西辽河流域春玉米需水量变化趋势

杨 剑,孙小舟

（襄樊学院,湖北襄樊替换为 441053）

西辽河流域春玉米需水量变化趋势

杨 剑,孙小舟

（襄樊学院,湖北襄樊替换为 441053）

西辽河流域在区域和国家粮食安全中地位重要,随着社会经济的发展,用水量增加导致水资源紧缺,作物需水量可为该区作物灌溉和区域灌溉需水量提供定量依据,采用Penman-Monteith模型和春玉米5～9月的作物系数计算了西辽河流域10个气象台站1951年～2005年春玉米需水量,采用Mann-Kendall法对全生育期需水量、生育期各月需水量和各气象要素变化趋势进行了分析,并对春玉米需水量和各气象因子进行了灰色关联分析.研究结果表明:（1）西辽河流域全生育期需水量增加和减少的站点各占1半,5月份需水量的增减对全生育期需水量的增减有重要影响;（2）最高气温、风速、日照时数或者平均气温与春玉米需水量的关联程度最高,风速和日照时数对西辽河流域春玉米需水量影响最大.

作物需水量;Penman-Monteith模型;Mann-Kendall法;西辽河流域

作物需水量是制定作物灌溉制度和区域灌溉需水量计划的基本依据.该问题已成为学者关注的热点之一.众多学者对其进行了研究,曹红霞[1]等研究了关中地区气候变化对主要农作物需水量的影响;认为日照时数和风速的降低是夏玉米需水量减少的主要原因;李应林[2]等分析了我国春玉米水分的供需状况,表明我国春玉米主要种植区内气候条件是有利的;刘宏谊[3]等对甘肃主要作物需水时空分布规律分析认为,甘肃近40年来作物需水量呈下降趋势,并且河西地区下降趋势明显大于河东;马鹏里[4]等研究了甘肃农作物需水量随气候变化的响应,认为越是干旱的地区需水量越大,越是湿润的地区需水量越小,Anadranistakis[5]等用SW模型研究了希腊的小麦和玉米需水量,认为这个模型是评估希腊作物需水量和制定灌溉计划的可靠工具,Beyazgül[6]等用6种方法计算了土耳其西部葛蒂兹盆棉花的需水量,认为 Penman-Monteith法精度最高.

基于作物需水量在区域水循环过程和水资源利用中的关键作用,本研究选取降水、气温、风速、湿度、日照时数等气象要素,采用 Penman-Montieth模型和作物系数计算了春玉米作生长季各月需水量,运用非参数统计检验Mann-Kendall（MK）法,揭示了西辽河流域近50多年来春玉米需水量的变化特点及其趋势,以期为当地乃至整个农牧交错带的农业生产、水资源利用、区域植被重建和生态恢复工作提供科学依据与决策支持.

1 研究区概况

西辽河流域地处中国北方农牧交错带的东段三北交界区 ,介于 116°10′～123°35′E、41°24′～45°40′N 之间,行政区划上包含内蒙古、河北、辽宁和吉林4省区的23个县级行政单位,土地面积约为20.09×104km2,研究区位置如图1所示.地处农牧交错带的西辽河流域是传统农业区域与牧业区域相交汇和过度的地带,是生态环境非常脆弱、全球气候变化最敏感的地区之一[7],西辽河平原是国家和内蒙古自治区的重要商品粮基地,2000年国民经济各行业用水中,农业用水占各行业用水量的80%[8].近年来,随着社会经济的发展,西辽河流域取用水量不断增强,导致流域径流量日益减少、河道断流频繁发生、草场退化、林木矮化,许多湿生植物被耐旱植物代替等环境问题.可利用水资源的短缺已经成为限制该地区农业发展的主要因素之一.由此,制定合理的作物灌溉制度以及区域灌溉计划,已经成为有效利用水资源和制定区域水资源利用规划的关键环节.

图1 西辽河流域的地理位置及其气象站点分布图Fig.1 Location of Xiliaohe River basin and its weather station

2 数据来源与方法

2.1 资料来源

本研究所采用的气象台站数据主要包含了西辽河流域10个台站的1951年～2005（部分数据为1957年～2005）月平均温度、降水、相对湿度、日照时数等资料,原始数据源于国家气象局气象信息中心以及内蒙古自治区气象局,气象台站的分布情况如图1所示.西辽河流域多年春玉米生长期起止日期为5.1～9.27,所以本研究把5～9月确定为生长期,春玉米生育期不同月份 Kc（作物系数）值见表1.

表1 西辽河流域春玉米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 计算方法

作物需水量采用 FAO Penman-Monteith[10]公式和作物系数来计算,其计算公式为:

ETm为作物需水量;Kc为作物系数;ET0为参考作物蒸散量,可由（2）式计算求得;

式中,ET0为可能蒸散量,单位为mm·d-1;Rn为地表净辐射,单位为 MJ·m-2·d-1;G为土壤热通量,单位为 MJ·m-2·d-1;T为2m高处日平均气温,单位为℃;U2为 2m高处风速,单位为ms-1;es为饱和水气压,单位为kPa;ea为实际水气压,单位为kPa;Δ为饱和水气压曲线斜率,单位为kPa℃-1;γ为干湿表常数,单位为 kPa℃-1.趋势检验的方法采用Mann-Kendall法[11-12],以下简称M-K法.用灰色关联法[13]分析各气象因子对春玉米需水量的影响.

Mann-Kendall法（简称为M-K法）最初由 H.B.Mann和 M.G.Kendall提出,后经众多学者进一步完善和改进,逐步形成目前的计算方法并主要应用于气候和径流趋势和突变分析,在本研究中主要用于气候变化趋势的检测.这一方法的优点在于不仅计算简便,而且可以明确突变开始的时间.具体计算步骤为:

对于具有n个样本量的时间序列x,构造一秩序列sk:

由公式（1）和（2）可知,秩序列sk是第i时刻数值大于 j时刻数值个数的累计数.在时间序列随机独立的假设下,定义统计量U Fk

式中,U F1=0,E（sk）和var（sk）分别是累计数sk的均值和方差,在 x1,x2,…,xn相互独立,且有相同连续分布时,它们可由公式（4）计算得到:

U Fi为标准正态分布,它是按时间序列 x顺序x1,x2,…,xn计算出的统计量序列,给定显著水平 a,查正态分布表,若|U Fi|>Ua,则表明序列存在明显的趋势变化.

按时间序列x逆序xn,xn-1,…,x1再重复上述过程,同时使 UBk=-U Fk（K=n,n-1,…,1）UB1=0.在这里给定显著水平α=0.05,那么|U Fi|大于1.96说明该点有显著变化,若U Fi的值大于0,则表明序列成上升趋势,若小于0则表明呈下降趋势.

3 结果分析

3.1 西辽河流域全生育期春玉米需水量变化趋势

表2为西辽河流域1951年～2005年春玉米作物需水量M-K法的计算结果,M-K法的计算结果表明:扎鲁特、西乌珠穆沁、翁牛特、赤峰和双辽5个站点春玉米多年作物需水量呈下降趋势,下降未超过0.05显著水平,下降不显著,扎鲁特和双辽较其他站点下降明显;巴林左、林西、开鲁、通榆和通辽5个站点春玉米多年作物需水量呈上升趋势,上升未超过0.05显著水平,上升不显著,开鲁和通榆上升较其他站点明显.

表2 西辽河流域全生育期春玉米需水量变化趋势（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趋势,负值表示下降趋势,其绝对值大于1.96表示通过0.05显著水平检验.

3.2 西辽河流域生长季各月春玉米需水量变化趋势

为了进一步研究西辽河流域春玉米作物需水量的变化趋势,本研究运用M-K法对西辽河流域各站点生育期（5～9月）的春玉米需水量变化趋势进行了分析,从表2可以看出,扎鲁特和双辽5—9月春玉米需水量均呈下降趋势,下降未超过0.05显著水平（±1.96）,下降不显著;5月份只有开鲁和通辽呈上升趋势,上升不显著;6月和7月上升和下降的站点各占一半,上升和下降均未超过0.05显著水平（±1.96）,上升和下降都不显著;8月和9月除扎鲁特和双辽下降外,其余各站点均呈上升趋势,其中通辽9月上升趋势显著,超过0.05显著水平线（±1.96）.从表1和表2对比来看,春玉米生育期总需水量呈下降趋势的5个站点中,5月份春玉米需水量下降趋势较其他站点明显,西乌珠穆沁和翁牛特下降显著（|U F|<1.96）;春玉米生育期总需水量呈上升趋势的站点5月份需水量呈弱上升趋势或者略有下降,其余几月基本为上升趋势.由此可以看出,西辽河流域5月份春玉米需水量对生育期总需水量影响明显,5月份需水量的增减对生育期需水量的增减有重要影响.

表中正值表示呈上升趋势,负值表示下降趋势,其绝对值大于1.96表示通过0.05显著水平检验.

表3 西辽河流域生长季各月春玉米需水量变化趋势（M-K法）Tab.3 Every month's spring maize water requirement variation trend in Xiliaohe River watershed（M-K method）

4 西辽河流域春玉米需水量影响因素的灰色关联度分析

论文选取扎鲁特、开鲁、通榆和双料为典型站点,以春玉米需水量为参考序列,平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、降水、风速和日照时数为比较序列,求得各比较序列与参考序列的关联度（表4）,结果表明:西辽河流域5～9月各站点对春玉米需水量影响最大的因素为最高气温,日照、风速和平均气温,这个四个因素在不同的月份关联序不同,影响最小的为降水和相对湿度.总之,温度、风速和日照时数是影响西辽河流域春玉米需水量的主要因素,降水和相对湿度的影响最小.

表4 西辽河流域各气象因子与春玉米作物需水量之间的关联系数Tab.4 The grey incidence for meteorological factors and the spring maize water requirement in Xiliaohe River Watershed

5 结论与讨论

5.1 结论

西辽河流域各站点春玉米需水量有增有减,但增加和减少都不显著.5月份需水量的对春玉米整个生育期需水量有重要影响.

灰色关联分析表明,风速、日照、最高气温、平均气温是影响春玉米需水量的重要因素,春玉米需水量呈下降趋势的站点风速和日照时数下降趋势显著,呈增加趋势的站点风速和日照时数下降不显著,有的站点有的月份甚至呈增加趋势,最高气温、风速和日照时数对春玉米需水量影响最大.

5.2 讨论

据研究[14],西辽河流域多年来气温基本为显著上升趋势,降雨多为不显著下降趋势,若只以气温和降雨来研究气候变化对作物需水量的影响,必然得出需水量显著增加的结论.但实际上,即使在气温增加和降雨减少的情况下,西辽河流域有5个站点需水量呈下降趋势.这是因为影响蒸散量的另两个重要因子—日照和风速同时也在减小.因此,仅用气温和降雨指标研究气候变化对作物需水量的影响具有一定局限性.

西辽河流域日照或辐射的下降趋势与某些研究结论[15-16]相一致.Stanhill等[15]利用全球范围内过去50年的数据,分析了到达地球表面的辐射能量,发现太阳辐射显著下降.全球平均每年下降0.05～0.51 Wm-2,相当于每10年下降2.7%,总体下降20 Wm-2.这似乎与全球变暖的事实相互矛盾,因为在到达地面的能量显著减少的情况下,地球在过去的半个世纪怎么可能会变暖?他们在考察了所有的可能因素后,认为最有可能的原因是人类活动产生的气溶胶及其它空气污染物,改变了大气尤其是云的光学特性,温室气体的增加是气温上升的一个重要原因.

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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.