未来气候情境对作物生产水足迹的影响研究——以河套灌区为例

摘要

气候变化已对农业生产和水资源消耗产生重要影响，合理评估未来气候情景下区域农业用水的演变过程和特征能够为区域水资源管理和应对气候变化提供依据。水足迹理论有助于我们明确农业生产过程消耗的水资源类型、数量和效率，因而对制定相关决策和规划具有重要的参考价值。本研究利用统计降尺度软件(Statistical DownScaling Model，SDSM)，预测了河套灌区在A2(人口持续增长，新技术发展缓慢，注重区域性合作)和B2(人口以略低A2的速度增长，注重区域生态改善)气候情境下未来主要气象因子，在此基础上计算了未来河套灌区参考作物需水量(ET0)、主要作物需水量(ETc)以及主要作物生育期内的有效降水量(Pe)。利用作物模型AquaCrop，结合未来气象参数，对河套灌区主要作物产量进行了模拟，并结合计算所得作物需水量与生育期有效降水量，对未来情境下河套灌区主要农作物的蓝水、绿水生产足迹进行了量化。在此基础上，根据灌区未来情境下的种植结构、用水结构情况，分析了未来情景下灌区种植业水资源供需情况。研究所得主要结论如下:
　　(1)河套灌区未来气候向湿热化方向发展。从时间变化来看，灌区多年平均气温在A、B情境下分布上升约3℃和2.2℃;多年平均降水量在A、B情境下分别增长18mm和22mm。灌区平均日照时数、平均相对湿度和平均风速在未来基本不变。从空间变化来看，各气象要素的空间分布与观测期相差不大，仅为值域的改变。受气候变化，尤其是温度上升的影响，研究区ET0呈上升趋势，到本世纪末，研究区ET0在A情境下平均增加约6％，在B情境下增加约3％。
　　(2)在气候变化的影响下未来河套灌区作物灌溉需水量呈增加趋势。作物ETc在预测期内呈现增加的趋势，且在A情境下上升幅度高于B情境。油料作物ETc增幅最大，将升高7％-15％;小麦ETc增幅最小，为3％-10％。作物生育期内Pe以降低为主。在作物ETc升高和Pe降低的共同作用下，作物灌溉需水量呈现增长趋势。在种植结构不变的情况下，到2030年，河套灌区净灌溉需水量在A情境下将会增长3.76亿m3，在B情境下增长2.76亿m3。随着时间的推移，河套灌区的农业用水压力将会越来越大。
　　(3)充分灌溉条件下，未来河套灌区作物蓝、绿和总水生产足迹均呈下降趋势。未来有效降水量减少且作物产量提高，因此作物绿水生产足迹整体呈下降趋势。未来作物灌溉需水量的增长程度低于作物产量的增长程度，因此作物蓝水生产足迹降低。蓝水足迹占作物生产水足迹总量的85％以上，因此作物生产总水足迹的变化速率与作物生产蓝水足迹基本一致。灌区主要农作物中，葵花的生产水足迹线性下降速率最大，为0.02(m3/kg)/10a，小麦的生产水足迹下降速率最小，为0.01(m3/kg)/10a。作物生产水足迹最大的为葵花，A情境下平均约1.98m3/kg，B情境下约2.06m3/kg;玉米生产水足迹最小，A、B均为1.02m3/kg左右，约为葵花的一半。
　　(4)未来河套灌区农业供水压力增大。灰色模拟结果表明，未来十年内，河套灌区生活用水量较小，将维持在1亿m3左右，而工业用水可能增长一倍以上，2030年可能达到3.18亿m3。且模拟结果显示，未来灌区农业可利用水量呈下降趋势，平均每年减少0.16亿m3。在气候变化导致灌区作物净灌溉需水量增加的条件下，到2030年，河套灌区农业用水可能面临1.9亿m3-3.4亿m3的空缺，农业用水面临威胁。
　　(5)合理调整种植结构有利于区域农业节水。在经济作物种植面积增加5％，瓜果蔬菜种植面积增加3％，而粮食作物面积降低9％的种植情境下，2030年河套灌区农业净灌溉净需水量在A、B情境下将分别为24.96亿m3和24.11亿m3;如果灌区种植结构不变，同时段A、B情境下灌区净灌溉需水量将分别高达26.94亿m3和25.94亿m3。因此，种植结构的调整对区域农业灌溉需水量将会产生影响，合理调整作物种植结构有利于缓解农业用水压力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水足迹理论研究进展

1．2．2 气候模式统计降尺度研究进展

1．2．3 灰色预测模型研究进展

1．2．4 作物产量预测模型研究进展

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 研究区概况

2．1 自然条件

2．2 社会经济概况

第三章 河套灌区未来气候条件

3．1 统计降尺度的应用

3．1．1 统计降尺度原理

3．1．2 所需数据

3．1．3 模型精度验证

3．2 气象要素时空变化

3．2．1 气象要素的时间变化

3．2．2 气象要素的空间变化

3．3 ET0 变化

3．3．1 计算ET0

3．3．3 ET0的空间变化

3．4 本章小结

第四章 未来气候情境下河套灌区主要作物需水量分析

4．1 作物蒸发蒸腾量的变化

4．2 有效降水量的变化

4．3 作物灌溉需水量的变化

4．4 本章小结

第五章 河套灌区未来作物产量模拟与生产水足迹分析

5．1． AquaCrop模型模拟作物产量

5．1．1 AquaCrop模型产量模拟原理

5．1．2 模型精度验证

5．2． 未来作物产量

5．3． 未来气候情境下作物生产水足迹

5．4． 本章小结

第六章 河套灌区未来种植业水资源供需分析

6．1 灰色模型

6．1．1 灰色模型原理

6．1．2 模型精度验证

6．2 设计作物种植结构情境下灌区需水量预测

6．3 河套灌区用水分配和农业用水供需分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介