阿克苏河灌区作物理论需水量的时空分布特征

[目的]研究阿克苏河灌区作物的理论需水量的时空变化特征,为该区水资源科学管理、高效利用提供理论依据。[方法]基于灌区内1972—2014年6个气象台站的逐日气象观测数据,采用FAO修正的Penman-Monteith模型,计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0),进行空间数据的插值分析,对阿克苏河灌区作物的理论需水量特征分别在空间和时间两个维度上进行探讨。[结果](1)阿克苏河灌区多年平均ET0介于1 118~1 241mm之间,呈现中部以北地区较低,西南部、南部地区较高的规律;(2)春季和夏季的ET0最高,5,6,7月的月均ET0合计为533mm,是作物最需要水分补给的重要时段;(3)自20世纪70年代至今,作物年均蒸发蒸腾量呈现逐渐降低的趋势,2010年以后的变化趋势较为显著;(4)灌区各季节及全年的ET0变化均呈现S形曲线分布,至2014年已接近波谷并有抬升趋势。[结论]在气候变化背景下,阿克苏河灌区作物的理论需水量随时间变化显著,春夏季受蒸腾作用影响是需要补水的关键时期,年际变化呈波动抬升趋势;在空间上亦呈现明显地带分异特点,呈南高北低的特征。     

基于根系层水分状态的旱区净灌溉需水量模型构建和应用

为更准确计算灌区净灌溉需水量,促进灌区水资源高效利用,针对降水过剩可能产生深层渗漏和地表径流,以及采用经验公式计算不同作物有效降水量可能错误估算净灌溉需水量的问题,该研究建立了基于根系层水分状态的净灌溉需水量模型。以景电灌区为例,计算了2000－2020年平均净灌溉需水量和有效降水量,并分析了各驱动因子对净灌溉需水量的影响,结果表明：不同作物年净灌溉需水量在319.4～732.3 mm之间,降水利用效率在39.2%～56.1%之间,夏秋作物的降水利用效率高于春夏作物。夏秋作物的年净灌溉需水量与年降水量相关性更强,春夏作物的年净灌溉需水量与作物需水量的相关性更强,所有作物的月净灌溉需水量仅与月作物需水量呈显著正相关。敏感性分析表明,净灌溉需水量与作物需水量呈正相关关系,与降水量和根系深度呈负相关关系。夏秋作物比春夏作物对降水量和作物需水量的敏感性更强。对净灌溉需水量贡献程度由大到小分别为作物需水量、降水量和根系深度,其中作物需水量贡献率占86.0%发挥主导作用,特定年份根系深度贡献率为12.0%,根系深度对净灌溉需水量的影响不容忽视。与传统净灌溉需水量模型相比,该研究所计算的净灌溉需水量充分考虑了不同作物降水利用效率的差异,计算结果可为灌区水资源管理提供参考。     

河北省棉花灌溉需水量与灌溉需求指数分析

对不同水文年份作物需水量和灌溉需水量的分析能够为作物灌溉用水定额的制定、作物生育期的水分管理和农业水资源规划提供基础数据。该文基于河北省棉区的气象资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算参照作物需水量和棉花需水量;利用水文计算应用最广的皮尔逊III型分布曲线,通过频率计算和配线法确定不同水文年份棉花生育期的有效降水量和需水量;据此分析不同水文年份棉花的灌溉需水量和灌溉需求指数。分析结果表明,河北省棉花多年平均需水量648.9 mm,多年平均灌溉需水量190.6 mm,多年平均灌溉需求指数0.29。枯水年(P=75%)、平水年(P=50%)和丰水年(P=25%)河北省棉花灌溉需水量分别为299.1、182.8和84.7 mm,灌溉需求指数分别为0.45、0.28和0.13。     

中国主要作物灌溉需水量空间分布特征

作物需水量和灌溉需水量的时空分布是科学地制定不同地区灌溉用水定额的依据。该文基于全国范围200多个气象站近30 a逐日的气象资料和不同地区作物生育阶段的调查统计资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith方法和作物系数法,计算了30种作物的需水量和净灌溉需水量,并用各地灌溉试验站的实测资料进行了检验。利用GIS的空间分析功能,采用反距离加权插值法得到主要作物多年平均作物需水量与净灌溉需水量的等值线图。选择种植面积最广的小麦、玉米、棉花和水稻4种作物,分析其作物需水量与净灌溉需水量的空间分布特征,得到不同地区主要作物的灌溉需求指数。研究表明：中国东北区、长江中下游区、华南区、川渝区和云贵区平均灌溉需求指数小于0.5,作物对灌溉的需求比较低;华北区、蒙宁区和晋陕甘区旱作物30%～50%的需水靠灌溉补充,水稻55%～80%的需水依靠灌溉;新疆地区主要作物的灌溉需求指数均在0.7以上,农业的发展完全依赖于灌溉。     

河北省近35年农作物需水量变化趋势分析

根据联合国粮农组织(FAO)推荐的参考作物蒸散计算方法和相关作物系数,利用河北省84个地面气象站的资料,计算了河北省主要作物冬小麦和玉米近35年(1965～1999年)的需水量和缺水量,并分析了其变化趋势.结果表明:河北省主要作物冬小麦和玉米的需水量在近35年呈减少趋势,每10年下降量冬小麦全省平均26 mm,其中中南部地区28 mm,东部地区15mm;夏玉米全省平均9.7 mm,其中南部地区9.4 mm,中部地区10.2mm;春玉米全省平均9.9mm,其中东部地区8.8 mm,北部地区10.5 mm.全省和各区域作物需水量变化均通过0.05信度的显著性检验.不同作物缺水量不同,其中冬小麦最多,全省平均345 mm,夏玉米20 mm,春玉米29 mm;虽然不同作物均表现出缺水增加的趋势,但不显著.     

黄土高原东部主要作物需水量空间分布规律

为研究黄土高原东部主要作物需水量,基于P-M(Penman-Monteith)作物需水模型,采用山西省内25个气象站点逐日气象数据,计算黄土高原东部冬小麦(Triticum aestivum L.)、玉米(Zea mays L.)、谷子(Setaria italica)、高粱[Sorghum bicolor(L.)Moench]的作物需水量、灌溉需水量及水分盈亏指数。结果表明:(1) 4类作物的作物需水量为293.39～656.77 mm,谷子年均需水量较冬小麦节约39.99%、较玉米节约30.58%,高粱年均需水量较冬小麦节约14.01%、较玉米节约0.53%;(2)灌溉需水量为0～289.69 mm,作物平均灌溉需水量由多到少依次为冬小麦、玉米、高粱、谷子;(3)主要作物水分盈亏指数为-0.23～0.48,谷子是出现水分唯一盈余的作物,区域南部水分盈亏指数最小,冬小麦区域中部缺水严重,玉米、谷子、高粱在区域北部缺水最为严重。研究主要作物需水量空间分布对于确定作物灌溉用水量,了解水分盈亏程度,合理布局种植结构有重要指导意义。     

固原市主要农作物生育期有效降水与需水量特征

由于干旱地区常年降雨资源匮乏,为提高旱区降雨资源的高效利用及更加精准的掌握该地区主要农作物的水分供需平衡状况。采用美国农业部(USDA)土壤保持局推荐的有效降水量和联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的参考作物蒸散量计算方法、线性分析法、Mann-Kendall检验法及小波分析法,研究了固原地区近60年3种主要农作物的有效降雨量及需水量的时空变化趋势。结果表明:(1)3种作物生育期平均有效降水分布在68.8～177 mm,玉米和马铃薯生育期有效降雨量呈减小趋势,春小麦呈上升趋势,且有效降水周期呈大—小—大的变化规律;(2)3种作物生育期平均需水量主要分布在233.7～439.3 mm,生育期需水量均呈上升趋势,分别为2.4 mm/10 a,0.8 mm/10 a,2.3 mm/10 a,需水量周期也呈“大—小—大”的变化规律;(3)马铃薯、玉米、春小麦的平均水分盈亏指数为-38.0%,-57.5%,-58.7%,玉米和春小麦对灌溉的依赖程度较马铃薯高。综合考虑分析固原地区多年降水和作物需水分布特征的趋势,研究结果可以为该地区3种农作物合理种植及灌溉提供理论依据,同时为发展该地区主要特色农产品及提高农民经济收入提供数据支撑。     

新疆焉耆盆地主要作物需水量特征及影响因素分析

【目的】探究新疆焉耆盆地主要作物需水量特征及影响因素,为干旱区农业水资源利用和作物种植结构优化提供参考。【方法】基于2000～2020年焉耆盆地3个气象站点的逐日气象观测资料,采用Penman-Monteith公式和作物系数法,计算焉耆盆地主要作物生育期内需水量、有效降水量和灌溉需水量,并用Mann-Kendall检验、线性分析法和通径分析法对以上数据的分布特征、变化趋势及影响因素进行定量研究。【结果】(1)近21年参考作物蒸散量呈逐年增加趋势,变化率为6.90 mm a^-1,分布范围为960.20～1264.50 mm,年均值为1154.70 mm。(2)全生育期主要作物需水量为374.94～713.37 mm,不同生育阶段作物需水量、有效降水量和灌溉需水量的峰值均出现在生育中期,分别为247.32～497.92 mm、7.14～21.94 mm和240.18～475.99 mm,高于生育初期、快速发育期和成熟期。(3)主要作物需水量和灌溉需水量呈增加趋势,平均变化率分别为3.86 mm a^-1和4.09 mm a^-1...     

人民胜利渠灌区净灌溉需水量时空变异及影响因子分析

为了揭示人民胜利渠灌区农业净灌溉需水量的变化规律,明确作物种植面积、降水以及潜在蒸散量对农业净灌溉需水量的影响程度,利用面向对象的变化检测方法提取人民胜利渠灌区作物种植面积信息,基于土壤水分动态随机模型构建农业净灌溉需水量计算模型,并对主要环境因素进行敏感性分析。结果表明:2005-2015年人民胜利渠灌区农业净灌溉需水量介于5.76×10~8~6.97×10~8 m~3之间,呈波动变化,西南、东北地区农业净灌溉需水量较高;潜在蒸散量是该灌区净灌溉需水量变化的决定性因素,敏感性变化幅度为22.5%,降水参数影响其次,日降水频率贡献率更大,敏感性变化幅度为-16.4%,作物种植面积对其影响较小,敏感性变化幅度在5%以下。研究结果对人民胜利渠灌区农作物种植结构调整和农业用水量合理配置具有参考意义。     

太行山山前平原区蒸散量和作物灌溉需水量的分析

应用Penman-Montieth、Priestley-Taylor和FAO-24 Blaney-Criddle 3种方法计算了太行山山前平原高产区的参考作物蒸散量并对计算结果和利用实际蒸散量计算的作物系数进行了分析，结果表明：Penman-Montieth公式和FAO-24 Blaney-Criddle公式估算的参考作物蒸散量结果相近，而Priestley-Taylor方法结果偏低；在不同公式基础上计算的作物系数也存在着明显的差异，以Penman-Montieth公式为基础计算的作物系数比较合理，FAO-24 Blaney-Criddle计算的作物系数在4月到10月之间比较合理，Priestley-Taylor公式计算的作物系数偏高；在分析了多年作物系数的基础上，对不同水分年型下的作物需水量和灌溉需水量进行了计算，冬小麦和夏玉米季的灌溉需水量分别在270～400 mm和0～330 mm之间。     

黄淮海农作区冬小麦需水量时空变化特征及气候影响因素分析

鉴于作物需水量变化趋势对制定灌溉策略与区域水资源配置的重要作用,本文依据黄淮海农作区50个气象台站近50年(1960—2009年)的逐日气象数据,利用SIMETAW模型计算了研究区域7个亚区冬小麦生育期需水量、适宜灌溉量的时空变化趋势,各主要气象因子时空变化趋势以及需水量与气象因子的相关性。结果表明:近50年来,冬小麦生育期需水量呈下降趋势,其中在1970—1999年间显著下降9.21~18.90mm.10a 1;冬小麦需水量多年平均值为452.4 mm;灌溉需要量在不同亚区间变化不同,其中在汾渭谷地水浇地二熟旱地一熟兼二熟区和豫西丘陵山地旱坡地一熟水浇地二熟区呈上升趋势,每10年上升10.02~13.48 mm;生育期降水耦合度仅为0.40。生育期需水量、灌溉需要量在空间上呈现两边多、中间少的分布,在豫西丘陵山地旱坡地一熟水浇地二熟区最高,分别为457.32 mm、335.33 mm;在海河低平原缺水水浇地二熟兼旱地一熟区最低,分别为363.24 mm和247.51 mm。50年来,黄淮海农作区气温显著上升,降水量不显著下降,风速、相对湿度、太阳辐射显著下降;冬小麦需水量下降主要受太阳辐射、温度、平均风速、平均相对湿度、降水的综合影响,其中最主要的气象原因为太阳辐射量下降,温度、日照时数、平均风速与冬小麦需水量呈显著正相关,相对平均湿度与其呈显著负相关。     

山西省生态环境用水初探

 生态环境用水研究是改善生态环境亟待解决的重大问题。从生态环境用水的内涵着手,结合山西省生态环境的实际情况,将山西省生态环境用水划分为森林植被、水土保持、河流、城市生态环境用水4个方面。森林植被生态环境用水用林地实际蒸散量表示,全省林地耗水大致为346～477mm;水土保持生态环境用水采用治理前后小流域对比分析方法,经水土保持综合治理后,减少流域径流深约为17.62mm(黄河流域)、27.34mm(海河流域);通过对山西省各大河流多年平均最小月径流量和最大月含沙量、输沙量统计分析,计算河流生态环境用水量;城市生态环境用水从城市湖泊环境用水、城市绿化用水、地下水超采恢复用水、城区道路洒水等方面进行分析。     

灌区生态系统健康二级模糊综合评价模型及其应用

传统灌区的不合理建设给灌区内生态环境造成了很大影响,因此需要一种新的生态型灌区建设模式来指导灌区可持续发展。该文探讨了灌区生态系统健康的内涵,并根据灌区生态系统健康的内涵和指标筛选原则,选取相互独立且反映灌区生态系统结构属性、环境要素、功能要素及社会经济要素4个方面的典型敏感指标,组成灌区生态系统健康评价指标体系,提出了由层次分析法和模糊数学理论相结合的二级模糊综合评价法,构建出灌区生态系统健康的评价模型。并用此评价北京市北野厂再生水灌区的生态系统健康性。结果表明：模型很好的表征了北野厂再生水灌区生态系统健康疾病的现状。现模型能较好地评价灌区生态系统健康状况。     

多年生人工牧草高效用水灌溉制度的研究

以内蒙古浑善达克沙地东南缘——正蓝旗人工草地多年生人工牧草——老芒麦、披碱草、冰草和苜蓿的灌溉试验资料，应用FAO-56双作物系数法模拟计算了不同试验处理的多年生人工牧草实际需水量(蒸散量)。研究了需水量与多年生人工牧草干草产量、水分利用效率和边际产量之间的关系，并用水分利用效率最高为原则确定了干旱地区人工草地多年生人工牧草不同水文年的灌溉制度。     

基于田间调查数据分析漳河灌区水稻灌溉水生产力分布异质性及其影响因素

在漳河灌区农田尺度的基础上,基于农户调研结果和文献调研的大田数据,分析当地水稻灌溉水生产力及其影响因素的空间异质性,利用相关性分析和偏最小二乘回归分析进行灌溉水生产力关键影响因子的筛选。结果表明：（1）漳河灌区总、四干渠控制村组水稻产量最小,灌溉水生产力则表现为三干渠控制村组最大而总干渠控制村组最小;（2）灌溉水生产力与单位面积灌水量、生育期日平均太阳辐射和土壤粉砂粒含量呈现极显著负相关,与日平均气温和土壤黏粒含量呈现极显著正相关;（3）灌溉水生产力受单位面积灌水量、施氮量、生育期内日平均气温、日平均太阳辐射和土壤黏粒含量的影响较大。因此,管理措施和气象因素是改善漳河灌区水稻灌溉水生产力的关键因素。研究结果可以为改善当地水稻管理水平、提高灌溉水生产力提供数据支持。     

Negative and positive effects of topsoil biological crusts on water availability along a rainfall gradient in a sandy arid area

Drylands are regarded as highly sensitive to climatic changes. A positive relationship between rainfall and environmental factors (water availability for plants, productivity, species diversity, etc.) is often assumed for areas with an annual rainfall of 100–300 mm. This assumption disregards the fact that a climatic change in arid and semi-arid areas is not limited to climatic factors. This change is often accompanied by a parallel change in surface properties. The alteration of surface properties may have opposite effects on the water regime and ecosystem characteristics. Data on rainfall, runoff, soil moisture regime, and vegetation cover were collected at five monitoring sites in a sandy area along the Israeli–Egyptian border, where average annual rainfall varies from 86 to 160 mm. Data obtained show a decrease in water availability for perennial plants with increasing annual rainfall, clearly expressed by a lower survival of perennial plants in the wetter area. Results obtained cast doubt of the prevailing idea regarding the positive relationship between average annual rainfall and ecosystem characteristics. The findings are attributed to the decisive role played by the non-uniform properties of the topsoil biological crusts along the rainfall gradient considered. Under wetter conditions a thick topsoil biological crust develops. This crust is able to absorb large rain amounts, limiting thus the depth of rainwater infiltration and water availability for the perennial vegetation. A better water regime was found in the drier area, where a thin crust allows deeper water infiltration and water concentration by surface runoff. The process described may be regarded as a desertification process with increasing annual rainfall.     

新疆地区棉花和甜菜需水量的统计降尺度模型预测

气候变化情景下新疆地区作物需水量空间分布规律的研究,可作为农业用水规划的参考依据。基于新疆维吾尔自治区41个气象站1961-2010年逐日气象数据,分别采用FAO-56 Penman-Monteith公式和单作物系数法计算各站参考作物腾发量和作物系数,由两者的乘积获得棉花和甜菜需水量(crop water requirement,ETc);运用统计降尺度模型SDSM4.2软件,预测2015-2099年高排放和低排放两种气候情景下各站棉花和甜菜的日ETc时间序列。结果表明,新疆地区1961-2010年棉花和甜菜在不同生育阶段作物系数变化范围为0.58~1.08,棉花和甜菜生育期多年平均ETc的空间分布由南部向北部逐渐减小。统计降尺度预测过程中的26个预报因子中,地表平均比湿和地表平均气温与ETc在多数站点相关性较好。2015-2099年高排放和低排放情景下的ETc空间分布规律与1961-2010年的类似,但数值小的多。总体上,全疆历史和未来的棉花和甜菜ETc均以不同程度下降。该研究可为新疆地区灌溉决策及节水规划提供依据。     

贵州省农业净灌溉需水量与灌溉需求指数时空分布

农业用水需求时空分布规律可为区域抗旱减灾管理和灌溉水资源优化配置提供科学依据。基于贵州省及其周边国家气象站点长系列资料和1953-2012年贵州省9个市(州)水稻、玉米、冬小麦、油菜和烤烟的种植面积,计算贵州省9市(州)近60 a净灌溉需水量及灌溉需求指数,分析其时空分布特征。结果表明:1)贵州省的净灌溉需水量和灌溉需求指数分别在314.48~742.57 mm和0.34~0.68之间,60 a间农业净灌溉需水量的和灌溉需求指数呈波动变化,多峰值分布的特征,总体上峰值有所减小但波动周期延长;2)1993—2000年是净灌溉需水量和灌溉需求指数总体变化的转折时期,之前为下降期,之后为上升期;3)净灌溉需水量和灌溉需求指数的季节特征明显,分别为夏季和冬季最高;4)净灌溉需水量(IR)呈现东高西低的规律,灌溉需求指数(IRI)呈现东部、西北部高,西南部低的规律,全省9市(州)可分为3个风险区,东部、西北部的缺水高风险区是抗旱管理的重点区域;5)气候变化是贵州省净灌溉需水量和灌溉需求指数升高的主导因素,它主要通过降水减少来实现的。研究可为贵州省农业季节性缺水问题识别、农业水利工程布局和种植结构调整提供支撑。     

基于水盐平衡的绿洲灌区次生盐碱化防治研究

土壤次生盐碱化是威胁新疆绿洲灌区持续发展的关键因子。以位于塔里木河流域的渭干河灌区为例,在简要分析灌区水盐运移的控制因素基础上,以水盐均衡原理为指导,深入剖析了灌区-田块-作物根系3个尺度的土地盐分均衡特点及其相互关系,重点估算了淋洗需水量,简要讨论了次生盐碱化的驱动因子,最后从政策、技术与经济方面给出了控制次生盐碱化的对策。     

灌区遥感应用

随着遥感技术本身的发展及其在各领域、各种尺度应用的逐步推广,其在灌区的应用也正在并且将会发挥更大的作用,这主要表现在三个方面,一是有关灌区背景信息获取即水土资源环境的调查,如土地利用类型及其变化、灌区生态状况及其变化、地表及地下水资源调查等,二是灌区农作物信息获取,如农作物种植结构及种植面积调查、农作物长势监测、作物估产、作物灾情监测,三是灌区水平衡要素方面,如作物蒸腾发、区域降雨量、土壤湿度等最终可以服务于农作物需水量估算,辅助灌区灌溉配水方案决策.