气候变化背景下我国干热河谷农业灌溉需水的变化趋势

气候变化背景下我国干热河谷农业灌溉需水的变化趋势

不可否认，各国的增水量增加，干旱地区的增水量较低。《气候变化国家评估报告》指出,到2020年我国平均气温可能升高1.3～2.1℃,年均降水量可能增加2%～3%;气候变暖导致作物生长加快,生长期缩短,种植制度改变,带来产量不稳定性加剧,肥料、农药施用增加等问题。华北、西北地区干旱化进程的阶段性转折和突变规律、机理、可预测性及对策措施等研究取得了重大发现。在PRECIS分析的SRESB2情景下,20世纪80年代国内区域的年、冬季、夏季平均温度增加,西南地区升温幅度较小,降水量增加较大。气候变化转折判别结果显示,1971年全国冬季由降温转变为增温趋势,西南地区在20世纪80年代中后期开始趋于“暖干”;夏季气温在1974年由降温转为增温趋势,夏季降水从1972年开始由减少转为增加趋势。吴绍洪等应用Penman-Montieth方程计算参考作物腾发量,结合水分收支平衡的干湿指数较准确反映我国陆地表层的干湿状况。此外,气候变化对北方干旱区水资源特性和作物需水量的影响分析也有报道。Mann-Kendall法作为检验水文气象要素长期变化趋势的方法,已得到广泛应用,R/S分析法则多用于研究气候变化的Hurst现象。干热河谷是世界三大类干旱地区中与大陆中心沙漠、副热带稀疏草原不同的局部干旱生境,地理分布为向北延展的热区。我国的干热河谷主要分布在云南境内怒江海拔1200m以下、元江海拔1000m～1400m以下、澜沧江海拔1000m以下不间断河谷,金沙江800m～1200m以下河谷,及南盘江局部地域1000m以下的河谷,绝大部分属纵向岭谷研究区。元江河谷地形对北方低温寒流起屏蔽作用,河谷内曾广泛分布以湿热气候为主的原始热带季雨林。至17世纪,气候环境湿热,发育热带季雨林的自然地带景观。18～20世纪中叶,元江气候转暖,平均增温3～5℃,旱地作物和刀耕火种方式盛行,环境向干热方向发展,导致农业生态干旱。20世纪50年代初,雨养农业占主导地位,出现土地弃耕和搬迁移民。研究近半个世纪以来元江河谷农业灌溉需水的变化趋势及其对全球变化的响应,对流域实时灌溉预报调度、水资源配置等都具有重要意义。1数据和方法1.1资料与计量资料(1)元江站(23.60°N,101.98°E,海拔401m)1955～2000年的逐日最高温度、最低温度、平均温度、相对湿度、日照时数、风速、降水量资料;(2)元江上游巍山(25.45°N,100.46°E,海拔1741m)、禄丰(25.25°N,102.11°E,海拔1566m)等2个气象站1957～2002年的逐月气象资料;(3)云南省地方标准《用水定额》(DB53/T168-2006)规定的县区主要农作物灌溉用水定额;(4)2000年度元江、巍山、禄丰的农业经济统计年报。1.2动态平衡模型参考作物腾发量(ET0)的计算方法是FAO于1991年专家咨询会议推荐的参考作物腾发量计算模型PenmanMontieth方程。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99),作物需水量为ET0与作物系数、土壤水分胁迫系数之连乘积,灌溉需水量指作物播种前及全生育期单位面积的总灌水量或灌水深度,可通过田间水层(或土壤水分)动态平衡模拟推求;农业综合灌溉需水定额是同一田块里种植的各种农作物灌溉需水量与其播种面积所占比率的加权平均值。1.3气象资料趋势检验Mann-Kendall非参数秩次相关检验法(简称MK法)主要用于水文气象资料趋势检验,如水质、流量、气温和降雨等。给定显著性水平α,在正态分布表查临界值Mα/2。若|M|<Mα/2,趋势不显著;若|M|>Mα/2,即趋势显著。且当M为正时表示上升或增加的趋势,反之则为下降或减少趋势。1.4hurst指数的方向特性反持续性研究R/S分析法(RescaledRangeAnalysis)主要用于研究流域水文过程的变异点,Hurst指数H>0.50,表示未来的趋势与过去一致,H越接近1,持续性越强;H<0.50,表明未来的总体趋势与过去相反,过程具有反持续性,H越接近0,反持续性越强。在变异点处分维数D0和Hurst指数H都发生较大变化。分别以ξ(t),t=8,9,…,39为分界点将原序列分为两部分,分别对其进行R/S分析,得到相应的Hurst指数H1和H2之差ΔH,max{ΔH}所对应的点既为变异最大点。Hurst指数的分析步骤参见文献。2趋势分析2.1长期变化的检验结果利用气象资料计算得到元江站1955～2000年的逐日ET0系列,按月统计并分析其长期变化趋势,选择代表年内ET0变化上下限的5月份(ET0最大月)、12月份(ET0最小月)、枯季(12月～次年4月,下同)、雨季(5～10月,下同)及ET0年值等5个变量的时间序列过程,采用Mann-kendall法对其长期变化趋势进行检验如表1,并将上述时段的月平均、最高、最低温度,日照时数、相对湿度及风速等主要气象因子的趋势检验结果同列于表中(分别以T¯¯¯Τ¯、Tmax、Tmin、n、RH、u表示)。表中数据为正表示该时段对应的列变量在1955～2000年期间呈增加趋势,反之则呈降低趋势,查t检验表,α=0.05时,Mα/2=1.96,若|M|>Mα/2则表示其变化达到α=0.05显著性水平。检验结果是最高温度和平均温度降低、最低温度升高、日照时数和相对湿度增加、风速降低。近半个世纪以来,元江、巍山、禄丰3站年值及年内4个时段的ET0都呈下降趋势,但只有年均值通过α=0.05显著性检验,这是元江河谷降水增多、气温下降及湿度增大等共同作用的结果。元江站5月份(ET0最大月)、12月份(ET0最小月)及ET0年值系列的长期变化如图1所示。由于纵向岭谷区降水变化的周期集中在3.5年以下高频振荡时域,并具有年代际变化。为消除周期性变化的影响,将4年滑动平均值系列也列出对比。2.2河谷上干湿趋势分析根据Vysotskii模型,干湿指数Iα定义为湿润指数的倒数,即为ET0与同期降水量的比值。对应的干湿状况判别条件为:Iα≤0.99为湿润类型,1.00<Iα≤1.49为半湿润类型,1.50<Iα≤3.99为半干旱类型,Iα≥4.00为干旱类型。将元江站及河谷上游源头区巍山、禄丰等作对比,分析元江河谷的干湿趋势,如图2所示,自1955年以来,元江站每年的干湿指数均大于1.50,即完全属于半干旱类型,且在1990年前还有6年接近或跨过干旱的界限。从长期变化趋势看,元江站的干湿指数呈降低趋势,向湿润化演变;雨季干湿指数呈增加趋势,枯季则相反,表明雨季逐渐变得干燥,枯季则是湿润趋势。巍山、禄丰两站的干湿指数也是降低趋势,但均未通过显著性检验。巍山的干湿指数大多在1.0以上,还有12年超过1.50,占分析年限的40.0%,总体上仍属于半干旱～半湿润类型,朝湿润的方向变化。禄丰站也有一半多的年份干湿指数在1.00～1.50之间,干湿指数呈下降趋势,为半干旱～半湿润～湿润的变化过程。总之,3个站的干湿指数都是下降的趋势,与降水量和ET0都是下降的变化趋势相吻合。2.3灌溉需水及农业综合灌溉需水定额系列年际变化根据《全国水资源综合规划技术细则》、云南省地方标准《用水定额》(DB53/T168-2006)等规定,结合元江河谷灌溉用水调查,分析得到1956～2000年元江、巍山及禄丰站的水稻灌溉定额(指一季中稻,下同)和农业综合灌溉需水定额系列,这是在现状2000年水平的同一种作物种植结构、土壤及灌溉用水管理模式下,采用历年逐月气象、降水资料进行灌溉制度设计,除气象资料以外的各种边界条件均未发生变化,因此,水稻灌溉需水及农业综合灌溉需水定额系列的年际变化仅反映出气候环境改变带来对作物灌溉需水量的影响。1956～2000年的水稻灌溉及农业综合灌溉需水定额系列变化趋势如图3、表2所示,表中统计量的含义同前。各站的水稻灌溉需水定额和农业综合灌溉需水定额都呈减少趋势,但只有巍山、禄丰两处枯季的农业综合灌溉需水定额通过α=0.05水平显著性检验。元江河谷内主要灌溉期枯季降水增加、干湿指数降低、ET0降低,导致水稻及其它农作物灌溉需水定额呈下降趋势。河谷上游的巍山、禄丰两处还同属于滇中干旱区,变化更为显著。3离散点分析3.1不同季节和枯季、季节水定额的hurst指数变化分析得到元江、巍山、禄丰3处主要气象要素、水稻灌溉需水定额及农业综合灌溉需水定额(年值和枯季)的Hurst指数如表3。3个站的ET0年值、枯季、雨季Hurst指数均大于0.50,呈持续性变化,过去45年ET0的降低趋势,在未来一段时期内仍将继续维持。元江站各个ET0变量的R/S分析结果如图4所示。3.2元江站年际变化同样地,对3个站主要气象因子长期变化的持续性分析结果表3及图5所示。元江站的年最低温度、枯季平均温度和降水量,禄丰站枯季降水的Hurst指数小于0.50,四者出现反持续性特征,系列中存在变异点。经诊断分析,元江站年最低温度变异点为1968年,呈“增-增-减”的变化过程,但1955～1968年和1968～1989年两段时期的上升幅度各不相同,1989年后变为降低趋势;元江站枯季(12月～次年4月)平均温度在1955～1980年期间为下降趋势,但1980年后是升温趋势;枯季降水量在45年里呈“增-减-增”的曲折变化,1954～1968年和1989～2000年两段时期枯季降水为增加趋势,1968～1989年期间则减少趋势。禄丰站枯季降水在1992年发生转折,呈“增-骤增”变化,虽然在1957～2000年的整个系列中都是增加趋势,但1992年后增加势头更大。3.3稻虾管理状况的反持续性特征选择水稻灌溉需水定额和农业综合灌溉需水定额(分年值和枯季两个统计时段)作为代表性农业需水变量,分析系列变化的持续性,如表3所示。三个站水稻灌溉需水定额Hurst指数均大于0.50,表明整个元江河谷的水稻灌溉需水定额在最近45年里都呈一致下降趋势。元江、巍山及禄丰3个站农业综合灌溉需水定额年值和元江站枯季农业综合灌溉定额的Hurst指数小于0.50,即出现反持续性特征。如图7,元江站农业综合灌溉需水定额经历先增后减趋势,1956～1987年间略有增加,但1987年后显著呈下降转折趋势;巍山站是下降趋势,但1992年前后是明显地由缓变急的下降趋势;元江站枯季农业综合灌溉需水定额系列的变异点也为1987年;禄丰站的变化趋势与元江站基本一致。因此,20世纪80年代后期～90年代初,元江河谷的农业综合灌溉需水定额开始直线下降。4元江河谷转导期有关时代(1)采用Mann-Kendall法进行1955～2000年元江河谷内元江、巍山、禄丰3个站主要气象因子、干湿指数及农业灌溉需水量的变化趋势检验,结果是最高温度和平均温度降低、最低温度升高、日照时数和相对湿度增加、风速降低;在年、月的不同时间尺度上ET0都呈下降趋势,且只有年值达到α=0.05显著性水平。整个元江河谷的干湿指数降低,朝湿润化演变;水稻及农业综合灌溉需水定额(年值及雨季、枯季)也都是下降的趋势。(2)通过R/S分析,元江河谷的平均温度、相对湿度、降水量,ET0(年值、枯季、雨季)的Hurst指数大于0.50,未来一段