河南省參考作物蒸散量季節變化及其成因分析

王奇博，張 晨

（信陽市氣象局，河南 信陽 464000）

參考作物蒸散量是估算作物需水量中的一個關鍵參數，其在表征大氣蒸散能力、評價氣候干旱程度、植被耗水量、生產潛力以及水資源供需平衡中有不可或缺的作用［1-4］，研究其時空變化特征對監測河南省農作物需水量及指導農田合理灌溉有重要的參考價值。

參考作物蒸散量空間分布既受氣候影響，又受地理環境的影響，區域差異性明顯。在全球變暖背景下，氣溫、風速、太陽輻射等氣象要素的變化必然導致參考作物蒸散量在時空上的變化。因此，近年來越來越多的學者對參考作物蒸散量的變化特征開展了研究［5-7］。研究表明，中國大部分地區參考作物蒸散量呈不同程度的下降趨勢［7］，其中華北平原大部分氣象站呈顯著下降趨勢［8］。影響參考作物蒸散量的主導氣象因素空間差異明顯，主要是因為參考作物蒸散量與溫度、日照時數、風速和相對濕度等氣象因素間關系復雜，并非簡單的線性關系［9］。李迎等［10］研究表明，參考作物蒸散量與溫度、風速和日照時間呈正相關，與相對濕度呈負相關。胡琦等［11］指出風速的減小是導致參考作物蒸散量降低的主導因子。華北平原參考作物蒸散量受日照時數、相對濕度和風速的綜合影響［8］。姬興杰等［12］研究顯示，年參考作物蒸散量與風速相關性最大，風速減小是導致河南省年參考作物蒸散量呈顯著減小的主要原因。可見區域不同，其氣候特點不同，參考作物蒸散量的變化特征及影響因素也有所差異。

河南省地勢西高東低，北、西、南3 面由太行山、伏牛山、桐柏山、大別山沿省界呈半環形分布，中、東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地。平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%。河南省大部分地處暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，同時還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征，具有四季分明、雨熱同期、復雜多樣和氣象災害頻繁的特點。農作物種植制度以冬小麥和夏玉米輪作一年兩熟為主，水資源短缺是制約該省農業發展的主要因素之一［8，13］。綜合分析各氣候要素對河南省各區域參考作物蒸散量的作用和影響，是準確估算和科學分析作物需水量的關鍵所在［8］。因此，在全球氣候變化背景下，闡明河南省季節參考作物蒸散量的年際變化，分析其主要氣象影響因素，可為該區域的水資源合理規劃和農業水資源利用效率的提高等方面提供依據，對積極應對氣候變化、調整作物種植區劃等具有重要意義［14］。

1 數據源與方法

按照地理和氣候條件將河南省分為6 個區域（圖1），分別為豫北（安陽、鶴壁、濮陽、濟源、焦作、新鄉）、豫西（三門峽、洛陽）、豫中（鄭州、平頂山、許昌、漯河）、豫東（開封、商丘、周口）、豫西南（南陽）、豫南（駐馬店、信陽）。選用1965—2018 年河南省時間序列完整的99 個氣象站點的逐日降水量、相對濕度、日照時數、最高氣溫、最低氣溫、風速等數據以及各站點的經度、緯度和海拔高度等地理信息，數據來源于中國氣象數據網。

圖1 研究區域與氣象站點分布

運 用FAO 在1998 年 推 薦 的Penman-Monteith 公式［15］計算各區域逐日參考作物蒸散量（式1）的季節平均值［16］，利用Microsoft Excel 和SPSS 統計軟件，結合ArcGIS 10，采用氣候線性傾向率［17］、Pearson 相關分析及偏相關分析等方法進行數理統計分析，并進行顯著性檢驗，分析季參考作物蒸散量的時空變化特征及其氣候影響因素。

式中，ET0為參考作物蒸散量，Rn為凈輻射，G 為土壤熱通量，T 為日平均氣溫，u2為2 m 高處風速，es為飽和水汽壓，ea為實際水汽壓，Δ 為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，γ 為干濕表常數。

2 結果與分析

2.1 各區域參考作物蒸散量的季節變化特征

各區域1965—2018 年參考作物蒸散量氣候傾向率四季變化除豫西、豫西南和豫南的春季為正值外，即呈上升趨勢，且變化不明顯；其余各季節均為負值，是下降趨勢（表1）。各區夏季參考作物蒸散量氣候傾向率絕對值均大于10 mm/10 年，且均通過0.01 水平的顯著性檢驗，說明夏季參考作物蒸散量下降趨勢最顯著；秋、冬2 季為下降趨勢，且秋季變化趨勢顯著；春季豫西、豫西南和豫南為上升趨勢，其余各區均為下降趨勢。整體來講，各季節參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對值表現為夏季＞秋季＞冬季＞春季。

2.2 參考作物蒸散量四季空間變化

1965—2018年春季平均參考作物蒸散量（圖2a）空間變化特征較為顯著，為北高南低的緯向型分布。全省在255～320 mm 變化，從北部的最高值320 mm逐漸過渡到南部的270 mm，西南部大部分和豫南局部最低不足270 mm。

1965—2018 年夏、秋2 季平均參考作物蒸散量（圖2b、圖2c）空間變化大致為東高西低的經向型分布。豫西和豫西南為低值區，夏季在350～390 mm 變化，秋季在150～185 mm 變化。東部的高值區夏、秋2 季有所不同，夏季高值區內是北高南低形態，而秋季高值區內為北低南高形態。

1965—2018 年冬季平均參考作物蒸散量（圖2d）空間變化為中部高、周邊低。豫北、豫西和豫中的局部地區為高值區，豫北北部、豫東東部和豫南西部為中值區，豫西西部和豫北東北部為低值區。大部分區域參考作物蒸散量在85～105 mm 變化，高值區一般變化范圍為105～115 mm。

表1 各區域1965—2018 年作物蒸散量的季節平均值及其氣候傾向率

2.3 參考作物季節蒸散量與氣象要素的關系

表2 為季節參考作物蒸散量與主要氣象要素的相關系數，偏相關系數法可排除各要素間的相互影響，表3 為季節參考作物蒸散量與主要氣象要素的偏相關系數。春季參考作物蒸散量與降水量、相對濕度、日照時數和風速的相關性較高，相關系數均通過0.01 水平的顯著性檢驗，其絕對值排序為日照時數＞相對濕度＞降水量＞風速。而偏相關關系分析顯示，春季參考作物蒸散量與相對濕度、日照時數、平均氣溫和風速的相關性較高，其絕對值排序為風速＞日照時數＞相對濕度＞平均氣溫，表明風速和日照時數的減少是造成春季參考作物蒸散量減少的首要原因。

圖2 研究區域季節參考作物蒸散量空間分布

夏季參考作物蒸散量與日照時數、平均氣溫、最高氣溫和風速相關性高，相關系數均通過0.01 水平的顯著性檢驗，其絕對值排序為日照時數＞風速＞最高氣溫＞平均氣溫。而偏相關關系分析顯示，夏季參考作物蒸散量與相對濕度、日照時數和風速的相關性較高，其絕對值排序為日照時數＞風速＞相對濕度，表明日照時數和風速的減少是造成夏季參考作物蒸散量減少的首要原因。

秋季參考作物蒸散量與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和風速的相關性較高，相關關系均通過0.01水平的顯著性檢驗，其絕對值排序為風速＞平均氣溫＞最低氣溫＞最高氣溫。而偏相關關系分析顯示，秋季參考作物蒸散量與相對濕度、日照時數、最高氣溫和風速的相關性較高，其絕對值排序為風速＞日照時數＞相對濕度＞最高氣溫，表明風速和日照時數的減少是造成秋季參考作物蒸散量減少的首要原因。

冬季參考作物蒸散量與平均氣溫、最低氣溫和風速的相關性較高，相關關系均通過0.01 水平的顯著性檢驗，其絕對值排序為風速＞平均氣溫＞最低氣溫。而偏相關關系分析顯示，冬季參考作物蒸散量與相對濕度和風速的相關性較高，其絕對值排序為風速＞相對濕度，表明風速的減小和相對濕度的減少是造成冬季參考作物蒸散量減少的首要原因。

綜上分析可知，風速的減小、日照時數的縮短是造成河南省參考作物蒸散量減少的主要原因。

表2 季節參考作物蒸散量與氣象要素的相關關系

表3 季節參考作物蒸散量與氣象要素的偏相關關系

3 小結與討論

基于河南省99 個氣象站點1965—2018 年逐日氣象資料，利用Penman-Monteith 公式和氣候傾向率法統計分析河南省參考作物蒸散量的季節變化特征，并利用相關分析和偏相關分析法對參考作物蒸散量季節變化的成因進行了探討。結果表明，1965—2018 年季參考作物蒸散量呈減少趨勢，夏季參考作物蒸散量下降趨勢最顯著，秋季變化趨勢較顯著，冬、春季變化趨勢不顯著。各季節參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對值排序為夏季＞秋季＞冬季＞春季。春季參考作物蒸散量為北高南低的緯向型分布，夏、秋2 季均為東高西低的經向型分布，冬季變化呈中部高、周邊低的帶狀分布特點。風速和日照時數是影響春、夏、秋季參考作物蒸散量的主要氣象因子，風速和相對濕度是影響冬季參考作物蒸散量的主要氣象因子；風速的減小和日照時數的縮短是河南省參考作物蒸散量減少的主要原因。

地理條件及氣候條件不同，參考作物蒸散量的變化規律和影響因素也有所差異。研究表明，糧食主產區中華北平原及遼寧省參考作物蒸散量的下降趨勢極為顯著，而其他區域下降趨勢不明顯，部分地區以增大為主［18］。影響參考作物蒸散量變化的主要氣象要素有氣溫、日照時數、相對濕度和風速等，區域不同主導因子也有所差異［7，12，19-22］。引起參考作物蒸散量變化的原因多樣化、復雜化，除受研究所列主要氣象因子影響外，還受其他氣象因子影響，另外還與人類活動、下墊面變化等有關。參考作物蒸散量的估算是確定作物需水量的基礎，作物需水量是提高農田水分利用效率以及制定農田灌溉制度必不可少的關鍵參數，而作物生長具有一定的季節性，因此，還需要對作物生長季內的參考作物蒸散量變化及成因做進一步的研究分析。