楊 劍,孫小舟

（襄樊學(xué)院,湖北襄樊替換為 441053）

西遼河流域春玉米需水量變化趨勢

楊 劍,孫小舟

（襄樊學(xué)院,湖北襄樊替換為 441053）

西遼河流域在區(qū)域和國家糧食安全中地位重要,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,用水量增加導(dǎo)致水資源緊缺,作物需水量可為該區(qū)作物灌溉和區(qū)域灌溉需水量提供定量依據(jù),采用Penman-Monteith模型和春玉米5～9月的作物系數(shù)計算了西遼河流域10個氣象臺站1951年～2005年春玉米需水量,采用Mann-Kendall法對全生育期需水量、生育期各月需水量和各氣象要素變化趨勢進行了分析,并對春玉米需水量和各氣象因子進行了灰色關(guān)聯(lián)分析.研究結(jié)果表明:（1）西遼河流域全生育期需水量增加和減少的站點各占1半,5月份需水量的增減對全生育期需水量的增減有重要影響;（2）最高氣溫、風速、日照時數(shù)或者平均氣溫與春玉米需水量的關(guān)聯(lián)程度最高,風速和日照時數(shù)對西遼河流域春玉米需水量影響最大.

作物需水量;Penman-Monteith模型;Mann-Kendall法;西遼河流域

作物需水量是制定作物灌溉制度和區(qū)域灌溉需水量計劃的基本依據(jù).該問題已成為學(xué)者關(guān)注的熱點之一.眾多學(xué)者對其進行了研究,曹紅霞[1]等研究了關(guān)中地區(qū)氣候變化對主要農(nóng)作物需水量的影響;認為日照時數(shù)和風速的降低是夏玉米需水量減少的主要原因;李應(yīng)林[2]等分析了我國春玉米水分的供需狀況,表明我國春玉米主要種植區(qū)內(nèi)氣候條件是有利的;劉宏誼[3]等對甘肅主要作物需水時空分布規(guī)律分析認為,甘肅近40年來作物需水量呈下降趨勢,并且河西地區(qū)下降趨勢明顯大于河?xùn)|;馬鵬里[4]等研究了甘肅農(nóng)作物需水量隨氣候變化的響應(yīng),認為越是干旱的地區(qū)需水量越大,越是濕潤的地區(qū)需水量越小,Anadranistakis[5]等用SW模型研究了希臘的小麥和玉米需水量,認為這個模型是評估希臘作物需水量和制定灌溉計劃的可靠工具,Beyazgül[6]等用6種方法計算了土耳其西部葛蒂茲盆棉花的需水量,認為 Penman-Monteith法精度最高.

基于作物需水量在區(qū)域水循環(huán)過程和水資源利用中的關(guān)鍵作用,本研究選取降水、氣溫、風速、濕度、日照時數(shù)等氣象要素,采用 Penman-Montieth模型和作物系數(shù)計算了春玉米作生長季各月需水量,運用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗Mann-Kendall（MK）法,揭示了西遼河流域近50多年來春玉米需水量的變化特點及其趨勢,以期為當?shù)啬酥琳麄€農(nóng)牧交錯帶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源利用、區(qū)域植被重建和生態(tài)恢復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)與決策支持.

1 研究區(qū)概況

西遼河流域地處中國北方農(nóng)牧交錯帶的東段三北交界區(qū) ,介于 116°10′～123°35′E、41°24′～45°40′N 之間,行政區(qū)劃上包含內(nèi)蒙古、河北、遼寧和吉林4省區(qū)的23個縣級行政單位,土地面積約為20.09×104km2,研究區(qū)位置如圖1所示.地處農(nóng)牧交錯帶的西遼河流域是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)域與牧業(yè)區(qū)域相交匯和過度的地帶,是生態(tài)環(huán)境非常脆弱、全球氣候變化最敏感的地區(qū)之一[7],西遼河平原是國家和內(nèi)蒙古自治區(qū)的重要商品糧基地,2000年國民經(jīng)濟各行業(yè)用水中,農(nóng)業(yè)用水占各行業(yè)用水量的80%[8].近年來,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,西遼河流域取用水量不斷增強,導(dǎo)致流域徑流量日益減少、河道斷流頻繁發(fā)生、草場退化、林木矮化,許多濕生植物被耐旱植物代替等環(huán)境問題.可利用水資源的短缺已經(jīng)成為限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一.由此,制定合理的作物灌溉制度以及區(qū)域灌溉計劃,已經(jīng)成為有效利用水資源和制定區(qū)域水資源利用規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

圖1 西遼河流域的地理位置及其氣象站點分布圖Fig.1 Location of Xiliaohe River basin and its weather station

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 資料來源

本研究所采用的氣象臺站數(shù)據(jù)主要包含了西遼河流域10個臺站的1951年～2005（部分數(shù)據(jù)為1957年～2005）月平均溫度、降水、相對濕度、日照時數(shù)等資料,原始數(shù)據(jù)源于國家氣象局氣象信息中心以及內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局,氣象臺站的分布情況如圖1所示.西遼河流域多年春玉米生長期起止日期為5.1～9.27,所以本研究把5～9月確定為生長期,春玉米生育期不同月份 Kc（作物系數(shù)）值見表1.

表1 西遼河流域春玉米5～9月 Kc取值[9]

Tab.1 The Kc from May to September and the average in Xiliaohe River watershed

5月 6月 7月 8月 9月 全生育期平均0.2 0.58 1.57 1.61 0.66 0.89

2.2 計算方法

作物需水量采用 FAO Penman-Monteith[10]公式和作物系數(shù)來計算,其計算公式為:

ETm為作物需水量;Kc為作物系數(shù);ET0為參考作物蒸散量,可由（2）式計算求得;

式中,ET0為可能蒸散量,單位為mm·d-1;Rn為地表凈輻射,單位為 MJ·m-2·d-1;G為土壤熱通量,單位為 MJ·m-2·d-1;T為2m高處日平均氣溫,單位為℃;U2為 2m高處風速,單位為ms-1;es為飽和水氣壓,單位為kPa;ea為實際水氣壓,單位為kPa;Δ為飽和水氣壓曲線斜率,單位為kPa℃-1;γ為干濕表常數(shù),單位為 kPa℃-1.趨勢檢驗的方法采用Mann-Kendall法[11-12],以下簡稱M-K法.用灰色關(guān)聯(lián)法[13]分析各氣象因子對春玉米需水量的影響.

Mann-Kendall法（簡稱為M-K法）最初由 H.B.Mann和 M.G.Kendall提出,后經(jīng)眾多學(xué)者進一步完善和改進,逐步形成目前的計算方法并主要應(yīng)用于氣候和徑流趨勢和突變分析,在本研究中主要用于氣候變化趨勢的檢測.這一方法的優(yōu)點在于不僅計算簡便,而且可以明確突變開始的時間.具體計算步驟為:

對于具有n個樣本量的時間序列x,構(gòu)造一秩序列sk:

由公式（1）和（2）可知,秩序列sk是第i時刻數(shù)值大于 j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù).在時間序列隨機獨立的假設(shè)下,定義統(tǒng)計量U Fk

式中,U F1=0,E（sk）和var（sk）分別是累計數(shù)sk的均值和方差,在 x1,x2,…,xn相互獨立,且有相同連續(xù)分布時,它們可由公式（4）計算得到:

U Fi為標準正態(tài)分布,它是按時間序列 x順序x1,x2,…,xn計算出的統(tǒng)計量序列,給定顯著水平 a,查正態(tài)分布表,若|U Fi|>Ua,則表明序列存在明顯的趨勢變化.

按時間序列x逆序xn,xn-1,…,x1再重復(fù)上述過程,同時使 UBk=-U Fk（K=n,n-1,…,1）UB1=0.在這里給定顯著水平α=0.05,那么|U Fi|大于1.96說明該點有顯著變化,若U Fi的值大于0,則表明序列成上升趨勢,若小于0則表明呈下降趨勢.

3 結(jié)果分析

3.1 西遼河流域全生育期春玉米需水量變化趨勢

表2為西遼河流域1951年～2005年春玉米作物需水量M-K法的計算結(jié)果,M-K法的計算結(jié)果表明:扎魯特、西烏珠穆沁、翁牛特、赤峰和雙遼5個站點春玉米多年作物需水量呈下降趨勢,下降未超過0.05顯著水平,下降不顯著,扎魯特和雙遼較其他站點下降明顯;巴林左、林西、開魯、通榆和通遼5個站點春玉米多年作物需水量呈上升趨勢,上升未超過0.05顯著水平,上升不顯著,開魯和通榆上升較其他站點明顯.

表2 西遼河流域全生育期春玉米需水量變化趨勢（M-K法）Tab.2 The variation trend of the spring maize water requirement in Xiliaohe River watershed during the whole growing period（M-K method）

表中正值表示呈上升趨勢,負值表示下降趨勢,其絕對值大于1.96表示通過0.05顯著水平檢驗.

3.2 西遼河流域生長季各月春玉米需水量變化趨勢

為了進一步研究西遼河流域春玉米作物需水量的變化趨勢,本研究運用M-K法對西遼河流域各站點生育期（5～9月）的春玉米需水量變化趨勢進行了分析,從表2可以看出,扎魯特和雙遼5—9月春玉米需水量均呈下降趨勢,下降未超過0.05顯著水平（±1.96）,下降不顯著;5月份只有開魯和通遼呈上升趨勢,上升不顯著;6月和7月上升和下降的站點各占一半,上升和下降均未超過0.05顯著水平（±1.96）,上升和下降都不顯著;8月和9月除扎魯特和雙遼下降外,其余各站點均呈上升趨勢,其中通遼9月上升趨勢顯著,超過0.05顯著水平線（±1.96）.從表1和表2對比來看,春玉米生育期總需水量呈下降趨勢的5個站點中,5月份春玉米需水量下降趨勢較其他站點明顯,西烏珠穆沁和翁牛特下降顯著（|U F|<1.96）;春玉米生育期總需水量呈上升趨勢的站點5月份需水量呈弱上升趨勢或者略有下降,其余幾月基本為上升趨勢.由此可以看出,西遼河流域5月份春玉米需水量對生育期總需水量影響明顯,5月份需水量的增減對生育期需水量的增減有重要影響.

表中正值表示呈上升趨勢,負值表示下降趨勢,其絕對值大于1.96表示通過0.05顯著水平檢驗.

表3 西遼河流域生長季各月春玉米需水量變化趨勢（M-K法）Tab.3 Every month's spring maize water requirement variation trend in Xiliaohe River watershed（M-K method）

4 西遼河流域春玉米需水量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度分析

論文選取扎魯特、開魯、通榆和雙料為典型站點,以春玉米需水量為參考序列,平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水、風速和日照時數(shù)為比較序列,求得各比較序列與參考序列的關(guān)聯(lián)度（表4）,結(jié)果表明:西遼河流域5～9月各站點對春玉米需水量影響最大的因素為最高氣溫,日照、風速和平均氣溫,這個四個因素在不同的月份關(guān)聯(lián)序不同,影響最小的為降水和相對濕度.總之,溫度、風速和日照時數(shù)是影響西遼河流域春玉米需水量的主要因素,降水和相對濕度的影響最小.

表4 西遼河流域各氣象因子與春玉米作物需水量之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.4 The grey incidence for meteorological factors and the spring maize water requirement in Xiliaohe River Watershed

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

西遼河流域各站點春玉米需水量有增有減,但增加和減少都不顯著.5月份需水量的對春玉米整個生育期需水量有重要影響.

灰色關(guān)聯(lián)分析表明,風速、日照、最高氣溫、平均氣溫是影響春玉米需水量的重要因素,春玉米需水量呈下降趨勢的站點風速和日照時數(shù)下降趨勢顯著,呈增加趨勢的站點風速和日照時數(shù)下降不顯著,有的站點有的月份甚至呈增加趨勢,最高氣溫、風速和日照時數(shù)對春玉米需水量影響最大.

5.2 討論

據(jù)研究[14],西遼河流域多年來氣溫基本為顯著上升趨勢,降雨多為不顯著下降趨勢,若只以氣溫和降雨來研究氣候變化對作物需水量的影響,必然得出需水量顯著增加的結(jié)論.但實際上,即使在氣溫增加和降雨減少的情況下,西遼河流域有5個站點需水量呈下降趨勢.這是因為影響蒸散量的另兩個重要因子—日照和風速同時也在減小.因此,僅用氣溫和降雨指標研究氣候變化對作物需水量的影響具有一定局限性.

西遼河流域日照或輻射的下降趨勢與某些研究結(jié)論[15-16]相一致.Stanhill等[15]利用全球范圍內(nèi)過去50年的數(shù)據(jù),分析了到達地球表面的輻射能量,發(fā)現(xiàn)太陽輻射顯著下降.全球平均每年下降0.05～0.51 Wm-2,相當于每10年下降2.7%,總體下降20 Wm-2.這似乎與全球變暖的事實相互矛盾,因為在到達地面的能量顯著減少的情況下,地球在過去的半個世紀怎么可能會變暖?他們在考察了所有的可能因素后,認為最有可能的原因是人類活動產(chǎn)生的氣溶膠及其它空氣污染物,改變了大氣尤其是云的光學(xué)特性,溫室氣體的增加是氣溫上升的一個重要原因.

[1]曹紅霞,粟曉玲,康紹忠,等.關(guān)中地區(qū)氣候變化對主要作物需水量影響的研究[J].2008,27（4）:6-9.

[2]李應(yīng)林,高素華.我國春玉米水分供需狀況分析[J].氣象,2002,28（2）:29-33.

[3]劉宏誼,馬鵬里,楊興國,等.甘肅省主要農(nóng)作物需水量時空變化特征分析[J].2005,23（1）:39-44.

[4]馬鵬里,楊興國,陳端生,等.農(nóng)作物需水量隨氣候變化的響應(yīng)研究[J].2006,26（2）:348-353.

[5]Anadranistakis M,Liakatas A,Kerkides P,et al.Crop water requirements[C]model tested for crops grown in Greece[J].Agricultural water management,2000,45（3）:297-316.

[6]Beyazgül M,Kayam Y,Engelsman F.Estimation methods for crop water requirements in the Gediz Basin of western Turkey[J].journal of hydrology,2000,229:19-26.

[7]葉篤正,陳泮勤.中國的全球變化預(yù)研究[M].北京:氣象出版社,1992.

[8]趙學(xué)山,石 華.西遼河流域水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J].內(nèi)蒙古水利,2004,（4）:19-21.

[9]劉光啟.農(nóng)業(yè)速查速算手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:66.

[10]Allen R G,Pereira L S,Raes D,et al.Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements[C].FAO Irrigation and drainage paper NO.56,FAO,Rome,Italy.

[11]Kadioglu M.Trends in surface air temperature data over Turkey[J].International Journal of Climatology,1997,17（5）:511-520.

[12]Buffoni L,Maugeri M,Nanni T.Precipitation in Italy from 1833 to 1996[J].Theoretical and Applied Climatology.1999,63:33-40.

[13]劉思峰,黨耀國,方志耕,等.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用（第三版）[M].北京:科學(xué)出版社,2004:61-69.

[14]孫小舟,封志明,楊艷昭,等.西遼河流域近 60年來氣候變化趨勢分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2009,23（9）:62-66.

[15]Stanhill G,Cohen S.Global dimming:a review of the evidence for a widespread and significant reduction in global radiation with discussion of its probable causes and possible agricultural consequences[J].Agricultural and Forest Meteorology,2001,107（4）:255-278.

[16]Roderick M L,Farquhar G D.The cause of decreased pan evaporation over the past 50 years[J].Science.2002,298:1410-1411.

Abstract:Xiliaohe River watershed plays an important role in regional and national grain security.With the development of society and economy,water consumption that increased dramatically causes water shortages.Crop water requirement can provide quantitative basis for making regional irrigation scheme.This study uses Penman-Monteith（PM）formula and spring maize coefficient from may to September to calculate the spring maize water requirement at ten meteorological station in Xiliaohe River watershed from 1951 to 2005,and uses Mann-Kendall method to analyze the variation trend of the spring maize water requirement during the whole growing period,every month water requirement,meteorological factors from May to September,and analyzes the degree of grey incidence between the water requirement and meteorological influencing factors.The results show:（1）:the spring maize water requirement increases at half of the stations and decreases at another half of the stations in Xiliaohe River watershed during the whole growing stages,water requirement increasing or decreasing in May has great impact on water requirement during whole growth stages.（2）:the mean monthly maximum air temperature,Wind speed,sunshine or mean air temperature have highest relevancy with crop water requirement.Wind speed and sunshine have great effects on spring maize water requirement in Xiliaohe River watershed.

Key words:crop water requirement;Penman-Monteith formula;Mann-Kendall method;Xiliaohe River watershed

Climate-induced changes in spring maize water requirement in Xiliaohe River watershed

YAN GJian,SUN Xiaozhou
（Xiangfan University,Xiangfan,Hubei 441053）

Q945.17

A

1000-1190（2010）04-0691-05

2010-05-10.

＊E-mail:yangjian990111@163.com.