参考作物蒸腾蒸发时空变化及其影响因素分析.pdf

2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业参考作物蒸腾蒸发时空变化及其影响因素分析郭玲玲（安徽省淠史杭灌区灌溉试验总站，安徽 六安 237158）大中型灌区是我国重要的粮食生产功能区和重要农产品生产保护区，亦是我国农业节水的主战场1。淠史杭灌区是我国三大特大型灌区之一，灌区农业灌溉用水总量占总用水量的 80%以上，然而随着经济的发展和城镇人口的增加，灌区用水供需矛盾日益突出。作物蒸腾蒸发是影响作物生长、物质积累和产量形成的关键因素之一2。参考作物蒸腾蒸发不仅是作物蒸腾蒸发估算和农田灌溉制度制定的基本依据，亦可以用来评价气候干湿程度和水资源亏缺程度。因此，详细了解淠史杭灌区 ET0的变化规律对于水资源的科学管理和农业节水政策的合理制定具有重要意义3-4。因此，本文利用淠史杭灌区内及周边 12 个站点19582022 年逐月观测数据计算了 ET0，分析淠史杭灌区 ET0时空变化特征，量化气象因素对其影响，可以为加强水资源管理，提高农业应对气候变化适应能力和抵御气候灾害能力提供参考。1材料与方法1.1研究区概况淠史杭灌区，介于 115.50毅 E耀117.68毅 E，30.99毅 N耀32.56毅 N，是淠河、史河、杭埠河 3 个毗邻灌区的总称，位于安徽省中西部和河南省的中南部，地处大别山余脉的丘陵地带，控制面积 13 130 km2，设计灌溉面积 73.3 万 hm2，是我国 3 个特大型灌区之一。1.2研究方法参考作物蒸腾蒸发量 ET0采用联合国粮农组织推荐的 Penman-Monteith 公式计算5ET0=0.408驻（Rn-G）+酌900T+273U2（es-ea）驻+酌（1+0.34U2），（1）式中：ET0为参考作物蒸腾蒸发量（mm/d）；Rn为作物表面净辐射（MJ/（m2 d）；G 为土壤热通量（MJ/（m2 d）；T为 2m高度处空气温度（益）；U2为2 m高度处风速（m/s）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；驻 为水汽压曲线斜率（kPa/益）；酌 为湿度计常数（kPa/益）。趋势检验采用 Man-kendall 检验，参照 Hu2的计算方法。敏感系数的计算方法参照李迎等6的方法，即敏感系数为 ET0的相对变化量与单个气象因子相对变化量之比。气象因素对 ET0变化的贡献大小采用气象因素与ET0的敏感系数乘以该因素的多年相对变化，即为该气象基金项目：安徽省自然科学基金项目（2208085US03）作者简介：郭玲玲（1984-），女，高级工程师。研究方向为水稻节水灌溉技术。摘要：利用淠史杭灌区及周边 12 个气象站 19582022 年气象观测资料和 Penman-Monteith 公式计算参考作物蒸腾蒸发量（ET0），采用 Mann-Kendall 趋势检验、敏感曲线和线性回归等方法分析淠史杭灌区 ET0变化特征及主要气象因子对年 ET0变化的贡献，量化气象因素对其影响。该研究成果对提高农业应对气候变化适应能力和抵御气候灾害能力具有重要意义。关键词：淠史杭灌区；参考作物蒸腾蒸发；敏感性分析；贡献率；气候变化中图分类号院S274文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤08-0009-04Abstract:Based on the meteorological observation data of Pishihang Irrigation District and its surrounding 12 meteorologicalstations from 1958 to 2022,using Penman-Monteith formula,the reference crop evaporation and transpiration(ET0)was calculated.The variation characteristics of ET0and the contribution of main meteorological factors to annual ET0in Pishihang Irrigation Areawere analyzed by means of Mann-Kendall trend test,sensitive curve and linear regression.The results of this study are of greatsignificance to improve the ability of agriculture to adapt to climate change and resist climate disasters.Keywords:Pishihang Irrigation Area;reference crop evaporation and transpiration;sensitivity analysis;contribution rate;climatechangeDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.08.0039-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture渊a冤温度渊b冤相对湿度渊c冤风速渊d冤日照时数渊e冤温度倾向率渊f冤相对湿度倾向率渊g冤风速倾向率渊h冤日照时数倾向率渊i冤温度 M-K 趋势检验渊j冤相对湿度 M-K 趋势检验 渊k冤风速 M-K趋势检验渊l冤日照实数 M-K 趋势检验图 21958要2022 年气象要素平均值尧变化倾向率及 M-K 趋势检验的空间分布因素对 ET0变化的贡献值。具体参照 Li 等7的计算方法。2结果与分析2.1ET0时空变化特征由图 1 可知，淠史杭灌区 19582022 年 ET0变化趋势，淠史杭灌区年 ET0的区域性差异十分明显，各地的多年平均值为 858.0938.2 mm。年 ET0具有明显的空间分布规律，有合肥、六安、霍邱 3 个高值中心及舒城 1个低值中心。四季 ET0的空间分布规律与年 ET0的相似。渊a冤淠史杭灌区全年渊b冤淠河灌区全年渊c冤史河灌区全年渊d冤杭埠河灌区全年图 1淠史杭灌区 1958要2022 年 ET0变化趋势2.2气象因子时空变化特征由图 2 可知，温度在研究区内总体表现为南高北低的规律，在时间上表现为极显著的上升趋势。淠史杭灌区 19582022 年为 15.7 益，其上升速率分别为0.28 益 10 a-1。相对湿度在空间分布上总体表现为南高北低的规律，在时间上表现为极显著的下降趋势。淠史杭 灌 区的 19582022 年为 76.3%，年下降速率为0.94%10 a-1。风速在空间分布上总体表现为西南低、东北高的规律，在时间上表现为极显著的下降趋势。淠史杭灌区的19582022年风速平均为2.4m/s，下降速率为0.22m/s 10 a-1。年日照时数在研究区内总体表现为南低北高的规律，在时间上表现为极显著的下降趋势。年日照时数平均为 1 981.8 h，下降速率为 79.8 h 10 a-1。原远援猿员,原圆援猿圆（原圆援猿圆,原员援远员（原员援远员,原员援圆愿（原员援圆愿,原员援圆园Z 值-8.66,-2.32(-2.32,-1.61(-1.61,-1.28(-1.28,-0.78Z 值-4.46,-2.32(-2.32,-1.61(-1.61,-1.25Z 值Z 值跃2.32(-151.6,-130.0(-130.0,-110.0(-110.0,-90.0(-80.0,-70.0(-70.0,-50.0(-50.0,-26.1倾向率/（h 10 a-1）-0.41,-0.32)(-0.32,-0.24)(-0.24,-0.16(-0.16,-0.08(-0.08,-0.02倾向率/（m s-1 10 a-1）倾向率/（%10 a-1）-1.4,-1.2(-1.2,-1.0(-1.0,-0.8(-0.8,-0.6(-0.6,-0.50.22,0.25(0.25,0.30(030,0.35(0.35,0.40(0.40,0.45(0.45,0.49倾向率/（益 10 a-1）15.1,15.3(15.3,15.5(15.5,15.7(15.7,15.9(15.9,16.1温度/益(74.4,75.5(75.5,76.5(76.5,77.5(77.5.78.5(78.5,79.4相对湿度（%）1.56,1.75(1.75,2.00(2.00,2.25(2.25,2.50(2.50,2.75(2.75,3.04风速/（m s-1）1 841.2,1 900.0(1 900.0,1 950.0(1 950.0,2 000.0(2 000.0,2 050.0(2 050.1,2 100.0(2 100.1,2 142.8日照时数/hy=-0.346 8x+1 600.295 1mean=910.3 Z=-0.50nsy=-0.263 9x+1 436.922 9mean=911.9 Z=-0.25nsy=-0.306 5x+1 524.456 5mean=914.8 Z=-0.28nsy=-0.785 8x+2 455.006 6mean=891.6 Z=-1.76*19701980199020002010197019801990200020101970198019902000201019701980199020002010年份年份年份年份1 1001 0009008001 1001 0009008001 1001 0009008001 1001 00090080010-2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业2.3ET0对气象因子的敏感性分析由图 3 可知，淠史杭灌区 ET0对日最高温度（Tmax）、日最低温度（Tmin）、日平均温度（T）、相对湿度（RH）、风速（U）和日照时数（N）的敏感系数平均值分别为-0.78、-0.30、0.87、-1.17、0.04 和 0.22。淠河灌区 ET0对 Tmax、Tmin、T、RH、U 和 N 的敏感系数平均值分别为-0.80、-0.31、0.90、-1.19、0.04 和 0.22。史河灌区 ET0对 Tmax、Tmin、T、RH、U 和 N 的敏感系数平均值分别为-0.74、-0.28、0.82、-1.12、0.04 和 0.23。杭埠河灌区 ET0对 Tmax、Tmin、T、RH、U 和 N 的敏感系数平均值分别为-0.80、-0.33、0.92、-1.21、0.03 和 0.22。2.4气象因子对 ET0的贡献率由图4 可知，气象因子对 ET0变化的贡献率在不同区域是有差异的。Tmax、Tmin、T、RH 和 U、N 对淠史杭灌区ET0的 贡 献 率 分 别 为-5.66%、-4.23%、7.87%、5.67%、-1.85%和-5.09%；对淠河灌区 ET0的贡献率分别为-6.06%、-4.20%、8.15%、5.37%、-1.60%和-5.18%；对史河灌区 ET0的贡献率分别为-4.90%、-4.40%、7.76%、5.75%、-2.14%、-4.48%；对杭埠河灌区 ET0的贡献率分别为-6.53%、-3.66%、7.85%、6.87%、-1.46%和-7.09%。3讨论本研究发现，19582022 年淠史杭灌区 ET0总体呈现不显著下降趋势，其中杭埠河灌区达到显著水平。这与中国其他区域，如海河流域、华北平原和京津冀地区 ET0自 20 世纪 60 年代以来呈下降趋势一致。淠史杭灌区 ET0气候倾向率为-4.1 mm 10a-1，这与整个长江流域的 3.4 mm 10a-1相近。在季节分布上，年 ET0下降主要是由于夏季 ET0下降导致的。注：图中 PSH、P、S、H 分别表示淠史杭灌区、淠河灌区、史河灌区、杭埠河灌区。图 4淠史杭灌区气象因子对 ET0的贡献率淠史杭灌区 ET0变化对相对湿度最为敏感。本文中渊a冤日最高温度敏感系数渊b冤日最低温度敏感系数渊c冤日平均温度敏感系数渊d冤相对湿度敏感系数渊e冤风速敏感系数渊f冤日照时数敏感系数图 3ET0对气象要素敏感性系数的空间分布1086420-2-4-6-8-10PSHPSH灌区TmaxTUTminRHN0.2150.2170.2180.2190.2200.2210.2220.2230.2240.2250.2260.2270.2280.2290.2300.2310.2320.233N 敏感系数0.0130.0200.0210.0270.0280.0320.0330.0360.0370.0380.0390.040.0410.0430.0440.0470.0480.052U 敏感系数-1.440-1.354-1.353-1.296-1.295-1.258-1.257-1.232-1.231-1.193-1.192-1.135-1.134-1.048-1.047-0.918-0.917-0.723RH 敏感系数0.4520.6270.6280.7480.7490.8300.8310.8860.8870.9240.9250.9500.9510.9880.9891.0441.0451.126T 敏感系数Tmin敏感系数-0.374-0.352-0.351-0.336-0.335-0.325-0.324-0.317-0.316-0.306-0.305-0.290-0.289-0.267-0.266-0.232-0.231-0.182Tmax敏感系数-0.977-0.921-0.920-0.878-0.877-0.846-0.845-0.822-0.821-0.790-0.789-0.747-0.746-0.690-0.689-0.613-0.612-0.51011-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture9 黄新波，高玉菡，张烨，等.基于联合分量灰度化算法和深度学习的玻璃绝缘子目标识别算法J.电力自动化设备，2022，42（4）：203-209.10 刘腾飞，刘威.基于 Matlab 的肿瘤细胞识别系统J.电子设计工程，2021，29（6）：1-5.11 李忠虎，薛婉婷，吕鑫，等.基于图像融合的风电塔筒边缘检测及提取方法J.国外电子测量技术，2022，41（3）：90-95.12 黄鹏，郑淇，梁超.图像分割方法综述J.武汉大学学报（理学版），2020，66（6）：519-531.13 韩思奇，王蕾.图像分割的阈值法综述J.系统工程与电子技术，2002（6）：91-94，102.14 成芳，应义斌.基于 Matlab 平台的稻种图像分析系统J.浙江大学学报（农业与生命科学版），2004，30（5）：572-576.15 段青玲，陈鑫，许冠华，等.基于多维度特征和 LightGBM 的大闸蟹质量估算方法J.农业机械学报，2022，53（8）：353-360.16 薛丽霞，李涛，王佐成.一种自适应的 Canny 边缘检测算法J.计算机应用研究，2010，27（9）：3588-3590.17 周飞燕，金林鹏，董军.卷积神经网络研究综述J.计算机学报，2017，40（6）：1229-1251.18 沈健.基于机器视觉的螃蟹分拣装置研究D.舟山：浙江海洋大学，2022.T、U、N 的敏感系数为正值，RH 的敏感系数为负值，这与前人的研究结果一致。然而，Tmax与 Tmin的敏感系数为负值，这与前人在河南、山东等地的研究结果不同，这可能是与这些地方纬度高、日照时数长、温度低有关。另外，不同区域气象因子的多年变化趋势也不尽相同，对 ET0变化的贡献也不一致。因此，综合气象因子的敏感系数和变化趋势，能够更好地定量评价各气象因子对 ET0的影响。近年来，气温升高 ET0降低的“蒸发悖论”现象在很多地区得到广泛的关注和验证。淠史杭灌区也有这种现象。究其原因，很大程度上是因为区域气温升高对 ET0的贡献率在总贡献率没有风速和日照时数变化所占的比重大。Tmax、Tmin、T、RH、U 和 N 对淠史杭灌区 ET0的总贡献率为-3.28%，然而 ET0是呈现不显著的下降趋势的，这说明引起 ET0变化的原因多样化、复杂化，除这些气象因子影响外，还与其他气象因子及人类活动、下垫面变化等有关。此外，温度的贡献率为-2.01%，主要是由于日最高温度与日最低温度的贡献率为负，且之和超过了日平均温度。4结论1）淠史杭灌区年 ET0总体呈现不显著的下降趋势，在时空分布上存在一定差异。淠河灌区、史河灌区全年ET0的变化趋势与全灌区表现一致。然而，杭埠河灌区的年 ET0下降趋势达到显著水平。2）淠史杭灌区的年平均温度、相对湿度、风速、日照时数分别呈现极显著的上升、下降、下降、下降趋势。3）淠史杭灌区年 ET0对相对湿度最为敏感，其次是日平均温度、日最高温度，对风速敏感性最低。气象因子对 ET0的贡献率的绝对值表现为：相对湿度（5.67%）日照时数（-5.09%）温度（-2.01%）风速（-1.85%）。其中，相对湿度的贡献率为正值，温度、风速、日照时数的贡献值为负值。日照时数下降是 ET0不显著下降的主要原因。参考文献院1 倪文进.大中型灌区现代化建设需处理好几个问题J.中国水利，2020（9）：6-7.2 HU X，CHEN M，LIU D，et al.Reference evapotranspira原tion change in Heilongjiang Province，China from 1951 to2018：The role of climate change and rice area expansionJ.Agricultural Water Management，2021，253（12）：1-14.3 王琼，张明军，潘淑坤，等.长江流域潜在蒸腾蒸发量时空变化特征J.生态学杂志，2013，32（5）：1292-1302.4 檀艳静，胡程达，史桂芬.黄淮海区域参考作物蒸腾蒸发量的时空变化特征及影响因素J.干旱气象，2020，38（5）：794-803.5 ALLEN R G，PEREIRA L S，RAES D，et al，Crop evapo原transpiration：guidelines for computing crop water require 原ments R.FAO Irrigation and Drainage Paper No.56.FAO，Rome，Italy，1998.6 李迎，吕谋超，张海文，等.参考作物蒸散量对气象要素的敏感性分析J.灌溉排水学报，2017，36（7）：94-99.7 LI C，WU P T，LI X L，et al.Spatial and temporal evolu原tion of climatic factors and 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