1961—2009年昌吉市主要作物生長季干濕變化特征

葉爾克江·霍依哈孜 阿帕爾·肉孜 王雪姣

摘要 ?基于昌吉市1961—2009年主要作物生長季降水量和氣溫觀測資料，采用Penman公式、Thornthwaite、Holdridge和de Martonne等方法計算了1961—2009年昌吉市生長季可能蒸散量和水分盈虧量、干燥度，并利用線性傾向估計法對生長季降水、溫度、蒸散量、水分盈虧量和干燥度氣候變化的主要特征進行了對比，分析了其變化趨勢。結(jié)果表明：1961—2009年昌吉市生長季溫度顯著上升、潛在蒸散及水分虧缺量顯著增加，導致昌吉市生長季的地表干旱呈現(xiàn)緩慢加重的趨勢。但由于降水增加、地表干燥度略減少，使得地表干旱狀況有所減緩，氣候變化并未明顯加劇該區(qū)的干旱化，即昌吉市主要作物生長季地表干濕狀況總體呈緩慢暖干趨勢。

關鍵詞干濕狀況;可能蒸散量;氣候變化;干燥度;水分盈虧量

中圖分類號：P463.3文獻標識碼：A文章編號：2095-3305（2019）03-036-04

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.03.014

氣候干濕狀況的變化對區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活有重要影響，不僅決定了農(nóng)作物水分條件的優(yōu)劣，還直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型和作物布局。在氣候變暖條件下，全球水循環(huán)加快，將會改變水資源的時空分布。區(qū)域氣候干濕變化是對氣候變暖的響應，對當?shù)厣鐣?jīng)濟尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響很大，因此受到廣泛關注[1]。

干燥度指數(shù)是表征一個地區(qū)干濕程度的重要氣候指標，目前國內(nèi)外定義了22種干燥度指數(shù)，文中結(jié)合其應用和實際情況，選擇計算方法簡單實用、有明確物理學和生態(tài)學意義的Holdridge、de Martonne和Thornthwaite干燥度指數(shù)[2-6]，來研究昌吉市1961—2009年作物生長季氣候干濕變化趨勢和變化特征。昌吉市農(nóng)作物的生產(chǎn)種植集中在4—10月，因此定義4—10月為昌吉市的主要作物生長季。生長季是植物生命活動的旺盛時期，一年中的降水量和潛在蒸散量也主要集中在此時期內(nèi)。文中結(jié)合氣象資料對昌吉市1961—2009年主要作物生長季氣候干濕變化進行了系統(tǒng)研究，明確昌吉市作物生長季需水規(guī)律，并根據(jù)昌吉市觀測站的有效降雨量和溫度等氣象資料，獲得了作物生長季水分虧缺規(guī)律，旨在為節(jié)水灌溉和提高作物產(chǎn)量提供科學依據(jù)。

1資料與研究方法

1.1研究區(qū)域概況

昌吉市位于天山北麓、亞歐大陸腹地、準噶爾盆地南緣，地處86°24′～87°37′E、43°06′～45°20′N，為典型的大陸性干旱氣候，具有冬季寒冷、夏季炎熱、晝夜溫差大的特點。該市整體地勢南高北低，地貌類型由南至北大體分為山地、平原和沙漠3個部分，南北高差超過4 000 m。

1.2資料來源

文中利用1961—2009年4—10月份昌吉市平均氣溫和降水量逐日觀測資料（由新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心提供），對昌吉市過去50年主要作物生長季干濕變化特征進行分析。

1.3?研究方法

1.3.1?可能蒸散量計算的干燥度按Penman（1948）的定義，潛在蒸散量是“從不匱缺水分的、高度一致并全面遮覆地表的矮小綠色植物群體在單位時間內(nèi)的蒸騰量”，包括從所有表面的蒸發(fā)與植物蒸騰。可能蒸散量（PE）與降水量（P）之比即干燥度（K），計算公式如下[3]：

某一地區(qū)的干燥度指數(shù)值越大，表明該區(qū)氣候越干燥;反之，干燥度值越小，則氣候越濕潤。目前，以可能蒸散量計算干燥度的方法在國際上比較流行。按照計算可能蒸散量的方法不同，可以分為Penman和Thornthwaite方法以及目前在國內(nèi)外應用較多的Holdridge生命地帶分類系統(tǒng)中的可能蒸散量計算方法。

1.3.2Thornthwaite方法Thornth？鄄waite方法是一種國際上通用的計算可能蒸散量的方法，也是一種農(nóng)業(yè)氣候水分指標求算的主要方法之一，被廣泛應用于氣候分類和植被-氣候關系研究[3]。Thornthwaite在美國中西部（半干旱地區(qū)）及墨西哥等地，根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)建立了求算可能蒸散量的經(jīng)驗公式。Thornthwaite方法不僅給出了計算可能蒸散量的公式，還進一步根據(jù)月平均降水量與可能蒸散量的差值進行土壤水分平衡的計算，從而對估量各種土壤條件下的作物灌溉需水量有參考價值。該方法的主要特點是計算簡便，以月平均溫度為主要依據(jù)，并考慮溫度因子（日照長度）建立的經(jīng)驗公式。用Thornthwaite方法計算可能蒸散量的公式為[3-6]：

式中，PEunadj是指每月按30 d，每日12 h日照計算出的日可能蒸散量（mm/d）;Ti為各月平均溫度（℃）;I為年熱指數(shù);a為常數(shù)，可如下式計算：

干燥度值小于10，表明嚴重干旱，河流斷流，農(nóng)作物需要強制人工灌溉;干燥度在10～30之間，表明中等干旱，河流暫時性流水，流量中等，植被類型為草原;干燥度大于30，表明氣候濕潤，河流常年有水，不斷流，并水量充足，植被類型為森林。

1.3.5氣候趨勢分析用一元線性回歸方程y（t）=ax+b，求其線性趨勢變化率。式中，t為年序，a為線性方程的斜率，也就是氣候要素的線性變化趨勢和速率，其單位為℃/10年、mm/10年或h/10年等（各氣候要素單位/10年），a>0表示氣候要素隨時間變化成增加趨勢，a<0表示其變化呈下降趨勢;10年稱為每10年氣候要素隨時間變化的傾向率，b為常數(shù)，可通過最小二乘法求取[7-8]。

1.3.6水分盈虧量的計算干燥度是反映干濕程度的一個相對指標，為了了解一個地區(qū)的水量收支絕對量大小通常用水分盈虧量W0來表示，即[6，10]

式中，W0為降水量與潛在蒸散量之差。水分盈虧是反映一個地區(qū)水分有積余或虧缺的指標，當降水量大于潛在蒸散量時，W0>0，表示該地區(qū)水分有盈余;當降水量小于潛在蒸散量時，W0<0，表示該地區(qū)水分有虧缺，生態(tài)用水與社會經(jīng)濟用水呈共享狀態(tài);當降水量正好等于潛在蒸散量時，W0=0，表示水分的收入和支出相等。

1.3.7變差系數(shù)[10]變差系數(shù)能描述氣象要素在不同年代的相對變化。通過對比不同年代的變差系數(shù)可以知道要素變化的大小及其變化的穩(wěn)定性。變差系數(shù)為標準差（S）與平均值（x）之比，即

2.1降水量變化特征

1961—2009年來昌吉市作物生長季降水量總體呈上升趨勢，年際變化較為顯著，旱澇交替發(fā)生。由圖1和表1可知，1961—2009年昌吉市作物生長季降水量氣候傾向率為0.625 mm/10年（通過0.1水平的顯著性檢驗），與全球降水量呈增加趨勢[11-12]結(jié)論相一致，與我國降水量逐年減少[13-15]的結(jié)論相反，與新疆降水呈增加趨勢[16-17]的結(jié)論相一致。昌吉市作物生長季降水量1961—2009年變差系數(shù)為0.25，表明降水量且年際差異較大。昌吉市作物生長季降水量趨勢方程為y=0.625x+

123.71，R=0.257 1，式中y為降水量，x為年份，R為相關系數(shù)。1961—2009年昌吉市作物生長季的多年平均降水量為140.0 mm，降水量最多的年份是1998年，為226.3 mm;最少的是1977年，為73.3 mm，相差達153 mm;作物生長季降水量距平百分率為-47%～62%，表明作物生長季降水量的年際變化較大，容易形成干旱和夏季內(nèi)澇。生長季降水量距平百分率30%以上的有7年，其中2年發(fā)生在1987和1988年，3年發(fā)生在1996、1998和1999年，2年發(fā)生在2003和2007年;年降水量距平百分率在-30%以下的年份有5年，發(fā)生在1962、1973、1974、1977和1991年。1961—2009年內(nèi)正距平23年，負距平27年。

2.2生長季溫度變化特征

從表1可以看出，1961—2009年昌吉市作物生長季多年平均氣溫為18.3℃。其中，平均氣溫最高的是1997年，為21.3℃;最低的是1960年，為16.2℃。由圖2可知，昌吉市作物生長季平均氣溫呈上升趨勢，趨勢方程為y=0.051 2x+17.04，式中y為生長季溫度，x為年份，相關系數(shù)R2=0.729 2，氣候傾向率為0.51℃/10年（通過0.001水平的顯著性檢驗）。

1961—2009年昌吉市作物生長季平均溫度變差系數(shù)為0.06，變差系數(shù)明顯小于降水量，表明和降水量相比溫度年際變化較小。若把生長季各年平均氣溫資料與多年平均值相比，生長季平均氣溫偏高年份為21年，其中大多數(shù)在1990年以后出現(xiàn);平均氣溫偏低年份為24年，大多數(shù)在1980年之前出現(xiàn)，說明1990年以后氣溫明顯偏高。

2.3可能蒸散量趨勢

利用Thornthwaite和Holdridge方法計算出來的近50年昌吉市作物生長季的多年平均可能蒸散量分別為609.7和1 081.1 mm，蒸散量最多的年份均為1997年，分別為702.2和1 252.1 mm;最少的均為1960年，分別為547.5和955.5 mm。蒸散量變差系數(shù)分別為0.05和0.06，表明蒸散量年際間波動較小、變化較平穩(wěn)。2種方法計算出來的蒸散量差值較大，但均呈現(xiàn)增加的趨勢（圖3），趨勢方程分別為y=1.565 3x+569.78和y=3.016 5x+1 004.2，式中y為蒸散量，x為年份，且均通過了0.001水平的顯著性檢驗（表1）。

2.4生長季地表干燥度變化趨勢

利用Thornthwaite、Holdridge和de Martonne方法計算出來的近50年昌吉市作物生長季的多年平均干燥度分別為4.68、8.30和4.94。變差系數(shù)分別為0.29、0.29和0.25，相對較大，表明年干燥度波動幅度大于降水量、溫度以及蒸散量，年際差異較大。Thornthwaite和Holdridge方法計算出來的干燥度都呈逐年略減少的趨勢（圖4），減少趨勢不明顯，均未通過顯著性檢驗;de Martonne方法計算出來的干燥度呈逐年略增加的趨勢，增加趨勢不明顯，也未通過顯著性檢驗。

2.5生長季水分盈虧量變化趨勢

圖5為昌吉市作物生長季1961—2009年水分盈虧量變化曲線。從Thornthwaite和Holdridge方法的計算結(jié)果來看，1961—2009年來昌吉市作物生長季水分盈虧量呈虧損狀態(tài)，虧缺量總體呈增加的趨勢;虧損趨勢系數(shù)分別為0.272 6和0.474 6，分別通過了0.1和0.001顯著性檢驗;2種方法算出來的水分虧缺量多年平均分別為470 mm和941.5 mm。

3結(jié)論

文中根據(jù)國內(nèi)外目前存在的幾種常用的干燥度指數(shù)、水分盈虧量、可能蒸散量的描述和分析方法，計算了昌吉市1960—2009年4—10月的潛在蒸散量、地表干燥度指數(shù)和水分盈虧量，并用線性回歸法分析了昌吉市50年間的地表干濕轉(zhuǎn)變狀況。同時分析了主要農(nóng)作物生長季氣溫和降水變化情況。由于各種計算方法的原理各不相同，所得到的計算結(jié)果和指標體系也不相一致。研究得出的主要結(jié)論如下：

（1）1961—2009年來昌吉市作物生長季降水量總體呈上升趨勢并通過0.1水平的顯著性檢驗，平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢并通過0.001水平的顯著性檢驗。

（2）利用Thornthwaite和Holdridge方法計算出來的可能蒸散量差值較大，但均呈現(xiàn)增大的變化趨勢，變差系數(shù)較小，表明蒸散量年際間波動較小、變化較平穩(wěn)。

（3）利用Thornthwaite、Holdridge和de Martonne方法計算出來的干燥度變差系數(shù)較大，干燥度波動幅度大于降水量、溫度及蒸散量，變化不平穩(wěn)，年際差異較大。Thornthwaite和Holdridge方法計算出來的干燥度均呈逐年略減少的趨勢，減少趨勢不明顯，均未通過顯著性檢驗;de Martonne方法計算出來的干燥度呈逐年略增加的趨勢，增加趨勢不明顯，也未通過顯著性檢驗。

（4）從Thornthwaite和Holdridge方法來看，1961—2009年來昌吉市作物生長季水分盈虧量呈虧損狀態(tài)，虧缺量總體呈增加的趨勢，虧損趨勢系數(shù)分別為0.272 6和0.474 6，分別通過了0.1和0.001顯著性檢驗。

總體而言，1961—2009年昌吉市生長季氣溫顯著上升，潛在蒸散及水分虧缺量顯著增加導致昌吉市生長季的地表干旱呈現(xiàn)緩慢加重的趨勢。但由于降水增加、地表干燥度略減少，致地表干旱狀況有所減緩，氣候變化并未明顯加劇該區(qū)的干旱化。由此可以得出昌吉市生長季地表干濕狀況總體呈緩慢暖干趨勢。

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責任編輯：劉赟