鄭州市參考作物需水量時間演變分析

趙家慧

(深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東 深圳 518003)

0 引 言

參考作物需水量ET0是確定作物需水量的重要參數(shù)，而作物需水量是農(nóng)田水利工程規(guī)劃與設(shè)計的重要參數(shù)，因此針對ET0的相關(guān)研究可為制定作物灌溉制度和高效利用水資源提供科學(xué)依據(jù)，對地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水及灌區(qū)工程建設(shè)具有重要意義[1-2]。研究表明，氣象因素是影響參考作物需水量的主要因素[3]。在全球氣候變化的背景下，我國氣候也發(fā)生了顯著性的變化，其中，平均年總降雨量和平均濕度、風(fēng)速均呈顯著減小趨勢，平均氣溫和平均海平面氣壓呈上升趨勢，且未來50-100a內(nèi)氣候變化將會更加劇烈[4-5]。因此，研究氣候變化背景下ET0的變化趨勢十分必要。

目前，很多學(xué)者針對不同區(qū)域的ET0變化趨勢及影響因素進(jìn)行了大量的研究，研究內(nèi)容主要有以下2個方面不同。①采用的ET0的計算公式有區(qū)別，其計算公式主要有經(jīng)驗公式法、能量平衡法、聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式、Hargreaves法等[6-9]。②采用的趨勢分析方法存在區(qū)別，分析各地區(qū)的研究方法主要為相關(guān)性分析、敏感性分析、多元回歸分析、MK檢驗法[10-15]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

河南省鄭州市位于黃河下游，其在黃河中下游和伏牛山脈東北翼向黃淮平原過渡的交接地帶，是中原腹地。研究區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降雨特點為夏季多冬季少，年平均降雨量為640.9mm，全年日照時間約為2400h，無霜期為220d，年平均氣溫為12.7～15.6℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的鄭州市1955—2019年的逐日數(shù)據(jù)，包括平均氣溫(℃)、平均水汽壓(kPa)、2m高處風(fēng)速(m/s)、日照時數(shù)(h)等，通過線性回歸法對缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補。該站點站號為57083，位于113.65°E，34.72°N，海拔高度為110.4m。

1.3 研究方法

1.3.1 參考作物需水量ET0

本研究采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式計算ET0，該公式較充分地考慮了各種因素對ET0的影響。具體計算方法為：

(1)

式中：ET0為參考作物需水量，mm/d；Rn為輸入冠層靜輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為2m高處日平均溫度，℃；u2為2m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在某處的斜率，kPa/℃；γ為干濕溫度計常數(shù)，kPa/℃。

1.3.2 趨勢分析

采用最小二乘法擬合得到一元線性回歸方程，以此進(jìn)行趨勢分析，其公式為：

y=b+ax

(2)

式中：y為某一氣候要素；x為對應(yīng)的年份，a為回歸系數(shù)，氣候要素的氣候傾向率為10倍的a。采用F檢驗法對擬合的回歸方程進(jìn)行顯著性分析，檢驗水平為0.05。

在濕地處理系統(tǒng)中高鹽份的土壤以及水會抑制普通植物的生長，影響植物根系吸水，同時過量Na+和Cl-會抑制其他微量元素的吸收，并且影響植物體內(nèi)酶的特性，抑制葉綠素的合成，影響光合作用等[37]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽濃度超過70 mmol/L時鹽生植物仍然可以正常生長，這為利用人工濕地技術(shù)處理高鹽度廢水提供了新的理論基礎(chǔ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子隨時間變化趨勢

圖1為鄭州市1955—2019年各氣象因子隨時間變化趨勢。從圖中可以看出，鄭州市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，線性傾向率為0.350℃/10a，年平均水汽壓上升趨勢不顯著，傾向率為2.220×10-3kPa/10a；年平均風(fēng)速和年平均日照時數(shù)呈顯著下降趨勢，線性傾向率分別為-0.230℃/10a和-0.330℃/10a。前人對河南省氣候變化研究表明，河南省的氣溫隨時間呈顯著上升趨勢，日照和水分資源隨時間呈下降趨勢，這與本研究的結(jié)果一致[17-18]。

年平均溫度與時間的擬合曲線為：

y=-55.256+0.035x

(3)

年平均水汽壓與時間的擬合曲線為：

y=0.831+2.220×10-4x

(4)

年平均風(fēng)速與時間的擬合曲線為：

y=48.729-0.023x

(5)

年平均日照時數(shù)與時間的擬合曲線為：

y=71.476-0.033x

(6)

2.2 ET0隨時間變化趨勢

圖2為鄭州市1955—2019年ET0隨時間變化趨勢。從圖中可以看出，年尺度下，鄭州市ET0呈顯著下降趨勢，線性傾向率為-57.700℃/10a。

表1為季尺度下ET0的線性傾向率及貢獻(xiàn)率。從表1可以看出，季尺度下ET0隨時間變化趨勢存在差異，春、夏、秋、冬各季節(jié)均呈下降趨勢，下降幅度從小到大依次為：冬<春<秋<夏；各季節(jié)對年ET0的貢獻(xiàn)率分別為：夏季最大，為35.491%；春季次之，為29.513%；秋季為21.224%；冬季最小，為13.764%。

表1 季尺度下ET0的傾向率及貢獻(xiàn)率

2.3 ET0與氣象因子之間的關(guān)系

圖3為鄭州市ET0與氣象因子相關(guān)關(guān)系。通過Pearson相關(guān)分析法表征鄭州市年ET0與年平均氣溫、年平均水汽壓、年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。從圖中可以看出，鄭州市年ET0與年平均氣溫、年平均水汽壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著年平均氣溫、年平均水汽壓的增加，鄭州市年ET0與隨之減少；鄭州市年ET0與年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)的增加，鄭州市年ET0與隨之增加。年平均氣溫、年平均水汽壓、年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.346、-0.257、0.947、0.630。

結(jié)合圖1可知，年平均氣溫和年平均水汽壓逐年上升，引起鄭州市年ET0下降，而年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)逐年下降，引起鄭州市年ET0上升，但鄭州市年ET0增加量遠(yuǎn)小于減少量，從而表現(xiàn)為鄭州市ET0呈顯著下降趨勢。

3 討 論

前人對河南省氣候變化研究表明，河南省的氣溫隨時間呈顯著上升趨勢，日照和水分資源隨時間呈下降趨勢[17-18]。本研究對氣象因子的變化趨勢分析表明，鄭州市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，線性傾向率為0.350℃/10a，年平均水汽壓上升趨勢不顯著，傾向率為2.220×10-3kPa/10a；年平均風(fēng)速和年平均日照時數(shù)呈顯著下降趨勢，線性傾向率分別為-0.230℃/10a和-0.330℃/10a，這與前人的研究結(jié)果一致。本研究還表明，鄭州市年ET0與年平均氣溫、年平均水汽壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，鄭州市年ET0與年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

全球氣候變化背景下，近65a來鄭州市的年ET0呈下降趨勢，然而，該地區(qū)的年降雨也在逐年下降，未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的水資源供需矛盾依然存在，甚至更加嚴(yán)重。河南省作為農(nóng)業(yè)大省，保障該省的糧食安全對保障國家糧食安全具有重要意義。針對降水資源、地表水和地下水等常規(guī)水短缺問題，應(yīng)合理開發(fā)利用非常規(guī)水資源，緩解水資源短缺問題。但也要注意，在利用非常規(guī)水灌溉的過程中，需保證非常規(guī)水是達(dá)標(biāo)的，避免不達(dá)標(biāo)的非常規(guī)水灌溉造成的土壤污染和地下水污染。

4 結(jié) 論

本研究通過對河南省鄭州市1955—2019年的氣象因子和ET0隨時間的變化趨勢分析，揭示影響ET0變化的主要影響因子。主要研究結(jié)果如下：

1)鄭州市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，線性傾向率為0.350℃/10a，年平均水汽壓上升趨勢不顯著，傾向率為2.220×10-3kPa/10a；年平均風(fēng)速和年平均日照時數(shù)呈顯著下降趨勢，線性傾向率分別為-0.230℃/10a和-0.330℃/10a。

2)年尺度下鄭州市ET0呈顯著下降趨勢，線性傾向率為-57.700℃/10a；季尺度下ET0隨時間變化趨勢存在差異，春、夏、秋、冬各季節(jié)均呈下降趨勢，下降幅度從小到大依次為：冬<春<秋<夏。

3)鄭州市年ET0與年平均氣溫、年平均水汽壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；鄭州市年ET0與年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；年平均氣溫、年平均水汽壓、年平均風(fēng)速、年平均日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.346、-0.257、0.947、0.630。