乔伟 朱赟 熊玉江

摘 要：根据云南省33个气象站点近60年的气象及近10年农业种植结构等资料，计算了参考作物需水量，分析了云南省参考作物需水量区域分布特征，利用曼-肯德尔（Mann-Kendall）趋势检验法检验，揭示了云南省气候变化及参考作物需水量变化趋势，研究了云南省农业种植结构、节水灌溉面积和农业用水特征。

关键词：变化环境;作物需水量;气候变化;人类活动;云南

中图法分类号：S162                文献标志码：A                 DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0406

近年来，全球气候变化加剧，人类活动明显增强，环境变化对水资源的影响成为热点问题之一[1]。我国农业用水量大，区域作物需水量是合理调配水资源、优化种植结构的主要依据。气候、种植结构等变化是影响区域作物需水量最主要的自然因素和人为因素。近年来，气温增加、极端降雨事件、CO2浓度变化不仅引起了水资源量及其在时空分布的变化，还对作物生长发育造成直接的影响，作物需水规律发生变化，增加了作物的潜在需水量[2-3]。作物种植结构的调整、灌溉管理方式等措施，也会使区域作物需水量发生变化。不合理调整作物种植结构、增加种植面积、不科学的灌溉方式，加剧了农业水资源供需矛盾，影响了农业可持续发展。

目前，国内外学者关于气候变化对作物需水量的影响开展了大量研究。有研究表明，随着气候变暖，作物需水量和灌溉需水量呈增加趋势[4-5]。同时，也有研究表明，气候温度增加不明显、降雨增加、日照时数减少和风速降低等原因，导致了作物需水量和灌溉需水量呈减少趋势[6-8]。上述研究工作仅分析了参考作物需水量或作物需水量与气候变化的关系，缺乏气候、种植结构和灌溉管理等变化环境对作物需水量及农业用水的影响。本文选择地处低纬高原、气候特征复杂[9-10]的云南省为研究对象，根据气候及作物种植面积资料，研究变化环境下云南省作物需水量演变趋势，分析变化环境下农业用水量，以便为缓解变化环境下云南省水资源供需矛盾、优化种植结构、科学发展节水灌溉、制定灌溉管理制度提供依据。

1  材料与方法

1.1  资料来源

研究所用的气象资料来自中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn），包括云南省內33个气象站（见图1）1956—2015年日最高最低气温、平均气温、大气压、空气相对湿度、风速、日照时数和降雨量。作物种植面积及农业用水量资料摘自《中国统计年鉴》，包括2006—2015年农作物播种面积、谷类、油料、烤烟、蔬菜等种植面积以及农业用水量。2006—2015年云南省农田灌溉用水量来自《云南省水资源公报》，节水灌溉面积数据取自《中国水利统计年鉴》。

1.1.1  参考作物需水量计算

参考作物需水量计算采用世界粮农组织推荐的FAO Penman-Monteith（P-M）方法进行计算[11]，计算公式如下：

式中：为日参考作物需水量，mm/d;为净辐射，MJm-2d-1;G为土壤热通量，MJm-2d-1;T为平均气温℃;为2m高度处的风速ms-1;和分别为饱和水汽压和实际水汽压kPa;为饱和水汽压-温度曲线上在T处的切线斜率，kPa°C-1;为湿度计常数kPa°C-1。

1.1.2  趋势检验

气候变化、参考作物需水量总体变化趋势采用曼-肯德尔（Mann-Kendall，简称MK）趋势检验法检验[12]分析。在MK检验中，原假设为时间序列数据（X1，X2，…Xn），是n个独立的、随机变量同分布的样本;备择假设H1是双边检验，对于所有的i，j

其中：

式中：sing0为符号函数。当小于、等于或者大于0时，分别为-1、0或1。

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平，若，则原假设是不可能接受的，即在置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。│Z│≥1.28，1.64，2.32时表示分别通过了置信度90%，95%，99%的显著性检验。

1.1.3  插值分析

研究利用云南省33个气象站点的参考作物需水量及其MK检验统计量Z作为样本点，插值得到云南全省参考作物需水量及其MK检验统计量Z。常用的插值方法有整体插值法（趋势面法和多元回归法等）、局部插值法（泰森多边形法、反距离加权法、克里金插值法和样条法等）和混合插值法（整体插值法和局部插值法的综合）[13]。本文为了考虑高程对参考作物的影响，选择克里金插值，即假设参考作物需水量及其变化与高程具有相关性。

2  结果与分析

2.1  参考作物需水量特征分析

利用公式（1）对云南省33个气象站点1956～2015年参考作物需水量进行了计算（见表1），并利用克里金插值方法得到云南省参考作物分布图（见图2）。从表1、图2可知，云南省多年平均参考作物需水量最低值为793.1mm，最大值为1 490.8mm，极值比为1.88，说明参考作物需水量区域差异较大。由图2可知，云南省参考作物需水量总体表现为滇西北、滇东南小，滇北、滇南和滇中地区大。从地区看，元谋、华坪和元江等干热河谷地区参考作物需水量大，德钦、迪庆、维西等高海拔地区小。对33个气象站点参考作物需水量排序及统计分析结果如表1所示，平均气温和日照时数增加十分显著，相对湿度呈减小趋势，风速变化趋势不明显，平均气温、相对湿度、风速和日照时数与参考作物需水量的相关系数R分别为0.72、-0.46、0.18和0.64。因此，云南省参考作物需水量区域差异主要是由气温和日照时数造成的。

2.2  气候变化对农业用水的影响分析

气候变化主要改变了作物生育周期和作物需水规律，从而影响区域农业用水情况，而这种影响可以通过参考作物需水量变化来表征。采用肯德尔（Kendall）非参数检验法，在水平α分别为0.05、0.1水平下，对云南省33个气象站点60年的气温、相对湿度、降雨、风速、日照时数和参考作物需水量进行了显著性检验，典型代表站点结果如表2所示，采用克里金插值法得到云南省参考作物需水量MK检验统计量Z分布，如图3所示。从表2可知，近60年，除元谋和屏边站气温降低外，其他地区均呈现显著上升趋势，且部分地区通过了可信度95%的显著性检验，在α=0.05下具有统计学意义，说明云南省气候逐渐变暖;除大理、元谋外，其余站点空气相对湿度均呈降低趋势，且大部分地区下降趋势显著;沾益、会泽、临沧、景洪、文山等地年降雨减少显著，昭通、维西、腾冲、元谋等地降雨量略有增加，但趋势不明显;风速变化区域差异明显，但大部分区域风速变化不显著;大部分地区日照时数呈增加趋势，例如文山、维西、元谋、昆明等地，且增加趋势显著。

从图3可知，气候变化条件下云南省参考作物需水量变化呈现明显的区域特征，主要表现为滇中、滇东、滇东南、滇东北、滇南呈减少趋势，其中元谋地区通过置信度99%的显著性检验，下降趋势极显著，其他地区趋势不明显;滇西、滇西北、滇西南呈现增加趋势，其中滇西北、滇西南地区下降趋势显著，迪庆、临沧地区通过了置信度95%的显著性检验。

表2对比分析了主要气象要素和参考作物需水量变化特征值，参考作物需水量的增加主要是气温、风速、日照时数增加和相对湿度减小共同作用的结果，且不同地区影响因子不同，如临沧参考作物需水量增加主要是气温显著增加和相对湿度显著减小的作用，而会泽是由于气温和日照时数显著增加的结果。元谋参考作物需水量呈显著减小趋势，主要受气温、日照时数减小，相对湿度增加影响，这一结果与起树华和王建彬的研究结果一致，其主要原因是元谋特殊地形条件下，下垫面性质和状态改变影响的结果[14]。

2.3  人类活动对农业用水的影响分析

近10年来，云南省农作物播种面积逐年增加，2015年农作物播种面积较2006年增加了16.9%。从表3可知，近年来云南省农业种植结构发生了较大变化，主要表现为稻谷、烤烟、蔬菜和油料种植面积均不同程度地增加，烤烟、油料种植面积占比基本保持不变，但谷類种植面积占比降低5%，蔬菜种植面积占比增加了5%，粮经比降低。农作物种植面积的增加，势必增加云南省农业需水量，从而增加农业用水量。但从近年统计的用水情况看，云南省农业用水量基本保持稳定，2015年云南省农业用水量为104.6×108m3，比2006年减少1×108 m3。由表3可知，近年来，随着国家大力推进节水行动，大兴农田水利工程，农业用水效率得到大幅提高。云南省2015年节水灌溉面积由2006年的42.5×104 hm2增加到72.5×104 hm2，增幅达到70%，农田亩均灌溉用水量减少145m3，减幅达到26.7%。人类要通过改变农业种植结构和用水管理等方式影响农业用水量，近10年来，由于云南省作物播种面积的增加，大部分地区降雨量的减少，参考作物需水量的增加加剧了云南省农业用水供需矛盾，但由于种植结构中粮经比例逐渐降低，以及农田水利工程建设和节水灌溉面积的增加，农业用水量基本保持稳定。若云南省作物种植面积和种植结构保持不变，大部分地区降雨量减少以及作物需水量的增大将会导致云南省农业需水量明显增加，从而加剧水资源的供需矛盾。因此，云南省应该继续加强水利工程建设，提高用水效率，同时要制定科学的灌溉制度，加强节水灌溉技术应用，提高应对气候、种植结构等变化环境的能力。

3  结论

（1）云南省多年平均参考作物需水量极值比为1.88，存在明显的区域差异，总体表现为滇西北、滇东南小，滇北、滇南和滇中地区大。参考作物需水量区域差异主要由气温和日照时数造成的，其相关系数分别为0.72和0.64，参考作物需水量随着气温、日照时数增加和相对湿度的减小而增加。

（2）近60年，云南省气温总体呈现显著上升趋势，大部分地区相对湿度有所下降，降雨量略有减少，部分地区趋势明显，风速总体变化不显著，大部分地区日照时数呈增加趋势。气候变化对参考作物需水量影响区域差异明显，主要表现为滇中、滇东、滇东南、滇东北、滇南呈减小趋势，滇西、滇西北、滇西南呈现增大趋势。

（3）云南省2006—2015年，农作物播种面积逐年增加，种植结构变化较大，谷类种植面积占比降低5%，蔬菜种植面积占比增加了5%，粮经比减小。云南省节水灌溉面积显著增加，增加幅度达到70%，农田亩均灌溉用水量减少26.7%。在种植面积、种植结构和节水灌溉等人类活动的综合作用下，云南省农业用水量基本保持稳定。

（4）气候变化、种植结构、灌溉管理等变化环境下农业需水规律发生了深刻变化，从而影响农业用水格局。云南省大部分地区由于气候变化、作物种植面积增加，导致农业需水量呈增加趋势，农业用水供需矛盾加剧，且随着未来环境变化不断恶化，而通过农田水利工程建设提高农业用水效率的潜力有限。因此，今后应加强变化环境对农业用水及粮食生产安全的影响研究，为制定保障云南省农业用水安全的适应性对策提供理论依据。

参考文献：

[1]董平国，冯绍元，霍再林.气候变化及人类活动对石羊河下游径流的影响[J].中国农村水利水电，2010，（7）：22-24.

[2]李萍，魏晓妹.变化环境下农业需水量演变趋势及驱动力[J].排灌机械工程学报，2013，31（2）：822-828.

[3]王小军，张建云，王国庆，贺瑞敏，尚熳廷.气候变化与农业用水安全[J].中国农村水利水电，2012（2）：23-25.

[4]韩冰，罗玉峰，王卫光.气候变化对水稻生育期及灌溉需水量的影响[J].灌溉排水学报，2011，30（1）：29-32.

[5]李勇，杨晓光，叶涛.气候变化对长江中下游地区水稻需水量的影响[J].农业工程学报，2011，27（9）：175-183.

[6]王卫光，彭世彰，孙风朝.气候变化下长江中下游水稻灌溉需水量时空变化特征[J]，水科学进展，2012，23（5）：656-664.

[7]罗玉峰，彭世彰，王卫光.气候变化对水稻灌溉需水量的影响——以高邮灌区为例[J].武汉大学学报（工学版），2009，42（5）：609-613.

[8]韩宇平，王朋，王富强.气候变化下淮河区主要作物需水量变化特征[J]，灌溉排水学报，2013，32（5）：114-117.

[9]段倾琼，王静，刘彤.低纬高原地区ET_0多时间尺度变化特征及变化趋势分析[J].节水灌溉，2011，（9）：25-28.

[10]顾世祥，傅骅，高嵩.低纬度高原区农业灌溉需水规律研究[J].灌溉排水学报，2004，23（4）：71-74.

[11]R G Allen，L S Pereira，D Raes，et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop requirements-FAO Irrigation and Drainage[M]. FAO. Rome，Italy，1998，45-46.

[12]张盛霖，邓高燕，黄勇奇. Mann-Kendall检验法在Excel中的实现与应用[EB/OL].北京：中国科技论文在线[2014-06-22]. http：//www.paper.edu.cn/relea -sepaper/content/201406-448.

[13]何红艳，郭志华，肖文发.降水空间插值技术的研究进展[J]. 生态学杂志，2005，24（10）：1187-1191.

[14]起树华，王建彬.元谋干热河谷气候生态环境变化的初步分析[J]. 气象研究与应用，2007，28（a02）：125-127.

The Characteristic of Crop Water Demand and Agricultural Water Consumption under Changed Environment in Yunnan Province

Qiao Wei1    Zhu Yun2    Xiong Yujiang1

（1. Yangtze Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China;

2. School of Water Conservancy Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：60 years meteorological data of 33 weather stations and 10 yearsagricultural planting data in Yunnan province were collected to calculate reference crop evapotranspiration（ETo），and explore the regional distribution characteristic of ETo. The changing trends of ETo were analyzed using Mann - Kendall method. We also investigated the characteristic of agricultural planting structure，water-saving irrigation area and agricultural water consumption.

Key words：changed environment;Yunnan;water demand of crop;climate change;human activity

收稿日期：2021-01-29

作者簡介：乔伟，女，硕士研究生，高级工程师，主要从事农村饮水安全、节水灌溉等技术工作。E-mail：502853934@qq.com