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      石羊河流域不同農(nóng)作物耗水量時(shí)間序列變化研究

      2020-04-20 10:48:00韓杰
      鋒繪 2020年1期
      關(guān)鍵詞:時(shí)間序列

      韓杰

      摘 要:石羊河流域作為以灌溉農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域,存在用水效率較低,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題,農(nóng)業(yè)用水供需矛盾十分突出。所以,本研究在水足跡的基礎(chǔ)上,通過Penman-Monteith公式,計(jì)算了流域尺度10種主要農(nóng)作物1991-2013年蒸散量、總耗水量的時(shí)間序列變化特征,研究結(jié)果表明:石羊河流域玉米、棉花、瓜類和蘋果作物ETC時(shí)間序列變化特征相似,薯類、胡麻、油菜、蔬菜和葡萄作物ETC時(shí)序變化特征相似,春小麥作物則具有獨(dú)特性;除春小麥和胡麻作物外,其他農(nóng)作物總耗水量均呈上升趨勢。

      關(guān)鍵詞:水足跡;農(nóng)業(yè)耗水量;時(shí)間序列

      1 研究區(qū)概況

      石羊河流域是我國西北部河西走廊三個(gè)內(nèi)陸河盆地之一,位于甘肅省的東部 ,處于東經(jīng)101°41′-104°16′,北緯36°29′-39°27′,屬于干旱半干旱地區(qū)。石羊河流域行政區(qū)劃上主要包括金昌市和武威市,本區(qū)的東南部與白銀市、蘭州市相鄰,西南部與青海省接壤,西北部與張掖相連,東北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰,流域面積達(dá)4.16萬km2,占整個(gè)河西地區(qū)總面積的15.4%。

      石羊河流域內(nèi)水資源短缺,加上水資源被過度的開發(fā)利用,導(dǎo)致流域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。

      2 作物綠水與藍(lán)水計(jì)算方法

      水足跡的概念被用來評估石羊河流域10種主要農(nóng)作物的需水量,農(nóng)作物生長期內(nèi)水足跡(WF crop)的計(jì)算方法參照Hoekstra et al:

      WFcrop,green指的是作物生長過程中綠水消耗量,綠水其實(shí)就是作物生育期內(nèi)雨水的總蒸發(fā)量,WFcrop,blue是藍(lán)水資源的消耗量,包括河水、湖水、地下水或總灌溉水蒸發(fā)量[m3/ha]。

      這里因?yàn)閿?shù)據(jù)的局限性以及農(nóng)作物的灰水消耗量并不是嚴(yán)格意義上的實(shí)體水消費(fèi),而主要和水污染相關(guān),所以灰水沒有被考慮進(jìn)去。為了計(jì)算WFgreen和WFblue,需要通過作物調(diào)節(jié)系數(shù)(KC)計(jì)算作物蒸散量(ETC),參考作物蒸散量(ET0)的計(jì)算公式如下:

      作物蒸散量是兩部分的水分流失,分別為土壤表面的蒸發(fā)和作物蒸騰。ETcrop是作物蒸散量(mm/day),Kc為作物調(diào)節(jié)系數(shù)(無量綱),ETo是參考作物蒸散量(mm/day),參照聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式,運(yùn)用Cropwat作物需水軟件進(jìn)行計(jì)算。此方程是WFcrop的一般計(jì)算方法。因子10是將水深單位mm轉(zhuǎn)化為水的體積單位m3/ha.求是指作物生長期內(nèi)從播種日(第一天)到收獲日總蒸散量,lgp表示生長期的天數(shù)。通過作物蒸散量ETcrop計(jì)算WFgreen和WFblue的具體步驟如下:

      計(jì)算每種作物的蒸散量ETcrop;計(jì)算作物生長期內(nèi)的有效降水量;

      WFcrop,green通過比較作物生長期內(nèi)的潛在蒸散量與有效降水量(ER)來確定,當(dāng)ET>ER時(shí),WFcrop,green等于有效降水量;然而,當(dāng)ET

      WFcrop,blue即是灌溉需水量,如果ET>ER, WFcrop,green=ET-ER;若ET

      3 作物潛在蒸散量(ETC)時(shí)間序列分析

      用線性回歸分析法對石羊河流域尺度農(nóng)作物ETC時(shí)間序列變化進(jìn)行線性傾向性分析,用變差系數(shù)Cv表示作物蒸散量年際變化的離散程度,用時(shí)間序列距平值判斷時(shí)間節(jié)點(diǎn)和異常值。

      農(nóng)作物ETC線性傾向率通過最小二乘法得到,具體計(jì)算公式為:

      式中,b為作物蒸散量的線性傾向率,xj表示第j年作物x的蒸散量,tj為第j年對應(yīng)的時(shí)間,n為時(shí)間序列樣本量。

      變差系數(shù)的計(jì)算公式如下:

      式中,cv為變差系數(shù),S表示標(biāo)準(zhǔn)差,xj為農(nóng)作物x第j年的ETC值,x-為作物蒸散量的時(shí)間序列均值,n代表樣本量。Cv值越大表示時(shí)間序列的離散程度越大,波動(dòng)性越強(qiáng),反之?dāng)?shù)據(jù)序列越平穩(wěn),波動(dòng)性越小。

      根據(jù)石羊河流域ETC時(shí)間序列變化特征以及不同時(shí)間段的距平值,對近25年作物ETC時(shí)間序列變化做分階段研究。

      階段性分析結(jié)果顯示,1991-2003年10種作物ETC的線性傾向均為正,增加幅度較大的是糧食作物(春小麥、玉米)、薯類、油料作物(胡麻、葵花)和葡萄作物,每10年增加10mm以上,其余作物類型增加量均在10mm以下。瓜類的ETC波動(dòng)性較大,CV高達(dá)0.091,其余作物類型之間差異不顯著。

      2004-2013年所有作物的ETC均隨時(shí)間變化逐年下降,且下降速度大于1991-2003年間的增加速率,ETC隨時(shí)間下降較快的作物為蔬菜、春小麥、油料(胡麻、油菜),每10年分別減少41mm、40mm、35mm、28mm,棉花和葡萄的ETC下降速率較慢,每10年的減少量在10mm以下。10種作物的波動(dòng)幅度差異不大,CV基本都在0.04~0.05之間。1991-2013年10種農(nóng)作物類型ETC在整體保持上升趨勢的基礎(chǔ)上,在兩個(gè)時(shí)期內(nèi),均呈現(xiàn)先緩慢上升,然后以稍快的速度下降的變化趨勢,其中糧食作物(春小麥、玉米)、油料作物、蔬菜和薯類作物的上升和下降速度均較快,棉花和葡萄作物的兩種變化趨勢均不明顯。兩個(gè)時(shí)期內(nèi),除棉花和瓜類外,其余作物類型的變化率均呈現(xiàn)由小變大趨勢,波動(dòng)性逐漸增強(qiáng)。

      4 石羊河流域分作物總耗水量時(shí)序分析

      1991-2013年石羊河流域作物總耗水量隨時(shí)間在波動(dòng)中呈逐漸上升的趨勢, 10種作物耗水量占比隨時(shí)間變化情況為1991-2013年間春小麥耗水量在所有農(nóng)作物中占絕對優(yōu)勢,達(dá)到50%以上,但占比逐年下降,玉米和蔬菜總耗水量占比逐年增加,近兩年玉米總耗水量所占比重已經(jīng)超越春小麥,占比達(dá)到34%,成為主要耗水作物,蔬菜次之(23%)。油料作物(胡麻、葵花)和蘋果作物總耗水量占比在波動(dòng)中呈下降趨勢,葡萄、棉花和瓜類作物總耗水量占比隨時(shí)間逐漸增加,其中葡萄作物總耗水量占比隨時(shí)間增加較快。

      參考文獻(xiàn)

      [1]魏懷東,李亞,了峰等.石羊河流1951-2000年氣候變化特征[J].草業(yè)科學(xué),2014,31(4):590-598.

      [2]周俊菊,雷莉,石培基等.石羊河流域河川徑流對氣候與止地利用變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11):1-13.

      [3]Gheewala S H, Silalertruksa T, Nilsalab P, et al. Water footprint and impact of water consumption for food, feed, fuel crops production in Thailand[J].Water,2014,6(6):1698-1718.

      [4]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56[J].FAO,Rome,1998,300(9): D05109.

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