郝樹(shù)榮,俞方易,張展羽,金玉潔,花劍嵐

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210006)

氣候變化對(duì)南京主要作物需水量的影響

郝樹(shù)榮1,俞方易1,張展羽1,金玉潔2,花劍嵐2

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210006)

采用Mann-Kendall方法計(jì)算南京1951—2005年的作物需水量,結(jié)合氣象因素的變化趨勢(shì),分析氣候變化對(duì)南京主要作物需水量的影響,提出應(yīng)對(duì)氣候變化的措施。結(jié)果表明:夏作水稻、棉花和玉米的需水量減少,主要與夏季增溫不明顯以及降雨增加、日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速顯著降低有關(guān);冬小麥和油菜需水量呈增加趨勢(shì),主要因?yàn)槎杭驹鰷刳厔?shì)率最大,日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速的下降不足以抵消氣溫升高和濕度降低的影響。認(rèn)為溫度變化會(huì)改變作物種植制度,可能帶來(lái)作物總需水量的增加,因此實(shí)施節(jié)水灌溉非常必要,尤其是推行水稻蓄水控灌,可減少灌排定額,減小溫室效應(yīng),降低氣候變化對(duì)水稻生產(chǎn)的影響。

氣候變化;作物需水量;節(jié)水灌溉;水稻生產(chǎn)；南京

近年來(lái)氣候變化明顯已成為不爭(zhēng)的事實(shí),且隨著人類(lèi)活動(dòng)的影響,氣候變化加劇的趨勢(shì)還在繼續(xù)[1]。氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響早有發(fā)現(xiàn),劉桃菊等[2]通過(guò)模型模擬分析了氣候變化與水稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的關(guān)系;孫瑩等[3]利用東港市26年來(lái)的觀(guān)測(cè)資料,分析了氣象因素與產(chǎn)量的關(guān)系;國(guó)際水稻研究所研究顯示,夜間最低溫度對(duì)水稻產(chǎn)量影響最大,水稻生長(zhǎng)期間平均夜間最低溫度每增高1℃,產(chǎn)量下降10%[4]。羅玉峰等[5]分析了高郵灌區(qū)水稻參考作物需水量ET0的變化趨勢(shì),認(rèn)為ET0隨氣溫上升和相對(duì)濕度下降而呈極顯著的上升趨勢(shì)。王新華等[6]對(duì)張掖地區(qū)主要作物需水量的研究發(fā)現(xiàn),作物需水量與升溫幅度呈線(xiàn)性正比例關(guān)系,未來(lái)氣溫每升高1℃,作物需水量增加4.0%～4.5%。羅玉峰等[7]分析了柳園口灌區(qū)ET0的長(zhǎng)期變化趨勢(shì),認(rèn)為導(dǎo)致ET0下降的主要原因是日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速的下降。從以上研究可以看出,我國(guó)較早開(kāi)展了氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)的影響,但多側(cè)重于氣候變化對(duì)水稻產(chǎn)量的影響,對(duì)策也主要從病蟲(chóng)害防治、品種選育、增加灌溉供水等方面提出。而作物生長(zhǎng)受氣候變化影響的同時(shí),必然會(huì)導(dǎo)致作物耗水過(guò)程的變化。目前氣候變化對(duì)作物需水量的影響及成因分析研究較少,以灌溉為手段的對(duì)策研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文以江蘇南京為研究區(qū)域,探討了氣候變化對(duì)主要作物需水量的影響及應(yīng)對(duì)灌溉措施,對(duì)于減小氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)用水和作物生產(chǎn)的不利影響、保障糧食安全和水資源可持續(xù)利用具有重要的意義。

表1 南京溫度變化特征

1 南京氣候變化特點(diǎn)

1.1 氣候和需水量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

本文應(yīng)用簡(jiǎn)單線(xiàn)性回歸方法分析氣候變化和作物需水量等相關(guān)變量的變化趨勢(shì),同時(shí)應(yīng)用Mann-Kendall(MK)方法判別這種變化趨勢(shì)是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著性。MK 方法由Mann在1945年首先提出,Kendall在1975年加以改進(jìn),該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)服從某種分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,因此受到世界氣象組織的高度推薦,被普遍應(yīng)用于水文氣象參數(shù)變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)。如果MK方法檢驗(yàn)得到的統(tǒng)計(jì)量Z是正值,表明被檢驗(yàn)序列呈增加的變化趨勢(shì),Z為負(fù)表示呈減少的變化趨勢(shì),如果Z的絕對(duì)值大于95%置信水平統(tǒng)計(jì)值1.96,表明序列呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)是顯著的[8]。

1.2 增溫趨勢(shì)明顯

南京從1905年開(kāi)始有氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),見(jiàn)圖1,1905—2005年以來(lái),南京氣溫變化呈正弦波動(dòng),有明顯的增暖趨勢(shì)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z=6.00。

圖1 南京年平均氣溫變化

表1是不同時(shí)段南京四季平均溫度及其變化,冬季和春季增溫率大于夏季、秋季和全年增溫率,春季增溫率全年最大,夏季平均氣溫的變化率不大。

1.3 降雨量呈增加趨勢(shì),暴雨、洪澇屢破歷史極值

對(duì)南京55年(1951—2005年)的年降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)圖2,發(fā)現(xiàn)多年平均降雨量有一定的增加趨勢(shì),但增加趨勢(shì)不顯著(Z=1.23<1.96)。1991年汛期出現(xiàn)了百年未見(jiàn)的特大洪澇災(zāi)害,汛期降雨量達(dá)1 021 mm,年降雨量1 825 mm(常年降雨量平均值為1 025 mm)。2003年又發(fā)生歷史罕見(jiàn)的特大洪澇,7月4日20時(shí)至5日20時(shí)出現(xiàn)207.2 mm的特大暴雨,突破百年歷史極值(1931年7月24日降雨量198.5 mm),造成嚴(yán)重澇災(zāi)。

圖2 南京年均降雨量變化

1.4 日照時(shí)數(shù)、空氣濕度和風(fēng)速均呈降低趨勢(shì)

對(duì)南京55年來(lái)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),圖3～5分別為南京年均日照時(shí)數(shù)、空氣濕度和風(fēng)速變化曲線(xiàn)，MK方法檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z分別為-4.02、-2.83和-5.55，可知均呈明顯降低趨勢(shì)。

圖3 南京年均日照時(shí)數(shù)變化

圖4 南京年均空氣濕度變化

圖5 南京年均風(fēng)速變化

2 南京主要作物需水量的計(jì)算與分析

2.1 南京主要作物需水量的計(jì)算

表2 南京主要作物生長(zhǎng)期劃分及對(duì)應(yīng)階段作物系數(shù)

注:未考慮不同水文年型作物生育期長(zhǎng)度的變化。

2.1.1 參考作物需水量的確定

計(jì)算參考作物需水量的數(shù)據(jù)為南京市氣象站1951—2005年逐日氣象資料。逐日參考作物需水量計(jì)算采用廣泛應(yīng)用的Penman-Monteith公式[9]:

式中:ET0為參考作物需水量,mm/d;Δ為飽和水汽壓-溫度關(guān)系曲線(xiàn)在平均氣溫處的切線(xiàn)斜率,kPa/℃;Rn為輸入冠層的凈輻射,MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量,MJ/(m2·d);γ為濕度計(jì)常數(shù),kPa/℃;T為平均氣溫,℃,按最高氣溫和最低氣溫的算術(shù)平均值計(jì)算;U2為2 m高度處的風(fēng)速,m/s;ea為日平均飽和水汽壓,kPa;ed為氣象觀(guān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際水汽壓,kPa。

2.1.2 作物系數(shù)的確定

聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)將作物整個(gè)生長(zhǎng)生育期劃分為4個(gè)階段,即初始生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)發(fā)育期、生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期。用分段單值平均法計(jì)算作物各階段的作物系數(shù)。選出南京主要作物在特定標(biāo)準(zhǔn)條件下(指空氣濕度約為45%，風(fēng)速約為2 m/s,供水充足,管理良好,生長(zhǎng)正常,大面積高產(chǎn)的作物條件)相應(yīng)階段的作物系數(shù),利用FAO推薦的經(jīng)驗(yàn)修正公式[8]和南京當(dāng)?shù)貧夂驐l件,對(duì)分段作物系數(shù)進(jìn)行修正?？紤]不同水文年氣候條件對(duì)作物系數(shù)的影響,將南京1951—2005年降雨量排頻適線(xiàn),在P=50%、75%和95%每個(gè)水文年型選取3個(gè)典型年,用3個(gè)典型年的氣候數(shù)據(jù)對(duì)作物系數(shù)進(jìn)行修改,得到不同水文年型作物系數(shù)的平均值,如表2所示。

2.1.3 作物需水量的計(jì)算

采用FAO推薦的單作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量：

(2)

式中:ETc為實(shí)際作物整個(gè)生育期的需水量,mm;Kci為第i天對(duì)應(yīng)生育階段的作物系數(shù);ET0i為第i天的參考作物需水量,mm;n為作物生育期長(zhǎng)度,d。

用Penman-Monteith公式計(jì)算逐日ET0,整理得到各年參考作物需水量,如圖6所示,根據(jù)單作物系數(shù)法計(jì)算逐日作物需水量,整理得到各年作物全生育期需水量,見(jiàn)圖7～11。

圖6 南京參考作物需水量變化

圖7 水稻需水量變化趨勢(shì)

圖8 棉花需水量變化趨勢(shì)

圖9 玉米需水量變化趨勢(shì)

圖10 冬小麥需水量變化趨勢(shì)

圖11 油菜需水量變化趨勢(shì)

2.2 氣候變化對(duì)作物需水量的影響

從圖6可以看出,南京參考作物需水量呈下降趨勢(shì)(Z為-2.38),主要原因是降雨量的增加、日照時(shí)數(shù)的減少和風(fēng)速的明顯降低,氣溫升高和濕度降低并不足以抵消降雨量的增加、日照時(shí)數(shù)的減少和風(fēng)速的下降。南京種植面積最大、需水量最多的作物是水稻,從圖7～9看出,水稻、棉花和玉米需水量均呈逐年降低趨勢(shì)(Z分別為-2.09、-2.48、-2.05)。分析原因,以上作物均為夏季耕作,夏季增溫趨勢(shì)率在全年最低(表1),且汛期降雨量增加，日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速明顯降低。圖10～11表明,冬小麥和油菜需水量均呈上升趨勢(shì)(Z分別為1.90、1.97),其生育期主要經(jīng)歷增溫趨勢(shì)率最大的春、冬季,日照時(shí)數(shù)的減少和風(fēng)速的下降不足以抵消氣溫升高和濕度降低而使作物需水量上升。

3 應(yīng)對(duì)氣候變化的措施

a. 實(shí)施節(jié)水灌溉。雖然1951—2005年南京參考作物需水量呈下降趨勢(shì),其中夏作水稻、棉花和玉米的需水量減少,冬小麥和油菜需水量呈增加趨勢(shì),但溫度變化對(duì)作物種植制度有明顯影響,南京多年平均氣溫呈上升趨勢(shì),在未來(lái)氣候變暖的情況下,南京種植模式會(huì)發(fā)生改變,由以一年兩熟稻麥輪作為主向試種兩年三熟和開(kāi)展間作套種轉(zhuǎn)變,品種類(lèi)型亦由早熟向晚熟轉(zhuǎn)變,由此可能會(huì)帶來(lái)作物總需水量的增加。因此不能盲目樂(lè)觀(guān),實(shí)施節(jié)水灌溉仍非常必要。

b. 推行水稻蓄水控灌。南京種植面積最大、需水量最多的作物是水稻。研究表明,稻田淹水灌溉會(huì)增加二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放,推行水稻節(jié)水灌溉,可使溫室氣體排放量減小,持續(xù)淹灌稻田甲烷排放量與產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān),減排稻田甲烷與增加產(chǎn)量的目標(biāo)一致。因此氣候變化使水稻節(jié)水灌溉尤為必要。南京降雨時(shí)空分布不均,汛期降雨占全年降雨量的65%,汛期中梅雨明顯,常連降暴雨、大暴雨,隨著全球氣候變暖,極端天氣發(fā)生頻率增加,汛期暴雨發(fā)生概率更大,為提高雨水利用率,推薦水稻采用蓄水控灌措施[10],它在降低土壤水分控制下限的同時(shí),通過(guò)提高雨后蓄水上限或滯留時(shí)間,擴(kuò)大稻田儲(chǔ)水庫(kù)容,充分利用天然降水,減少灌排次數(shù)、灌排定額和氮磷排放量。該技術(shù)在南京進(jìn)行了5年試驗(yàn)和示范,能在不明顯降低產(chǎn)量和品質(zhì)的前提下,達(dá)到田間尺度上灌排次數(shù)減少1～2次、節(jié)水10%以上、氮磷負(fù)荷減少17%～32%的目標(biāo),具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

氣候變化對(duì)南京作物需水量會(huì)產(chǎn)生較大的影響。夏作作物水稻、棉花和玉米需水量均呈逐年降低趨勢(shì),由于夏季增溫趨勢(shì)率全年最低,故氣溫升高和濕度降低并不足以抵消降雨量的增加、日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速的下降而使作物需水量下降。冬小麥和油菜需水量呈上升趨勢(shì),其生育期主要經(jīng)歷增溫趨勢(shì)率最大的春、冬季,日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速的下降不足以抵消氣溫升高和濕度降低而使作物需水量上升。由此可見(jiàn),溫度變化對(duì)作物需水量影響最大。此結(jié)論與王新華等[6]研究結(jié)論相似,即作物需水量與升溫幅度呈線(xiàn)性相關(guān)；與羅玉峰等[7]的研究結(jié)論有部分出入,他認(rèn)為導(dǎo)致ET0下降的主要原因是日照時(shí)數(shù)減少和風(fēng)速的下降。因此，不同地區(qū)作物需水量的變化趨勢(shì)及成因還有待于長(zhǎng)系列資料的進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

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Impact of climate change on water requirement of main crops in Nanjing//

HAO Shurong1, YU Fangyi1, ZHANG Zhanyu1, JIN Yujie2, HUA Jianlan2

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropower,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.NanjingWaterPlanningandDesigningInstituteCompanyLimited,Nanjing210006,China)

By Combining the variation of meteorological factors, it is analyzed the impact of climate change on water requirement of main crops in Nanjing, China and it is presented some measures to address the impacts of climate change. For achieving this goal, water requirement of crops in Nanjing from 1951 to 2005 is calculated with the method of Mann-Kendall. Combining the variation of meteorological factors, the paper analyzes the impact of climate change on water requirement of main crops in Nanjing and put forward some measures to address climate change. The data show that the decrease of water requirement of summer crops, such as rice, cotton and corn, is related with the insignificant increase of summer temperature, increase of rainfall, drop of sunshine hours, and slowdown of wind speed. While the increase of water requirement of winter wheat and canola is mainly related to the highest growth rate of winter and spring temperatures, the effect of drop in sunshine hours and slowdown in wind speed is not enough to offset that of the increase in temperature and the reduction in humidity. The cropping system is affected by temperature, which may bring the increase of total crop water requirement. Thus, water-saving irrigation, especially water impoundment for controlling irrigation is necessary to reduce irrigation and drainage quota, weaken greenhouse effect and reduce the impact of climate change on the rice production.

climate change; water requirement of crops; water-saving irrigation; rice production;Nanjing

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(sys1101)

郝樹(shù)榮(1971—),女(回族),河北懷來(lái)人,副教授,博士,主要從事節(jié)水理論與技術(shù)研究。E-mail:srhao@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.005

S271

A

1006-7647(2015)03-0025-05

2014-05-21 編輯：駱超)