農(nóng)田灌溉對氣候的影響范文

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1農(nóng)田灌溉對氣候的影響

灌溉對氣候的影響研究始于上個世紀(jì)60年代，隨后逐漸受到世界各國研究者的關(guān)注，涉及的內(nèi)容主要包括農(nóng)田灌溉對近地面溫度、能量流、水蒸汽、地表參數(shù)和降水的影響。總結(jié)來說，有關(guān)灌溉對氣候影響的研究主要包括全球和區(qū)域兩個尺度上的研究（特別說明：灌溉對農(nóng)田小氣候的影響研究不在本文綜述的范圍內(nèi)）。區(qū)域尺度的研究主要集中在灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速和灌溉強(qiáng)度大的國家和地區(qū)（比如美國和印度），研究目的在于提供灌溉對區(qū)域氣候影響的實證，并結(jié)合模擬研究闡述灌溉對區(qū)域氣候影響的物理機(jī)制。全球尺度的研究重點在于研究灌溉對氣候在全球平均水平上的影響，對比分析灌溉在全球不同區(qū)域的影響強(qiáng)度差異，揭示灌溉對氣候產(chǎn)生影響的主要因素，闡明灌溉對各地區(qū)影響上存在差異的原因。過去研究的基本結(jié)論為：農(nóng)田灌溉對全球年平均溫度的影響可以忽略不計，但在局部區(qū)域上有明顯的降溫作用，且降溫作用在干旱的季節(jié)和干旱的地區(qū)更加顯著。此外，農(nóng)田灌溉每年向大氣輸送的水汽通量約為2600km，使得區(qū)域大氣水汽含量明顯增加，促進(jìn)了大氣中水汽的重新分配，影響了降雨的形成。

1.1灌溉對區(qū)域氣候的影響

1.1.1美國Stidd1976年最早報道了大面積灌溉使得哥倫比亞盆地降水增加。Changnon1973年發(fā)現(xiàn)美國德克薩斯州西北灌區(qū)自20世紀(jì)40年代后期開始，雷暴天數(shù)增加了25%，晴空天數(shù)減少了19%。Beebe1974年發(fā)現(xiàn)德州大草原灌區(qū)龍卷風(fēng)發(fā)生最頻繁的6月正是灌溉強(qiáng)度最大的時間，而周邊非灌溉區(qū)龍卷風(fēng)多發(fā)生在5月份，此外灌區(qū)龍卷風(fēng)發(fā)生的次數(shù)在灌溉時節(jié)增加了2—3倍，由此Beebe指出灌溉增加了德州大草原區(qū)龍卷風(fēng)發(fā)生的頻率。此外，Beebe還發(fā)現(xiàn)1950—1975年間灌區(qū)冰雹天氣出現(xiàn)的次數(shù)增加了兩倍，而且灌區(qū)的露點溫度比非灌溉區(qū)要高。Marotz等1975年發(fā)現(xiàn)美國堪薩斯州南部灌區(qū)灌溉的強(qiáng)度和積云量存在正相關(guān)關(guān)系。Burman等1975年和1977年在美國愛達(dá)荷州的研究發(fā)現(xiàn)灌溉可以降低日最高、最低和平均溫度，增加水汽壓和潛在蒸散，減小風(fēng)速。Schickedanz1976年和Worthington1977年發(fā)現(xiàn)灌溉使得美國大平原的降水增加。Barnston和Schickedanz1984年指出低層輻合抬升是灌溉引起云量和降水增加的基礎(chǔ)天氣條件。靜止鋒對于灌溉引起的降水是非常有效的。灌溉可以使得干熱季節(jié)的日最高氣溫下降2°C，濕冷季節(jié)的日最高氣溫下降1°C。Segal等1998年利用區(qū)域氣候模型PSU/NCARMM5模擬了灌溉對美國北部灌區(qū)降水的影響，指出灌溉對降水的影響主要表現(xiàn)在改變了已有的降水場，而不會產(chǎn)生新的降水場，而且灌溉對降水的影響受非局地氣候效應(yīng)的影響顯著，并指出應(yīng)該把灌溉對氣候的影響從其他人類活動對氣候的影響中區(qū)分出來。Moore和Rojstaczer2001年在美國大平原利用1950—1997年的降水觀測數(shù)據(jù)和灌溉統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析了灌溉和降水之間的關(guān)系，并重點討論了三個重灌區(qū)（內(nèi)布拉斯加州，堪薩斯州和德克薩斯州）灌溉和降水的關(guān)系，指出1950—1997年間灌溉引起研究區(qū)降水變化的證據(jù)不足。Mahmood等2004年和2006年分別在美國內(nèi)布拉斯加州對比分析了5個灌溉觀測站和5個非灌溉觀測站長期的月平均最高溫度、平均溫度和最低溫度，指出灌溉使得該地區(qū)在1945—1990年間溫度平均下降了1°C。Kueppers等2007年利用RegCM3模擬了灌溉對美國加利福尼亞洲的影響，指出當(dāng)自然植被轉(zhuǎn)化為灌溉農(nóng)田后，可以使得8月份的平均溫度、最小溫度和最高溫度分別降低約3.7°C，0.9°C和7.5°C，灌溉的制冷效應(yīng)不僅限于被灌溉的區(qū)域。總體來說灌溉的降溫作用在暖干的夏季最明顯，在濕冷的冬季最不明顯。Kanamaru和Kanamitsu2008年利用斯克里普斯試驗氣候預(yù)測中心（ECPC）的區(qū)域光譜模型模擬了灌溉對加利福尼亞中央峽谷夏季夜間最低溫度的影響，結(jié)果顯示灌溉使得七月的夜間最低溫度增加了3.5°C，并指出夜間最低氣溫的升高主要是由于灌溉使得土壤熱導(dǎo)率和地表熱通量增加。Lobell和Bonfils2008年指出灌溉使得1934到2002年間加利福尼亞夏季（6—8月份）的平均最高溫度下降了2°C，但是對于平均最低溫度影響不顯著。Ozdogan等[32]2010年利用陸面模式Noah模擬了灌溉對美國地表參數(shù)的影響，結(jié)果顯示灌溉顯著地改變了地表能量和水分收支平衡，在2003年作物生長季，灌區(qū)平均蒸散量增加了12%，而且在局部地區(qū)灌溉的影響更加顯著，比如灌溉使得加利福尼亞、愛達(dá)荷東部、華盛頓南部、科羅拉多南部作物生長旺季時節(jié)的潛熱通量增加超過了100W/m2，地表熱通量、凈輻射、蒸散量、徑流量，土壤濕度分別改變超過了3W/m2、20W/m2、5mm/day、0.3mm/day、100mm。

1.1.2印度印度人口占了世界總?cè)丝诘?/6，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠夏季季風(fēng)降水。灌溉對于印度經(jīng)濟(jì)發(fā)展和減少貧困具有舉足輕重的作用。1951到1997年間，印度灌溉農(nóng)田的面積從2300萬hm2增加到了9000萬hm。在灌溉對區(qū)域氣候的影響問題上，印度是繼美國之后被研究最多的地區(qū)。Lohar和Pal1995年模擬了西孟加拉邦南部地區(qū)灌溉對季風(fēng)前降雨的影響，指出灌溉并不一定會增加降水，對于中尺度環(huán)流影響更大的地區(qū)灌溉可能減少降水。例如西孟加拉邦南部地區(qū)中尺度環(huán)流影響更大，近海灌區(qū)土壤濕度的增加阻礙了海風(fēng)環(huán)流的發(fā)展，減少了低空水汽，導(dǎo)致了內(nèi)陸水分供應(yīng)的縮減，而內(nèi)陸水分供應(yīng)是雷雨天氣形成的重要條件。此外，低空海風(fēng)鋒的減弱也不利于雷暴等強(qiáng)對流天氣的發(fā)生。deRosnay等2003年在陸面模型ORCHIDEE中加入灌溉參數(shù)化方案，模擬了1987—1988年灌溉農(nóng)業(yè)對印度半島地表通量的影響，結(jié)果顯示灌溉使得整個半島的年平均潛熱增加了3.2W/m2。Douglas等2006年指出灌溉農(nóng)業(yè)使得印度的年平均水汽通量和潛熱通量分別增加340km3和9W/m2。Biggs等2008年指出1960—1990年間克里希納盆地的灌溉面積迅速擴(kuò)張，1990年后逐步趨于穩(wěn)定。1901—1960年間恒河奎師那河的年平均流量為226mm，而1990—2005年間減少到64mm，與此同時顯熱通量平均減少了約12.7W/m2。此外，他們還發(fā)現(xiàn)在同一時間段內(nèi)大氣褐云使得該地區(qū)的顯熱通量平均減少了約11.2W/m2，為此他們指出1960—2005年間灌溉對印度南部的克里希納盆地顯熱通量的影響等同于甚至大于大氣褐云對該地區(qū)顯熱通量的影響。Lee等2009年分析了印度次大陸1982—2003年間NDVI、灌溉、顯熱、潛熱、表面溫度和早期季風(fēng)降雨之間的關(guān)系，指出印度次大陸早期夏季季風(fēng)降雨減弱可部分歸因于灌溉，因為灌溉降低了地表溫度，減少了海陸間的熱力對比，從而削弱了季風(fēng)環(huán)流。Douglas等2009年使用區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)（RAMS4.3）模擬了灌溉對印度季風(fēng)氣候的影響，結(jié)果顯示當(dāng)灌溉農(nóng)田替代潛在植被后，顯熱平均減少了11.7W/m2，其中旁遮普省和哈里亞納邦的顯熱分別平均減少了77%（87.5W/m2）和85%（65.3W/m2），并指出灌溉增加了區(qū)域水氣通量，從而改變了對流有效位能，降低了表面溫度，影響了區(qū)域循環(huán)模式和中尺度降水。毛慧琴等2011年利用區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)集成模式（RIEMS2.0）研究了灌溉對印度區(qū)域氣候的影響，結(jié)果顯示農(nóng)田灌溉使得印度區(qū)域年平均氣溫降低了1.4°C，年平均降水率增加了0.35mm/d。季風(fēng)前期及6月份灌溉對區(qū)域氣候的影響更加顯著。

1.1.3中國中國大約有45%的農(nóng)田是灌溉農(nóng)田。中國灌溉耕地面積從建國之初的1500萬hm2開始迅速增加，到2008年已經(jīng)達(dá)到了5850萬hm2，并且中國的灌溉面積居世界之首。灌溉農(nóng)業(yè)消耗的水資源占各部門消耗水資源量的首位。1949年農(nóng)田灌溉消耗的水資源高達(dá)水資源消耗總量的97%，近些年來隨著城市化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源需求水平的大幅度提升，農(nóng)業(yè)用水在國民經(jīng)濟(jì)各部門用水中所占比例有所下降，但仍然位居首位。目前甚少有關(guān)農(nóng)田灌溉對中國區(qū)域氣候影響的觀測證據(jù)報道，導(dǎo)致這種情況的原因可能是：1）中國的氣象觀測站受城市化影響嚴(yán)重，有45%的氣象觀測站位于或者接近城市；2）中國氣候的形成與演變受大氣環(huán)流（包括季風(fēng)環(huán)流）及其季節(jié)變化的影響，干濕季明顯，四季分明，雨熱同期，降水時間和主要作物生長的時間重疊，掩蓋了灌溉對氣候影響。3）中國是世界上人口最多的國家，水資源和糧食安全一直是中國面臨的嚴(yán)峻問題，為了節(jié)約用水，中國多采用補(bǔ)充灌溉方式，補(bǔ)充灌溉提供的水分是少量的，因此相對充分灌溉來說對于氣候的影響會小些。4）黑碳?xì)馊苣z是大氣氣溶膠的重要組成部分，對可見光和部分紅外光譜有很強(qiáng)的吸收能力，對區(qū)域和全球氣候有著重要的影響。有報道指出中國黑碳?xì)馊苣z量是非常高的，黑碳?xì)馊苣z能夠?qū)е抡妮椛鋸?qiáng)迫，減弱氣溶膠對地球的冷卻效果，加速區(qū)域氣候變暖。黑碳?xì)馊苣z導(dǎo)致的區(qū)域氣候變暖也會掩蓋灌溉的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)。盡管利用實測手段去研究灌溉對中國區(qū)域氣候的影響困難重重，但仍有研究者進(jìn)行了有益的嘗試。Zhu等2011年利用遙感觀測數(shù)據(jù)在中國的吉林省分析了灌溉對地表參數(shù)的影響，結(jié)果顯示高灌溉區(qū)通常對應(yīng)低的反照率和地表溫度，高的土壤濕度，歸一化植被指數(shù)和蒸散量。該研究證實了遙感觀測是一種有效的研究灌溉對地表參數(shù)影響的手段，可以作物氣候觀測和模型模擬研究的補(bǔ)充方法。Zhu等2012年同時利用氣候觀測數(shù)據(jù)和遙感觀測數(shù)據(jù)研究了灌溉對吉林省近地面氣溫和地表溫度的影響，指出灌溉對最高溫度的影響大于對最低溫灌溉的影響強(qiáng)度和有效灌溉面積以及作物播種面積顯著相關(guān)，此外灌溉的影響在干旱的年份越發(fā)突出。除了實證研究外，也有研究者通過模型模擬的手段研究了灌溉對中國區(qū)域氣候的影響。例如：李建云和王漢杰2009年用社會經(jīng)濟(jì)動力學(xué)模型預(yù)測了2030年中國北方13省土地利用情況，并識別南水北調(diào)受水區(qū)作物生長季節(jié)農(nóng)、林、牧業(yè)灌溉的面積分布，在此基礎(chǔ)上利用RegCM3模擬研究了南水北調(diào)工程建成后，對中國北方13個省(區(qū))范圍內(nèi)農(nóng)田、農(nóng)林混作區(qū)和草地等進(jìn)行大面積灌溉所產(chǎn)生的區(qū)域氣候效應(yīng)。Zhao等2012年應(yīng)用RegCM3在新疆地區(qū)研究了灌溉對區(qū)域氣候的影響，指出春季灌溉引發(fā)了土壤濕度的異常變化，導(dǎo)致了新疆春季和夏季降水的增加，同時灌溉使得新疆北部夏季氣溫明顯降低，其中新疆的阿勒泰和塔城地區(qū)降溫最多，下降強(qiáng)度可以達(dá)到0.8°C。Wen和Jin2012年利用SCAM模擬研究了灌溉對中國西北地區(qū)的氣候影響，指出灌溉可以降低溫度、增加降水，灌溉對區(qū)域溫度和降水的影響強(qiáng)度與灌溉強(qiáng)度成正比。

1.1.4其他地區(qū)盡管灌溉對區(qū)域氣候的影響研究主要集中在農(nóng)田灌溉面積最大的三個國家（中國、印度和美國），但也有灌溉對其他區(qū)域氣候的影響研究報道。例如Alpert和Mandel1986年指出以色列中南部1960年代到1980年代表面風(fēng)速和日氣溫下降與該地區(qū)農(nóng)田灌溉的大面積擴(kuò)張有關(guān)。deRidder和Gallee1998年在以色列南部利用中尺度氣候模型MAR模擬了灌溉對區(qū)域氣候的影響，模擬結(jié)果顯示當(dāng)用灌溉地表替代半干旱的地表后，風(fēng)速和溫度的日變化減小了，同時他們指出灌溉對對流性降水的潛在影響并不是灌溉導(dǎo)致的大氣水汽增加的直接效應(yīng)，而主要體現(xiàn)為灌溉引起的熱動力學(xué)變化的間接效應(yīng)。Geerts2002年指出澳大利亞東南部的干旱地區(qū)大型灌區(qū)可以使得全年的月平均氣溫降低1—2°C。Haddeland等2006年指出1979—1999年間灌溉使得科羅拉多和湄公河流域年平均潛熱分別增加了1.2W/m2、1.3W/m2，年平均表面溫度降低了0.04°C。

1.2灌溉對全球氣候的影響

Yeh等1984年在全球三個緯度帶（30°N—60°N，0—30°N和15°S—15°N）進(jìn)行了灌溉影響的數(shù)值模擬實驗，發(fā)現(xiàn)灌溉可以降低溫度、增加降水，并指出降水的形成是由于灌區(qū)和非灌區(qū)下墊面性質(zhì)不同導(dǎo)致了水平溫度梯度的差異，激發(fā)了局地中尺度環(huán)流，進(jìn)而引發(fā)了降水。Boucher等2004年在全球尺度上進(jìn)行了一系列的灌溉對氣候影響的模擬實驗，結(jié)果顯示灌溉使得全球平均凈輻射增加了0.03—0.1W/m2，局部降溫可以高達(dá)0.8°C。Gordon等2005年指出1961—1990年期間森林退化使得全球水汽流減少了3000km3/yr，而灌溉使得全球水汽流增加了2600km3/yr，盡管全球水汽流的凈變化幾乎為0，但是森林退化和灌溉空間位置的差異，使得水汽流的空間格局發(fā)生了變化。Lobell等2006年指出現(xiàn)有的大氣環(huán)流模型沒有考慮灌溉對氣候的影響機(jī)制，盡管灌溉在全球尺度上的平均影響很小，幾乎可以忽略不計，但是對灌溉集中的農(nóng)區(qū)影響顯著，缺乏對灌溉的模擬可能是目前GCM在部分灌區(qū)模擬結(jié)果存在不確定性的重要原因之一。Bonfils和Lobell2007年研究顯示灌溉對夏季平均日溫度有顯著的降溫作用，但對夜間的溫度影響不明顯，并指出這主要是因為由灌溉所導(dǎo)致的潛熱增加主要發(fā)生在白天。此外，他們還指出20世紀(jì)灌溉的迅速發(fā)展，對人類引起的溫室效應(yīng)有一定的抑制作用，然而隨著灌溉面積的逐步穩(wěn)定，由灌溉引起的降溫效應(yīng)可能會減弱，由此可能使得未來溫室效應(yīng)更加顯著。Lobell等2009年利用CAM3.3在全球尺度上模擬了灌溉對氣候的變化，并重點分析了全球8個主要的灌區(qū)（包括美國的加利福尼亞、內(nèi)布拉斯加州、密西西比、西班牙、土耳其，咸海流域、印度恒河平原和中國東北地區(qū)），結(jié)果顯示灌溉降溫的強(qiáng)度在區(qū)域上有很大差異，這些差異可能由灌溉的范圍，灌水量和云特征對灌溉響應(yīng)的差異等因素造成的。Sacks等2009年利用CAM3.0耦合CLM3.5在全球尺度上模擬了灌溉對當(dāng)代氣候的影響，結(jié)果表明從全球平均水平上看，灌溉的影響可以忽略不計，但在局部地區(qū)影響顯著：灌溉使得北部中緯地區(qū)、美國中部和東南部、中國西南部分地區(qū)、南亞和東南亞部分地區(qū)年平均溫度降低了0.5°C左右，但是加拿大北部部分地區(qū)溫度升高1°C左右，并指出灌溉（作為一種最重要的土地利用管理方式）對區(qū)域氣候的影響和土地利用/覆蓋對區(qū)域氣候的影響在強(qiáng)度上是相當(dāng)?shù)模虼嗽谘芯咳祟惢顒訉夂虻挠绊憰r，不應(yīng)忽略人類土地利用管理方式這一重要因素。Puma和Cook2010年利用美國戈達(dá)德太空研究所的全球氣候循環(huán)模型ModelE研究了20世紀(jì)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展對全球氣候的影響，結(jié)果顯示灌溉的影響在20世紀(jì)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，特別是在1950年以后影響更加顯著。20世紀(jì)早期灌溉主要集中在東南亞，并使該地區(qū)6月到8月間的溫度顯著下降，1950年以后灌溉在北半球中緯度地區(qū)和熱帶地區(qū)的降溫作用逐漸顯著起來。他們還指出Sack等在模擬灌溉時，將土壤含水量一直保持在飽含狀態(tài)，這種方法使得模擬的灌水量比真實灌水量大了100倍左右。

2農(nóng)田灌溉對氣候影響的研究方法

總結(jié)起來有關(guān)灌溉對氣候影響的研究方法主要有兩種：觀測數(shù)據(jù)分析方法和模型模擬研究方法。基于觀測值的研究主要是對比灌溉農(nóng)田和附近雨養(yǎng)農(nóng)田的氣候（主要是溫度）差異，或者是對比雨養(yǎng)農(nóng)田轉(zhuǎn)換成灌溉農(nóng)田前后氣候（主要是溫度）的差異。氣候觀測數(shù)據(jù)本質(zhì)上提供的是點狀信息，由于地表覆蓋狀況，地形等的差異，點狀信息并不能代表區(qū)域的平均狀況。此外，由于灌溉農(nóng)田站點背景信息(比如經(jīng)緯度、高程、距離城市/海洋的遠(yuǎn)近程度、不同的下墊面、灌溉站點)的差異，研究者很難區(qū)分對比試驗中站點間氣候因子（比如氣溫）的差異是由灌溉引起的還是由其他因素導(dǎo)致的。因此，目前已有灌溉農(nóng)業(yè)對氣候影響的研究大多采用的是模型模擬的方法。模型模擬研究通常是比較不同模型（區(qū)域或全球，耦合或非耦合）模擬結(jié)果和控制實驗（無灌溉）結(jié)果之間的差異。在模擬研究中，灌溉試驗的完成主要依賴于研究者在上述模型中加入了對灌溉的刻畫和模擬，因此模型模擬的結(jié)果很大程度上依賴于模型對灌溉四大屬性的模擬能力：哪里灌（灌溉農(nóng)田位置）、什么時候灌（灌溉時間）、怎么灌（灌溉方式）和灌多少（灌溉量）。針對哪里灌的問題，目前世界各國的研究者已經(jīng)做出了積極的努力。比如目前已有一些研究繪制了全球的灌溉區(qū)。其中之一是美國地質(zhì)調(diào)查隊利用1992年4月至1993年9月的1公里AVHRR數(shù)據(jù)制作的全球土地覆蓋圖。該圖有4個灌溉類別：灌溉草地、稻田、熱灌溉農(nóng)田（hotirrigatedcropland）和冷灌溉農(nóng)田（coolirrigatedcropland）。由于灌溉類別是該圖整體分類體系的子集，因此灌溉類別的精度偏低。此外，全球糧食和農(nóng)業(yè)組織糧農(nóng)組織和法蘭克福大學(xué)合作制作了全球的灌區(qū)圖（FAO灌區(qū)圖）。最新版本的FAO灌區(qū)圖是MIRCA2000，該圖顯示了2000年左右每個月的灌溉區(qū)和雨養(yǎng)區(qū)，包含了26種作物類型（小麥、水稻、玉米、大麥、黑麥、小米、高粱、大豆、向日葵、土豆、木薯、甘蔗、甜菜、油棕、油菜籽、花生、干豆、柑橘、棗椰樹、葡萄、可可豆和咖啡豆）和402個空間單元的農(nóng)時歷信息。該圖的分辨率為5弧分×5弧分。此外，國際水資源管理研究所（IWMI）也制作了一幅全球的灌區(qū)圖。該圖的空間分辨率為10公里，由10年的AVHRRNDVI，以及SPOT-VEGETATION、JERS-1和LandsatGeoCover2000數(shù)據(jù)制作而成。灌區(qū)的面積統(tǒng)計信息包括兩類：年灌溉面積（annualizedirrigatedarea）和總的可灌溉面積（totalareaavailableforirrigation）。IWMI灌區(qū)圖提供了灌溉類別和灌溉強(qiáng)度信息，并且利用亞像元分解的方法得到了像元內(nèi)灌溉面積的百分比值。除了全球尺度的灌溉數(shù)據(jù)之外，也有些學(xué)者在其它尺度上繪制了灌區(qū)的分布。以往研究中，多數(shù)研究者都利用FAO制作的全球灌溉農(nóng)田的分布圖去控制在哪里灌溉，F(xiàn)AO制作的全球灌溉圖只在少數(shù)地區(qū)進(jìn)行了驗證，對于沒有經(jīng)過驗證的區(qū)域（比如：中國），其灌溉農(nóng)田的分布精度是有待考證的。針對灌多少的問題，不同的研究者采用了不同的模擬方法，概括起來主要有如下幾種：1）強(qiáng)制灌溉像元的土壤含水量保持在一個固定的高值上或者在模型的灌溉區(qū)上強(qiáng)加一個固定的蒸散量；2）根據(jù)土壤水平衡關(guān)系或者作物生長的潛在蒸散和有效降水之間的差異，估算灌溉需水量；3）將實際調(diào)查統(tǒng)計的灌溉用水量進(jìn)行空間化處理，控制灌溉像元在整個作物生長季的總灌水量，單位時間的灌溉量等于總灌水量除以作物生長季的長度。三種方法中，顯然第一種是最不合理的。第二種方法理論基礎(chǔ)強(qiáng)，但是對于水資源缺乏的地區(qū)，實際灌溉用水量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于作物灌溉的需水量，而對于灌溉設(shè)施老化，灌溉用水利用率低的區(qū)域，實際灌溉用水量又可能大于作物灌溉的需水量。第三種方法的實際灌溉用水量可能最接近真實情況，但在進(jìn)行空間化處理時會引入誤差，此外整個生長季單位時間灌水量一致的假設(shè)也是不合理的。對于什么時候灌的問題，大多研究都是將灌溉時間控制在作物生長季內(nèi)，有的研究者指定具體的灌溉時間段，比如一天24小時內(nèi)都在灌溉，一天只灌溉1個小時，一天灌溉4個小時（從早上6點到早上10點）。有的研究者采用了更加靈活的灌溉時間確定方案，比如在灌溉模擬過程中，當(dāng)土壤含水量小于一個提前預(yù)設(shè)的閾值時或者有效降水小于作物最優(yōu)生長需水量時就實施灌溉等。Lobell等指出灌溉時間可能對于灌溉影響的模擬結(jié)果有顯著影響，而Sacks等利用offline的CLM模擬了相同灌溉量和灌溉總時長（1小時）下不同灌溉時間（12:00AM—1:00AM，12:00PM—13:00PM）對氣候影響上的差異，結(jié)果顯示灌溉起止時間上的差異對模擬結(jié)果的影響不大（兩次模擬結(jié)果的顯熱和地表溫度的差異在1%左右）。對于灌溉方式的模擬，大多研究也并沒有明確指出其模擬的灌溉方式，但總地來說主要包括噴灌和漫灌兩種。噴灌是將水加在作物冠層的上方，類似降水，這種方式允許灌溉水有一部分被作物截流，在作物表面直接蒸發(fā)或者從作物莖葉落到地面上。漫灌是直接將水加在地表，不考慮作物對灌溉水的截流。有研究發(fā)現(xiàn)漫灌和噴灌對地表通量變化的影響差異顯著，但是該研究只是采用的offline的陸面模型進(jìn)行的模擬，因此灌溉方式對氣候的影響強(qiáng)度上是否存在顯著差異的還有待進(jìn)一步探討。

3農(nóng)田灌溉對氣候變化的響應(yīng)及互饋

灌溉可以對局地氣候產(chǎn)生影響，與此同時氣候變化也會通過影響水資源量的時空分配，改變作物耗水過程，影響作物需水量，對農(nóng)田灌溉產(chǎn)生反饋作用。國內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)田灌溉對氣候變化的響應(yīng)及互饋方面也進(jìn)行了大量的研究。Rosenberg、Cynthia、Angel等分別將未來氣候模型（HadCM2、GCMs、天氣發(fā)生器（LARS-WG））與水文模型（SWAT、WATBAL）、作物模型（CERES-Maize、SOYGRO、CROPWAT）以及規(guī)劃模型（WEAP水資源預(yù)測計劃模型）耦合，分析了美國、中國、阿根廷、巴西、匈牙利及地中海地區(qū)的作物需水量和對不同的氣候變化因子（主要是溫度、降水、CO2）的響應(yīng)，另外Cynthia從管理規(guī)劃和持續(xù)發(fā)展的角度，對未來生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)和灌水決策進(jìn)行了評估。Thomas利用FAO的水分平衡模型和GIS數(shù)據(jù)，模擬了中國地區(qū)當(dāng)前以及未來氣候情境下，多種作物在產(chǎn)量最大時的農(nóng)業(yè)灌溉需求量，指出在未來氣候場景下，中國各地區(qū)的灌溉需求量會有不同程度的增加。Weatherhead等綜合考慮農(nóng)業(yè)政策、技術(shù)發(fā)展、市場等多種因素，基于MAFF灌溉調(diào)查數(shù)據(jù)，利用回歸和GIS方法計算理論灌溉需求和灌水深度，預(yù)測了英格蘭和威爾士未來的灌溉需求，結(jié)果表明在干旱年作物凈灌溉需水量將增長至244×106m3（2021年）。Yoo等利用Penman-Monteith公式和頻率分析方法計算了未來情景SREA1B、A2、B1下韓國的水稻需水量，并與基準(zhǔn)年份進(jìn)行對比以獲得8個農(nóng)業(yè)灌區(qū)的不同未來情境下的水稻需水量變幅。Piao等從多個方面分析了氣候變化對中國農(nóng)業(yè)的影響，指出氣候變化對作物生產(chǎn)有利亦有弊，如氣候變暖對不利于雨養(yǎng)作物，但對灌溉作物有益；區(qū)域性的氣候變換將延長作物的生長時間，部分作物的生長線北移等等。Vanuytrecht等在實現(xiàn)對AquaCrop模型進(jìn)行水分生產(chǎn)力函數(shù)的校正后，分析了CO2濃度的上升對作物生長的不同階段的影響。Francisco等分析了智利中部Maipo盆地在降水減少、山區(qū)氣溫上升3—4°C時水文氣象參量的變化，利用日水配額預(yù)算模型模擬灌溉需求，結(jié)果表明，這些氣候因素的變化會對不同作物產(chǎn)生不同的影響，而且未來氣候的變化將不利于流域集水。Mainuddin等利用PRECIS區(qū)域氣候模型的未來氣候場景數(shù)據(jù)驅(qū)動Aquacrop模型，模擬了2010—2050年湄公河流域下游水稻的水生產(chǎn)力（產(chǎn)量比實際蒸散量），結(jié)果顯示湄公河流域在老撾和泰國境內(nèi)的水稻的水生產(chǎn)力可能會顯著增加而在柬埔寨和越南境內(nèi)的水稻的水生產(chǎn)力坑內(nèi)可能會減少。國內(nèi)研究多以FAO推薦的Penman-Monteith公式為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、作物系數(shù)、農(nóng)田水量平衡方程，進(jìn)行當(dāng)前或未來的灌溉需水量及其長期變化趨勢的分析。另外，系統(tǒng)動力學(xué)建模方法、作物模型與未來氣候模型耦合的分析方法也被應(yīng)用于此項研究中。研究結(jié)果普遍表明，在中國西部（新疆、甘肅、河西走廊、張掖市、黑河流域、關(guān)中地區(qū)）、中部平原（河南、黃淮流域）、東北（遼寧營口）長江流域（長江中下游地區(qū)、高郵灌區(qū)）乃至全國等多個研究區(qū)，多種作物的灌溉需水量在歷史和未來情景分析中呈增加趨勢，且增加幅度因作物類型及種植習(xí)慣不同而存在差異。

4討論

以上研究提供了有關(guān)灌溉對氣候影響的觀測證據(jù)和模擬結(jié)果，豐富了人類活動與氣候變化的響應(yīng)研究，但仍然存在一些不足：首先，盡管觀測實證和模擬結(jié)果都顯示灌溉對氣候的確存在影響，大多數(shù)研究顯示灌溉可以降低溫度和增加降水，但是有關(guān)灌溉對于晚間表面溫度/最低溫度和降水的影響方向（增加/降低）結(jié)論不一致。其次，灌溉對氣候影響強(qiáng)度的定量研究非常困難。氣候觀測通常提供的是地面調(diào)查點的信息，而不是面上信息。由于觀測站點背景差異，很難明確將灌溉影響從其他因素對觀測點氣候的影響中分離開來。而模型模擬結(jié)果受灌溉模擬參數(shù)（比如灌溉位置和灌水量）的影響大，可能過高或者過低的估計了灌溉對氣候的影響。灌溉時間和灌溉方式對氣候的影響強(qiáng)度是否存在顯著差異也沒有明確的結(jié)論。大多模型中也沒有考慮不同作物種類（比如水稻和小麥）灌溉需求上的差異，對作物生長的模擬相對簡化。

此外，目前灌溉的氣候效應(yīng)影響主要集中在灌溉對過去氣候的影響，而對未來灌溉對氣候系統(tǒng)的可能影響研究很少，有研究指出以往的模型中沒有考慮到灌溉的作用可能致使以往有關(guān)人類活動對氣候影響的研究低估了灌區(qū)溫室氣體排放對全球變暖的作用，隨著水資源的短缺和不同部門對水資源需求競爭的加強(qiáng)，農(nóng)田灌溉面積將來的縮減或者灌溉用水量的下降，可能會增加局部地區(qū)增溫的速率。因此，有關(guān)灌溉對區(qū)域氣候的影響問題有待進(jìn)一步研究，具體研究內(nèi)容包括：灌溉對區(qū)域氣候是否存在影響？影響有多大？是否存在地區(qū)差異？是否隨時間變化？不同的灌溉方式對區(qū)域氣候的影響是否存在顯著差異？目前氣候模型中大多沒有考慮灌溉對區(qū)域氣候的影響，是否會因此而產(chǎn)生模擬誤差？是否考慮需要在未來的氣候模型中加入對灌溉的模擬？相對于其他人類活動（比如土地利用/覆蓋變化），灌溉對區(qū)域氣候的影響在強(qiáng)度上是否相當(dāng)？灌溉的制冷作用是否部分抵消了溫室氣體排放對全球變暖的作用？未來氣候變化、水資源短缺以及人類灌溉行為（比如節(jié)水灌溉的增加）的變化，可能引起灌區(qū)分布范圍和灌溉耗水量的變化，由此是否會引起局部地區(qū)增溫速率的變化？對于這些問題的研究可以幫助我們更好地理解人類活動和氣候變化間的響應(yīng)機(jī)制，同時也可以為我們制定應(yīng)對氣候變化的科學(xué)策略和措施提供科學(xué)依據(jù)。針對上述科學(xué)問題以及目前研究中存在的問題，未來灌溉對氣候的影響研究應(yīng)該注重如下幾個方面：1）盡管大量的模擬實驗顯示灌溉對區(qū)域氣候存在著影響，但是灌溉對區(qū)域氣候影響的實際證據(jù)相對缺乏。未來研究應(yīng)該在同一研究區(qū)同時利用觀測數(shù)據(jù)分析方法和模型模擬研究方法進(jìn)行灌溉對區(qū)域氣候的影響，并將兩者的結(jié)果進(jìn)行對比分析，以求做到互相驗證。2）對于利用氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究，一方面要盡量消除觀測站點背景差異（比如高程）的影響，另一方面要排除其它人類活動（比如城市化）對區(qū)域氣候的影響。因此，在氣象站點的選擇上要特別的注意。3）遙感觀測可以提供大尺度的地表參數(shù)信息（比如：土壤濕度、反照率、地表溫度、植被覆蓋等），也可以整合到模型中，對于缺乏地面觀測數(shù)據(jù)或者地面數(shù)據(jù)受其他因素（比如：城市化）影響大的區(qū)域，研究灌溉對氣候影響時遙感觀測數(shù)據(jù)可以作為一個有力的潛在工具。4）在今后的研究中研究者要特別注意對灌溉四大屬性的精確模擬，可以考慮將作物生長模型與氣候模型耦合起來，利用作物生長模型估計作物的需水量和灌水時間。此外，在撰寫文章的時候也應(yīng)該明確指出灌溉位置、灌水量、灌溉方式、灌溉時間和具體研究的時間段（比如1980—2000年），以方便不同研究結(jié)果的橫向比較。5）要注意不同尺度的研究重點有所不同：大型灌區(qū)尺度可能更容易獲得高精度的灌溉屬性數(shù)據(jù)，從而方便分析不同灌溉條件（比如灌溉時間、方式、強(qiáng)度等）下農(nóng)田灌溉對局部氣候的影響，提供灌溉對區(qū)域氣候影響實證；區(qū)域尺度的研究重在闡述灌溉對區(qū)域氣候影響的物理機(jī)制，以及它們之間的互饋影響；全球尺度的研究則更重視灌溉對氣候在全球平均水平上的影響，對比分析不同區(qū)域的影響強(qiáng)度差異和成因，探討農(nóng)田灌溉對周邊非灌溉區(qū)的間接影響等。6）目前很多氣候模型地表參數(shù)化方案里面沒有區(qū)分旱作作物（小麥、玉米）和水稻。水稻的生長一方面會消耗更多的水資源，增加地表的潛熱通量，降低溫度，另一方面稻田是大氣甲烷的一個重要來源，甲烷對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)是等量二氧化碳的26倍。灌溉稻田對區(qū)域氣候的影響可能不同于灌溉麥田，因此未來研究中還應(yīng)該注意區(qū)分灌溉的水田和旱地，并將溫室氣體甲烷的排放對區(qū)域氣候的影響考慮到模擬研究中。7）各種模型由于物理機(jī)理、地表參數(shù)化方案等差異，本身也存在很多不確定，利用不同的模型和相同的灌溉參數(shù)化方法模擬出的灌溉影響結(jié)果可能存在不一致，因此利用多模式集合的方式研究灌溉對區(qū)域氣候的影響，可以降低由于模型系統(tǒng)誤差引起的模擬結(jié)果上的差異，幫助我們理解和減少灌溉對氣候影響（強(qiáng)度和方向）模擬結(jié)果的不確定性。8）目前灌溉對氣候的影響研究都是單線程的，而氣候變化和灌溉之間存在互饋機(jī)制。氣候變化本身會導(dǎo)致降水、蒸發(fā)等在空間和時間上的變化，這一方面將直接改變地表水資源的格局，另一方面也將引起灌溉需求在時間和空間上的變化，導(dǎo)致人類灌溉行為的改化，灌溉行為的改變又進(jìn)一步引起區(qū)域氣候的變化。未來也應(yīng)該考慮灌溉和氣候變化間的互饋影響。

作者：朱秀芳趙安周李宜展曹森李慕義單位：北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室北京師范大學(xué)資源學(xué)院