呼伦贝尔市参考作物蒸散量的时空分布及其气候成因

孙云岭，杨树青，刘德平

(1.内蒙古农业大学，呼和浩特 010018；2.东北农业大学，哈尔滨 150030)

参考作物蒸发蒸腾量(ET0)指的是土壤水分充足，地面完全覆盖、生长状态良好、高矮整齐的开阔(长、宽均在200 m以上)绿草地(高3～15 cm)的蒸发蒸腾量[1,2]。ET0是灌区水文循环研究的重要内容，也是水文模型中水量平衡分析及气候变化评价的重要指标[3]。由于ET0主要受气象因子和地理条件的影响，不同地区ET0在数量和时空分布上变化趋势和变化幅度也不同。国内外许多学者在不同区域或地区利用FAO推荐的Penman-Monteith公式进行了大量的ET0时空变化特征研究[4-6]，Homas[7]利用中国1954-1993年65个站点的逐月气象资料分析了潜在蒸发的时空变化趋势，研究结果表明东北和西南地区潜在蒸发呈增加趋势，西北和东南则为下降趋势；陈超等[8]认为日照时数是导致四川盆地参考作物蒸散量减少的主要原因；李春强等[9]认为，1965-1999年风速和日照时数是河北省参考作物蒸散量下降的主要原因，而气温升高对其影响不显著。还有研究表明干旱、半干旱地区和半湿润地区的参考作物蒸发蒸腾量呈现减少趋势，湿润地区则相对稳定[10]。

本文基于呼伦贝尔市7个县区及与其接壤的隶属于黑龙江省的6个农业气象观测资料，50年的连续气象观测数据对全市不同区域ET0的时间变异特征、年际变化规律进行深入分析，并在此基础上得到呼伦贝尔地区ET0的空间分布特征。由于全球气候变化及人类活动的影响，农业需水量急剧增长，水资源供需矛盾突出，且目前尚未有关该区ET0时空变化规律的研究报道，因此，研究结果对该区生态环境优化协调、水资源优化配置以及河流水资源分配及水环境评估有重要意义[11-14]。

1 资料与方法

1.1 数据来源

选取呼伦贝尔市7个农业气象观测站作为研究站点，同时利用呼伦贝尔市周边地区的6个气象站点辅助研究(如图1所示)。研究资料来源于中国气象科学数据共享服务网，收集1961-2010年逐月气象资料，包括平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、降水量、平均风速、相对湿度和水汽压等气象要素。

图1 研究区域及典型站点分布图Fig.1 Study area and typical stations distribution in Hulun Buir

1.2 参考作物蒸发蒸腾量的确定

参考作物需水量只受气象条件的影响，故可根据相应时段(日、旬或月)的气象参数进行计算。本文利用国际粮农组织(FAO)推荐的彭曼蒙特斯(Peman-Monteith，P-M)公式计算ET0，P-M公式的详细计算步骤参考文献[15,16]。

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Rn为植物冠层表面太阳净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压-温度曲线斜率，kPa/℃；γ为湿度表常数，kPa/℃；T为空气平均温度，℃；u2为地面以上2m高处风速，m/s。

1.3 数据分析与处理

利用Excel对所有气象资料进行计算分析和处理，包括坏数剔除、缺失插补、年际变化趋势分析等；利用MATLAB对ET0进行Mann-Kendall时间序列突变检验；采用SPSS对ET0与气象要素进行相关性分析。

基于中国县级地形矢量图，在GIS软件ArcMap10下利用数据管理工具获得研究区域及典型气象站点分布图，采用克里金(Kriging)插值法获得逐月及作物生育期内ET0的空间分布。

2 结果与分析

2.1 参考作物蒸发蒸腾量的空间分布

2.1.1 作物全生育期ET0的空间分布

全生育期ET0的空间分布如图2所示，由呼伦贝尔北部的额尔古纳向西南的新巴尔虎右旗逐渐变大。最小值出现在额尔古纳市的东北部，ET0<370mm，而新巴尔虎右旗与新巴尔虎左旗地区生育期ET0>500mm，为全市最大值。

图2 呼伦贝尔市作物全生育期ET0的空间分布Fig.2 Spatial distribution of ET0 in the whole growth period of crops in Hulun Buir

2.1.2 生育期内逐月ET0的空间分布

利用ARCGIS中克里金插值法对由公式(1)计算的典型站点参考作物蒸发蒸腾量进行空间插值，得到呼伦贝尔市作物生育期内的逐月ET0的空间变化如图3所示。

图3 呼伦贝尔市生育期内逐月ET0的空间分布Fig.3 Spatial distribution of monthly ET0 in Hulun Buir

如图3所示，从空间变化来看，呼伦贝尔市作物生育期内逐月ET0变化趋势与作物全生育期空间变化规律相似，均由呼伦贝尔市北部向西南地区逐渐增加。全市ET0最小值出现在额尔古纳北部，各月值在42～100mm之间；逐月ET0最大值主要出现在呼伦贝尔西南部的新巴尔虎右旗地区，其中5月和6月均高于140mm。从时间变化来看，逐月ET0随时间变化呈逐月递减趋势，其中5月ET0最高，在88～158mm之间，9月最低为42～71mm之间变化。

2.2 参考作物蒸发蒸腾量的年际变化

2.2.1 作物全生育期ET0的年际变化

利用公式(1)计算逐年各站作物全生育期内的ET0，通过Origin绘制年际变化如图4所示，并求出50年各站ET0线性趋势公式详见表1。

呼伦贝尔市作物全生育期内参考作物蒸发蒸腾量的年际变化如图4所示。可见，呼伦贝尔各地区作物全生育期ET0值大小差异明显，且年际间呈波动变化，但各地区变化趋势并不明显。由图4(a)所示，全生育期ET0年平均值大小为新巴尔虎左旗>满洲里>扎兰屯>额尔古纳；由图4(b)所示，全生育期ET0平均值大小为新巴尔虎右旗>莫力达瓦达斡尔族自治区>海拉尔。50年全生育期ET0线性趋势与多项式趋势对比见表1，新巴尔虎左旗ET0线性倾斜率为-1.309 2mm/a<0，说明新巴尔虎左旗ET0年际间呈下降趋势；而二次多项式系数小于零，说明其ET0年际间呈先升后降趋势，二者对于近些年ET0趋势变化结果一致。呼伦贝尔市其余各站点线性倾斜率均大于零，说明各地区ET0年际间呈微弱上升趋势；对于二次多项式而言，扎兰屯和莫力达瓦达斡尔族自治区系数小于零，近些年ET0呈下降趋势，与线性趋势结果不符。然而，呼伦贝尔市7个县级地区50年ET0回归拟合度较低，R2值在0.0012～0.1897之间，因此需要进一步分析其各站年际变化趋势。

2.2.2 生育期内逐月ET0的年际变化

呼伦贝尔市各地区参考作物蒸发蒸腾量50年的线性变化趋势如表2，由表2可见，满洲里和莫力达瓦逐月ET0线性倾斜

图4 呼伦贝尔市作物全生育期ET0年际变化图Fig.4 Interannual variation of ET0 in the whole growth period of crops in Hulun Buir

表1 近50年呼伦贝尔市各站ET0趋势对比Tab.1 Comparison of ET0 trends in Hulun Buir stations in recent 50 years

率均为正值，表示ET0的年际变化呈现上升趋势，额尔古纳、扎兰屯、海拉尔、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗的5月份和6月份以及新巴尔虎左旗7月份ET0线性倾斜率均为负值，表示其ET0的年际变化呈现下降趋势。

表2 1961-2014年呼伦贝尔市ET0线性变化趋势 mm/10 aTab.2 The linear trend rate of monthly ET0 in Hulunbeier from 1961 to 2014

从逐月ET0线性倾斜率来看，5月与6月除满洲里和莫力达瓦为上升趋势外，其他地区均呈现下降趋势，其中新巴尔虎左旗下降趋势最强，5月与6月线性倾斜率分别为-4.681和-6.032 mm/10 a，而莫力达瓦上升趋势最强，分别为6.636和5.786 mm/10 a；7月仅新巴尔虎左旗显著下降，其线性倾斜率达-3.616 mm/10 a，满洲里上升趋势最强，为4.584 mm/10 a；相对于其他月份，8月为生育期内ET0变化趋势最强的月份，9月较8月趋势相近，但其线性倾斜率却略有下降。

从各月平均ET0线性变化趋势来看，除新巴尔虎左旗呈现下降趋势外，其他站点均表现出不同程度的上升趋势；莫力达瓦上升趋势最强，其线性倾斜率为3.938 mm/10 a，其次是满洲里，为3.113 mm/10 a，海拉尔站线性倾斜率为1.496 mm/10 a，其余各站上升趋势不明显。

2.3 参考作物蒸发蒸腾量的突变检验

2.3.1 作物全生育期ET0的突变检验

为了确保呼伦贝尔市各站作物全生育期内ET0年际变化趋势分析结果更准确，对全生育期ET0进行Mann-Kendall时间序列分析检验，趋势确定及显著性检验的具体方法参考文献[17]，分析结果见表3。

表3 呼伦贝尔市1961-2014年全生育期参考作物蒸发蒸腾量 Mann-Kendall检验Tab.3 1961-2014 the whole growth period of reference crop evapotranspiration Mann-Kendall test in Hulun Buir

由表3可见，各站Mann-Kendall检验结果均大于零且不高于显著性α=0.05时的临界值1.96，因此，呼伦贝尔市1961-2014年全生育期参考作物蒸发蒸腾量均呈现不显著上升趋势。由于ET0主要受气象因子和地理条件的影响，参考作物蒸散量变化的气候成因有待进一步分析论证。

2.3.2 生育期内逐月ET0的突变检验

利用MATLAB对呼伦贝尔市1961-2014年作物生育期内逐月ET0进行Mann-Kendall时间序列突变检验，变化趋势统计结果如表4所示。

表4 呼伦贝尔市1961-2014年逐月参考作物蒸发蒸腾量 Mann-Kendall检验Tab.4 1961-2014 monthly of reference crop evapotranspiration Mann-Kendall test in Hulun Buir

呼伦贝尔市各站作物生育期内逐月ET0系列M-K统计量的值均大于零，其中满洲里的6月和9月、莫力达瓦达斡尔族自治区的6月及海拉尔的9月统计量值大于显著性α=0.05时的临界值1.96，ET0年际间上升趋势显著，其余各月呼伦贝尔地区统计量值大于零且小于显著性α=0.05时的临界值1.96，ET0年际间上升趋势不显著。

2.4 参考作物蒸散量变化的气候成因

对呼伦贝尔市参考作物蒸散量与平均气温、最低气温、最高气温、气温日较差、日照时数、降水量、平均风速、水汽压和相对湿度共9项因子进行相关分析(N=648)，其结果见表5。由表可见，各站点作物全生育期ET0与最高气温、最低气温、平均气温和水气压相关系数基本均在0.8以上，且均通过了P=0.01水平的显著性检验；与相对湿度为负相关，相关系数基本小于-0.6，且除扎兰屯通过P=0.05水平外其他各地区均通过了P=0.01水平的显著性检验；ET0与降雨量、气温日较差及日照时数呈正相关；满洲里ET0与平均风速呈负相关，其他各地ET0与平均风速呈正相关，且均通过了P=0.01水平的显著性检验。比较而言，气温与水气压是对ET0影响最大的两个气象因素。

表5 呼伦贝尔市参考作物蒸散量与各气候因子的相关系数Tab.5 The correlation coefficient between ETo and climate factors in Hulun Buir

可见，最高气温、最低气温、平均气温、气温日较差与降雨量在新巴尔虎左旗ET0相关系数最大，对新巴尔虎左旗影响最大，其次为新巴尔虎右旗；相对湿度和水气压对满洲里影响最显著，其次为海拉尔和额尔古纳地区；平均风速与满洲里呈负相关，而与其他地区呈正相关且对莫力达瓦达斡尔族自治区影响最大；日照时数对满洲里和新巴尔虎地区影响较大，对海拉尔和额尔古纳地区影响最小。

3 结论与讨论

(1)1961-2014年作物生育期内逐月及全生育期参考作物蒸发蒸腾量的空间变化均呈北低南高趋势, 即由呼伦贝尔北部的额尔古纳向西南的新巴尔虎右旗逐渐变大，其结果与张山清[18]在新疆地区研究成果一致，呼伦贝尔市出现此规律的原因是由于北部地区海拔高度高，气温较低，日照时数变小，风速变大原因综合作用的结果；从时间变化来看，作物生育期内ET0随时间推移呈逐月递减趋势，其中5月ET0最高，在88～158 mm之间，9月最低为42～71 mm之间变化。而杨广等对北疆滴灌春小麦参考作物蒸发蒸腾量的研究结果为先增大后减小[19]，由于影响参考作物蒸发蒸腾量气候因素复杂多样，是多种因素共同作用的结果，由于地点不同气候条件差异性较大引起的。

(2)对于ET0的年际变化而言，作物全生育期ET0年际间呈波动变化，除扎兰屯和莫力达瓦达斡尔族自治区线性趋势与多项式趋势不一致外，仅新巴尔虎左旗呈现下降趋势，其他地区均呈现上升趋势。从逐月ET0的年际变化来看，满洲里和莫力达瓦达斡尔族自治区逐月ET0均呈现上升趋势，其他站点生育期内则呈现出5、6月份呈现下降趋势，结果与王潇潇[20]研究成果趋于一致，由于呼伦贝尔市大部分地区为草甸草原，各类型草原辐射项的月值呈上升趋势，大部分动力学项的月值呈下降的趋势，其中5、6月份大部分区域下降显著。7、8、9三个月基本呈现上升趋势。其中莫力达瓦上升趋势最强，其各月平均线性倾斜率为3.938 mm/10a。但是由于历年ET0与趋势线拟合度较低，因此需要进一步分析其各站年际变化趋势。

(3)1961-2014年作物生育期内逐月及全生育期ET0突变检验结果均为正值，ET0年际间呈上升趋势；其中满洲里的6月和9月、莫力达瓦达斡尔族自治区的6月及海拉尔的9月统计量的值高于显著性α=0.05时的临界值1.96，即上升趋势显著。

(4)各站点作物全生育期ET0变化与相对湿度为负相关，与其他气象因子呈正相关关系，其中影响ET0最大的两个气象因素为气温与水气压，二者与ET0的相关系数基本均在0.8以上，均通过了P=0.01水平的显著性检验；影响ET0最大的气象因素由于地区不同而不同。这与目前东北地区的研究结果出现分歧[21,22]原因可能在不同地区的下垫面条件、地形以及气候等方面均存在差异，因此其结果有待进一步研究。