西遼河流域春玉米需水量變化趨勢

楊 劍,孫小舟

（襄樊學院,湖北襄樊替換為 441053）

西遼河流域春玉米需水量變化趨勢

楊 劍,孫小舟

（襄樊學院,湖北襄樊替換為 441053）

西遼河流域在區域和國家糧食安全中地位重要,隨著社會經濟的發展,用水量增加導致水資源緊缺,作物需水量可為該區作物灌溉和區域灌溉需水量提供定量依據,采用Penman-Monteith模型和春玉米5～9月的作物系數計算了西遼河流域10個氣象臺站1951年～2005年春玉米需水量,采用Mann-Kendall法對全生育期需水量、生育期各月需水量和各氣象要素變化趨勢進行了分析,并對春玉米需水量和各氣象因子進行了灰色關聯分析.研究結果表明:（1）西遼河流域全生育期需水量增加和減少的站點各占1半,5月份需水量的增減對全生育期需水量的增減有重要影響;（2）最高氣溫、風速、日照時數或者平均氣溫與春玉米需水量的關聯程度最高,風速和日照時數對西遼河流域春玉米需水量影響最大.

作物需水量;Penman-Monteith模型;Mann-Kendall法;西遼河流域

作物需水量是制定作物灌溉制度和區域灌溉需水量計劃的基本依據.該問題已成為學者關注的熱點之一.眾多學者對其進行了研究,曹紅霞[1]等研究了關中地區氣候變化對主要農作物需水量的影響;認為日照時數和風速的降低是夏玉米需水量減少的主要原因;李應林[2]等分析了我國春玉米水分的供需狀況,表明我國春玉米主要種植區內氣候條件是有利的;劉宏誼[3]等對甘肅主要作物需水時空分布規律分析認為,甘肅近40年來作物需水量呈下降趨勢,并且河西地區下降趨勢明顯大于河東;馬鵬里[4]等研究了甘肅農作物需水量隨氣候變化的響應,認為越是干旱的地區需水量越大,越是濕潤的地區需水量越小,Anadranistakis[5]等用SW模型研究了希臘的小麥和玉米需水量,認為這個模型是評估希臘作物需水量和制定灌溉計劃的可靠工具,Beyazgül[6]等用6種方法計算了土耳其西部葛蒂茲盆棉花的需水量,認為 Penman-Monteith法精度最高.

基于作物需水量在區域水循環過程和水資源利用中的關鍵作用,本研究選取降水、氣溫、風速、濕度、日照時數等氣象要素,采用 Penman-Montieth模型和作物系數計算了春玉米作生長季各月需水量,運用非參數統計檢驗Mann-Kendall（MK）法,揭示了西遼河流域近50多年來春玉米需水量的變化特點及其趨勢,以期為當地乃至整個農牧交錯帶的農業生產、水資源利用、區域植被重建和生態恢復工作提供科學依據與決策支持.

1 研究區概況

西遼河流域地處中國北方農牧交錯帶的東段三北交界區 ,介于 116°10′～123°35′E、41°24′～45°40′N 之間,行政區劃上包含內蒙古、河北、遼寧和吉林4省區的23個縣級行政單位,土地面積約為20.09×104km2,研究區位置如圖1所示.地處農牧交錯帶的西遼河流域是傳統農業區域與牧業區域相交匯和過度的地帶,是生態環境非常脆弱、全球氣候變化最敏感的地區之一[7],西遼河平原是國家和內蒙古自治區的重要商品糧基地,2000年國民經濟各行業用水中,農業用水占各行業用水量的80%[8].近年來,隨著社會經濟的發展,西遼河流域取用水量不斷增強,導致流域徑流量日益減少、河道斷流頻繁發生、草場退化、林木矮化,許多濕生植物被耐旱植物代替等環境問題.可利用水資源的短缺已經成為限制該地區農業發展的主要因素之一.由此,制定合理的作物灌溉制度以及區域灌溉計劃,已經成為有效利用水資源和制定區域水資源利用規劃的關鍵環節.

圖1 西遼河流域的地理位置及其氣象站點分布圖Fig.1 Location of Xiliaohe River basin and its weather station

2 數據來源與方法

2.1 資料來源

本研究所采用的氣象臺站數據主要包含了西遼河流域10個臺站的1951年～2005（部分數據為1957年～2005）月平均溫度、降水、相對濕度、日照時數等資料,原始數據源于國家氣象局氣象信息中心以及內蒙古自治區氣象局,氣象臺站的分布情況如圖1所示.西遼河流域多年春玉米生長期起止日期為5.1～9.27,所以本研究把5～9月確定為生長期,春玉米生育期不同月份 Kc（作物系數）值見表1.

表1 西遼河流域春玉米5～9月 Kc取值[9]

Tab.1 The Kc from May to September and the average in Xiliaohe River watershed

5月 6月 7月 8月 9月 全生育期平均0.2 0.58 1.57 1.61 0.66 0.89

2.2 計算方法

作物需水量采用 FAO Penman-Monteith[10]公式和作物系數來計算,其計算公式為:

ETm為作物需水量;Kc為作物系數;ET0為參考作物蒸散量,可由（2）式計算求得;

式中,ET0為可能蒸散量,單位為mm·d-1;Rn為地表凈輻射,單位為 MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量,單位為 MJ·m-2·d-1;T為2m高處日平均氣溫,單位為℃;U2為 2m高處風速,單位為ms-1;es為飽和水氣壓,單位為kPa;ea為實際水氣壓,單位為kPa;Δ為飽和水氣壓曲線斜率,單位為kPa℃-1;γ為干濕表常數,單位為 kPa℃-1.趨勢檢驗的方法采用Mann-Kendall法[11-12],以下簡稱M-K法.用灰色關聯法[13]分析各氣象因子對春玉米需水量的影響.

Mann-Kendall法（簡稱為M-K法）最初由 H.B.Mann和 M.G.Kendall提出,后經眾多學者進一步完善和改進,逐步形成目前的計算方法并主要應用于氣候和徑流趨勢和突變分析,在本研究中主要用于氣候變化趨勢的檢測.這一方法的優點在于不僅計算簡便,而且可以明確突變開始的時間.具體計算步驟為:

對于具有n個樣本量的時間序列x,構造一秩序列sk:

由公式（1）和（2）可知,秩序列sk是第i時刻數值大于 j時刻數值個數的累計數.在時間序列隨機獨立的假設下,定義統計量U Fk

式中,U F1=0,E（sk）和var（sk）分別是累計數sk的均值和方差,在 x1,x2,…,xn相互獨立,且有相同連續分布時,它們可由公式（4）計算得到:

U Fi為標準正態分布,它是按時間序列 x順序x1,x2,…,xn計算出的統計量序列,給定顯著水平 a,查正態分布表,若|U Fi|>Ua,則表明序列存在明顯的趨勢變化.

按時間序列x逆序xn,xn-1,…,x1再重復上述過程,同時使 UBk=-U Fk（K=n,n-1,…,1）UB1=0.在這里給定顯著水平α=0.05,那么|U Fi|大于1.96說明該點有顯著變化,若U Fi的值大于0,則表明序列成上升趨勢,若小于0則表明呈下降趨勢.

3 結果分析

3.1 西遼河流域全生育期春玉米需水量變化趨勢

表2為西遼河流域1951年～2005年春玉米作物需水量M-K法的計算結果,M-K法的計算結果表明:扎魯特、西烏珠穆沁、翁牛特、赤峰和雙遼5個站點春玉米多年作物需水量呈下降趨勢,下降未超過0.05顯著水平,下降不顯著,扎魯特和雙遼較其他站點下降明顯;巴林左、林西、開魯、通榆和通遼5個站點春玉米多年作物需水量呈上升趨勢,上升未超過0.05顯著水平,上升不顯著,開魯和通榆上升較其他站點明顯.

表2 西遼河流域全生育期春玉米需水量變化趨勢（M-K法）Tab.2 The variation trend of the spring maize water requirement in Xiliaohe River watershed during the whole growing period（M-K method）

表中正值表示呈上升趨勢,負值表示下降趨勢,其絕對值大于1.96表示通過0.05顯著水平檢驗.

3.2 西遼河流域生長季各月春玉米需水量變化趨勢

為了進一步研究西遼河流域春玉米作物需水量的變化趨勢,本研究運用M-K法對西遼河流域各站點生育期（5～9月）的春玉米需水量變化趨勢進行了分析,從表2可以看出,扎魯特和雙遼5—9月春玉米需水量均呈下降趨勢,下降未超過0.05顯著水平（±1.96）,下降不顯著;5月份只有開魯和通遼呈上升趨勢,上升不顯著;6月和7月上升和下降的站點各占一半,上升和下降均未超過0.05顯著水平（±1.96）,上升和下降都不顯著;8月和9月除扎魯特和雙遼下降外,其余各站點均呈上升趨勢,其中通遼9月上升趨勢顯著,超過0.05顯著水平線（±1.96）.從表1和表2對比來看,春玉米生育期總需水量呈下降趨勢的5個站點中,5月份春玉米需水量下降趨勢較其他站點明顯,西烏珠穆沁和翁牛特下降顯著（|U F|<1.96）;春玉米生育期總需水量呈上升趨勢的站點5月份需水量呈弱上升趨勢或者略有下降,其余幾月基本為上升趨勢.由此可以看出,西遼河流域5月份春玉米需水量對生育期總需水量影響明顯,5月份需水量的增減對生育期需水量的增減有重要影響.

表中正值表示呈上升趨勢,負值表示下降趨勢,其絕對值大于1.96表示通過0.05顯著水平檢驗.

表3 西遼河流域生長季各月春玉米需水量變化趨勢（M-K法）Tab.3 Every month's spring maize water requirement variation trend in Xiliaohe River watershed（M-K method）

4 西遼河流域春玉米需水量影響因素的灰色關聯度分析

論文選取扎魯特、開魯、通榆和雙料為典型站點,以春玉米需水量為參考序列,平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水、風速和日照時數為比較序列,求得各比較序列與參考序列的關聯度（表4）,結果表明:西遼河流域5～9月各站點對春玉米需水量影響最大的因素為最高氣溫,日照、風速和平均氣溫,這個四個因素在不同的月份關聯序不同,影響最小的為降水和相對濕度.總之,溫度、風速和日照時數是影響西遼河流域春玉米需水量的主要因素,降水和相對濕度的影響最小.

表4 西遼河流域各氣象因子與春玉米作物需水量之間的關聯系數Tab.4 The grey incidence for meteorological factors and the spring maize water requirement in Xiliaohe River Watershed

5 結論與討論

5.1 結論

西遼河流域各站點春玉米需水量有增有減,但增加和減少都不顯著.5月份需水量的對春玉米整個生育期需水量有重要影響.

灰色關聯分析表明,風速、日照、最高氣溫、平均氣溫是影響春玉米需水量的重要因素,春玉米需水量呈下降趨勢的站點風速和日照時數下降趨勢顯著,呈增加趨勢的站點風速和日照時數下降不顯著,有的站點有的月份甚至呈增加趨勢,最高氣溫、風速和日照時數對春玉米需水量影響最大.

5.2 討論

據研究[14],西遼河流域多年來氣溫基本為顯著上升趨勢,降雨多為不顯著下降趨勢,若只以氣溫和降雨來研究氣候變化對作物需水量的影響,必然得出需水量顯著增加的結論.但實際上,即使在氣溫增加和降雨減少的情況下,西遼河流域有5個站點需水量呈下降趨勢.這是因為影響蒸散量的另兩個重要因子—日照和風速同時也在減小.因此,僅用氣溫和降雨指標研究氣候變化對作物需水量的影響具有一定局限性.

西遼河流域日照或輻射的下降趨勢與某些研究結論[15-16]相一致.Stanhill等[15]利用全球范圍內過去50年的數據,分析了到達地球表面的輻射能量,發現太陽輻射顯著下降.全球平均每年下降0.05～0.51 Wm-2,相當于每10年下降2.7%,總體下降20 Wm-2.這似乎與全球變暖的事實相互矛盾,因為在到達地面的能量顯著減少的情況下,地球在過去的半個世紀怎么可能會變暖?他們在考察了所有的可能因素后,認為最有可能的原因是人類活動產生的氣溶膠及其它空氣污染物,改變了大氣尤其是云的光學特性,溫室氣體的增加是氣溫上升的一個重要原因.

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Abstract:Xiliaohe River watershed plays an important role in regional and national grain security.With the development of society and economy,water consumption that increased dramatically causes water shortages.Crop water requirement can provide quantitative basis for making regional irrigation scheme.This study uses Penman-Monteith（PM）formula and spring maize coefficient from may to September to calculate the spring maize water requirement at ten meteorological station in Xiliaohe River watershed from 1951 to 2005,and uses Mann-Kendall method to analyze the variation trend of the spring maize water requirement during the whole growing period,every month water requirement,meteorological factors from May to September,and analyzes the degree of grey incidence between the water requirement and meteorological influencing factors.The results show:（1）:the spring maize water requirement increases at half of the stations and decreases at another half of the stations in Xiliaohe River watershed during the whole growing stages,water requirement increasing or decreasing in May has great impact on water requirement during whole growth stages.（2）:the mean monthly maximum air temperature,Wind speed,sunshine or mean air temperature have highest relevancy with crop water requirement.Wind speed and sunshine have great effects on spring maize water requirement in Xiliaohe River watershed.

Key words:crop water requirement;Penman-Monteith formula;Mann-Kendall method;Xiliaohe River watershed

Climate-induced changes in spring maize water requirement in Xiliaohe River watershed

YAN GJian,SUN Xiaozhou
（Xiangfan University,Xiangfan,Hubei 441053）

Q945.17

A

1000-1190（2010）04-0691-05

2010-05-10.

＊E-mail:yangjian990111@163.com.