白凱華，韓 冰，羅玉峰

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；3.遼寧省水土保持局，沈陽(yáng) 110003；4. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

我國(guó)的氣候變化與全球氣候變化總趨勢(shì)基本一致[1]，自20世紀(jì)以來(lái)，地面溫度顯著上升，同時(shí)，其他影響水稻蒸發(fā)蒸騰量的諸多氣候要素也發(fā)生著深刻的變化[2]，這些都可能導(dǎo)致水稻灌溉需水量的變化。近年來(lái)，一些學(xué)者[3-5]通過人為假定氣溫、降水等氣象要素的變化幅度來(lái)研究作物灌溉需水量的變化，但這種方法不能反映氣候因子變化的大氣環(huán)境物理基礎(chǔ)。依據(jù)以氣候因子變化為基礎(chǔ)的大氣環(huán)流模式GCMs(General Circulation Models)能較好地模擬出大尺度的平均特征，對(duì)未來(lái)氣候的可能變化趨勢(shì)進(jìn)行描述。同時(shí)，伴隨著全球氣候系統(tǒng)模式的迅速發(fā)展，IPCC第4次評(píng)估報(bào)告集中了23個(gè)復(fù)雜全球氣候系統(tǒng)模式9種不同排放情景下的預(yù)估結(jié)果，該結(jié)果引起了越來(lái)越多的全球模式下氣候變化對(duì)水稻灌溉需水量影響的關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就氣候變化對(duì)水稻灌溉需水的影響進(jìn)行了探索，研究結(jié)論隨不同地區(qū)而不同，如西班牙瓜達(dá)基維爾河流域(Guadalquivir river basin)水稻灌溉需水量增長(zhǎng)率在15%～20%之間[6]，韓國(guó)水稻灌溉需水量將會(huì)減少4%～8%[7]，而在間歇灌溉和淹水灌溉模式下昆山和開封兩個(gè)地區(qū)未來(lái)水稻耗水量和灌溉需水量呈顯著上升趨勢(shì)[8]。本文以江蘇省為例研究氣候變化對(duì)水稻灌溉需水量影響，預(yù)測(cè)HadCM3模式不同排放情景下的水稻灌溉需水量，明確未來(lái)氣候條件下江蘇省水稻灌溉需水量的變化趨勢(shì)及其空間分布，以期減少氣候變化對(duì)水稻生產(chǎn)的負(fù)面影響，為灌溉用水管理者提出針對(duì)性的應(yīng)對(duì)策略提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 HadCM3模式數(shù)據(jù)

HadCM3氣象模式由英國(guó)氣象局Hadley氣候預(yù)測(cè)研究中心開發(fā)，目前版本為HadCM3，水平分辨率3.75°×2.5°(經(jīng)度×緯度)，全球共73×96個(gè)柵格，江蘇省處在對(duì)氣候變化敏感的區(qū)域且以水稻為主要糧食作物，依據(jù)江蘇省區(qū)域分布選取相應(yīng)柵格。

氣候變化主要通過改變水稻生理、土壤水平衡、蒸發(fā)蒸騰量和有效降水4個(gè)方面對(duì)水稻灌溉需水量產(chǎn)生影響。考慮到未來(lái)江蘇省水稻用水策略需要應(yīng)對(duì)的可能出現(xiàn)的情況，本文選取未來(lái)9種氣候變化情景中被確定為主要情景中的2種：SRES A2，世界發(fā)展極其不均衡，自給自足和地方保護(hù)主義，人口持續(xù)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較慢；SRES B1，世界均衡發(fā)展，更加公平地在全球范圍實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[9]。本文所有數(shù)據(jù)均來(lái)自IPCC數(shù)據(jù)中心(http:∥ipcc-ddc.cru.uea.ac.uk)第4次報(bào)告公布數(shù)據(jù)，包括HadCM3模式A2和B1排放情景下的基準(zhǔn)期(1961-2000年)以及未來(lái)逐月平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。

1.2 作物蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算

考慮未來(lái)氣候模式輸出數(shù)據(jù)為逐月數(shù)據(jù)，采用單作物系數(shù)法計(jì)算水稻的逐月蒸發(fā)蒸騰量：

ETct=KctET0t

(1)

式中：ETct為第t月的作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Kct為第t月的作物系數(shù)；ET0t為第t月參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm。

依據(jù)單作物系數(shù)曲線，統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)7-10月的Kc值逐月平均值，對(duì)分布在同一個(gè)柵格上的站點(diǎn)Kc值進(jìn)行平均，求得未來(lái)氣候模式下各個(gè)計(jì)算柵格的Kc值。ET0由Thornthwaite法計(jì)算得到。Thornthwaite法[10]最初基于美國(guó)中東部地區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而提出，視ET0為溫度的冪函數(shù)?？紤]到江蘇省地區(qū)冬季月平均氣溫經(jīng)常低于0 ℃，故采用下面改進(jìn)后的公式[11]：

ET0=

(2)

(3)

a=0.49+0.017 9I-0.000 077 1I2+0.000 000 675I3

(4)

式中：ET0為Thornthwaite法計(jì)算的參考作物蒸發(fā)蒸騰量；Ti為月平均氣溫；I為溫度效率指數(shù)；a為熱量指數(shù)的函數(shù)；C為與日長(zhǎng)和溫度有關(guān)的調(diào)整系數(shù)，本文7-10月的C值分別取為1.23、1.16、1.03和0.97。

1.3 有效降雨計(jì)算

采用USDA-SCS方法[12]計(jì)算有效降雨，該方法采用土壤水分平衡法，綜合考慮作物騰發(fā)、降水和灌溉等因素提出的預(yù)測(cè)月有效降水量的方法。其公式為：

(5)

Peff=125+0.1PtotPtot>250 mm

(6)

式中：Ptot為總降雨量，mm；Peff為有效降雨量，mm。

1.4 灌溉需水量計(jì)算

采用Thornthwaite 法結(jié)合USDA-SCS法推求的有效降水求出HadCM3模式下排放情景的逐月灌溉需水量，并統(tǒng)計(jì)水稻生育期(7-10月)內(nèi)逐月灌溉需水量，得到一系列逐年的水稻灌溉需水量IR。逐月水稻灌溉需水量等于該月水稻蒸發(fā)蒸騰量與有效降雨的差值，再加上該月構(gòu)成植株體所需水量和田間滲漏量[13]。具體計(jì)算公式如下：

IRi=ETc,i-Peff,i+SPi

(7)

式中：IRi為第i月水稻灌溉需水量，mm；ETc,i為第i月水稻蒸發(fā)蒸騰量，由公式(2)～(4)計(jì)算，mm；Peff,i為第i月有效降水量[由公式(5)和(6)計(jì)算]，mm；SP為當(dāng)?shù)氐趇月滲漏量，mm。

滲漏量并不因氣候變化而發(fā)生變化，本文僅考慮氣候變化引起降雨量變化和作物蒸發(fā)蒸騰量的變化對(duì)灌溉需水量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 未來(lái)水稻灌溉需水量變化情況

表1給出了江蘇省水稻生育期ET0、ETc和IR在HadCM3模式3個(gè)時(shí)期較現(xiàn)狀的變化情況。從表1中可以看出，A2情景和B1情景水稻灌溉需水量相比，2012-2040年B1情景水稻灌溉需水量增幅更大一些。這是由于雖然2012-2040年B1情景平均溫度上升幅度更高，但是降水量下降幅度也更大，兩者綜合作用，降水量下降幅度占了主導(dǎo)作用，最終導(dǎo)致B1情景水稻灌溉需水量比A2情景更大。2041-2070年和2071-2100年A2情景平均溫度上升幅度更大，因此，雖然降水上升幅度略大，但是最終導(dǎo)致A2情景水稻灌溉需水量的增幅更大一些?？傊琀adCM3模式情景下，2100年ET0、ETc以及水稻灌溉需水量都呈顯著的上升趨勢(shì)。這與叢振濤等[14]得出的MIROC3.2模式A1B情景下未來(lái)50年ET0總體上呈上升趨勢(shì)，全國(guó)平均增加約8%，作物蒸發(fā)蒸騰量總體上呈增加趨勢(shì)，華東地區(qū)水稻灌溉需水量增加的研究結(jié)果一致，不過上升幅度相比而言，本文研究結(jié)果更大。

2.2 水稻生育期ET0年平均值的空間分布規(guī)律

圖1可以看出，A2情景下2012-2040、2041-2070年ET0在空間上大致呈由北至南遞減分布，2071-2100年ET0高值區(qū)分布在江蘇省整個(gè)北部(西北部和東北部相差1.3 mm，均為高值區(qū))，3個(gè)時(shí)期最高值和最低值相差分別為47.5、39.3和41.4 mm；B1情景3個(gè)時(shí)期年ET0空間分布完全一致，ET0從高到低依次為：西北部>南部>東北部>中部，3個(gè)時(shí)期最高值和最低值相差分別為45.3、43.6和49.3 mm；兩種情景下ET0年平均值空間差異性都不大，B1情景ET0的極差稍大于A2情景。

表1 江蘇省水稻生育期ET0、ETc和IR在HadCM3模式下的變化情況Tab.1 Variations of the scenario of HadCM3's ET0，ETc and IR during rice growth duration in Jiangsu Province

2012-2040和2041-2070年相比，A2情景同一個(gè)地區(qū)增大幅度介于8.8～21.3 mm之間，B1情景介于15.8～17.9 mm之間；2071-2100年與2012-2040年相比，A2情景同一個(gè)地區(qū)增大幅度介于54.6～89.4 mm之間，B1情景介于49.4～54.1 mm之間；兩種情景同一地區(qū)增大幅度相差不大，且都隨著時(shí)間的推移增大幅度遞增。

圖1 HadCM3模式A2和B1兩種情景下江蘇省水稻生育期ET0年平均值空間分布圖(單位:mm)Fig.1 Spatial distribution of average annual ET0 during rice growth duration in Jiangsu Province under the HadCM3 A2 and B1 scenarios

2.3 水稻生育期灌溉需水量年平均值的空間分布規(guī)律

圖2可以看出，A2和B1情景3個(gè)時(shí)期年水稻灌溉需水量空間均分布均大致呈現(xiàn)出由北至南遞減的分布規(guī)律，3個(gè)時(shí)期江蘇省北部(東北部和西北部)以及中部和南部之間相差不大，但南北差異相對(duì)較大。西北部、東北部、中部和南部變化幅度，A2情景2012-2040和2041-2070年相比分別為-24.5、25.8、7.0和23.7 mm，2071-2100與2012-2040年相比分別為-1.0、42.8、37.5和77.3 mm ；B1情景2012-2040和2041-2070年相比分別為-28.9、-8.9、-4.8和15.6 mm，2071-2100與2012-2040年相比分別為-2.6、6.2、20.9和70.9 mm。

圖2 HadCM3模式A2和B1情景3個(gè)時(shí)期江蘇省水稻灌溉需水量年平均值空間分布圖(單位:mm)Fig.2 Spatial distribution of average annual irrigation requirement during rice growth duration in Jiangsu Province under the HadCM3 A2 and B1 scenarios

總體而言，HadCM3模式水稻灌溉需水量北部區(qū)域?yàn)槿⌒枨笞罡叩牡貐^(qū)，增幅最大的地區(qū)位于江蘇省南部，即HadCM3模式下，北部和南部地區(qū)是全省相對(duì)不利的地區(qū)。因此，針對(duì)江蘇省未來(lái)氣候模式下對(duì)水稻種植最為不利地區(qū)的水稻集中分布區(qū)，如沿海地區(qū)的沿海墾區(qū)、江蘇省北部的南水北調(diào)北部區(qū)域和江蘇省南部地區(qū)的蘇錫常地區(qū)，分別提出不同的適應(yīng)性灌溉策略。江蘇省沿海墾區(qū)雨量充沛，但是由于降水時(shí)空分布不均，造成本區(qū)未來(lái)情景下水稻灌溉需水量用水形勢(shì)成為江蘇省最為緊張的地區(qū)。因此，應(yīng)充分發(fā)揮該地區(qū)河網(wǎng)、水塘和湖泊蓄水功能，調(diào)節(jié)降水時(shí)空分布不均造成的干旱缺水。對(duì)于南水北調(diào)沿線區(qū)域，應(yīng)注重長(zhǎng)江、洪澤湖、駱馬湖水資源統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化配置。具體來(lái)講，就是可在非灌溉季節(jié)充分利用長(zhǎng)江水源對(duì)洪澤湖、駱馬湖進(jìn)行補(bǔ)水，灌溉時(shí)，利用長(zhǎng)江、洪澤湖和駱馬湖等為水源同時(shí)灌溉。就蘇錫常地區(qū)而言，該區(qū)水資源相對(duì)比較豐富，但面臨水質(zhì)型缺水問題，同時(shí)該地區(qū)是全省經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)，水利現(xiàn)狀相對(duì)也比較好。因此，該地區(qū)應(yīng)主要通過積極實(shí)施以減輕水體面源污染、加快農(nóng)村水利現(xiàn)代化進(jìn)程為目標(biāo)的節(jié)水改造，以提高可供水量來(lái)應(yīng)對(duì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

以上研究結(jié)果表明，未來(lái)稻田ET0、ETc和灌溉需水量總體上都呈上升趨勢(shì)，并且A2情景比B1情景變化幅度更大，且變化幅度都隨時(shí)間的推移遞增；水稻灌溉需水量高值區(qū)位于整個(gè)北部，低值區(qū)位于中部和南部，同一時(shí)期空間上大致呈由北至南遞減分布；水稻灌溉需水量增加幅度全省范圍內(nèi)在同一時(shí)期相差都不大。兩種情景水稻灌溉需水量增幅最大的時(shí)段均在2071-2100年。針對(duì)江蘇省未來(lái)氣候模式下對(duì)水稻種植最為不利地區(qū)的水稻集中分布區(qū)，在沿海墾區(qū)應(yīng)充分發(fā)揮該地區(qū)河網(wǎng)、水塘和湖泊蓄水功能，調(diào)節(jié)降水時(shí)空分布不均造成的干旱缺水，南水北調(diào)沿線區(qū)域應(yīng)注重長(zhǎng)江、洪澤湖、駱馬湖水資源統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化配置，蘇錫常地區(qū)則應(yīng)采取措施減輕水體面源污染、加快農(nóng)村水利現(xiàn)代化進(jìn)程為目標(biāo)的節(jié)水改造，提高可供水量以應(yīng)對(duì)氣候變化引起灌溉需水量增加帶來(lái)的不利影響。

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