内蒙古参考作物蒸散量时空变化特征

2015-01-06郑磊王耀强杨茜雅

湖北农业科学 2014年12期

郑磊+王耀强+杨茜雅

摘要：利用内蒙古地区50个站点1959～2009年逐日气象资料，采用FAO56 Penman-Monteith方法计算出逐年参考蒸散量，探讨参考作物蒸散量的年际变化特征，运用ArcGIS软件分析参考作物年均蒸散量的空间分布规律，并分析其与气象因子的相关性。结果表明，51年间，内蒙古自治区的参考作物年蒸散量变化速率为-15～42 mm/（10年）;全区的参考作物年均蒸散量从东北部向西部方向呈逐渐增大的趋势;风速和太阳总辐射量是影响参考作物蒸散量变化的主要因子。

关键词：参考作物蒸散量;时空变化;FAO56 Penman-Monteith;ArcGIS;内蒙古

中图分类号：S161.4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）12-2780-04

The Space-time Variation Characteristics of Reference Evapotranspiration

in Inner Mongolia

ZHENG Lei， WANG Yao-qiang， YANG Qian-ya

（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University， Huhhot 010018，China）

Abstract：Based on the daily meteorological measurements of 50 meteorological stations from 1959 to 2009 in the Inner Mongolia， the yearly reference evapotranspiration were estimated with the Penman-Monteith equation. The interannual variation characteristics of the reference crop evapotranspiration（ET0） were studied. The space-time distribution of the ET0 with Arcgis software was analyzed. The correlation between ET0 and meteorological factors were studied. The results showed that the ET0 of the inner Mongolia had an average yearly rate of change of -15～42 mm/10 a in recent 51 years. The ET0 had a tendency of gradually increasing from the northeast to the west of the Inner Mongolia. The average wind speed and solar total radiation were the main factors affecting the ET0.

Key words：references crop evapotranspiration; temporal and spatial variation;FAO56 penman-monteith;ArcGIS;Inner Mongolia

参考作物蒸散量的变化对于整个地球生态系统特别是对农业生态资源系统有着非常重要的影响，在内蒙古自治区水资源紧缺背景下，为了合理利用农业水资源，应根据作物蒸散量需求变化开展节水灌溉，提高水资源的利用效率。准确计算植被蒸散量和了解蒸散量的变化特征及原因对于农业水资源高效利用及制定合理灌溉制度具有重要意义。许多研究者分别对不同地区、不同气候条件下计算参考作物蒸散量的主要方法进行了比较研究，表明用Penman-Monteith公式计算的参考作物蒸散量与实测值最为接近[1-5]。由ASCE（American society of civil engineers）资助的研究组及由欧共体委托在欧洲进行的类似研究也得到了相同的结论[6]。鉴于此，1998年FAO将Penman-Monteith公式确定为计算参考作物蒸散量的标准方法。所以，本研究根据内蒙古自治区的自然地理、水文气候、地形地貌等具体的特点，选取了内蒙古自治区50个气象试验站1959～2009年所测定的气象资料，并运用FAO56 Penman-Monteith方法对这些地区51年的蒸散量进行了计算，并分析了潜在植被蒸散量的时空变化特征和其变化的主要影响因子，对于干旱、半干旱地区的内蒙古自治区而言，对气候、农业、生态等多学科研究领域有着非常重要的作用，也对农业水管理以及农作物旱情预报有着非常重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

内蒙古自治区位于中国的北部边疆，由东北向西南斜伸，呈狭长形，位于37°24′—53°23′N和 97°12′—126°04′ E，区域总面积118.3万km2，全区地貌以蒙古高原为主，平均海拔1 000 m左右，降水普遍不足，从东向西逐渐减少，大部地区年降水量小于300 mm。植被覆盖度较低，从东北的大兴安岭到西部的阿拉善沙漠，植被类型依次为森林、森林草原、草甸草原、禾草草原、草原荒漠、沙质荒漠，呈现明显的经度地带分布。

1.2 数据来源

选用内蒙古自治区部分地面气象站的逐日气象资料，资料年代为1959～2009年。气象因子包括年平均气温、年平均相对湿度、年平均风速和年太阳总辐射量等（其中对于个别气象站缺少部分观测数据的，利用线性插值法推算）。站点包括内蒙古自治区50个地面气象台站，其具体位置分布见图1。endprint

1.3 参考作物蒸散量的计算

Penman-Monteith方法是FAO推荐计算参考作物蒸散量的标准方法，根据参考作物蒸散量的新定义：植物高度为0.12 m，冠层阻抗为70 m/s，反射率0.23，类似于地表开阔，高度一致，生长旺盛完全覆盖地面不缺水的草地蒸发与蒸腾量[7-9]，可得参考作物蒸散量的计算公式如式（1）所示。

ET0=■ （1）

式（1）中，ET0为参考作物蒸散量，mm/d;Δ为饱和水汽压温度曲线上的斜率，kPa/℃;Rn为净辐射量，MJ/（m2·d）;G为土壤热通量，MJ/（m2·d）;r为湿度计常数，kPa/℃;ea和es为气温为T时的实际水汽压和饱和水汽压，kPa;u2为高度2 m处的风速，m/s。

1.4 研究方法

利用Penman-Monteith模型计算出逐年的蒸散量，利用Excel分析参考作物蒸散量的年际变化特征与趋势，利用ArcGIS软件分析参考作物年均蒸散量的时空变化规律，然后选取年平均风速、年平均气温、年太阳总辐射量和年平均相对湿度等气象因子与内蒙古地区参考作物年均蒸散量进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 参考作物蒸散量的年际变化特征与趋势

根据已有的气象资料，通过整理分析，以FAO56 Penman-Monteith方法计算出每个气象站的逐日蒸散量，进而求出逐月、逐年的蒸散量，然后求出其年均蒸散量如表1所示。通过分析50个气象站点51年的年蒸散量可以计算出参考作物年蒸散量变化率为-15～41 mm/（10年）。其中新巴尔虎左旗、扎兰屯、额济纳旗、鄂托克旗、海拉尔、包头6个站点有下降趋势，其中包头站的年蒸散量变化率下降最多，为-15 mm/（10年），其余5个站点的年蒸散量变化率为-6～-8 mm/（10年）;有29个站点的年蒸散量变化率非常显著，其年蒸散量变化率为14～42 mm/（10年），其中锡林浩特市的年蒸散量变化率最为突出，达到了42 mm/（10年）;其余站点也略微有上升的趋势，其中宝国图、扎鲁特旗、阿拉善左旗、吉兰太、杭锦后旗、阿拉善右旗、图里河等7个站点的年蒸散量变化率变化较小，接近零。

2.2 参考作物年均蒸散量的空间分布

利用ArcGIS软件对内蒙古自治区51年的参考作物蒸散量平均值进行空间分布。由图2可见，总体上，全区的参考作物年均蒸散量从东北部向西部方向逐渐增大，地区之间的差异较大，有2个典型的高值区和低值区，西部地区为全区最大值的地区，主要以沙漠为主，气候干旱少雨多风沙，年均蒸散量达到1 000 mm以上，其中内蒙古阿拉善高原的年蒸散量高达1 400 mm以上，局部达到1 645.22 mm;东北地区是全区参考作物蒸散最小的地区之一，一般在1 000 mm以下，海拉尔以北不足600 mm，局部达到最小值531.92 mm。

2.3 参考作物蒸散量影响因子分析

20世纪90年代以后，国内外有关蒸散量变化的趋势和原因有了一定的成果。很多学者也做了大量的研究，像全球大部地区潜在蒸发和蒸发皿观测的蒸发量都呈减少趋势，而引起减少的原因则各不相同，在研究美国加州潜在蒸散变化来源时，发现日潜在蒸散变化与净辐射、相对湿度和云量密切相关[6]。刘普幸等[10]研究了甘肃省近几十年来年均潜在蒸散量，发现其主要与平均风速、太阳总辐射、平均最高气温总体呈显著的正相关关系，而与相对湿度呈显著的负相关关系。Yin等[11]研究了西藏高原蒸散量下降的主要原因是风速和温度。曾丽红等[12]研究表明，中国东北地区蒸散量的空间分布和相对湿度及气温的分布有较紧密的关系。张山清等[13]研究了新疆近几十年蒸散量呈减小的趋势，其主要是由气温上升、日照时间减少、风速减小、空气相对湿度增大等原因综合导致的。

由于参考作物蒸散量的变化主要受气温、风速、日照时间、相对湿度、饱和水汽压差和云量等诸多气象要素影响，不同因素之间也相互影响，所以参考作物蒸散量的变化成因十分复杂[14]。根据现有的气象资料，选取年平均风速、年平均气温、年太阳总辐射量、年平均相对湿度4个气象因子与内蒙古地区参考作物年均蒸散量进行相关性分析。在内蒙古东部、中部、西部分别选择一个具有代表性的站点即海拉尔、呼和浩特、额济纳旗进行相关性分析，结果如表2所示。其中参考作物年均蒸散量与年平均风速、年太阳总辐射量相关性较高，海拉尔、呼和浩特、额济纳旗的参考作物年均蒸散量与年平均风速的相关系数分别为0.811 7、0.791 6、0.850 0，与年太阳总辐射量的相关系数分别为0.671 3、0.796 3、0.857 8，而年平均气温与年平均相对湿度与其相关性较低，表明年平均风速和年太阳总辐射量是影响年蒸散量变化的主要因子。

3 结论与讨论

51年来，内蒙古自治区50个气象站点的参考作物年蒸散量变化率为-15～42 mm/（10年），全区的参考作物年均蒸散量从东北部向西部方向呈逐渐增大的趋势，但不同地区增加的幅度不同。

参考作物蒸散量与气象因子的相关分析表明，内蒙古不同气候区参考作物年均蒸散量与年平均风速、年太阳总辐射量呈良好的正相关关系，风速、太阳总辐射量是导致参考作物蒸散量变化的主要影响因子。若将内蒙古的地形地貌与气象因子结合分析参考作物蒸散量的变化特征，可以更加准确地了解内蒙古高原和平原地区参考作物蒸散量的变化规律和特征。总体来说，参考作物蒸散量的变化是各气象因子综合作用的结果。在这些因子中，主要影响因子的变化对参考作物蒸散量的变化起到了关键性的作用，其他因子则因其与参考作物蒸散量关系的紧密程度和其本身变化趋势起到增加或消减的作用。

参考作物蒸散量的变化在地球生态系统和农业生态系统中扮演着很重要的角色。在内蒙古干旱、半干旱的气候背景下，掌握参考作物蒸散量的变化原因、变化趋势和时空分布，应根据作物蒸散量需求变化，合理开展节水灌溉，充分利用农业水资源，从而提高水分利用效率。endprint

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