農(nóng)業(yè)發(fā)展對東北地區(qū)參考作物蒸散發(fā)量變化趨勢的影響

李玖穎，陳皓銳，韓松俊

（1.黑龍江省灌溉排水與節(jié)約用水技術(shù)中心，哈爾濱150040；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048；3.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京100048）

潛在蒸散發(fā)量反映一定氣候條件下蒸散發(fā)能力的大小，具有多種定義和計(jì)算方法，其中基于Penman-Monteith 公式的參考作物蒸散發(fā)量[1]（ET0）反映了大氣蒸散發(fā)能力對作物需水的影響，在農(nóng)業(yè)用水管理中應(yīng)用非常廣泛。參考作物蒸散發(fā)量為假設(shè)高度為0.12 m，具有固定的葉面阻力70 s/m，反射率為0.23，水分充足的草地的蒸散發(fā)量，其大小與多種氣象因子有關(guān)。在全球變暖的背景下，全球很多區(qū)域潛在蒸散發(fā)量具有顯著下降趨勢[2,3]，分析ET0的變化趨勢對揭示區(qū)域作物需水和耗水演變規(guī)律進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)用水管理水平具有重要意義[4-7]。

由于陸面和大氣之間的相互作用，氣象因子除受到以全球變暖為特征的大尺度氣候變化的影響外，還受下墊面特性改變引起的區(qū)域氣候效應(yīng)的影響[8]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中密植、套間作、灌溉、種植防護(hù)林等措施具有顯著的農(nóng)田小氣候效應(yīng)，使田間溫度降低而濕度增加[9,10]，同時由于改變了農(nóng)田表面粗糙度，對風(fēng)速有明顯的阻滯作用[11]。農(nóng)業(yè)發(fā)展引起的區(qū)域氣候特性改變會對大氣蒸散發(fā)能力產(chǎn)生影響，在某些情況下甚至超過大尺度氣候變化的影響[12,13]。人們發(fā)現(xiàn)在大規(guī)模灌溉影響區(qū)域潛在蒸散發(fā)是干旱半干旱地區(qū)的一個普遍現(xiàn)象，如在土耳其的一個灌區(qū)[14]，我國塔里木河流域[15,16]、黃河流域景泰灌區(qū)[17]、關(guān)中地區(qū)[18]、海河流域[19]和山東濟(jì)寧[20]等地都發(fā)現(xiàn)了潛在蒸散發(fā)量隨灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速下降的現(xiàn)象。相應(yīng)地，參考作物蒸散發(fā)量也會受到影響。

東北是我國主要商品糧基地，自新中國成立以來農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展。自20世紀(jì)90年代中期以來灌溉面積得到了快速發(fā)展，“節(jié)水增糧行動”更是加快了灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。截至2017年，東三省耕地面積為2 708 萬hm2，占國土面積的35.3%。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)1990-2005年間的農(nóng)田擴(kuò)張使夏季和冬季平均氣溫降低[21]，而觀測數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)由于大量氣象站被耕地包圍，與受人類活動影響較小的站點(diǎn)相比，受農(nóng)業(yè)發(fā)展影響顯著的站點(diǎn)觀測到的氣溫升高的趨勢受到抑制，而濕度則具有增加的趨勢[22]，農(nóng)業(yè)發(fā)展已經(jīng)影響到東北農(nóng)業(yè)區(qū)氣溫和濕度變化趨勢。作為ET0的主要控制要素，農(nóng)業(yè)發(fā)展對氣溫和濕度的影響也會反映到ET0的變化趨勢上。但目前關(guān)于農(nóng)業(yè)發(fā)展對參考作物蒸散發(fā)影響的研究主要集中在干旱半干旱的西北地區(qū)，側(cè)重于灌溉發(fā)展的影響，對于東北地區(qū)ET0的變化趨勢是否受到農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響，受到了多大程度的影響仍不清楚。

本文以東北地區(qū)109 個氣象站為研究對象，以站點(diǎn)周圍5 km 半徑耕地面積比例（CF）作為衡量農(nóng)業(yè)活動影響的指標(biāo)，通過分析氣象站點(diǎn)1961-2017年ET0變化趨勢與CF值之間的關(guān)聯(lián)，并對比CF值較大與較小的兩類站點(diǎn)ET0的不同變化，以揭示農(nóng)業(yè)發(fā)展對ET0變化趨勢的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究范圍包括黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古的東北區(qū)域。從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn)選取研究區(qū)域內(nèi)109 個氣象站1960-2017年逐日氣象資料，包括：平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)，同時利用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心2000年全國1 km網(wǎng)格土地利用數(shù)據(jù)。圖1為研究區(qū)109個氣象站及1 km 網(wǎng)格耕地面積比例分布情況。

圖1 研究區(qū)耕地面積比例及109個氣象站分布Fig.1 Distributions of cultivated land fraction and the 109 meteorological station in the study area

1.2 研究方法

研究中首先利用逐日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算參考作物蒸散發(fā)量ET0：

式中：Rn為凈輻射；G為土壤熱通量；es、ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓；Δ為飽和水汽壓es與溫度T關(guān)系曲線的斜率；γ為濕度溫度計(jì)常數(shù)；u2為2 m 高處的風(fēng)速，在計(jì)算中根據(jù)10 m 風(fēng)速確定。ET0包括兩項(xiàng)，其中輻射性ETrad主要受太陽輻射的影響，而空氣動力學(xué)項(xiàng)ETaero主要受氣溫、濕度和風(fēng)速的影響。

研究中計(jì)算了每個站點(diǎn)1961-2017年的全年、生長季（5-9月）和非生長季（10-4月）的ET0、ETrad和ETaero值，并用趨勢坡度中位數(shù)β（假定為線性）作為衡量趨勢大小的指標(biāo)：

式中：Xj、Xi為時間序列；i和j在本研究中代表年份；β正值為上升趨勢，負(fù)值為下降趨勢。

同時采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Mann-Kendall 方法對潛在蒸發(fā)和氣候變化的趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，并預(yù)先采用Yue等[23]提出的無趨勢白化預(yù)處理以消除變量的自相關(guān)性。

氣象站點(diǎn)周圍耕地面積比例常被用來作為衡量農(nóng)業(yè)活動影響程度的指標(biāo)[9,22]。在本研究中利用2000年全國1 km網(wǎng)格土地利用數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)氣象站點(diǎn)5 km 半徑范圍內(nèi)耕地面積比例（CF）值。如表1所示，研究區(qū)109個氣象站中有18個站點(diǎn)CF值小于15%，其均值為5.1%，而CF值大于60%的站點(diǎn)有33個，其均值為71.7%。CF值大于60%的站點(diǎn)平均海拔略低于CF值小于15%的站點(diǎn)，但年平均氣溫、降水量和ET0都高于CF值小于15%的站點(diǎn)。

表1 根據(jù)5 km半徑范圍內(nèi)耕地面積比例（CF）分組的氣象站點(diǎn)特征Tab.1 General conditions of the station groups with different cultivated land fractions within 5 km radius

2 結(jié)果與分析

2.1 ET0變化趨勢與站點(diǎn)耕地面積比例的關(guān)聯(lián)

研究區(qū)109 個氣象站1961-2017年ET0變化的趨勢值平均為-3.4±7.9 mm/(10 a)，75 個站點(diǎn)具有下降的趨勢（其中39 個通過90%顯著性水平檢驗(yàn)），而34個具有上升趨勢的站點(diǎn)中有17 個通過了90%顯著性水平檢驗(yàn)。圖2(a)給出了109 個氣象站1961-2017年ET0變化趨勢值的空間分布。ET0下降的站點(diǎn)多集中在松遼平原和三江平原的農(nóng)業(yè)地區(qū)，而位于內(nèi)蒙古牧區(qū)的站點(diǎn)ET0多具有增加趨勢。對比圖1 可以看出，位于農(nóng)業(yè)區(qū)、具有較大耕地面積比例的站點(diǎn)ET0下降的趨勢更為顯著。圖3(a)給出了站點(diǎn)ET0變化趨勢值與5 km 半徑范圍耕地面積比例CF值的散點(diǎn)圖，兩者具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。站點(diǎn)CF值越大，ET0下降的趨勢越明顯，CF值每增大10%，則ET0下降的趨勢增加約1.5 mm/(10 a)。

圖2 研究區(qū)氣象站1961-2017年ET0，ETrad和ETaero變化趨勢值的分布Fig.2 Trend slopes of ET0，ETrad and ETaero during 1961-2017 in the study area

研究區(qū)ET0的輻射項(xiàng)ETrad[圖2(b)]和空氣動力學(xué)項(xiàng)ETaero[圖2(c)]具有不同的變化趨勢。109 個氣象站平均的ETrad變化趨勢值為4.9±4.5 mm/(10 a)，其中94 個站點(diǎn)ETrad具有增大的趨勢（其中75 個通過90%顯著性水平檢驗(yàn)）。ETrad變化趨勢值的分布與ET0完全不同，與耕地面積比例CF值沒有相關(guān)性[圖3(b)]。

109 個氣象站平均的ETaero變化趨勢值為-8.5±9.3 mm/(10 a)，其中91 個站點(diǎn)具有下降的趨勢（其中71 個通過90%顯著性水平檢驗(yàn)）。ETaero下降的站點(diǎn)也主要分布在農(nóng)業(yè)區(qū)，與ET0在趨勢值的分布非常一致，且ETaero變化的趨勢值與站點(diǎn)耕地面積比例之間也具有非常顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[圖3(c)]。

圖3 研究區(qū)氣象站1961-2017年ET0變化趨勢值與耕地面積比例的散點(diǎn)圖及趨勢線Fig.3 Scatter plots of the trend slopes of ET0，ETrad and ETaero during 1961-2017 against the cultivated land fraction and the regression line in the study area

表2 中對比了作物生長季和非生長季ET0、ETrad和ETaero1961-2017年變化趨勢值與站點(diǎn)CF值之間線性回歸的斜率和截距。ET0和ETaero變化趨勢值與CF值之間在生長季和非生長季都具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但在生長季更為顯著。ETrad變化趨勢值與CF值之間在兩個時段都沒有顯著相關(guān)關(guān)系。

表2 ET0、ETrad和ETaero 1961-2017年變化趨勢值與站點(diǎn)耕地面積比例線性回歸參數(shù)Tab.2 Parameters of linear regression of the trends in ET0，ETrad 和ETaero during 1961-2017 upon the CFs

2.2 不同類型站點(diǎn)ET0變化的差異

研究區(qū)站點(diǎn)ET0變化趨勢值與CF值之間的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系表明，站點(diǎn)周圍耕地面積比例不同，則ET0變化具有很大差異。如表3所示，CF＜15%的18 個站點(diǎn)全年ET0變化趨勢值平均為4.0 mm/(10 a)，而CF＞60%的33 個站點(diǎn)全年ET0變化趨勢值平均為7.6 mm/(10 a)，兩者之差為-11.6 mm/(10 a)。兩類站點(diǎn)ET0變化趨勢值的差異在生長季[-8.4 mm/(10 a)]更為明顯，而非生長季差異只有-2.9 mm/(10 a)，主要受ETaero的影響，而ETrad趨勢值的均值差異很小。

表3 CF值大于60%與小于15%的兩類站點(diǎn)之間1961-2017年全年、生長季和非生長季ET0、ETrad和ETaero以及主要?dú)庀笠貧鉁豑a、日照時數(shù)n、相對濕度RH和10 m風(fēng)速u變化的趨勢值的平均值之間的對比Tab.3 Comparison of trends in growing season(May to September)and nongrowing season(October to April)ET0，ETrad，and ETaero，and the main meteorological variables mean air temperature，sunshine duration，relative humidity，and 10 m wind speed of station groups with cultivated land fractions larger than 60%and smaller than 15%

為了進(jìn)一步比較兩類站點(diǎn)ET0的年際變化過程，研究中計(jì)算了它們各自均值1961-2017年的時間序列。圖4 中給出了兩類站點(diǎn)作物生長季ET0相對于1961年的變化量的時間序列。相對于1961年，CF＜15%站點(diǎn)平均的ET0在1961-1982年期間先增大，隨之在1983-1999年期間減小，2000年之后又回升，ET0總體上呈增加的趨勢。CF＞60%站點(diǎn)平均的ET0與其具有相似的波動過程，這可以從它們之間的線性回歸方程（y=0.85x-28.5，R2=0.47）看出。但是CF＞60%站的平均的ET0呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢，這樣造成兩類站點(diǎn)ET0的差距持續(xù)增大。

圖4 CF＜15%與CF＞60%的兩類站點(diǎn)1961-2017年平均的生長季ET0、ETrad和ETaero相對1961年初始值的變化過程，以及它們之間的差異（柱狀圖）Fig.4 Time series of station-averaged growing season ET0、ETrad和ETaero of the two groups with CF＜15%and CF＞60%relative to their original values at 1961-2017，and the differences between the two groups(bars)

兩類站點(diǎn)ETrad的變化具有非常一致的過程（線性回歸方程為y= 0.99x+ 8.17，R2 = 0.85），而ETaero變化過程的差異（線性回歸方程為y= 1.05x- 23.58，R2 = 0.48）是兩類站點(diǎn)ET0變化過程差異的主要原因。

2.3 影響站點(diǎn)ET0變化差異的氣象要素分析

對比兩類站點(diǎn)主要?dú)庀笠氐淖兓厔荩ū?）可以看出，CF＞60%站點(diǎn)日平均氣溫升高的趨勢弱于CF＜15%的站點(diǎn)，而相對濕度減小的趨勢弱于CF＜15%的站點(diǎn)，且主要發(fā)生在生長季。CF＞60%站點(diǎn)風(fēng)速下降的趨勢強(qiáng)于CF＜15%的站點(diǎn)，但在生長季和非生長季量級相等。CF＞60%站點(diǎn)日照時數(shù)減小的趨勢強(qiáng)于CF＜15%的站點(diǎn)，且在生長季較為顯著。氣溫和太陽輻射是ETrad的主要影響要素，因此氣溫升高是東北ETrad增加的主要因素，但兩類站點(diǎn)之間差異不大。氣溫、濕度和風(fēng)速是ETaero的主要影響因素，相比CF＜15%的站點(diǎn)，CF＞60%站點(diǎn)氣溫升高和濕度減小的趨勢受到抑制，而風(fēng)速減小的趨勢得到加強(qiáng)，是ET0和ETaero顯著下降的主要原因。

3 討論

東北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在1961-2017年得到了快速發(fā)展，黑龍江、吉林和遼寧三省的糧食產(chǎn)量由1961年的0.13 億t 增加到2017年的1.39 億t，農(nóng)田有效灌溉面積由1961年的77.6 萬hm2增加到2017年的961.5 萬hm2。除了農(nóng)田擴(kuò)展，農(nóng)藝措施、種植管理水平和灌溉等發(fā)展也顯著提高了作物產(chǎn)量。對于研究區(qū)被農(nóng)田包圍的氣象站點(diǎn)，1961-2017年間農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的提高使區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)量增大。根據(jù)互補(bǔ)原理，區(qū)域?qū)嶋H蒸發(fā)量的增大引起的氣溫降低和濕度增大將引起潛在蒸散發(fā)量的下降。相比受人類活動影響較小地區(qū)的氣象站點(diǎn)，受農(nóng)業(yè)活動影響顯著地區(qū)站點(diǎn)氣溫升高和濕度增大的趨勢都被抑制，而風(fēng)速下降的趨勢被增強(qiáng)，這造成農(nóng)業(yè)區(qū)占地ETaero具有顯著下降的趨勢。因此，對于研究區(qū)內(nèi)氣象站，則其受到的農(nóng)業(yè)活動的影響越大，其ET0下降的趨勢越顯著。

需要指出的是，研究中采用氣象站周圍5 km 半徑范圍2000年耕地面積比例作為衡量農(nóng)業(yè)活動影響的指標(biāo)，存在不確定性。首先，農(nóng)業(yè)活動的小氣候效應(yīng)具有一定的空間尺度，采用不同的半徑范圍結(jié)果會不同，我們也嘗試了用其他半徑值，具體結(jié)果會受到一定的影響，但并不影響總體結(jié)論。其次，耕地的空間分布、作物種植情況、是否灌溉等都會對結(jié)果產(chǎn)生影響，如果要進(jìn)行定量化的研究，則需要考慮這些因素。此外，研究中僅采用2000年數(shù)據(jù)，沒有考慮土地利用變化的影響。事實(shí)上由于土地利用的變化，部分站點(diǎn)周圍耕地情況發(fā)生了非常顯著的變化，如部分地區(qū)耕地面積擴(kuò)展，而部分農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，這也為結(jié)果帶來了不確定性。

4 結(jié)論

（1）東北主要農(nóng)業(yè)區(qū)氣象站1961-2017年ET0具有顯著下降趨勢，而非農(nóng)業(yè)區(qū)站點(diǎn)具有弱上升趨勢，農(nóng)業(yè)區(qū)站點(diǎn)ET0的下降趨勢主要受到空氣動力學(xué)項(xiàng)ETaero的影響，在作物生長季更顯著。

（2）以氣象站5 km 半徑范圍內(nèi)耕地面積比例CF值作為衡量農(nóng)業(yè)活動影響的指標(biāo)，ET0與ETaero1961-2017年變化的趨勢值與CF值具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。CF＞60%的33 個站點(diǎn)ET0和ETaero生長季變化的趨勢值相比CF＜15%的18個站點(diǎn)下降顯著，且在差值研究期間持續(xù)增大。相比CF＜15%的站點(diǎn)，CF＞60%站點(diǎn)氣溫升高和濕度減小的趨勢受到抑制，而風(fēng)速減小的趨勢得到加強(qiáng)，是ET0和ETaero顯著下降的主要原因。

（3）東北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)區(qū)ET0的下降趨勢，在區(qū)域作物需水預(yù)測和水資源規(guī)劃中需要考慮這一影響。