河南省參考作物蒸散量季節(jié)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其在表征大氣蒸散能力、評(píng)價(jià)氣候干旱程度、植被耗水量、生產(chǎn)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(shí)空變化特征對(duì)監(jiān)測(cè)河南省農(nóng)作物需水量及指導(dǎo)農(nóng)田合理灌溉有重要的參考價(jià)值。

參考作物蒸散量空間分布既受氣候影響，又受地理環(huán)境的影響，區(qū)域差異性明顯。在全球變暖背景下，氣溫、風(fēng)速、太陽輻射等氣象要素的變化必然導(dǎo)致參考作物蒸散量在時(shí)空上的變化。因此，近年來越來越多的學(xué)者對(duì)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(qū)參考作物蒸散量呈不同程度的下降趨勢(shì)［7］，其中華北平原大部分氣象站呈顯著下降趨勢(shì)［8］。影響參考作物蒸散量的主導(dǎo)氣象因素空間差異明顯，主要是因?yàn)閰⒖甲魑镎羯⒘颗c溫度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和相對(duì)濕度等氣象因素間關(guān)系復(fù)雜，并非簡單的線性關(guān)系［9］。李迎等［10］研究表明，參考作物蒸散量與溫度、風(fēng)速和日照時(shí)間呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。胡琦等［11］指出風(fēng)速的減小是導(dǎo)致參考作物蒸散量降低的主導(dǎo)因子。華北平原參考作物蒸散量受日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)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(fēng)速相關(guān)性最大，風(fēng)速減小是導(dǎo)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(qū)域不同，其氣候特點(diǎn)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(shì)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(huán)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(fēng)氣候，同時(shí)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(fù)雜多樣和氣象災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。農(nóng)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(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一［8，13］。綜合分析各氣候要素對(duì)河南省各區(qū)域參考作物蒸散量的作用和影響，是準(zhǔn)確估算和科學(xué)分析作物需水量的關(guān)鍵所在［8］。因此，在全球氣候變化背景下，闡明河南省季節(jié)參考作物蒸散量的年際變化，分析其主要?dú)庀笥绊懸蛩兀蔀樵搮^(qū)域的水資源合理規(guī)劃和農(nóng)業(yè)水資源利用效率的提高等方面提供依據(jù)，對(duì)積極應(yīng)對(duì)氣候變化、調(diào)整作物種植區(qū)劃等具有重要意義［14］。

1 數(shù)據(jù)源與方法

按照地理和氣候條件將河南省分為6 個(gè)區(qū)域（圖1），分別為豫北（安陽、鶴壁、濮陽、濟(jì)源、焦作、新鄉(xiāng)）、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(shí)間序列完整的99 個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速等數(shù)據(jù)以及各站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔高度等地理信息，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

圖1 研究區(qū)域與氣象站點(diǎn)分布

運(yùn) 用FAO 在1998 年 推 薦 的Penman-Monteith 公式［15］計(jì)算各區(qū)域逐日參考作物蒸散量（式1）的季節(jié)平均值［16］，利用Microsoft Excel 和SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件，結(jié)合ArcGIS 10，采用氣候線性傾向率［17］、Pearson 相關(guān)分析及偏相關(guān)分析等方法進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，分析季參考作物蒸散量的時(shí)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(fēng)速，es為飽和水汽壓，ea為實(shí)際水汽壓，Δ 為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，γ 為干濕表常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各區(qū)域參考作物蒸散量的季節(jié)變化特征

各區(qū)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(shì)，且變化不明顯；其余各季節(jié)均為負(fù)值，是下降趨勢(shì)（表1）。各區(qū)夏季參考作物蒸散量氣候傾向率絕對(duì)值均大于10 mm/10 年，且均通過0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)，說明夏季參考作物蒸散量下降趨勢(shì)最顯著；秋、冬2 季為下降趨勢(shì)，且秋季變化趨勢(shì)顯著；春季豫西、豫西南和豫南為上升趨勢(shì)，其余各區(qū)均為下降趨勢(shì)。整體來講，各季節(jié)參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對(duì)值表現(xiàn)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(jīng)向型分布。豫西和豫西南為低值區(qū)，夏季在350～390 mm 變化，秋季在150～185 mm 變化。東部的高值區(qū)夏、秋2 季有所不同，夏季高值區(qū)內(nèi)是北高南低形態(tài)，而秋季高值區(qū)內(nèi)為北低南高形態(tài)。

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(qū)為高值區(qū)，豫北北部、豫東東部和豫南西部為中值區(qū)，豫西西部和豫北東北部為低值區(qū)。大部分區(qū)域參考作物蒸散量在85～105 mm 變化，高值區(qū)一般變化范圍為105～115 mm。

表1 各區(qū)域1965—2018 年作物蒸散量的季節(jié)平均值及其氣候傾向率

2.3 參考作物季節(jié)蒸散量與氣象要素的關(guān)系

表2 為季節(jié)參考作物蒸散量與主要?dú)庀笠氐南嚓P(guān)系數(shù)，偏相關(guān)系數(shù)法可排除各要素間的相互影響，表3 為季節(jié)參考作物蒸散量與主要?dú)庀笠氐钠嚓P(guān)系數(shù)。春季參考作物蒸散量與降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均通過0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)，其絕對(duì)值排序?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)＞相對(duì)濕度＞降水量＞風(fēng)速。而偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，春季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫和風(fēng)速的相關(guān)性較高，其絕對(duì)值排序?yàn)轱L(fēng)速＞日照時(shí)數(shù)＞相對(duì)濕度＞平均氣溫，表明風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)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(qū)域季節(jié)參考作物蒸散量空間分布

夏季參考作物蒸散量與日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、最高氣溫和風(fēng)速相關(guān)性高，相關(guān)系數(shù)均通過0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)，其絕對(duì)值排序?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)＞風(fēng)速＞最高氣溫＞平均氣溫。而偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，夏季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的相關(guān)性較高，其絕對(duì)值排序?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)＞風(fēng)速＞相對(duì)濕度，表明日照時(shí)數(shù)和風(fēng)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(fēng)速的相關(guān)性較高，相關(guān)關(guān)系均通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，其絕對(duì)值排序?yàn)轱L(fēng)速＞平均氣溫＞最低氣溫＞最高氣溫。而偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，秋季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫和風(fēng)速的相關(guān)性較高，其絕對(duì)值排序?yàn)轱L(fēng)速＞日照時(shí)數(shù)＞相對(duì)濕度＞最高氣溫，表明風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)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(fēng)速的相關(guān)性較高，相關(guān)關(guān)系均通過0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)，其絕對(duì)值排序?yàn)轱L(fēng)速＞平均氣溫＞最低氣溫。而偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，冬季參考作物蒸散量與相對(duì)濕度和風(fēng)速的相關(guān)性較高，其絕對(duì)值排序?yàn)轱L(fēng)速＞相對(duì)濕度，表明風(fēng)速的減小和相對(duì)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(fēng)速的減小、日照時(shí)數(shù)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(jié)參考作物蒸散量與氣象要素的相關(guān)關(guān)系

表3 季節(jié)參考作物蒸散量與氣象要素的偏相關(guān)關(guān)系

3 小結(jié)與討論

基于河南省99 個(gè)氣象站點(diǎn)1965—2018 年逐日氣象資料，利用Penman-Monteith 公式和氣候傾向率法統(tǒng)計(jì)分析河南省參考作物蒸散量的季節(jié)變化特征，并利用相關(guān)分析和偏相關(guān)分析法對(duì)參考作物蒸散量季節(jié)變化的成因進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，1965—2018 年季參考作物蒸散量呈減少趨勢(shì)，夏季參考作物蒸散量下降趨勢(shì)最顯著，秋季變化趨勢(shì)較顯著，冬、春季變化趨勢(shì)不顯著。各季節(jié)參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對(duì)值排序?yàn)橄募荆厩锛荆径荆敬杭尽４杭緟⒖甲魑镎羯⒘繛楸备吣系偷木曄蛐头植迹摹⑶? 季均為東高西低的經(jīng)向型分布，冬季變化呈中部高、周邊低的帶狀分布特點(diǎn)。風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)是影響春、夏、秋季參考作物蒸散量的主要?dú)庀笠蜃樱L(fēng)速和相對(duì)濕度是影響冬季參考作物蒸散量的主要?dú)庀笠蜃樱伙L(fēng)速的減小和日照時(shí)數(shù)的縮短是河南省參考作物蒸散量減少的主要原因。

地理?xiàng)l件及氣候條件不同，參考作物蒸散量的變化規(guī)律和影響因素也有所差異。研究表明，糧食主產(chǎn)區(qū)中華北平原及遼寧省參考作物蒸散量的下降趨勢(shì)極為顯著，而其他區(qū)域下降趨勢(shì)不明顯，部分地區(qū)以增大為主［18］。影響參考作物蒸散量變化的主要?dú)庀笠赜袣鉁亍⑷照諘r(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速等，區(qū)域不同主導(dǎo)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(fù)雜化，除受研究所列主要?dú)庀笠蜃佑绊懲猓€受其他氣象因子影響，另外還與人類活動(dòng)、下墊面變化等有關(guān)。參考作物蒸散量的估算是確定作物需水量的基礎(chǔ)，作物需水量是提高農(nóng)田水分利用效率以及制定農(nóng)田灌溉制度必不可少的關(guān)鍵參數(shù)，而作物生長具有一定的季節(jié)性，因此，還需要對(duì)作物生長季內(nèi)的參考作物蒸散量變化及成因做進(jìn)一步的研究分析。