黑龍港流域典型地區6-9月水熱變化特征

劉朋程，郭安強，王占彪，崔海英，郝洪波，李明哲 *

(1. 河北省農林科學院旱作農業研究所/河北省農作物抗旱研究實驗室，河北 衡水 053000；2. 中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000)

【研究意義】黑龍港地區在全國農業生產中占有重要的戰略地位，其糧食產量對于確保全國的糧食安全具有重要意義[1]。水熱資源的變化對黑龍港作物生產和農業可持續發展有著重要的影響。饒陽縣位于黑龍港流域，其氣候特點在黑龍港流域具有代表性，因此，分析饒陽縣水熱資源變化特征，對黑龍港流域制定谷子、玉米等作物的灌溉制度及生產有著重要意義。【前人研究進展】參考作物蒸散 (ET0) 是水文循環過程中的關鍵環節，其對于制定作物灌溉制度、規劃區域農業用水等方面均存在直接影響，是作物需水量預測及灌區水資源管理的重要參數[2-3]。前人利用Penman-Monteith公式對ET0進行了一系列的研究，并在此基礎上分析了ET0與氣象因素的關系[4,6]。苗正偉等[7]對河北地區參考作物蒸散量變化特征進行了分析，發現全年和四季ET0均呈下降趨勢。楊加林等[8]分析了ET0與溫度、日照時數、相對濕度和風速的關系，發現ET0對溫度、日照時數和風速的變化正敏感，對相對濕度的變化負敏感。降水距平百分率是一種傳統干旱監測指標，顯示降水長期平均或正常百分比[9]。國內學者基于降水距平百分率對干旱評價進行了大量研究，韋開等[10]把降水距平百分率作為干旱指標，計算了陜西省各地區出現不同程度干旱的頻率，為陜西省抗旱減災工作提供了科學依據。李雪純等[11]計算了不同季節的降水距平百分率，發現秋旱發生頻率最高、強度最大、干旱范圍最廣，其次是夏旱、冬旱和春旱。生長度日(Growing degree days，GDD)是指植物在某一特定環境因子影響下完成一個生育階段所累積的有效積溫[12]。國內外學者普遍采用積溫方法分析氣候變化背景下作物熱量條件的變化，其結果可以對植物生長發育過程進行定量分析[13]，進而對作物生育期進行預測。【本研究切入點】饒陽縣主要農作物：谷子、玉米、高粱、大豆等的生長主要集中在6-9月，因此，分析該階段的水熱資源變化特征對作物的生產有著重要的影響。【擬解決的關鍵問題】本文基于降水距平百分率和生長度日，并結合參考作物蒸散量對4個月份的水熱資源變化進行分析，旨在探究氣候變化背景下黑龍港流域作物生長階段干旱發生情況及熱量資源有效性的變化，為減少干旱災害及充分利用熱量資源提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究所用氣象資料來自中國氣象數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)，選取饒陽氣象站自1957-2013年逐日氣象資料，包括日最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、風速、相對濕度等指標，并計算逐日ET0。

1.2 研究方法

1.2.1 參考作物蒸散量 利用FAO推薦的Penman-Monteith公式[14]計算ET0

(1)

式中，Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均溫度， ℃；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1；r為濕度計常數，kPa· ℃-1；U2為2 m高處的風速，m·s-1。

1.2.2 有效降水量 有效降水量指總降水量中能夠滲入土壤并儲存在作物根系吸水層中的降雨量，采用下式計算[15]：

Pe=σ·P

(2)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是該次降水總量；σ是降雨的有效利用系數，當P≤5 mm時，σ=0；當5 mm50 mm時，σ=0.74。

1.2.3 降水距平百分率 按照氣象干旱等級國家標準[16]，用月尺度單站降水距平百分率劃分干旱等級：

(3)

1.2.4 氣候傾向率 將某一要素年際間變化趨勢采用線性回歸方程分析，得到如下公式[17]：

y=a0+a1t

(4)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0為常數；a1為回歸系數，10a1表示要素每10年的變化率，即氣候傾向率。

1.2.5 生長度日 生長度日(growing degree days,GDD)是一個分析作物生長的熱量指標, 本文指日平均溫度大于10 ℃ 的有效積溫。其計算過程如下[18]：

表1 降水量距平百分率劃分的干旱等級(月尺度)

Table 1 Classification of drought by percentage of precipitation anomaly(Monthly Scale)

等級類型降水量距平百分率,Dp(%)1無旱Dp>-402輕旱-60

(5)

式中:Tave代表日平均溫度,Tbase代表生長季生物學下限溫度(10 ℃)。

1.3 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2013軟件進行整理和圖表繪制，Eviews 8.0對數據進行相關分析、回歸分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 谷子生長時期參考作物蒸散量和有效降水量變化特征

由圖1可知，4個月份參考作物蒸散量的大小順序為6>7>8>9月，多年平均值分別為168.00、141.65、120.86和93.19 mm。各月作物參考蒸散量均呈下降趨勢，通過參考作物蒸散量隨年際變化趨勢的統計檢驗可知，6和8月呈極顯著下降趨勢(P≤0.01)，下降速率分別為5.85和2.59 mm·10a-1；9月呈顯著下降趨勢(P≤0.05)，下降速率為1.46 mm·10a-1；7月呈不顯著下降趨勢，下降速率為1.96 mm·10a-1(表2)。通過對各月份逐旬蒸散量分析可知，6月蒸散量的下降主要受中下旬的影響，6月中旬蒸散量呈顯著下降趨勢，下旬呈極顯著下降趨勢，下降速率分別為1.39和 3.09 mm·10a-1。7月蒸散量的下降主要是中旬顯著下降引起的，下降速率為1.08 mm·10a-1。8和9月2個月在不同旬階段均呈不顯著下降趨勢，對2個月份影響最明顯的旬階段分別是8月上旬和9月中旬，下降速率分別為1.25和0.61 mm·10a-1。

圖1 谷子生長時期參考作物蒸散量的年代變化特征

表2 參考作物蒸散量和有效降水量在不同旬階段的氣候傾向率

表3 作物參考蒸散量與氣象因子的相關分析

注：*和**分別表示相關性達顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)，下同。

Note：*and** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same as below．

圖2 6-9月各月降水距平百分率年代變化特征

2.2 影響各階段參考作物蒸散量的氣象因子分析

參考作物蒸散量受氣溫、日照時數、太陽輻射和風速等氣象因子的綜合影響，但在不同階段，各氣象因子的影響情況有所不同，因此，在不同月份作參考作物蒸散量與氣象因子的相關分析(表3)，結果表明，平均氣溫、最高氣溫、太陽輻射、日照時數和平均風速5項氣象因子在6、7和9月均與參考作物蒸散量呈正相關關系，且均通過了顯著性檢驗(P<0.05)。平均氣溫、最高氣溫、太陽輻射和平均風速4項氣象因子在8月均與參考作物蒸散量呈正相關關系，且均通過了顯著性檢驗(P<0.05)。平均相對濕度和降水量2項氣象因子在4個月份中均與參考作物蒸散量呈負相關關系，且均通過了顯著性檢驗(P<0.05)。

2.3 干旱特征分析

采用降水距平百分率對饒陽縣不同年份的干旱程度進行判定(判定標準見表1)。結果顯示(圖2，表3)，4個月份發生干旱頻率的大小順序為9>6>8>7月，6和7月發生干旱的頻率為33.33 %和19.30 %，均以輕旱為主，8月發生干旱的頻率為31.58 %，主要以輕中旱為主，9月發生干旱的頻率為38.6 %，主要以中旱為主。

通過有效降水量隨年際變化趨勢的統計檢驗可知，6和9月有效降水量均呈不顯著增加趨勢，氣候傾向率分別為4.05和0.53 mm·10a-1，而6月參考作物蒸散量呈極顯著減少，9月參考作物蒸散量呈顯著減少趨勢，說明6和9月在未來年際變化中干旱風險會降低。6月中旬和9月上旬對各自月份有效降水量的變化影響最大，氣候傾向率分別為3.35和1.47 mm·10a-1。7和8月有效降水量均呈減少趨勢，7月呈不顯著減少趨勢，8月呈顯著減少趨勢，氣候傾向率分別為-7.2和-10.63 mm·10a-1。7和8月參考作物蒸散量均呈減少趨勢，氣候傾向率分別為-1.96和-2.59 mm·10a-1，趨勢明顯慢于有效降水量，因此，在未來年際變化中7和8月干旱風險將會增加。7月有效降水量的變化受上旬和中旬影響較大，氣候傾向率分別為-5.19和-2.72 mm·10a-1；8月有效降水量主要受上旬和下旬影響，氣候傾向率分別為8.23和2.66 mm·10a-1。

表4 各月份干旱特征分析

2.4 生長度日變化特征

1957-2013年饒陽縣6-9月生長度日(GDD)均值有明顯差異，大小順序為7>8>6>9月，均值分別為516.49、470.40、459.58和301.64 ℃·d。6-9月4個月生長度日隨年代變化均呈增加趨勢，氣候傾向率分別為1.19、3.28、0.46和3.10 ℃·10a-1。6和8月生長度日的增加均是由于上旬和中旬生長度日呈增加趨勢，上旬氣候傾向率分別為1.44和0.11 ℃·10a-1，中旬氣候傾向率分別為1.29和0.97 ℃·10a-1，下旬均呈減少趨勢。7月生長度日增加主要受上旬和下旬的影響，中旬呈減少趨勢，上旬、中旬、下旬氣候傾向率分別為1.78、-0.31和1.81 ℃·10a-1。9月3個旬階段生長度日均呈增加趨勢，下旬增加幅度最大。

3 結論與討論

近年來國內很多學者對黑龍港流域ET0變化特征進行了研究[19-20]，李元非等[21]分析了包括黑龍港流域在內的24個氣象站點逐日氣象數據，發現ET0多年整體呈顯著下降趨勢，且ET0年內變化率夏季最高。龍幸幸等[22]對包括黑龍港流域在內的17個氣象站點分析也發現，多年來ET0有明顯減小趨勢。本文通過分析饒陽縣6-9月水熱變化特征可知，ET0多年均值大小順序為6>7>8>9月，各月ET0隨年際變化均呈線性減少趨勢，減少速率順序為6>8>7>9月。不同月份ET0的減少受不同旬影響，6月為中下旬，7月為中旬，8和9月中下旬均有影響。ET0的變化受氣象因子的綜合影響，本研究表明：ET0與有效降水量和相對濕度均呈負相關關系，與最高氣溫、平均氣溫、太陽輻射、日照時數及風速均呈正相關關系，這與韓洋等[23]研究結果一致。

黑龍港流域全年降水主要集中在夏季(6-8月)，約占全年68 %，且年際變化呈一定的減少趨勢[24]。再加上月份間降水不均，導致發生不同程度的干旱[25]。本研究結果表明，6-9月發生干旱的頻率為33.33 %、19.30 %、 31.58 %和38.6 %。6和9月有效降水量均呈不顯著增加趨勢，說明6和9月份在未來年際變化中干旱風險會降低。7和8月有效降水量均呈減少趨勢，趨勢明顯快于ET0，因此，在未來年際變化中7和8月干旱風險將會增加。因此在未來年際變化中，應當完善7和8月的灌溉制度，加強該階段保水抗旱措施。

圖3 6-9月各月生長度日年代變化特征

表5 6-9月各月生長度日氣候傾向率的變化

20世紀以來，影響作物生長發育的溫度有相應的升高[26]。國內外學者普遍采用積溫方法分析氣候變化背景下作物熱量條件的變化。熱量變化將引起作物生育期的變化，對作物生產也將產生相應影響[27]。本研究表明：1957-2013年饒陽縣6-9月生長度日(GDD)有明顯差異，順序為7>8>6>9月。4個月生長度日隨年代變化均呈增加趨勢，增加速率順序為7>9>6>8月，不同月份生長度日的增加受不同旬影響，6和8月均為上旬和中旬，7月生長度日增加主要受上旬和下旬的影響，9月受3個旬影響。因此，未來在6-9月生長的作物生產具有較好的熱量資源。

本文研究區域饒陽縣具有代表性，能夠反映黑龍港地區的氣候和種植制度。研究結論能夠為饒陽縣乃至黑龍港地區6-9月生長的作物(如谷子、玉米等)水熱變化特征提供理論依據。