田 敏，王 健，朱 鵬，王 飛，呂 新*

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆石河子 832003; 2.周口師范學(xué)院,河南周口 466000)

?

新疆參考作物蒸散量空間變化規(guī)律研究

田 敏1，王 健2，朱 鵬1，王 飛1，呂 新1*

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆石河子 832003; 2.周口師范學(xué)院,河南周口 466000)

摘 要：為全面了解參考作物蒸散量的空間變化對作物種植和生態(tài)環(huán)境的影響,本文運用相關(guān)系數(shù)法、一元線性方程及GIS空間分析功能,分析了新疆59個氣象站近60年的月參考作物蒸散量在不同經(jīng)緯度、海拔區(qū)的變化規(guī)律及空間分布特征。研究結(jié)果表明:在不同經(jīng)度區(qū),3—10月的月參考作物蒸散量與經(jīng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系,其余各月與經(jīng)度之間呈負相關(guān);在不同緯度區(qū),5—9月的月參考作物蒸散量與緯度之間成正相關(guān)關(guān)系,其余各月與緯度呈負相關(guān)關(guān)系;在不同海拔高程區(qū),4月和9月的月參考作物蒸散量與海拔高程呈顯著負相關(guān)、5—8月呈極顯著負相關(guān)關(guān)系; 11—3月的參考作物蒸散量與海拔之間呈正相關(guān)關(guān)系,其中3月相關(guān)性最低,可以忽略。從整體空間分布看在不同的經(jīng)度區(qū),4—10月從低經(jīng)度到高經(jīng)度(從西到東)相關(guān)性逐漸增加,2,3,11,12月參考作物蒸散量從高緯度到底緯度(從北往南)逐漸增加最明顯; 1月大部分地區(qū)亦是從高緯度到低緯度呈增加趨勢,為此可得出新疆月參考作物蒸散量在不同的經(jīng)緯度、海拔區(qū)存在明顯的空間區(qū)域差異。

關(guān)鍵詞：參考作物蒸散量;經(jīng)度;緯度;海拔

文獻著錄格式:田敏,王健,朱鵬,等.新疆參考作物蒸散量空間變化規(guī)律研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,57 (4):563-568.

參考作物蒸散量是研究植被耗水量、評價氣候干旱程度、生產(chǎn)潛力、水資源供需平衡等的重要環(huán)節(jié)[1-2]。同時也是區(qū)域水資源開采、利用、種植結(jié)構(gòu)合理布局的依據(jù)。因而,近年來蒸散量在水文氣象、水資源、農(nóng)業(yè)水土,自然資源等科學(xué)領(lǐng)域中研究非常活躍。隨著對參考作物蒸散量的不斷深入研究,時間尺度上的研究較多[3],而關(guān)于參考作物蒸散量空間變異性的研究相對較少,也不全面,為此本文從經(jīng)、緯度、海拔等3個角度對新疆參考作物蒸散量的影響進行重點分析,預(yù)期為新疆參考作物蒸散量空間變化的了解及區(qū)域參考作物蒸散量的應(yīng)用及立體研究提供理論依據(jù)。

新疆不僅是我國氣候敏感區(qū)之一,也是我國重要的糧食及棉花主產(chǎn)區(qū)之一[4]。該區(qū)域的水資源虧缺制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展,也影響農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[5]。鑒于此,水資源供需狀況及變化特征備受關(guān)注[6]。參考作物蒸散量是區(qū)域作物需水量的基礎(chǔ)參數(shù),準確的估算和科學(xué)客觀的分析是衡量作物需水量的關(guān)鍵,是制定灌溉決策和水資源優(yōu)化配置的重要依據(jù)和基礎(chǔ),為農(nóng)業(yè)合理用水和科學(xué)灌溉提供可靠支撐[7-10]。國內(nèi)外對參考作物蒸散量的研究主要側(cè)重時間尺度上的研究,而本文運用新疆59個氣象站近60年的資料,采用相關(guān)系數(shù)法、一元線性方程及GIS空間分析功能,分析了新疆月參考作物蒸散量在不同經(jīng)緯度、海拔高程區(qū)的變化規(guī)律及空間分布特征,力求為新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展、區(qū)域經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論參考。

1　研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)地處中國的西北邊陲,73°20′41″—96°25′E,34°15′—49°10′45″N。地形復(fù)雜,從北向南分布為阿爾泰山、準噶爾盆地和西部山地、天山、塔里木盆地和南部的帕爾米高原、昆侖山及阿爾金山組成的昆侖山系等五大地貌單元,喻稱三山夾二盆。特殊地形造就溫帶大陸性氣候,多年平均氣溫為- 5～13℃,年輻射量在5 000～6 400 MJ·m-2,年降雨量50～400 mm[11-12]。本研究所選站點分布范圍在75°15′—95°08′E,36°51′—48°03′N,海拔高度為34.5～3 504.4 m,能較好反應(yīng)新疆的地形特征。

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

通過國家氣象局、新疆維吾爾自治區(qū)氣象局、團場氣象站共獲得59個氣象站的氣象數(shù)據(jù),包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風速、相對濕度、日照時數(shù)、氣壓等數(shù)據(jù)。新疆地理信息數(shù)據(jù)由國家基礎(chǔ)地理信息中心提供。

2.2研究方法

2.2.1Penman-Monteith（PM）法

采用Penman-Monteith公式,計算59個氣象站1962—2010年的參考作物蒸散量(ET0)的多年平均值,具體計算方法見參考文獻[13-14]。

2.2.2GIS空間分析方法

克立格(kinging)空間插值法,又稱空間局部插值法,是基于統(tǒng)計學(xué)的插值方法之一。對空間分布具有隨機性和結(jié)構(gòu)性的變量的研究則具有獨特的優(yōu)點[15]。利用區(qū)域化變量原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點,對區(qū)域化變量的未采樣點進行線性無偏、最優(yōu)化估計的插值方法[16]對任一空間變量點的估計值,通過確定對其影響范圍內(nèi)的n個有效觀測值Z (Xi)及其各自的權(quán)重系數(shù)得到,即

式中,λi為氣象觀測值Z (Xi)的權(quán)重系數(shù),權(quán)重系數(shù)由普通克立格或簡單克立格方程組求得。權(quán)重系數(shù)由變量的空間結(jié)構(gòu)性決定,變量的空間結(jié)構(gòu)用半變異函數(shù)γ(h)表示:

式中,h為距離矢量,N (h)為距離為h的采樣點對的數(shù)目。

3　參考作物蒸散量隨經(jīng)度的變化規(guī)律

3.1不同經(jīng)度區(qū)參考作物蒸散量隨經(jīng)度的變化規(guī)律

根據(jù)新疆59個氣象站整理得到的多年平均參考作物蒸散量,分析不同經(jīng)度區(qū)參考作物蒸散量的變化規(guī)律。由圖1可知,不同經(jīng)度區(qū)參考作物蒸散量都在6—7月達到最大值,而88°05′(阿勒泰)最大值出現(xiàn)在5月,85°33′(且末縣)出現(xiàn)在8 月,且8月和5月的月蒸散量相差極小;而11—2月的參考作物蒸散量相對較低,不同經(jīng)度之間的差異也變小了。

圖1　不同經(jīng)度區(qū)ET0變化規(guī)律

3.2參考作物蒸散量隨經(jīng)度的變化規(guī)律

由表1可知,3—10月參考作物蒸散量與經(jīng)度表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。其中,與5—9月呈極顯著正相關(guān),與4月呈顯著正相關(guān),而3月相關(guān)系數(shù)最低,其余月份與經(jīng)度呈負相關(guān)關(guān)系。

表1　參考作物蒸散量與經(jīng)緯度、海拔的相關(guān)系數(shù)

由各月份參考作物蒸散量與經(jīng)度之間的關(guān)系研究(表2)可知,月蒸散量與經(jīng)度呈現(xiàn)y = ax + b的線性關(guān)系,3—10月的a值為正值。再次表明,3—10月期間參考作物蒸散量與經(jīng)度呈一定的正相關(guān)關(guān)系;其余各月a值為負值,呈負相關(guān)關(guān)系。在多年平均月參考作物蒸散量的空間分布上,4—10月從低經(jīng)度到高經(jīng)度(從西到東)逐漸增加。

4　參考作物蒸散量隨緯度的變化規(guī)律

4.1不同緯度區(qū)參考作物蒸散量變化規(guī)律

研究不同緯度區(qū)參考作物蒸散量的變化規(guī)律(圖2)可知,月參考作物蒸散量在不同緯度有所不同。高緯度的48°03′(哈巴河)月最高值出現(xiàn)在6月,隨著緯度的降低,最大值出現(xiàn)延后。如43°09′(昭蘇)出現(xiàn)在8月,翻過天山在42°05′(焉耆)月參考作物蒸散量最大值出現(xiàn)在5月,可見是隨緯度的降低而延后。如在38°09′(且末)出現(xiàn)在8月,而在36°51′(于田)最大值又前移至6月。在10—3月的月參考作物蒸散量相對較小,變異也較小。

表2　各月參考作物蒸散量與經(jīng)、緯度及海拔的關(guān)系

圖2　不同緯度區(qū)ET0變化規(guī)律

4.2參考作物蒸散量隨緯度的變化規(guī)律

根據(jù)各月參考作物蒸散量與緯度的相關(guān)關(guān)系分析(表1)可知,5—9月參考作物蒸散量與緯度之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系,而11—3月的參考作物蒸散量隨緯度的降低而逐步增加,兩者之間呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系。

月參考作物蒸散量與其緯度之間的關(guān)系(表2)研究發(fā)現(xiàn),各月參考作物蒸散量與緯度呈現(xiàn)出y = ax + b的線性關(guān)系,5—9月的a值分別為1.006,2.778,3.448,3.713,0.954均為正值,同樣表明,5—9月兩者間呈正相關(guān)關(guān)系,其余各月a值為負值,參考作物蒸散量與緯度兩者之間均為負相關(guān)關(guān)系。

圖3　1—4月多年平均月ET0空間分布

由圖3和4可知,多年平均月參考作物蒸散量的空間分布來看,2,3,11,12月參考作物蒸散量從高緯度到低緯度(北往南)逐漸增加最明顯; 1月大部分地區(qū)亦是從高緯度到低緯度呈增加趨勢; 4,10月的月參考作物蒸散量從西北向東南逐漸增加。

圖4　5—12月多年平均月ET0空間分布

5　參考作物蒸散量隨海拔的變化規(guī)律

5.1不同海拔區(qū)參考作物蒸散量的變化規(guī)律

研究不同海拔區(qū)參考作物蒸散量的變化規(guī)律可知,不同海拔區(qū)的參考作物蒸散量有所不同(圖3和4)。

由圖5可知,從低海拔到高海拔月參考作物蒸散量最大值出現(xiàn)在7月的占54.2%,且分布區(qū)域廣泛,如310 m (125團)、1 375 m (皮山)、2 175.70 m (烏恰)和3 090 m (塔什庫爾干)等,且月參考作物蒸散量呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律;最大值出現(xiàn)在5,6月的分別占11.8%和20.3%,主要分布在中低海拔高程區(qū)如490.5 m (農(nóng)七師124 團)、887.7 m (若羌)、1 375 m (和田)和1 739 m(巴倫臺)等,亦分別呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律;最大值出現(xiàn)在8月的占11.8%,主要分布在中高海拔高程區(qū),如794 m (奇臺)、1 855 m (昭蘇)、2 458 m (巴音布魯克)等,除1 855 m (昭蘇)、1 247 m (且末)在5月出現(xiàn)略高于6月蒸散量的2次高峰值變化規(guī)律外,其余站點表現(xiàn)為相同的變化規(guī)律;僅有1 116.5 m (巴楚)的月最大值出現(xiàn)在10月,此前3月的月參考作物蒸散量略低于10 月,且3月后逐月降低,7月降到最低值后再回升,10月達到最高值,全年月參考作物蒸散量呈倒“W”形變化規(guī)律。11—2月參考作物蒸散量小,不同海拔區(qū)變異小。

圖5　不同海拔區(qū)ET0變化規(guī)律

5.2參考作物蒸散量隨海拔高度的變化規(guī)律

通過各月參考物作物蒸散量與海拔高度之間的相關(guān)關(guān)系分析(表2)可知,4—10月月參考作物蒸散量與海拔之間呈負相關(guān)關(guān)系。其中,4月和9月呈顯著負相關(guān),5—8月呈極顯著負相關(guān)關(guān)系; 11—3月的參考作物蒸散量與海拔之間呈正相關(guān)關(guān)系,其中3月相關(guān)性最低,可以忽略。進一步分析參考作物蒸散量與海拔之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn),月參考作物蒸散量與海拔高度呈y = ax + b的線性關(guān)系,其中4—10月的a值均為負值,其他各月均為正值。同樣表明,4—10月的月參考作物蒸散量與海拔高度之間為負相關(guān)關(guān)系,其余各月正相關(guān)關(guān)系,但3月不存在相關(guān)性。

6　小結(jié)

不同經(jīng)、緯度和海拔地區(qū)參考作物蒸散量的變化規(guī)律不同,隨經(jīng)緯度的增加,7月最大值有所增大,而隨海拔高度的增加有降低趨勢。

4—10月參考作物蒸散量隨經(jīng)度的增加而變大,緯度在5—9月隨緯度的增加亦變大,除3月蒸散量隨經(jīng)度變化不明顯外,其余各月份隨經(jīng)緯度的增加而有減少趨勢。而4—10月參考作物蒸散量隨海拔高度的增加而減少; 11—2月參考作物蒸散量隨海拔高度的增加而增加,唯有3月變化不明顯,原因有待于進一步探索。

從月參考作物蒸散量的空間分布看,隨經(jīng)緯度的變化比較明顯。11—2月的參考作物蒸散量成隨緯度的遞減而增加的空間變化趨勢,5—9月隨經(jīng)度的遞增而增加的空間變化趨勢,4月和10月是參考作物蒸散量隨經(jīng)緯度變化的轉(zhuǎn)變期。

參考文獻:

[1]ALLEN R G,PEREIRA L S,RAES D,et al.Crop evapotranspiration:guidelines for computing crop water requirements[J].Rome:FAO,Irrigation and drainage paper,1998,56:377-384.

[2]毛飛,張光智,徐祥德.參考作物蒸散量的多種計算方法及其結(jié)果的比較[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2000,11 (增刊),128-136.

[3]王榮英,李新,陳瑞敏,等.衡水市參考作物蒸散量的時空變化特征及其氣候成因[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2013 (3):294-300.

[4]劉曉英,李玉中,郝衛(wèi)平.華北主要作物需水量近50年變化趨勢及原因[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21 (10):155-159.

[5]林耀明,任鴻遵,于靜潔,等.華北平原的水土資源平衡研究[J].自然資源學(xué)報,2000,15 (3):252-258.

[6]蔣業(yè)放.華北地區(qū)缺水分析[J].中國水利,2000 (1):23-25.

[7]劉園,王穎,楊曉光.華北平原參考作物蒸散量變化特征及氣候影響因素[J].生態(tài)學(xué)報,2010 (4):923-932.

[8]樊軍,王全九,郝明德.利用小蒸發(fā)皿觀測資料確定參考作物蒸散量方法研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006 (7):14-17.

[9]王瀟瀟,潘學(xué)標,顧生浩,等.內(nèi)蒙古地區(qū)參考作物蒸散變化特征及其氣象影響因子[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015 (S1):142-152.

[10]曹雯,申雙和,段春鋒.西北地區(qū)近49年生長季參考作物蒸散量的敏感性分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2011 (3):375-381.

[11]張學(xué)文,張家寶.新疆氣象手冊[M].北京:氣象出版社,2006:128-130.

[12]仲嘉亮.基于GIS的新疆多年平均降雨量空間插值精度比較研究[J].沙漠與綠洲氣象,2010,4 (4):51-54.

[13]張青山,普宗朝.新疆參考作物蒸散量時空變化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27 (5):73-79.

[14]普宗朝,張山清,王勝蘭,等.近36年新疆天山山區(qū)潛在蒸散量變化特征及其與南北疆的比較[J].干旱區(qū)研究,2009,26 (3):424-432.

[15]吳文玉,馬曉群,陳曉藝,等.GIS支持下安徽省近35 a參考作物蒸散量的時空變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26 (2):251-256.

[16]史建國,嚴昌榮,何文清,等.黃河流域潛在蒸散量時空格局變化分析[J].干旱區(qū)研究,2007,24 (6):773-778.

(責任編輯：張瑞麟)

中圖分類號：S161

文獻標志碼：A

文章編號：0528-9017(2016)04-0563-05

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160434

收稿日期:2016-02-13

基金項目:國家科技支撐計劃(2011BAD29B06-01);八師中小企業(yè)專項(2014QY13)

作者簡介:田 敏(1970—),副教授,在讀博士,主要從事精準農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)信息化研究工作,E-mail:1013735666@qq.com。

通信作者:呂 新,E-mail:94662061@qq.com。