黑龍港流域典型地區(qū)6-9月水熱變化特征

劉朋程，郭安強(qiáng)，王占彪，崔海英，郝洪波，李明哲 *

(1. 河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所/河北省農(nóng)作物抗旱研究實(shí)驗(yàn)室，河北 衡水 053000；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000)

【研究意義】黑龍港地區(qū)在全國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的戰(zhàn)略地位，其糧食產(chǎn)量對(duì)于確保全國(guó)的糧食安全具有重要意義[1]。水熱資源的變化對(duì)黑龍港作物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的影響。饒陽(yáng)縣位于黑龍港流域，其氣候特點(diǎn)在黑龍港流域具有代表性，因此，分析饒陽(yáng)縣水熱資源變化特征，對(duì)黑龍港流域制定谷子、玉米等作物的灌溉制度及生產(chǎn)有著重要意義。【前人研究進(jìn)展】參考作物蒸散 (ET0) 是水文循環(huán)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其對(duì)于制定作物灌溉制度、規(guī)劃區(qū)域農(nóng)業(yè)用水等方面均存在直接影響，是作物需水量預(yù)測(cè)及灌區(qū)水資源管理的重要參數(shù)[2-3]。前人利用Penman-Monteith公式對(duì)ET0進(jìn)行了一系列的研究，并在此基礎(chǔ)上分析了ET0與氣象因素的關(guān)系[4,6]。苗正偉等[7]對(duì)河北地區(qū)參考作物蒸散量變化特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)全年和四季ET0均呈下降趨勢(shì)。楊加林等[8]分析了ET0與溫度、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和風(fēng)速的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)ET0對(duì)溫度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的變化正敏感，對(duì)相對(duì)濕度的變化負(fù)敏感。降水距平百分率是一種傳統(tǒng)干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)，顯示降水長(zhǎng)期平均或正常百分比[9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于降水距平百分率對(duì)干旱評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，韋開(kāi)等[10]把降水距平百分率作為干旱指標(biāo)，計(jì)算了陜西省各地區(qū)出現(xiàn)不同程度干旱的頻率，為陜西省抗旱減災(zāi)工作提供了科學(xué)依據(jù)。李雪純等[11]計(jì)算了不同季節(jié)的降水距平百分率，發(fā)現(xiàn)秋旱發(fā)生頻率最高、強(qiáng)度最大、干旱范圍最廣，其次是夏旱、冬旱和春旱。生長(zhǎng)度日(Growing degree days，GDD)是指植物在某一特定環(huán)境因子影響下完成一個(gè)生育階段所累積的有效積溫[12]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用積溫方法分析氣候變化背景下作物熱量條件的變化，其結(jié)果可以對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程進(jìn)行定量分析[13]，進(jìn)而對(duì)作物生育期進(jìn)行預(yù)測(cè)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】饒陽(yáng)縣主要農(nóng)作物：谷子、玉米、高粱、大豆等的生長(zhǎng)主要集中在6-9月，因此，分析該階段的水熱資源變化特征對(duì)作物的生產(chǎn)有著重要的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文基于降水距平百分率和生長(zhǎng)度日，并結(jié)合參考作物蒸散量對(duì)4個(gè)月份的水熱資源變化進(jìn)行分析，旨在探究氣候變化背景下黑龍港流域作物生長(zhǎng)階段干旱發(fā)生情況及熱量資源有效性的變化，為減少干旱災(zāi)害及充分利用熱量資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用氣象資料來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，選取饒陽(yáng)氣象站自1957-2013年逐日氣象資料，包括日最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度等指標(biāo)，并計(jì)算逐日ET0。

1.2 研究方法

1.2.1 參考作物蒸散量 利用FAO推薦的Penman-Monteith公式[14]計(jì)算ET0

(1)

式中，Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均溫度， ℃；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1；r為濕度計(jì)常數(shù)，kPa· ℃-1；U2為2 m高處的風(fēng)速，m·s-1。

1.2.2 有效降水量 有效降水量指總降水量中能夠滲入土壤并儲(chǔ)存在作物根系吸水層中的降雨量，采用下式計(jì)算[15]：

Pe=σ·P

(2)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是該次降水總量；σ是降雨的有效利用系數(shù)，當(dāng)P≤5 mm時(shí)，σ=0；當(dāng)5 mm50 mm時(shí)，σ=0.74。

1.2.3 降水距平百分率 按照氣象干旱等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[16]，用月尺度單站降水距平百分率劃分干旱等級(jí)：

(3)

1.2.4 氣候傾向率 將某一要素年際間變化趨勢(shì)采用線性回歸方程分析，得到如下公式[17]：

y=a0+a1t

(4)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0為常數(shù)；a1為回歸系數(shù)，10a1表示要素每10年的變化率，即氣候傾向率。

1.2.5 生長(zhǎng)度日 生長(zhǎng)度日(growing degree days,GDD)是一個(gè)分析作物生長(zhǎng)的熱量指標(biāo), 本文指日平均溫度大于10 ℃ 的有效積溫。其計(jì)算過(guò)程如下[18]：

表1 降水量距平百分率劃分的干旱等級(jí)(月尺度)

Table 1 Classification of drought by percentage of precipitation anomaly(Monthly Scale)

等級(jí)類型降水量距平百分率,Dp(%)1無(wú)旱Dp>-402輕旱-60

(5)

式中:Tave代表日平均溫度,Tbase代表生長(zhǎng)季生物學(xué)下限溫度(10 ℃)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行整理和圖表繪制，Eviews 8.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析、回歸分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子生長(zhǎng)時(shí)期參考作物蒸散量和有效降水量變化特征

由圖1可知，4個(gè)月份參考作物蒸散量的大小順序?yàn)?>7>8>9月，多年平均值分別為168.00、141.65、120.86和93.19 mm。各月作物參考蒸散量均呈下降趨勢(shì)，通過(guò)參考作物蒸散量隨年際變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)可知，6和8月呈極顯著下降趨勢(shì)(P≤0.01)，下降速率分別為5.85和2.59 mm·10a-1；9月呈顯著下降趨勢(shì)(P≤0.05)，下降速率為1.46 mm·10a-1；7月呈不顯著下降趨勢(shì)，下降速率為1.96 mm·10a-1(表2)。通過(guò)對(duì)各月份逐旬蒸散量分析可知，6月蒸散量的下降主要受中下旬的影響，6月中旬蒸散量呈顯著下降趨勢(shì)，下旬呈極顯著下降趨勢(shì)，下降速率分別為1.39和 3.09 mm·10a-1。7月蒸散量的下降主要是中旬顯著下降引起的，下降速率為1.08 mm·10a-1。8和9月2個(gè)月在不同旬階段均呈不顯著下降趨勢(shì)，對(duì)2個(gè)月份影響最明顯的旬階段分別是8月上旬和9月中旬，下降速率分別為1.25和0.61 mm·10a-1。

圖1 谷子生長(zhǎng)時(shí)期參考作物蒸散量的年代變化特征

表2 參考作物蒸散量和有效降水量在不同旬階段的氣候傾向率

表3 作物參考蒸散量與氣象因子的相關(guān)分析

注：*和**分別表示相關(guān)性達(dá)顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)，下同。

Note：*and** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same as below．

圖2 6-9月各月降水距平百分率年代變化特征

2.2 影響各階段參考作物蒸散量的氣象因子分析

參考作物蒸散量受氣溫、日照時(shí)數(shù)、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速等氣象因子的綜合影響，但在不同階段，各氣象因子的影響情況有所不同，因此，在不同月份作參考作物蒸散量與氣象因子的相關(guān)分析(表3)，結(jié)果表明，平均氣溫、最高氣溫、太陽(yáng)輻射、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速5項(xiàng)氣象因子在6、7和9月均與參考作物蒸散量呈正相關(guān)關(guān)系，且均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。平均氣溫、最高氣溫、太陽(yáng)輻射和平均風(fēng)速4項(xiàng)氣象因子在8月均與參考作物蒸散量呈正相關(guān)關(guān)系，且均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。平均相對(duì)濕度和降水量2項(xiàng)氣象因子在4個(gè)月份中均與參考作物蒸散量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2.3 干旱特征分析

采用降水距平百分率對(duì)饒陽(yáng)縣不同年份的干旱程度進(jìn)行判定(判定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1)。結(jié)果顯示(圖2，表3)，4個(gè)月份發(fā)生干旱頻率的大小順序?yàn)?>6>8>7月，6和7月發(fā)生干旱的頻率為33.33 %和19.30 %，均以輕旱為主，8月發(fā)生干旱的頻率為31.58 %，主要以輕中旱為主，9月發(fā)生干旱的頻率為38.6 %，主要以中旱為主。

通過(guò)有效降水量隨年際變化趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)可知，6和9月有效降水量均呈不顯著增加趨勢(shì)，氣候傾向率分別為4.05和0.53 mm·10a-1，而6月參考作物蒸散量呈極顯著減少，9月參考作物蒸散量呈顯著減少趨勢(shì)，說(shuō)明6和9月在未來(lái)年際變化中干旱風(fēng)險(xiǎn)會(huì)降低。6月中旬和9月上旬對(duì)各自月份有效降水量的變化影響最大，氣候傾向率分別為3.35和1.47 mm·10a-1。7和8月有效降水量均呈減少趨勢(shì)，7月呈不顯著減少趨勢(shì)，8月呈顯著減少趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-7.2和-10.63 mm·10a-1。7和8月參考作物蒸散量均呈減少趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-1.96和-2.59 mm·10a-1，趨勢(shì)明顯慢于有效降水量，因此，在未來(lái)年際變化中7和8月干旱風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)增加。7月有效降水量的變化受上旬和中旬影響較大，氣候傾向率分別為-5.19和-2.72 mm·10a-1；8月有效降水量主要受上旬和下旬影響，氣候傾向率分別為8.23和2.66 mm·10a-1。

表4 各月份干旱特征分析

2.4 生長(zhǎng)度日變化特征

1957-2013年饒陽(yáng)縣6-9月生長(zhǎng)度日(GDD)均值有明顯差異，大小順序?yàn)?>8>6>9月，均值分別為516.49、470.40、459.58和301.64 ℃·d。6-9月4個(gè)月生長(zhǎng)度日隨年代變化均呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率分別為1.19、3.28、0.46和3.10 ℃·10a-1。6和8月生長(zhǎng)度日的增加均是由于上旬和中旬生長(zhǎng)度日呈增加趨勢(shì)，上旬氣候傾向率分別為1.44和0.11 ℃·10a-1，中旬氣候傾向率分別為1.29和0.97 ℃·10a-1，下旬均呈減少趨勢(shì)。7月生長(zhǎng)度日增加主要受上旬和下旬的影響，中旬呈減少趨勢(shì)，上旬、中旬、下旬氣候傾向率分別為1.78、-0.31和1.81 ℃·10a-1。9月3個(gè)旬階段生長(zhǎng)度日均呈增加趨勢(shì)，下旬增加幅度最大。

3 結(jié)論與討論

近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)黑龍港流域ET0變化特征進(jìn)行了研究[19-20]，李元非等[21]分析了包括黑龍港流域在內(nèi)的24個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)ET0多年整體呈顯著下降趨勢(shì)，且ET0年內(nèi)變化率夏季最高。龍幸幸等[22]對(duì)包括黑龍港流域在內(nèi)的17個(gè)氣象站點(diǎn)分析也發(fā)現(xiàn)，多年來(lái)ET0有明顯減小趨勢(shì)。本文通過(guò)分析饒陽(yáng)縣6-9月水熱變化特征可知，ET0多年均值大小順序?yàn)?>7>8>9月，各月ET0隨年際變化均呈線性減少趨勢(shì)，減少速率順序?yàn)?>8>7>9月。不同月份ET0的減少受不同旬影響，6月為中下旬，7月為中旬，8和9月中下旬均有影響。ET0的變化受氣象因子的綜合影響，本研究表明：ET0與有效降水量和相對(duì)濕度均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與最高氣溫、平均氣溫、太陽(yáng)輻射、日照時(shí)數(shù)及風(fēng)速均呈正相關(guān)關(guān)系，這與韓洋等[23]研究結(jié)果一致。

黑龍港流域全年降水主要集中在夏季(6-8月)，約占全年68 %，且年際變化呈一定的減少趨勢(shì)[24]。再加上月份間降水不均，導(dǎo)致發(fā)生不同程度的干旱[25]。本研究結(jié)果表明，6-9月發(fā)生干旱的頻率為33.33 %、19.30 %、 31.58 %和38.6 %。6和9月有效降水量均呈不顯著增加趨勢(shì)，說(shuō)明6和9月份在未來(lái)年際變化中干旱風(fēng)險(xiǎn)會(huì)降低。7和8月有效降水量均呈減少趨勢(shì)，趨勢(shì)明顯快于ET0，因此，在未來(lái)年際變化中7和8月干旱風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)增加。因此在未來(lái)年際變化中，應(yīng)當(dāng)完善7和8月的灌溉制度，加強(qiáng)該階段保水抗旱措施。

圖3 6-9月各月生長(zhǎng)度日年代變化特征

表5 6-9月各月生長(zhǎng)度日氣候傾向率的變化

20世紀(jì)以來(lái)，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的溫度有相應(yīng)的升高[26]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用積溫方法分析氣候變化背景下作物熱量條件的變化。熱量變化將引起作物生育期的變化，對(duì)作物生產(chǎn)也將產(chǎn)生相應(yīng)影響[27]。本研究表明：1957-2013年饒陽(yáng)縣6-9月生長(zhǎng)度日(GDD)有明顯差異，順序?yàn)?>8>6>9月。4個(gè)月生長(zhǎng)度日隨年代變化均呈增加趨勢(shì)，增加速率順序?yàn)?>9>6>8月，不同月份生長(zhǎng)度日的增加受不同旬影響，6和8月均為上旬和中旬，7月生長(zhǎng)度日增加主要受上旬和下旬的影響，9月受3個(gè)旬影響。因此，未來(lái)在6-9月生長(zhǎng)的作物生產(chǎn)具有較好的熱量資源。

本文研究區(qū)域饒陽(yáng)縣具有代表性，能夠反映黑龍港地區(qū)的氣候和種植制度。研究結(jié)論能夠?yàn)轲堦?yáng)縣乃至黑龍港地區(qū)6-9月生長(zhǎng)的作物(如谷子、玉米等)水熱變化特征提供理論依據(jù)。