阿克苏河灌区作物需水量对气候变化的敏感性分析

王志成，方功焕，张　辉，唐新成，段雷振

（1.新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆　阿克苏 843000；2.中国科学院新疆生态与地理研究所/荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆　乌鲁木齐 830011）

作物需水量是农田水分循环系统中最重要的因素之一，作物需水量的准确估算是优化灌溉制度、进行农田水利工程规划和设计的依据，对干旱区水资源管理和规划尤为重要[1-3]。

作物需水量可由实测土壤水分在某时间段的变化计算获得，也可通过作物系数法得到。实测土壤水分法是根据水量平衡的原理，依据时段内田间作物土壤储水量的差值与降水量、地下水补给量、灌溉水量、地面径流量和土壤水分渗漏量综合计算得到，但是该方法受观测值影响较大，获得难度高。作物系数法因其简单高效，广泛应用于作物需水量的估算中[4，5]。用作物系数法计算作物需水量就是在参考作物蒸散发的基础上乘以作物系数。有多种方法用于评估参考作物蒸散发[6-13]，例如Penman-Monteith FAO-56[4]，Matt-Shuttleworth[7]、Makkink 方 法[8]、Blaney-Criddle方法[9]、Turc[10]方法和Hargreaves-Samani[11]方法等。FAO给出了40种作物在多种参考作物蒸散发计算方法下对应的作物系数，其中Penman-Monteith方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需水量，已成为计算参考作物蒸散发的一种主要方法。

许多学者对作物需水量进行了相关研究。王鹤龄等[14]利用Penman-Monteith方法评估了河西走廊绿洲灌区的作物需水量；姬兴杰等[15]计算了河南省冬小麦的作物需水量；Shen等[5]计算了中国西北干旱区的作物需水量。在全球变暖的背景下，中国西北干旱区在近50 a来气温不断升高，尤其是1998年以来，气温保持高位态震荡特征，蒸发皿蒸散发存在先下降后上升的趋势。区域气象要素的变化带来参考作物蒸散发的变化，从而影响不同类型作物需水量[16]。不同区域和气候条件下的参考作物蒸散发对气象要素的敏感度不同，例如在美国爱荷华州影响参考作物蒸散发的最为敏感因子为净辐射[17]，在湿润的比利时最敏感的因子为最高气温[18]；在湿润的里海区域，当温度上升3.3℃或者水汽压增加20%时，参考作物蒸散发增加16%或者减少19%～30%[19]。长江流域最敏感的气象因子是相对湿度[20]，海河流域最敏感的气象因子是水汽压[21]，而风速减小是引起阿克苏绿洲参考作物蒸散发减少的主要因素[22]。刘昌明院士[3]采用优化太阳辐射计算的Penman-Monteith潜在蒸散发计算方法，分析了中国10大流域的潜在蒸散发对气象因子的敏感性，指出水汽压和最高气温是两个最为敏感的因素。但是对于干旱灌区，气候变化对作物需水量的研究还有待加强。

本研究采用Penman-Monteith方法计算了参考作物蒸散发，结合作物系数法估算了阿克苏河灌区1960—2015年主要作物的需水量，并分析了作物需水量对气候因子的敏感性，研究结果可服务于当地的农业灌溉管理和灌溉制度的调整和优化。

1　研究方法和资料

1.1　研究区概况

阿克苏河位于天山南麓西段，塔里木盆地的西北部，由托什干河和库玛拉克河汇流而成。根据《阿克苏河流域志》，阿克苏河灌区属于暖温带干旱型气候，具有大陆性气候的特征：气候干旱少雨、蒸发强烈、日照时间长、昼夜温差大。年均降水量64 mm，年潜在蒸散发量为1890 mm，年平均气温9.2～12℃，年日照时数2 570.9～2 996.8 h。区内人口约150万，其中少数民族约占75%。

阿克苏灌区灌溉面积5720 km2（2015年），灌溉用水量4.16×109m3，占阿克苏河总来水量的52%（图1）。研究区内有4个气象站点，它们是阿合奇、阿克苏、柯坪和阿拉尔（表1）。

图1　阿克苏河灌区与气象站点分布

表1　阿克苏河灌区气象站点信息和多年平均参考作物蒸散发ET0

阿克苏灌区农业以种植业为主，是典型的绿洲灌溉农业，形成了以粮、棉、果林为中心的多元格局，以种植小麦、玉米、水稻、棉花等为主，另外还有以红枣、核桃等为主的灌溉园林。自1988年以来，粮食种植面积比例逐步下降，经济作物如棉花、核桃等种植面积比例逐步上升，粮食作物和经济作物的比重由1988年的0.77：0.23调整到2015年的0.30：0.70（图2）。到2015年，棉花和果林的播种面积相对于1988年分别扩大了10.11倍和7.39倍，棉花、小麦、玉米、水稻和果林分别占灌溉面积的48%、15%、11%、2%和17%，其他作物类型如油料、甜菜、蔬菜、果用瓜等占8%，棉花已经成为本区绿洲农业的支柱产业。

图2　阿克苏河灌区主要作物种植面积比例（a）和各生育阶段的作物系数（b）

1.2　研究方法与资料

综合考虑Guo等[23]和McMahon等[6]的研究，本研究采用FAO推荐的参考作物蒸散发方法Penman-Monteith计算各站点逐日参考作物蒸散量，结合作物系数法，估算主要作物生育期内的作物需水量，并分析了作物需水量对气候要素和作物种植结构的敏感性。

1.2.1数据资料

选取阿克苏河流域灌区及周边的4个气象站1960—2015年的资料作为基础数据，观测变量包括平均风速、日照时数、日平均气温、日最高气温和最低气温、平均水汽压、平均相对湿度和最小相对湿度以及降水，资料来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/）的中国地面气候资料日值数据集。该数据集由中国756个基本、基准地面气象观测站及自动站经过严格的质量控制和检查进行整编统计而得。作物系数参考FAO推荐的作物系数。

社会经济统计数据，如作物结构、作物种植制度等，由塔里木河流域阿克苏管理局提供。土地利用数据由中国西部环境与生态数据中心提供。

1.2.2参考作物蒸散发的计算

本研究采用FAO推荐的Penman-Monteith方法计算参考作物蒸散发（ET0）。Penman-Monteith方法计算ET0的公式如下[9]：

式中，Rn为作物表层净辐射（MJ/（m2·d））；G为土壤热通量（MJ/（m2·d））；u2为2 m高度24 h内平均风速（m/s）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；Δ为饱和水汽压曲线斜率（kPa/℃）；γ为干湿表常数（kPa/℃）。

依据灌区和气象站的相对位置，选择距离较近的气象站计算参考作物蒸散发。对于托河乌什灌区，受阿合奇和阿克苏气象站控制，托河温宿灌区和库河温宿灌区受阿克苏气象站控制，阿克苏河灌区受阿克苏、柯坪和阿拉尔共同影响，塔河灌区受阿拉尔控制。不同灌区的参考作物蒸散发可以看作是周边气象站参考作物蒸散发的平均值，例如，托河乌什灌区的潜在蒸散发为阿合奇和阿克苏站潜在蒸散发的平均值。

1.2.3作物需水量的计算

作物需水量ETc指作物在土壤水分、养分适宜、管理良好、生长正常、大面积高产条件下的棵间土面（或水面）蒸发量与植株蒸腾量之和。本文采用作物系数法计算作物需水量[5，9]，计算公式为：

式中，ETci为第i种作物的作物需水量（mm）；ET0为参考作物蒸散量（mm）；Kci为第i种作物的作物系数。

作物系数Kc是指灌溉条件良好的作物蒸散发量ETc和参考需水量ET0的比值，一般通过实验观测得出，反映了不同作物不同生育阶段的作物耗水能力的差异。由于阿克苏地区的主要果林类型为红枣和核桃，依据《阿克苏地区统计年鉴》，2011—2015年红枣和核桃的种植面积比例约为1.4：1，本文用到的果林的作物系数为红枣和核桃的种植面积的加权平均值（假设1960—2010年红枣和核桃也是最重要的林果类型，其种植面积比例为1.4：1），其中红枣的作物系数参考王则玉等的研究[24]，核桃的作物系数参考张龙等的研究[25]，其余作物类型的作物系数Kc采用FAO的推荐值。阿克苏灌区主要作物的作物系数如图2b所示。

2　结果分析

2.1　作物需水量年际和年内变化

阿克苏灌区参考作物蒸散量ET0介于1 077.5～1 166.4 mm，其中阿合奇、阿克苏、柯坪和阿拉尔站的多年平均ET0分别为1 122.9 、1 077.5、1 166.4 mm和1 131.4 mm（表1）。近56 a来阿克苏灌区的ET0呈显著上升趋势（p<0.001），上升速率为12.65 mm/10 a（图3）。利用Students’t检验发现ET0在1989年发生逆转，1960—1989年阿克苏灌区ET0在p=0.000 1水平上呈显著下降趋势，但是1990—2015年ET0呈现出快速增长趋势，增加速率可达52.37 mm/10 a。2010—2015年，阿克苏灌区的参考作物蒸散发为998.5 mm，较20世纪60年代的917.7 mm增加了8.8%。这主要是因为阿克苏河灌区气温不断升高，导致了参考作物蒸散量增加。ET0发生逆转的时间与研究时段密切相关，例如普宗朝等[26]发现乌鲁木齐河流域的潜在蒸散发在1970—2000年表现为下降趋势，而Li等[27]发现中国西北干旱区的蒸发皿蒸散发表现出先减少（1960—1992年）后增加的趋势（1993—2012年）。

图31960　—2015年阿克苏灌区参考作物潜在蒸散量ET0（a）和作物需水量ETc（b）的变化

利用作物系数法计算了灌区主要作物生育期的作物需水量，结果表明，阿克苏灌区1960—2015年多年平均作物需水量为586 mm。与ET0的变化趋势类似，ETc在1960—1989年间呈现下降趋势，而在1989年以后作物需水量以99.37 mm/10 a的速度迅猛增加，增加速度远大于ET0在本时期的增加速度（52.37 mm/10 a），这主要是由于1989年以来，棉花、果林（红枣、核桃等）高耗水经济作物的种植比例增加（图2）。在气候变化和作物种植结构改变条件下，2010—2015年作物需水量达到了740.3 mm，较20世纪60年代的539.6 mm增加了37.2%。

ETc的年内变化结果显示（图4），5、6月是作物需水最为旺盛的时期，ETc分别达到167.5 mm和174.3 mm，其次是7月（ETc=101.4 mm）和4月（ETc=66.9 mm），9月和10月的作物需水量最少。在未来气候变化条件下，随着融雪径流的提前[28]，春旱问题将有所缓解，但是夏季缺水形势将更加严峻。

图4　各月作物需水量

2.2　不同作物和灌区的灌溉需水量特征

基于流域平均气候条件，阿克苏灌区棉花、小麦、玉米、水稻和果林的多年平均作物需水量见表2，果林的需水量最大，高达829.8 mm，其次是棉花、水稻、玉米、小麦，其作物需水量分别为754.8、591.2、519.8 mm和388.5 mm。其中小麦在5月达到最大作物需水量，其余作物类型在6月达到需水顶峰，是生理需水的关键期。

灌区作物需水量不仅受到种植结构的影响，还受地理位置、气象条件的影响。在现有作物种植结构条件下，塔河灌区的作物需水量最大，高达909.9 mm，其次是阿瓦提灌区、托河温宿灌区和库河温宿灌区，相对寒冷的托河乌什灌区的作物需水量最低。各个灌区均在6月达到需水量高峰，月需水量达200 mm以上，尤其是塔河灌区，由于海拔低、纬度低，温度高，光照充足，需水量较高。

表2　阿克苏河灌区不同作物类型和不同灌区的平均作物需水量　mm

2.3　需水量对气候变化的敏感性分析

阿克苏灌区对全球变化响应敏感，自1960年以来，阿克苏灌区气温以0.18℃/10 a的速率迅速升高，气候变化势必引起作物需水量的变化。本文综合评估了阿克苏灌区作物需水量对不同气候因子和作物种植结构的敏感性（图5）。结果显示，作物需水量对日最高气温的敏感性高于日最低气温，当日最高气温升高1℃和2℃时，作物需水量分别增加2.1%和4.3%，而当最低气温升高1℃和2℃时，作物需水量仅增加1%和2%。作物需水量对日照时数的敏感性高于风速和水汽压。当日照时数增加10%时，作物需水量将增加3.2%，当风速增加10%时，作物需水量增加2.1%，而水汽压增加10%时，作物需水量减少1.4%。

由作物需水量对作物种植结构的敏感性可以看出，水稻、棉花和果林是高耗水作物，而小麦和玉米的耗水量较低。当棉花的种植面积比例增加10%时，流域作物需水量平均增加了9.2%；当果林的种植面积增加10%时，作物需水量增加了12.1%。由此，可以得出，作物种植结构对作物需水量的影响很大。随着全球气候变暖，ETc不断增加，在水资源总量约束下，应适时的进行农作物种植结构调整优化，达到节水和增效的目的，使有限的水资源发挥最大的经济效益。

图5　作物需水量对气候因子（a）和对种植结构（b）的敏感性

3　结论

近几十年来，阿克苏河灌区温度上升，经济作物种植面积增加，势必会引起作物需水量的变化，了解阿克苏灌区作物需水量变化特征对灌区种植结构调整、水资源优化配置至关重要。本研究计算了阿克苏灌区作物需水量的时空变化和不同作物类型的需水量特征，并探讨了作物需水量对气候变化和种植结构的敏感性，可得出以下结论。

（1）阿克苏河灌区多年平均作物需水量为586 mm，1960—2015年作物需水量呈显著增加趋势（p<0.001），增加速率为38.43 mm/10 a，其中1960—1989年作物需水量呈下降趋势，1990—2015年作物需水量呈快速增加趋势，增加速率达99.37 mm/10 a。

（2）果林的需水量最大，高达829.8 mm，小麦需水量最小，仅为388.5 mm，整体上呈果林＞棉花＞水稻＞玉米＞小麦的特征。塔河灌区的作物需水量最大，高达909.9 mm，其次是阿瓦提灌区、托河温宿灌区和库河温宿灌区，处于相对寒冷区的托河乌什灌区的作物需水量最低。

（3）作物需水量对日最高气温和日照时数较为敏感，而对最低气温、风速和水汽压的敏感度较低。当日最高气温升高2℃时，作物需水量增加4%，而当日照时数增加10%时，作物需水量将增加3.2%。同时，作物需水量对作物种植结构非常敏感，当果林的种植面积增加10%时，作物需水量增加了12.1%。