畢宏偉，陳 璽，戴明龍 (長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010)

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區(qū)域農業(yè)逐日需水量估算方法研究

畢宏偉，陳 璽，戴明龍 (長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010)

從作物生長周期需水的角度提出了逐日農業(yè)需水量的計算方法，并對我國日均農業(yè)需水量進行了估算。結果表明：東北平原、華北平原、長江中下游平原區(qū)是我國農業(yè)需水量最高的集中區(qū)，大部分地區(qū)日均農業(yè)需水量為100萬～500萬m3，部分地區(qū)甚至超過500萬m3；華南地區(qū)大部分地區(qū)的日均農業(yè)需水量為200萬～500萬m3，部分地區(qū)超過500萬m3；新疆的日均農業(yè)需水量也達到100萬m3。

農業(yè)需水量；潛在蒸散發(fā)；作物系數(shù)；生長周期

作物在生長發(fā)育期間消耗的水量為作物需水量，某種作物的需水量是指當其他耕作條件一定時，作物達到計劃產(chǎn)量時的需水量。具體來講，旱田作物的需水量即作物的蒸騰量和稞間水面蒸發(fā)量(土壤蒸發(fā))之和，即騰發(fā)量；水田作物的需水量即作物蒸騰量、稞間水面蒸發(fā)量和稻田地下滲漏量之和。它是確定作物灌溉制度、制訂排灌規(guī)劃、實施農田排灌的重要依據(jù)。不同類別作物，同類作物不同品種，同品種作物的不同生長期和不同生產(chǎn)水平，不同水文年份的需水量都不同。因此，它既與作物本身的特性、耕作措施、施肥水平、產(chǎn)量水平有關，還受氣象條件和土壤條件的影響，因而同種作物有地區(qū)和水文年份的差別，并非一個固定值。學者可以根據(jù)氣象資料，采用彭曼法對區(qū)域主要農作物的需水量進行分時、分區(qū)的計算，提出不同保證率年份的需水量規(guī)律，以充分發(fā)揮灌溉工程效益，指導并加速項目區(qū)灌溉農業(yè)的發(fā)展?？紤]到農作物或植物生育期吸收大氣水、降水、土壤水等，因此研究者在農業(yè)用水資源的配置過程中不僅僅要考慮徑流性水資源。王浩院士曾經(jīng)指出，僅僅考慮農業(yè)灌溉用水，全國農業(yè)用水量約為3 600億m3，而考慮到作物生育周期內可以利用的所有水分，全國農業(yè)用水量將會超過7 000億m3。筆者從作物需水的角度計算農業(yè)需水量，旨在為更好地服務于農業(yè)灌溉制度及減少農業(yè)灌溉用水量提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 農業(yè)需水量計算區(qū)域內各種農作物生育期需水量的計算要用到作物不同生長階段的需水系數(shù)(Kc)和參考作物蒸發(fā)量(ETo)，計算方法如下：

(1)

式中，Kcm,t是作物m在生育期第t天的需水系數(shù)，是作物m在理想狀況下的實際蒸散發(fā)量(ETa)與參考作物蒸散發(fā)量(ETo)的比值，反映作物不同生育階段的需水量，是根據(jù)當?shù)貧夂驐l件得出的經(jīng)驗值[1]；aj,m是第j個分區(qū)作物m的種植面積。

1.2 潛在蒸散發(fā)計算潛在蒸散發(fā)是表征一個地區(qū)充分供水情況下的區(qū)域蒸散發(fā)能力，是進行作物需水量估算、農田灌溉管理及稀缺資料地區(qū)水量平衡等研究中至關重要的參量，也是衡量地區(qū)是否缺水的重要基礎數(shù)據(jù)之一[2-3]。準確地估算潛在蒸散發(fā)量對能量平衡和水量平衡研究具有重要意義[4]。目前，用于計算潛在蒸散發(fā)的方法有多種，包括彭曼公式法、溫度估計法、水平衡法等。由于彭曼公式反映了區(qū)域各種氣候要素的綜合影響，在實際應用過程中計算結果較為合理準確，而其他方法是在氣象資料受限情況下發(fā)展出來的簡化方法，雖然簡單易用，但結果準確性略微偏低[4]。因此，筆者應用聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織(FAO)推薦的彭曼公式法。彭曼公式逐日參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算共7個步驟：

(2)

式中，

式中，Δ為氣壓曲線斜率，KPa/°C；Tmean為平均溫度，℃(實測值)。

(2)γ=6.647 4+10-4P

式中，γ為氣象學常數(shù)，KPa/°C；P為大氣壓，kPa，實測值或者用海拔來估算，估算方法如下：

式中，es為平均飽和水汽壓，KPa；Tmin為最低溫度，℃(實測值)；Tmax為最高溫度，℃(實測值)。

式中，ea為實際水汽壓，KPa；RHmax為最大相對濕度，%；RHmin為最小相對濕度，%。

如果沒有最高最低相對濕度資料，可以用平均相對濕度資料計算：

如果沒有任何相對濕度資料，可以用最低溫度來估算：

估算原理是每日的最低溫度近似于露點，在充分灌溉的農田二者完全相等，其他地區(qū)差異較大，因此用該公式之前需要對照當?shù)財?shù)據(jù)驗證，即該公式實際使用時應該為：

其中，dT需要事先根據(jù)使用地點的實測資料反推得到，反推公式中的ea是根據(jù)實測濕度資料計算得出。

式中，G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；cs為土壤熱容量，MJ/(℃·m3)；Ti為計算時段末溫度，℃；Ti-1為計算時段初溫度，℃；Δt為計算時段長，d；Δz為受影響土壤深度，m。

當計算時段Δt超過1 d時，輻射的影響深度Δz決定于時段長度，幾天內Δz只有0.1～0.2 m，幾個月時Δz或許可以達到2.0 m。當Δt為1～10 d時，G相對很小，可以忽略。

(6)Rn=Rns-Rnl

式中，Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；Rns為凈短波輻射，MJ/(m2·d)；Rnl為凈長波輻射，MJ/(m2·d)。其中，

Rns=(1-a)Rs

式中，a為參考作物冠層反射率，0.23；Rs為短波輻射，MJ/(m2·d)。

式中，n為實際日照時長，h；N為最大可能日照時長，h；Ra為外空凈輻射，MJ/(m2·d)。

如果沒有實際日照時長資料，可以用溫度來估算：

式中，kRs為大水體對溫度影響的修正系數(shù)，在內陸地區(qū)(氣溫不受大水體影響)取0.16，沿海地區(qū)取0.19，不適用于海島，且計算的Rs不得大于Rso，適用時段應為幾天或更長。

逐日計算時，需要事先根據(jù)使用地點的實測資料反推kRs：

式中，Rs為實測值或者有實際日照時長資料的計算值。

式中，ωs為日落時刻的角度，rad。

ωs=arccos[-tan(φ)tan(δ)]

式中，φ為緯度(北半球為正，南半球為負)，rad；δ為日光偏差，rad。

式中，J為日序數(shù)，1～366。

式中，Gsc為日照常數(shù)，0.082 0 MJ/(m2·d)；dr為地球公轉影響。

式中，σ為常數(shù)，4.903×10-9MJ/(K4·m2·d)；Rso為Rs理論極大值，MJ/(m2·d)。

Rso=(0.25+0.5)Ra

Tmax，K為最高絕對溫度，Tmax，K=273.15+Tmax，K；Tmin，K為最低絕對溫度，Tmin，K=273.15+Tmin，K。

(7)氣象站風速測量高度通常為10m，農業(yè)氣象學測量高度為2～3m；蒸發(fā)計算時需要標準高度2m的風速。不同高度的風速需要換算，利用下式進行換算：

基于以上步驟，可得到潛在蒸散發(fā)逐日數(shù)據(jù)集。

1.3 作物系數(shù)和作物生長周期我國幅員遼闊，作物在不同地區(qū)種植收獲期不同，東北某些地區(qū)稻谷一年一季，而南方某些地區(qū)甚至達到一年三季。筆者對全國范圍內不同地區(qū)糧食作物一年一熟、一年兩熟和一年三熟等種植特性以及種植季節(jié)進行調查，查閱FAO 推薦的作物系數(shù)，考慮到不同地區(qū)氣候條件不同導致的作物系數(shù)也不同，取與我國地區(qū)處于同一緯度地區(qū)的作物需水系數(shù)[3](表1)。計算某個區(qū)域的農業(yè)需水量時，應充分考慮當?shù)氐臍夂驐l件并進行充分的實地調研。

對于逐日作物需水系數(shù)確定，筆者采用FAO網(wǎng)站的線性插值方法，根據(jù)表1所示的不同種類作物的4個生長階段，將初始階段、中期階段和最后階段的Kc值進行插值，線性插值原理如圖1所示。由此，可得到我國年內不同種類主要農作物逐日的作物需水系數(shù)Kc值。

表1 主要農作物作物系數(shù)和生長周期

圖1 作物系數(shù)插值示意

2 計算實例

采用該估算對我國各個縣區(qū)農業(yè)需水量Agj,t進行估算，各個縣區(qū)行主要農作物播種面積以及可耕地面積等指標數(shù)據(jù)從美國地球觀測系統(tǒng)(EOS EARTH)數(shù)據(jù)圖書館獲取。然后將搜集到的農作物播種面積及可耕地面積與我國2004版2 410個縣區(qū)單元進行空間匹配，由于2套數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)來源不同，行政區(qū)劃在10年間有所變動，研究過程中查找實際地圖成功匹配了2 243個縣級行政區(qū)，其余167個縣區(qū)單元由于沒有適當?shù)钠ヅ鋽?shù)據(jù)賦值為空，用圖中的空白區(qū)域表示。

我國各個縣區(qū)凈播種面積占對應的縣區(qū)總面積的比例見圖2。從圖2可見，我國農業(yè)種植面積主要集中在華北平原、東北平原和長江中下游平原，這些地區(qū)種植面積比例高于50%，甚至部分地區(qū)超過75%，三大平原能夠支持如此高的農業(yè)種植比分別受益于黃河-淮河-海河、松花江-嫩江-遼河和長江。此外，我國南方及新疆境內也有零星分布的較高種植面積比例的縣區(qū)。

圖2 各縣區(qū)作物種植面積占總面積比值

圖3 我國日均農業(yè)需水量的空間分布

采用中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)公布的全國730個氣象站的1965～2010年的氣象資料，利用彭曼公式計算逐日潛在蒸發(fā)量，而后利用Thiessen多邊形將站點的潛在蒸發(fā)量統(tǒng)計到每個縣區(qū)。

通過以上流程計算得到逐日農業(yè)需水量數(shù)據(jù)集，由于各個縣區(qū)每日的潛在蒸發(fā)量有變化，并且逐日的作物需水系數(shù)也在變化，因此農業(yè)需水量逐日數(shù)據(jù)不是常量數(shù)據(jù)。從圖3可見，我國東北平原、華北平原、長江中下游平原區(qū)是農業(yè)需水量最高的集中區(qū)，大部分地區(qū)的日均農業(yè)用水量為100萬～500萬m3，部分地區(qū)甚至超過了500萬m3。另外，華南地區(qū)由于水稻種植面積較大，水稻生育周期中的插秧漫灌等都會導致水稻的耗水量遠遠高于正常所需，以至于水稻生育周期內的實際作物需水系數(shù)是FAO推薦值的3倍。因此，華南地區(qū)農業(yè)需水量相比華北和西部等地區(qū)整體偏高，華南大部分地區(qū)日均農業(yè)需水量為200萬～500萬m3，相當一部分縣區(qū)日均農業(yè)需水量高于500萬m3。新疆縣區(qū)面積大，部分地區(qū)(如阿克蘇河、葉爾羌河流域等)受益于冰川融雪等原因的徑流豐沛并灌溉出了一部分綠洲，大面積種植了農作物，其日均農業(yè)需水量也能達到100萬m3。

3 展望

目前，很多學者對降水量轉化成有利于農作物吸收利用的土壤水和地下水開展了研究，探尋不同水文氣象條件下降水入滲并儲存于農作物根系吸水層內的有效降水量及其變化規(guī)律，從而減少農業(yè)灌溉用水量。筆者從作物需水量的角度介紹逐日農業(yè)需水量的計算方法，將作物需水量精確到日，可以與有效降水量的研究相輔相成，更好地服務于農業(yè)灌溉制度的制訂，減少農業(yè)灌溉用水量。

[1] DOORENBOS J，PRUITT W.Guidelines for predicting crop water requirements[M].Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations，1977：156.

[2] 劉昌明，張丹.中國地表潛在蒸散發(fā)敏感性的時空變化特征分析[J].地理學報，2011，66(5)：579-588.

[3] ALLEN R G，PEREIRA L S，RAES D，et al.Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements[M].Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations，1998：6541.

[4] 秦年秀，陳喜，薛顯武，等.潛在蒸散發(fā)量計算公式在貴州省適用性分析[J].水科學進展，2010，21(3)：357-363.

Estimation Method for Daily Regional Agricultural Water Demand

BI Hong-wei，CHEN Xi，DAI Ming-long (Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan，Hubei 430010)

Calculation method for daily agricultural water demand was put forward from the aspects of water demand of crop growing period. The daily agricultural water demand in China was estimated. Results showed that Northeast China Plain, North China Plain and middle and lower reaches of the Yangtze River plain were the concentration areas of agricultural water demand in China. Daily agricultural water demand in most areas was 1 million-5 million m3, and in some areas even exceeded 5 million m3.Daily agricultural water demand in most areas of South China was 2 million-5 million m3, and in some areas even exceeded 5 million m3. Daily agricultural water demand in Xinjiang reached 1 million m3.

Agricultural water demand; Potential evapotranspiration; Crop coefficient; Growth cycle

畢宏偉(1975- )，男，黑龍江木蘭人，高級工程師，從事水文水資源研究。

2016-08-24

S 27

A

0517-6611(2016)30-0046-04