气候变暖对河西走廊绿洲灌区主要作物需水量的影响

王鹤龄，牛俊义，王润元，吕晓东

（1.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州730720；2.中国气象局兰州干旱气象研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室 中国气象局干旱气候变化重点开放实验室，甘肃 兰州730020；3.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州730070）

河西走廊绿洲灌区是指在极端干旱的沙漠地区，由于水源的存在（地下泉水或冰川融水）而发展起来的农业，水资源不足是该区域农业生产发展的主要限制因素［1－3］。河西走廊地处东亚季风区，是我国重要的粮棉主产区之一，适宜多种粮食及经济作物生长，播种面积最大的3种作物为春小麦（Triticumaestivum）、春玉米（Zeamays）和棉花（Gossypiumhirsutum）［1－6］。但绿洲灌区水资源短缺，干旱灾害频繁，是重要的气候脆弱区之一。

作物需水量是农田水分循环系统中最重要的因素之一，它是水利工程规划设计及节水农业研究中非常重要的参数，作物的需水规律是制订作物合理灌溉制度和作物水分科学管理的基础。作物需水量可由实测土壤水分通过水量平衡法计算得到，也可由综合的气候学方法计算得到。土壤水量平衡法是根据水量平衡的原理，在分析时段内田间作物土壤储水量的差值、降水量、地下水补给量、灌溉水量、地面径流量、土壤水分渗漏量的基础上，根据水量平衡方程计算作物时段内的蒸发蒸腾量，该方法计算简单直接，但受观测值测量精度的影响，使得土壤水量平衡的最短时间间隔通常达到1周左右，计算精度与实际情况相距甚远［7，8］。

综合的气候学方法是指以能量平衡原理为基础的Penman公式法，只需利用常规气象资料便可较为准确地计算出参考作物的需水量，该法已成为计算参考作物需水量的一种主要方法。联合国粮农组织（FAO）在1977年推荐经修改后的Penman公式来确定参考作物需水量，首次充分利用了参考作物需水量和作物系数的概念，但因昼夜风速修正系数（u）与众多因素有关，使得该公式在实际运用时受到一定的限制［9］；此后，联合国粮农组织又在1979年提出了Penman修正公式，该公式虽精度略低，但便于运用。由于Penman－Monteith方法不需要专门的地区率定和风函数等，使用一般气象资料即可计算参考作物蒸发蒸腾量，此法的实际运用价值和计算精度都比较高［10］。国内许多学者也对参考作物需水量进行了相关研究。史海滨等［11］通过实验论证，认为Penman－Monteith方法计算值比较接近实际值，适用范围广，使用一般气象资料即可计算参考作物蒸发蒸腾量。孙景生等［12］利用Penman－Monteith公式对逐旬参考作物需水量在年内、年际间的变化进行了分析。

由于土壤水分的不易获得性及其空间变异性，综合的气候学方法得到广泛应用［13，14］。但气候变化对我国不同地区的农业需水将产生怎样影响，为此，本试验以极端干旱区敦煌和干旱区武威地区为研究对象，通过假定不同的温度情景，对这一问题进行探讨。研究气候变化对本区主要作物需水量的影响，将为尽早建立预报、预警系统，缓解水资源供需矛盾，制定防灾、减灾提供决策依据。

1 材料与方法

全球变暖已成为不争的事实。过去100年来，全球平均温度已升高0.60～0.70℃。近几十年来，我国地面平均温度上升了0.80～1.50℃［15，16］。西北地区是中国气候变暖最敏感的地区之一，据统计，西北地区年平均气温1987－2003年比1961－1986年升高了0.70℃，冬季气温升高幅度最大，为1.37℃，春、夏、秋季分别升高0.33、0.40及0.73℃，≥0℃年积温平均增加了112℃，≥10℃年积温平均增加了107℃，＜0℃负积温的绝对值平均减少137℃［17］。根据部分研究预测，到2080年，我国西部气温增幅为1.5～3.9℃［18］。气候变暖有可能使我国21世纪面临更严重的水资源危机。

在甘肃河西走廊绿洲灌区选取了2个有代表性的气象站点敦煌站和武威站，分别代表极端干旱区和干旱区。敦煌站海拔为1 138m，由于地处内陆，气候干燥，降水量少，蒸发量大，昼夜温差大，日照时间长，年平均降水量39.9mm，蒸发量2 486mm，全年日照时数为3 246.7h，年平均气温为9.4℃，月平均最高气温为24.9℃（7月），月平均最低气温为－9.3℃（1月），年平均无霜期142d，属典型的暖温带极端干旱性气候。武威站位于甘肃省中部的河西走廊上，日照充足，温差大，年平均气温8℃左右，年平均降水量170mm左右，日照时数2 200～3 000 h。本试验只研究气候变暖对棉花、玉米和小麦三大作物需水量的影响。作物需水量可由实测土壤水分通过水量平衡法计算得到，也可由综合的气候学方法计算得到。由于土壤水分的不易获得性及其空间变异性，综合的气候学方法得到广泛应用。根据联合国粮农组织推荐的公式［19］，在土壤水分不成为限制因素的条件下，作物需水量计算公式为：

式中，ETm为作物需水量；Kc为作物系数；ET0为参考作物蒸散量。

式中，ET0：参考作物需水量（mm／d）；Rn：作物表面净辐射（MJ／m2·d）；G：土壤热通量（MJ／m2·d）；T：2m高度处平均气温（℃）；U2：2m 高度处24h平均风速（m／s）；VPD：2m高度处水汽压差（kPa）；Δ：饱和水汽压斜率（kPa／℃）；γ：干湿球常数（kPa／℃）（以上各要素计算公式略）。

FAO确定了不同作物不同生长阶段的Kc值（表1）［16］。由公式（1）可见，参照作物蒸散量是影响作物需水量的关键因子，而在影响的诸多气象因素中，温度是最为重要的因素。因此，气候变暖将主要通过温度的变化影响作物对水分的需求。

气候变化情景的获得，除了可以通过运行大气环流模式（GCM）外，简单的方法是使用一些假定的气候要素变化，例如温度升高1℃或降水量减少10%等，甚至可以在一定范围内进行不同温度、降水梯度的敏感性分析。本试验将采用第2种简单的方法，即假定温度变化情景。据英国Hadley模型的预测，到2080年我国西北地区各月平均气温将上升1.5～3.9℃［13］，故假定未来温度情景为上升1～4℃。

根据各气象站历年逐月的平均气象数据，在3种作物生长期内温度分别增加1～4℃、而其他气象要素保持不变的情景下，逐年计算3种作物的需水量，最后取多年平均值作为气候变化的影响结果。

表1 作物不同生育阶段Kc取值Table 1 The Kcvalue of crops in different development periods

2 结果与分析

2.1 不同作物需水量对气候变化的响应差异

图1为3种作物在生长期内温度分别增加1～4℃时，需水量相应增加的百分数。图1中2个站点的结果一致表明，随温度上升，3种作物的需水量随之增加。其中气候变暖对棉花需水量的影响最大，其次是玉米和春小麦。在给定温度情景下，敦煌、武威2个站点棉花的需水量将依次增加2.17%～12.03%，2.60%～12.66%；玉米需水量将依次增加1.90%～10.85%，2.40%～11.49%；春小麦需水量依次增加1.80%～9.39%，2.13%～10.03%。将所有站点的结果综合来看，当温度上升1～4℃时，河西绿洲灌区棉花、玉米、春小麦的需水量将分别增加2.17%～12.66%，1.90%～11.49%，1.80%～10.03%。

由于棉花、玉米和小麦3种作物有各自的生长发育特点，故其需水特性有很大差异。仅从需水增加的百分数只能了解气候变暖影响的一个侧面。例如，对于不同作物，在需水增加百分数相同的情况下，对应的绝对需水增加量会不同，故有必要从绝对增加量上进一步分析气候变化的影响。图2是给定温度情景下3种作物需水量绝对数量的变化情况。

图1 给定温度情景对作物需水量的影响Fig.1 The impact of given temperature scenario on water requirement

图2 给定温度情景对作物需水量绝对值的影响Fig.2 The impact of given temperature scenario on water requirement absolute value

图2和图1的趋势完全相同，但气候变暖对玉米和棉花需水量的影响在武威表现得更为一致。气候变暖对棉花和玉米的绝对需水量的影响最大，对小麦影响次之。当温度上升1℃时，棉花、玉米、小麦需水量将增加15.00～15.90，14.60～16.50，9.70～10.40mm；当温度上升2℃时，3种作物的需水量依次增加29.00～29.90，28.50～29.20，17.40～18.50mm；当温度上升3℃时，3种作物的需水量依次增加47.90～50.00，48.50～50.00，31.40～32.20mm；当温度上升4℃时，3种作物的需水量依次增加77.90～83.00，77.50～82.50，49～50.70mm。

综合各站点的结果来看，当温度上升1～4℃时，河西绿洲灌区棉花需水量将增加15.00～83.00mm；玉米需水量将增加14.60～82.50mm；小麦需水量将增加9.70～50.70mm。

2.2 作物需水量对气候变化响应的区域差异

在给定温度情景下，敦煌棉花、玉米和小麦的需水量将分别增加15.00～83.00，14.60～82.50，9.70～50.70mm；武威相应3种作物的需水量将分别增加15.90～77.90，16.50～77.50，10.40～49.00mm。可见，不同地区同一种作物对气候变暖的响应存在差异。为方便分析，将同一种作物不同地区的结果绘于图3。

不论棉花、玉米还是小麦，不同区域的作物需水量随着温度的增加出现了差异（图3）。当温度增加1℃时，对武威作物需水量的影响略大于敦煌，武威棉花、玉米和小麦的需水量将依次增加15.90，16.50，10.40 mm；敦煌的相应作物需水量增加15.00，14.60，9.70 mm，比敦煌分别高了6.00%，13.00%，7.20%。当温度增加2℃时，武威和敦煌的作物需水量几乎相当。当温度增加3℃时，则对敦煌作物需水量的影响大于武威，敦煌棉花、玉米和小麦的需水量将依次增加50.00，50.00，32.20mm，武威的相应作物需水量增加47.90，48.50，31.40mm，比敦煌分别低了2.10，1.50，0.80mm。当温度增加4℃时，敦煌棉花、玉米和小麦的需水量将依次增加83.00，82.50，50.70mm，武威的相应作物需水量增加77.90，77.50，49.00mm，比敦煌分别低了5.10，5.00，1.70mm。

2.3 气候变化对灌溉需水量的影响

目前，河西灌区作物生长所需水分主要来自天然降水和灌溉补充。因此，灌溉需水量可以认为是作物需水量与天然降水之差，即：

式中，IR：灌溉需水量（mm）；P：降水量（mm）。根据近50年的气象资料，各站主要作物生长期内多年平均降雨（mm）见表2。

根据公式3，计算出各站点净灌溉需水量（表3）。气候变暖仍然对玉米和棉花的灌溉需水量影响最大。就棉花而言，敦煌将由目前684.10mm上升到699.00～767.00mm；武威由目前的524.80mm上升到540.80～602.80mm；对玉米来说，敦煌由目前的754.30mm上升到768.80～836.70mm；武威由目前的586.60 mm上升到603.10～664.10mm；对小麦来说，敦煌由目前的536.30mm 上升到546.00～587.00mm，武威由目前的437.60mm 上升到448.00～486.00mm。气候变暖使各地作物的缺水形势进一步加剧。

由于河西绿洲灌区降水极度匮乏，特别是处于极端干旱区的敦煌。所以绿洲农业的发展主要依靠冰川消融的水进行灌溉。根据河西绿洲目前的种植结构，棉花、玉米和小麦的播种面积依次为93.90，112.12，140.80千hm2［21，22］。据此估算，当温度上升1～4℃时，将使整个地区棉花的灌溉需水量增加0.11、0.21、0.37、0.62亿 m3；玉米的灌溉需水量增加0.16，0.33，0.56，0.93亿 m3；小麦的灌溉需水量增加0.14，0.26，0.45，0.71亿 m3；当温度上升1～4℃时，总灌溉需水量增加0.41，0.80，1.38，2.25亿m3（表4）。气候变暖将使河西绿洲灌区业已紧张的水资源供需矛盾更加突出，发展节水农业和调整种植结构是当务之急。

图3 不同地区作物需水量对气候变暖响应的差异Fig.3 Water requirements respond to climate warming in different regions

表2 各站主要作物生长期内多年平均降雨Table 2 The average rainfall during the crop growth period mm

3 讨论与结论

在干旱区，水资源不足已成为制约农业发展的主要因素，随着人们对气候变化和水资源短缺以及粮食安全问题的高度关注，目前对区域作物需水量的计算研究已较为广泛，作物需水量的大小取决于作物生长发育和对水分需求的内部因子与外部因子。其中内部因子是指对需水规律有影响的生物学特性，与作物种类、品种以及生长阶段有关；外部因子指气候条件（包括太阳辐射、气温、相对湿度、水面蒸发量、风速等）和土壤条件（包括土壤质地与含水量等）［22，23］。

有关作物需水量计算以及对气候变化响应的研究内容很多。有研究表明，我国北方旱区主要农作物水分供需水量存在明显的生长季节差异，农作物需水量与种植区气候类型关系十分密切，作物需水量随气候变化的响应比较明显，在干旱、半干旱地区表现尤为突出［24］。李应林和高素华［25］分析了我国春玉米水分的供需状况，表明我国春玉米主要种植区内气候条件是有利的；张旭东等［26］对甘肃河东小麦需水规律分析认为，气候类型不同，旱作麦田的需水量存在一定的差别，南北向的变化明显大于东西向，基本为由北向南递减。刘晓英和林而达［14］研究表明由于天然降水条件的差异，华北各地在抵御未来气候变暖不利影响方面有所差异，各地冬小麦在抵御气候变化不利影响方面能力均较差，其中济南和北京尤为严重。北京地区夏玉米和棉花抵御未来气候变暖不利影响的能力较强。而太原夏玉米和棉花抵御未来气候变暖不利影响的能力较差。

表3 气候变暖对主要作物灌溉需水量的影响Table 3 The effects of climate warming on irrigation

表4 气候变暖对河西主要作物新增灌溉量的影响Table 4 The effects of climate warming on increase irrigation 亿 Million m3

本研究指出不同作物的需水量对气候变暖的响应存在差异。其中对棉花和玉米的影响最大，小麦次之。总体来看，当温度上升1℃ 时，棉花、玉米、小麦需水量将增加15.00～15.90，14.60～16.50，9.70～10.40mm；当温度上升2℃三种作物的需水量依次增加29.00～29.90，28.50～29.20，17.40～18.50mm；当温度上升3℃时，3种作物的需水量依次增加47.90～50.00，48.50～50.00，31.40～32.20mm；当温度上升4℃时，3种作物的需水量依次增加77.90～83.00，77.50～82.50，49.00～50.70mm。

气候变化对作物需水量的影响存在一定的地域性差异。当温度增加1℃时，对武威作物需水量的影响略大于敦煌。当温度增加2℃时，武威和敦煌的作物需水量几乎相当。当温度增加3和4℃时，则对敦煌作物需水量的影响大于武威。根据河西绿洲目前的种植结构，棉花、玉米和小麦的播种面积依次为93.90，112.12，140.80千hm2。据此估算，当温度上升1～4℃时，将使整个地区棉花的灌溉需水量增加0.11，0.21，0.37，0.62亿 m2；玉米的灌溉需水量增加0.16，0.33，0.56，0.93亿 m2；小麦的灌溉需水量增加0.14，0.26，0.45，0.71亿 m2；当温度上升1～4℃时，总的灌溉需水量增加0.41，0.80，1.38，2.25亿m2。气候变暖将使河西绿洲灌区业已紧张的水资源供需矛盾更加突出。

［1］邓振镛，林日暖.河西气候与农业开发［M］.北京：气象出版社，1993：181－192.

［2］曹玲，宋连春，董安祥，等.河西走廊绿洲春季土壤湿度与气候变化的初步研究［J］.地球科学进展（特刊），2005，20：6－10.

［3］孙秉强，张强，董安祥，等.甘肃黄土高原土壤水分气候特征［J］.地球科学进展，2005，20（9）：1041－1046.

［4］王润元，张强，杨兴国，等，河西走廊绿洲农作物生长时段对变暖响应的比较研究［J］.地球科学进展（特刊），2007，22：1－5.

［5］邓振镛，王鹤龄，李国昌，等.气候变暖对河西走廊棉花生产影响的成因与对策研究［J］.地球科学进展，2008，23（2）：160－166.

［6］赵鸿，王润元，王鹤龄，等.西北干旱半干旱区春小麦生长对气候变暖响应的区域差异［J］.地球科学进展，2007，22（6）：636－641.

［7］Howell T A，Steiner J L，Schneider A D，etal.Seasonaland maximum daily evapor transpiration of irrigated winter wheat，sorghum，and corn－southern high plains［J］.Trans.ASAE，1997，40（3）：623－634.

［8］冯金朝，黄子深.春小麦蒸发蒸腾的调控［J］.作物学报，1995，21（5）：544－550.

［9］Frere M.Agrometerological Crop Monitoring and Forecas Ting［C］.Roma：FAO Plant Production and Protection Paper，1979.

［10］李远华，罗金耀.节水灌溉理论与技术［M］.武汉：武汉大学出版社，2003.

［11］史海滨，陈亚新，徐英，等.大区域非规则采样系统ET0的最优等值线图Kriging法绘制应用［M］.西安：陕西科学技术出版社，2000.

［12］孙景生，刘祖贵，张寄阳，等.风沙区参考作物需水量的计算［J］.灌溉排水，2002，21（2）：17－20.

［13］熊伟，杨婕，林而达，等.未来不同气候变化情景下我国玉米产量的初步预测［J］.地球科学进展，2008，23（10）：1092－1101.

［14］刘晓英，林而达.气候变化对华北地区主要作物需水量的影响［J］.水利学报，2004，2（2）：77－83.

［15］林而达，杨修.气候变化对农业的影响评价及适应对策［A］.气候变化与生态环境研讨会文集［C］.北京：气象出版社，2003：72－77.

［16］秦大河，王馥棠，赵宗慈，等.气候变化对农业生态的影响［M］.北京：气象出版社，2003.

［17］Wang H L，Gan Y T，Wang R Y，etal.Phenological trends in winter wheat and spring cotton in response to climate changes in northwest China［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2008，148：1242－1251.

［18］刘德祥，董安祥，邓振镛.中国西北地区气候变暖对农业生产的影响［J］.自然资源学报，2005，20（1）：119－125.

［19］Allen R G，Pereira L S，Dirk Raes，etal.Crop Evapotranspiration－for Comouting Crop Water Requirements［M］.Rome：FAO Irrig and Drain Paper 56，1998.

［20］黄黔.我国食物供需格局变化和光温水资源战略配置［J］.草业学报，2010，19（2）：1－6.

［21］张智全，于爱忠，罗珠珠，等.甘肃省生态足迹和生态承载力动态研究［J］.草业学报，2010，19（4）：187－193.

［22］夏伦志，徐义流，张长青，等.沿淮洼地农业结构优化理论探讨及其对秸秆饲用、牧草生产与粮食安全的影响［J］.草业学报，2010，19（2）：218－226.

［23］毛飞，张光智，徐祥德.参考作物蒸散量的多种计算方法及其结果的比较［J］.应用气象学报，2000，（S1）：128－136.

［24］马鹏里，杨兴国，陈端生，等.农作物需水量随气候变化的响应研究［J］.西北植物学报，2006，26（2）：348－353.

［25］李应林，高素华.我国春玉米水分供需状况分析［J］.气象，2002，28（2）：29－33.

［26］张旭东，柯晓新，杨兴国.甘肃河东小麦需水规律及其分布特征［J］.干旱地区农业研究，1999，17（1）：39－44.