阿勒泰地區(qū)參考作物蒸散量時空變化特征

吳燕鋒, 巴特爾·巴 克, 李 維, 魏小琴,加依娜古麗·窩扎提汗, Rasulov H H

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830052; 2.塔吉克農(nóng)業(yè)大學 水文氣象系, 杜尚別 734003)

?

阿勒泰地區(qū)參考作物蒸散量時空變化特征

吳燕鋒1, 巴特爾·巴 克1, 李 維1, 魏小琴1,加依娜古麗·窩扎提汗1, Rasulov H H2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830052; 2.塔吉克農(nóng)業(yè)大學 水文氣象系, 杜尚別 734003)

基于阿勒泰地區(qū)7個氣象站1961—2012年逐日氣象資料，采用Penman-Monteith模型計算了逐日參考作物蒸散量，運用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法、小波分析法，并結合ArcGIS軟件對作物參考蒸散量的時空變化特征進行了研究。結果表明：阿勒泰年和春季作物參考蒸散量呈增加趨勢，而夏季、秋季和冬季作物參考蒸散量呈減少趨勢。年和夏季的作物參考蒸散量分別在1994年、1992年發(fā)生突變，而春季、秋季和冬季的作物參考蒸散量則沒有發(fā)生突變。年和四季的作物參考蒸散量都存在27 a的周期?？臻g分布上，年、春季、夏季和秋季的平均作物參考蒸散量呈自阿勒泰市南部和福?？h西北部向東部、南部和西部逐漸遞減的變化趨勢。而冬季作物潛在蒸散量大致呈現(xiàn)自西向東逐漸遞減。變化趨勢上，春季潛在蒸散量在空間上都呈增加趨勢，而年、夏季、秋季和冬季的潛在蒸散量在阿勒泰的東部呈增加趨勢，在西部則呈減少趨勢。

阿勒泰地區(qū); 參考作物蒸散量; 時空變化特征

參考作物蒸散量(Reference Crop Evapotranspiration，ET0)是水文循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，是能量平衡和水量平衡的重要組成部分，也是聯(lián)系能量循環(huán)和水量循環(huán)的紐帶，同時也是影響一個地區(qū)水熱平衡的重要氣候因子和參數(shù)[1]，因此，在區(qū)域水量平衡、農(nóng)業(yè)水資源需求與管理以及氣候變化的影響等研究中具有十分重要意義[2]。但是，目前對于下墊面的蒸散量直接測量仍存在困難，于是國內(nèi)外學者基于參考作物蒸散量開展了相關的研究[3-4]。先后基于ET0從對區(qū)域參考作物蒸散量的時空變化特征[5-6]、影響因子[7]以及基于ET0對其區(qū)域干濕變化[8]等開展了大量的研究。這些研究表明ET0可以作為對區(qū)域蒸散研究的可靠方法，可以用于對區(qū)域蒸散量的時空變化特征的探究。

阿勒泰市地處亞洲大陸腹地，屬中溫帶干旱大區(qū)氣候帶。是自治區(qū)重要的畜牧業(yè)和種植業(yè)基地，草原遼闊，草質(zhì)優(yōu)良，有牧草地面積8.44×104hm2，耕地2.5×103hm2。但是，作為氣候變化極為敏感的西北地區(qū)，尤其是阿勒泰地區(qū)，蒸散量的變化直接或者間接對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活有很大的影響，其氣候變化下蒸散量變化的相關理論研究較少。因此，本文擬采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式分析阿勒泰地區(qū)1961—2012年潛在蒸散量的年際、季節(jié)變化特征以及突變特征，并對其周期性進行探究，以期為氣候變化下新疆干濕變化的相關研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用資料是由國家氣象信息中心提供的1954—2012年逐日的阿勒泰地區(qū)7個氣象站(阿勒泰市、富蘊縣、哈巴河縣、青河縣、福海縣、吉木乃縣、布爾津縣)的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量、平均風速、日照時數(shù)、平均水汽壓等觀測資料。數(shù)據(jù)來源可靠，且經(jīng)過了嚴格質(zhì)量控制和檢驗，包括氣候?qū)W界限值檢查、氣候極值檢查、數(shù)據(jù)內(nèi)部一致性檢查和數(shù)據(jù)時間一致性檢查[8]。由于站點資料的時間長度不一致，為確保資料的可靠性和一致性，選取1961—2012年的氣象觀測資料進行研究，并進一步統(tǒng)計分析逐月、季節(jié)(3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季)的潛在蒸散量。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 作物參考蒸散量的計算 本研究采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式計算阿勒泰地區(qū)的參考作物蒸散量[4-7]：

(1)

式中：ET0——參考作物蒸散量(mm)；Rn——冠層表面凈輻射[MJ/(m2·d)]；G——土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；Δ——飽和水氣壓曲線在氣溫為T時的斜率(kPa/℃)；T——日平均氣溫(℃)；γ——干濕表常數(shù)(kPa/℃)；U2——距地面2 m處的風速(m/s)；ea——飽和水汽壓(kPa)；ed——實際水汽壓(kPa)。公式由兩項組成：一是輻射平衡引起的輻射項；二是氣溫、風速和水汽壓等引起的空氣動力項。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)處理 采用趨勢分析法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法[9]、小波分析法[10]對ET0進行時間序列分析，基于ArcGIS軟件的空間分析模塊[11]探究了ET0的時空變化特征。

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

2.1.1 ET0年際、年代變化特征 如圖1所示，過去52年，阿勒泰地區(qū)ET0整體呈增加趨勢(1.027 mm/10 a)，但增勢不顯著(p>0.05)且波動較大。52 a平均ET0為930.13 mm，其中最大值為1 030.97 mm，發(fā)生在1962年;最小值為853.39 mm，發(fā)生在1993年。不同年代時段之間差異較小，1960s，2000s的ET0相對較大。

圖1 阿勒泰地區(qū)ET0年、年代變化特征

2.1.2 ET0四季變化特征 氣象要素的時間異質(zhì)性會引起四季潛在蒸散的時間演變特征，因此需要進一步分析ET0四季的變化特征。如圖2所示，四季中，夏季的ET0最大(平均為463.25 mm)，春季次之(平均為266.89 mm)，秋季ET0相對較小(平均為164.96 mm)，冬季的ET0最小(平均為21.65 mm)；春季、秋季的ET0整體呈增加趨勢，夏季和秋季的ET0整體呈現(xiàn)減少趨勢，其中春季的ET0增勢較為明顯，其氣候傾向率為2.696 mm/10 a(p<0.01)；夏季的ET0減少趨勢最為明顯，其氣候傾向率為-1.434 mm/10 a(p<0.05)。春季的ET0在1961—1971年呈減少趨勢，在1971—2012年整體呈現(xiàn)增加趨勢，其中最大值發(fā)生在1997年，為330.81 mm，最小值發(fā)生在1966年，為221.43 mm；年代變化上，1970s的最小，為261.91 mm，其他年代ET0差異較小，分別為：274.43(1960s)，271.03(1980s)，275.9(1990s)，277.18 mm(2000s)。年際變化上，夏季的ET0在1961—1993年總體呈減少趨勢，1993—2012年增加趨勢明顯；其中，1974年ET0達到最大值，為526.56 mm，1993年ET0達到最小值，為425.15 mm；年代變化上，自1960s—1990s，ET0逐漸減少，1990s達到年代最小值，為463.14 mm，隨后在2000s又開始增加。秋季的年際變化趨勢不明顯(氣候傾向率為0.093 mm/10 a，p>0.05)，最大ET0在1978年，為191.31 mm，最小ET0在1987年，為137.29 mm；同樣，秋季的年代變幅也較小，為162.39～163.93 mm。冬季的ET0整體呈不明顯的減少趨勢(氣候傾向率為0.327 mm/10 a，p>0.05)；在年際變化和年代變化上都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其中1989年達到最大值29.23 mm，1984年達到最小，僅為13.29 mm。

圖2 阿勒泰地區(qū)ET0季節(jié)變化特征

2.1.3 突變分析 對阿勒泰地區(qū)干旱頻次進行統(tǒng)計分析，計算出時間序列的Uf，Ub值。取顯著水平α=0.05情況下臨界值為±1.96，同時根據(jù)Z值的大小探究季節(jié)和年際的干旱頻次的變化趨勢，從而可以驗證趨勢分析法。由圖3可以看出，年和夏季的ET0發(fā)生了突變，分別在1994年、1992年發(fā)生突變，而春季、秋季、冬季的ET0則沒有明顯的突變。年和四季的Mann-Kendall計算的Z值分別為0.39，0.89，-0.07，-0.12，-0.66，表明了年和春季的ET0呈增加趨勢，夏季、秋季、冬季的ET0呈減少趨勢，這與趨勢分析法的結果是一致的。

2.1.4 周期分析 根據(jù)年和季節(jié)的干旱頻率，計算Morlet小波的實部值，做出相應的時頻分布圖(圖4)。可以看出年和四季ET0的小波時頻分布圖分布大致一致，都存在27 a的第一主變換周期，在研究時段呈現(xiàn)“偏多—偏少—再偏多”的變化過程；另外，在1970—2000年還存在17 a的周期變換，在時段內(nèi)呈現(xiàn)“偏少—偏多—再偏少”的變化過程。具體來看，年ET0在1970—1990年還存在12 a的周期；冬季ET0在1970—2010年存在12 a的周期。

2.2 空間變化特征

2.2.1 年平均ET0空間分布特征 由于自然地理環(huán)境的空間異質(zhì)性，ET0在阿勒泰不同地區(qū)分布有所不同，且呈現(xiàn)了不同的變化趨勢。圖5A可以看出，阿勒泰地區(qū)年均變幅為781～1 009 mm，在福?？h西北部、阿勒泰市南部為ET0的高值區(qū)，向東部、南部和西部逐漸遞減，在吉木乃縣形成低值區(qū)。變化趨勢上(圖5B)，年均ET0在東部的富蘊、青河縣呈增加趨勢，其他地區(qū)主要以減少趨勢為主，其中吉木乃的東部、布爾津縣的西南部也呈增加趨勢。綜上可以看出，吉木乃縣潛在蒸散量最少，但減少趨勢最為明顯，而潛在蒸散量較大的中西部地區(qū)也在減少，東部潛在蒸散量增勢最為明顯。

圖3 年ET0、四季ET0突變特征

2.2.2 四季ET0空間分布特征 由于氣象要素的四季變化，潛在蒸散量在不同季節(jié)會有所不同。由圖6可以看出，夏季的ET0最大，其次是春季和秋季，冬季的ET0最小。在空間分布上，春季、夏季和秋季ET0的分布在空間上具有一致性，都在阿勒泰市南部和福?？h西北部形成高值區(qū)，向東部、南部、西部逐漸遞減。

圖4 年ET0、四季ET0小波分析

但是，在變化趨勢上有所不同，春季空間上都呈現(xiàn)增加趨勢，且最大增勢達到了5 mm/10 a，分布在吉木乃、布爾津縣的交界處。夏季ET0的變化趨勢有明顯的地域性，僅在清河縣中部和吉木乃、布爾津縣的交界處呈增加趨勢，其他地區(qū)都呈現(xiàn)減少趨勢，且最大增勢僅為1.27 mm/10 a，最大減少趨勢達到-4.06 mm/10 a。與夏季ET0的變化趨勢相反，秋季的ET0以增加趨勢為主，僅在吉木乃縣、哈巴河縣、布爾津縣的西部呈減少趨勢，其他地區(qū)都呈現(xiàn)增加趨勢，其中最大增加趨勢為1.04 mm/10 a。冬季的ET0在吉木乃縣形成高值區(qū)，向東部逐漸遞減，在富蘊縣的中北部形成低值中心；變化趨勢上，冬季的ET0以減少趨勢為主，僅在清河縣、吉木乃縣的西部呈增加趨勢，在其他地區(qū)都呈減少趨勢，最大減少趨勢為-1.39 mm/10 a。

圖5 年均ET0空間分布及其變化趨勢

圖6 四季ET0空間分布及其變化趨勢

3 結論與討論

(1) 阿勒泰年和春季作物參考蒸散量呈增加趨勢，夏季、秋季、冬季作物參考蒸散量呈減少趨勢。四季中，夏季潛在蒸散量最大，春、秋次之，冬季最小。年、夏季的作物參考蒸散量分別在1994年、1992年發(fā)生突變，而春季、秋季、冬季的作物參考蒸散量則沒有發(fā)生突變。年、四季潛在蒸散量都存在的作物參考蒸散量27 a的第一主變換周期。

(2) 空間分布上，年、春季、夏季、秋季的最大年均作物參考蒸散量都分布在阿勒泰市南部、福?？h西北部，向東部、南部、西部逐漸遞減。而冬季作物潛在蒸散量大致呈現(xiàn)自西向東逐漸遞減。變化趨勢上，春季潛在蒸散量在空間上都呈增加趨勢，而年、夏季、秋季、冬季的潛在蒸散量在東部的富蘊縣、青河縣呈增加趨勢，在西部的吉木乃縣、哈巴河縣呈減少趨勢。

潛在蒸散量的估算對于提高區(qū)域水資源的規(guī)劃、管理和水分利用效率有重要的影響[11-12]。阿勒泰是重要的牧草基地和旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，潛在蒸散量與作物需水量密切相關[13]，阿勒泰地區(qū)潛在蒸散量的增加會引起作物水分需求的增加，從而進一步加劇區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉需求的不足[14]。尤其是在阿勒泰市和福?？h的西北部，潛在蒸散量較大且增勢最為明顯，因此，需要進一步做好農(nóng)業(yè)用水的調(diào)配與管理。雖然阿勒泰地區(qū)在逐步推進節(jié)水灌溉技術，但是近幾十年來大水漫灌的耕作現(xiàn)象依然存在，在潛在蒸散量明顯增加的情況下，進一步推廣節(jié)水灌溉技術，提高水資源利用效率，才可以有效地解決農(nóng)業(yè)需水的不足以及水資源的高效、可持續(xù)利用。

阿勒泰地區(qū)潛在蒸散量的變化是對全球變化的響應，尤其是阿勒泰地區(qū)氣溫和降水的增加[15]以及相對濕度減少[16]等共同作用的結果，但是對于氣象因子在潛在蒸散量變化中的作用以及各因子的貢獻度等，這還有待進一步研究。

[1] Djaman K, Balde A B, Sow A, et al. Evaluation of sixteen reference evapotranspiration methods under Sahelian conditions in the Senegal River Valley[J]. Journal of Hydrology Regional Studies,2015,3:139-159.

[2] Pereira L S, Allen R G, Smith M, et al. Crop evapotranspiration estimation with FAO56: Past and future[J]. Agricultural Water Management, 2015,147:4-20.

[3] Kumar R, Jat M K, Shankar V. Methods to estimate irrigated reference crop evapotranspiration: A review[J]. Water Science & Technology,2012,66(3):525-535.

[4] 任慶福,楊志勇,李傳哲,等.變化環(huán)境下作物蒸散研究進展[J].地球科學進展,2013,28(11):1227-1238.

[5] 卓瑪蘭草,劉普幸,張亞寧,等.甘肅黃土高原區(qū)潛在蒸散量時空變化與成因研究[J].水土保持研究,2012,19(1):70-75.

[6] 王媛媛,張勃,尹海霞.1961—2010年隴東參考作物蒸散量時空變化及氣候影響因子[J].生態(tài)學雜志,2013,32(6):1511-1517.

[7] 趙璐,梁川.近50 a來四川省潛在蒸散量變化成因研究[J].水土保持研究,2014,21(4):26-30.

[8] Some′E B S, Ezani A, Tabari H. Spatiotemporal trends of aridity index in arid and semi-arid regions of Iran[J]. Theoretical & Applied Climatology,2013,111(1/2):149-160.

[9] 楊萍,劉偉東.北京地區(qū)加密自動氣象站數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析[J].氣象科技進展,2013,3(6):27-34.

[10] 吳燕鋒,巴特爾·巴克,加依娜古麗·窩扎提汗,等.石河子地區(qū)近50 a霜期的變化特征[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2014,28(9):173-178.

[11] 張曉曉,張鈺,徐浩杰.1961—2010年白龍江流域氣溫和降水量變化特征研究[J].水土保持研究,2014,21(4):238-245.

[12] Zafra P G, Llanque F J C. Estimating reference evapotranspiration with atmometers in a semiarid environment[J]. Agricultural Water Management,2009,96(3):465-472.

[13] 王瀟瀟,潘學標,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)工程學報,2015,31(S1):142-152.

[14] 周蕊蕊.中國主要糧食作物需水滿足度時空特征分析[D].武漢:華中師范大學,2014.

[15] 李立,魏曉妹,韓業(yè)珍.基于地統(tǒng)計學的作物需水量空間變異性分析[J].水土保持研究,2010,17(1):239-242.

[16] 古麗扎提·哈布肯.近50年來新疆阿勒泰地區(qū)的氣候變化[J].干旱區(qū)研究,2011,28(2):268-274.

[17] 傅瑋東,姚艷麗,陳洪武.北疆北部地區(qū)春季地表濕潤狀況特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2009,30(2):223-226.

Spatiotemporal Variation of Reference Crop Evapotranspiration in Altay Region

WU Yanfeng1, Bake·Batur1, LI Wei1, WEI Xiaoqin1,Jiayi′naguli·wozhatihan1, Rasulov H H2

(1.CollegeofGrasslandandEnvironmentalScience,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China; 2.FacultyofHydrometeorology,TajikAgrarianUniversity,Dushanbe734003,Tajikistan)

The values of reference crop evapotranspiration were calculated using the Penman-Monteith model based on the daily meteorological data observed from 7 meteorological stations in Altay region of Northern Xinjiang Uygur Autonomous Region during the period from 1961 to 2012. The annual and seasonal values of reference crop evapotranspiration were analyzed using the Mann-Kendall nonparametric method, wavelet analysis and spatial analysis tools of ArcGIS. The results are as follows. The annual and spring values of reference crop evapotranspiration presented significantly increasing trend, whereas the summer, autumn and winter values of reference crop evapotranspiration presented decreasing trend during the past 52 years. The annual and summer values of reference crop evapotranspiration presented abrupt change in 1994 and 1992, respectively. However, the values of reference crop evapotranspiration in spring, autumn and winter have no abruption. Obviously, the annual and four seasonal values of reference crop evapotranspiration have 27-year period. The annual, spring, summer and autumn values of reference crop evapotranspiration were higher in the southern Altay City and northern Fuhai County, followed by eastern and western regions. The spring values of reference crop evapotranspiration all presented increasing trend in Altay region, whereas the annual, summer, autumn and winter values of reference crop evapotranspiration presented increasing trend in eastern region of Altay and decreasing trend in the western region of Altay.

Altay region; reference crop evapotranspiration; spatiotemporal variation

2014-09-23

2014-11-20

2014年度新疆研究生科研創(chuàng)新項目(XJGRI2014079);國家國際科技合作計劃(2010DFA92720-13);新疆維吾爾自治區(qū)土壤學重點學科

吳燕鋒(1986—),男,河南周口人,碩士研究生,研究方向為干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境。E-mail:wyfecology@163.com

巴特爾·巴克(1973—),男(維吾爾族),新疆莎車縣人,博士,教授，主要從事干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail:bateerbake@163.com

S161.4

1005-3409(2015)05-0260-06