volatility coupled with the progression of decades both in historical conditions and in projected climate change scenarios, and the rate of the increase was 29.1 mm/(10a) in historical period and 17.5 mm/(10a) in projected climate change scenarios. (3) Compared with 1970s, contribution of climate change to the maize irrigation water requirement was 22.1% in 2000s and 38.3% in 2040s, namely an increase of 6.8×108m3in irrigation water requirement in 2000s and an increase of 12.6×108m3in irrigation water requirement in 2040s.

climate change; effective rainfall; maize water requirement; irrigation water requirement; contribution rate of climate change

10.5846/stxb201512142497

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31100320); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃, 2010CB428404); 河南省教育廳高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A180052);洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心聯(lián)合支助

2015- 12- 14; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 08- 30

黃志剛,肖燁,張國(guó),曹云, 彭保發(fā).氣候變化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及預(yù)測(cè).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(7):2368- 2381.

Huang Z G, Xiao Y, Zhang G, Cao Y, Peng B F.Estimation and prediction of maize irrigation water requirement based on climate change in Songnen Plain, NE China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2368- 2381.

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huangzhigang03@sina.com