氣候變化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及預測

黃志剛,肖 燁,張 國,曹 云, 彭保發

1 湖南文理學院, 常德 415000 2 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130102 2 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085 4 國家氣象中心, 北京 100081

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氣候變化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及預測

黃志剛1,2,*,肖 燁1,張 國3,曹 云4, 彭保發1

1 湖南文理學院, 常德 415000 2 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130102 2 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085 4 國家氣象中心, 北京 100081

開展農作物需水規律研究對于干旱半干旱區域旱作物節水灌溉和水分管理實踐具有重要意義。以松嫩平原玉米為研究對象,研究玉米生育期需水量規律及灌溉需水量。結果表明：(1) 歷史時期和未來氣候變化情景下,松嫩平原玉米全生育期和Lmid時段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減,其中全生育期和Lmid時段2000s灌溉需水量臨界等勢線(灌溉需水量為0的等勢線)分別比1970s北移70.2 km和53.4 km,全生育期和Lmid時段2040s灌溉需水量臨界等勢線分別比2010s北移30.9 km和55.2 km。(2)歷史時期和氣候變化情景下玉米全生育期灌溉需水量隨年代呈波動增加趨勢,其中前者以29.1 mm/(10a)速度增加,后者以17.5 mm/(10a)速度增加。(3)未來溫度和降雨量變化對玉米需水量的貢獻率為波動上升趨勢,與1970s相比,2000s溫度和降雨量變化對玉米需水量的貢獻率為22.1%,增加6.8億m3灌溉水量；2040s溫度和降雨量變化對玉米需水量的貢獻率為38.3%,增加12.6億m3灌溉水量。

氣候變化；有效降雨量；玉米需水量；灌溉需水量；氣候變化貢獻率

IPCC第4次評估報告認為全球氣候變化已是不爭的事實,將對全球和區域水資源安全構成嚴重威脅[1],氣候變化通過改變降雨量的時空分布來影響干旱半干旱區域農業生產[2- 4]。近年來世界范圍的氣候異常給許多國家的糧食生產和水資源帶來了嚴重影響[5- 8],能否正確預測氣候異常變化和這些變化帶來的影響已成為當前迫切需要解決的重大問題[9- 11]。作物需水量是農業用水的主要組成部分,通過蒸散計算作物需水量是一個復雜的物理過程和生物過程,成為許多國際性項目的重要研究內容[12- 15]。學者們多借助氣候模型模擬未來氣象參數變化序列(主要是溫度和降水量)來研究未來氣候變化對農作物需水量的影響[13,16]。國際上一些關于氣候變化對農作物需水量及灌溉需水量的研究認為,未來氣候變化情景下作物灌溉需水量將有所增加,增加幅度為10%—30%,但是區域差異較大[17- 22]。

松嫩平原屬于全球氣候變化的敏感區,是我國最好的一熟制作物種植區和國家重要的商品糧基地之一,其農田面積占總土地面積的50%以上,占全國農田總面積的7.8%,屬于典型的農田生態系統生產力區域,對于保障國家糧食安全具有舉足輕重的地位[23-24]。近年來,松嫩平原春旱和秋旱發生頻率有所增加,其強度也呈加劇的趨勢[25,26]。玉米是松嫩平原的主要糧食作物,但對于松嫩平原玉米生育期內降雨利用效率、需水特性及氣候因素相關性等研究報道較少。因此,開展玉米需水規律的研究對于松嫩平原玉米節水灌溉管理和雨養農業的水分調控,提高玉米農田水分利用效率具有重要意義。本文利用松嫩平原及周邊區域34個國家標準氣象站點1970—2009年氣象數據,分析了近40年玉米生長期內特別是需水關鍵期的水分盈虧和時空分布規律,探討氣候變化對玉米需水量和灌溉需水量的影響,為松嫩平原玉米合理布局及雨養農業水分管理提供基礎數據和理論依據。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況

圖1 松嫩平原地理位置及行政區劃Fig.1 Location and administration maps of Songnen plain

松嫩平原地處中國濕潤季風區與內陸干旱區之間的過渡帶,地理位置(121°38′—128°33′ E、42° 49′—49° 12′ N),總面積18.95×104km2(圖1)。松嫩平原屬半干旱半濕潤氣候,是氣候變化敏感區,年平均氣溫為0—5℃,其中1月平均氣溫-16—-26℃,7月平均氣溫21—23℃；全年降水量400—600 mm,自東向西逐漸減少；年均日照時數2600—2900 h,年總輻射量4500—5300 MJ/m2；無霜期日數115—160 d,≥10℃活動積溫2300—3100℃,自南向北遞減[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源

本文所用氣象資料為松嫩平原20個氣象站及周邊14個氣象站1970—2009年逐日大氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、平均風速、相對濕度觀測數據,以上數據均來源于國家氣象信息中心中國氣象科學數據共享服務網。松嫩平原土地利用圖(1975、1985、1996、2005)來源于中國科學院東北地理與農業生態研究所遙感與地理信息研究中心。玉米生育期觀測資料來源于中國科學院東北地理與農業生態研究所德惠農業生態試驗站。

1.2.2 松嫩平原作物系數估算

FAO 56指南推薦的基礎作物系數(Kc)為土壤表層干燥但根層水分含量仍能完全維持作物蒸騰時的作物需水量(ETc)與潛在蒸散量(ET0)的比值。根據作物發育特點,把生育期劃分為生育早期(Liniperiod)、發育期(Ldevperiod)、生育中期(Lmidpe riod)、生育后期(Lendperiod)4個階段,每個階段持續的時間不等。由于Kc主要考慮作物特性和個別氣象因素,從而使得Kc標準值在不同地點、不同氣候區經修訂后能互相通用。Kc修正值Kcm由公式1—公式2)估算[27]：

(1)

Kcm=Kc+0.04×(U2-2)-0.004× (RHmin-45)×(h/3)0.3

(2)

式中，Kci為玉米生育期第i天的作物系數；Kcprew為第i天所在生育時期的前一個生育時期的Kc值；Kcnext為第i天所在生育時期的后一個生育時期的Kc值；Lstage為第i天所在生育時期歷時天數(d)；∑(Lstage)為第i天所在生育時期之前所有生育時期歷時天數之和(d)；U2為作物生長中、晚期2 m高處日風速平均值(m/s)；RHmin為作物生長中、晚期20%—80%的最低相對溫度平均值；h為作物生長中、晚期日最低相對濕度在20%—80%情況下的植株平均高度(m)。

根據上述作物系數估算方法(公式1—公式2),計算松嫩平原及周邊34個氣象臺站玉米生育期內逐日作物系數,統計得到不同生育時段作物系數均值。應用GIS軟件Kriging插值法對20個氣象臺站玉米不同生育時段作物系數進行空間插值,得到玉米作物系數空間分布。

1.2.3 過去40年松嫩平原玉米需水量估算

潛在蒸散量(ET0)是指從一個標準的“參照表面”發生的蒸散量。FAO定義了參照表面為高度均勻、生長旺盛、完全覆蓋土表并且供水充足的草地,其高度為12 cm,表面阻力為70 s/m,反射率為0.23。根據定義的標準參照表面,FAO提出了計算潛在蒸散量的FAO 56 Penman-Monteith公式[28]。

(3)

ETc=Kcm·ET0

(4)

式中,ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ m-2d-1)；G為土壤熱通量(MJ m-2d-1)；T為日平均氣溫(℃)；u為2 m高處日平均風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；es-ea為飽和水汽壓差(kPa)；Δ為水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；γ為濕度計常數(kPa/℃)。松嫩平原玉米種植除播種時噴灑少量水濕潤土壤外,整個生育期不灌水,基本上屬于雨養農業。在日尺度或者年尺度范圍內,土壤熱通量變化量很小,故本文中忽略土壤熱通量,認為土壤熱通量變化值為0。

在不考慮玉米品種變化的情況下,根據作物系數法(公式4)估算松嫩平原及周邊34個氣象臺站玉米生育期內日需水量,統計得到玉米不同生育時段需水量。分年代統計34個氣象臺站玉米生育期需水量,應用GIS軟件Kriging插值法對玉米生育期內需水量進行空間插值,得到玉米需水量年代際空間分布。

1.2.4 未來40年松嫩平原玉米需水量估算

氣候變化情景選取國家氣象中心提供的區域氣候模式CMIP5_Rcp 4.5排放情景數據集(0.5°×0.5°),即2100年太陽輻射強迫上升至4.5 W/m。該氣候變化情景只提供了月均溫度、月均最低、最高溫度及月均降雨量數據。根據松嫩平原經緯度坐標范圍,提取了81個格點數據。未來40年松嫩平原玉米需水量估算過程如下：1)建立歷史時期(1961—2005年)實測月均溫度數據與國家氣象中心提供的區域氣候模式月均溫度之間的統計關系,用以校正預估的未來月均溫度；2)建立歷史時期(1961—2005年)實測月均降雨量數據與國家氣象中心提供的區域氣候模式月均降雨量之間的統計關系,用以校正預估的未來月均降雨量；3)采用McCloud模型[29]基于氣溫估算歷史時期(1970—2009年)潛在蒸發量(公式5),同時采用P-M模型估算歷史時期(1970—2009年)潛在蒸散量,建立P-M模型與McCloud模型估算的潛在蒸散量線性回歸模型(公式6)。

ETMc=25.4KW(1.8T)

(5)

ETP-M=a·ETMc+b

(6)

式中,ETMc為潛在蒸散量(mm)；K=0.01；W=1.07；T為月平均溫度(℃)。

4)應用McCloud模型估算未來40年玉米生育期內(5—9月)潛在蒸散量,應用公式(6)換算成P-M模型估算的潛在蒸散量。在不考慮玉米品種變化的情況下,根據作物系數法(公式4)估算松嫩平原未來40年34個氣象臺站玉米生育期內月均需水量,統計得到玉米不同生育時段需水量。分年代統計未來40年34個氣象臺站玉米生育期內需水量,應用GIS軟件Kriging插值法對玉米生育期內需水量進行空間插值,得到玉米需水量年代際空間分布。

1.2.5 玉米灌溉需水量

松嫩平原玉米種植基本上靠雨養。有效降雨量采用目前應用最廣泛的美國農業部水土保持司推薦的方法計算[30-31]：

(7)

式中,Peff為月有效降雨量(mm/month),Pmonth為月總降雨量(mm/month)。

玉米的灌溉需水量等于玉米生育期作物需水量與有效降雨量的差值,再加上播種時灑水量和田間滲漏量。根據德惠農業生態試驗站多年試驗數據,播種時灑水量一般在5—6 m3/667m2,換算成需水量約為8 mm；遇極端干旱季節需要灌溉時,一般采用軟管噴灌,田間無積水,故田間滲漏量忽略不計。所以,玉米生育期灌溉需水量(Is)公式及不同生育時段灌溉需水量(Is_i)可分別表達如下：

(8)

(9)

式中,n為不同生育時段,d為不同生育時段持續天數。

以松嫩平原20個國家氣象臺站估算的玉米灌溉需水量進行kriging插值得到過去40年玉米灌溉需水量空間分布圖,然后以相應年代的玉米空間分布圖截取過去不同年代玉米灌溉需水量空間分布圖,取其均值作為該年代玉米灌溉需水量均值；以截取的81個格點估算的玉米灌溉需水量進行kriging插值得到未來40年玉米灌溉需水量空間分布圖,然后以2005年的玉米空間分布圖截取未來不同年代玉米灌溉需水量空間分布圖,取其均值作為該年代玉米灌溉需水量均值。應用ArcGIS軟件buffer analysis模塊計算等高線間平均距離。

1.2.6 氣候變化對玉米需水量貢獻率計算

以1970s玉米需水量為基準,計算氣候變化對松嫩平原玉米需水量貢獻率。作物需水量(WR)與潛在蒸散量及作物系數相關,在不考慮小氣候影響下與作物種植面積無關。假定玉米品種和栽培技術不變,則玉米需水量的增加來源于氣候變化。氣候變化對玉米需水量貢獻率(RCC)可采用公式(10)計算,氣候變化增加灌溉需水量(IWIcc)可采用公式(11)計算。式中,WRi為i年代玉米需水量(mm)；Si為i年代玉米種植面積(104hm2)；IWIi為i年代灌溉需水量(108m3)。

(10)

IWIcci=CRCCi×Si×IWIi

(11)

2 結果與分析

2.1 氣象要素變化特征

整理松嫩平原過去40年氣象要素數據,應用ArcGIS空間信息系統,分析氣象要素時間空間變化規律。空間上,降水量沿西南—東北、南—北方向遞增,平均氣溫和日照時數沿西南—東北、南—北方向遞減；時間上,降雨量以3.63mm/(10a)的速率減少,平均氣溫以0.16 ℃/(10a)的速率增加,日照時數以16.3h/(10a)年的速率減少。

2.2 玉米作物系數

松嫩平原種植一季玉米,根據中國科學院東北地理與農業生態研究所德惠農業生態試驗站近10年玉米栽培生育期觀測記錄數據,松嫩平原玉米種植制度年際間變化較為穩定。玉米種植一般在每年5月1日前后播種,9月20日左右收割,生育期為153d。結合FAO56推薦的玉米生育時段歷時的劃分,本文對松嫩平原玉米生育時段和相應歷時做了劃分(表1)。發育期與發育中期修正之后的作物系數略低于推薦值,其原因在于中國東北地區建立了較完善的防護林,風速較低；生育后期修正之后的作物系數略低于推薦值,其原因在于中國東北地區地處高緯度,該時段溫度下降幅度大且相對濕度低。

表1 松嫩平原玉米(中晚熟品種/組合)生育時期劃分級作物系數

表中括號內數值為該生育時段均值

2.3 潛在蒸散量校準

分別采用McCloud模型和Penman-Monteith模型計算松嫩平原20個國家氣象臺站過去40年月均潛在蒸散量,然后建立McCloud模型(y)和Penman-Monteith模型(x)之間的數量線性模型(表2)。作物非生長季節(10月—次年4月)線性模型決定系數高于作物生長季節(5—9月),模型決定系數(R2)變化范圍為0.530—0.950,表現出顯著相關性。故可用該方法估算氣候變化情景下作物潛在蒸散量。

2.4 松嫩平原玉米全生育期灌溉需水量變化

2.4.1 過去40年玉米全生育期灌溉需水量時間變化

過去40年,氣候變化對松嫩平原玉米水分需求產生影響,松嫩平原玉米全生育期需水量及灌溉需水量均呈波動增加趨勢(圖2),其中需水量以23.0 mm/(10a)的速率增長,灌溉需水量以29.1 mm/(10a)的速率增長,比需水量增長速率高26.5%。其原因在于有效降雨量呈波動下降趨勢,以6.1 mm/(10a)的速率減少。

2.4.2 過去40年玉米全生育期灌溉需水量空間變化

以松嫩平原20個國家氣象臺站估算的玉米全生育期灌溉需水量在相應年代玉米空間分布圖上進行Kriging插值,結果如圖3所示,圖中等勢線值為負數的區域,表示該區域種植玉米不需要額外灌溉水,降雨量能夠滿足玉米生育期需水量,下同。過去40年,氣候變化對松嫩平原玉米全生育期灌溉需水量空間變化產生影響。在空間變化上,灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減；同一灌溉需水量等值線北移,與1970s相比,2000s灌溉需水量臨界等勢線(灌溉需水量為0的等勢線)北移70.2 km。在時間變化上,灌溉需水量隨年代增加呈顯著增加趨勢。1970s灌溉需水量為0—100 mm,2000s灌溉需水量為0—200 mm,為1970s灌溉需水量的2倍。

表2 歷史時期McCloud模型和P-M模型估算月均潛在蒸散線性模型

圖2 過去40a玉米全生育期灌溉需水量時間變化Fig.2 Temporal variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the past 40 years

圖3 過去40 a玉米全生育期灌溉需水量空間變化(類似圖例下同)Fig.3 Spatial variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the past 40 years (The similar Legend is the same below)

2.4.3 未來40年玉米全生育期灌溉需水量時間變化

未來40年松嫩平原玉米全生育期需水量及灌溉需水量均呈波動增加趨勢(圖4),其中需水量以23.0 mm/(10a)的速率增長；灌溉需水量以17.5 mm/(10a)的速率增長,比需水量增長速率低23.9%。其原因在于有效降雨量呈波動上升趨勢,以5.5 mm/(10a)的速率增長,緩解了玉米需水量增加帶來的水分需求。

圖4 未來40 a玉米全生育期灌溉需水量時間變化Fig.4 Temporal variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the future 40 years

2.4.4 未來40年玉米全生育期灌溉需水量空間變化

以松嫩平原81個格點估算的玉米全生育期灌溉需水量在2005年玉米空間分布圖上進行Kriging插值,結果如圖5所示。未來40年,雖然氣候變化對松嫩平原玉米全生育期灌溉需水量空間變化影響相對較小,但是總的來說還是增加玉米灌溉需水量。在空間變化上,灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減。同一灌溉需水量等值線北移,但北移幅度較過去40年小；與2010s相比,2040s灌溉需水量臨界等勢線(灌溉需水量為0的等勢線)北移30.9 km。在時間變化上,灌溉需水量隨年代增加呈增加趨勢。2010s灌溉需水量為0—200 mm,2040s灌溉需水量為0—250 mm,為2010s灌溉需水量的1.25倍。說明未來氣候變化對松嫩平原玉米水分需求的影響將相對減弱。

圖5 未來40 a玉米全生育期灌溉需水量空間變化Fig.5 Spatial variation of maize irrigation water requirement during the whole growth period in the future 40 years

2.5 玉米不同生育時段灌溉需水量變化

2.5.1 過去40年玉米不同生育時段需水量時間變化

統計整理過去40年松嫩平原玉米不同生育時段灌溉需水量(圖6),4個生育時段玉米需水量隨著年代際均呈顯著增加趨勢,說明過去40年氣候變化使得松嫩平原呈變旱的趨勢。Lini時段灌溉需水量為33.7—43.1 mm,日均值為1.2 mm/d；Ldev時段灌溉需水量為102.8—127.2 mm,日均值為2.8 mm/d；Lmid時段灌溉需水量為121.7—141.9 mm,日均值為2.6 mm/d；Lend時段灌溉需水量為64.6—81.9 mm,日均值為2.3 mm/d。Ldev時段日均需水量稍高于Lmid時段,是因為該時段是玉米營養生長期,又是雨季的開始,較充沛的降雨,早期土壤蒸發作用強烈,后期植株蒸騰作用強烈,導致該時段需水量高于以植株蒸騰作用為主的Lmid時段。

圖6 過去40 a玉米不同生育時段需水量時間變化Fig.6 Temporal variation of maize water requirement during different growth period in the past 40 years

2.5.2 過去40年玉米Lmid時段灌溉需水量空間變化

Lmid時段是玉米生長的關鍵時期,以松嫩平原20個國家氣象臺站估算的玉米Lmid時段灌溉需水量在相應年代玉米空間分布圖上進行Kriging插值,結果如圖7所示。過去40年,氣候變化對松嫩平原玉米Lmid時段灌溉需水量空間變化影響較小,說明Lmid時段松嫩平原玉米需水量與降雨量相對較穩定。在空間變化上,Lmid時段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減；同一灌溉需水量等值線北移,與1970s相比,2000s灌溉需水量臨界等勢線(灌溉需水量為0的等勢線)北移53.4 km。在時間變化上,灌溉需水量隨年代增加呈顯著增加趨勢。1970s灌溉需水量為0—50 mm,2000s灌溉需水量為0—80 mm,為1970s灌溉需水量的1.6倍。

圖7 過去40 a玉米Lmid時段灌溉需水量空間變化Fig.7 Spatial variation of maize irrigation water requirement during Lmid period in the past 40 years

2.5.3 未來40年玉米不同生育時段灌溉需水量時間變化

統計整理未來40年松嫩平原玉米不同生育時段灌溉需水量(圖8),Lini時段灌溉需水量為35.4—44.8 mm,日均值為1.3 mm/d；Ldev時段灌溉需水量為110.5—129.2 mm,日均值為3.0 mm/d；Lmid時段灌溉需水量為149.1—167.9 mm,日均值為3.2 mm/d；Lend時段灌溉需水量為83.2—105.0 mm,日均值為3.0 mm/d。氣候變化背景下,4個時段玉米需水量隨年代際顯著增加,說明未來氣候變化對4個時段均有不同程度的影響。未來40年4個時段玉米需水量均高于過去40年相應時段玉米需水量,其原因一方面在于未來氣溫升高增加潛在蒸散量；另一方面未來降雨量增加,增加了可蒸散水分。

圖8 未來40 a玉米不同生育時段灌溉需水量時間變化Fig.8 Temporal variation of maize irrigation water requirement during different growth period in the future 40 years

2.5.4 未來40年玉米Lmid時段灌溉需水量空間變化

以松嫩平原81個格點估算的玉米Lmid時段灌溉需水量在2005年玉米空間分布圖上進行Kriging插值,結果如圖9所示。未來40年,氣候變化對松嫩平原玉米Lmid時段灌溉需水量空間變化影響較大,主要是Lmid時段松嫩平原玉米需水量增加較多。在空間變化上,Lmid時段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減；同一灌溉需水量等值線北移,與2010s相比,2040s灌溉需水量臨界等勢線(灌溉需水量為0的等勢線)北移55.2 km。在時間變化上,Lmid時段灌溉需水量隨年代增加變化不顯著趨勢；2020s和2030s玉米灌溉需水量為0—60 mm,稍高于2010s和2040s。

圖9 未來40 a玉米Lmid時段灌溉需水量空間變化Fig.9 Spatial variation of maize irrigation water requirement during Lmid period in the future 40 years

2.6 氣候變化對松嫩平原玉米水分需求貢獻率

分縣統計黑龍江省和吉林省農業統計年鑒(2001—2009)玉米種植面積數據,2000s年均種植面積為339.4×104hm2,占松嫩平原旱地面積(1058.1×104hm2)的32.08%。由于土地利用圖上無法分辨旱地作物種類,因此在估算作物需水量及灌溉需水量時,按照2000s玉米種植面積比例估算其他年代玉米種植面積,同時假設未來玉米種植面積與2000s相同。松嫩平原不同年代玉米灌溉需水量計算結果見表3。過去40年,玉米需水量隨著氣候變化增加；由于年代降雨量分配不均,1980s降雨量能夠滿足玉米生育期需水量要求,故不需要灌溉,其余年代均需要灌溉。1980s之前,大量的濕地、草地、林地被開墾為農田種植糧食作物,之后為保護濕地與草地,開始退耕還濕、還林、還草,旱地面積減少；1990s之后,由于糧食增產工程的實施,大量的濕地草地又被開墾為農田,旱地面積再次增加。2000s玉米種植面積比1970s面積增加3.1%,而玉米灌溉需水量增加366.7%。氣候變化情景對玉米需水量的貢獻率為波動上升,與1970s相比,在不考慮玉米新品種及新栽培技術的應用情況下,2000s氣候變化對玉米需水量的貢獻率為22.1%,2040s氣候變化對玉米需水量的貢獻率為38.3%。氣候變化將增加玉米水分需求,在不考慮玉米新品種及新栽培技術的應用情況下,與1970s相比,2000s氣候變暖將增加6.8×108m3灌溉水量,2040s氣候變暖將增加12.6×108m3灌溉水量。

表3 氣候變化對松嫩平原玉米需水量貢獻率

3 討論

區域氣候模式提供的氣候變化情景,一般提供溫度與降雨量2個參數。學者們多采用Hargreaves模型計算氣候變化情景下作物潛在蒸散量[32-33],該模型需要太陽輻射、平均溫度、最低溫度、最高溫度4個變量。由于區域氣候模式提供的氣候變化情景是在假定的太陽輻射強度下預測區域未來氣象要素變化量,太陽輻射本身就是一個自變量,如果用太陽輻射估算未來氣候情景下潛在蒸散,將增加其估算誤差。此外,Hargreaves模型所用參數少于P-M模型,其潛在作物蒸散量精度也低于P-M模型。本研究中,首次引入一種估算氣候變化情景下作物潛在蒸散量方法。即先采用溫度變量模型McCloud模型[29]估算歷史時期作物潛在蒸散量,同時采用P-M模型估算歷史時期潛在蒸散量,建立2個模型之間的線性數量模型；再采用McCloud模型估算氣候變化情景下作物潛在蒸散量,利用之前建立的線性數量模型換算成P-M模型估算潛在蒸散量。該方法估算的作物潛在蒸散量精度較高,能夠作為一種估算氣候變化情景下的潛在蒸散量方法。

本研究中應用水量平衡模型估算作物灌溉需水量,引入有效降雨量替代降雨量數據。采用的有效降雨量模型源自美國美國農業部水土保持司推薦的方法。目前計算有效降雨量的常用方法有直接實地監測技術、經驗方法和土壤水量平衡法[31]。Patwardhan等[30]提出了基于土壤水量平衡模型的兩種有效降雨量計算方法及適用條件；馬建琴等[34]根據田間水量平衡原理建立了作物在線實時灌溉模型,提出了采用經驗的降雨利用系數法計算有效降雨量；劉戰東等[35]對旱作物有效降雨量計算模式進行了研究,通過計算結果的可靠性和適應性對比分析,發現不同模式在相同條件下模擬計算的結果存在明顯的差異。中國東北松嫩平原過去40年(1970—2009)作物生長季節(5—9月)月均降雨量為81.5 mm,與該方法引入的降雨常數125差別較大,將使得估算的有效降雨量與真實值差異較大,從而影響估算的灌溉需水量精度。對非充分實時灌溉來講,有效降雨量是制定作物灌溉制度、灌溉用水管理的一個重要影響因素。因此,有必要通過田間試驗和室內模擬實驗構建適合中國區域的有效降雨量估算模型,這也將是今后研究作物灌溉需水量研究的一個重要方向。

作物不同生長階段對水分需求不一樣,關鍵需水期缺水將導致減產甚至絕收,研究作物不同生育時段需水規律能夠減少或減輕這種不利影響。本研究在估算作物灌溉需水量時,沒有考慮降雨的季節分配不均,因而得到的灌溉需水量值比實際值偏低。同時,本研究中假定作物品種特性和生育期不變,僅從作物潛在蒸散量和降雨量2方面考慮氣候變化引起的作物需水量改變及其對水分供需的影響。事實上,影響作物水分供需變化的因子十分復雜,如果能結合機理性強的作物生長模型將會更好地揭示這一影響過程。另外,溫度升高也會引起作物生育期的改變,從而導致作物水分盈虧程度可能稍有變化。但是確定大范圍作物生育期的改變需要多點多年逐日氣象資料、多年作物生育期觀測資料和具有普適性的作物生長模式等,目前還存在一定難度,這些都將有待于今后進一步討論和研究。

4 結論

本文通過分析氣候變化背景下松嫩平原玉米需水規律和灌溉需水量時空分布規律,得到如下結論：

(1) 氣候變化(溫度和降水量)對松嫩平原玉米需水量和灌溉需水量空間分布產生影響。歷史時期和氣候變化情景下,松嫩平原玉米全生育期和Lmid時段灌溉需水量等值線沿西南—東北方向遞減,其中全生育期和Lmid時段2000s灌溉需水量臨界等勢線(灌溉需水量為0的等勢線)分別比1970s北移70.2 km和53.4 km,全生育期和Lmid時段2040s灌溉需水量臨界等勢線分別比2010s北移30.9 km和55.2 km。

(2) 歷史時期和氣候變化情景下玉米全生育期灌溉需水量隨年代呈波動增加趨勢,分別以29.1 mm/(10a)和17.5 mm/(10a)速度增加。

(3) 氣候變化情景對玉米需水量的貢獻率為波動上升,與1970s相比,2000s氣候變化對玉米需水量的貢獻率為22.1%,增加6.8億m3灌溉水量；2040s氣候變化對玉米需水量的貢獻率為38.3%,增加12.6億m3灌溉水量。

致謝：感謝國家氣候中心提供的中國區域未來氣候變化模擬結果。

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Estimation and prediction of maize irrigation water requirement based on climate change in Songnen Plain, NE China

HUANG Zhigang1,2,*, XIAO Ye1, ZHANG Guo3, CAO Yun4, PENG Baofa1

1HunanUniversityofArtsandScience,Changde415000,China2NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130102,China3ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China4NationalMeteorologicalCenterofChina,Beijing100081,China

It is important to study crop water requirement rule for water-saving irrigation and water regulation management of dry land crops in arid and semi-arid regions. In this study, the maize water requirement was estimated by means of McCloud model and Penman-Monteith model, and the amount of irrigation water in maize field was estimated by water balance approach in Songnen Plain, NE China. The main results are shown below: (1) both in historical period and projected climate change scenario, the maize irrigation water amount contour lines during the whole growth period andLmidperiods decreased along southwest to northeast geographically, and the same irrigation water amount contour line moved north with the progression of decades. Compared with 1970s, the zero equipotential line of irrigation water requirement during the whole growth period andLmidperiod in 2000s moved to north by 70.2 km and 53.4 km, respectively. Compared with 2010s, the zero equipotential line of irrigation water requirement during the whole growth andLmidperiods in 2040s moved to north by 30.9 km and 55.2 km, respectively. (2) The maize irrigation water requirement during the whole growth period increased volatility coupled with the progression of decades both in historical conditions and in projected climate change scenarios, and the rate of the increase was 29.1 mm/(10a) in historical period and 17.5 mm/(10a) in projected climate change scenarios. (3) Compared with 1970s, contribution of climate change to the maize irrigation water requirement was 22.1% in 2000s and 38.3% in 2040s, namely an increase of 6.8×108m3in irrigation water requirement in 2000s and an increase of 12.6×108m3in irrigation water requirement in 2040s.

climate change; effective rainfall; maize water requirement; irrigation water requirement; contribution rate of climate change

10.5846/stxb201512142497

國家自然科學基金項目(31100320); 國家重點基礎研究發展計劃(973計劃, 2010CB428404); 河南省教育廳高校重點科研項目(15A180052);洞庭湖生態經濟區建設與發展湖南省協同創新中心聯合支助

2015- 12- 14; 網絡出版日期:2016- 08- 30

黃志剛,肖燁,張國,曹云, 彭保發.氣候變化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及預測.生態學報,2017,37(7):2368- 2381.

Huang Z G, Xiao Y, Zhang G, Cao Y, Peng B F.Estimation and prediction of maize irrigation water requirement based on climate change in Songnen Plain, NE China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2368- 2381.

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huangzhigang03@sina.com