新疆参考作物蒸散量空间变化规律研究

田 敏，王 健，朱 鹏，王 飞，吕 新*

(1.石河子大学农学院,新疆石河子 832003; 2.周口师范学院,河南周口 466000)



新疆参考作物蒸散量空间变化规律研究

田 敏1，王 健2，朱 鹏1，王 飞1，吕 新1*

(1.石河子大学农学院,新疆石河子 832003; 2.周口师范学院,河南周口 466000)

摘 要：为全面了解参考作物蒸散量的空间变化对作物种植和生态环境的影响,本文运用相关系数法、一元线性方程及GIS空间分析功能,分析了新疆59个气象站近60年的月参考作物蒸散量在不同经纬度、海拔区的变化规律及空间分布特征。研究结果表明:在不同经度区,3—10月的月参考作物蒸散量与经度之间呈正相关关系,其余各月与经度之间呈负相关;在不同纬度区,5—9月的月参考作物蒸散量与纬度之间成正相关关系,其余各月与纬度呈负相关关系;在不同海拔高程区,4月和9月的月参考作物蒸散量与海拔高程呈显著负相关、5—8月呈极显著负相关关系; 11—3月的参考作物蒸散量与海拔之间呈正相关关系,其中3月相关性最低,可以忽略。从整体空间分布看在不同的经度区,4—10月从低经度到高经度(从西到东)相关性逐渐增加,2,3,11,12月参考作物蒸散量从高纬度到底纬度(从北往南)逐渐增加最明显; 1月大部分地区亦是从高纬度到低纬度呈增加趋势,为此可得出新疆月参考作物蒸散量在不同的经纬度、海拔区存在明显的空间区域差异。

关键词：参考作物蒸散量;经度;纬度;海拔

文献著录格式:田敏,王健,朱鹏,等.新疆参考作物蒸散量空间变化规律研究[J].浙江农业科学,2016,57 (4):563-568.

参考作物蒸散量是研究植被耗水量、评价气候干旱程度、生产潜力、水资源供需平衡等的重要环节[1-2]。同时也是区域水资源开采、利用、种植结构合理布局的依据。因而,近年来蒸散量在水文气象、水资源、农业水土,自然资源等科学领域中研究非常活跃。随着对参考作物蒸散量的不断深入研究,时间尺度上的研究较多[3],而关于参考作物蒸散量空间变异性的研究相对较少,也不全面,为此本文从经、纬度、海拔等3个角度对新疆参考作物蒸散量的影响进行重点分析,预期为新疆参考作物蒸散量空间变化的了解及区域参考作物蒸散量的应用及立体研究提供理论依据。

新疆不仅是我国气候敏感区之一,也是我国重要的粮食及棉花主产区之一[4]。该区域的水资源亏缺制约了农业发展,也影响农业生态环境[5]。鉴于此,水资源供需状况及变化特征备受关注[6]。参考作物蒸散量是区域作物需水量的基础参数,准确的估算和科学客观的分析是衡量作物需水量的关键,是制定灌溉决策和水资源优化配置的重要依据和基础,为农业合理用水和科学灌溉提供可靠支撑[7-10]。国内外对参考作物蒸散量的研究主要侧重时间尺度上的研究,而本文运用新疆59个气象站近60年的资料,采用相关系数法、一元线性方程及GIS空间分析功能,分析了新疆月参考作物蒸散量在不同经纬度、海拔高程区的变化规律及空间分布特征,力求为新疆地区农业发展、区域经济和生态环境的协调发展提供理论参考。

1　研究区概况

新疆维吾尔自治区地处中国的西北边陲,73°20′41″—96°25′E,34°15′—49°10′45″N。地形复杂,从北向南分布为阿尔泰山、准噶尔盆地和西部山地、天山、塔里木盆地和南部的帕尔米高原、昆仑山及阿尔金山组成的昆仑山系等五大地貌单元,喻称三山夹二盆。特殊地形造就温带大陆性气候,多年平均气温为- 5～13℃,年辐射量在5 000～6 400 MJ·m-2,年降雨量50～400 mm[11-12]。本研究所选站点分布范围在75°15′—95°08′E,36°51′—48°03′N,海拔高度为34.5～3 504.4 m,能较好反应新疆的地形特征。

2　数据来源与研究方法

2.1数据来源

通过国家气象局、新疆维吾尔自治区气象局、团场气象站共获得59个气象站的气象数据,包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均风速、相对湿度、日照时数、气压等数据。新疆地理信息数据由国家基础地理信息中心提供。

2.2研究方法

2.2.1Penman-Monteith（PM）法

采用Penman-Monteith公式,计算59个气象站1962—2010年的参考作物蒸散量(ET0)的多年平均值,具体计算方法见参考文献[13-14]。

2.2.2GIS空间分析方法

克立格(kinging)空间插值法,又称空间局部插值法,是基于统计学的插值方法之一。对空间分布具有随机性和结构性的变量的研究则具有独特的优点[15]。利用区域化变量原始数据和变异函数的结构特点,对区域化变量的未采样点进行线性无偏、最优化估计的插值方法[16]对任一空间变量点的估计值,通过确定对其影响范围内的n个有效观测值Z (Xi)及其各自的权重系数得到,即

式中,λi为气象观测值Z (Xi)的权重系数,权重系数由普通克立格或简单克立格方程组求得。权重系数由变量的空间结构性决定,变量的空间结构用半变异函数γ(h)表示:

式中,h为距离矢量,N (h)为距离为h的采样点对的数目。

3　参考作物蒸散量随经度的变化规律

3.1不同经度区参考作物蒸散量随经度的变化规律

根据新疆59个气象站整理得到的多年平均参考作物蒸散量,分析不同经度区参考作物蒸散量的变化规律。由图1可知,不同经度区参考作物蒸散量都在6—7月达到最大值,而88°05′(阿勒泰)最大值出现在5月,85°33′(且末县)出现在8 月,且8月和5月的月蒸散量相差极小;而11—2月的参考作物蒸散量相对较低,不同经度之间的差异也变小了。

图1　不同经度区ET0变化规律

3.2参考作物蒸散量随经度的变化规律

由表1可知,3—10月参考作物蒸散量与经度表现出一定的正相关关系。其中,与5—9月呈极显著正相关,与4月呈显著正相关,而3月相关系数最低,其余月份与经度呈负相关关系。

表1　参考作物蒸散量与经纬度、海拔的相关系数

由各月份参考作物蒸散量与经度之间的关系研究(表2)可知,月蒸散量与经度呈现y = ax + b的线性关系,3—10月的a值为正值。再次表明,3—10月期间参考作物蒸散量与经度呈一定的正相关关系;其余各月a值为负值,呈负相关关系。在多年平均月参考作物蒸散量的空间分布上,4—10月从低经度到高经度(从西到东)逐渐增加。

4　参考作物蒸散量随纬度的变化规律

4.1不同纬度区参考作物蒸散量变化规律

研究不同纬度区参考作物蒸散量的变化规律(图2)可知,月参考作物蒸散量在不同纬度有所不同。高纬度的48°03′(哈巴河)月最高值出现在6月,随着纬度的降低,最大值出现延后。如43°09′(昭苏)出现在8月,翻过天山在42°05′(焉耆)月参考作物蒸散量最大值出现在5月,可见是随纬度的降低而延后。如在38°09′(且末)出现在8月,而在36°51′(于田)最大值又前移至6月。在10—3月的月参考作物蒸散量相对较小,变异也较小。

表2　各月参考作物蒸散量与经、纬度及海拔的关系

图2　不同纬度区ET0变化规律

4.2参考作物蒸散量随纬度的变化规律

根据各月参考作物蒸散量与纬度的相关关系分析(表1)可知,5—9月参考作物蒸散量与纬度之间存在一定的正相关关系,而11—3月的参考作物蒸散量随纬度的降低而逐步增加,两者之间呈极显著的负相关关系。

月参考作物蒸散量与其纬度之间的关系(表2)研究发现,各月参考作物蒸散量与纬度呈现出y = ax + b的线性关系,5—9月的a值分别为1.006,2.778,3.448,3.713,0.954均为正值,同样表明,5—9月两者间呈正相关关系,其余各月a值为负值,参考作物蒸散量与纬度两者之间均为负相关关系。

图3　1—4月多年平均月ET0空间分布

由图3和4可知,多年平均月参考作物蒸散量的空间分布来看,2,3,11,12月参考作物蒸散量从高纬度到低纬度(北往南)逐渐增加最明显; 1月大部分地区亦是从高纬度到低纬度呈增加趋势; 4,10月的月参考作物蒸散量从西北向东南逐渐增加。

图4　5—12月多年平均月ET0空间分布

5　参考作物蒸散量随海拔的变化规律

5.1不同海拔区参考作物蒸散量的变化规律

研究不同海拔区参考作物蒸散量的变化规律可知,不同海拔区的参考作物蒸散量有所不同(图3和4)。

由图5可知,从低海拔到高海拔月参考作物蒸散量最大值出现在7月的占54.2%,且分布区域广泛,如310 m (125团)、1 375 m (皮山)、2 175.70 m (乌恰)和3 090 m (塔什库尔干)等,且月参考作物蒸散量呈现出相同的变化规律;最大值出现在5,6月的分别占11.8%和20.3%,主要分布在中低海拔高程区如490.5 m (农七师124 团)、887.7 m (若羌)、1 375 m (和田)和1 739 m(巴伦台)等,亦分别呈现出相同的变化规律;最大值出现在8月的占11.8%,主要分布在中高海拔高程区,如794 m (奇台)、1 855 m (昭苏)、2 458 m (巴音布鲁克)等,除1 855 m (昭苏)、1 247 m (且末)在5月出现略高于6月蒸散量的2次高峰值变化规律外,其余站点表现为相同的变化规律;仅有1 116.5 m (巴楚)的月最大值出现在10月,此前3月的月参考作物蒸散量略低于10 月,且3月后逐月降低,7月降到最低值后再回升,10月达到最高值,全年月参考作物蒸散量呈倒“W”形变化规律。11—2月参考作物蒸散量小,不同海拔区变异小。

图5　不同海拔区ET0变化规律

5.2参考作物蒸散量随海拔高度的变化规律

通过各月参考物作物蒸散量与海拔高度之间的相关关系分析(表2)可知,4—10月月参考作物蒸散量与海拔之间呈负相关关系。其中,4月和9月呈显著负相关,5—8月呈极显著负相关关系; 11—3月的参考作物蒸散量与海拔之间呈正相关关系,其中3月相关性最低,可以忽略。进一步分析参考作物蒸散量与海拔之间的关系发现,月参考作物蒸散量与海拔高度呈y = ax + b的线性关系,其中4—10月的a值均为负值,其他各月均为正值。同样表明,4—10月的月参考作物蒸散量与海拔高度之间为负相关关系,其余各月正相关关系,但3月不存在相关性。

6　小结

不同经、纬度和海拔地区参考作物蒸散量的变化规律不同,随经纬度的增加,7月最大值有所增大,而随海拔高度的增加有降低趋势。

4—10月参考作物蒸散量随经度的增加而变大,纬度在5—9月随纬度的增加亦变大,除3月蒸散量随经度变化不明显外,其余各月份随经纬度的增加而有减少趋势。而4—10月参考作物蒸散量随海拔高度的增加而减少; 11—2月参考作物蒸散量随海拔高度的增加而增加,唯有3月变化不明显,原因有待于进一步探索。

从月参考作物蒸散量的空间分布看,随经纬度的变化比较明显。11—2月的参考作物蒸散量成随纬度的递减而增加的空间变化趋势,5—9月随经度的递增而增加的空间变化趋势,4月和10月是参考作物蒸散量随经纬度变化的转变期。

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(责任编辑：张瑞麟)

中图分类号：S161

文献标志码：A

文章编号：0528-9017(2016)04-0563-05

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160434

收稿日期:2016-02-13

基金项目:国家科技支撑计划(2011BAD29B06-01);八师中小企业专项(2014QY13)

作者简介:田 敏(1970—),副教授,在读博士,主要从事精准农业和农业信息化研究工作,E-mail:1013735666@qq.com。

通信作者:吕 新,E-mail:94662061@qq.com。