1965-2018年河南省參考作物蒸散量季節(jié)變化及成因分析

陳建杰

(1.中國氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，河南 鄭州 450003； 2.駐馬店市氣象局，河南 駐馬店 463000)

0 引言

【研究意義】參考作物蒸散量(ET0)是估算作物需水量計算中的一個關(guān)鍵參數(shù)，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(chǎn)潛力以及水資源供需平衡中有不可或缺的作用[1-5]。ET0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、風速、太陽輻射等氣象要素的變化，必然導致ET0在時空上的變化。在全球氣候變化背景下，闡明河南省季節(jié)ET0的年際變化，分析其主要氣象影響因素，可為該區(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)，對于積極應(yīng)對氣候變化、調(diào)整作物種植區(qū)劃等具有重要意義[6]。【前人研究進展】近年來越來越多的學者對ET0的變化特征開展了大量的研究工作[7-9]。研究表明，中國大部分地區(qū)ET0呈不同程度的下降趨勢[9]，其中華北平原[10]大部分氣象站呈顯著下降趨勢。影響ET0的主導氣象因素空間差異明顯，這主要因為ET0與溫度、日照時數(shù)、風速和相對濕度等氣象因素間關(guān)系復(fù)雜、并非簡單的線性關(guān)系[11]。李迎等[12]研究表明，ET0與溫度、風速和日照時間呈正相關(guān)，與相對濕度呈負相關(guān)。胡琦等[13]指出，風速的負貢獻是導致ET0降低的主導因子。華北平原ET0受日照時數(shù)、相對濕度、日較差和風速的綜合影響[9]。姬興杰等[14]研究顯示，年ET0均表現(xiàn)出與風速呈負相關(guān)且相關(guān)系數(shù)最大，風速減小是導致河南省年ET0呈顯著減小的主要原因。可見區(qū)域不同、氣候特點不同，ET0的變化特征及影響因素也有所差異?！狙芯壳腥朦c】河南省地勢西高東低，北、西、南三面由太行山、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(fù)雜多樣和氣象災(zāi)害頻繁的特點。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[9,15]。【擬解決的關(guān)鍵問題】綜合分析各氣候要素對河南省各區(qū)域ET0的作用和影響，準確估算和科學分析作物需水量，研究其時空變化特征，以監(jiān)測農(nóng)作物需水量及指導農(nóng)田合理灌溉。

1 材料與方法

1.1 材料

按照地理和氣候條件將河南省分為6個區(qū)域(圖1)，分別為豫北(安陽、鶴壁、濮陽、濟源、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)和豫南(駐馬店信陽)。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(shù)、最高氣溫、最低氣溫、風速及各站點的經(jīng)、緯度和海拔高度等數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

圖1 研究區(qū)域與氣象站點分布Fig.1 The study area and distribution of meteorological stations

1.2 方法

運用FAO1998年推薦的Penman-Monteith公式[16]計算各區(qū)域逐日參考作物蒸散量的季節(jié)平均值[17]，利用Microsoft Excel和SPSS統(tǒng)計軟件，結(jié)合ArcGIS10，采用氣候線性傾向率法[18]、Pearson相關(guān)分析及偏相關(guān)分析等方法進行數(shù)理統(tǒng)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(mm/d2)，Rn為凈輻射[MJ/(m2· d2)]，G為土壤熱通量[MJ/(m2·d2)]，T為日平均氣溫(℃)，u2為2 m高處風速(m/s)，es為飽和水汽壓(Kpa)，ea為實際水汽壓(Kpa)，△為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(Kpa/℃)，γ為干濕表常數(shù)(Kpa/℃)。

2 結(jié)果與分析

2.1 參考作物蒸散量的季節(jié)和區(qū)域變化特征

2.1.1 季節(jié)變化 從圖2看出，1965-2018年，河南省春、夏、秋、冬季參考作物蒸散量均呈下降趨勢，氣候傾向率分別為-2.5 mm/10a、-14.2 mm/10a、-5.4 mm/10a、-3.6 mm/10a，其中夏、秋、冬季通過0.01水平的顯著性檢驗，春季減少趨勢不明顯。春、夏、秋、冬季參考作物蒸散量變異系數(shù)分別為7.5%、8.8%、8.5%、16.3%，即冬季參考作物蒸散量年際波動最明顯，其次是夏季和秋季。

注：**表示通過0.01水平的顯著性檢驗。Note: **represents passing the significance test of 0.01 level.圖2 研究區(qū)域1965-2018年不同季節(jié)的參考作物蒸散量Fig.2 Reference crop evapotranspiration in the study area in four seasons during 1965-2018

2.1.2 區(qū)域變化 從表1看出，各區(qū)域1965-2018年參考作物蒸散量氣候傾向率四季變化豫西、豫西南和豫南的春季為正值，即呈上升趨勢，但變化不明顯；其余區(qū)域各季節(jié)的均為負值，呈下降趨勢。各區(qū)域夏季參考作物蒸散量氣候傾向率絕對值均大于10 mm/10a，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、冬兩季為下降趨勢，春季豫西、豫西南和豫南為上升趨勢，其余各區(qū)也為微降趨勢，且秋季變化趨勢較顯著、冬季變化趨勢不顯著。整體上，各季節(jié)參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對值依次為夏季>秋季>冬季>春季。

表1 各區(qū)域1965-2018年參考作物蒸散量的季節(jié)平均值及氣候傾向率Table 1 Seasonal average values and climate tendency rates of reference crop evapotranspiration in each region during 1965—2018

2.2 參考作物蒸散量的四季空間變化特征

從圖3看出，1965-2018年河南省春季參考作物蒸散量空間變化特征較明顯，為北高南低緯向型分布，全省變化范圍在255～320 mm，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部局最低不足270 mm。夏、秋兩季參考作物蒸散量空間變化大致為東高西低經(jīng)向型分布；豫西和豫西南為低值區(qū)，夏季變化范圍在350～390 mm，秋季在150～185 mm；東部的高值區(qū)夏、秋兩季有所不同，夏季高值區(qū)內(nèi)為北高南低，秋季高值區(qū)內(nèi)為北低南高。冬季參考作物蒸散量空間變化為中部高、周邊低；豫北、豫西和豫中局部為高值區(qū)，豫北北部、豫東東部和河南西部為中值區(qū)，豫西西部和豫北東北部為低值區(qū)；參考作物蒸散量大部分區(qū)域變化范圍在85～105 mm，高值區(qū)變化范圍在105～115 mm。

圖3 各區(qū)域不同季節(jié)參考作物蒸散量的空間分布Fig.3 The spatial distribution of reference crop evapotranspiration in the study area in four seasons

2.3 不同季節(jié)參考作物蒸散量與氣象要素的相關(guān)性

從表2看出，不同季節(jié)參考作物蒸散量與降水、相對濕度、日照時數(shù)、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和風速間的相關(guān)性有一定的差異。

表2 季節(jié)參考作物蒸散量與氣象要素相關(guān)系數(shù)及偏相關(guān)系數(shù)Table 2 Partial correlation coefficient and correlation coefficient between seasonal reference crop evapotranspiration and meteorological elements

2.3.1 春季 參考作物蒸散量與降水、相對濕度、日照時數(shù)和風速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值排序為日照時數(shù)>相對濕度>降水>風速。偏相關(guān)性分析顯示，春季參考作物蒸散量與相對濕度、日照時數(shù)、平均氣溫和風速極顯著相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)的絕對值為風速>日照時數(shù)>相對濕度>平均氣溫。表明風速和日照時數(shù)的減少是造成春季參考作物蒸散量減少的首要原因。

2.3.2 夏季 參考作物蒸散量與日照時數(shù)、平均氣溫、最高氣溫和風速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為日照時數(shù)>風速>最高氣溫>平均氣溫。偏相關(guān)分析顯示，夏季參考作物蒸散量與相對濕度、日照時數(shù)和風速極顯著相關(guān)，偏相關(guān)系數(shù)的絕對值為日照時數(shù)>風速>相對濕度。表明，日照時數(shù)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。

2.3.3 秋季 參考作物蒸散量與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫和風速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為風速>平均氣溫>最低氣溫>最高氣溫。偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，秋季參考作物蒸散量與相對濕度、日照時數(shù)、最高氣溫和風速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為風速>日照時數(shù)>相對濕度>最高氣溫。表明，風速和日照時數(shù)的減少是造成秋季參考作物蒸散量減少的首要原因。

2.3.4 冬季 參考作物只與平均氣溫、最低氣溫和風速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值為風速>平均氣溫>最低氣溫。偏相關(guān)關(guān)系分析顯示，冬季參考作物蒸散量與相對濕度和風速極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值排序為風速>相對濕度。表明，風速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，風速的減小、日照時數(shù)的縮短和相對濕度的減少是造成河南省參考作物蒸散量減小的主要原因。

3 討論

地理條件及氣候條件不同，參考作物蒸散量的變化規(guī)律和影響因素也有所差異。楊永剛等[2]研究表明，我國糧食主產(chǎn)區(qū)中，華北平原及遼寧省參考作物蒸散量的下降趨勢極為顯著，其他區(qū)域下降趨勢不明顯，部分地區(qū)以增大為主。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(shù)、相對濕度和風速等，區(qū)域不同主導因子也有所差異[8,13,19-22]。引起參考作物蒸散量變化的原因多樣化、復(fù)雜化，除受文中所列主要氣象因子影響外，還受其他氣象因子影響，并與人類活動、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，還需要對作物生長季內(nèi)的參考作物蒸散量變化及成因作進一步的分析研究。

4 結(jié)論

河南省1965-2018年春季參考作物蒸散量呈減少趨勢，夏季下降趨勢最顯著，秋季變化趨勢較顯著，冬、春季變化趨勢不顯著。各季節(jié)參考作物蒸散量的氣候傾向率絕對值依次為夏季>秋季>冬季>春季。春季參考作物蒸散量為北高南低緯向型分布；夏、秋兩季均為東高西低經(jīng)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(shù)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、日照時數(shù)的縮短和相對濕度的減少是河南省參考作物蒸散量減小的主要原因。