未来气候变化对作物需水量的影响

石家庄平原区种植的主要农作物为冬小麦和夏玉米，种植面积占农作物总种植面积的70%以上，为一年两季轮作种植。因此，本研究以冬小麦和夏玉米为代表作物进行计算。计算时间段为2011～2060年。

为了将未来气候情景与现状气候条件进行对比，采用由中国国家气候中心研制的NCC/GU-WG(2.0)天气发生器软件生成2011～2060年现状气候条件(RCP)气象数据作为对照。该模拟软件由中国国家气候中心根据全国671个气象站点1961～2000年的逐日气象资料率定研制，具有较高的精度，见表7-1，软件操作方便，直接选用相应模拟站点，然后点击输出按钮即可，主要为2011～2060年逐日降水量、最高气温、最低气温和日照时数等。

表7-1 模拟气象数据与实测数据之间的对比

注：表中最高气温为多年平均日最高气温，最低气温为多年平均日最低气温，降水量为多年平均降水量，日照时数为多年平均日照时数。实测数据来自中国气象数据共享服务网。

一、计算方法

采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式计算农作物需水量，计算公式如下：

石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究

式中：ETo为参照作物需水量，mm；Rn为地表净辐射，MJ/m2；G为土壤热通量，MJ/m2；T为2.0m高处日平均气温，℃；U2为2.0m高处风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压曲线斜率，kPa/℃；r为干湿表常数，kPa/℃。以上计算公式所需基础计算数据有逐日最高温、逐日最低温、平均风速、平均相对湿度及日照时数等，其余计算参数均可由相应经验公式计算获得。本文计算过程在联合国国际粮农组织研发的EToCalculatorV32软件上实现，空气湿度(%)选用 Tdew=Tmin+2℃ 按钮，风速(m/s)选用 light tomoderate wind 按钮，选用 interior lacation 按钮。

农作物灌溉需水量采用如下公式计算：

IR =KcETo-Pe (7-2)

式中：IR为灌溉需水量，mm；Kc为作物需水系数，采用刘钰等(2009)的实测数据；Pe为作物生育期内有效降水量，mm。

作物生育期内有效降水量(Pe)采用如下公式计算，计算时间单元为旬。

石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究

式中：P为作物生育期内的降水量，mm。

二、数据来源

由于MPI-ESM-MR大气环流模型的输出数据分辨率较低(1.865°×1.875°)，需要进行降尺度处理。本文采用统计降尺度软件SDSM(4.2)，对RCP4.5气候情景模式的逐日最高气温和逐日最低气温进行降尺度处理，预测因子为地面2.0m温度场和海平面气压场，统计模型校核期为1961～1975年，验证期为1976～1990年。

图7-1和图7-2 为研究区逐月最高气温和逐月最低气温实测数据与模拟数据1976～2010年系列。采用归一化均方根差(RMSE)来度量实测与模拟系列的差异化程度，其计算公式为式(7-4)，用两者相关性来度量其一致性。

图7-1 逐月最高气温实测数据与模拟数据之间的对比

图7-2 逐月最低气温实测数据与模拟数据之间的比较

一般认为，RMSE＜10%为极好，10% ＜RMSE＜20%为好，20% ＜RMSE＜30%为中等，RMSE＞30%为差。两者相关系数越接近1，说明两者相关性越好(图7-3)。

图7-3 实测逐月气温数据与降尺度数据相关关系

a—最高气温；b—最低气温

石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究

式中：Si为模拟值，℃；Ri为实测值，℃；R为实测平均值，℃。经计算，1976～1990年年均最高气温的归一化均方根差(RMSE)为8.9%，为极好水平，年均最低气温的为22.6%，为中等水平；从相关系数来看，最高气温为0.98，最低气温为0.99，均很高，说明实测值与模拟值一致性较好。

由于对降水序列进行降尺度处理相对复杂，且运用SDSM(4.2)软件降尺度所得到的数据较同期实测数据误差较大。本文参考了丛振涛等(2010)人的研究方法，采用如下步骤进行降尺度处理：

(1)分别统计大气环流模型 MPI-ESM-MR 历史输出数据(1961～2000年)和RCP4.5气候情景2011～2060年输出数据1～12月降水量平均值。

(2)对比分析计算RCP4.5情景模式下1～12月降水平均值分别相对于历史输出数据1～12月平均值的增大程度。

3)将计算得到的RCP4.5情景模式下1～12月降水量平均值相对于历史输出数据的增大幅度分别计算叠加到由NCC/GU-WG(2.0)天气发生器模拟生成的石家庄站2011～2060年1～12月降水序列，从而得到石家庄站RCP4.5情景模式下的逐日降水序列。

主要计算流程如图7-4所示：

图7-4 逐日降水量降尺度计算流程

三、结果分析

以气温为横坐标，作物需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-5)。从图上可以看出，随着温度的升高，两种气候情景下农作物需水量均呈直线递增关系，但递增幅度有所不同。在现状气候条件下，气温每升高1.0℃，农作物需水量增大40.7mm，RCP4.5情景下，需水量增大27.8mm。从未来50年2011～2060年农作物平均需水量来看，现状气候条件为1107mm，RCP4.5情景增大到1139mm。

图7-5 不同气候情景下年均最高气温对作物需水量的影响

a—RCP；b—RCP4.5

利用公式(7-2)和公式(7-3)可以计算得到石家庄平原区2011～2060年作物灌溉需水量。以降水量为横坐标，灌溉需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-6)。可以看出，随降水量的增大，两种气候情景下灌溉需水量均呈直线递减关系，但递减幅度有所不同。在现状气候条件下，降水量每增加100mm，灌溉需水量减小40mm，RCP4.5情景下，需水量减少45mm。

图7-6 不同气候情景下年均最高气温对作物灌溉需水量的影响

a—RCP；b—RCP4.5

从多年平均水平来看(2011～2060年)，现状气候条件灌溉需水量为715mm，2011～2035年期间为709mm，2036～2060年期间为720mm。RCP4.5需水量为712mm，2011～2035年期间为707mm，2036～2060年期间为717mm。为了定量评价气候变化对年需水量的影响，以需水量大于750mm为高强度灌溉需水量，700～750mm为中强度灌溉需水量，小于700mm为低强度灌溉需水量，则在现状气候条件下(RCP)，低强度灌溉需水量年占42%(2011～2060年)，中强度占34%，高强度占24%；RCP4.5气候情景下，低强度需水量年所占比例较现状气候条件增大8%，中强度减小6%，高强度减小2%。

从年际角度来看，现状气候条件下，在2011～2035年期间，灌溉需水量在5%显著水平上呈明显下降趋势，下降速率为13.5mm/10a，2036～2060年期间，无明显上升或下降趋势(图7-7)。RCP4.5气候情景下，在2011～2035年期间，灌溉需水量下降速率较现状气候条件下有所增大，为15.7mm/10a，同样在2036～2060年期间，灌溉需水量无明显上升或下降趋势(图7-8)。

图7-7 现状气候条件下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征

图7-8 RCP4.5气候情景下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征

100亩农田日取水量是多少立方水？

作物灌溉需水量指通过灌溉补充的士壤原有储水量和有效降水量不能满足作物蒸发蒸腾、冲洗盐碱以及其他方面要求的水量（陕西省水利水士保持厅，1992）。对于旱地作物，灌溉需水量等于作物蒸发蒸腾量加上创造良好农田生态环境所必需的冲洗压盐水量，减去有效降水量、地下水补给量和生长期内的士壤水分利用量（段家旺等，2004）。如果不要求盐碱化冲洗和地下水补给量忽略时，作物全生育期的灌溉需水量近似等于作物蒸发蒸腾量减去有效降水量。因此，作物需水量是灌溉需水量研究的重要组成部分。

一、作物系数Kc的确定

作物系数指作物不同生育期中需水量与可能蒸散量之比值。作物系数Kc是农作物本身生物学特性的反映，它与作物的种类、品种、生育期、群体叶面积指数等因素密切相关（陈玉民等，1995）。根据各月田间实测需水量和利用同一时段的气象因素计算的参考作物需水量来计算，即

灌区农业节水对地下水空间分布影响及模拟

式中：Kc为作物系数；ET0为参考作物腾发量；ETc为作物需水量。作物系数的准确性很大程度上取决于实测作物需水量的精度，根据灌区灌溉试验站历年的实测需水量资料分析，经筛选之后得出灌区冬小麦、夏玉米等4种主要作物历年各月Kci和全生育期总Kc，然后进行算术平均，得出历年平均各月的作物系数和历年平均全生育期总作物系数，其结果见表4-1。

表4-1 泾惠渠灌区历年平均作物系数Kc值 Table4-1 past years average crop coefficient Kcvalues in Jinghui Canal Irrigation District

（据陈玉民等，1995）

二、参考作物需水量ET0计算公式

参考作物蒸发蒸腾量（ET0）采用彭曼-蒙蒂斯（penman-Monteith）方法计算，彭曼-蒙蒂斯公式是联合国粮农组织（FAO，1998）提出的最新修正彭曼公式，并已被广泛应用且已证实具有较高精度及可使用性（阮本清等，2007）。该公式以及计算中需要的参数如表4-2所示。

表4-2 彭曼公式各参数项的确定 Table4-2 Each parameter definition of penman

三、参考作物需水量ET0影响因字分析

根据灌区1950～2005年气象资料，采用通径分析原理分析研究泾惠渠灌区ET0主要气象影响因素，主要气象因子包括：最高气温（X1）、最低气温（X2）、平均气温（X3）、相对湿度（X4）、风速（X5）和日照时数（X6）等（表4-3）。通径分析理论于1921年由SewallWrixht提出，并经遗传和统计工作者不断发展完善，已证明在几乎所有的相关变数系统中作因果分析都是有效的（蔡甲冰等，2008；赵伟霞等，2009）。这一理论广泛应用于各个领域，为解决许多复杂的相关分析问题提供了一个简捷而灵活的方法。通过通径系数绝对值的大小，直接比较各自变量在回归方程中的重要作用，对于一个多变量的系统中抓住关键因子，改变依变量的反应量具有很好的实用价值（郑健等，2009；蔡甲冰等，2011）。在多变量的研究中，通径分析比相关分析更加全面，更加细腻。

表4-3 泾惠渠灌区气象因子与参考作物需水量的通径分析 Table4-3 path Analysis between meteorological factors and ET0-pM in Jinghui Canal Irrigation District

注：Xi（i＝1，2，3，4，5，6）分别为最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和日照时数。

从表4-3中可知，灌区各气象因子对参考ET0都有不同程度的影响，根据各气象因子对ET0的直接作用和间接作用分析，最高气温、最低气温及平均气温对ET0的影响明显比其他气象因子影响作用大。最高气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为2.1012和-1.4676；最低气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为7.7622和-7.1028；平均气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为-8.7018 和-8.054；相对湿度对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为-0.895和0.2344；其他气象因子对ET0的直接作用系数、间接作用系数相对较小，说明在泾惠渠灌区影响ET0的主要气象因子是大气温度和相对湿度。通过各气象因子的间接作用分析，最高气温、最低气温及相对湿度通过平均气温对ET0具有较强的作用，间接作用系数分别为-8.6541，-8.6129，-8.1727。风速和日照时数通过气温对ET0具有一定的负面影响。

一般来说，每亩早稻灌溉需水量180~230立方米，100亩就是18000～23000立方米，浇地一亩需要几吨水？

一般大田作物根系深60厘米，每亩地一次滴灌10-15方。如果是果树根系深1米，行距是3米，每亩地滴灌灌溉量最多6-10方。这个还是要根据具体作物和作物种植情况来算水量的。 对于任何一种作物的某一次灌水，须供水到田间的灌水量(称净灌溉用水量)W净可用下式求得： W净=mA(m3) 式中 m——该作物某次灌水的灌水定额，m3/亩；A——该作物的灌溉面积。

灌溉1亩农田需要多少立方水？

一般来说，每亩早稻灌溉需水量180~230m?，中稻220~240m?，晚稻230~320m?，蔬菜220~550m?，棉花30~100m?，小麦10~80m?。

喷灌浇一亩地需要几立方水？

你需要几立方水就浇几立方，根据作物需水量、水量蒸发损失计算。射程15-18M的喷头每小时出水量为3.5立方米，你可以自己算一下，或者咨询专业单位（杨凌金园现代农业）。