氣候變化背景下我國干熱河谷農業(yè)灌溉需水的變化趨勢

氣候變化背景下我國干熱河谷農業(yè)灌溉需水的變化趨勢

不可否認，各國的增水量增加，干旱地區(qū)的增水量較低?！稓夂蜃兓瘒以u估報告》指出,到2020年我國平均氣溫可能升高1.3～2.1℃,年均降水量可能增加2%～3%;氣候變暖導致作物生長加快,生長期縮短,種植制度改變,帶來產量不穩(wěn)定性加劇,肥料、農藥施用增加等問題。華北、西北地區(qū)干旱化進程的階段性轉折和突變規(guī)律、機理、可預測性及對策措施等研究取得了重大發(fā)現。在PRECIS分析的SRESB2情景下,20世紀80年代國內區(qū)域的年、冬季、夏季平均溫度增加,西南地區(qū)升溫幅度較小,降水量增加較大。氣候變化轉折判別結果顯示,1971年全國冬季由降溫轉變?yōu)樵鰷刳厔?西南地區(qū)在20世紀80年代中后期開始趨于“暖干”;夏季氣溫在1974年由降溫轉為增溫趨勢,夏季降水從1972年開始由減少轉為增加趨勢。吳紹洪等應用Penman-Montieth方程計算參考作物騰發(fā)量,結合水分收支平衡的干濕指數較準確反映我國陸地表層的干濕狀況。此外,氣候變化對北方干旱區(qū)水資源特性和作物需水量的影響分析也有報道。Mann-Kendall法作為檢驗水文氣象要素長期變化趨勢的方法,已得到廣泛應用,R/S分析法則多用于研究氣候變化的Hurst現象。干熱河谷是世界三大類干旱地區(qū)中與大陸中心沙漠、副熱帶稀疏草原不同的局部干旱生境,地理分布為向北延展的熱區(qū)。我國的干熱河谷主要分布在云南境內怒江海拔1200m以下、元江海拔1000m～1400m以下、瀾滄江海拔1000m以下不間斷河谷,金沙江800m～1200m以下河谷,及南盤江局部地域1000m以下的河谷,絕大部分屬縱向嶺谷研究區(qū)。元江河谷地形對北方低溫寒流起屏蔽作用,河谷內曾廣泛分布以濕熱氣候為主的原始熱帶季雨林。至17世紀,氣候環(huán)境濕熱,發(fā)育熱帶季雨林的自然地帶景觀。18～20世紀中葉,元江氣候轉暖,平均增溫3～5℃,旱地作物和刀耕火種方式盛行,環(huán)境向干熱方向發(fā)展,導致農業(yè)生態(tài)干旱。20世紀50年代初,雨養(yǎng)農業(yè)占主導地位,出現土地棄耕和搬遷移民。研究近半個世紀以來元江河谷農業(yè)灌溉需水的變化趨勢及其對全球變化的響應,對流域實時灌溉預報調度、水資源配置等都具有重要意義。1數據和方法1.1資料與計量資料(1)元江站(23.60°N,101.98°E,海拔401m)1955～2000年的逐日最高溫度、最低溫度、平均溫度、相對濕度、日照時數、風速、降水量資料;(2)元江上游巍山(25.45°N,100.46°E,海拔1741m)、祿豐(25.25°N,102.11°E,海拔1566m)等2個氣象站1957～2002年的逐月氣象資料;(3)云南省地方標準《用水定額》(DB53/T168-2006)規(guī)定的縣區(qū)主要農作物灌溉用水定額;(4)2000年度元江、巍山、祿豐的農業(yè)經濟統(tǒng)計年報。1.2動態(tài)平衡模型參考作物騰發(fā)量(ET0)的計算方法是FAO于1991年專家咨詢會議推薦的參考作物騰發(fā)量計算模型PenmanMontieth方程。根據《灌溉與排水工程設計規(guī)范》(GB50288-99),作物需水量為ET0與作物系數、土壤水分脅迫系數之連乘積,灌溉需水量指作物播種前及全生育期單位面積的總灌水量或灌水深度,可通過田間水層(或土壤水分)動態(tài)平衡模擬推求;農業(yè)綜合灌溉需水定額是同一田塊里種植的各種農作物灌溉需水量與其播種面積所占比率的加權平均值。1.3氣象資料趨勢檢驗Mann-Kendall非參數秩次相關檢驗法(簡稱MK法)主要用于水文氣象資料趨勢檢驗,如水質、流量、氣溫和降雨等。給定顯著性水平α,在正態(tài)分布表查臨界值Mα/2。若|M|<Mα/2,趨勢不顯著;若|M|>Mα/2,即趨勢顯著。且當M為正時表示上升或增加的趨勢,反之則為下降或減少趨勢。1.4hurst指數的方向特性反持續(xù)性研究R/S分析法(RescaledRangeAnalysis)主要用于研究流域水文過程的變異點,Hurst指數H>0.50,表示未來的趨勢與過去一致,H越接近1,持續(xù)性越強;H<0.50,表明未來的總體趨勢與過去相反,過程具有反持續(xù)性,H越接近0,反持續(xù)性越強。在變異點處分維數D0和Hurst指數H都發(fā)生較大變化。分別以ξ(t),t=8,9,…,39為分界點將原序列分為兩部分,分別對其進行R/S分析,得到相應的Hurst指數H1和H2之差ΔH,max{ΔH}所對應的點既為變異最大點。Hurst指數的分析步驟參見文獻。2趨勢分析2.1長期變化的檢驗結果利用氣象資料計算得到元江站1955～2000年的逐日ET0系列,按月統(tǒng)計并分析其長期變化趨勢,選擇代表年內ET0變化上下限的5月份(ET0最大月)、12月份(ET0最小月)、枯季(12月～次年4月,下同)、雨季(5～10月,下同)及ET0年值等5個變量的時間序列過程,采用Mann-kendall法對其長期變化趨勢進行檢驗如表1,并將上述時段的月平均、最高、最低溫度,日照時數、相對濕度及風速等主要氣象因子的趨勢檢驗結果同列于表中(分別以TˉˉˉΤˉ、Tmax、Tmin、n、RH、u表示)。表中數據為正表示該時段對應的列變量在1955～2000年期間呈增加趨勢,反之則呈降低趨勢,查t檢驗表,α=0.05時,Mα/2=1.96,若|M|>Mα/2則表示其變化達到α=0.05顯著性水平。檢驗結果是最高溫度和平均溫度降低、最低溫度升高、日照時數和相對濕度增加、風速降低。近半個世紀以來,元江、巍山、祿豐3站年值及年內4個時段的ET0都呈下降趨勢,但只有年均值通過α=0.05顯著性檢驗,這是元江河谷降水增多、氣溫下降及濕度增大等共同作用的結果。元江站5月份(ET0最大月)、12月份(ET0最小月)及ET0年值系列的長期變化如圖1所示。由于縱向嶺谷區(qū)降水變化的周期集中在3.5年以下高頻振蕩時域,并具有年代際變化。為消除周期性變化的影響,將4年滑動平均值系列也列出對比。2.2河谷上干濕趨勢分析根據Vysotskii模型,干濕指數Iα定義為濕潤指數的倒數,即為ET0與同期降水量的比值。對應的干濕狀況判別條件為:Iα≤0.99為濕潤類型,1.00<Iα≤1.49為半濕潤類型,1.50<Iα≤3.99為半干旱類型,Iα≥4.00為干旱類型。將元江站及河谷上游源頭區(qū)巍山、祿豐等作對比,分析元江河谷的干濕趨勢,如圖2所示,自1955年以來,元江站每年的干濕指數均大于1.50,即完全屬于半干旱類型,且在1990年前還有6年接近或跨過干旱的界限。從長期變化趨勢看,元江站的干濕指數呈降低趨勢,向濕潤化演變;雨季干濕指數呈增加趨勢,枯季則相反,表明雨季逐漸變得干燥,枯季則是濕潤趨勢。巍山、祿豐兩站的干濕指數也是降低趨勢,但均未通過顯著性檢驗。巍山的干濕指數大多在1.0以上,還有12年超過1.50,占分析年限的40.0%,總體上仍屬于半干旱～半濕潤類型,朝濕潤的方向變化。祿豐站也有一半多的年份干濕指數在1.00～1.50之間,干濕指數呈下降趨勢,為半干旱～半濕潤～濕潤的變化過程?？傊?3個站的干濕指數都是下降的趨勢,與降水量和ET0都是下降的變化趨勢相吻合。2.3灌溉需水及農業(yè)綜合灌溉需水定額系列年際變化根據《全國水資源綜合規(guī)劃技術細則》、云南省地方標準《用水定額》(DB53/T168-2006)等規(guī)定,結合元江河谷灌溉用水調查,分析得到1956～2000年元江、巍山及祿豐站的水稻灌溉定額(指一季中稻,下同)和農業(yè)綜合灌溉需水定額系列,這是在現狀2000年水平的同一種作物種植結構、土壤及灌溉用水管理模式下,采用歷年逐月氣象、降水資料進行灌溉制度設計,除氣象資料以外的各種邊界條件均未發(fā)生變化,因此,水稻灌溉需水及農業(yè)綜合灌溉需水定額系列的年際變化僅反映出氣候環(huán)境改變帶來對作物灌溉需水量的影響。1956～2000年的水稻灌溉及農業(yè)綜合灌溉需水定額系列變化趨勢如圖3、表2所示,表中統(tǒng)計量的含義同前。各站的水稻灌溉需水定額和農業(yè)綜合灌溉需水定額都呈減少趨勢,但只有巍山、祿豐兩處枯季的農業(yè)綜合灌溉需水定額通過α=0.05水平顯著性檢驗。元江河谷內主要灌溉期枯季降水增加、干濕指數降低、ET0降低,導致水稻及其它農作物灌溉需水定額呈下降趨勢。河谷上游的巍山、祿豐兩處還同屬于滇中干旱區(qū),變化更為顯著。3離散點分析3.1不同季節(jié)和枯季、季節(jié)水定額的hurst指數變化分析得到元江、巍山、祿豐3處主要氣象要素、水稻灌溉需水定額及農業(yè)綜合灌溉需水定額(年值和枯季)的Hurst指數如表3。3個站的ET0年值、枯季、雨季Hurst指數均大于0.50,呈持續(xù)性變化,過去45年ET0的降低趨勢,在未來一段時期內仍將繼續(xù)維持。元江站各個ET0變量的R/S分析結果如圖4所示。3.2元江站年際變化同樣地,對3個站主要氣象因子長期變化的持續(xù)性分析結果表3及圖5所示。元江站的年最低溫度、枯季平均溫度和降水量,祿豐站枯季降水的Hurst指數小于0.50,四者出現反持續(xù)性特征,系列中存在變異點。經診斷分析,元江站年最低溫度變異點為1968年,呈“增-增-減”的變化過程,但1955～1968年和1968～1989年兩段時期的上升幅度各不相同,1989年后變?yōu)榻档挖厔?元江站枯季(12月～次年4月)平均溫度在1955～1980年期間為下降趨勢,但1980年后是升溫趨勢;枯季降水量在45年里呈“增-減-增”的曲折變化,1954～1968年和1989～2000年兩段時期枯季降水為增加趨勢,1968～1989年期間則減少趨勢。祿豐站枯季降水在1992年發(fā)生轉折,呈“增-驟增”變化,雖然在1957～2000年的整個系列中都是增加趨勢,但1992年后增加勢頭更大。3.3稻蝦管理狀況的反持續(xù)性特征選擇水稻灌溉需水定額和農業(yè)綜合灌溉需水定額(分年值和枯季兩個統(tǒng)計時段)作為代表性農業(yè)需水變量,分析系列變化的持續(xù)性,如表3所示。三個站水稻灌溉需水定額Hurst指數均大于0.50,表明整個元江河谷的水稻灌溉需水定額在最近45年里都呈一致下降趨勢。元江、巍山及祿豐3個站農業(yè)綜合灌溉需水定額年值和元江站枯季農業(yè)綜合灌溉定額的Hurst指數小于0.50,即出現反持續(xù)性特征。如圖7,元江站農業(yè)綜合灌溉需水定額經歷先增后減趨勢,1956～1987年間略有增加,但1987年后顯著呈下降轉折趨勢;巍山站是下降趨勢,但1992年前后是明顯地由緩變急的下降趨勢;元江站枯季農業(yè)綜合灌溉需水定額系列的變異點也為1987年;祿豐站的變化趨勢與元江站基本一致。因此,20世紀80年代后期～90年代初,元江河谷的農業(yè)綜合灌溉需水定額開始直線下降。4元江河谷轉導期有關時代(1)采用Mann-Kendall法進行1955～2000年元江河谷內元江、巍山、祿豐3個站主要氣象因子、干濕指數及農業(yè)灌溉需水量的變化趨勢檢驗,結果是最高溫度和平均溫度降低、最低溫度升高、日照時數和相對濕度增加、風速降低;在年、月的不同時間尺度上ET0都呈下降趨勢,且只有年值達到α=0.05顯著性水平。整個元江河谷的干濕指數降低,朝濕潤化演變;水稻及農業(yè)綜合灌溉需水定額(年值及雨季、枯季)也都是下降的趨勢。(2)通過R/S分析,元江河谷的平均溫度、相對濕度、降水量,ET0(年值、枯季、雨季)的Hurst指數大于0.50,未來一段