韓杰

摘 要：黑河流域作為以灌溉農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域，存在用水效率較低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，農(nóng)業(yè)用水供需矛盾十分突出。所以，本研究在水足跡的基礎(chǔ)上，通過(guò)Penman-Monteith公式，計(jì)算了流域尺度10種主要農(nóng)作物1991-2013年蒸散量、總耗水量的時(shí)間序列變化特征，研究結(jié)果表明：黑河流域主要農(nóng)作物ETC時(shí)間序列階段性特征在三個(gè)流域中最為顯著;除春小麥外，其他農(nóng)作物的ETC整體波動(dòng)曲線相似，但棉花、葡萄和瓜類作物ETC隨時(shí)間波動(dòng)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(shì)，玉米、薯類、棉花、蔬菜、瓜類、葡萄作物則表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：水足跡;農(nóng)業(yè)耗水量;時(shí)間序列

1 研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于祁連山北麓，流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古三省，是我國(guó)第二大內(nèi)陸河，在西北干旱半干旱地區(qū)，在綠洲發(fā)育、生態(tài)屏障等方面，發(fā)揮著重要功能。該流域氣候干燥，降水稀少且集中，太陽(yáng)福射強(qiáng)烈，晝夜溫差大。受大陸性氣候和祁連山-青海湖氣候區(qū)的影響，黑河流經(jīng)河西走廊的區(qū)域?qū)儆谥袦貛夂騾^(qū)。由于黑河流域受季風(fēng)的影響，流域內(nèi)水資源在時(shí)空上發(fā)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(wěn)。

黑河流域中游地區(qū)包括甘肅省的民樂(lè)、山丹、臨澤、張掖、高臺(tái)等縣（市），屬于灌溉農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)域。2013年本區(qū)總?cè)丝跒?07.29萬(wàn)人，作物播種面積為528.39萬(wàn)畝，其中糧食作物播種面積為319.99萬(wàn)畝，經(jīng)濟(jì)作物面積191.99萬(wàn)畝，飼草面積16.41萬(wàn)畝。黑河流域中游的張掖地區(qū)、酒泉地區(qū)和嘉峪關(guān)市的部分地區(qū)，有干渠192條之多，總長(zhǎng)度達(dá)到2545km，平均襯砌率為57.5%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該流域現(xiàn)有機(jī)電井6484眼，年開(kāi)采能力達(dá)到5.115億m3。

黑河中游地區(qū)面臨嚴(yán)重的區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，在水土資源問(wèn)題上表現(xiàn)的尤其突出。近幾十年來(lái)，隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展，人工綠洲面積也在不斷擴(kuò)大，但是，水土資源系統(tǒng)卻遭到了重大打擊，生態(tài)用水被農(nóng)田用水大量的擠占，天然草場(chǎng)快速退化，取而代之的是不斷增加的耕地、城鎮(zhèn)聚落，水土資源系統(tǒng)與人工綠洲之間已經(jīng)不能協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 作物綠水與藍(lán)水計(jì)算方法

水足跡的概念被用來(lái)評(píng)估黑河流域10種主要農(nóng)作物的需水量，農(nóng)作物生長(zhǎng)期內(nèi)水足跡（WF crop）的計(jì)算方法參照Hoekstra et al：WFcrop=WFcrop，green+WFcrop，blue[m3/ton]

WFcrop，green指的是作物生長(zhǎng)過(guò)程中綠水消耗量，綠水其實(shí)就是作物生育期內(nèi)雨水的總蒸發(fā)量，WFcrop，blue是藍(lán)水資源的消耗量，包括河水、湖水、地下水或總灌溉水蒸發(fā)量[m3/ha]。

這里因?yàn)閿?shù)據(jù)的局限性以及農(nóng)作物的灰水消耗量并不是嚴(yán)格意義上的實(shí)體水消費(fèi)，而主要和水污染相關(guān)，所以灰水沒(méi)有被考慮進(jìn)去。為了計(jì)算WFgreen和WFblue，需要通過(guò)作物調(diào)節(jié)系數(shù)（Kc）計(jì)算作物蒸散量（ETC），參考作物蒸散量（ET0）的計(jì)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(fā)和作物蒸騰。ETcrop是作物蒸散量（mm/day），Kc為作物調(diào)節(jié)系數(shù)（無(wú)量綱），ET0是參考作物蒸散量（mm/day），參照聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式，運(yùn)用Cropwat作物需水軟件進(jìn)行計(jì)算。此方程是WFcrop的一般計(jì)算方法。因子10是將水深單位mm轉(zhuǎn)化為水的體積單位m3/ha。求是指作物生長(zhǎng)期內(nèi)從播種日（第一天）到收獲日總蒸散量，lgp表示生長(zhǎng)期的天數(shù)。通過(guò)作物蒸散量ETcrop計(jì)算WFgreen和WFblue的具體步驟如下：

計(jì)算每種作物的蒸散量ETcrop;計(jì)算作物生長(zhǎng)期內(nèi)的有效降水量;

WFcrop，green通過(guò)比較作物生長(zhǎng)期內(nèi)的潛在蒸散量與有效降水量（ER）來(lái)確定，當(dāng)ET>ER時(shí)，WFcrop，green等于有效降水量;然而，當(dāng)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(shí)間序列分析

用線性回歸分析法對(duì)黑河流域尺度農(nóng)作物ETC時(shí)間序列變化進(jìn)行線性傾向性分析，用變差系數(shù)Cv表示作物蒸散量年際變化的離散程度，用時(shí)間序列距平值判斷時(shí)間節(jié)點(diǎn)和異常值。

根據(jù)黑河流域ETC時(shí)間序列變化特征以及不同時(shí)間段的距平值，對(duì)近25年作物ETC時(shí)間序列變化做分階段研究。

黑河流域主要農(nóng)作物ETC隨時(shí)間均呈上升趨勢(shì)，且階段性特征明顯，以2004年為分界點(diǎn)分為兩個(gè)顯著的波動(dòng)階段，除春小麥外，其他農(nóng)作物的ETC波動(dòng)曲線存在整體一致性，變化特征相似。1991-2013年農(nóng)作物ETC隨時(shí)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(duì)較慢的為春小麥和蘋(píng)果作物，分別每10年增加26mm、28mm。通過(guò)變差系數(shù)可知，1991-2013年棉花、葡萄和瓜類作物的潛在蒸散量隨時(shí)間波動(dòng)較大，其他作物之間差別不大。

1991-2004年黑河流域多數(shù)作物ETC距平值為負(fù)，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(fù)值，ETC隨時(shí)間變化呈下降趨勢(shì)，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(píng)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(shí)間每10年增加74mm。根據(jù)1991-2004年作物ETC變差系數(shù)，10種作物的ETC波動(dòng)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(shí)間變化均呈上升趨勢(shì)，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(duì)緩慢，分別為6mm、11mm。在兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，多數(shù)作物ETC的波動(dòng)性存在減小的趨勢(shì)。

4 黑河流域分作物總耗水量時(shí)序分析

1991-2013年黑河流域作物總耗水量隨時(shí)間呈逐漸增加趨勢(shì)，且曲線波動(dòng)存在階段性，1991-2002年作物總耗水量在波動(dòng)中呈下降趨勢(shì)，2003-2013年近10年間作物總耗水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。分農(nóng)作物耗水量占比時(shí)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(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，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(shì)較為顯著，2001年以前，春小麥作物總耗水量占比最大，達(dá)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(jù)主導(dǎo)地位，近兩年玉米作物總耗水占比已達(dá)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(jīng)占黑河流域農(nóng)業(yè)總耗水量的60%以上。

1991-2013年分農(nóng)作物總耗水量時(shí)間序列變化曲線如圖3-11所示，春小麥、胡麻、油菜、蘋(píng)果作物總耗水量隨時(shí)間均呈下降趨勢(shì)，其中，春小麥和胡麻作物變化趨勢(shì)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，擬合優(yōu)度分別達(dá)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(shí)間波動(dòng)性較大，下降趨勢(shì)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(shí)間逐漸上升，且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，擬合優(yōu)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(xiàn)

[1]魏懷東，李亞，了峰，等.黑河流1951-200年氣候變化特征[J].草業(yè)科學(xué)，2014，31（4）：590-598.

[2]周俊菊，雷莉，石培基，等.黑河流域河川徑流對(duì)氣候與止地利用變化的響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（11）：1-13.

[3]Gheewala S H， Silalertruksa T， Nilsalab P， et al. Water footprint and impact of water consumption for food， feed， fuel crops production in Thailand[J]. Water，2014，6（6）：1698-1718.

[4]Allen R G， Pereira L S， Raes D， et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56[J]. FAO， Rome，1998，300（9）：D05109.