基于气候变化的沁河流域作物需水量规律研究

基于气候变化的沁河流域作物需水量规律研究

张冬香1，马龙1，程海霞1，李毓富1，张燕2，王勇1

（1、晋城市气象局  048000；2、沁水县气象局  048200）

摘要：论文利用1957-2012年国家基准站山西省阳城站地面观测资料，使用趋势分析、回归分析等方法，研究了山西省沁河流域作物需水量的变化规律，并对不同气候情景下的参照作物需水量和农业用水量进行了预测分析，所得结论如下：（1）山西省沁河流域区域气候变化呈现向干暖变化的趋势。其中，气温在20世纪90年代以来上升更为明显，56年平均气温的上升幅度约为0.75℃。降水量总体呈现减少趋势，特别是近十年来，总降水量明显较多年平均水平偏低。风速呈现明显的下降趋势，56年风速下降幅度约为0.6m/s。2000年以后相对湿度下降趋势较明显。（2）多年平均参照作物需水量呈缓慢下降趋势。参照作物需水量年内变化特征明显，与气温变化相关性较强，最大值一般在6～7月份，最小值一般在12～1月份，最大值约5mm/d，年内大约相差5～9倍。参照作物需水量与气温、风速和日照时间均为正相关关系，而与相对湿度为负相关。

关键词：气候变化；作物需水量；农业用水量

引言

在气候变化的同时，水资源的短缺问题也已引起研究者的广泛关注，最近的联合国世界水资源开发报告均将水资源的不确定性和风险作为主要议题，非常重视水资源利用的可持续性。同时，水资源也是制约我国社会经济发展的主要因素，干旱缺水、水污染和水环境恶化的问题越来越受到重视，农业用水的问题已引起社会的普遍关注。本文选取山西沁河流域属暖温带大陆性季风型气候，是较长历史的农耕文明，灌溉农业发展已有悠久的历史。同时，由于长期的人类活动和社会经济发展，区域内生态环境和水资源开发利用矛盾逐渐凸显。由于区域内农业生产受气候条件变化依赖性强，因此气候变化对作物生长和农业用水具有明显的相关性，分析该区域气候变化条件下的作物需水量规律对指导该区域农业生产具有重要的现实意义。

1.研究资料与分析方法

1.1资料来源

1985年之前，晋城市为晋东南地区的一个县级地区，1985年废县立市。阳城县为晋城市所辖县，阳城气象观测站为国家基本站，观测场位于北纬35°29′，东经112°24′，海拔高度659.5米，区站号53975。选用资料为该站1957年1月至2013年12月的基本气象资料。本研究所涉及的资料来自阳城气象站1957以来长系列数据，主要选用该地区月平均气温、日照时数、相对湿度、风速、降雨量资料,在选用资料之前首先对资料进行整理和分析。

1.2研究方法

1.2.1回归分析

回归分析是基于观测数据建立变量间适当的依赖关系，以分析数据内在规律，并可用于预报、控制等问题。是确定两种或两种以上变数间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。本课题研究采取数据回归分析方法，对该区域内系列气候资料进行统计和回归分析，探讨研究区域内气候变化规律,分析其变化趋势，建立气候变化回归模型。

设x与y是具有相关关系的两个变量，且相应于n组观测值的n个点（xi， yi）(i=1，……，n)大致分布在一条直线的附近，则回归直线的方程为。

其中，其中, 。(2-1)

线性相关性检验:

线性相关性检验是一种假设检验，它给出了一个具体检验y与x之间线性相关与否的办法。

①在表中查出与显著性水平0.05与自由度n-2（n为观测值组数）相应的相关系数临界值r0.05。

②由公式，计算r的值。                                                              (2-2)

③检验所得结果：

如果|r|≤r0.05，可以认为y与x之间的线性相关关系不显著，接受统计假设。

如果|r|>r0.05，可以认为y与x之间不具有线性相关关系的假设是不成立的，即y与x之间具有线性相关关系。

本文用excel计算气象产量与气温、降水、日照的旬、月资料及关键时段降水和积温的线性相关性和信度检验。

1.2.2回归分析法

回归分析法是在掌握大量观察数据的基础上，利用数理统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式（称回归方程式）。本文通过收集和分析研究区气象因素，采用回归分析的方法，建立气象因素变化的线性回归方程，探讨气候变化的基本趋势，进行气候变化的预测分析，反映气候变化的基本特征。

1.2.3情景分析法

情景分析法就是将历史尺度下，对区域可持续发展可能出现的未来状况的描述，通常包括通向这一状况的途径及可能出现的多种多样的状态。该课题采用情景分析法针对不同的气候变化情景进行作物需水量计算以及农业用水的情景分析。预测情景是在历史资料的前提下，通过分析历史资料，从定性和定量两个层次分析，预测未来发展和变化趋势，通过主要气候因子的变化趋势分析，建立相应的数量变化趋势，建立相应的因子预测模型，进而进行各因子的预测。

在主要因子预测的基础上进行情景建立。情景的建立基于主要影响因素的选择，本文在情景建立时选择单因子情景和多因子复合情景，从而分析不同因子建立的情景对作物需水量、农业用水量等结果的影响。通过情景预测和分析为所建立的情景模型提供科学的决策依据。

2.气候变化特征分析

2.1气温变化特征

通过分析整理阳城县1957年-2010年各月平均气温资料，根据表中资料，统计计算并绘制气温年际变化图如图1。

图1研究区气温年际变化趋势曲线

由图1可知，从1957年-2012年，气温整体呈现上升的趋势。从1957年-1983年（图中竖线之前），气温出现年际变化的震荡趋势明显，且各年间气温变化幅度较大，最高气温与最低气温的差值为2.5℃。从1983年以后，气温逐年震荡上升，上升速度较快。1954年-2010年总计57年中，最高气温出现在2007年，年平均温度为13.21℃，最低气温则出现在1971年，温度为10.29℃，最大温差达2.92℃。从折线变化特征来看，气温变化存在一定的周期性特征，但前期周期性特征更明显，后期周期性规律较差，极端气温的情景更加明显。总体来看，80年代之前周期为偏冷期，之后为偏暖期，气候变暖的事实存在。

2.2降水变化特征

统计阳城县1957年-2012年各年降水总量资料，根据表中资料，绘制降雨量年际变化图如下图2：

图2研究区年降水量年际变化趋势曲线

由图2可知，从1957年-2012年，降水量整体呈现下降的趋势。历史资料显示，阳城县多年降水量平均627毫米，而1957年-2012年系列资料平均降水量仅为597.6mm，56年统计资料中降水量少于历史多年平均降水量的年份有35年，由此可见在统计年份内，降水量偏少。56年间最大降水量发生在2003年，年降水量为925.8mm，最小降水量发生在2009年，年降水量仅为319.5mm。特别是最近十年来，总降水量明显较多年平均水平偏低，表明降水相对多年平均值减少。

2.3日照变化特征

日照时数主要和纬度、季节、地势、和天气状况有关，研究区气象站点位于北纬35°29′，东经112°24′，海拔高度659.5米，研究区多年日照时数的平均值为2481小时，多年平均每日日照时间为6.79小时，年日照时间最大值为2833.5小时，发生在1965年；最小值为2019小时，发生在1964年。大量研究表明，对于确定的研究区域，日照时数与太阳辐射总量有一定的相关性，因此日照时数的变化在一定程度反映太阳辐射能量的多少。将研究区域所获得的1957年至2012年日照时数进行统计分析，由图3可知，日照时数变化不大，总体呈现轻微下降的趋势。

图3研究区年日照时数年际变化趋势曲线

2.4风速变化特征

风速是指空气流动过程中相对于地球某一固定地点的运动速率，反映了研究地点气流变化的特征。在所研究的各种气候要素中，风速的变化是非常明显的，但关于风速的研究相对较少。由图4可知，从1957年-2012年，研究区多年平均风速为1.85m/s，最大值为2.43m/s，发生在1971年，最小值为1.37m/s，发生在2000年，从曲线图可以看出，风速变化区间较大，最大值与最小值差值为1.1m/s，差值接近最大值的50%。从长系列数据来看，风速变化趋势明显，总体呈现明显的下降趋势。本文线性趋势显示，56年风速下降幅度约为0.6m/s。说明研究区域存在明显的空气流动减弱的特征，可能对作物需水和农业用水产生相应的影响。王遵娅[13]等研究表明，全国大部分地区风速减少的趋势明显，特别是本文研究所位于的华北地区，与本文分析结果相似。

图4 研究区平均风速年际变化趋势曲线

3.作物需水及农业用水研究分析

通过计算和验证的作物需水量可以进一步研究农业用水量，本文所提到的农业用水量可理解为狭义的农业用水量，专指作物生长过程中的田间用水量，这部分用水量是农业水分消耗的主要途径，占农业用水的主体，可以通过作物需水量和地区降水量的差异来分析灌溉用水量的多少。农业用水量的分析研究可以作为区域农业发展规模计划和管理的主要依据，特别是基于气候变化条件下的农业用水量研究可为当地农业生产管理部门提供决策支持。

3.1作物需水量研究及分析

实际作物需水量可通过实验测定和理论计算来估算，由于受试验条件以及相关因素的时空变化的影响，大范围的开展实验测定研究尚不现实，目前，许多研究者采用根据综合性的气候学方法原理来计算实际作物需水量。

实际作物需水量的计算是基于考虑作物需水量除气象因素影响外还与作物种类和其它相关因素有关，在参照作物需水量计算的前提下，考虑不同研究区域的经验作物系数，进而计算实际作物需水量。即此时的作物需水量可由参照作物需水量乘以作物系数得到，相应公式如下：

ETc为充分供水下作物需水量(mm/d )；

Kc为作物系数，由充分供水试验得到，不同研究区域的作物系数的采用要充分考虑实验条件的吻合程度，并进行相应的合理性检验。作物系数反映从参照作物需水量到实际作物需水量的过渡换算参数，主要和作物及其不同的生育阶段有关。因此作物系数包括全生育期作物系数和不同生育阶段作物系数。

ET0为参照作物蒸散量(mm/d)。

由上式可见，参照作物需水量是影响作物需水量的重要因素，而参照作物需水量主要受气象因素的影响，由第四章的分析可见，参照作物需水量与气温关系密切。因此，气象因素（特别是气温等因素）会明显的影响作物需水量。

根据调查研究区域主要农作物情况，传统农作物以小麦、玉米为主，约占该区域农业种植面积的80%以上。该区域农业种植结构一般为一年两熟，10月份至第二年6月份种植冬小麦，小麦收割后种植夏玉米或其它夏季作物。因此本文作物需水量计算中选取冬小麦和夏玉米作为研究对象。

本地区小麦种植区属于我国北京冬麦区的晋冀山地盆地副区，地处冬麦北界。冬小麦是跨年度生长的作物，小麦全生育期260天左右，播种期一般为9月下旬至10月上旬，成熟期通常在6月中下旬，少数晚至7月上旬。由于小麦生育期基本处于干旱少雨的季节，对灌溉要求较为迫切，在灌溉得以保证的条件下，冬小麦是高产、稳产的作物，因此，灌溉对小麦生产具有重要的意义。

小麦的需水量受其生长状况及其环境条件有关，其需水规律在生育期内不同阶段变化较大，作物需水系数因作物及生育阶段而异，本文计算中根据冬小麦的生长特性将将冬小麦发育期分为播种～越冬、越冬～返青、返青～拔节、拔节～抽穗、抽穗～灌浆和灌浆～收割6个阶段，各阶段作物系数的确定参考其它研究者已有成果，小麦全生育期综合作物系数Kc值为0.87，冬小麦作物系数见表1，可见抽穗～灌浆阶段作物系数最大，达到1.16，表明该阶段实际作物需水量高于参照作物需水量，为冬小麦主要需水阶段。与武永利、刘晓英等在该区域进行研究冬小麦Kc取值对比分析，结果显示与其它研究者取值基本一致。

表1  山西省冬小麦作物需水系数Kc值

3.2农业用水量研究及分析

作物需水量是指作物全生育期充分供水条件下的作物所需水量，即作物生育期蒸散发的水量总和。在忽略生育期前后土壤水分变化和地下水补充的情况下，这部分水量主要由两部分来组成，一部分为生育期内的有效降雨量，另一部分为由于降雨不足需要灌溉的水量。这部分灌溉补充的水量即为所研究作物的主要农业用水量。通常表示为田间净灌溉水量（不考虑输配水过程的损失）。

根据有效降水的概念和计算的作物需水量，农业用水量（净灌溉需水量）的公式可表达为：

IR——作物净灌溉需水量，mm；ETc——实际作物需水量，mm；Pe——作物生育期的有效降雨量，mm。

有效降雨量是指除去地面径流和深层渗漏量损失后能够被作物利用的雨量，这部分雨量是蓄存在土壤湿润层内作物可利用的提供给作物蒸散发的有效雨量。在实践计算过程中，一般采用降雨入渗系数来计算作物生育期有效降雨，降雨逐月的有效降雨量采用以下简化方法计算。

α——降雨入渗系数的取值与单次降雨量、降雨强度、降雨延续时间、土壤性质、地面覆盖及地形等因素有关。综合研究区各影响要素情况，计算中入渗系数综合取0.8。

通过对研究区冬小麦和夏玉米生长期实际作物需水量和有效降雨量的计算，可以获得生育期相应作物的农业用水量。

由于不同年份作物需水和有效降雨均表示为变化的量，同样选取代表丰枯的典型年分别进行计算农业用水量。

各典型年逐月降雨量统计值见表2，作为作为计算作物生育阶段需水量与农业用水量的基本数据。由表中数据可见，丰枯年的选择是依据年降雨量的数量频率变化来确定，但由于降雨量年内分配差异，各月的降雨量并非为丰枯递减的规律，由此会导致作物生育期内降雨量分配的变异特征。

表2   各典型年逐月降雨量统计值

在各典型年采用作物需水量减去相应生育阶段的有效降雨量来计算农业用水量，研究区主要作物农业用水量计算见表3，由表可见农业用水量合计由丰到枯为减少趋势，但对于冬小麦和夏玉米不同典型年并不是严格的递减关系，可能是由于作物需水量和降雨量分配的变异导致。冬小麦农业用水量区间为13.10～286.58mm，夏玉米农业用水量区间为40.81～169.73mm，年总用水量区间为53.91～391.77mm。

表3各典型年研究区主要作物农业用水量计算结果  单位：mm

图5为各典型年作物农业用水量关系对比图，总体表现为干旱年农业用水量大，丰水年农业用水量小的规律。对比可以发现农业用水量的丰枯变化对比关系更强，丰水年和枯水年农业用水量相差8倍左右，说明不同的气候条件对农业用水量影响明显。不同气候条件下的农业用水量计算结果可以为农业规划和管理提供决策支持。

图5不同典型年作物农业用水量对比关系图

结语

（1）山西沁河流域区域气候具有明显的变化特征，研究区域气候主要表现为冷湿向干暖变化的气候变化特征。近50余年以来，气温为明显的上升趋势，56年平均气温的上升幅度约为0.75℃；而降水量总体呈现减少趋势，这和整个华北的年代际变化趋势特征相一致。

（2）实际作物需水量从干旱年向丰水年依次减少。冬小麦需水量区间为383.50～420.72mm，夏玉米需水量区间为242.98～312.15mm，年总需水量区间为626.95～723.21mm。不同典型年冬小麦农业用水量区间为13.10～286.58mm，夏玉米农业用水量区间为40.81～169.73mm，年总用水量区间为53.91～391.77mm。

参考文献

[1]张建云，王国庆，刘九夫．气候变化权威报告——IPCC报告[J]．中国水利，2008，(2)：37-40．

[2]秦大河，罗勇，陈振林．气候变化科学的最新进展：IPCC第四次评估综合报告解析[J]．气候变化研究进展，2007，3(6)：3l1—3l4．

[3]钟海玲，沈永平．2007年全球气候变化回顾[J]．气候变化研究进展，2008，4(I)：53—56．

[4]丁一汇．中国气候变化：科学、影响、适应及对策研究[M]．北京：中国环境科学出版社，2009．

[5] 吴泽宁，索丽生．水资源优化配置研究进展[J]．灌溉排水学报，2004，23(2)：1-5．

基金项目：山西省气象局面上项目（SXKMSQH20217134)

作者简介：张冬香（1983.02）女，汉族，山西省阳城县人，本科学历，工程师，从事专业气象服务业务。