江淮區(qū)域農(nóng)田參考作物蒸散量變化特征及其成因分析

王曼麗 李衛(wèi)國(guó) 熊世為

摘要：為深入了解江淮區(qū)域農(nóng)田參考作物蒸散變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，利用聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，簡(jiǎn)稱FAO）推薦的Penman-Monteith模型和位于江淮區(qū)域的安徽省滁州地區(qū)7個(gè)站點(diǎn)1961—2017年逐日氣象觀測(cè)資料計(jì)算該地區(qū)的參考作物蒸散量（ET0），在分析ET0區(qū)域時(shí)空變化特征的基礎(chǔ)上，探討影響區(qū)域農(nóng)田ET0的主導(dǎo)氣象因子。結(jié)果表明，研究區(qū)域ET0的年平均值為993.8 mm，夏季最大，春、秋季次之，冬季最小，空間上呈西北大東南小的分布特征。ET0的年際變化呈顯著減小趨勢(shì)，變率為 -1.41 mm/年，從季節(jié)上看，除春季略有增大外，其余3季均呈減小趨勢(shì)，其中夏季的減小趨勢(shì)最明顯，ET0的減小趨勢(shì)是一個(gè)突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)為1972年。氣溫和相對(duì)濕度的變化引起ET0的上升，為正貢獻(xiàn);風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的變化引起ET0下降，為負(fù)貢獻(xiàn)，其中風(fēng)速是該地區(qū)ET0變化的主導(dǎo)氣象因子。探討江淮區(qū)域農(nóng)田參考作物蒸散量對(duì)氣候變化的響應(yīng)，對(duì)加強(qiáng)該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉效率和優(yōu)化農(nóng)業(yè)水資源配置具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田水分;參考作物蒸散量;時(shí)空變化特征;主導(dǎo)氣象因子;江淮區(qū)域;農(nóng)業(yè)灌溉效率;優(yōu)化水資源配置

氣候變化是全球的關(guān)注熱點(diǎn)，應(yīng)對(duì)氣候變化已成為世界各國(guó)政府的重要課題[1]。在氣候變化背景下，農(nóng)業(yè)成為受影響最大的產(chǎn)業(yè)，就我國(guó)而言，大量的研究顯示，氣候變化已導(dǎo)致作物的種植結(jié)構(gòu)[2]、生育期[3-4]、種植界限[5]等發(fā)生了顯著變化。參考作物蒸散量（ET0）表示在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)，某一固定下墊面可能達(dá)到的最大蒸發(fā)蒸騰量，利用參考作物蒸散量乘以作物系數(shù)即可得到作物的實(shí)際需水量，因此ET0是合理利用農(nóng)業(yè)水資源的重要依據(jù)，也是評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響的重要指標(biāo)[6]。ET0估算方法可歸納為綜合法、輻射法、溫度法和蒸發(fā)皿法四大類[7]。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，簡(jiǎn)稱FAO）推薦的Penman-Monteith模型以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為支撐，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[8]，該方法估算精度較高，應(yīng)用范圍較廣。受氣候變化影響，全球大部分地區(qū)ET0呈減小趨勢(shì)[9-10]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)ET0的時(shí)空變化特征和影響因素等進(jìn)行了大量研究[11-14]。

江淮區(qū)域是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，屬亞熱帶氣候區(qū)向暖溫帶氣候區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，溫光適宜，雨熱同季，但降水時(shí)空分布不均，旱澇等氣候?yàn)?zāi)害頻繁。本研究擬采用FAO推薦的Penman-Monteith模型分析位于江淮區(qū)域的安徽省滁州地區(qū)1961—2017年ET0的變化特征，并定量分析主要?dú)夂蛞貙?duì)ET0變化的影響，以期為江淮區(qū)域提高農(nóng)業(yè)灌溉效率及優(yōu)化水資源配置提供決策參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源及處理

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于安徽省滁州市氣象局，選取滁州市下轄的滁州、來(lái)安、全椒、天長(zhǎng)、定遠(yuǎn)、鳳陽(yáng)和明光7個(gè)站點(diǎn)（圖1）1961—2017年的逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，觀測(cè)項(xiàng)目包括最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)間、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均氣壓。數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，個(gè)別缺測(cè)數(shù)據(jù)用其鄰近氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值訂正。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域農(nóng)田參考作物蒸散量的空間變化

1961—2017年，位于江淮區(qū)域的滁州地區(qū)ET0的年平均值為993.8 mm，其中夏季最大，為397.6 mm，約占全年的40%;其次為春季、秋季，分別為284.9、208.9 mm，占全年的29%、21%;冬季最小，僅為102.5 mm，約占全年的10%。

從空間分布（圖2）上看，明光站點(diǎn)的ET0年平均值最大，為1 019 mm，天長(zhǎng)站點(diǎn)最小，為963 mm，最大值和最小值之間相差56 mm，整體呈現(xiàn)較明顯的由西北向東南遞減的特征。春季各地ET0為277～296 mm，最大值和最小值之間相差 19 mm，空間上與年平均值分布特征一致，同樣呈現(xiàn)明顯由西北向東南遞減的特征;夏季各地ET0為382～409 mm，最大值和最小值之間相差27 mm，空間上同樣呈現(xiàn)明顯由西北向東南遞減的特征;秋季各地ET0為203～212 mm，最大值和最小值之間相差9 mm，空間上差異不明顯;冬季各地ET0為 100～105 mm，空間上呈明顯北少南多的分布特點(diǎn)，但差值不大，最大值和最小值之間僅相差5 mm。綜上所述，滁州地區(qū)年平均ET0整體呈由西北向東南遞減的空間分布趨勢(shì)，且主要體現(xiàn)在春、夏2季。

2.2 區(qū)域農(nóng)田參考作物蒸散量的時(shí)間變化

由圖3、表1可知，研究區(qū)域年平均ET0總體呈減小趨勢(shì)，且研究區(qū)域總體氣候變率為-1.41 mm/年，遞減趨勢(shì)通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。7個(gè)站點(diǎn)年平均ET0均呈減少趨勢(shì)，其中滁州、全椒、定遠(yuǎn)、鳳陽(yáng)和明光等5個(gè)站點(diǎn)的減少趨勢(shì)通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，其中鳳陽(yáng)站的減少幅度最大，達(dá) -2.97 mm/年，來(lái)安站的減小幅度最小，為-0.57 mm/年。從不同季節(jié)來(lái)看，春季ET0氣候變率除鳳陽(yáng)站外，均呈增加趨勢(shì)，總體以0.26 mm/年的氣候變率增大，鳳陽(yáng)站的遞減趨勢(shì)不顯著，沒(méi)有通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn);各地夏、秋、冬3季ET0氣候變率均呈減少趨勢(shì)，總體氣候變率分別為-1.20、-0.30、-0.17 mm/年，其中僅夏季的減小趨勢(shì)通過(guò)了95%顯著性檢驗(yàn)，因此，該地區(qū)ET0氣候變率年際變化呈下降趨勢(shì)是由夏季ET0氣候變率顯著減少主導(dǎo)的。

對(duì)1961—2017年滁州市年平均ET0時(shí)間序列進(jìn)行MK檢驗(yàn)，由UF曲線（圖4）可以看出，從20世紀(jì)70年代開始，滁州市年平均ET0出現(xiàn)減少趨勢(shì)，80年代該減少趨勢(shì)超過(guò)顯著性水平0.05臨界線，表明這種減少趨勢(shì)是顯著的，根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置可以確定該地區(qū)年平均ET0的減少趨勢(shì)是一種突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)為1972年。

2.3 區(qū)域農(nóng)田參考作物蒸散量變化的主導(dǎo)因子

2.3.1 主導(dǎo)因子定性分析 ET0的變化受溫度、濕度、輻射和風(fēng)速等氣象因子影響，高溫、高風(fēng)速、低濕和長(zhǎng)日照有利于出現(xiàn)高的蒸散量[19]，因此有必要分析該地區(qū)相關(guān)氣象要素的變化特征。圖5給出的是研究區(qū)域氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)等有關(guān)氣象要素的空間分布，其中該地區(qū)1961—2017年年平均氣溫空間分布總體呈南高北低的特征，最高值出現(xiàn)在南部的全椒站，為15.77 ℃，最低值出現(xiàn)在北部的鳳陽(yáng)站，為15.03 ℃。年平均風(fēng)速總體呈西高東低的空間分布特征，其中定遠(yuǎn)站最大，為2.77 m/s，東部的天長(zhǎng)站最小，為 2.29 m/s。年平均相對(duì)濕度呈西北低東南高的空間分布特征，其中明光站最小，為73.50%，天長(zhǎng)站最大，為76.70%。年平均日照時(shí)數(shù)總體呈西北長(zhǎng)東南短的空間分布特征，其中定遠(yuǎn)站最長(zhǎng)，為5.83 h，滁州站最短，為5.32 h。結(jié)合年平均ET0西北高東南低的空間分布趨勢(shì)，可以初步說(shuō)明，這種分布趨勢(shì)由該地區(qū)西北部高風(fēng)速、低濕度和高日照時(shí)數(shù)主導(dǎo)。

從表2可以看出，各地年平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，其中上升幅度最大的為天長(zhǎng)站， 變率為0.032 ℃/年， 最小的為鳳陽(yáng)站，變率為0.010 ℃/年，各站平均變率為0.024 ℃/年，上升趨勢(shì)均通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。各地年平均風(fēng)速均呈減小趨勢(shì)，其中減小幅度最大的為天長(zhǎng)站，變率為-0.036 m/（s·年），最小的為滁州站，變率為-0.018 m/（s·年），各站平均變率為-0.028 m/（s·年），減小趨勢(shì)均通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。各地年平均相對(duì)濕度基本呈減小趨勢(shì)，其中減小幅度最大的為天長(zhǎng)站，變率為-0.140%/年，最小的為滁州站，變率為 -0.006 m/（s·年），各站平均變率為-0.047%/年，除滁州站、定遠(yuǎn)站外，其他站點(diǎn)的變率均通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。各站點(diǎn)年平均日照時(shí)數(shù)均呈減少趨勢(shì)，其中減少幅度最大的為滁州站，變率為-0.035 h/年，最小的為來(lái)安站，變率為 -0.012 h/年，各站平均變率為-0.024 h/年，減少趨勢(shì)均通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)。結(jié)合該地區(qū)全年ET0變率的降低趨勢(shì)可定性判定，ET0的降低是由日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的降低導(dǎo)致的。

2.3.2 主導(dǎo)因子定量分析 從表3可以看出，氣溫的明顯上升均對(duì)該區(qū)域的ET0表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)，平均貢獻(xiàn)率為 0.71 mm/年，其中滁州站最大，為0.92 mm/年，鳳陽(yáng)站最小，為 0.37 mm/年。風(fēng)速的明顯下降導(dǎo)致該地區(qū)的ET0隨之下降，各站點(diǎn)均表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)，平均貢獻(xiàn)率為-1.43 mm/年，負(fù)貢獻(xiàn)最大的是明光站，貢獻(xiàn)率為-2.09 mm/年，最小的為定遠(yuǎn)站，貢獻(xiàn)率為-0.89 mm/年。由于除了鳳陽(yáng)站的濕度略微上升導(dǎo)致對(duì)ET0負(fù)貢獻(xiàn)外，其余站點(diǎn)濕度下降，導(dǎo)致總體對(duì)該地區(qū)ET0表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)。日照時(shí)數(shù)的減少使得該地區(qū)ET0降低，平均貢獻(xiàn)率為-1.28 mm/年，負(fù)貢獻(xiàn)最大的為滁州站，貢獻(xiàn)率為-2.11 mm/年，最小的為來(lái)安站，貢獻(xiàn)率為 -0.55 mm/年。氣溫的升高和相對(duì)濕度的降低引起ET0的增大，表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的減小引起ET0的減小，表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)，其中負(fù)貢獻(xiàn)的程度大于正貢獻(xiàn)，因此1961—2017年該地區(qū)ET0呈下降趨勢(shì)，其中風(fēng)速的負(fù)貢獻(xiàn)最大，是該地區(qū)ET0變化的主導(dǎo)氣象因子。

從表4可以看出，各站點(diǎn)、各季節(jié)間ET0變化的主導(dǎo)因子存在區(qū)別，ET0年變化的主導(dǎo)因子有3個(gè)站點(diǎn)為日照時(shí)數(shù)，其余均為風(fēng)速。夏季ET0變化的主導(dǎo)因子均為日照時(shí)數(shù)，秋、冬季ET0變化的主導(dǎo)因子基本為風(fēng)速，春季ET0變化主導(dǎo)因子有4個(gè)站點(diǎn)為相對(duì)濕度，其余為風(fēng)速。不論是年變化還是季節(jié)變化，氣溫均沒(méi)有成為ET0變化的主導(dǎo)因子。

3 結(jié)論

本研究基于FAO推薦的Penman-Monteith模型和位于江淮區(qū)域的滁州地區(qū)7個(gè)站點(diǎn)1961—2017年逐日氣象觀測(cè)資料估算了該地區(qū)參考作物蒸散量（ET0），分析了ET0的時(shí)空變化特征，并定量探討了影響區(qū)域ET0的主導(dǎo)氣象因子，主要得出如下結(jié)論： （1）研究區(qū)域1961—2017年農(nóng)田ET0的年平均值為993.8 mm，夏季最大，春、秋季次之，冬季最小，各站點(diǎn)年平均ET0在空間上呈西北大東南小的分布特征，春、夏2季ET0的空間分布趨勢(shì)類似，秋、冬2季空間分布差異不明顯。（2）研究區(qū)域1961—2017年農(nóng)田ET0的年際變化呈顯著減小趨勢(shì)，變率為-1.41 mm/年，從季節(jié)上看，除春季略有增大外，其余3季均呈減小趨勢(shì)，其中夏季的減小趨勢(shì)最明顯，變率為-1.20 mm/年。ET0的減小趨勢(shì)是一個(gè)突變現(xiàn)象，突變點(diǎn)為1972年。（3）研究區(qū)域農(nóng)田氣溫的升高和相對(duì)濕度的降低引起ET0的增大，為正貢獻(xiàn)，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的減小引起ET0的減小，為負(fù)貢獻(xiàn)，但負(fù)貢獻(xiàn)的程度大于正貢獻(xiàn)，其中風(fēng)速的負(fù)貢獻(xiàn)最大，是該地區(qū)ET0變化的主導(dǎo)氣象因子。夏季該地區(qū)ET0變化的主導(dǎo)因子為日照時(shí)數(shù)，秋、冬季基本為風(fēng)速。

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