基于CROPWAT的泾惠渠灌区玉米和棉花灌溉需水量时空分布研究

宋 扬，周维博，李 慧

(1.长安大学环境科学与工程学院，西安 710054；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054)

0 引 言

近几十年来全球气候变暖，气温升高，致使作物需水量和农田灌溉需水量发生变化，导致农业需水量增加；而气候变暖进一步导致降水资源的时空分布更加不均衡，用水部门的用水量也在不断增加，用于农业的灌溉水量将会减少，这进一步加剧了农业水资源的供需矛盾。许多学者对农田灌溉需水量进行了大量研究，李立分析了气候变化条件下宝鸡峡灌区作物需水量的时空变化，认为作物需水量呈波动增加趋势[1]；宋妮等分析了河南省冬小麦需水量时空变化及影响因素，得出河南省冬小麦需水量呈下降趋势，日照时数和日平均高温是影响冬小麦需水量的主要因素的结论[2]；刘晓英等分析了气候变暖对华北地区主要作物需水量的影响，结果表明气候变暖对不同地域的不同作物需水量的影响程度不同[3]；Ma Lin等分析了华北平原作物灌溉需水量的时空分布及驱动因素，认为华北平原作物灌溉需水量逐年增加，降雨是灌溉需水量变化的主要驱动因子[4]。综上可知，作物需水量的分布特征及驱动因子已有大量研究，但是针对泾惠渠灌区玉米和棉花需水量变化特征研究相对较少，因此，研究灌区作物需水量的变化规律，对缓解农业水资源供需矛盾，合理利用水资源具有重要意义。

本文根据泾惠渠灌区近30 a来的气象资料，利用FAO的CROPWAT模型计算玉米和棉花蒸发蒸腾量和生育期有效降水量，进而得到玉米和棉花灌溉需水量，利用SPSS软件分析需水量与气象因子的相关性，为灌区作物灌溉以及灌溉用水的分配提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况及资料来源

(1)研究区概况。泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，属泾、渭河冲积平原区，是典型的井渠结合灌区，东、西、南有石川河、泾河、渭河环绕，辖泾阳、三原、富平、高陵、阎良和临潼6个县区，总控面积为1 180 km2，土壤和水利条件良好，有效灌溉面积131.9万亩，属大陆半干旱气候，多年平均降水量为540 mm，年蒸发量1 200 mm，灌溉水源为泾河引水和区内地下水。

(2)资料来源。本文所用气象数据和空间数据均来源于陕西省泾惠渠管理局。其中气象数据包括泾惠渠近30 a的气象资料，空间数据为泾惠渠灌区行政分区图，见图1。

图1 泾惠渠灌区平面图Fig.1 The plan of Jinghui canal irrigation district

1.2 研究方法

CROPWAT 模型是联合国粮农组织(FAO)土地与水发展司在 1992 年开发设计的，主要用于计算参考作物蒸发蒸腾量、作物蒸发蒸腾量、作物灌溉需水量、制定灌溉制度及评价雨养或非充分灌溉对产量的影响。该模型所需的输入参数包括气象参数、作物参数、土壤参数[5,6]。

1.2.1参考作物蒸发蒸腾量

CROPWAT模型根据当地的气象资料，利用Penman-Monteith公式计算参考作物蒸发蒸腾量，其公式如下：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量， mm/d；Δ为饱和水气压ea与温度曲线的斜率，kPa/℃；Rn为参考作物冠层表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为干湿表常数，kPa/℃；Ta为2 m高处的日平均气温，℃；μ为2 m高处的风速，m/s；ea为饱和水汽压，kPa；ed为实际水汽压，kPa。

1.2.2作物蒸发蒸腾量

CROPWAT模型通过ET0和不同阶段的作物系数得到作物蒸发蒸腾量，在一定气候条件下可以表示为：

ETc=KcET0

(2)

式中：ETc为作物蒸发蒸腾量， mm；Kc为作物系数。

1.2.3有效降水量

CROPWAT模型利用美国农业部提供的方法计算有效降水量[7-9]：

Pe=SF(0.709 17P0.823 16t-0.115 56)×100.024 2 ETc

(3)

式中：Pe为月平均有效降水量， mm：Pt为月平均降水量， mm；ETc为月平均作物蒸发蒸腾量， mm；SF为土壤水分储存因子，其计算公式见公式(4)：

SF=(0.531 747+0.295 164D-0.057 69D2+

0.003 804D3)

(4)

式中：D为可使用的土壤储水量， mm，通常取作物根区土壤有效持水量的40%～60%。

1.2.4灌溉需水量

模型根据作物蒸发蒸腾量和生育期内的有效降水量计算玉米和棉花灌溉需水量，由于研究区年降水量较少，地下水位较低。故在计算玉米和棉花灌溉需水量时将地下水上升补给量、土壤深层渗漏量忽略不计[9-12]：

I=ETc-Pe

(5)

式中：I为灌溉需水量， mm；Pe为作物生育期有效降水量， mm。

2 结果分析

2.1 作物生育期降水量分析

统计了6个站点近30 a的降水平均值，用最近零距法对各站点的多年平均值进行插值，得到灌区玉米和棉花生育期降水量的空间分布(见图2)。玉米生育期降水量年际波动较大，如富平2001年生育期降水量仅82.9 mm，而在2003年降水量达到580.3 mm。由图2看出玉米生育期降水量分布比较均匀，大部分地区降水量超过600 mm，临潼区降水最大为682.4 mm，富平县降水最小为580.7 mm；从空间分布来看，靠近泾河和渭河降水量较大，东部最多为173.4～682.4 mm北部最少为82.9～580.7 mm。棉花生育期降水平均为490.67 mm，降水分布比较均匀，最大降水量在临潼为860.8 mm，最小在三原为713 mm，总体上，棉花生育期降水量东部大于西部，南部大于北部。

图2 作物生育期降水量空间分布Fig.2 Spatial distribution of precipitation in growth stages of crop

2.2 作物生育期蒸发蒸腾量分析

利用上述公式计算出玉米和棉花各生育阶段的蒸发蒸腾量，见图3、图4(篇幅所限，仅给出富平和泾阳作物的蒸发蒸腾量)。灌区玉米蒸发蒸腾量高峰期出现在7月中旬到8月下旬，峰值出现在7月下旬；整个研究区玉米蒸发蒸腾量平均值为524.33 mm，其中泾阳为533.83 mm，高陵为528.64 mm，三原为528.05 mm，临潼为520.85 mm，阎良为519.11 mm，富平为515.5 mm；玉米生育期主要分为3个阶段，播种-拔节期、拔节-抽雄期和抽雄-成熟期，3个阶段平均蒸发蒸腾量为196.78、132.54和196.9 mm，在抽雄-成熟期蒸发蒸腾量最大，主要是由于在该阶段为玉米籽粒饱满期，气温和日照时数较大，此时如果玉米需水量不足会导致减产，严重干旱时会导致绝收，因而，在这个阶段管理部门应做好灌溉工作，为灌区春小麦保产、增产提供保证。

图3 灌区玉米生育期蒸发蒸腾量Fig.3 Transpiration and evaporation of maize in irrigation area

由图4看出，棉花蒸发蒸腾量峰值出现在8月上旬，整个研究区棉花蒸发蒸腾量平均值为869.13 mm，其中泾阳最大为870.67 mm，阎良最小为867.8 mm，研究区各区域蒸发蒸腾量趋势基本一致(图略)，表现为从4月上旬增加至8月上旬，而后逐渐减小；棉花生育期主要分为5个阶段，分别为播种期、苗床期、蕾期、花铃期和吐絮期，在花铃期蒸发蒸腾量最大，平均为337.33 mm，播种期最小，平均为26.7 mm，花铃期蒸发蒸腾量增大主要原因是由于气温和日照时数增大，再加此阶段是棉花产量和品质的决定期，其需水量最大。

图4 灌区棉花生育期蒸发蒸腾量Fig.4 Transpiration and evaporation of cotton in irrigation area

2.3 作物生育期灌溉需水量分析

图5为灌区玉米需水量及灌溉需水量空间分布图，由图5看出，生育期需水量西部大于北部，南部大于北部，富平县生育期玉米需水量最小，为515.5 mm，泾阳县需水量最大为535.30 mm，全区生育期平均需水量为524.42 mm；玉米生育期灌溉需水量最小值出现在临潼区，最大值在泾阳县，为359.20 mm，其灌溉需水量空间分布与需水量一致。由图3及图5分析得出，灌区玉米在出苗期-抽雄开花期，灌溉需水量增加，从5月开始，灌溉需水量逐渐增加至7月中下旬，此时为玉米喇叭口-开花期，7-8月份为玉米籽粒形成-乳熟期，需水量大幅增加，主要是由于夏季温度较高，蒸发蒸腾量较大，导致玉米需水量增大；至9月下旬，玉米灌溉需水量下降，此时为完熟期，秸秆变黄，吸收水分减少。总体来说，灌区玉米生育期需水量主要受温度、降水、日照时数及风速、湿度的影响，在干旱年，应增加灌溉水量，避免作物减产。

图6为灌区棉花需水量及灌溉需水量空间分布图。由图6看出，整个研究区棉花生育期需水量空间分布比较均匀，各分区需水量基本一致，其平均值为869 mm；棉花灌溉需水量最大值出现在三原为547.3 mm，最小值出现在泾阳为373.9 mm，整个研究区灌溉需水量平均值为453.6 mm，总体上东部大于西部，南部大于北部。由图4及图6结合分析，灌区棉花苗床期灌溉需水量开始增加，花铃期达到最大值，吐絮期灌溉需水量减小，分析其原因是苗床期开始，灌区气温和日照时数增大，其蒸发蒸腾量增大。

图5 玉米(灌溉)需水量空间分布Fig.5 Spatial distribution of (irrigation) water requirement on maize

图6 棉花(灌溉)需水量空间分布Fig.6 Spatial distribution of (irrigation) water requirement on cotton

3 作物生育期需水量影响因素分析

为进一步分析灌区作物生育期需水量的影响因素，运用SPSS软件对灌区作物生育期需水量与气温、降水量、相对湿度和日照时数等做了相关性分析，具体见表1。由表1看出，灌区需水量与气温呈正相关，气温增大，蒸发能力增大，导致需水量上升，作物需水量受气温影响较大；需水量与降水呈负相关，说明随着降水的增加，作物需水量减少；风速与需水量的相关性较弱，说明风速对需水量的影响较小；相对湿度与需水量呈负相关，湿度越大需水量越小；与日照时数呈正相关，日照数越大，作物蒸发蒸腾量越大。总体来说，研究区作物与气温、降水、相对湿度和日照时数相关性显著，说明棉花需水量增大主要是气温升高、降水增多及日照时数增加共同导致。

表1 灌区作物需水量与气象因子相关系数分析Tab.1 The analysis of correlation coefficient on water requirement of crop with meteorological factor in irrigation area

注：**在置信度(双侧)为0.05时，相关性是显著的。

4 结果与讨论

利用CROPWAT 模型分析了泾惠渠灌区作物蒸发蒸腾量和灌溉需水量，并对其进行了影响因素分析，得出如下结果。

(1)玉米生育期的蒸发蒸腾量平均值为524.33 mm，玉米蒸发蒸腾量高峰期出现在7月中旬到8月下旬(籽粒形成-乳熟期)，灌区各分区蒸发蒸腾量趋势一致。棉花生育期蒸发蒸腾量平均为869.13 mm，花铃期蒸发蒸腾量最大，播种期最小，整个灌区蒸发蒸腾量差异较小。

(2)玉米生育期需水量和灌溉需水量随气温升高而增加，各个生育阶段灌溉需水量差异较大，灌区各分区需水量和灌溉需水量空间分布基本一致，西部大于东部，南部大于北部。棉花生育期需水量空间分布比较均匀，花铃期灌溉需水量较大，播种和吐絮期灌溉需水量较小，灌溉需水量平均值为453.6 mm，东部大于西部，南部大于北部。

(3)灌区玉米和棉花生育期需水量与气温呈正相关，与降水呈负相关，风速与需水量的相关性较弱，相对湿度与需水量呈负相关，与日照时数呈正相关，气温和降水是影响作物需水量的主要因素。

本文在分析灌区作物需水量的过程中，采用有效降水量计算需水量，一定程度上减少了无效降水引起的误差，对灌溉需水量的计算更准确。作物生育期灌溉需水量及影响因素与李立研究计算结果基本一致[1]。由于研究区作物生育阶段可能存在缺水问题，农业生产主要依赖于灌溉，因此在气候变暖的趋势下，准确分析作物生育期水分变化尤为重要。保证作物每个生育阶段所需水分，是提高作物产量的必要措施，在明确了作物生育期需水量变化的基础上，可采用针对性措施，有效应对气候变化来提高作物产量。如在玉米籽粒形成-乳熟期保证其灌溉用水，可有效提高作物产量；合理调整种植面积、种植结构及采用节水措施，降低灌区灌溉需水量。对于灌区供需水问题，在以后的研究中要注重种植结构调整及提高用水效率方面来缓解供需水矛盾。

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