基于CROPWAT的涇惠渠灌區(qū)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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054；2.長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)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(nóng)田灌溉需水量發(fā)生變化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)需水量增加；而氣候變暖進一步導(dǎo)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(nóng)業(yè)的灌溉水量將會減少，這進一步加劇了農(nóng)業(yè)水資源的供需矛盾。許多學(xué)者對農(nóng)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(qū)作物需水量的時空變化，認(rèn)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(shù)和日平均高溫是影響冬小麥需水量的主要因素的結(jié)論[2]；劉曉英等分析了氣候變暖對華北地區(qū)主要作物需水量的影響，結(jié)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(qū)動因素，認(rèn)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(qū)動因子[4]。綜上可知，作物需水量的分布特征及驅(qū)動因子已有大量研究，但是針對涇惠渠灌區(qū)玉米和棉花需水量變化特征研究相對較少，因此，研究灌區(qū)作物需水量的變化規(guī)律，對緩解農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾，合理利用水資源具有重要意義。

本文根據(jù)涇惠渠灌區(qū)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(fā)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(guān)性，為灌區(qū)作物灌溉以及灌溉用水的分配提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況及資料來源

(1)研究區(qū)概況。涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，屬涇、渭河沖積平原區(qū)，是典型的井渠結(jié)合灌區(qū)，東、西、南有石川河、涇河、渭河環(huán)繞，轄涇陽、三原、富平、高陵、閻良和臨潼6個縣區(qū)，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(fā)量1 200 mm，灌溉水源為涇河引水和區(qū)內(nèi)地下水。

(2)資料來源。本文所用氣象數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)均來源于陜西省涇惠渠管理局。其中氣象數(shù)據(jù)包括涇惠渠近30 a的氣象資料，空間數(shù)據(jù)為涇惠渠灌區(qū)行政分區(qū)圖，見圖1。

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

1.2 研究方法

CROPWAT 模型是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)土地與水發(fā)展司在 1992 年開發(fā)設(shè)計的，主要用于計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量、作物蒸發(fā)蒸騰量、作物灌溉需水量、制定灌溉制度及評價雨養(yǎng)或非充分灌溉對產(chǎn)量的影響。該模型所需的輸入?yún)?shù)包括氣象參數(shù)、作物參數(shù)、土壤參數(shù)[5,6]。

1.2.1參考作物蒸發(fā)蒸騰量

CROPWAT模型根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，利用Penman-Monteith公式計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，其公式如下：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)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(shù)，kPa/℃；Ta為2 m高處的日平均氣溫，℃；μ為2 m高處的風(fēng)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(fā)蒸騰量

CROPWAT模型通過ET0和不同階段的作物系數(shù)得到作物蒸發(fā)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(fā)蒸騰量， mm；Kc為作物系數(shù)。

1.2.3有效降水量

CROPWAT模型利用美國農(nóng)業(yè)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(fā)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(qū)土壤有效持水量的40%～60%。

1.2.4灌溉需水量

模型根據(jù)作物蒸發(fā)蒸騰量和生育期內(nèi)的有效降水量計算玉米和棉花灌溉需水量，由于研究區(qū)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(jié)果分析

2.1 作物生育期降水量分析

統(tǒng)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(qū)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(dá)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(qū)降水量超過600 mm，臨潼區(qū)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(fā)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(fā)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(fā)蒸騰量)。灌區(qū)玉米蒸發(fā)蒸騰量高峰期出現(xiàn)在7月中旬到8月下旬，峰值出現(xiàn)在7月下旬；整個研究區(qū)玉米蒸發(fā)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(jié)期、拔節(jié)-抽雄期和抽雄-成熟期，3個階段平均蒸發(fā)蒸騰量為196.78、132.54和196.9 mm，在抽雄-成熟期蒸發(fā)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(shù)較大，此時如果玉米需水量不足會導(dǎo)致減產(chǎn)，嚴(yán)重干旱時會導(dǎo)致絕收，因而，在這個階段管理部門應(yīng)做好灌溉工作，為灌區(qū)春小麥保產(chǎn)、增產(chǎn)提供保證。

圖3 灌區(qū)玉米生育期蒸發(fā)蒸騰量Fig.3 Transpiration and evaporation of maize in irrigation area

由圖4看出，棉花蒸發(fā)蒸騰量峰值出現(xiàn)在8月上旬，整個研究區(qū)棉花蒸發(fā)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(qū)各區(qū)域蒸發(fā)蒸騰量趨勢基本一致(圖略)，表現(xiàn)為從4月上旬增加至8月上旬，而后逐漸減?。幻藁ㄉ谥饕譃?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(fā)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(fā)蒸騰量增大主要原因是由于氣溫和日照時數(shù)增大，再加此階段是棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的決定期，其需水量最大。

圖4 灌區(qū)棉花生育期蒸發(fā)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(qū)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(qū)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(xiàn)在臨潼區(qū)，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(qū)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(fā)蒸騰量較大，導(dǎo)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(qū)玉米生育期需水量主要受溫度、降水、日照時數(shù)及風(fēng)速、濕度的影響，在干旱年，應(yīng)增加灌溉水量，避免作物減產(chǎn)。

圖6為灌區(qū)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(qū)棉花生育期需水量空間分布比較均勻，各分區(qū)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(xiàn)在三原為547.3 mm，最小值出現(xiàn)在涇陽為373.9 mm，整個研究區(qū)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(jié)合分析，灌區(qū)棉花苗床期灌溉需水量開始增加，花鈴期達(dá)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(qū)氣溫和日照時數(shù)增大，其蒸發(fā)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(qū)作物生育期需水量的影響因素，運用SPSS軟件對灌區(qū)作物生育期需水量與氣溫、降水量、相對濕度和日照時數(shù)等做了相關(guān)性分析，具體見表1。由表1看出，灌區(qū)需水量與氣溫呈正相關(guān)，氣溫增大，蒸發(fā)能力增大，導(dǎo)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(fù)相關(guān)，說明隨著降水的增加，作物需水量減少；風(fēng)速與需水量的相關(guān)性較弱，說明風(fēng)速對需水量的影響較??；相對濕度與需水量呈負(fù)相關(guān)，濕度越大需水量越?。慌c日照時數(shù)呈正相關(guān)，日照數(shù)越大，作物蒸發(fā)蒸騰量越大。總體來說，研究區(qū)作物與氣溫、降水、相對濕度和日照時數(shù)相關(guān)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(shù)增加共同導(dǎo)致。

表1 灌區(qū)作物需水量與氣象因子相關(guān)系數(shù)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(cè))為0.05時，相關(guān)性是顯著的。

4 結(jié)果與討論

利用CROPWAT 模型分析了涇惠渠灌區(qū)作物蒸發(fā)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(jié)果。

(1)玉米生育期的蒸發(fā)蒸騰量平均值為524.33 mm，玉米蒸發(fā)蒸騰量高峰期出現(xiàn)在7月中旬到8月下旬(籽粒形成-乳熟期)，灌區(qū)各分區(qū)蒸發(fā)蒸騰量趨勢一致。棉花生育期蒸發(fā)蒸騰量平均為869.13 mm，花鈴期蒸發(fā)蒸騰量最大，播種期最小，整個灌區(qū)蒸發(fā)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(qū)各分區(qū)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(qū)玉米和棉花生育期需水量與氣溫呈正相關(guān)，與降水呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速與需水量的相關(guān)性較弱，相對濕度與需水量呈負(fù)相關(guān)，與日照時數(shù)呈正相關(guān)，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(qū)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(zhǔn)確。作物生育期灌溉需水量及影響因素與李立研究計算結(jié)果基本一致[1]。由于研究區(qū)作物生育階段可能存在缺水問題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴于灌溉，因此在氣候變暖的趨勢下，準(zhǔn)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(chǎn)量的必要措施，在明確了作物生育期需水量變化的基礎(chǔ)上，可采用針對性措施，有效應(yīng)對氣候變化來提高作物產(chǎn)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(chǎn)量；合理調(diào)整種植面積、種植結(jié)構(gòu)及采用節(jié)水措施，降低灌區(qū)灌溉需水量。對于灌區(qū)供需水問題，在以后的研究中要注重種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及提高用水效率方面來緩解供需水矛盾。

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