氣候變化條件下石羊河流域農業灌溉需水量的模擬與預測

牛紀蘋，粟曉玲，唐澤軍

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100；

2.中國農業大學水利與土木工程學院， 北京 100083)

?

氣候變化條件下石羊河流域農業灌溉需水量的模擬與預測

牛紀蘋1，2，粟曉玲1，唐澤軍2

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100；

2.中國農業大學水利與土木工程學院， 北京 100083)

摘要：根據石羊河流域及周邊共11個氣象站點1959—2012年的逐日氣象資料，利用大氣環流模型HadCM3的輸出和SDSM統計降尺度模型，生成A2、B2兩種排放情景下未來石羊河流域各站點2020 s，2050 s和2080 s的ET0和降水日值；使用作物系數法，扣除有效降雨量，計算現狀和未來不同作物凈灌溉定額、流域凈灌溉需水量和耗水量；應用反距離加權插值法(IDW)研究作物凈灌溉定額的空間分布特征。結果表明，石羊河流域小麥、玉米、甜椒、棉花、胡麻和蘋果的多年平均作物凈灌溉定額都呈現從西南到東北遞增的趨勢，預測未來氣候變化情景下，6種典型作物凈灌溉定額呈增加趨勢；多年平均流域凈灌溉需水量為12.65×108m3，多年平均耗水量為15.42×108m3；在種植結構維持現狀條件下，預計2020 s，2050 s和2080 s，在HadCM3模式的A2情景下凈灌溉需水量分別為13.45×108m3、15.02×108m3、16.94×108m3，耗水量分別為15.53×108m3、16.65×108m3、18.18×108m3，B2情景下凈灌溉需水量分別為13.55×108m3、14.63×108m3、15.51×108m3，耗水量分別為15.56×108m3、16.34×108m3、17.00×108m3，未來流域凈灌溉需水量和耗水量都呈明顯上升趨勢，且A2情景下的上升幅度大于B2情景。石羊河流域的農業灌溉需水在未來將持續增加，2050 s之后增加趨勢更為顯著。

關鍵詞：氣候變化；灌溉需水；石羊河流域；SDSM

干旱地區既是生態脆弱區，更是氣候敏感區，受氣候變化的影響非常明顯。有研究表明，氣候變化會導致水分蒸發量增大，最終會導致土壤有效水分減少，作物受旱減產[1]。因此，探討氣候變化下未來農業灌溉需水的時空分布特征，可為作物種植結構的調整和指導適應氣候變化的流域水資源規劃與管理提供重要依據。

氣候變化研究主要有三類方法[2]：趨勢統計分析法、增量情景法[3-4]和模型模擬法，其中模型模擬法是應用氣候模式模擬氣候條件，結合作物生長模型定量研究氣候條件對作物灌溉需水量的影響。相對于僅研究氣象要素與農業灌溉需水之間變化趨勢關系的趨勢統計分析，以及人為假定氣象要素變化幅度的增量情景，模型模擬法利用大氣環流模型GCM更能反映氣候因子變化的大氣環境物理基礎，而統計降尺度技術的使用，使低分辨率的GCM輸出轉化為高分辨率、區域尺度，進一步提高了模型模擬法結果在區域尺度的適應性和精度。

叢振濤等[5]使用SRA1B情景下大氣環流模式MIROC312的輸出，預測未來50年中國的作物需水量和灌溉需水量總體上呈增加趨勢；王衛光等[6]使用HadCM3氣候模式結合ORYZA2000水稻模型研究發現，以1961—2010年為基準期，在間歇灌溉和淹水灌溉模式下，蘇南地區未來水稻耗水量和灌溉需水量均呈增加趨勢；Gohari[7]使用GCM結合天氣發生器LARS-WG研究發現，伊朗Zayandeh-Rud河流域2015—2044年溫度上升、降水下降將導致灌溉需水量持續上升；Chung[8]計算韓國南部地區的灌溉需水量在基準年為410 mm，使用大氣環流模式HadCM3研究發現，在A2和B2情景下2050 s將下降4%和8%，在A2和B2情景下的2080 s將下降10%和2%；Schaldach[9]在大氣環流模式IPCM4的干旱情景下，預計2050 s歐洲的灌溉需水量下降1%，達到530.6億m3，在MIMR的濕潤情景下，下降5%，達到512.3億m3；Gondim等[10]使用動力降尺度模型PRECIS和大氣環流模式HadCM3，預測Jaguaribe流域的灌溉用水量與基準期(1961—1990年)相比，在2025—2055年A2和B2情景下，將分別增長7.9%和9.1%；Chiang[11]使用5個大氣環流模式GCMs和水文模型GWLF，預測在A2情景下，臺灣南部地區缺水率在未來短期、中期和長期時間段內分別為23.8%～33.1%， 25.2%～32.2%，25.0%～36%，可見隨著時間的推移，水資源短缺日益嚴峻。

石羊河流域位于甘肅省河西地區東段，介于祁連山東段與巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠南緣之間，東經101°41′～104°16′，北緯36°29′～39°27′。流域降水稀少，干旱缺水。根據牛紀蘋等研究，預測在HadCM3模式的A2排放情景下，2020 s、2050 s和2080 s流域參考作物蒸發蒸騰量將分別增加6%、14%和23%，B2情景下將分別增加7%、12%和17%[12]。考慮降雨的變化，未來流域主要作物的灌溉需水和總耗水如何變化，還需要進一步研究。已有的氣候變化對石羊河流域灌溉需水的影響研究主要針對單一作物，如熊偉等[13]采用區域氣候模式PRECIS結合CERES-Maize模型，發現氣候變化使石羊河流域玉米生育期普遍縮短，實際蒸散量和灌溉用水量總體呈現降低趨勢；陳超等[14]采用區域氣候模式PRECIS結合COSIM棉花模型，發現在未來的氣候變化情景下，棉花的耗水量和參考作物蒸發蒸騰量明顯提高。

本研究以石羊河流域為研究區，基于1959—2012年的長系列日氣象資料，利用作物系數法、大氣環流模型HadCM3和統計降尺度模型SDSM，計算并預測了石羊河流域1959—2012年和未來A2、B2兩種排放情景下2020 s(2011—2040年)，2050 s(2041—2070年)和2080 s(2071—2099年)小麥、玉米、甜椒、棉花、胡麻和蘋果6種典型作物凈灌溉定額(I)、流域及各區縣總凈灌溉需水量(IN)和農業耗水量(Wt)，以期為流域未來的節水規劃及種植結構調整提供依據。

1數據來源與研究方法

1.1數據來源

數據資料主要包括實測氣象數據和各種作物的種植面積。其中，實測氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網，包括石羊河流域及其周邊共11個氣象站(見圖1)1951—2012年逐日平均溫度、最高溫度、最低氣溫、相對濕度、風速和日照時數等氣象資料，各氣象站的海拔高度、經緯度等地理信息資料。

流域各區縣各種作物的種植面積來自于統計年鑒，流域內門源、山丹及肅南的耕地面積很少，天祝有部分屬于黃河流域，由于資料所限，本文將古浪、民勤、天祝、涼州和永昌的灌溉需水量作為石羊河流域總的灌溉需水量。

圖1研究區及周邊氣象站點分布

Fig.1Location of meteorological stations in study area

1.2凈灌溉定額(I)、總凈灌溉需水量(IN)和農業耗水量(Wt)的計算

凈灌溉定額(I)是指必須通過灌溉補充的土壤原有儲水量和有效降雨量及地下水利用量不能滿足作物蒸發蒸騰、沖洗鹽堿以及其他方面要求的水量[15]。由于石羊河流域地下水埋深小于5 m的面積很少，因此忽略地下水的補給，并不考慮沖洗鹽堿的凈灌溉需水量，各作物凈灌溉定額(I)采用下式計算：

I=ETc-Pe

(1)

式中，I為作物凈灌溉定額(mm)；ETc為作物蒸發蒸騰量(mm)；Pe為作物生育期內的有效降雨量(mm)。

作物需水量采用下式計算：

ETc=∑Kci×ET0i

(2)

式中，ETc為作物需水量(mm)；Kci為全生育期第i生長階段的作物系數；EToi為對應該生長階段的參考作物蒸發蒸騰量(mm·d-1)，采用FAO(世界糧農組織)推薦的Penman-Monteith[16-17](簡稱PM公式)計算，公式如下：

(3)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量(mm·d-1)；Rn為作物表面凈輻射量(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；γ為濕度計常數(kPa·℃-1)；T為空氣平均溫度(℃)；u2為地面以上2m高處的風速(m·s-1)；es為空氣飽和水汽壓(kPa)；ea為空氣實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率(kPa·℃-1)。

作物系數Kc值的選取參考已有的研究成果[18-20]。

農業有效降雨量采用降雨有效利用系數來計算[21]：

Pe=∑σP

(4)

式中，Pe為作物生育期內有效降雨量(mm)；P為日降雨量(mm)；σ為日降雨量有效利用系數(P<5mm，σ=0；5mm≤P≤50mm，σ=1；P>50mm，σ=0.8)。

農業總凈灌溉需水量采用下式計算：

(5)

式中，IN為總凈灌溉需水量(108 m3)；Ij為第j種作物全生育期凈灌溉定額(mm)；Aj為第j種作物播種面積(104 hm2)。

農業耗水量采用下式計算：

(6)

式中，Wt為農業耗水量(108 m3)；ETcj為第j種作物全生育期蒸發蒸騰量(mm)；Aj為第j種作物播種面積(104 hm2)。

1.3統計降尺度模型SDSM

在進行區域尺度氣候變化研究時，為了解決GCM空間尺度不匹配的問題，必須充分應用降尺度技術[22]，本文采用統計降尺度模型SDSM 4.2版本預測石羊河流域未來的日ET0和日降水，統計降尺度模型SDSM的具體步驟詳見參考文獻13。

1.4IDW插值

在ArcGIS下通過反距離權重插值方法(IDW)獲得石羊河流域小麥和玉米等6種典型作物凈灌溉定額(I)多年平均及未來的空間分布圖。

2結果與分析

2.11959—2012年各作物多年平均凈灌溉定額

石羊河流域現狀種植結構中，小麥、玉米、蔬菜、棉花、水果、油料作物分別占總播種面積的29%、15%、14%，6%、6%及5%，合計占75%。因此以小麥、玉米、甜椒(代表蔬菜)、棉花、胡麻(代表油料作物)和蘋果(代表水果)6種主要作物為例，研究石羊河流域多年平均及未來凈灌溉定額的時空變化。

1959—2012年流域各區縣各作物生育期內的平均凈灌溉定額見表1，6種典型作物的凈灌溉定額的空間分布如圖2。小麥的凈灌溉定額呈現出從西南的祁連山區到東北綠洲平原遞增的趨勢，最大值達603 mm，位于涼州區，而最小值217 mm，位于天祝區；玉米的凈灌溉定額空間分布趨勢與小麥基本相同，其最大值為325 mm，位于民勤，最小值為96 mm，位于天祝。結合石羊河流域1959—2012年平均降水的空間分布，可以看出流域內降水量越少的區域，I值越大，這與楊興國[23]的研究所得規律一致。

表1　石羊河流域行政區各作物生育期內多年平均和未來2050 s平均凈灌溉定額/mm

2.2多年平均農業灌溉需水量

流域各區縣多年平均農業耗水量Wt和凈灌溉需水量IN值如表2所示，結果表明，流域多年平均IN為12.65×108m3，多年平均Wt為15.42×108m3；多年平均凈灌溉需水量IN的大小排序為：民勤303.21 mm>涼州286.69 mm >永昌257.06 mm>古浪230.14mm>天祝126.46 mm，多年平均單位面積農業總耗水量Wt的大小排序為：民勤336.46 mm>古浪328.61 mm>涼州326.59 mm>永昌307.88 mm>天祝272.88 mm。

表2　石羊河流域行政區多年平均農業耗水量(Wt)和凈灌溉需水量(IN)

2.3未來各作物凈灌溉定額

石羊河流域各氣象站ET0的降尺度模擬效果見文獻12，流域日降水量模擬值和實測值的確定性系數R2見表3，率定期R2在0.23～0.68之間、驗證期R2在0.30～0.79之間。月尺度降水模擬效果以烏鞘嶺站為例(圖3)，說明降水模擬值的年內分布與實測值均較為一致，模擬效果比較理想，表明SDSM可以用于降尺度處理GCM的輸出數據。

圖2石羊河流域各區縣6種典型作物多年平均和未來A2情景下凈灌溉定額(I)的空間變化

Fig.2Spatial distributions ofIfor six kinds of typical crops in Shiyang River Basin during 1959—2012,

2020s, 2050s, and 2080s under A2 scenarios

A2、B2情景下未來降水相比基準年1961—2000年的變化率如表4所示，在A2情景下，降水在2020 s、2050 s和2080 s三個時期將分別下降5%，13%和19%，變幅隨時間逐漸增大；B2情景與A2情景的變化趨勢是相同的，未來3個時期將分別下降6%，11%和13%。流域降水在未來將持續減少，在2050 s之后變化趨勢將會更為顯著。

預測石羊河流域各行政區在2020 s、2050 s和2080 s各作物生育期內的平均凈灌溉定額，以2050 s為例，如表1所示，不同作物的凈灌溉定額對氣候變暖的響應存在著差異。在ArcGIS下獲得未來2020 s、2050 s和2080 s小麥、玉米、甜椒、棉花、胡麻和蘋果的凈灌溉定額在A2和B2兩種氣候變化情景下的空間分布圖，以A2情景為例，如圖2所示，在2080 s流域小麥的凈灌溉定額最大值達701.97 mm，位于涼州區，而最小值位于天祝區，為404.28 mm；玉米最大值為413.28 mm，位于民勤，最小值位于天祝區，為230.61 mm；小麥和玉米在未來3個時期A2、B2兩種情景下的凈灌溉定額空間分布規律與多年平均分布基本一致，且在時間上呈上升趨勢，增幅逐漸增大，到A2情景下的2080 s，小麥凈灌溉定額比現狀年增加144.52 mm，玉米比現狀年增加90.92 mm；且A2情景下的增幅大于B2情景。

圖3　烏鞘嶺站SDSM模擬的月降水和實測月降水序列散點圖

表4　流域降水A2和B2兩種情景下的變化率

2.4未來農業灌溉需水量

流域各區縣未來農業耗水量Wt值和凈灌溉需水量IN如表5所示，在A2情景下，總凈灌溉需水量IN和農業總耗水量Wt在2020 s、2050 s和2080 s三個時期將分別達到13.45×108m3、15.02×108m3、16.94×108m3和15.53×108m3、16.65×108m3、18.18×108m3；B2情景與A2情景的上升趨勢相同，在未來3個時期將分別上升到13.55×108m3、14.63×108m3、15.51×108m3和15.56×108m3、16.34×108m3、17.00×108m3；A2情景下的增幅在2020 s小于B2情景，但在2050 s和2080 s都大于B2情景。因此，石羊河流域的農業耗水量Wt和凈灌溉需水量IN在未來將持續增加，在2050 s之后這種上升趨勢將會更為顯著。

3結論與討論

1) SDSM模型可以用于ET0和降水的降尺度處理。

2) 石羊河流域小麥、玉米、甜椒、棉花、胡麻和蘋果多年平均凈灌溉定額(I)在空間上都呈現從西南到東北遞增的趨勢。預測未來氣候變化情景下，6種典型作物的I空間分布仍呈現從西南部地區向東北地區遞增的規律，且I在時間上都呈現上升趨勢，A2情景下的增幅大于B2情景。

3) 石羊河流域多年平均Wt和IN分別為15.42×108m3、12.65×108m3，在未來A2情景下，Wt和IN

表5　石羊河流域行政區未來平均農業耗水量(Wt)和凈灌溉需水量(IN)/108m3

在2020 s分別為15.53×108m3、13.45×108m3；在2050 s分別為16.65×108m3，15.02×108m3；在2080 s分別為18.18×108m3、16.94×108m3。在未來B2情景下，Wt和IN在2020 s分別為15.56×108m3、13.55×108m3；在2050 s分別為16.34×108m3、14.63×108m3；在2080 s分別為17.00×108m3、15.51×108m3。未來IN和Wt呈明顯上升趨勢，且A2情景下的增幅大于B2情景。

從總體來看，氣候變化使區域農業灌溉需水在未來呈上升趨勢[5-10]，而石羊河流域降水量小、蒸發量大，灌溉對作物產量起著至關重要的作用。未來的氣候變化會使流域水資源矛盾供需更加突出，甚至導致灌溉用水進一步擠占生態用水。因此急需采取措施緩解流域灌溉水供需矛盾突出的狀況，如：科學管理農業灌溉用水，開展農田水利基本建設，推廣旱作節水技術，還可以改變播期、引入早中熟品種、適當擴大棉花等喜溫喜熱作物的種植面積等。

本研究在探討氣候變化對石羊河流域農業灌溉需水的影響時，未考慮作物生育期、品種改良和病蟲害的影響，也未考慮氣候變化對作物系數的影響，有待于進一步的研究。

參 考 文 獻：

[1]王媛，方修琦，徐錟.氣候變化背景下“氣候產量”計算方法的探討[J].自然資源學報，2004,19(4)：531-536.

[2]牛紀蘋，粟曉玲，孫聰影.氣候變化對石羊河流域農業灌溉需水的影響[J].灌溉排水學報，2013,32(6)：41-45.

[3]劉曉英,林而達.氣候變化對華北地區主要作物需水量的影響[J].水利學報，2004,35(2):77-87.

[4]張建平，王春乙，楊曉光，等．未來氣候變化對中國東北三省玉米需水量的影響預測[J].農業工程學報，2009，25(7):50-55．

[5]叢振濤，姚本智，倪廣恒.SRA1B情景下中國主要作物需水預測[J].水科學進展，2011,22(1)：38-43.

[6]王衛光，孫風朝，彭世彰，等.水稻灌溉需水量對氣候變化響應的模擬[J].農業工程學報，2013，29(14)：90-98.

[7]Gohari A, Eslamian S, Abedi-Koupaei J, et al. Climate change impacts on crop production in Iran's Zayandeh-Rud River Basin[J]. Science of the Total Environment, 2013,442:405-419．

[8]Chung S O, Rodríguez‐Díaz J A, Weatherhead E K, et al. Climate change impacts on water for irrigating paddy rice in South Korea[J]. Irrigation and Drainage, 2011,60(2):263-273.

[9]Schaldach R, Koch J, Aus der Beek T, et al. Current and future irrigation water requirements in pan-Europe: an integrated analysis of socio-economic and climate scenarios[J]. Global and Planetary Change, 2012,94:33-45.

[10]Gondim R S, de Castro M A H, Maia A H N, et al. Climate change impacts on irrigation water needs in the jaguaribe river basin[J]. Journal of the American Water Resources Association，2012,48(2):355-365.

[11]Chiang J L, Liu T M. Impact of climate change on paddy field irrigation in southern Taiwan[J]. Paddy and Water Environment, 2013,11(1-4):311-320.

[12]牛紀蘋，粟曉玲.石羊河流域參考作物蒸發蒸騰量對氣候變化的響應模擬及預測[J].水利學報，2014,45(3)：286-295.

[13]熊偉,馮穎竹,高清竹,等.氣候變化對石羊河、大凌河流域灌溉玉米生產的影響[J].干旱區地理，2011,34(1):150-159.

[14]陳超，潘學標,張立禎,等.氣候變化對石羊河流域棉花生產和耗水的影響[J].農業工程學報,2011,27(1):57-65.

[15]陳玉民,郭國雙,王廣興,等.中國主要作物需水量與灌溉[M].北京:水利電力出版社,1995.

[16]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements[R]. Rome: FAO Irrigation and Drainage, 1998.

[17]康紹忠，劉曉明，熊運章.土壤—植物—大氣連續體水分傳輸理論及其應用[M].北京：水利電力出版社,1994.

[18]康紹忠,粟曉玲,杜太生.西北旱區流域尺度水資源轉化規律及其節水調控模式——以甘肅石羊河流域為例[M].北京:中國水利水電出版社，2009.

[19]李霆.石羊河流域主要農作物水分生產函數及優化灌溉制度的初步研究[D].楊凌：西北農林科技大學,2005.

[20]佟玲.西北干旱內陸區石羊河流域農業耗水對變化環境響應的研究[D].楊凌：西北農林科技大學,2007.

[21]康紹忠,蔡煥杰.農業水管理學[M].北京:中國農業出版社,1996.

[22]Wilby R L, Dawson C W, Barrow E M. SDSM—a decision support tool for the assessment of regional climate change impacts[J]. Environmental Modelling and Software, 2002,17(2):147-159.

[23]楊興國，劉宏誼，傅朝,等.甘肅省主要農作物水分供需特征研究[J].高原氣象，2004,23(6)：821-827.

Simulation and estimation of impact from climatic changes on

irrigation water requirement in Shiyang River Basin

NIU Ji-ping1,2, SU Xiao-ling1, TANG Ze-jun2

(1.CollegeofWaterResources&CivilEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;

2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Abstract：Upon the simulation and estimation of the impact from climatic changes on net irrigation requirement quota of crop, irrigation water requirement (IN) and total crop water demand (Wt) in Shiyang River Basin could provide support for efficient use of water resources and sustainable development of agriculture. While dailyET0 and precipitation in 2020 s, 2050 s and 2080 s were downscaled from HadCM3 (Hadley centre Coupled Model, version 3) outputs under A2 and B2 emission scenarios by SDSM (Statistical Downscaling Model), based on meteorological data from 11 meteorological stations located in and around the Shiyang River Basin during 1951—2012. Net irrigation requirement quota,IN andWt were calculated by using crop coefficient method, and removing the effective rainfall. The spatial distribution of net irrigation requirement quota was investigated by Inverse Distance Weighted Interpolation. The results showed that net irrigation requirement quota performed an increasing tendency from southwest to northeast gradient for wheat, maize, sweet pepper, cotton, sesame and apple. HadCM3 projected an increasing trend for these six typical crops. The presentIN andWt were 12.65×108m3and 15.42×108m3, respectively in the whole basin. When the present planting structure was maintained, under A2 emission scenario, theIN were 13.45×108m3, 15.02×108m3, and 16.94×108m3, and theWt were 15.53×108m3, 16.65×108m3, and 18.18×108m3, respectively in 2020 s, 2050 s and 2080 s. Under B2 emission scenario, theIN were 13.55×108m3, 14.63×108m3, and 15.51×108m3, and theWt were 15.56×108m3, 16.34×108m3, and 17.00×108m3respectively in 2020 s, 2050 s and 2080 s. A remarkable increasing temporal trend was observed in net irrigation water requirement,IN andWt. The increase under B2 scenario was lower than that under A2 scenario. There would be a significant increasing trend about requirement of irrigation water in the future, which would especially be more significant after the 2050 s.

Keywords:climatic change; net irrigation water requirement; Shiyang River Basin; SDSM

中圖分類號：S274；S161

文獻標志碼：A

通信作者：粟曉玲(1968—)，女，四川開江人，教授，博士，博士生導師，主要從事水資源規劃與管理研究。 E-mail:suxiaoling17@126.com。

作者簡介：牛紀蘋(1989—)，女，山東日照人，博士研究生，主要從事農業水土資源利用與保護研究。

基金項目：國家自然科學基金項目(51279166)；西北農林科技大學中央高校基本科研業務費科技創新重點項目(QN201168)

收稿日期：2015-03-06

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.32

文章編號：1000-7601(2016)01-0206-07