氣候與土地利用變化對于田綠洲農業耗水特征的影響

杜夢迪， 李 蘭， 羅光明， 董克鵬， 師慶東,3

(1.新疆大學 資源與環境科學學院， 新疆 烏魯木齊 830046; 2.新疆綠洲生態重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046; 3.新疆大學 干旱生態環境研究所， 新疆 烏魯木齊 830046; 4.新疆興農網信息中心(新疆農業氣象臺)， 新疆 烏魯木齊 830002; 5.新疆和田水文水資源勘測局， 新疆 和田 848000)

綠洲是西北邊疆居民賴以生存的地方，也是政治、經濟、文化等活動的重要場所，綠洲的興衰直接影響著一個地區的發展[1-2]。維系綠洲生存的水資源主要來源于山區河道，其中部分水資源直接通過蒸發消耗，一部分水資源下滲后匯入地下水，能夠利用的水資源相對較少[3]。隨著于田綠洲的經濟迅猛發展，也造成了許多矛盾的產生。例如不合理的開發，墾荒造成了林地草地面積迅速減少，土地鹽漬化，荒漠化加劇。而綠洲的耗水分析則能夠直接揭示水資源利用的本質[4]。氣候和土地利用/覆蓋變化通過影響地表蒸發、大氣降水、下滲等方式直接或間接的影響該地區水資源儲備量[5-8]。

目前，學者們多利用氣候變化來分析農業耗水，如繆啟龍等[9]利用氣候數據為基礎建立了長江三角洲的農業耗水的物理模型，結果表明未來該區域氣溫升高，農業耗水量呈現增加趨勢。證明了氣候的變化會直接影響到農業的耗水。孫悅等[10]，胡珊珊等[11]，郭軍庭等[12]利用氣候和土地利用變化來分析流域徑流量，其分別分析了渭河，白洋淀和潮河的徑流變化，并分析了徑流變化對當地環境的影響。土地利用的改變也直接影響到當地農業的耗水量，耕地的變化，以及土地管理的改變都將直接影響到農業耗水量的改變。結合氣候變化和土地利用變化來分析農業耗水的研究相對較少，因此本文以于田綠洲及境內的克里雅河為例，以該地區氣候及土地利用變化為對象，分析該地區農業耗水的變化情況以及對其產生的影響，以期為于田綠洲未來發展及推動其社會發展提供指導。

1 研究區概況

新疆維吾爾自治區于田縣坐落于昆侖山北部，塔里木盆地南部。該地區多年平均氣溫9.53 ℃，極端最高溫43℃，多年平均蒸發量為1 708.49 mm，多年平均降水量為55.87 mm。年平均水資源總量為4.20×109m3，可利用的水資源總量占年平均水資源總量的32.4%，其中河流水總量占20%，地下水總量占12.4%[13]。蒸發量大，水資源有限導致于田縣內植被覆蓋率低，生態環境十分脆弱。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文研究所用數據主要包括： ①氣象數據為于田縣國家地面氣象臺站1980—2018年逐日數據集，主要氣象數據包括平均風速、日照時數、相對濕度、降水量以及蒸發量等； ②研究區內河流1957—2014年水文數據來源于和田水文水資源勘測局； ③全國行政區劃圖來源于資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn/)； ④CropWat模型計算所需的土壤和作物相關參數來自國際糧農組織(FAO)的CROP數據庫； ⑤1990年和2018年的Landsat土地利用數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)。

2.2 研究方法

Penman-Monteith公式。ET0代表參考作物的日需水量，其主要是針對氣象因素對作物耗水量的影響。聯合國糧農組織(FAO)推薦的修正的標準彭曼公式為[14]：

ETc=ET0×kc

(1)

(2)

式中：ETc為作物土壤蒸發量(mm/d)； ET0為參照騰發量(mm/d)；kc為作物系數。Rn為作物表面的凈輻射量(MJ/m)；G為土壤熱流量(MJ/m)；T為平均氣溫(℃)；U2為離地面兩米處風速(m/s)；ea為飽和狀態下的水氣壓(kPa)；ed為實際水氣壓(kPa)； Δ為蒸氣壓力曲線斜率(kPa/℃)；γ為干濕度常數(kPa/℃)。

3 結果與分析

3.1 于田綠洲氣候變化特征

本文采用了研究區內于田氣象站1980—2018年的逐日氣象數據集，以氣溫、降水量、日照時數、風速、相對濕度和20 cm蒸發皿測量的蒸發量等氣象要素作為研究對象并進行分析。得到了年平均溫度、年降水量、年蒸發量和年均日照時數、年均風速和年均相對濕度在時間序列上的變化趨勢，以此來分析氣候要素變化對綠洲耗水變化特征可能造成的影響。詳見圖1。

由圖1a可知年均氣溫的變化特征。研究區的年平均氣溫自1980年至2018年總體呈現上升趨勢。2016年時年均氣溫達到最大值13.3 ℃。在分析的38 a中，年平均氣溫正負距平出現的分別為16和22，出現的頻率基本相當。其中負距平主要出現在1983—1997年之間，而正距平在近年內出現頻率較高，自1996年以后的22 a間，僅有2012年的年平均氣溫為負距平。

圖1 1980-2018年于田綠洲各氣象要素變化特征

由圖1b可知年均降水量的變化特征。由于研究區位于塔克拉瑪干沙漠腹地，總體降水量小。年均降水量僅為55.9 mm。近38 a中年均降水總體呈現出增加趨勢，2010年降水量達到峰值153.9 mm。

由圖1c可以看出年均日照時數的變化特征。由于地理因素，常年日照充足，其年平均日照時數2 884 h。最高值為1980年的3 160 h，最低值出現1989年為2 463 h。在20世紀80年研究區內的日照時數總體呈現下降趨勢，從2010年才開始呈現上升趨勢，2011年之后增勢更為明顯。

由圖1d可知年均風速的變化特征。在這38 a中研究區內年平均風速數值總體較低且年均風速變化幅度很小，年均風速僅有1.25 m/s。在2000年以前，風速變化幅度較大，到了近幾年變化幅度很小，甚至出現了連續幾年沒有變化的情況。

由圖1e可知年蒸發量的變化特征。數據表明該地區年平均蒸發量總體呈現顯著的下降趨勢。在進入21世紀以前年均蒸發量均高于平均值，在1994年發生突變，年均蒸發量下降了214 mm，且在此之后負距平出現頻率較高，在1994—2018年的24 a間，負距平就出現了21次，出現頻率達87.5%以上。

由圖1f可知年均相對濕度的變化特征。研究區年均相對濕度為46.5%。最高值出現在20世紀末期為55.0%，最低值出現在16 a以后的2009年(39.0%)。1980—1990年的38 a中研究區的年均相對濕度整體呈現下降趨勢。1987—2005年的18 a中，年均相對濕度總體高于平均值，在2005年以后則總體低于平均值。

由表1可知，于田綠洲各氣候要素年代際變化。特征具體為：總體變化趨勢表現為氣溫，降水和日照時數均呈增長態勢，年蒸發量和相對濕度則呈降低的趨勢，風速變化幅度較小，基本保持不變，其變化趨勢與年際變化一致。就各要素來看，20世紀80年代的年平均氣溫在各年代際中最低，只有11.42 ℃，低于多年平均值11.96 ℃，90年代以后氣溫逐漸呈升高趨勢；降水呈波動性增加，2011—2018年間為最高值，年降水量達到74.52 mm，遠遠高于多年均值55.87 mm；年日照時數變化與降水相似也呈現波動勢增加，其中最低值為20世紀90年代，僅有2 773 h，最高值為2011—2018年間的2 948.08 h；平均風速總體變化不大，在80年代達到最大值1.42 m/s，其后10 a里風速減小，僅有0.98 m/s，已接近歷年最小值；年蒸發量呈現波動狀，90年代蒸發量達到最大值2 390.47 mm，在2001—2010年間僅為1 110.66 mm，遠遠低于年平均值1 708.49 mm；年均相對濕度總體呈現下降趨勢，在2011—2018年間最低值為43.56%。

表1 于田綠洲氣候要素年代際變化

研究區內氣候的改變，對該地區農業耗水產生了一定的影響。降水的變化直接影響到當地水資源的儲量和分配。便隨著氣溫升高，導致的蒸發量，相對濕度等一系列變化，影響了農業生產時的水資源利用。由于干旱區脆弱的生態環境，也導致了氣候變化對于農業水資源的利用會產生更多的影響。

3.2 土地利用/覆蓋特征分析

對干旱區而言，綠洲的水資源是制約經濟發展的重要因素，它能夠直接影響到土地的分配及使用。反之，土地利用變化也必然造成綠洲水資源的重新分配[15-17]。因此綠洲土地利用/覆蓋變化也必將直接影響到綠洲的水資源消耗。如附圖5(見封2)所示，根據于田綠洲土地利用變化特征和實際情況，將研究區土地利用分為6種類型，分別為耕地、林地、草地等6大類，以于田縣1990年的TM遙感影像和2018年的Landsat OLI遙感影像為數據源，通過監督分類得到2個時期的土地利用/覆蓋分類圖，其kappa系數分別為0.84和0.86，總精度均達到87%以上，達到分類要求(見表2)。

表2 1990和2018年于田綠洲土地利用/覆蓋分類面積與比例

由表2和附圖5(見封2)可知，研究區內的75%的土地利用/覆蓋面積是未利用地和草地，28 a間該地的土地利用/覆蓋的大小和空間分布上都發生了不同程度的改變。1990—2018年間，研究區內的耕地、林地、建設用地、未利用地都表現出增加的趨勢，而草地和水域則呈現明顯減少，具體表現在： ①耕地，其面積改變是6類變化中最大的，由1990年的24 749.31 hm2增加到2018年的39 822.84 hm2，面積增長了近61.0%，且新增耕地主要位于原有耕地外圍及河道周圍水資源較為豐富的地區； ②林地，其面積由1990年616.65 hm2增加到2018年的1381.32 hm2，其變化面積增長一倍以上，只是由于當地政府大力提倡植樹造林、推行退耕還林還草政策等政策使得林地面積大幅度提高； ③草地，草地總面積總體呈現減少趨勢，主要是由于研究區內耕地面積和城市居民用地的增加所導致，直接造成草地面積減少占到總面積的9.49%，其改變量是所有類型中最大的，達到48.26%； ④水域面積總體也呈現了減少的趨勢，比較1990年水域面積4 607.2 hm2，2018年水域面積共減少了60.0%以上，這是耕地面積的增加造成研究區內農業耗水量的增加所導致的； ⑤城鎮建設用地總體面積呈現增加狀態，相較于1990年的3 595.64 hm2，2018年其面積增長了882.76 hm2，而建設用地的增加也意味著城鎮建設的進展加速，對于小城鎮的發展起到了促進的作用； ⑥未利用地的面積總體呈現增加狀態，是由于減少的一部分草地轉化成為未利用地。變化面積占總變化面積的7.17%，僅次于耕地。

于田縣是以種植棉花、小麥等作物為支柱產業的農業縣。綠洲耕地面積的增加直接導致該地區農業水資源用量的改變。從全流域角度看，水資源的分配受到中游綠洲區農業耗水的直接影響，其用水量的增加使得中下游徑流量減少甚至斷流，引起中下游地區用水緊張。因此，土地利用的改變直接對該地區水資源的儲量和分配產生巨大的影響，并將直接改變該地區水資源效應的轉變。

3.3 于田綠洲耗水特征分析

3.3.1 于田綠洲的耗水組成 于田綠洲是一個典型脆弱的荒漠綠洲，山區是其徑流產生的主要區域，平原綠洲則是水資源消耗的主要區域，而荒漠是水資源的最終耗散區[18]。水資源的消耗主要在于區域內工農業生產和生態需水，包含各類用地的蒸發以及生活用水等各種消耗。1990年Falkenmark等[19]首次提出了綠水和藍水的概念，綠水是指由降水直接形成儲存在未飽和的土壤中并能夠為植物所直接利用的水資源，藍水則是指傳統意義上的水資源，即河流、湖泊、水庫、池塘及蓄水層中的水。因此，本文將利用藍水和綠水的概念來分析于田綠洲的耗水變化特征。

3.3.2 藍水耗水分析 于田綠洲農業水資源利用方式主要是以灌溉為主，其水資源主要來源于克里雅河。克里雅河流域上游山區由于地形原因，山區內部無農田分布，且人類活動稀少，因此將山區徑流量視為自然徑流量。徑流流經出山口后進入山前平原，于田綠洲內大部分的農田和人類活動都集中在這個區域，所以這片區域也是該地區的主要耗水區域。鑒于克里雅河最終消散在沙漠腹地，可以認為其出山口的徑流量為該地區藍水耗水總量。由于地下水難以測算，本文將直接以克里雅河的地面徑流的消耗量來表示于田綠洲的藍水消耗量。選取克里雅河流域的蘭干水文站1957—2015年逐月徑流量數據。鑒于于田綠洲的年均氣溫逐漸升高，因此山區內的積雪與冰川加速融化，降水量變化不明顯但依舊呈現出逐年增加趨勢，從而使得以山區融水為主要水源的克里雅河徑流量增勢明顯。克里雅河出山口水文站1956—2015年年徑流量變化特征見圖2。

圖2 1957-2015年克里雅河徑流量變化趨勢

由圖2可以看出，1957—2015年近59 a來，克里雅河的年徑流量均呈顯著增加的趨勢。1960—1980年間總體徑流量變化幅度較小，而進入80年代后期直至90年代前期整體徑流量呈現下降趨勢，10 a平均徑流量下降了2.18×108m3；1992—2015年的24 a間，總體呈現上升趨勢，在2000年以前增勢尤為明顯，徑流量的最大值為2010年的3.14×109m3。

克里雅河徑流自出山口流出后，河水被分流進入各個河渠灌區，綠洲耕地面積的變化和灌溉引水將影響到河流的水文過程。因近年來綠洲耕地面積增加，使得河流徑流量在經過綠洲后水量也大幅減少。于田綠洲主要以農業生產為主，工業生產規模很小，因此于田綠洲農業生產耗水總值為其藍水耗水總量。

3.3.3 綠水耗水分析 綠水流和綠水儲量是綠水的兩個部分，其中綠水流是指實際的蒸散發，綠水儲量指土壤中的水量。將作物耗水量乘以相應作物種植面積，可得到該作物的綠水總耗水量。綠水耗水量并不代表實際耗水量，僅反映正常生長環境下作物生長需耗散的綠水量[20-22]。

根據Penman-Monteith公式，計算2000—2015年間作物綠水耗水量ET0。因研究區農作物種植以棉花、小麥、玉米為主，為計算作物耗水量時方便選用合理的作物系數，假定研究區內的農作物為棉花、小麥和玉米，根據公式計算區域綠水的耗水總量。圖3為于田綠洲主要農作物生長季耗水量逐年變化特征。

圖3 于田綠洲主要農作物生長季綠水耗水量逐年變化特征

從圖3中可以看出，不同農作物之間綠水耗水量有著較大的差異。研究區內綠水耗水量最大的作物為棉花，其多年生長季平均綠水耗水量為108 mm，是小麥(88.3 mm)的1.22倍，而玉米的生長季綠水耗水量則為27.4 mm，僅為棉花耗水量的25.4%。由于氣候的變化及耕地面積的增加，研究區各農作物的綠水耗水量均有不同程度的增長。其中，棉花是生長季耗水量增長幅度最大的作物，這是由于棉花是一種高耗水的作物同時也是該地區最主要的經濟作物。

通過計算出的于田縣主要農產品作物耗水量并乘以其相應作物種植面積，即可得到于田縣主要農產品的綠水總耗水量(見圖4)。

圖4 2000-2015年于田綠洲綠水耗水總量變化趨勢

由圖4可以看出，作物綠水總量上升幅度明顯，由2000年的2.05×109m3上升至2015年的3.87×109m3，15 a間增長了1.82×109m3，主要表現為2003年以后總綠水量增勢十分顯著。2000年棉花的綠水耗水量為7.17×108m3，占研究區2000年總綠水耗水量的35.00%，2015年棉花的綠水耗水量為1.61×109m3，占研究區總綠水耗水量的41.67%；2000年小麥的綠水耗水量為8.14×108m3，占研究區2000年總綠水耗水量的39.74%，2015年棉花的綠水耗水量為1.20×109m3，占研究區總綠水耗水量的31.08%。數據表明研究區內棉花和小麥為主要經濟作物，棉花和小麥的種植面積也呈現增加的趨勢，這是導致研究區綠水含量增加的主要原因。

4 討論與結論

4.1 討 論

本文主要從氣候變化和土地利用/覆蓋變化兩個方面來分析于田縣主要農作物耗水情況。通過分析研究區氣候變化，可以得知其是影響綠洲水資源利用的重要因素之一。研究區內各氣象要素均發生了不同的變化，包括氣溫升高、降水增多、日照減少等。總體表明為研究區內氣候朝著暖濕方向發展，使得克里雅河的徑流量增加，這直接影響到地區水資源分布和管理，為綠洲區大力發展和擴大規模提供了基本水源保證。同時也使得作物蒸散量發生了改變，這將直接影響到水資源的消耗和利用。

通過分析研究區土地利用/覆蓋變化，可以得知其是影響綠洲水資源利用的重要因素。研究區土地利用/覆蓋變化顯著，變化程度最大的是耕地，較1990年的耕地面積，至2018年面積共增長了近15 073.53 hm2。于田綠洲是以農業經濟為主體的農業縣，該地區灌溉是以地表水為主，耕地面積的增加直接影響到該地區的農業用水量的增長，從而使得在徑流量增加的前提下，地區水域面積還是呈現減少的趨勢。綜上所述可知，綠洲耕地面積的增加是于田綠洲耗水量增加最主要的原因。

氣候變化的影響下，氣溫升高使得冰川融雪增加，從而導致地表徑流量增加，同時使得作物蒸散量增加，需水量增加。于田縣內農業灌溉主要依賴于地表水，其耕地面積的增加使得灌溉需水量增加，直接導致作物的綠水總耗水量增加。

4.2 結 論

本文選取于田縣及其境內的克里雅河流域作為研究對象，以于田綠洲近38 a氣候變化以及1990和2018年土地利用/覆蓋變化為主線，對研究區的主要作物耗水進行了分析，并得出以下結論：

(1) 近38 a來，于田綠洲平均氣溫、年均降水量以及日照時數呈現明顯的上升趨勢，其中平均氣溫上升幅度最大；年蒸發量和相對濕度則呈減少趨勢，風速則維持基本不變。研究區內氣候變化朝暖濕不斷變化，克里雅河流域徑流量增長。

(2) 近28 a內，隨著經濟的發展和人口的增加，為了保障人們正常的生活需求，農田的開發是必不可少的。于田綠洲整體耕地面積共增加15 073.53 hm2；耕地面積的增加直接導致了農業用水的增加，使得其水域總面積共減少3 926.82 hm2；同時為了加快城市的建設，建設用地的面積也呈現出增加趨勢；水域，草地的減少和荒漠的增加對其區域內的生態環境有著負面的影響；

(3) 氣溫增加造成綠洲作物蒸散增多，作物需水大幅增加，耕地面積增加加劇了耗水，于田綠洲的綠水耗水總量表現出逐年增加的趨勢。