阿克蘇河灌區作物需水量對氣候變化的敏感性分析

王志成，方功煥，張　輝，唐新成，段雷振

（1.新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆　阿克蘇 843000；2.中國科學院新疆生態與地理研究所/荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆　烏魯木齊 830011）

作物需水量是農田水分循環系統中最重要的因素之一，作物需水量的準確估算是優化灌溉制度、進行農田水利工程規劃和設計的依據，對干旱區水資源管理和規劃尤為重要[1-3]。

作物需水量可由實測土壤水分在某時間段的變化計算獲得，也可通過作物系數法得到。實測土壤水分法是根據水量平衡的原理，依據時段內田間作物土壤儲水量的差值與降水量、地下水補給量、灌溉水量、地面徑流量和土壤水分滲漏量綜合計算得到，但是該方法受觀測值影響較大，獲得難度高。作物系數法因其簡單高效，廣泛應用于作物需水量的估算中[4，5]。用作物系數法計算作物需水量就是在參考作物蒸散發的基礎上乘以作物系數。有多種方法用于評估參考作物蒸散發[6-13]，例如Penman-Monteith FAO-56[4]，Matt-Shuttleworth[7]、Makkink 方 法[8]、Blaney-Criddle方法[9]、Turc[10]方法和Hargreaves-Samani[11]方法等。FAO給出了40種作物在多種參考作物蒸散發計算方法下對應的作物系數，其中Penman-Monteith方法只需利用常規氣象資料便可較為準確地計算出參考作物需水量，已成為計算參考作物蒸散發的一種主要方法。

許多學者對作物需水量進行了相關研究。王鶴齡等[14]利用Penman-Monteith方法評估了河西走廊綠洲灌區的作物需水量；姬興杰等[15]計算了河南省冬小麥的作物需水量；Shen等[5]計算了中國西北干旱區的作物需水量。在全球變暖的背景下，中國西北干旱區在近50 a來氣溫不斷升高，尤其是1998年以來，氣溫保持高位態震蕩特征，蒸發皿蒸散發存在先下降后上升的趨勢。區域氣象要素的變化帶來參考作物蒸散發的變化，從而影響不同類型作物需水量[16]。不同區域和氣候條件下的參考作物蒸散發對氣象要素的敏感度不同，例如在美國愛荷華州影響參考作物蒸散發的最為敏感因子為凈輻射[17]，在濕潤的比利時最敏感的因子為最高氣溫[18]；在濕潤的里海區域，當溫度上升3.3℃或者水汽壓增加20%時，參考作物蒸散發增加16%或者減少19%～30%[19]。長江流域最敏感的氣象因子是相對濕度[20]，海河流域最敏感的氣象因子是水汽壓[21]，而風速減小是引起阿克蘇綠洲參考作物蒸散發減少的主要因素[22]。劉昌明院士[3]采用優化太陽輻射計算的Penman-Monteith潛在蒸散發計算方法，分析了中國10大流域的潛在蒸散發對氣象因子的敏感性，指出水汽壓和最高氣溫是兩個最為敏感的因素。但是對于干旱灌區，氣候變化對作物需水量的研究還有待加強。

本研究采用Penman-Monteith方法計算了參考作物蒸散發，結合作物系數法估算了阿克蘇河灌區1960—2015年主要作物的需水量，并分析了作物需水量對氣候因子的敏感性，研究結果可服務于當地的農業灌溉管理和灌溉制度的調整和優化。

1　研究方法和資料

1.1　研究區概況

阿克蘇河位于天山南麓西段，塔里木盆地的西北部，由托什干河和庫瑪拉克河匯流而成。根據《阿克蘇河流域志》，阿克蘇河灌區屬于暖溫帶干旱型氣候，具有大陸性氣候的特征：氣候干旱少雨、蒸發強烈、日照時間長、晝夜溫差大。年均降水量64 mm，年潛在蒸散發量為1890 mm，年平均氣溫9.2～12℃，年日照時數2 570.9～2 996.8 h。區內人口約150萬，其中少數民族約占75%。

阿克蘇灌區灌溉面積5720 km2（2015年），灌溉用水量4.16×109m3，占阿克蘇河總來水量的52%（圖1）。研究區內有4個氣象站點，它們是阿合奇、阿克蘇、柯坪和阿拉爾（表1）。

圖1　阿克蘇河灌區與氣象站點分布

表1　阿克蘇河灌區氣象站點信息和多年平均參考作物蒸散發ET0

阿克蘇灌區農業以種植業為主，是典型的綠洲灌溉農業，形成了以糧、棉、果林為中心的多元格局，以種植小麥、玉米、水稻、棉花等為主，另外還有以紅棗、核桃等為主的灌溉園林。自1988年以來，糧食種植面積比例逐步下降，經濟作物如棉花、核桃等種植面積比例逐步上升，糧食作物和經濟作物的比重由1988年的0.77：0.23調整到2015年的0.30：0.70（圖2）。到2015年，棉花和果林的播種面積相對于1988年分別擴大了10.11倍和7.39倍，棉花、小麥、玉米、水稻和果林分別占灌溉面積的48%、15%、11%、2%和17%，其他作物類型如油料、甜菜、蔬菜、果用瓜等占8%，棉花已經成為本區綠洲農業的支柱產業。

圖2　阿克蘇河灌區主要作物種植面積比例（a）和各生育階段的作物系數（b）

1.2　研究方法與資料

綜合考慮Guo等[23]和McMahon等[6]的研究，本研究采用FAO推薦的參考作物蒸散發方法Penman-Monteith計算各站點逐日參考作物蒸散量，結合作物系數法，估算主要作物生育期內的作物需水量，并分析了作物需水量對氣候要素和作物種植結構的敏感性。

1.2.1數據資料

選取阿克蘇河流域灌區及周邊的4個氣象站1960—2015年的資料作為基礎數據，觀測變量包括平均風速、日照時數、日平均氣溫、日最高氣溫和最低氣溫、平均水汽壓、平均相對濕度和最小相對濕度以及降水，資料來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/）的中國地面氣候資料日值數據集。該數據集由中國756個基本、基準地面氣象觀測站及自動站經過嚴格的質量控制和檢查進行整編統計而得。作物系數參考FAO推薦的作物系數。

社會經濟統計數據，如作物結構、作物種植制度等，由塔里木河流域阿克蘇管理局提供。土地利用數據由中國西部環境與生態數據中心提供。

1.2.2參考作物蒸散發的計算

本研究采用FAO推薦的Penman-Monteith方法計算參考作物蒸散發（ET0）。Penman-Monteith方法計算ET0的公式如下[9]：

式中，Rn為作物表層凈輻射（MJ/（m2·d））；G為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；u2為2 m高度24 h內平均風速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）；γ為干濕表常數（kPa/℃）。

依據灌區和氣象站的相對位置，選擇距離較近的氣象站計算參考作物蒸散發。對于托河烏什灌區，受阿合奇和阿克蘇氣象站控制，托河溫宿灌區和庫河溫宿灌區受阿克蘇氣象站控制，阿克蘇河灌區受阿克蘇、柯坪和阿拉爾共同影響，塔河灌區受阿拉爾控制。不同灌區的參考作物蒸散發可以看作是周邊氣象站參考作物蒸散發的平均值，例如，托河烏什灌區的潛在蒸散發為阿合奇和阿克蘇站潛在蒸散發的平均值。

1.2.3作物需水量的計算

作物需水量ETc指作物在土壤水分、養分適宜、管理良好、生長正常、大面積高產條件下的棵間土面（或水面）蒸發量與植株蒸騰量之和。本文采用作物系數法計算作物需水量[5，9]，計算公式為：

式中，ETci為第i種作物的作物需水量（mm）；ET0為參考作物蒸散量（mm）；Kci為第i種作物的作物系數。

作物系數Kc是指灌溉條件良好的作物蒸散發量ETc和參考需水量ET0的比值，一般通過實驗觀測得出，反映了不同作物不同生育階段的作物耗水能力的差異。由于阿克蘇地區的主要果林類型為紅棗和核桃，依據《阿克蘇地區統計年鑒》，2011—2015年紅棗和核桃的種植面積比例約為1.4：1，本文用到的果林的作物系數為紅棗和核桃的種植面積的加權平均值（假設1960—2010年紅棗和核桃也是最重要的林果類型，其種植面積比例為1.4：1），其中紅棗的作物系數參考王則玉等的研究[24]，核桃的作物系數參考張龍等的研究[25]，其余作物類型的作物系數Kc采用FAO的推薦值。阿克蘇灌區主要作物的作物系數如圖2b所示。

2　結果分析

2.1　作物需水量年際和年內變化

阿克蘇灌區參考作物蒸散量ET0介于1 077.5～1 166.4 mm，其中阿合奇、阿克蘇、柯坪和阿拉爾站的多年平均ET0分別為1 122.9 、1 077.5、1 166.4 mm和1 131.4 mm（表1）。近56 a來阿克蘇灌區的ET0呈顯著上升趨勢（p<0.001），上升速率為12.65 mm/10 a（圖3）。利用Students’t檢驗發現ET0在1989年發生逆轉，1960—1989年阿克蘇灌區ET0在p=0.000 1水平上呈顯著下降趨勢，但是1990—2015年ET0呈現出快速增長趨勢，增加速率可達52.37 mm/10 a。2010—2015年，阿克蘇灌區的參考作物蒸散發為998.5 mm，較20世紀60年代的917.7 mm增加了8.8%。這主要是因為阿克蘇河灌區氣溫不斷升高，導致了參考作物蒸散量增加。ET0發生逆轉的時間與研究時段密切相關，例如普宗朝等[26]發現烏魯木齊河流域的潛在蒸散發在1970—2000年表現為下降趨勢，而Li等[27]發現中國西北干旱區的蒸發皿蒸散發表現出先減少（1960—1992年）后增加的趨勢（1993—2012年）。

圖31960　—2015年阿克蘇灌區參考作物潛在蒸散量ET0（a）和作物需水量ETc（b）的變化

利用作物系數法計算了灌區主要作物生育期的作物需水量，結果表明，阿克蘇灌區1960—2015年多年平均作物需水量為586 mm。與ET0的變化趨勢類似，ETc在1960—1989年間呈現下降趨勢，而在1989年以后作物需水量以99.37 mm/10 a的速度迅猛增加，增加速度遠大于ET0在本時期的增加速度（52.37 mm/10 a），這主要是由于1989年以來，棉花、果林（紅棗、核桃等）高耗水經濟作物的種植比例增加（圖2）。在氣候變化和作物種植結構改變條件下，2010—2015年作物需水量達到了740.3 mm，較20世紀60年代的539.6 mm增加了37.2%。

ETc的年內變化結果顯示（圖4），5、6月是作物需水最為旺盛的時期，ETc分別達到167.5 mm和174.3 mm，其次是7月（ETc=101.4 mm）和4月（ETc=66.9 mm），9月和10月的作物需水量最少。在未來氣候變化條件下，隨著融雪徑流的提前[28]，春旱問題將有所緩解，但是夏季缺水形勢將更加嚴峻。

圖4　各月作物需水量

2.2　不同作物和灌區的灌溉需水量特征

基于流域平均氣候條件，阿克蘇灌區棉花、小麥、玉米、水稻和果林的多年平均作物需水量見表2，果林的需水量最大，高達829.8 mm，其次是棉花、水稻、玉米、小麥，其作物需水量分別為754.8、591.2、519.8 mm和388.5 mm。其中小麥在5月達到最大作物需水量，其余作物類型在6月達到需水頂峰，是生理需水的關鍵期。

灌區作物需水量不僅受到種植結構的影響，還受地理位置、氣象條件的影響。在現有作物種植結構條件下，塔河灌區的作物需水量最大，高達909.9 mm，其次是阿瓦提灌區、托河溫宿灌區和庫河溫宿灌區，相對寒冷的托河烏什灌區的作物需水量最低。各個灌區均在6月達到需水量高峰，月需水量達200 mm以上，尤其是塔河灌區，由于海拔低、緯度低，溫度高，光照充足，需水量較高。

表2　阿克蘇河灌區不同作物類型和不同灌區的平均作物需水量　mm

2.3　需水量對氣候變化的敏感性分析

阿克蘇灌區對全球變化響應敏感，自1960年以來，阿克蘇灌區氣溫以0.18℃/10 a的速率迅速升高，氣候變化勢必引起作物需水量的變化。本文綜合評估了阿克蘇灌區作物需水量對不同氣候因子和作物種植結構的敏感性（圖5）。結果顯示，作物需水量對日最高氣溫的敏感性高于日最低氣溫，當日最高氣溫升高1℃和2℃時，作物需水量分別增加2.1%和4.3%，而當最低氣溫升高1℃和2℃時，作物需水量僅增加1%和2%。作物需水量對日照時數的敏感性高于風速和水汽壓。當日照時數增加10%時，作物需水量將增加3.2%，當風速增加10%時，作物需水量增加2.1%，而水汽壓增加10%時，作物需水量減少1.4%。

由作物需水量對作物種植結構的敏感性可以看出，水稻、棉花和果林是高耗水作物，而小麥和玉米的耗水量較低。當棉花的種植面積比例增加10%時，流域作物需水量平均增加了9.2%；當果林的種植面積增加10%時，作物需水量增加了12.1%。由此，可以得出，作物種植結構對作物需水量的影響很大。隨著全球氣候變暖，ETc不斷增加，在水資源總量約束下，應適時的進行農作物種植結構調整優化，達到節水和增效的目的，使有限的水資源發揮最大的經濟效益。

圖5　作物需水量對氣候因子（a）和對種植結構（b）的敏感性

3　結論

近幾十年來，阿克蘇河灌區溫度上升，經濟作物種植面積增加，勢必會引起作物需水量的變化，了解阿克蘇灌區作物需水量變化特征對灌區種植結構調整、水資源優化配置至關重要。本研究計算了阿克蘇灌區作物需水量的時空變化和不同作物類型的需水量特征，并探討了作物需水量對氣候變化和種植結構的敏感性，可得出以下結論。

（1）阿克蘇河灌區多年平均作物需水量為586 mm，1960—2015年作物需水量呈顯著增加趨勢（p<0.001），增加速率為38.43 mm/10 a，其中1960—1989年作物需水量呈下降趨勢，1990—2015年作物需水量呈快速增加趨勢，增加速率達99.37 mm/10 a。

（2）果林的需水量最大，高達829.8 mm，小麥需水量最小，僅為388.5 mm，整體上呈果林＞棉花＞水稻＞玉米＞小麥的特征。塔河灌區的作物需水量最大，高達909.9 mm，其次是阿瓦提灌區、托河溫宿灌區和庫河溫宿灌區，處于相對寒冷區的托河烏什灌區的作物需水量最低。

（3）作物需水量對日最高氣溫和日照時數較為敏感，而對最低氣溫、風速和水汽壓的敏感度較低。當日最高氣溫升高2℃時，作物需水量增加4%，而當日照時數增加10%時，作物需水量將增加3.2%。同時，作物需水量對作物種植結構非常敏感，當果林的種植面積增加10%時，作物需水量增加了12.1%。