气候变暖背景下河西走廊典型绿洲主要农作物需水量变化研究＊

苏军德，李国霞

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

全球气候变暖已经是不争的事实[1]，过去100年间，全球平均气温约升高了0.6～0.7℃[2]，地处干旱地区的河西走廊绿洲灌溉区，常年受东亚季风的影响[3]，水资源短缺是限制区域内农业生产发展的主要因素[4]。作为我国重要的粮棉生产区之一，河西绿洲灌溉区对我国经济社会发展具有重要的意义，但随着全球气候的变暖，致使区域内水资源供需之间的矛盾更加突出[5]。因此，研究气候变暖对区域内主要农作物需水量的影响，对研究区内农业种植结构的调整和相关政策的制定具有十分重要的意义。

作物需水量作为农业用水的主要组成部分，是确定灌溉制度和灌溉用水量的基础[6]。近年来，众多学者对不同区域农作物需水量进行了深入研究，例如魏堃等[7]对甘肃省河东地区玉米的需水量进行了研究，结果表明受降水的影响，河东地区玉米在不同的生长期需水量出现了先增大后减小的变化趋势；汤瑛芳等[8]运用GIS 对甘肃省粮食作物需水量的时空演变特征进行了分析，结果呈现出由西向东减小的趋势；宋德海等[9]基于2000-2012 年气象观测资料，对河南省三义寨灌溉区主要农作物需水量进行了动态预报。但上述研究都是针对区域内主要农作物需水量的动态演变规律进行分析，关于作物需水量与气候变化之间的相关性研究还相对较少，尤其对河西走廊绿洲农作物需水量对气候变化的响应研究更是鲜有报道。文章选取河西走廊典型的2 个站点为研究对象，通过对研究区内主要的3 种农作物的需水量与气候变暖的响应变化进行深入研究，试图为区域内合理改变农业种植结构奠定理论基础，同时也为相关政策的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河西走廊位于祁连山以北，乌鞘岭以西，长约1000km，属祁连山地槽边缘拗陷带，属大陆性干旱气候，因受季风的影响，气候干燥，风大沙多，年均温为5.8～9.2℃，多数地区日照时数约3000h，降水量不足200mm[10]。文章分别选取河西走廊极端干旱区的敦煌和干旱区的金昌2 个站点，对其主要农作物需水量与气候变化的响应进行研究。敦煌位于河西走廊最西端，介于92°13′～95°30′E，39°40′～41°40′N之间，四季分明，气候干燥，年均气温为9.9℃，年均降雨量为42.2mm，全年日照时数约为3246h，年均无霜期为152d[11]。金昌地处河西走廊中段，介于101°04′～102°43′E，37°47′～39°00′E 之间，光照充足，气候干燥，全年多西北风，年均温度为9.2℃，年均降水量为120mm，多集中在5～9 月，无霜期为182d[12]。

1.2 研究方法

1.2.1 作物需水量计算

作物需水量采用联合国粮食与农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）常用的作物系数法[13]，计算方法为：ETP=KC×ET0，其中ETP和ET0分别是作物需水量（mm·d-1）和参考作物蒸腾量（mm），KC为作物系数。见表1。

表1 不同生长阶段作物系数

1.2.2 作物灌溉需水量计算

河西走廊灌溉区农作物所需水分主要依靠天然降水和灌溉补给[14]，因此，灌溉需水量可按照IR=ETP-P 进行计算，其中IR 和P 分别为农作物灌溉需水量（mm）和作物生长期降水量（mm）。见表2。

表2 近50a 来河西走廊绿洲灌溉区典型站点作物生长期内平均降雨量（mm）

1.2.3 气候变化情景的假定

根据英国Hadley[15]的模型预测，到2080 年，我国西北地区的平均温度将会上升1.5～3.9℃，故文章假定未来温度上升1～4℃的温度变化情景。

1.2.4 数据处理

所得数据用Excel 2019 和Origin lab 9.1 统计分析软件处理，以平均值进行统计分析，不同区域不同农作物需水量增幅进行显著性检验分析。

2 结果与分析

2.1 不同增温条件下作物需水量的响应差异

不同增温条件下，3 种作物的需水量都随着增温幅度的升高而增加（如图1 所示），其中，气温升高对棉花和玉米的需水量影响较大，对春小麦需水量的影响相对较小。气温升高1℃，敦煌和金昌2 个站点的玉米需水量分别增加14.17mm，15.43mm，棉花需水量分别增加16.76mm，18.92mm，小麦需水量分别增加9.27mm，10.22mm；气温升高2℃，敦煌和金昌2 个站点的玉米需水量分别增加28.85mm，28.19mm，棉花需水量分别增加31.69mm，31.62mm，小麦需水量分别增加18.20mm，17.72mm；气温升高3℃，敦煌和金昌2 个站点的玉米需水量分别增加49.82mm，46.98mm，棉花需水量分别增加52.71mm，50.79mm，小麦需水量分别增加31.69mm，32.24mm；气温升高4℃，敦煌和金昌2 个站点的玉米需水量分别增加82.88mm，76.24mm，棉花需水量分别增加85.15mm，79.47mm，小麦需水量分别增加50.70mm，49.59mm。综合敦煌、金昌2 个站点的结果来看，当气温上升1～4℃，河西典型绿洲棉花需水量将增加16.75～85.15mm，玉米需水量将增加14.17～82.88mm，小麦需水量将增加9.26～50.70mm。

图1 给定温度情境对作物需水量的影响

2.2 不同区域作物需水量对气候变化的响应差异

不同区域作物需水量随着温度的升高出现了明显的差异（如图2 所示），当温度升高1℃时，金昌3种作物需水量所受影响大于敦煌，金昌玉米、棉花、小麦需水量的增加值高于敦煌相应作物需水量增加值1.26mm、2.15mm、0.96mm。温度升高2～4℃时，位于极端干旱区的敦煌3 种农作物需水量增加值都高于位于干旱区的金昌，当温度升高2℃时，敦煌玉米、棉花、小麦需水量增加值高于金昌相应农作物增加值0.65mm、0.07mm、0.48mm；当温度升高3℃时，敦煌3 种作物需水量增加值大于金昌，敦煌玉米、棉花需水增长量分别高于金昌相应作物2.84mm，1.92mm，而小麦需水量增加值低于金昌0.56mm；当温度升高4℃时，敦煌玉米、棉花、小麦的需水量分别增加了82.87mm，85.15mm、50.69mm，金昌相应作物需水量增加了76.25mm，79.47mm，49.59mm，相比敦化低了6.62mm，5.68mm，1.10mm。总体来看，在给定温度情境下，敦煌玉米、棉花、小麦的需水量分别增加了14.17～82.88mm，16.76～85.15mm，9.27～50.70mm，金昌相应3种作物的需水量增加了15.43～76.25mm，18.92～49.47mm，10.23～49.59mm。由此可见，同种作物在不同区域对气候变暖的响应存在明显的差异。

图2 不同区域作物对气候变暖的响应

2.3 气候变暖对作物灌溉需水量的影响

不同区域不同作物灌溉需水量的变化表明（见表3），气候变暖对玉米和棉花的灌溉需水量的影响大于春小麦，且不同区域同种作物灌溉需水量随气候变暖的增幅也有明显的差异。在温度上升1℃～4℃的情境下，敦煌玉米灌溉需水量将由目前的755.2mm 增加至769.4～831.1mm，增幅约为1.9%～11.0%，敦煌棉花灌溉需水量将由目前的685.4mm 增加至702.2～770.6mm，增幅约为2.5%～12.4%，敦煌小麦灌溉需水量将由目前的534.9mm 增加至544.2～585.6mm，增幅约为1.7%～9.5%；在温度升高1～4℃的情境下，金昌相应农作物灌溉需水量增幅大于敦煌，金昌玉米灌溉需水量将由目前的594.3mm 增加至610.0～670.5mm，增幅约为2.6%～12.8%，金昌棉花灌溉需水量将由目前的685.4mm 增加至702.2～770.6mm，增幅约为5.1%～12.4%，金昌春小麦灌溉需水量将由目前的534.9mm 增加至544.2～585.6mm，增幅约为1.7%～9.5%。

表3 河西走廊典型绿洲主要农作物灌溉需水量变化

河西走廊位于黄河以西，祁连山以北，属大陆性干旱气候，降水量相对较少，农业灌溉主要以冰雪融水为主。根据甘肃省各地区主要农作物播种面积构成统计计算，河西绿洲玉米、棉花、小麦的种植面积分别为113.09×103hm2、94.21×103hm2、143.87×103hm2，按照河西走廊典型绿洲（敦煌、金昌）相应农作物灌溉需水量计算（见表4），当温度升高1-4℃时，整个河西绿洲玉米的灌溉需水量将分别增加0.16×108m3、0.32×108m3、0.55×108m3、0.90×108m3，棉花的灌溉需水量将分别增加0.16×108m3、0.30×108m3、0.49×108m3、0.78×108m3，小麦的灌溉需水量将分别增加0.14×108m3、0.26×108m3、0.46×108m3、0.72×108m3。

表4 河西绿洲主要农作物灌溉需水量估算

3 讨论

西北地区作为我国气候变化最敏感的地区之一，水资源不足是限制区域内农业发展的主要因素。近年来，随着全球气候的变暖和水资源的短缺，干旱区农作物需水量的研究引起了众多学者的关注，张华等[16]基于甘肃省28 个气象站点对甘肃省过去40a 间春小麦和冬小麦的需水量进行了计算，结果表明日照时数和日平均气温是其主要影响因子，且二者之间需水量具有明显的差异；方芳等[17]对新疆不同农作物虚拟含水量进行了分析，发现不同农作物虚拟含水量具有较大的差异；曹永强等[18]在保定市主要农作物需水量的研究中也表明，不同农作物蓄水具有一定的差异。本文研究结果也同样表明，在给定增温条件下，河西典型绿洲玉米、棉花、小麦的需水量有不同程度的变化，棉花和玉米的需水量增幅大于小麦。作物需水量的大小是外部气候条件和内部生物学特征共同作用的结果，本研究玉米和棉花在同样的增温情景下，需水量增加幅度基本相似，而小麦的需水量增幅却小于玉米和棉花，这说明玉米和棉花在耗水量等生物学特征上具有相似性，对气候变暖具有相似的响应机制[19]。

在干旱、半干旱地区农作物的需水量与气候类型有较大的关系，对气候变化的响应也较为明显。李应林等[20]研究表明，气候条件对我国玉米主要的种植区是有利的；张华[21]在对近50 年来甘肃省玉米需水量研究中表明，甘肃省玉米需水量整体上由东南向西北增加，具有明显的空间异质性。本研究也同样发现，在相同的增温条件下，极端干旱区（敦煌）农作物需水量增幅略高于干旱区（金昌），这表明在天然降水条件的差异，会导致农作物在应对气候变化方面产生不同的响应，研究区小麦较小的需水量增幅，表明其对抵御气候变暖不利影响具有较强的能力。

气候变暖将致使河西走廊绿洲水资源更加匮乏，按照河西走廊典型绿洲主要农作物需水量增幅估算，整个河西走廊绿洲在温度升高1-4℃的情境下，区域内主要农作物需水量将增加0.46×108m3～2.46×108m3，按照农业用水价格0.06 元/m3计算，可致使区域内农业灌溉用水价值增长约2.76×106元～14.76×106元。由此可见，合理改变区域内农业种植结构，尽早建立预报预警系统，对缓解区域内水资源供需矛盾具有十分重要的意义。

4 结论

（1）不同增温条件下，3 种作物的需水量都随着增温幅度的升高而增加，气温升高对棉花和玉米的需水量影响较大，对春小麦需水量的影响相对较小。当气温上升1～4℃，河西典型绿洲棉花需水量将增加16.75～85.15mm，玉米需水量将增加14.17～82.88mm，小麦需水量将增加9.26～50.70mm。

（2）不同区域作物需水量随着温度的升高出现了明显的差异，当气温上升1～4℃，敦煌玉米、棉花、小麦的需水量分别增加14.17～82.88mm，16.76～85.15mm，9.27～50.70mm，金昌相应3种作物的需水量增加15.43～76.25mm，18.92～49.47mm，10.23～49.59mm。

（3）当温度升高1～4℃时，整个河西绿洲玉米的灌溉需水量将分别增加0.16×108m3、0.32×108m3、0.55×108m3、0.90×108m3，棉花的灌溉需水量将分别增加0.16×108m3、0.30×108m3、0.49×108m3、0.78×108m3，小麦的灌溉需水量将分别增加0.14×108m3、0.26×108m3、0.46×108m3、0.72×108m3。