黑龙港流域典型地区6-9月水热变化特征

刘朋程，郭安强，王占彪，崔海英，郝洪波，李明哲 *

(1. 河北省农林科学院旱作农业研究所/河北省农作物抗旱研究实验室，河北 衡水 053000；2. 中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000)

【研究意义】黑龙港地区在全国农业生产中占有重要的战略地位，其粮食产量对于确保全国的粮食安全具有重要意义[1]。水热资源的变化对黑龙港作物生产和农业可持续发展有着重要的影响。饶阳县位于黑龙港流域，其气候特点在黑龙港流域具有代表性，因此，分析饶阳县水热资源变化特征，对黑龙港流域制定谷子、玉米等作物的灌溉制度及生产有着重要意义。【前人研究进展】参考作物蒸散 (ET0) 是水文循环过程中的关键环节，其对于制定作物灌溉制度、规划区域农业用水等方面均存在直接影响，是作物需水量预测及灌区水资源管理的重要参数[2-3]。前人利用Penman-Monteith公式对ET0进行了一系列的研究，并在此基础上分析了ET0与气象因素的关系[4,6]。苗正伟等[7]对河北地区参考作物蒸散量变化特征进行了分析，发现全年和四季ET0均呈下降趋势。杨加林等[8]分析了ET0与温度、日照时数、相对湿度和风速的关系，发现ET0对温度、日照时数和风速的变化正敏感，对相对湿度的变化负敏感。降水距平百分率是一种传统干旱监测指标，显示降水长期平均或正常百分比[9]。国内学者基于降水距平百分率对干旱评价进行了大量研究，韦开等[10]把降水距平百分率作为干旱指标，计算了陕西省各地区出现不同程度干旱的频率，为陕西省抗旱减灾工作提供了科学依据。李雪纯等[11]计算了不同季节的降水距平百分率，发现秋旱发生频率最高、强度最大、干旱范围最广，其次是夏旱、冬旱和春旱。生长度日(Growing degree days，GDD)是指植物在某一特定环境因子影响下完成一个生育阶段所累积的有效积温[12]。国内外学者普遍采用积温方法分析气候变化背景下作物热量条件的变化，其结果可以对植物生长发育过程进行定量分析[13]，进而对作物生育期进行预测。【本研究切入点】饶阳县主要农作物：谷子、玉米、高粱、大豆等的生长主要集中在6-9月，因此，分析该阶段的水热资源变化特征对作物的生产有着重要的影响。【拟解决的关键问题】本文基于降水距平百分率和生长度日，并结合参考作物蒸散量对4个月份的水热资源变化进行分析，旨在探究气候变化背景下黑龙港流域作物生长阶段干旱发生情况及热量资源有效性的变化，为减少干旱灾害及充分利用热量资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究所用气象资料来自中国气象数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，选取饶阳气象站自1957-2013年逐日气象资料，包括日最高气温、最低气温、降水量、日照时数、风速、相对湿度等指标，并计算逐日ET0。

1.2 研究方法

1.2.1 参考作物蒸散量 利用FAO推荐的Penman-Monteith公式[14]计算ET0

(1)

式中，Rn为冠层表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；T为平均温度， ℃；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线在T处的切线斜率，kPa·℃-1；r为湿度计常数，kPa· ℃-1；U2为2 m高处的风速，m·s-1。

1.2.2 有效降水量 有效降水量指总降水量中能够渗入土壤并储存在作物根系吸水层中的降雨量，采用下式计算[15]：

Pe=σ·P

(2)

式中：Pe是某次降水的有效雨量；P是该次降水总量；σ是降雨的有效利用系数，当P≤5 mm时，σ=0；当5 mm50 mm时，σ=0.74。

1.2.3 降水距平百分率 按照气象干旱等级国家标准[16]，用月尺度单站降水距平百分率划分干旱等级：

(3)

1.2.4 气候倾向率 将某一要素年际间变化趋势采用线性回归方程分析，得到如下公式[17]：

y=a0+a1t

(4)

式中：t代表年份(t=1，2，…，n)；a0为常数；a1为回归系数，10a1表示要素每10年的变化率，即气候倾向率。

1.2.5 生长度日 生长度日(growing degree days,GDD)是一个分析作物生长的热量指标, 本文指日平均温度大于10 ℃ 的有效积温。其计算过程如下[18]：

表1 降水量距平百分率划分的干旱等级(月尺度)

Table 1 Classification of drought by percentage of precipitation anomaly(Monthly Scale)

等级类型降水量距平百分率,Dp(%)1无旱Dp>-402轻旱-60

(5)

式中:Tave代表日平均温度,Tbase代表生长季生物学下限温度(10 ℃)。

1.3 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013软件进行整理和图表绘制，Eviews 8.0对数据进行相关分析、回归分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 谷子生长时期参考作物蒸散量和有效降水量变化特征

由图1可知，4个月份参考作物蒸散量的大小顺序为6>7>8>9月，多年平均值分别为168.00、141.65、120.86和93.19 mm。各月作物参考蒸散量均呈下降趋势，通过参考作物蒸散量随年际变化趋势的统计检验可知，6和8月呈极显著下降趋势(P≤0.01)，下降速率分别为5.85和2.59 mm·10a-1；9月呈显著下降趋势(P≤0.05)，下降速率为1.46 mm·10a-1；7月呈不显著下降趋势，下降速率为1.96 mm·10a-1(表2)。通过对各月份逐旬蒸散量分析可知，6月蒸散量的下降主要受中下旬的影响，6月中旬蒸散量呈显著下降趋势，下旬呈极显著下降趋势，下降速率分别为1.39和 3.09 mm·10a-1。7月蒸散量的下降主要是中旬显著下降引起的，下降速率为1.08 mm·10a-1。8和9月2个月在不同旬阶段均呈不显著下降趋势，对2个月份影响最明显的旬阶段分别是8月上旬和9月中旬，下降速率分别为1.25和0.61 mm·10a-1。

图1 谷子生长时期参考作物蒸散量的年代变化特征

表2 参考作物蒸散量和有效降水量在不同旬阶段的气候倾向率

表3 作物参考蒸散量与气象因子的相关分析

注：*和**分别表示相关性达显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)，下同。

Note：*and** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same as below．

图2 6-9月各月降水距平百分率年代变化特征

2.2 影响各阶段参考作物蒸散量的气象因子分析

参考作物蒸散量受气温、日照时数、太阳辐射和风速等气象因子的综合影响，但在不同阶段，各气象因子的影响情况有所不同，因此，在不同月份作参考作物蒸散量与气象因子的相关分析(表3)，结果表明，平均气温、最高气温、太阳辐射、日照时数和平均风速5项气象因子在6、7和9月均与参考作物蒸散量呈正相关关系，且均通过了显著性检验(P<0.05)。平均气温、最高气温、太阳辐射和平均风速4项气象因子在8月均与参考作物蒸散量呈正相关关系，且均通过了显著性检验(P<0.05)。平均相对湿度和降水量2项气象因子在4个月份中均与参考作物蒸散量呈负相关关系，且均通过了显著性检验(P<0.05)。

2.3 干旱特征分析

采用降水距平百分率对饶阳县不同年份的干旱程度进行判定(判定标准见表1)。结果显示(图2，表3)，4个月份发生干旱频率的大小顺序为9>6>8>7月，6和7月发生干旱的频率为33.33 %和19.30 %，均以轻旱为主，8月发生干旱的频率为31.58 %，主要以轻中旱为主，9月发生干旱的频率为38.6 %，主要以中旱为主。

通过有效降水量随年际变化趋势的统计检验可知，6和9月有效降水量均呈不显著增加趋势，气候倾向率分别为4.05和0.53 mm·10a-1，而6月参考作物蒸散量呈极显著减少，9月参考作物蒸散量呈显著减少趋势，说明6和9月在未来年际变化中干旱风险会降低。6月中旬和9月上旬对各自月份有效降水量的变化影响最大，气候倾向率分别为3.35和1.47 mm·10a-1。7和8月有效降水量均呈减少趋势，7月呈不显著减少趋势，8月呈显著减少趋势，气候倾向率分别为-7.2和-10.63 mm·10a-1。7和8月参考作物蒸散量均呈减少趋势，气候倾向率分别为-1.96和-2.59 mm·10a-1，趋势明显慢于有效降水量，因此，在未来年际变化中7和8月干旱风险将会增加。7月有效降水量的变化受上旬和中旬影响较大，气候倾向率分别为-5.19和-2.72 mm·10a-1；8月有效降水量主要受上旬和下旬影响，气候倾向率分别为8.23和2.66 mm·10a-1。

表4 各月份干旱特征分析

2.4 生长度日变化特征

1957-2013年饶阳县6-9月生长度日(GDD)均值有明显差异，大小顺序为7>8>6>9月，均值分别为516.49、470.40、459.58和301.64 ℃·d。6-9月4个月生长度日随年代变化均呈增加趋势，气候倾向率分别为1.19、3.28、0.46和3.10 ℃·10a-1。6和8月生长度日的增加均是由于上旬和中旬生长度日呈增加趋势，上旬气候倾向率分别为1.44和0.11 ℃·10a-1，中旬气候倾向率分别为1.29和0.97 ℃·10a-1，下旬均呈减少趋势。7月生长度日增加主要受上旬和下旬的影响，中旬呈减少趋势，上旬、中旬、下旬气候倾向率分别为1.78、-0.31和1.81 ℃·10a-1。9月3个旬阶段生长度日均呈增加趋势，下旬增加幅度最大。

3 结论与讨论

近年来国内很多学者对黑龙港流域ET0变化特征进行了研究[19-20]，李元非等[21]分析了包括黑龙港流域在内的24个气象站点逐日气象数据，发现ET0多年整体呈显著下降趋势，且ET0年内变化率夏季最高。龙幸幸等[22]对包括黑龙港流域在内的17个气象站点分析也发现，多年来ET0有明显减小趋势。本文通过分析饶阳县6-9月水热变化特征可知，ET0多年均值大小顺序为6>7>8>9月，各月ET0随年际变化均呈线性减少趋势，减少速率顺序为6>8>7>9月。不同月份ET0的减少受不同旬影响，6月为中下旬，7月为中旬，8和9月中下旬均有影响。ET0的变化受气象因子的综合影响，本研究表明：ET0与有效降水量和相对湿度均呈负相关关系，与最高气温、平均气温、太阳辐射、日照时数及风速均呈正相关关系，这与韩洋等[23]研究结果一致。

黑龙港流域全年降水主要集中在夏季(6-8月)，约占全年68 %，且年际变化呈一定的减少趋势[24]。再加上月份间降水不均，导致发生不同程度的干旱[25]。本研究结果表明，6-9月发生干旱的频率为33.33 %、19.30 %、 31.58 %和38.6 %。6和9月有效降水量均呈不显著增加趋势，说明6和9月份在未来年际变化中干旱风险会降低。7和8月有效降水量均呈减少趋势，趋势明显快于ET0，因此，在未来年际变化中7和8月干旱风险将会增加。因此在未来年际变化中，应当完善7和8月的灌溉制度，加强该阶段保水抗旱措施。

图3 6-9月各月生长度日年代变化特征

表5 6-9月各月生长度日气候倾向率的变化

20世纪以来，影响作物生长发育的温度有相应的升高[26]。国内外学者普遍采用积温方法分析气候变化背景下作物热量条件的变化。热量变化将引起作物生育期的变化，对作物生产也将产生相应影响[27]。本研究表明：1957-2013年饶阳县6-9月生长度日(GDD)有明显差异，顺序为7>8>6>9月。4个月生长度日随年代变化均呈增加趋势，增加速率顺序为7>9>6>8月，不同月份生长度日的增加受不同旬影响，6和8月均为上旬和中旬，7月生长度日增加主要受上旬和下旬的影响，9月受3个旬影响。因此，未来在6-9月生长的作物生产具有较好的热量资源。

本文研究区域饶阳县具有代表性，能够反映黑龙港地区的气候和种植制度。研究结论能够为饶阳县乃至黑龙港地区6-9月生长的作物(如谷子、玉米等)水热变化特征提供理论依据。