石羊河流域不同農作物耗水量時間序列變化研究

韓杰

摘 要：石羊河流域作為以灌溉農業為主的區域，存在用水效率較低，水資源浪費嚴重的問題，農業用水供需矛盾十分突出。所以，本研究在水足跡的基礎上，通過Penman-Monteith公式，計算了流域尺度10種主要農作物1991-2013年蒸散量、總耗水量的時間序列變化特征，研究結果表明：石羊河流域玉米、棉花、瓜類和蘋果作物ETC時間序列變化特征相似，薯類、胡麻、油菜、蔬菜和葡萄作物ETC時序變化特征相似，春小麥作物則具有獨特性;除春小麥和胡麻作物外，其他農作物總耗水量均呈上升趨勢。

關鍵詞：水足跡;農業耗水量;時間序列

1 研究區概況

石羊河流域是我國西北部河西走廊三個內陸河盆地之一，位于甘肅省的東部 ，處于東經101°41′-104°16′，北緯36°29′-39°27′，屬于干旱半干旱地區。石羊河流域行政區劃上主要包括金昌市和武威市，本區的東南部與白銀市、蘭州市相鄰，西南部與青海省接壤，西北部與張掖相連，東北部與內蒙古自治區毗鄰，流域面積達4.16萬km2，占整個河西地區總面積的15.4%。

石羊河流域內水資源短缺，加上水資源被過度的開發利用，導致流域內社會經濟和生態環境的可持續發展受到嚴重威脅。

2 作物綠水與藍水計算方法

水足跡的概念被用來評估石羊河流域10種主要農作物的需水量，農作物生長期內水足跡（WF crop）的計算方法參照Hoekstra et al：

WFcrop，green指的是作物生長過程中綠水消耗量，綠水其實就是作物生育期內雨水的總蒸發量，WFcrop，blue是藍水資源的消耗量，包括河水、湖水、地下水或總灌溉水蒸發量[m3/ha]。

這里因為數據的局限性以及農作物的灰水消耗量并不是嚴格意義上的實體水消費，而主要和水污染相關，所以灰水沒有被考慮進去。為了計算WFgreen和WFblue，需要通過作物調節系數（KC）計算作物蒸散量（ETC），參考作物蒸散量（ET0）的計算公式如下：

作物蒸散量是兩部分的水分流失，分別為土壤表面的蒸發和作物蒸騰。ETcrop是作物蒸散量（mm/day），Kc為作物調節系數（無量綱），ETo是參考作物蒸散量（mm/day），參照聯合國糧農組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式，運用Cropwat作物需水軟件進行計算。此方程是WFcrop的一般計算方法。因子10是將水深單位mm轉化為水的體積單位m3/ha.求是指作物生長期內從播種日（第一天）到收獲日總蒸散量，lgp表示生長期的天數。通過作物蒸散量ETcrop計算WFgreen和WFblue的具體步驟如下：

計算每種作物的蒸散量ETcrop;計算作物生長期內的有效降水量;

WFcrop，green通過比較作物生長期內的潛在蒸散量與有效降水量（ER）來確定，當ET>ER時，WFcrop，green等于有效降水量;然而，當ET

WFcrop，blue即是灌溉需水量，如果ET>ER， WFcrop，green=ET-ER;若ET

3 作物潛在蒸散量（ETC）時間序列分析

用線性回歸分析法對石羊河流域尺度農作物ETC時間序列變化進行線性傾向性分析，用變差系數Cv表示作物蒸散量年際變化的離散程度，用時間序列距平值判斷時間節點和異常值。

農作物ETC線性傾向率通過最小二乘法得到，具體計算公式為：

式中，b為作物蒸散量的線性傾向率，xj表示第j年作物x的蒸散量，tj為第j年對應的時間，n為時間序列樣本量。

變差系數的計算公式如下：

式中，cv為變差系數，S表示標準差，xj為農作物x第j年的ETC值，x-為作物蒸散量的時間序列均值，n代表樣本量。Cv值越大表示時間序列的離散程度越大，波動性越強，反之數據序列越平穩，波動性越小。

根據石羊河流域ETC時間序列變化特征以及不同時間段的距平值，對近25年作物ETC時間序列變化做分階段研究。

階段性分析結果顯示，1991-2003年10種作物ETC的線性傾向均為正，增加幅度較大的是糧食作物（春小麥、玉米）、薯類、油料作物（胡麻、葵花）和葡萄作物，每10年增加10mm以上，其余作物類型增加量均在10mm以下。瓜類的ETC波動性較大，CV高達0.091，其余作物類型之間差異不顯著。

2004-2013年所有作物的ETC均隨時間變化逐年下降，且下降速度大于1991-2003年間的增加速率，ETC隨時間下降較快的作物為蔬菜、春小麥、油料（胡麻、油菜），每10年分別減少41mm、40mm、35mm、28mm，棉花和葡萄的ETC下降速率較慢，每10年的減少量在10mm以下。10種作物的波動幅度差異不大，CV基本都在0.04～0.05之間。1991-2013年10種農作物類型ETC在整體保持上升趨勢的基礎上，在兩個時期內，均呈現先緩慢上升，然后以稍快的速度下降的變化趨勢，其中糧食作物（春小麥、玉米）、油料作物、蔬菜和薯類作物的上升和下降速度均較快，棉花和葡萄作物的兩種變化趨勢均不明顯。兩個時期內，除棉花和瓜類外，其余作物類型的變化率均呈現由小變大趨勢，波動性逐漸增強。

4 石羊河流域分作物總耗水量時序分析

1991-2013年石羊河流域作物總耗水量隨時間在波動中呈逐漸上升的趨勢， 10種作物耗水量占比隨時間變化情況為1991-2013年間春小麥耗水量在所有農作物中占絕對優勢，達到50%以上，但占比逐年下降，玉米和蔬菜總耗水量占比逐年增加，近兩年玉米總耗水量所占比重已經超越春小麥，占比達到34%，成為主要耗水作物，蔬菜次之（23%）。油料作物（胡麻、葵花）和蘋果作物總耗水量占比在波動中呈下降趨勢，葡萄、棉花和瓜類作物總耗水量占比隨時間逐漸增加，其中葡萄作物總耗水量占比隨時間增加較快。

參考文獻

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