氣候變暖背景下河西走廊典型綠洲主要農作物需水量變化研究＊

蘇軍德，李國霞

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

全球氣候變暖已經是不爭的事實[1]，過去100年間，全球平均氣溫約升高了0.6～0.7℃[2]，地處干旱地區的河西走廊綠洲灌溉區，常年受東亞季風的影響[3]，水資源短缺是限制區域內農業生產發展的主要因素[4]。作為我國重要的糧棉生產區之一，河西綠洲灌溉區對我國經濟社會發展具有重要的意義，但隨著全球氣候的變暖，致使區域內水資源供需之間的矛盾更加突出[5]。因此，研究氣候變暖對區域內主要農作物需水量的影響，對研究區內農業種植結構的調整和相關政策的制定具有十分重要的意義。

作物需水量作為農業用水的主要組成部分，是確定灌溉制度和灌溉用水量的基礎[6]。近年來，眾多學者對不同區域農作物需水量進行了深入研究，例如魏堃等[7]對甘肅省河東地區玉米的需水量進行了研究，結果表明受降水的影響，河東地區玉米在不同的生長期需水量出現了先增大后減小的變化趨勢；湯瑛芳等[8]運用GIS 對甘肅省糧食作物需水量的時空演變特征進行了分析，結果呈現出由西向東減小的趨勢；宋德海等[9]基于2000-2012 年氣象觀測資料，對河南省三義寨灌溉區主要農作物需水量進行了動態預報。但上述研究都是針對區域內主要農作物需水量的動態演變規律進行分析，關于作物需水量與氣候變化之間的相關性研究還相對較少，尤其對河西走廊綠洲農作物需水量對氣候變化的響應研究更是鮮有報道。文章選取河西走廊典型的2 個站點為研究對象，通過對研究區內主要的3 種農作物的需水量與氣候變暖的響應變化進行深入研究，試圖為區域內合理改變農業種植結構奠定理論基礎，同時也為相關政策的制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河西走廊位于祁連山以北，烏鞘嶺以西，長約1000km，屬祁連山地槽邊緣拗陷帶，屬大陸性干旱氣候，因受季風的影響，氣候干燥，風大沙多，年均溫為5.8～9.2℃，多數地區日照時數約3000h，降水量不足200mm[10]。文章分別選取河西走廊極端干旱區的敦煌和干旱區的金昌2 個站點，對其主要農作物需水量與氣候變化的響應進行研究。敦煌位于河西走廊最西端，介于92°13′～95°30′E，39°40′～41°40′N之間，四季分明，氣候干燥，年均氣溫為9.9℃，年均降雨量為42.2mm，全年日照時數約為3246h，年均無霜期為152d[11]。金昌地處河西走廊中段，介于101°04′～102°43′E，37°47′～39°00′E 之間，光照充足，氣候干燥，全年多西北風，年均溫度為9.2℃，年均降水量為120mm，多集中在5～9 月，無霜期為182d[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 作物需水量計算

作物需水量采用聯合國糧食與農業組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）常用的作物系數法[13]，計算方法為：ETP=KC×ET0，其中ETP和ET0分別是作物需水量（mm·d-1）和參考作物蒸騰量（mm），KC為作物系數。見表1。

表1 不同生長階段作物系數

1.2.2 作物灌溉需水量計算

河西走廊灌溉區農作物所需水分主要依靠天然降水和灌溉補給[14]，因此，灌溉需水量可按照IR=ETP-P 進行計算，其中IR 和P 分別為農作物灌溉需水量（mm）和作物生長期降水量（mm）。見表2。

表2 近50a 來河西走廊綠洲灌溉區典型站點作物生長期內平均降雨量（mm）

1.2.3 氣候變化情景的假定

根據英國Hadley[15]的模型預測，到2080 年，我國西北地區的平均溫度將會上升1.5～3.9℃，故文章假定未來溫度上升1～4℃的溫度變化情景。

1.2.4 數據處理

所得數據用Excel 2019 和Origin lab 9.1 統計分析軟件處理，以平均值進行統計分析，不同區域不同農作物需水量增幅進行顯著性檢驗分析。

2 結果與分析

2.1 不同增溫條件下作物需水量的響應差異

不同增溫條件下，3 種作物的需水量都隨著增溫幅度的升高而增加（如圖1 所示），其中，氣溫升高對棉花和玉米的需水量影響較大，對春小麥需水量的影響相對較小。氣溫升高1℃，敦煌和金昌2 個站點的玉米需水量分別增加14.17mm，15.43mm，棉花需水量分別增加16.76mm，18.92mm，小麥需水量分別增加9.27mm，10.22mm；氣溫升高2℃，敦煌和金昌2 個站點的玉米需水量分別增加28.85mm，28.19mm，棉花需水量分別增加31.69mm，31.62mm，小麥需水量分別增加18.20mm，17.72mm；氣溫升高3℃，敦煌和金昌2 個站點的玉米需水量分別增加49.82mm，46.98mm，棉花需水量分別增加52.71mm，50.79mm，小麥需水量分別增加31.69mm，32.24mm；氣溫升高4℃，敦煌和金昌2 個站點的玉米需水量分別增加82.88mm，76.24mm，棉花需水量分別增加85.15mm，79.47mm，小麥需水量分別增加50.70mm，49.59mm。綜合敦煌、金昌2 個站點的結果來看，當氣溫上升1～4℃，河西典型綠洲棉花需水量將增加16.75～85.15mm，玉米需水量將增加14.17～82.88mm，小麥需水量將增加9.26～50.70mm。

圖1 給定溫度情境對作物需水量的影響

2.2 不同區域作物需水量對氣候變化的響應差異

不同區域作物需水量隨著溫度的升高出現了明顯的差異（如圖2 所示），當溫度升高1℃時，金昌3種作物需水量所受影響大于敦煌，金昌玉米、棉花、小麥需水量的增加值高于敦煌相應作物需水量增加值1.26mm、2.15mm、0.96mm。溫度升高2～4℃時，位于極端干旱區的敦煌3 種農作物需水量增加值都高于位于干旱區的金昌，當溫度升高2℃時，敦煌玉米、棉花、小麥需水量增加值高于金昌相應農作物增加值0.65mm、0.07mm、0.48mm；當溫度升高3℃時，敦煌3 種作物需水量增加值大于金昌，敦煌玉米、棉花需水增長量分別高于金昌相應作物2.84mm，1.92mm，而小麥需水量增加值低于金昌0.56mm；當溫度升高4℃時，敦煌玉米、棉花、小麥的需水量分別增加了82.87mm，85.15mm、50.69mm，金昌相應作物需水量增加了76.25mm，79.47mm，49.59mm，相比敦化低了6.62mm，5.68mm，1.10mm。總體來看，在給定溫度情境下，敦煌玉米、棉花、小麥的需水量分別增加了14.17～82.88mm，16.76～85.15mm，9.27～50.70mm，金昌相應3種作物的需水量增加了15.43～76.25mm，18.92～49.47mm，10.23～49.59mm。由此可見，同種作物在不同區域對氣候變暖的響應存在明顯的差異。

圖2 不同區域作物對氣候變暖的響應

2.3 氣候變暖對作物灌溉需水量的影響

不同區域不同作物灌溉需水量的變化表明（見表3），氣候變暖對玉米和棉花的灌溉需水量的影響大于春小麥，且不同區域同種作物灌溉需水量隨氣候變暖的增幅也有明顯的差異。在溫度上升1℃～4℃的情境下，敦煌玉米灌溉需水量將由目前的755.2mm 增加至769.4～831.1mm，增幅約為1.9%～11.0%，敦煌棉花灌溉需水量將由目前的685.4mm 增加至702.2～770.6mm，增幅約為2.5%～12.4%，敦煌小麥灌溉需水量將由目前的534.9mm 增加至544.2～585.6mm，增幅約為1.7%～9.5%；在溫度升高1～4℃的情境下，金昌相應農作物灌溉需水量增幅大于敦煌，金昌玉米灌溉需水量將由目前的594.3mm 增加至610.0～670.5mm，增幅約為2.6%～12.8%，金昌棉花灌溉需水量將由目前的685.4mm 增加至702.2～770.6mm，增幅約為5.1%～12.4%，金昌春小麥灌溉需水量將由目前的534.9mm 增加至544.2～585.6mm，增幅約為1.7%～9.5%。

表3 河西走廊典型綠洲主要農作物灌溉需水量變化

河西走廊位于黃河以西，祁連山以北，屬大陸性干旱氣候，降水量相對較少，農業灌溉主要以冰雪融水為主。根據甘肅省各地區主要農作物播種面積構成統計計算，河西綠洲玉米、棉花、小麥的種植面積分別為113.09×103hm2、94.21×103hm2、143.87×103hm2，按照河西走廊典型綠洲（敦煌、金昌）相應農作物灌溉需水量計算（見表4），當溫度升高1-4℃時，整個河西綠洲玉米的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.32×108m3、0.55×108m3、0.90×108m3，棉花的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.30×108m3、0.49×108m3、0.78×108m3，小麥的灌溉需水量將分別增加0.14×108m3、0.26×108m3、0.46×108m3、0.72×108m3。

表4 河西綠洲主要農作物灌溉需水量估算

3 討論

西北地區作為我國氣候變化最敏感的地區之一，水資源不足是限制區域內農業發展的主要因素。近年來，隨著全球氣候的變暖和水資源的短缺，干旱區農作物需水量的研究引起了眾多學者的關注，張華等[16]基于甘肅省28 個氣象站點對甘肅省過去40a 間春小麥和冬小麥的需水量進行了計算，結果表明日照時數和日平均氣溫是其主要影響因子，且二者之間需水量具有明顯的差異；方芳等[17]對新疆不同農作物虛擬含水量進行了分析，發現不同農作物虛擬含水量具有較大的差異；曹永強等[18]在保定市主要農作物需水量的研究中也表明，不同農作物蓄水具有一定的差異。本文研究結果也同樣表明，在給定增溫條件下，河西典型綠洲玉米、棉花、小麥的需水量有不同程度的變化，棉花和玉米的需水量增幅大于小麥。作物需水量的大小是外部氣候條件和內部生物學特征共同作用的結果，本研究玉米和棉花在同樣的增溫情景下，需水量增加幅度基本相似，而小麥的需水量增幅卻小于玉米和棉花，這說明玉米和棉花在耗水量等生物學特征上具有相似性，對氣候變暖具有相似的響應機制[19]。

在干旱、半干旱地區農作物的需水量與氣候類型有較大的關系，對氣候變化的響應也較為明顯。李應林等[20]研究表明，氣候條件對我國玉米主要的種植區是有利的；張華[21]在對近50 年來甘肅省玉米需水量研究中表明，甘肅省玉米需水量整體上由東南向西北增加，具有明顯的空間異質性。本研究也同樣發現，在相同的增溫條件下，極端干旱區（敦煌）農作物需水量增幅略高于干旱區（金昌），這表明在天然降水條件的差異，會導致農作物在應對氣候變化方面產生不同的響應，研究區小麥較小的需水量增幅，表明其對抵御氣候變暖不利影響具有較強的能力。

氣候變暖將致使河西走廊綠洲水資源更加匱乏，按照河西走廊典型綠洲主要農作物需水量增幅估算，整個河西走廊綠洲在溫度升高1-4℃的情境下，區域內主要農作物需水量將增加0.46×108m3～2.46×108m3，按照農業用水價格0.06 元/m3計算，可致使區域內農業灌溉用水價值增長約2.76×106元～14.76×106元。由此可見，合理改變區域內農業種植結構，盡早建立預報預警系統，對緩解區域內水資源供需矛盾具有十分重要的意義。

4 結論

（1）不同增溫條件下，3 種作物的需水量都隨著增溫幅度的升高而增加，氣溫升高對棉花和玉米的需水量影響較大，對春小麥需水量的影響相對較小。當氣溫上升1～4℃，河西典型綠洲棉花需水量將增加16.75～85.15mm，玉米需水量將增加14.17～82.88mm，小麥需水量將增加9.26～50.70mm。

（2）不同區域作物需水量隨著溫度的升高出現了明顯的差異，當氣溫上升1～4℃，敦煌玉米、棉花、小麥的需水量分別增加14.17～82.88mm，16.76～85.15mm，9.27～50.70mm，金昌相應3種作物的需水量增加15.43～76.25mm，18.92～49.47mm，10.23～49.59mm。

（3）當溫度升高1～4℃時，整個河西綠洲玉米的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.32×108m3、0.55×108m3、0.90×108m3，棉花的灌溉需水量將分別增加0.16×108m3、0.30×108m3、0.49×108m3、0.78×108m3，小麥的灌溉需水量將分別增加0.14×108m3、0.26×108m3、0.46×108m3、0.72×108m3。