1965-2018年河南省参考作物蒸散量季节变化及成因分析

陈建杰

(1.中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，河南 郑州 450003； 2.驻马店市气象局，河南 驻马店 463000)

0 引言

【研究意义】参考作物蒸散量(ET0)是估算作物需水量计算中的一个关键参数，其在表征大气蒸散能力、评价气候干旱程度、植被耗水量、生产潜力以及水资源供需平衡中有不可或缺的作用[1-5]。ET0空间分布既受气候影响，又受地理环境的影响，区域差异性明显。在全球变暖背景下，气温、风速、太阳辐射等气象要素的变化，必然导致ET0在时空上的变化。在全球气候变化背景下，阐明河南省季节ET0的年际变化，分析其主要气象影响因素，可为该区域的水资源合理规划和农业水资源利用效率的提高等方面提供依据，对于积极应对气候变化、调整作物种植区划等具有重要意义[6]。【前人研究进展】近年来越来越多的学者对ET0的变化特征开展了大量的研究工作[7-9]。研究表明，中国大部分地区ET0呈不同程度的下降趋势[9]，其中华北平原[10]大部分气象站呈显著下降趋势。影响ET0的主导气象因素空间差异明显，这主要因为ET0与温度、日照时数、风速和相对湿度等气象因素间关系复杂、并非简单的线性关系[11]。李迎等[12]研究表明，ET0与温度、风速和日照时间呈正相关，与相对湿度呈负相关。胡琦等[13]指出，风速的负贡献是导致ET0降低的主导因子。华北平原ET0受日照时数、相对湿度、日较差和风速的综合影响[9]。姬兴杰等[14]研究显示，年ET0均表现出与风速呈负相关且相关系数最大，风速减小是导致河南省年ET0呈显著减小的主要原因。可见区域不同、气候特点不同，ET0的变化特征及影响因素也有所差异。【研究切入点】河南省地势西高东低，北、西、南三面由太行山、伏牛山、桐柏山、大别山沿省界呈半环形分布；中、东部为黄淮海冲积平原；西南部为南阳盆地。平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.7%、26.6%、17.7%。河南省大部分地处暖温带，南部跨亚热带，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，同时还具有自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的特征，具有四季分明、雨热同期、复杂多样和气象灾害频繁的特点。农作物种植制度以冬小麦和夏玉米轮作一年两熟为主，水资源短缺是制约该省农业发展的主要因素之一[9,15]。【拟解决的关键问题】综合分析各气候要素对河南省各区域ET0的作用和影响，准确估算和科学分析作物需水量，研究其时空变化特征，以监测农作物需水量及指导农田合理灌溉。

1 材料与方法

1.1 材料

按照地理和气候条件将河南省分为6个区域(图1)，分别为豫北(安阳、鹤壁、濮阳、济源、焦作、新乡)、豫西(三门峡、洛阳)、豫中(郑州、平顶山、许昌、漯河)、豫东(开封、商丘、周口)、豫西南(南阳)和豫南(驻马店信阳)。1965-2018年河南省时间序列完整的99个气象站点的逐日降水量、相对湿度、日照时数、最高气温、最低气温、风速及各站点的经、纬度和海拔高度等数据均来源于中国气象数据网。

图1 研究区域与气象站点分布Fig.1 The study area and distribution of meteorological stations

1.2 方法

运用FAO1998年推荐的Penman-Monteith公式[16]计算各区域逐日参考作物蒸散量的季节平均值[17]，利用Microsoft Excel和SPSS统计软件，结合ArcGIS10，采用气候线性倾向率法[18]、Pearson相关分析及偏相关分析等方法进行数理统计分析，并进行显著性检验，分析季参考作物蒸散量的时空变化特征及其气候影响因素。

式中，ET0为参考作物蒸散量(mm/d2)，Rn为净辐射[MJ/(m2· d2)]，G为土壤热通量[MJ/(m2·d2)]，T为日平均气温(℃)，u2为2 m高处风速(m/s)，es为饱和水汽压(Kpa)，ea为实际水汽压(Kpa)，△为饱和水汽压-温度曲线斜率(Kpa/℃)，γ为干湿表常数(Kpa/℃)。

2 结果与分析

2.1 参考作物蒸散量的季节和区域变化特征

2.1.1 季节变化 从图2看出，1965-2018年，河南省春、夏、秋、冬季参考作物蒸散量均呈下降趋势，气候倾向率分别为-2.5 mm/10a、-14.2 mm/10a、-5.4 mm/10a、-3.6 mm/10a，其中夏、秋、冬季通过0.01水平的显著性检验，春季减少趋势不明显。春、夏、秋、冬季参考作物蒸散量变异系数分别为7.5%、8.8%、8.5%、16.3%，即冬季参考作物蒸散量年际波动最明显，其次是夏季和秋季。

注：**表示通过0.01水平的显著性检验。Note: **represents passing the significance test of 0.01 level.图2 研究区域1965-2018年不同季节的参考作物蒸散量Fig.2 Reference crop evapotranspiration in the study area in four seasons during 1965-2018

2.1.2 区域变化 从表1看出，各区域1965-2018年参考作物蒸散量气候倾向率四季变化豫西、豫西南和豫南的春季为正值，即呈上升趋势，但变化不明显；其余区域各季节的均为负值，呈下降趋势。各区域夏季参考作物蒸散量气候倾向率绝对值均大于10 mm/10a，且均通过0.01水平的显著性检验，说明夏季参考作物蒸散量下降趋势最显著；秋、冬两季为下降趋势，春季豫西、豫西南和豫南为上升趋势，其余各区也为微降趋势，且秋季变化趋势较显著、冬季变化趋势不显著。整体上，各季节参考作物蒸散量的气候倾向率绝对值依次为夏季>秋季>冬季>春季。

表1 各区域1965-2018年参考作物蒸散量的季节平均值及气候倾向率Table 1 Seasonal average values and climate tendency rates of reference crop evapotranspiration in each region during 1965—2018

2.2 参考作物蒸散量的四季空间变化特征

从图3看出，1965-2018年河南省春季参考作物蒸散量空间变化特征较明显，为北高南低纬向型分布，全省变化范围在255～320 mm，从北部的最高值320 mm逐渐过渡到南部的270 mm，西南部大部分和豫南部局最低不足270 mm。夏、秋两季参考作物蒸散量空间变化大致为东高西低经向型分布；豫西和豫西南为低值区，夏季变化范围在350～390 mm，秋季在150～185 mm；东部的高值区夏、秋两季有所不同，夏季高值区内为北高南低，秋季高值区内为北低南高。冬季参考作物蒸散量空间变化为中部高、周边低；豫北、豫西和豫中局部为高值区，豫北北部、豫东东部和河南西部为中值区，豫西西部和豫北东北部为低值区；参考作物蒸散量大部分区域变化范围在85～105 mm，高值区变化范围在105～115 mm。

图3 各区域不同季节参考作物蒸散量的空间分布Fig.3 The spatial distribution of reference crop evapotranspiration in the study area in four seasons

2.3 不同季节参考作物蒸散量与气象要素的相关性

从表2看出，不同季节参考作物蒸散量与降水、相对湿度、日照时数、平均气温、最高气温、最低气温和风速间的相关性有一定的差异。

表2 季节参考作物蒸散量与气象要素相关系数及偏相关系数Table 2 Partial correlation coefficient and correlation coefficient between seasonal reference crop evapotranspiration and meteorological elements

2.3.1 春季 参考作物蒸散量与降水、相对湿度、日照时数和风速极显著相关，相关系数的绝对值排序为日照时数>相对湿度>降水>风速。偏相关性分析显示，春季参考作物蒸散量与相对湿度、日照时数、平均气温和风速极显著相关，偏相关系数的绝对值为风速>日照时数>相对湿度>平均气温。表明风速和日照时数的减少是造成春季参考作物蒸散量减少的首要原因。

2.3.2 夏季 参考作物蒸散量与日照时数、平均气温、最高气温和风速极显著相关，相关系数的绝对值为日照时数>风速>最高气温>平均气温。偏相关分析显示，夏季参考作物蒸散量与相对湿度、日照时数和风速极显著相关，偏相关系数的绝对值为日照时数>风速>相对湿度。表明，日照时数和风速的减少是造成夏季参考作物蒸散量减少的首要原因。

2.3.3 秋季 参考作物蒸散量与平均气温、最高气温、最低气温和风速极显著相关，相关系数的绝对值为风速>平均气温>最低气温>最高气温。偏相关关系分析显示，秋季参考作物蒸散量与相对湿度、日照时数、最高气温和风速极显著相关，相关系数的绝对值为风速>日照时数>相对湿度>最高气温。表明，风速和日照时数的减少是造成秋季参考作物蒸散量减少的首要原因。

2.3.4 冬季 参考作物只与平均气温、最低气温和风速极显著相关，相关系数的绝对值为风速>平均气温>最低气温。偏相关关系分析显示，冬季参考作物蒸散量与相对湿度和风速极显著相关，相关系数的绝对值排序为风速>相对湿度。表明，风速和相对湿度的减少是造成冬季参考作物蒸散量减少的首要原因。

综上，风速的减小、日照时数的缩短和相对湿度的减少是造成河南省参考作物蒸散量减小的主要原因。

3 讨论

地理条件及气候条件不同，参考作物蒸散量的变化规律和影响因素也有所差异。杨永刚等[2]研究表明，我国粮食主产区中，华北平原及辽宁省参考作物蒸散量的下降趋势极为显著，其他区域下降趋势不明显，部分地区以增大为主。影响参考作物蒸散量变化的主要气象要素有气温、日照时数、相对湿度和风速等，区域不同主导因子也有所差异[8,13,19-22]。引起参考作物蒸散量变化的原因多样化、复杂化，除受文中所列主要气象因子影响外，还受其他气象因子影响，并与人类活动、下垫面变化等有关。参考作物蒸散量的估算是确定作物需水量的基础，作物需水量是提高农田水分利用效率及制定农田灌溉制度必不可少的关键参数，而作物生长具有一定的季节性，因此，还需要对作物生长季内的参考作物蒸散量变化及成因作进一步的分析研究。

4 结论

河南省1965-2018年春季参考作物蒸散量呈减少趋势，夏季下降趋势最显著，秋季变化趋势较显著，冬、春季变化趋势不显著。各季节参考作物蒸散量的气候倾向率绝对值依次为夏季>秋季>冬季>春季。春季参考作物蒸散量为北高南低纬向型分布；夏、秋两季均为东高西低经向型分布；冬季变化呈中部高、周边低的带状分布特点。风速和日照时数是影响春、夏、秋季参考作物蒸散量的主要气象因子，风速和相对湿度是影响冬季参考作物蒸散量的主要气象因子；风速的减小、日照时数的缩短和相对湿度的减少是河南省参考作物蒸散量减小的主要原因。