北京地區(qū)主要作物需水量的估算與分析

北京地區(qū)主要作物需水量的估算與分析

0水資源供需現(xiàn)狀及趨勢中國北方位于東亞季風(fēng)帶，是中國重要的糧食和棉花產(chǎn)區(qū)之一。但華北地區(qū)水資源匱乏,并且與人口和耕地分布、生產(chǎn)力布局極不匹配,加之干旱災(zāi)害頻繁,是中國水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一。農(nóng)業(yè)是用水大戶,僅農(nóng)田灌溉用水就占總用水量的67%,再加上其它農(nóng)業(yè)用水,將占到總用水量的80%。因此,華北地區(qū)水資源供需情況及其變化趨勢歷來受人關(guān)注。作物需水量是作物全生育期消耗于自身蒸騰和棵間土壤蒸發(fā)的水量總和,它是灌溉決策和水資源規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。了解其歷史變化對于掌握未來農(nóng)業(yè)用水走勢并據(jù)此做出正確決策至關(guān)重要。本文旨在通過作物需水量與氣象因子同步分析,探討華北主要作物需水量的變化趨勢及原因,為未來農(nóng)業(yè)用水規(guī)劃提供參考依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1南果梨酒基本情況在華北地區(qū)選取6個有代表性的氣象站點,包括北京、天津、石家莊、鄭州、濟(jì)南和太原,各站基本情況見表1。華北地區(qū)熱量充足,適宜多種糧食及經(jīng)濟(jì)作物生長,播種面積最大的3種作物為冬小麥、夏玉米和棉花。本文只考察前兩種作物需水量的變化趨勢。1.2作物系數(shù)和參數(shù)檢驗作物需水量由綜合的氣候?qū)W方法計算得到。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的公式,在土壤水分充足的條件下,需水量計算如下ETp=Kc×ET0(1)式中ETp——充分供水下作物需水量,mm,不同地區(qū)作物生育期的起止日期參考陳玉民等;Kc——作物系數(shù),由充分供水試驗得到,本文采用參考文獻(xiàn)推薦的結(jié)果,各站點冬小麥和夏玉米的作物系數(shù)見表2;ET0——參照作物蒸散量,mm,因目前中國廣泛使用的作物系數(shù)是在FAOPenman修正式的基礎(chǔ)上得到的,中國灌溉排水渠系設(shè)計規(guī)范SDJ214-84也規(guī)定采用此方法,故本文利用修正的Penman法計算ET0;借鑒FAO56,取地表反射率α=0.23,其它參數(shù)以及具體計算過程見參考文獻(xiàn)。利用參數(shù)化檢驗法確定需水量及其它氣象因子的變化趨勢。參數(shù)檢驗法的無效假設(shè)為斜率系數(shù)=0。用T統(tǒng)計量檢驗斜率與0是否有顯著差異,若有顯著差異,則可以肯定存在線性趨勢,且斜率>0為線性增加趨勢,斜率<0為線性下降趨勢。2結(jié)果與分析2.1天津和合肥市售水期需水量呈下降趨勢圖1和表3均表明,除北京以外,華北多數(shù)地區(qū)冬小麥需水量呈下降趨勢。其中,天津、石家莊和鄭州在0.05置信水平達(dá)到顯著下降,三地冬小麥需水量每10年分別下降13.9mm、5.8mm和19.2mm,天津和鄭州下降幅度遠(yuǎn)超過石家莊。濟(jì)南和太原每10年分別下降1.2mm和0.9mm,下降趨勢不顯著。只有北京冬小麥需水量呈顯著上升趨勢,每10年增加9.8mm。需水量下降將在一定程度上緩解農(nóng)業(yè)用水壓力,但還取決于水分供應(yīng)—降雨的變化。圖1和表3的缺水量(需水量減去降雨量)均顯示,華北多數(shù)地區(qū)冬小麥生長期內(nèi)的缺水量在下降,其中天津達(dá)到顯著水平,每10年減少18.0mm。而其它地點,無論一般上升還是一般下降,趨勢均不顯著。鄭州小麥缺水量10年平均減少18.0mm,在0.12置信水平顯著下降。2.2夏玉米生長的缺水量對于夏玉米(圖2和表3),除北京為不顯著增加趨勢以外,其余站點需水量均呈顯著下降趨勢。其中天津、石家莊、鄭州、濟(jì)南、太原分別以每10年12.7、8.3、24.3、11.6、9.8mm的速度下降,下降幅度依次為:鄭州>天津>濟(jì)南>太原>石家莊。夏玉米生長期內(nèi)的缺水量除北京顯著增加外,其它地點均不明顯,其中鄭州、濟(jì)南、太原為不顯著下降。在所考察的6個站點中,只有北京的兩大作物需水量呈顯著上升趨勢,其它站點多為下降趨勢。北京基準(zhǔn)氣象站位于南四環(huán)附近,近年來隨著城市化進(jìn)程加快,需水量上升趨勢中是否隱含著城市熱島效應(yīng)的影響,值得進(jìn)一步探討。2.3不同站位的氣象因子對作物需水量的影響根據(jù)公式(1)計算的作物需水量主要反映了氣象因素的影響,其變化趨勢完全是氣候自然波動影響的結(jié)果。為進(jìn)一步確定引起上述變化趨勢的主要因素,對兩大作物需水量的驅(qū)動因子降雨、溫度、日照、風(fēng)速、相對濕度的年際變化趨勢分別進(jìn)行參數(shù)化檢驗(表4),表中同時給出間接計算的凈輻射。由于冬小麥和夏玉米主要生長在春季和夏季,表4僅分析上述因子在春季和夏季的變化趨勢。由表4可以看出,各站點的春季降雨多為不顯著增加,夏季多為不顯著減少,但北京和天津夏季降雨達(dá)到顯著下降水平,每年分別下降3.21mm和2.25mm。夏季按下降幅度由大到小排序為:北京>天津>鄭州>石家莊>太原>濟(jì)南。多數(shù)站點兩大作物生育期內(nèi)的相對濕度為下降趨勢,表明大氣在變干,但只有北京達(dá)到顯著下降,而鄭州夏玉米則為顯著增加。絕大多數(shù)站點在春、夏季的溫度均呈顯著上升趨勢,這與全球氣候變暖相一致。春季按溫度升幅從大到小的排序為:北京>太原>天津>濟(jì)南>石家莊>鄭州;夏季的排序為:北京>石家莊>天津>濟(jì)南>太原>鄭州,鄭州夏季氣溫還有所下降。多數(shù)站點的日照時數(shù)呈顯著減小趨勢,其中夏季的下降幅度遠(yuǎn)大于春季。由于輻射與日照時數(shù)成正比,日照減少造成到達(dá)地面的輻射能減少。表4顯示,各地凈輻射均顯著下降,尤以夏季最為明顯,達(dá)到每年1.16～3.68MJ/m2。從空間上看春季以天津和石家莊下降最多,夏季以天津、石家莊、鄭州和濟(jì)南下降最多。風(fēng)速是影響水汽傳輸?shù)闹匾蜃?在作物需水量計算中通過風(fēng)函數(shù)產(chǎn)生影響。表4顯示,華北地區(qū)春季風(fēng)速均呈下降趨勢,且多數(shù)地區(qū)達(dá)到顯著水平,下降順序為:天津>鄭州>太原>濟(jì)南>北京>石家莊,天津和鄭州每10年風(fēng)速減小0.27～0.29m/s。夏季除北京和石家莊風(fēng)速為顯著增加外,其它地區(qū)風(fēng)速呈下降趨勢,而且多數(shù)達(dá)到顯著水平,下降順序與春季相同,天津和鄭州每10年風(fēng)速減小0.23～0.24m/s。各種氣象因子以極其復(fù)雜的作用方式對作物需水量產(chǎn)生影響。表5的相關(guān)分析顯示,除降雨和相對濕度與需水量為負(fù)相關(guān)外,其它3因子均為正相關(guān),且不同站點氣象因子對需水量的影響順序不同。對于冬小麥,北京為相對濕度>日照>降雨>溫度>風(fēng)速;天津為日照>風(fēng)速>降雨>相對濕度>溫度;石家莊為相對濕度>日照>降雨>風(fēng)速>溫度;鄭州為相對濕度>日照>風(fēng)速>降雨>溫度;濟(jì)南為相對濕度>風(fēng)速>日照>降雨>溫度;太原為日照>相對濕度>風(fēng)速>降雨>溫度。除天津和石家莊的溫度影響不顯著外,其它站點5大因素的影響均為顯著水平?？傮w來看,對冬小麥需水量影響最大的因子為相對濕度和日照,其次為風(fēng)速和降雨,影響最小的因子為溫度。與冬小麥稍有不同,6個站點夏玉米需水量多與日照相關(guān)系數(shù)最大(表5),在0.764～0.908之間,比冬小麥與日照的相關(guān)性還高,表明日照是對夏玉米需水量影響最大的因子。就影響順序來看,北京和石家莊相同,即日照>相對濕度>溫度>降雨>風(fēng)速,但石家莊風(fēng)速影響不顯著;濟(jì)南和太原影響順序相同,即日照>相對濕度>降雨>溫度>風(fēng)速;鄭州的影響順序為日照>相對濕度>風(fēng)速>溫度>降雨,且降雨影響不顯著。與冬小麥相比,溫度的影響程度增加,降雨和風(fēng)速的影響程度減小。再結(jié)合表4氣象因子變化趨勢不難看出,華北地區(qū)冬小麥需水量的減少,與春季日照和風(fēng)速的下降趨勢相一致。盡管溫度為顯著上升,但它引起的需水量增加不足以扭轉(zhuǎn)日照和風(fēng)速下降引起的需水量減少。夏玉米需水量的減少,與夏季日照和風(fēng)速的下降趨勢相一致。盡管溫度上升、相對濕度下降和降雨減少都有使需水量增加的趨勢,但二者的綜合作用小于日照和風(fēng)速的作用,導(dǎo)致夏玉米需水量的下降。3對我國校園氣候狀態(tài)的啟示根據(jù)表4,華北各地夏季降雨多為下降趨勢,若只以降雨為指標(biāo)研究干旱化趨勢必然會得出干旱化加劇的結(jié)論。但實際上,即使在降雨減少的情況下,鄭州和太原的缺水量仍表現(xiàn)為下降,干旱趨勢并沒有加劇。這是因為影響干旱化的另兩個重要因子—日照和風(fēng)速同時也在減小。因此,僅用降雨指標(biāo)研究干旱化趨勢具有一定局限性,盡管它是水資源的根本來源,但畢竟僅代表了水分供應(yīng),而不能反映作物對水分的需求狀況,只有同時考慮二者的相對變化,如本文的缺水量,才能避免這種片面結(jié)論。華北地區(qū)日照或輻射的下降趨勢與某些研究結(jié)論相一致。Stanhill等利用全球范圍內(nèi)過去50年的數(shù)據(jù),分析了到達(dá)地球表面的輻射能量,發(fā)現(xiàn)太陽輻射顯著下降。全球平均每年下降0.51～0.05Wm-2,相當(dāng)于每10年下降2.7%,總體下降20Wm-2。這似乎與全球變暖的事實相互矛盾,因為在到達(dá)地面的能量顯著減少的情況下,地球在過去的半個世紀(jì)怎么可能會變暖?他們在考察了所有的可能因素后,認(rèn)為最有可能的原因是人類活動產(chǎn)生的氣溶膠及其它空氣污染物,改變了大氣尤其是云的光學(xué)特性。隨全球平均溫度增加,一般認(rèn)為空氣將會變干,同時作物蒸散量增加。但本文結(jié)果表明,雖然近50年華北氣溫極顯著增加,但主要作物需水量卻下降,與以往結(jié)果相反。這主要因為,以往研究多采用基于氣溫的Thornthwaite法或高橋浩一郎法計算參照作物蒸散量,使計算結(jié)果僅依賴于氣溫,氣溫增加必然導(dǎo)致蒸散量增加,以致得到全球氣溫增加作物需水量一定增加的片面結(jié)論。而本文的相關(guān)分析說明,氣溫對作物需水量的影響遠(yuǎn)小于日照的影響,有時甚至小于風(fēng)速和降雨的影響。通過本研究,可得出以下兩點重要啟示,第一,在研究氣候變化對水資源的影響時,不能只考慮單一因素如溫度或降雨,否則會得到片面結(jié)論。因為氣候變化的影響過程充滿了復(fù)雜的非線性和反饋作用;第二,未來氣候變化對中國水資源的影響不一定像預(yù)測的那樣嚴(yán)重,因為在氣候自然波動的情況下,作物需水量不但沒有上升,反而多數(shù)地區(qū)有下降趨勢。這意味著,氣候變化對水資源的影響可能是有限的,中國水資源短缺的嚴(yán)峻形勢可能更多來自人口壓力與人類活動的影響。4作物需水量與降水的關(guān)系總體來看,華北多數(shù)地區(qū)(北京除外)冬小麥、夏玉米兩大作物的需水量近50年來呈減少趨勢,每10年分別下降0.9～19.2mm和8.3～24.3mm。夏玉米需水量下降幅度超過冬小麥。其中有一半站點冬小麥需水量、所有站點的夏玉米需水量在0.05置信水平達(dá)到顯著下降。其中又以華北南部的鄭州減少最多,下降幅度在19.2～24.3mm/10年。相關(guān)分析表明,作物需水量與降雨和相對濕度呈負(fù)相關(guān),與日照、風(fēng)速和