基于CROPWAT的昆明主要农作物虚拟水分析

赵福民 王新华 万大红

摘要 人类对水资源的需求量随着人口数量的增长而增长，水资源保护与合理开发对国民经济的发展有着重要影响。云南省2001—2015年水资源总量由2 561.94亿m3降低到1 872.00亿m3；其中昆明市2015年水资源总量为66.43亿m3，农业用水只占总量的12%。为解决水资源短缺和区域水资源安全问题，从而引入虚拟水的研究。结合气象资料，利用CROPWAT软件对昆明主要农作物需水量和灌溉用水量进行计算分析，在满足保证率的情况下，确定不同作物的灌溉用水量。通过研究计算，甘蔗、水稻、马铃薯、花生等作物的多年平均需水量分别为1 174.50、701.75、488.10和434.00 mm，灌溉需水量为717.30、715.20、170.50、119.35 mm。该研究可根据昆明的水资源实际情况为农作物种植和制订相应的节水灌溉制度提供一些理论依据。

关键词 虚拟水；CROPWAT软件；昆明；作物需水量

中图分类号 S273 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）25-0218-03

Abstract The demand of water is growing as the population grows. Water resources protection and rational conservation can make a significant impact on the development of national economy。From 2001 to 2015， the gross of water resources in Yunnan province has reduced from 256 billion 194 million cubic meters to 187 billion 200 million cubic meters. The amount of water resources in Kunming in 2015 was about 6 billion 643 million cubic meters while used in agriculture was only about 12%.In order to solve water shortage and regional water resources security issues， the research of virtual water is introduced. Combined with the meteorological data， this paper calculates and analyzes the water requirements and irrigation requirements of main crops in Kunming by using CROPWAT to determine irrigation requirement of different crops with water demand satisfying ratio. After research and calculation， the average annual water requirements of sugarcane，rice，potato，peanut and other crops were 1 174.50，701.75，488.10 and 434.00 mm respectively. Correspondingly， the irrigation requirements were about 717.30，715.20，170.50，119.35 mm. This research， in the light of the actual situation of water resources in Kunming， provides some theoretical basis for the cultivation of crops and the establishment of watersaving irrigation system.

Key words Virtual water；CROPWAT software；Kunming；Crop water requirement

由于水資源在时间和空间上的分布不均，使得水资源供求矛盾日渐尖锐，因水资源短缺所带来的影响已成为许多国家为发展社会经济增长而需解决的关键性问题。据统计，世界范围内26个国家的约2.32亿人口受到缺水问题的困扰，有约占世界人口总数的20%的居民无法使用到符合安全卫生标准的淡水；另外，水资源浪费现象屡禁不止，世界的水资源更新速度已经难以满足人类的用水需求[1]。

虚拟水[2]指的是在农作物的生产过程中，不同种类的农作物生产时耗用的水资源。在虚拟水研究意义方面，其研究过程大致可分为3个阶段[3]：第1阶段的研究主要以各地区虚拟水量的计算为主；第2阶段的研究重点是虚拟水计算方法的改善；第3阶段，将虚拟水的研究由原先的理论研究上升到管理高度，更加注重对虚拟水理论的应用。虚拟水的研究在我国相对起步较晚，但不可忽视我国在虚拟水研究上取得的丰硕成果。自2000年之后，在理论计算方面：项学敏等[4]提出了工业产品虚拟水的概念和计算方法；韩宇平等[5]就虚拟水在农产品中的计算方法提出了改善。在虚拟水含量计算方面：李秀波等[6]计算了济南市部分农作物的虚拟水含量；秦丽杰等[7]分析了长春市农作物虚拟水量的时空分异特征；钟华平等[8]对虚拟水和虚拟水贸易进行了分析；秦丽杰等[9]研究了粮食贸易与水资源安全问题；马静等[10]对国内虚拟水的流动进行了分析研究；雷玉桃等[11]分析了我国水资源管理存在的问题，从开发、利用、保护3个角度提出创新方法用于管理。虚拟水为水资源紧缺和以种植农作物为主的地区提供了优化配置新途径，能较好地减轻局部因水资源紧缺而带来的压力，并且对环境不会产生恶劣的影响。笔者为寻求缓解水资源短缺的问题，结合CROPWAT软件对昆明市的主要农作物虚拟水进行分析，以促进地区经济可持续发展。

1 昆明市水资源概况

云南省水资源紧缺，同时也是全国最为主要的农业大省。昆明地处云贵高原中部，位于102°10′～103°40′ E，24°23′～26°22′ N，属北纬低纬度亚热带-高原山地季风气候，由于受印度洋西南暖濕气流的影响，日照长、霜期短，年平均气温15 ℃，年均日照2 200 h左右，无霜期240 d以上。年降水量1 035 mm，5～10月为雨季，降水量占全年的85%左右；11月至次年4月为干季，降水量仅占全年的15%左右。粮食作物以水稻、玉米和马铃薯等为主，种植面积分别为69.66万、170.14万、67.29万hm2。

2 资料与方法

2.1 资料来源

研究数据包括气象、作物生长资料、土壤数据等。其中，气象数据来自昆明气象台站，主要包括逐日降雨量、最高和最低气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数等，时间序列为1981—2010年；作物生长资料通过历年的《中国区域经济统计年鉴》和《云南省统计年鉴》获得，主要包括作物名称、播种日期、各生育阶段时长和作物系数及生育期时间（表1、2）；采用联合国粮农组织（FAO）作物系数数据库，得到不同作物在不同生长期的作物系数，根据当地作物的生长期做适当的调整；土壤数据通过野外调查获得，包括土壤中总的可利用土壤含水量、最大降雨入渗率、土壤孔隙率、渗漏率、播种时土壤水可利用量和最大水层深度等。

2.2 研究方法

根据已有的气象、作物生长和土壤资料，利用CROPWAT软件测算云南省部分农作物的作物需水量，结合当地实际的降雨情况，计算出作物灌溉需水量。将气象站地理位置参数、气象参数输入模型，即可算出各年逐月参考作物需水量和有效降雨量，再输入作物参数和生育期资料、土壤特征资料，可得到该种作物需水量和生育期有效降雨及灌溉需水量。利用统计方法，计算出各种作物生育期的需水量、有效降雨量和灌溉需水量，通过分析云南省农作物生产所需的作物需水量与灌溉需水量，为提高当地的水资源利用率和农业节水生产提供理论依据。

2.2.4 灌溉需水量。当有效降雨量>作物需水量，则取该阶段灌溉需水量为0。整个生育期灌溉需水量（IR旱）等于各阶段灌溉需水量之和：IR旱=∑max（ ETc-Peff，0）。

3 结果与分析

由表3可知，作物需水量及灌溉需水量年际变化，甘蔗生长期长，生长期发生在3月～次年2月，由于其根深叶茂，相应的作物需水量和灌溉需水量也较高。水稻、玉米、马铃薯、花生4种大春作物中，以水稻的需水量为最高，其次是马铃薯、花生和玉米。作物的生育期主要集中在5～9月，大春作物生长期内有效降水较多，作物仅需要少量的补充灌溉（水稻除外）就可满足需水量要求。由于水稻种植的特殊性，在移植之前需要进行泡田处理、秧田期泡田水量以及生育期还有较多的渗漏水量，因此，水稻灌溉需水量较大，甚至常常超过作物需水量。鉴于水稻灌溉需水量巨大，在水资源紧缺的地区，应适当压缩水稻种植面积，多种植抗旱植物。生长期内平均气温、风速、日照、相对湿度等气象因子的波动，降雨发生时间、降雨量大小随机性比较大，各年计算出来的作物需水量和灌溉需水量都不相同。由计算得到，大春作物多年平均作物需水量和灌溉需水量从高到低依次为水稻、马铃薯、花生、玉米，相应的作物需水量为701.75、488.10、434.00、400.05 mm，灌溉需水量依次为715.20、170.50、119.35、98.75 mm。马铃薯需水量较高的主要原因是其播种日期在4月份，由于该月份在该地区年内蒸发量大，且月降雨量很少，造成作物需水量和灌溉需水量较大。小春作物需水量以油菜的为最高，其多年平均需水量为475.05 mm；其次为大豆，其多年平均需水量为372.95 mm。

4 结论与讨论

昆明大春种植的主要作物水稻、玉米、马铃薯、花生多年平均需水量为400.05～701.75 mm，多年平均灌溉需水量为98.75～715.20 mm。大春作物多年平均作物需水量和灌溉需水量从高到低依次为水稻、马铃薯、花生、玉米，相应的作物需水量为701.75、488.10、434.00、400.05 mm，灌溉需水量依次为715.20、170.50、119.35、98.75 mm。小春作物需水量以油菜的为最高，其多年平均需水量为475.05 mm，其次为大豆，其多年平均需水量为372.95 mm。甘蔗生长期长，且根深叶茂，相应的作物需水量和灌溉需水量也较高。甘蔗的多年平均需水量分别为1 174.50 mm，多年平均灌溉需水量717.30 mm。

根据作物需水量及其生育期内的有效降雨量，进行合理灌溉，科学地利用水资源，是水资源优化配置的必然要求。但是，研究地作物灌溉试验资料都很少，工程设计中，作物需水量基本上是采用彭曼公式并利用作物系数计算出来的，抗旱作物灌溉制度大都是根据当地群众生产习惯和丰产经验制订，具有较大的随意性，保证率概念不明确。虚拟水贸易归根结底还是粮食贸易，依靠虚拟水研究，在水资源紧缺的地区，适当压缩喜水作物的种植面积，多种植抗旱植物是最直接、最有效的途经。同时加强国内各地区的粮食贸易；由于水资源短缺导致的粮食供给不足地区，可以从国内粮食生产富足的地区购进粮食，一方面缓解了区域水资源不足所带来的问题，另一方面实现区域粮食供给平衡和水资源的可持续利用。在对农产品种植结构调整时，应该根据不同作物的作物需水量和灌溉需水量，结合当地的水资源具体情况作出合理的安排作物布局和灌溉，以淡化风险，保障粮食安全。

参考文献

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