气候变化背景下松嫩平原玉米灌溉需水量估算及预测

开展农作物需水规律研究对于干旱半干旱区域旱作物节水灌溉和水分管理实践具有重要意义。以松嫩平原玉米为研究对象,研究玉米生育期需水量规律及灌溉需水量。结果表明:(1)历史时期和未来气候变化情景下,松嫩平原玉米全生育期和L~(mid)时段灌溉需水量等值线沿西南—东北方向递减,其中全生育期和L~(mid)时段2000s灌溉需水量临界等势线(灌溉需水量为0的等势线)分别比1970s北移70.2km和53.4km,全生育期和L~(mid)时段2040s灌溉需水量临界等势线分别比2010s北移30.9km和55.2km。(2)历史时期和气候变化情景下玉米全生育期灌溉需水量随年代呈波动增加趋势,其中前者以29.1mm/(10a)速度增加,后者以17.5mm/(10a)速度增加。(3)未来温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为波动上升趋势,与1970s相比,2000s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为22.1%,增加6.8亿m~3灌溉水量;2040s温度和降雨量变化对玉米需水量的贡献率为38.3%,增加12.6亿m~3灌溉水量。     

未来气候变化对河南省冬小麦需水量和缺水量的影响预估

采用美国农业部土壤保持局推荐的方法计算有效降水量,应用Penman-Monteith模型和作物系数法计算需水量,在对河南省1981—2010年冬小麦生育期内有效降水量、需水量和缺水量分析的基础上,结合《排放情景特别报告》的两种排放情景A2(强调经济发展)和B2(强调可持续发展)预估的未来气候情景,探讨了未来气候情景下河南省冬小麦的有效降水量、需水量和缺水量的时空演变规律及其主要气候影响因素.结果表明: 从整体上看,相对于基准时段(1981—2010年),A2和B2情景下,不同时段冬小麦全生育期的有效降水量、需水量和缺水量均表现出增加趋势,有效降水量均以2030s时段增加最多,分别增加33.5%和39.2%;需水量均以2010s时段增加最多,分别增加22.5%和17.5%,年代间呈现明显递减趋势;缺水量在A2情景下以2010s时段增加(23.6%)最多,B2情景下以2020s时段增加(13.0%)最多.偏相关分析表明,A2和B2情景下,太阳总辐射是影响河南省冬小麦需水量和缺水量变化的主要气候因素.由于地理环境和气候条件的差异,不同时段河南省冬小麦全生育期有效降水量、需水量和缺水量的距平百分率在空间分布上具有差异.未来河南省水资源可能更趋于短缺.     

西南地区水稻灌溉需水量变化规律

研究作物需水变化规律是制订灌溉计划和水资源规划的重要依据。本文基于西南地区38个气象站点1951—2012年逐日气象观测资料,根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算水稻需水量,并分析了参考作物蒸散量分布及变化趋势、水稻生育期各阶段需水量变异性及灌溉需求指数分布。结果表明:近62年来西南地区参考作物蒸散量随时间变化不明显且随纬度增加而减少,各站点多年平均水稻生育期内参考作物蒸散量占到全年参考作物蒸散量的47.6%;对水稻生育期需水量分析发现,分蘖和抽穗阶段为水稻生长需水关键期,各阶段需水变化均为中等变异;西南地区水稻多年平均需水量、灌溉需水量和灌溉需求指数分别为304.5 mm、76.9 mm和0.24,需求指数分布自西向东呈逐渐增大,但均低于0.5,整体对灌溉依赖程度较低。     

干旱内陆流域河道外生态需水量评价——以黑河流域为例

河道外生态系统需水量的合理评价是干旱区水资源合理配置与管理、生态环境保护与建设中最为关键的科学问题。基于不同植被蒸散发潜力估算模型,依据不同生态系统及同一生态系统在不同气候与地理区域具有不同生态需水规律的特点,提出了可模拟和评价不同时期生态系统需水量的方法,不仅能体现生态系统需水量的年际变化,也能反映年内不同时间段(月、季节甚至每日)的需水量变化,并提出干旱区生态适宜需水量在不同时期是一个区间。以黑河流域中下游地区为研究区域分析其生态需水量,结果表明:黑河中游地区年平均生态需水量(11.16±2.67)×108m3,其中绿洲生态系统需水(9.13±2.29)×108m3;下游地区生态需水量(16.16±4.04)×108m3,现状绿洲生态体系需水(11.06±2.77)×108m3,现阶段实施的下游分水9.7亿m3/年的方案,可以促使现有绿洲生态系统有一个良好的结构与功能,并给出了不同典型年不同月份的生态需水量及其变化。     

乌梁素海保护的生态需水量评估

结合乌梁素海湿地生态系统特征 ,基于保证水量、保证水质和改善水质 (对于污染湖泊 ) 3个层次的湖泊湿地保护目标 ,给出了不同环境保护目标下湖泊湿地的生态需水量估算方法 ,并在系统分析乌梁素海水文水循环特征的基础上 ,选择适合的计算方法 ,对乌梁素海不同保护目标下的生态需水量进行了估算。结果表明 ,从保证水量平衡角度看 ,乌梁素海排干系统排入湖泊水量为 6 .18× 10 8m3/ a,可以保证乌梁素海的水量平衡 ;从保证水质角度看 ,由于作为生态用水的黄河水总 N浓度超过国家地表水水质标准中湖泊水质 V类水标准限值的 1.6倍 ,比乌梁素海湖水总 N含量还要高 ,因此 ,完全达标的生态需水量是不存在的 ,但如果只考虑盐分和总 P,在现有排干水量为 6 .18× 10 8m3/ a条件下 ,则维持乌梁素海的盐分和 P浓度不变的生态需水量分别为 1.82× 10 8m3/ a和 12 .3× 10 8m3/ a;从保证湖水水质达标角度看 ,现有污染物排放情况下 ,1a盐分和总 P达标的生态需水量分别为 4 .91× 10 8m3/ a和 16 .3× 10 8m3/ a,10 a盐分和总 P达标的生态需水量应分别为 4 .2 8× 10 8m3/ a和 14 .3× 10 8m3/ a     

气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响

利用华北4个气象站点1981—2010年冬小麦的生育期数据和气象资料,研究了华北平原典型区域冬小麦在气候变化条件下的生育期及各生育阶段灌溉需水量。结果表明:(1)过去30a来,华北地区冬小麦播种期和出苗期均有推迟趋势,且高纬度站点的变化趋势明显,其他生育期则呈提前趋势,而冬小麦全生育期表现为缩短;(2)华北冬小麦灌溉需水量在空间上从北到南、自东向西逐渐递减趋势;在时间上,东西部地区灌溉需水量变化趋势相反,东部地区呈逐渐增加趋势,而西部地区呈减小趋势;(3)冬小麦生育阶段的灌溉需水量变化不相同,播种—出苗、拔节—抽穗和抽穗—乳熟期灌溉需水量表现为减少趋势,而出苗—拔节和乳熟—成熟期则表现为增加趋势。就冬小麦整个生育期而言,华北西部地区灌溉需水量(北京密云站和石家庄栾城站)有减少趋势,分别减少6.72mm/10a和8.3mm/10a;而华北东部地区(天津宝坻站和邢台南宫站)的趋势正好相反,分别增加2.6mm/10a和7.08mm/10a。6个生育阶段灌溉需水量的年际波动程度依次为:播种—出苗期乳熟—成熟期抽穗—乳熟期拔节—抽穗期出苗—拔节期播种—成熟期;(4)气象要素对灌溉需水量的影响较复杂,其中灌溉需水量同有效降水量、相对湿度呈负相关,且相关关系极显著,与生育期长度存在微负相关关系,与日照时数、平均温度和风速呈显著正相关。同时,影响各生育阶段灌溉需水量的气象要素也存在差异,主要包括有效降水量、相对湿度和风速等。     

福建省水稻生育期气温与降水的时空分布及其对稻作制度的影响

为了研究气候变化对福建省水稻生产及稻作制度的影响,根据IPCC排放情景特别报告(SRES)的A2、B2和A1B方案,分析了未来不同情景下,福建省水稻生育期气温及降水的时空分布特征及水稻种植布局变化.结果表明:未来福建省水稻生育期的温度将呈上升趋势,随着时间的推移,增温幅度加大.单季稻生育期增温幅度最大,2011-2030年和2031-2050年分别增加0.3～2.4℃和1.5 ～3.4℃;早稻生育期两个时段分别增加0.2 ～0.9℃和0.7～1.7℃;后季稻生育期两个时段分别增加0.3～2.1℃和0.5～3.6℃,且日均温的年际波动幅度最大.降水多呈增加趋势,早稻、单季稻和后季稻生育期降水分别增加10％～40％、10％～30％和10％～20％;闽东南早稻生育期的降水年际波动最大.未来气温的上升导致了10℃以上积温增加,水稻生长季延长,使用晚熟品种替代早熟和中熟品种及单季稻种植区改种双季稻成为可能.     

基于生态水位约束的下辽河平原地下水生态需水量估算

以我国北方典型的大型地下水盆地——下辽河平原为研究对象,在考虑地下水蒸发特点基础上,统筹考虑对地下水依赖程度较高的天然草地、天然湿地和河流生态系统对于地下水位的要求,综合水文和生态两方面因素确定地下水生态水位;利用Golden surfer软件的体积计算功能,计算出研究区内全年各月的地下水生态需水量;采用正态信息扩散模型,运用月保证率法得到不同保证率、不同恢复等级下的年地下水生态需水量.结果表明:下辽河平原不同月份的地下水缺水量41.83×108-60.07×108 m3、缺水区面积2.05× 104-2.34×104 km2、盈余水量2.73×108-6.68×108 m3、盈余区面积0.30×104-0.59×104 km2、地下水生态需水量35.15×108-57.33×108 m3;经月保证率法整合后的年地下水生态需水量变化规律为,随着保证率的降低,地下水生态需水量不断增加,而需水量等级越高,需水量增加幅度越大.     

1967-2017年甘肃省玉米需水量与缺水量时空分布特征

基于1967-2017年甘肃省28个气象站点的逐日气象数据,采用联合国粮食与农业组织（FAO,Food and Agriculture Organization of the United Nations）推荐的作物系数法计算了玉米各生育阶段和全生育期的需水量,结合美国农业部土壤保持局（SCS,Soil Conservation Service）推荐的方法计算了玉米全生育期的有效降水量,进而得到需水量。并利用线性倾向估计、Mann-Kendall检验和空间插值法对甘肃省玉米需水量和缺水量的年际变化趋势和空间分布特征进行分析。结果表明：1967-2017年甘肃省玉米全生育期平均降水量、平均有效降水量、平均需水量和平均缺水量分别为210.43、113.21、545.95 mm和421.00 mm;在时间上,51年来,甘肃省玉米全生育期内的降水量和有效降水量整体上呈明显的下降趋势,而需水量和缺水量整体上没有明显的变化趋势,属于正常波动;在空间上,玉米全生育期的降水量和有效降水量整体上由东南向西北减少,而需水量和缺水量整体上由东南向西北增加。28个站点中,51年来只有甘南和岷县站点的有效降水量能满足玉米生长初期的需水要求,其他站点在任何生长阶段均不能满足玉米需水要求,需要进行人工灌溉。     

未来气候变化对华中地区中稻产量影响的模拟

按照政府间气候变化专业委员会( IPCC)排放情景特别报告(SRES)中的A2和B2情景,将基于区域气候模式PRECIS构建的气候变化情景与水稻生长模型ORYZA2000相结合,在多年试验数据和模型适宜性验证的基础上,模拟基准时段(1961-1990年)和2011-2050年时段A2、B2情景下的中稻发育期和产量,分析未来气候变化对华中地区中稻的影向.结果表明:1)相对于基准年,未来40年华中地区中稻生育期缩短,A2情景下中稻生育期平均缩短3.5d,B2情景下生育期平均缩短1.3d.其中,生育期缩短4d以上的区域集中在鄂西.2)不考虑CO2肥效作用时,未来40年华中地区中稻产量下降:A2情景下,雨养中稻产量平均减少17.8％,灌溉中稻产量平均减少14.2％;B2情景下,雨养中稻产量平均减少16.4％,灌溉中稻产量平均减少12.7％.A2情景比B2情景减产幅度大,说明升温幅度越大,对中稻负面影响越大.同一情景下,灌溉中稻比雨养中稻减产幅度小,说明灌溉一定程度上能抵消升温的不利影响.3)考虑CO2肥效作用后,未来40年华中地区中稻产量变化趋势不一致:A2情景下,雨养中稻产量平均减少4.3％,灌溉中稻产量平均增加4.3％;B2情景下,雨养中稻和灌溉中稻产量分别增加3.6％、11.8％.4)与不考虑CO2肥效相比,考虑CO2肥效时,A2情景下雨养中稻减产幅度缩小,A2情景灌溉中稻、B2情景雨养中稻、B2情景灌溉中稻均为增产,但增产幅度小于相同情景下的减产幅度,说明CO2肥效一定程度上可提高中稻产量,但不足以抵消升温的负面影响.5)无论是否考虑CO2肥效,雨养还是灌溉,未来气候变化将增加中稻产量的不稳定性,华中地区中稻生产风险加大;灌溉中稻稳定性大于雨养中稻,CO2肥效下稳定性大于无CO2肥效,因此灌溉、CO2肥效是提高区域中稻产量稳定性的有效措施.