不同环境下临沂市主要作物需水量分析

2018-06-14高立玉

山东水利 2018年4期

高立玉

（临沂市河东区水务局，山东临沂 276000）

近年来，受人类活动与全球气候变化的影响，全国各地的光照、气温、与降水等气象因子的时空分布规律皆出现了一定程度的变化，这些因素变化必将改变作物的需水规律，在此背景下，变化环境下作物需水量的精准预测成为重要的研究课题。本文以临沂市为例，采用AGCM3（The Third Generation Atmospheric General Circulation Model）大气环流模型模拟该市各地变化条件下的水文气象因子（即变化环境因子），利用Priestley-Taylor模型估算变化环境下的参考作物腾发量，并对该市各地不同时间段内的主要作物需水量进行预测，从而为该市的农业与水资源发展规划提供参考。

1 模拟计算方法

1.1 研究区概况

临沂市地处暖温带季风区大陆性气候区，年平均气温13.6℃，年降水量797.0 mm，年日照时数2 289 h。总面积17 191.2万km2，人口1 124万。主要作物包括小麦、玉米、水稻、花生、甘薯等。

1.2 变化环境模拟

采用AGCM3模型对临沂市的变化环境进行模拟，该模型由加拿大气候模拟与分析中心(Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis)开发，可充分模拟影响作物需水量的影响因子（如光、温、水等）变化情况，在北美地区得到了广泛的应用。模型模拟与验证所需的水文气象资料主要来源于中国气象数据共享服务网与相关文献等。

1.3 作物需水量估算

作物需水量可表示为作物系数f和参考作物腾发量 ET0的乘积，即：W＝f·ET0（1）

其中：f的取值随作物类型与所在地区条件而变化，山东省临沂市小麦、玉米、水稻、花生、甘薯的作物系数取值方法主要参考文献【1】。参考作物腾发量ET0的预测主要基于AGCM3的模拟结果、通过 Priestley-Taylor模型计算【2】。Priestley-Taylor模型是Priestley和Taylor对Penman公式的修正式，以平衡蒸发为基础，引进常数，导出了估算无平流条件下蒸发的模式，公式如下：

式中：α为Priestley-Taylor系数（取值1.26），Δ为饱和水气压-气温关系斜率，γ为干湿计常数，Rn为灌层表面净辐射，G为土壤热通量，各中间变量的计算公式或取值方法参考文献【2】。

2 模拟计算

2.1 模型验证

为验证AGCM3模型在临沂市变化环境因子预测中的适用性，首先采用该模型对临沂市1991—2015年间的水文气象因子进行模拟，将结果按月分类汇总、得到该研究时间段内的逐月气温和降水模拟值，再将模拟结果与实测值进行比较，如图1所示。

观察图1可知，临沂市在研究时段内的平均最高温出现于7月份、为26.8°C；最低气温出现于1月份、为－0.8°C；模拟值与实测值的最大误差率出现于9月份、约为8.84%，各月份误差率的平均值为0.63%；最大误差率与误差率平均值皆较小，因此，AGCM3模型满足气温预测的精度要求。临沂市在研究时段内的平均最高降水量也出现于7月份、为257.3 mm；最低降水量也与气温分布规律一致，即出现于1月份、为11.4 mm；模拟值与实测值的最大误差率出现于1月份、约为－9.60%，各月份误差率的平均值为－0.82%，因此，AGCM3模型也满足降水预测的精度要求。由于气温与降水是环境变化最为重要的因素，而AGCM3模型在两者的预测中均表现出较高的精确度，因此，AGCM3模型在临沂市变化环境因子的模拟与预测中具有较高的适用性。

2.2 参考作物腾发量

基于AGCM3模型的模拟结果，利用公式（2）所代表的Priestley－Taylor模型计算临沂市各地区于不同时间段内的参考作物腾发量；由于水文气象因子具有较为强烈的短期波动性，因此选取的分析步长为10年，各时间段内不同地区的计算结果汇总见表1。计算各地在不同时期内的平均参考作物腾发量可知，在1991—2000年间临沂市的平均参考作物腾发量为1 065.1 mm，而2011—2020年为1 086.2，即现状值相对于20年前升高了约1.98%；而2041～2050年间的平均值为1 118.6，即约30年后临沂市的参考作物腾发量相对于现状值将升高约2.98%。总体而言，临沂市的参考作物腾发量呈现递增趋势，其速率大约为每10年升高1%左右。

表1 临沂市各地区参考作物腾发量 mm

2.3 主要作物需水量

根据表2数据结合公式（1）可计算临沂市不同地区在各时期内的主要作物需水量。取2011—2020时间段为现状条件，得到临沂市各地区主要作物需水量值，结果如表2所示。

同种类作物的作物需水量空间分布规律主要取决于参考作物腾发量，计算小麦、玉米、水稻、花生、甘薯在各地区的平均作物需水量值，结果分别为 505.4 mm、398.12 mm、787.22 mm、547.33 mm、535.14 mm，即水稻耗水量最大、而玉米最小。

表2 现状条件下临沂市主要作物需水量 mm

同理可计算变化环境下临沂市的主要作物需水量，取2041—2050年间的模拟结果作为变化后的环境条件，得到各地的主要作物需水量，如图2所示。

图2 变化环境下临沂市主要作物需水量

通过图2可明显观察出，在变化环境下临沂市主要作物需水量的相对大小与现状条件基本保持一致，最小的为玉米、全市平均值为410.0 mm，最大的为水稻、全市平均值为810.6 mm。空间分布规律方面也与现状条件较为接近，主要作物需水量最小的为蒙阴县、各作物平均需水量为523.7 mm，最大的为市区、各作物平均需水量为588.4 mm，总体呈现由西北至东南逐渐升高的趋势。在作物需水量大小方面，变化环境下临沂市主要作物需水量相对于现状值明显增大，其中水稻增加幅度最大、平均为23.4 mm，玉米相对最小，各作物按需水量增加幅度由小到大排序分别为玉米、小麦、甘薯、花生、水稻。