黑河流域不同農作物耗水量時間序列變化研究

韓杰

摘 要：黑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：黑河流域主要農作物ETC時間序列階段性特征在三個流域中最為顯著;除春小麥外，其他農作物的ETC整體波動曲線相似，但棉花、葡萄和瓜類作物ETC隨時間波動較大，其他作物之間差別不明顯。春小麥和胡麻作物總耗水量呈顯著下降趨勢，玉米、薯類、棉花、蔬菜、瓜類、葡萄作物則表現為顯著上升趨勢。

關鍵詞：水足跡;農業耗水量;時間序列

1 研究區概況

黑河發源于祁連山北麓，流經青海、甘肅、內蒙古三省，是我國第二大內陸河，在西北干旱半干旱地區，在綠洲發育、生態屏障等方面，發揮著重要功能。該流域氣候干燥，降水稀少且集中，太陽福射強烈，晝夜溫差大。受大陸性氣候和祁連山-青海湖氣候區的影響，黑河流經河西走廊的區域屬于中溫帶氣候區。由于黑河流域受季風的影響，流域內水資源在時空上發生了不均勻分布，汛期降水量大而集中，春季降水量少而不穩。

黑河流域中游地區包括甘肅省的民樂、山丹、臨澤、張掖、高臺等縣（市），屬于灌溉農業經濟區域。2013年本區總人口為207.29萬人，作物播種面積為528.39萬畝，其中糧食作物播種面積為319.99萬畝，經濟作物面積191.99萬畝，飼草面積16.41萬畝。黑河流域中游的張掖地區、酒泉地區和嘉峪關市的部分地區，有干渠192條之多，總長度達到2545km，平均襯砌率為57.5%。據統計，該流域現有機電井6484眼，年開采能力達到5.115億m3。

黑河中游地區面臨嚴重的區域生態環境問題，在水土資源問題上表現的尤其突出。近幾十年來，隨著人類社會的進步和經濟的逐步發展，人工綠洲面積也在不斷擴大，但是，水土資源系統卻遭到了重大打擊，生態用水被農田用水大量的擠占，天然草場快速退化，取而代之的是不斷增加的耕地、城鎮聚落，水土資源系統與人工綠洲之間已經不能協調發展。

2 作物綠水與藍水計算方法

水足跡的概念被用來評估黑河流域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=WFcrop，green+WFcrop，blue[m3/ton]

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：

ETcrop=Kc×ET0（mm/day）

WFcrop=10×∑lgpd=1ETcrop（m3/ha）

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），ET0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黑河流域尺度農作物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。

根據黑河流域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。

黑河流域主要農作物ETC隨時間均呈上升趨勢，且階段性特征明顯，以2004年為分界點分為兩個顯著的波動階段，除春小麥外，其他農作物的ETC波動曲線存在整體一致性，變化特征相似。1991-2013年農作物ETC隨時間上升較快的是玉米、油菜、胡麻和葡萄作物，分別為每10年增加47mm、41mm、38mm、52mm，上升相對較慢的為春小麥和蘋果作物，分別每10年增加26mm、28mm。通過變差系數可知，1991-2013年棉花、葡萄和瓜類作物的潛在蒸散量隨時間波動較大，其他作物之間差別不大。

1991-2004年黑河流域多數作物ETC距平值為負，ETC的突變性在河西三大流域中最為顯著，以2004年為突變年份。除春小麥和瓜類外，其他作物的線性傾向率均為負值，ETC隨時間變化呈下降趨勢，且作物之間線性傾向率相差較大，玉米、薯類、棉花、胡麻、油菜、蔬菜、蘋果、葡萄每10年作物蒸散量分別下降16mm、11mm、16mm、6mm、7mm、12mm、5mm和22mm，春小麥ETC隨時間每10年增加74mm。根據1991-2004年作物ETC變差系數，10種作物的ETC波動幅度差異性不顯著。

2005-2013年所有作物的距平值均為正，潛在蒸散量均高于平均值，線性傾向率也都為正，作物ETC隨時間變化均呈上升趨勢，其中玉米和葡萄作物上升幅度較大，分別為每10年增加20mm、21mm，蔬菜和薯類ETC每10年增加量相對緩慢，分別為6mm、11mm。在兩個時期內，多數作物ETC的波動性存在減小的趨勢。

4 黑河流域分作物總耗水量時序分析

1991-2013年黑河流域作物總耗水量隨時間呈逐漸增加趨勢，且曲線波動存在階段性，1991-2002年作物總耗水量在波動中呈下降趨勢，2003-2013年近10年間作物總耗水量呈現顯著上升趨勢。分農作物耗水量占比時間序列變化特征表明，春小麥、棉花、薯類、蔬菜、瓜類、葡萄作物總耗水量占比呈現逐年增加趨勢，玉米、油料作物（胡麻、油菜）耗水量占比則逐年降低。其中春小麥下降趨勢較為顯著，2001年以前，春小麥作物總耗水量占比最大，達到36%以上，是主要耗水作物，2001年之后，玉米則上升為主要耗水作物，占據主導地位，近兩年玉米作物總耗水占比已達40%。目前三大主要耗水作物分別為玉米、春小麥和蔬菜，三種作物總耗水量已經占黑河流域農業總耗水量的60%以上。

1991-2013年分農作物總耗水量時間序列變化曲線如圖3-11所示，春小麥、胡麻、油菜、蘋果作物總耗水量隨時間均呈下降趨勢，其中，春小麥和胡麻作物變化趨勢通過顯著性檢驗，擬合優度分別達到0.586、0.689，每10年耗水量分別下降108m3、2×107m3。油菜作物總耗水量隨時間波動性較大，下降趨勢不顯著。玉米、馬鈴薯、棉花、蔬菜、瓜類、葡萄作物總耗水量隨著時間逐漸上升，且通過顯著性檢驗，擬合優度分別為0.791、0.799、0.497、0.926、0.403、0.829，作物總耗水量每10年分別增加2×108m3、6×107m3、18×106m3、8×107m3、106m3、12×106m3。

參考文獻

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