孫云嶺，楊樹(shù)青，劉德平

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150030)

參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)指的是土壤水分充足，地面完全覆蓋、生長(zhǎng)狀態(tài)良好、高矮整齊的開(kāi)闊(長(zhǎng)、寬均在200 m以上)綠草地(高3～15 cm)的蒸發(fā)蒸騰量[1,2]。ET0是灌區(qū)水文循環(huán)研究的重要內(nèi)容，也是水文模型中水量平衡分析及氣候變化評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[3]。由于ET0主要受氣象因子和地理?xiàng)l件的影響，不同地區(qū)ET0在數(shù)量和時(shí)空分布上變化趨勢(shì)和變化幅度也不同。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在不同區(qū)域或地區(qū)利用FAO推薦的Penman-Monteith公式進(jìn)行了大量的ET0時(shí)空變化特征研究[4-6]，Homas[7]利用中國(guó)1954-1993年65個(gè)站點(diǎn)的逐月氣象資料分析了潛在蒸發(fā)的時(shí)空變化趨勢(shì)，研究結(jié)果表明東北和西南地區(qū)潛在蒸發(fā)呈增加趨勢(shì)，西北和東南則為下降趨勢(shì)；陳超等[8]認(rèn)為日照時(shí)數(shù)是導(dǎo)致四川盆地參考作物蒸散量減少的主要原因；李春強(qiáng)等[9]認(rèn)為，1965-1999年風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)是河北省參考作物蒸散量下降的主要原因，而氣溫升高對(duì)其影響不顯著。還有研究表明干旱、半干旱地區(qū)和半濕潤(rùn)地區(qū)的參考作物蒸發(fā)蒸騰量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，濕潤(rùn)地區(qū)則相對(duì)穩(wěn)定[10]。

本文基于呼倫貝爾市7個(gè)縣區(qū)及與其接壤的隸屬于黑龍江省的6個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料，50年的連續(xù)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全市不同區(qū)域ET0的時(shí)間變異特征、年際變化規(guī)律進(jìn)行深入分析，并在此基礎(chǔ)上得到呼倫貝爾地區(qū)ET0的空間分布特征。由于全球氣候變化及人類活動(dòng)的影響，農(nóng)業(yè)需水量急劇增長(zhǎng)，水資源供需矛盾突出，且目前尚未有關(guān)該區(qū)ET0時(shí)空變化規(guī)律的研究報(bào)道，因此，研究結(jié)果對(duì)該區(qū)生態(tài)環(huán)境優(yōu)化協(xié)調(diào)、水資源優(yōu)化配置以及河流水資源分配及水環(huán)境評(píng)估有重要意義[11-14]。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取呼倫貝爾市7個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站作為研究站點(diǎn)，同時(shí)利用呼倫貝爾市周邊地區(qū)的6個(gè)氣象站點(diǎn)輔助研究(如圖1所示)。研究資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，收集1961-2010年逐月氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度和水汽壓等氣象要素。

圖1 研究區(qū)域及典型站點(diǎn)分布圖Fig.1 Study area and typical stations distribution in Hulun Buir

1.2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量的確定

參考作物需水量只受氣象條件的影響，故可根據(jù)相應(yīng)時(shí)段(日、旬或月)的氣象參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本文利用國(guó)際糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼蒙特斯(Peman-Monteith，P-M)公式計(jì)算ET0，P-M公式的詳細(xì)計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)[15,16]。

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為植物冠層表面太陽(yáng)凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實(shí)際水氣壓，kPa；Δ為飽和水氣壓-溫度曲線斜率，kPa/℃；γ為濕度表常數(shù)，kPa/℃；T為空氣平均溫度，℃；u2為地面以上2m高處風(fēng)速，m/s。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用Excel對(duì)所有氣象資料進(jìn)行計(jì)算分析和處理，包括壞數(shù)剔除、缺失插補(bǔ)、年際變化趨勢(shì)分析等；利用MATLAB對(duì)ET0進(jìn)行Mann-Kendall時(shí)間序列突變檢驗(yàn)；采用SPSS對(duì)ET0與氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析。

基于中國(guó)縣級(jí)地形矢量圖，在GIS軟件ArcMap10下利用數(shù)據(jù)管理工具獲得研究區(qū)域及典型氣象站點(diǎn)分布圖，采用克里金(Kriging)插值法獲得逐月及作物生育期內(nèi)ET0的空間分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量的空間分布

2.1.1 作物全生育期ET0的空間分布

全生育期ET0的空間分布如圖2所示，由呼倫貝爾北部的額爾古納向西南的新巴爾虎右旗逐漸變大。最小值出現(xiàn)在額爾古納市的東北部，ET0<370mm，而新巴爾虎右旗與新巴爾虎左旗地區(qū)生育期ET0>500mm，為全市最大值。

圖2 呼倫貝爾市作物全生育期ET0的空間分布Fig.2 Spatial distribution of ET0 in the whole growth period of crops in Hulun Buir

2.1.2 生育期內(nèi)逐月ET0的空間分布

利用ARCGIS中克里金插值法對(duì)由公式(1)計(jì)算的典型站點(diǎn)參考作物蒸發(fā)蒸騰量進(jìn)行空間插值，得到呼倫貝爾市作物生育期內(nèi)的逐月ET0的空間變化如圖3所示。

圖3 呼倫貝爾市生育期內(nèi)逐月ET0的空間分布Fig.3 Spatial distribution of monthly ET0 in Hulun Buir

如圖3所示，從空間變化來(lái)看，呼倫貝爾市作物生育期內(nèi)逐月ET0變化趨勢(shì)與作物全生育期空間變化規(guī)律相似，均由呼倫貝爾市北部向西南地區(qū)逐漸增加。全市ET0最小值出現(xiàn)在額爾古納北部，各月值在42～100mm之間；逐月ET0最大值主要出現(xiàn)在呼倫貝爾西南部的新巴爾虎右旗地區(qū)，其中5月和6月均高于140mm。從時(shí)間變化來(lái)看，逐月ET0隨時(shí)間變化呈逐月遞減趨勢(shì)，其中5月ET0最高，在88～158mm之間，9月最低為42～71mm之間變化。

2.2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量的年際變化

2.2.1 作物全生育期ET0的年際變化

利用公式(1)計(jì)算逐年各站作物全生育期內(nèi)的ET0，通過(guò)Origin繪制年際變化如圖4所示，并求出50年各站ET0線性趨勢(shì)公式詳見(jiàn)表1。

呼倫貝爾市作物全生育期內(nèi)參考作物蒸發(fā)蒸騰量的年際變化如圖4所示?？梢?jiàn)，呼倫貝爾各地區(qū)作物全生育期ET0值大小差異明顯，且年際間呈波動(dòng)變化，但各地區(qū)變化趨勢(shì)并不明顯。由圖4(a)所示，全生育期ET0年平均值大小為新巴爾虎左旗>滿洲里>扎蘭屯>額爾古納；由圖4(b)所示，全生育期ET0平均值大小為新巴爾虎右旗>莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治區(qū)>海拉爾。50年全生育期ET0線性趨勢(shì)與多項(xiàng)式趨勢(shì)對(duì)比見(jiàn)表1，新巴爾虎左旗ET0線性傾斜率為-1.309 2mm/a<0，說(shuō)明新巴爾虎左旗ET0年際間呈下降趨勢(shì)；而二次多項(xiàng)式系數(shù)小于零，說(shuō)明其ET0年際間呈先升后降趨勢(shì)，二者對(duì)于近些年ET0趨勢(shì)變化結(jié)果一致。呼倫貝爾市其余各站點(diǎn)線性傾斜率均大于零，說(shuō)明各地區(qū)ET0年際間呈微弱上升趨勢(shì)；對(duì)于二次多項(xiàng)式而言，扎蘭屯和莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治區(qū)系數(shù)小于零，近些年ET0呈下降趨勢(shì)，與線性趨勢(shì)結(jié)果不符。然而，呼倫貝爾市7個(gè)縣級(jí)地區(qū)50年ET0回歸擬合度較低，R2值在0.0012～0.1897之間，因此需要進(jìn)一步分析其各站年際變化趨勢(shì)。

2.2.2 生育期內(nèi)逐月ET0的年際變化

呼倫貝爾市各地區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量50年的線性變化趨勢(shì)如表2，由表2可見(jiàn)，滿洲里和莫力達(dá)瓦逐月ET0線性傾斜

圖4 呼倫貝爾市作物全生育期ET0年際變化圖Fig.4 Interannual variation of ET0 in the whole growth period of crops in Hulun Buir

表1 近50年呼倫貝爾市各站ET0趨勢(shì)對(duì)比Tab.1 Comparison of ET0 trends in Hulun Buir stations in recent 50 years

率均為正值，表示ET0的年際變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，額爾古納、扎蘭屯、海拉爾、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗的5月份和6月份以及新巴爾虎左旗7月份ET0線性傾斜率均為負(fù)值，表示其ET0的年際變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

表2 1961-2014年呼倫貝爾市ET0線性變化趨勢(shì) mm/10 aTab.2 The linear trend rate of monthly ET0 in Hulunbeier from 1961 to 2014

從逐月ET0線性傾斜率來(lái)看，5月與6月除滿洲里和莫力達(dá)瓦為上升趨勢(shì)外，其他地區(qū)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中新巴爾虎左旗下降趨勢(shì)最強(qiáng)，5月與6月線性傾斜率分別為-4.681和-6.032 mm/10 a，而莫力達(dá)瓦上升趨勢(shì)最強(qiáng)，分別為6.636和5.786 mm/10 a；7月僅新巴爾虎左旗顯著下降，其線性傾斜率達(dá)-3.616 mm/10 a，滿洲里上升趨勢(shì)最強(qiáng)，為4.584 mm/10 a；相對(duì)于其他月份，8月為生育期內(nèi)ET0變化趨勢(shì)最強(qiáng)的月份，9月較8月趨勢(shì)相近，但其線性傾斜率卻略有下降。

從各月平均ET0線性變化趨勢(shì)來(lái)看，除新巴爾虎左旗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)外，其他站點(diǎn)均表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)；莫力達(dá)瓦上升趨勢(shì)最強(qiáng)，其線性傾斜率為3.938 mm/10 a，其次是滿洲里，為3.113 mm/10 a，海拉爾站線性傾斜率為1.496 mm/10 a，其余各站上升趨勢(shì)不明顯。

2.3 參考作物蒸發(fā)蒸騰量的突變檢驗(yàn)

2.3.1 作物全生育期ET0的突變檢驗(yàn)

為了確保呼倫貝爾市各站作物全生育期內(nèi)ET0年際變化趨勢(shì)分析結(jié)果更準(zhǔn)確，對(duì)全生育期ET0進(jìn)行Mann-Kendall時(shí)間序列分析檢驗(yàn)，趨勢(shì)確定及顯著性檢驗(yàn)的具體方法參考文獻(xiàn)[17]，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 呼倫貝爾市1961-2014年全生育期參考作物蒸發(fā)蒸騰量 Mann-Kendall檢驗(yàn)Tab.3 1961-2014 the whole growth period of reference crop evapotranspiration Mann-Kendall test in Hulun Buir

由表3可見(jiàn)，各站Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果均大于零且不高于顯著性α=0.05時(shí)的臨界值1.96，因此，呼倫貝爾市1961-2014年全生育期參考作物蒸發(fā)蒸騰量均呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)。由于ET0主要受氣象因子和地理?xiàng)l件的影響，參考作物蒸散量變化的氣候成因有待進(jìn)一步分析論證。

2.3.2 生育期內(nèi)逐月ET0的突變檢驗(yàn)

利用MATLAB對(duì)呼倫貝爾市1961-2014年作物生育期內(nèi)逐月ET0進(jìn)行Mann-Kendall時(shí)間序列突變檢驗(yàn)，變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 呼倫貝爾市1961-2014年逐月參考作物蒸發(fā)蒸騰量 Mann-Kendall檢驗(yàn)Tab.4 1961-2014 monthly of reference crop evapotranspiration Mann-Kendall test in Hulun Buir

呼倫貝爾市各站作物生育期內(nèi)逐月ET0系列M-K統(tǒng)計(jì)量的值均大于零，其中滿洲里的6月和9月、莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治區(qū)的6月及海拉爾的9月統(tǒng)計(jì)量值大于顯著性α=0.05時(shí)的臨界值1.96，ET0年際間上升趨勢(shì)顯著，其余各月呼倫貝爾地區(qū)統(tǒng)計(jì)量值大于零且小于顯著性α=0.05時(shí)的臨界值1.96，ET0年際間上升趨勢(shì)不顯著。

2.4 參考作物蒸散量變化的氣候成因

對(duì)呼倫貝爾市參考作物蒸散量與平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、氣溫日較差、日照時(shí)數(shù)、降水量、平均風(fēng)速、水汽壓和相對(duì)濕度共9項(xiàng)因子進(jìn)行相關(guān)分析(N=648)，其結(jié)果見(jiàn)表5。由表可見(jiàn)，各站點(diǎn)作物全生育期ET0與最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫和水氣壓相關(guān)系數(shù)基本均在0.8以上，且均通過(guò)了P=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；與相對(duì)濕度為負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)基本小于-0.6，且除扎蘭屯通過(guò)P=0.05水平外其他各地區(qū)均通過(guò)了P=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；ET0與降雨量、氣溫日較差及日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)；滿洲里ET0與平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，其他各地ET0與平均風(fēng)速呈正相關(guān)，且均通過(guò)了P=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。比較而言，氣溫與水氣壓是對(duì)ET0影響最大的兩個(gè)氣象因素。

表5 呼倫貝爾市參考作物蒸散量與各氣候因子的相關(guān)系數(shù)Tab.5 The correlation coefficient between ETo and climate factors in Hulun Buir

可見(jiàn)，最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、氣溫日較差與降雨量在新巴爾虎左旗ET0相關(guān)系數(shù)最大，對(duì)新巴爾虎左旗影響最大，其次為新巴爾虎右旗；相對(duì)濕度和水氣壓對(duì)滿洲里影響最顯著，其次為海拉爾和額爾古納地區(qū)；平均風(fēng)速與滿洲里呈負(fù)相關(guān)，而與其他地區(qū)呈正相關(guān)且對(duì)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治區(qū)影響最大；日照時(shí)數(shù)對(duì)滿洲里和新巴爾虎地區(qū)影響較大，對(duì)海拉爾和額爾古納地區(qū)影響最小。

3 結(jié)論與討論

(1)1961-2014年作物生育期內(nèi)逐月及全生育期參考作物蒸發(fā)蒸騰量的空間變化均呈北低南高趨勢(shì), 即由呼倫貝爾北部的額爾古納向西南的新巴爾虎右旗逐漸變大，其結(jié)果與張山清[18]在新疆地區(qū)研究成果一致，呼倫貝爾市出現(xiàn)此規(guī)律的原因是由于北部地區(qū)海拔高度高，氣溫較低，日照時(shí)數(shù)變小，風(fēng)速變大原因綜合作用的結(jié)果；從時(shí)間變化來(lái)看，作物生育期內(nèi)ET0隨時(shí)間推移呈逐月遞減趨勢(shì)，其中5月ET0最高，在88～158 mm之間，9月最低為42～71 mm之間變化。而楊廣等對(duì)北疆滴灌春小麥參考作物蒸發(fā)蒸騰量的研究結(jié)果為先增大后減小[19]，由于影響參考作物蒸發(fā)蒸騰量氣候因素復(fù)雜多樣，是多種因素共同作用的結(jié)果，由于地點(diǎn)不同氣候條件差異性較大引起的。

(2)對(duì)于ET0的年際變化而言，作物全生育期ET0年際間呈波動(dòng)變化，除扎蘭屯和莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治區(qū)線性趨勢(shì)與多項(xiàng)式趨勢(shì)不一致外，僅新巴爾虎左旗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其他地區(qū)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從逐月ET0的年際變化來(lái)看，滿洲里和莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治區(qū)逐月ET0均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其他站點(diǎn)生育期內(nèi)則呈現(xiàn)出5、6月份呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，結(jié)果與王瀟瀟[20]研究成果趨于一致，由于呼倫貝爾市大部分地區(qū)為草甸草原，各類型草原輻射項(xiàng)的月值呈上升趨勢(shì)，大部分動(dòng)力學(xué)項(xiàng)的月值呈下降的趨勢(shì)，其中5、6月份大部分區(qū)域下降顯著。7、8、9三個(gè)月基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。其中莫力達(dá)瓦上升趨勢(shì)最強(qiáng)，其各月平均線性傾斜率為3.938 mm/10a。但是由于歷年ET0與趨勢(shì)線擬合度較低，因此需要進(jìn)一步分析其各站年際變化趨勢(shì)。

(3)1961-2014年作物生育期內(nèi)逐月及全生育期ET0突變檢驗(yàn)結(jié)果均為正值，ET0年際間呈上升趨勢(shì)；其中滿洲里的6月和9月、莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治區(qū)的6月及海拉爾的9月統(tǒng)計(jì)量的值高于顯著性α=0.05時(shí)的臨界值1.96，即上升趨勢(shì)顯著。

(4)各站點(diǎn)作物全生育期ET0變化與相對(duì)濕度為負(fù)相關(guān)，與其他氣象因子呈正相關(guān)關(guān)系，其中影響ET0最大的兩個(gè)氣象因素為氣溫與水氣壓，二者與ET0的相關(guān)系數(shù)基本均在0.8以上，均通過(guò)了P=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；影響ET0最大的氣象因素由于地區(qū)不同而不同。這與目前東北地區(qū)的研究結(jié)果出現(xiàn)分歧[21,22]原因可能在不同地區(qū)的下墊面條件、地形以及氣候等方面均存在差異，因此其結(jié)果有待進(jìn)一步研究。