文章编号:1674-7070(2013)06-0515-07 1971--2010年气候变化对河南省 主要作物需水量的影响 周迎平 , 摘要 以小麦、玉米、棉花、花生等主要农 作物为研究对象,选取河南省12个气象 站点1971--2010年的气象资料,采用联 合国粮农组织(FAO)推荐的Penman. Monteith公式计算参考作物生育期内需 水量,分析其生育期需水量变化规律.结 果表明:河南省多个地区需水量的年内 分布,都在6月达到全年的最高值,在l1 或12月降至全年的最低值;需水量最大 的是棉花,其次是小麦、花生和玉米;近 40年,棉花、小麦、花生和玉米的需水量 都表现为减少趋势.通过分析各气象因 子与需水量的相关性发现:平均风速与 作物需水量显著正相关,由于平均风速 大幅下降,从而在很大程度上抵消了因 其他气象因子变化引起的需水量增加趋 势,造成主要作物生育期需水量的减少. 关键词 气候变化;作物需水量;气象因子; 河南省 中图分类号S161 文献标志码A 收稿日期2012-12-07 资助项目公益性行业(气象)科研专项(GY— HY201306046);中国气象局农业气象保障与 应用技术重点开放实验室开放基金(AMF 200901);江苏高校优势学科建设工程项目 (PAPD) 作者简介 周迎平,女,硕士生,主要研究方向为农业 气象与生态.196623395@qq.eom 胡正华(通信作者),男,博士,副教授,主 要研究全球气候变化生态.zhhu@nuist.edu.en 1河南省气象科学研究所,郑州,450003 2南京信息工程大学江苏省农业气象重点 实验室,南京,210044 胡正华 , 崔海羚 陈书涛 师丽魁 0 引言 IPCC指出,1906--2005年全球地表气温上升了(0.74 4- 0.18)oC l】J,气候变暖成为关系人类未来生存和发展的重大环境问 题,受到各国政府及国际学术界的广泛关注_2 J.气候变化对自然生态 系统和人类生存环境产生显著影响,并将对社会经济的发展产生重 大影响,其中对农业、生态系统和水资源等的影响将是直接而深远 的 J.我国是受气候变化影响较严重的国家之一,气候变化在一定程 度上改变了我国气候的时空格局,导致农业气候资源时空格局的显 著变化 . 水资源是限制农业发展的重要因素之一,水资源在时空上的重 新分布以及在数量上的改变都直接影响农业生产和粮食安全.目前, 水资源作为受气候变化影响的敏感领域,已成为应对气候变化的研 究热点之一 j.作物需水量是农业用水的主体,也是国民经济消耗水 分的重要组成部分.农作物需水量研究对水的生产力和水灌溉意义 重大,加强农作物需水量研究亦是农业可持续发展迫在眉睫的任 务 j.气温、日照时数、风速、降水等因素的持续变化都可能会改变水 文要素,进而影响作物需水量. 河南省是我国重要的粮棉主产区,小麦、玉米等主要农作物产量 均居全国前列,是重要的优质农产品生产基地 J.河南省位于亚热带 向暖温带过渡区,气候资源丰富多样,气候变化特征也比较明显 圳. 本文运用1971--2010年河南省气象资料,分析气候要素的变化趋势, 定量研究气候因素对作物需水量的影响规律,对于合理进行水资源 规划和制定科学合理的水资源管理方案具有一定的理论意义和使用 价值. 1资料与方法 1.1研究区概况 河南位于中国中东部、黄河中下游,110。21 一116。39 E,31。23 ~ 36。22 N之间.全省总面积1.67×10 km ,耕地面积达7.93×10 km . 全省由南向北年平均气温为15.7—12.1 cI=,年均降水量1 380.6— 532.5 1Tim,年均日照1 848.0~2 488.7 h,全年无霜期189~240 d,适 周迎平,等.1971--2010年气候变化对河南省主要作物需水量的影响 516 ZHOU Yingping,et a1.Effect of climate change on main crop water requirements in Henan province during 1971—2010 宜多种农作物生长.近50年来,河南干旱面积增加, 彭曼.蒙蒂斯(Penman.Monteith)法是联合国粮 为 洪涝面积减少,尤其是20世纪80年代中期以来,干 农组织(FAO)推荐使用计算参考作物蒸散量的方 Monteith公式 旱化程度加重,农业干旱灾害发生的频次和强度呈 法 垃],FAO标准化的Penman.明显的增强趋势. 1.2资料来源 一 Qm 0.408a(R 一G)+r △+r(1+0.34 ) (e 一e ) ’ 选取全省12个气象台站1971--2010年的地面气 象观测资料,要素包括:13平均气温、13最高气温、13 式(2)中: 为参考作物蒸散量,单位为ITlIn・d~;△ 最低气温、13平均风速、13相对湿度、13照时数.结合 各台站的海拔高度、纬度等数据,计算了冬小麦、夏玉 米、棉花和花生等主要作物需水量.地面气象观测资 料来源于国家气候中心,12个站点基本信息见表1. 表1 12个气象台站点基本信息 Table 1 Basic information of the 12 meteorological stations 1.3作物需水量计算 使用作物系数法计算作物在某一时段的需水 量¨ ,计算公式L】 为 E 。=K ×Elo, (1) 式(1)中:E。 为计算时段内的作物需水量,单位为 mm; 为相应时段的参考作物蒸散量,单位为mm. 河南省全年种植的主要作物以小麦、玉米、棉花和花 生为主, 为相应时段小麦、玉米、棉花和花生的作 物系数.本文计算中取的 值见表2( 、K ,分 别是作物幼苗、开花、成熟期作物系数). 表2不同生育期作物系数 Table 2 Crop coefifcients in diferent growth periods 为饱和水汽压与空气温度关系曲线的斜率,单位为 kPa・cC~;R 为灌层表面净辐射,单位为MJ・m~・ d~;G为土壤热通量,单位为MJ・m一・d~;r为干 湿表常数,单位为kPa・℃~; 表示2 m高处日平 均气温,单位为℃;U2表示地面以上2 m高处的风 速,单位为m・s~;e 为饱和水汽压,单位为kPa;e 为实际水汽压,单位为kPa. 式(2)中参量的求取需要以下资料或数据:最高 气温、最低气温、平均气温、风速、饱和水汽压、实际 水汽压、相对湿度、海拔高度、地表辐射、星际辐射、 31照时数、纬度、净短波辐射、净长波辐射等,具体计 算公式见表3.通过河南省12个站点1971--2010年 的上述资料,计算得到 以及主要作物(小麦、玉 米、棉花、花生)全生育期内的需水量. 1.4统计分析 使用Excel 2003对不同作物需水量进行计算分 析,并运用SPSS 16.0(SPSS Inc.Chicago,IL,USA)对 不同作物需水量与各气象因子进行相关性分析. 2结果与分析 2.1气象因子变化特征 对河南省l2个站点近40年主要作物生育期内 各气象因子的变化趋势进行计算分析,生育期内河南 省平均气温、最高气温和最低气温表现为升高趋势, 每10年变化范围分别为一4.04—28.94℃、3.05~ 34.88℃和一7.56~24.29 a【=,平均变化水平分别为 0.14、0.04和0.25 c【=;13照时数、相对湿度和风速 表现为降低趋势,每1O年变化范围分别为1.32~ 8.37 h、45.14%~86.41%和0.74~3.48 m/s,平均 变化水平分别减少1.28 h、2.14%和0.10 m/s. 2.2作物需水量变化趋势 2.2.1参考作物蒸散量 的时空特征 图1和图2分别表示1971--2010年,河南全省月 均 值和河南省l2个气象站点的月均 曲线分布. 由图1可见河南省的月均参考作物蒸散量呈抛物线型, 在6月达到全年的最高值,在l1月降至全年的最低值. 曲未馐垂 学学报:自然科学版,2013,5(6):515—521 517 Journal of Na ing University of Information Science and Technology:Natural Science Edition,2013,5(6):515-521 表3参考作物蒸散量相关参数的计算 Table 3 Calculation equations of relevant parameters for reference crop evapotranspiration 一 4 O 3 5 注:dr一日地相对距离;e 一实际水汽压;e ~饱和水汽压;G一土壤热通量;日一海拔高度;卜在年内的天数;n/Ⅳ一日照百分率;P_海拔高度 处的气压;R 一大气上界辐射;R 一灌层表面净辐射;R l一净长波辐射; 一净短波辐射;卜平均气温; 一最低绝对气温; 一最高绝对气 温; …一最高气温;rmi 一最低气温; --2 I13高处的风速; 一测量点平均风速; 一日落时角; 风速测量高度;△一饱和水汽压与温度关 系曲线的斜率;',一千湿表常数; 一太阳赤纬; 一纬度. 三4 专 3 由图2可见各站点的月均参考作物蒸散量均呈 抛物线型,其走势大致相同,但是地区问差异较大. 各地参考作物蒸散量都在6月达到全年的最高值, 在11或12月降至全年的最低值.1—6月E 持续上 升,其中3—5月上升速度最快,而6—11月 持续 下降,其中6—8月的下降速度最快.在近40年里, 月均 最大值为3.46,出现在商丘6月,月均 最 小值为0.36,出现在卢氏11月. 2.2.2主要作物需水量 l 皿圈j 2 箍 糕 1 0 图1 1971--2010年河南省参考作物蒸散量变化趋势 Fig.1 Trend of reference crop evapotranspiration in 表4为主要作物种植区各站点近40年的需水 量变化趋势.结果表明:从1971--2010年,冬小麦需 Henan province during 1971--2010 水量除安阳、许昌、孟津3个站点为增加趋势外,其 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 月份 图2 1971--2010年12个站点月均参考作物蒸散量变化 Fig.2 Monthly variation of reference crop evapotranspiration in 12 meteorological stations during 1971--2010 周迎平,等.1971--2010年气候变化对河南省主要作物需水量的影响 518 ZHOU Yingping,et a1.Effect of climate change on main crop water requirements in Henan province during 1971—2010 余9个站点均呈不同程度的下降趋势,且每l0年平 均下降水平最大的站点是西华,下降23.621 mm.玉 量 吕 米和棉花需水量除许昌站为增加趋势外,其余1 1个 站点均呈不同程度的下降趋势.玉米和棉花每l0年 平均下降水平最大的站点是都西华,分别为11.913 和22.98 mm.花生需水量除孟津站为增加趋势外, 其余11个站点均呈不同程度的下降趋势,且每10 年平均下降水平最大的站点是商丘,下降 鲫 帷 1980 1990 2O00 2010 年份 11.596 mm. 表4河南省主要作物需水量的线性变化趋势 Table 4 Linear change coefficients of main crop water requirement in Henan province 根据公式计算,主要作物需水量见图3.由图3 可知:河南省多年(1971--2010年)冬小麦平均需水 量427.5 mm,其中,最大值466.5 mm,出现在1993 年,最小值394.3 mm,出现在1991年;玉米平均需 水量281.8 mm,其最大值308.2 mm,出现在1993 年,最小值265.8 mm,出现在1991年;棉花平均需 水量460 mm,其最大值为525.3 mm,出现在1981 年,最小值422.8 mm,出现在2010年;花生平均需 水量351.4 mm,其最大值为426 mm,也出现在1993 年,最小值327.3 mm,出现在2010年.另外,需水量 最多是棉花,其次是小麦、花生,最少的是玉米.整体 上,从1971--2010年,河南省主要作物的需水量在 近40年呈下降趋势,棉花、小麦、花生和玉米的需水 量每10年分别下降10.8、7.54、4.67和4.55 mm. 研究表明,中国主要作物多年平均需水量大的 作物依次是水稻、棉花和小麦 .近几十年来,水 稻、小麦和玉米等作物需水量均发生了明显变化,而 不同地区的变化特征有所不同Ⅲ J.作物需水量的 图3 1971-2010年主要作物需水量变化趋势 Fig.3 Trend of main crop water requirements in Henan province during 1971--2010 多少,取决于其生育期的长短和需水强度.不同作物 的需水量不同,例如棉花生长期较长,从4月中下旬 至1O月中下旬,全生育期的需水量是比较多的,为 500~620 mm,且从南向北逐渐增大.花生的植株小, 全生育期的需水量大约为300~450 mm.冬小麦的 生育期较长,需水量较大,为400—500 mm.从播种 到越冬,需水强度逐渐减少,可能是因为越冬期气温 低,作物生长缓慢,需水强度最小.春季返青后生长 加快,需水强度也逐渐增大,植株衰老后需水强度逐 渐减小.夏玉米生长期一般为6月中旬至9月中旬, 生育期为90—100 d,全生育期需水量230~ 400 mm.由于生长期短,热量条件差异不大,玉米需 水量在地区间差别较小.这与刘钰等¨ 对中国主要 作物灌溉需水量的研究结果相似. 2.3作物需水量与气象因子的关系 2.3.1 冬小麦 虽然河南省大部分地区的气温在20世纪80年 代后期以来呈明显的升高趋势,但作物需水量并未 因此而增加.其原因是气温变化的同时其他气象如 降水、风速、相对湿度等也发生变化,而影响水分变 化的因素是多方面的,且不同地区、不同季节各气象 因子的影响作用大小不同.表5列出的是河南省4 种主要作物需水量与气象因子的相关系数.由表5 可知,冬小麦需水量与风速表现为极显著正相关,与 最高气温、日照时数和相对湿度表现为不显著正相 关,与平均温度和最低温度呈不显著负相关.气象因 子对冬小麦需水量的影响顺序为:平均风速>日最 低温>平均温度>相对湿度>日最高温>日照 时数. 由于40年来冬小麦生育期平均气温、最高气 温、最低气温呈增加趋势,而日照时数和风速呈降低 曲亲信露 学学报:自然科学版,2013,5(6):515-521 519 Journal ofNanjing University ofInformation Science and Technology:Natural Science Edition,2013,5(6):515-521 表5作物需水量与气象因子相关系数 Table 5 Correlation coefficients between crop water requirement and meteorological factors 注In=40; , 分别表示P<O.05和P<0.01 趋势,平均风速与冬小麦需水量呈显著正相关关系, 这将引起冬小麦需水量显著减少.最高气温与冬小 麦需水量虽然呈正相关,它所引起冬小麦需水量增 加的幅度没有平均风速、相对湿度等引起冬小麦需 水量下降的幅度大,因而河南省冬小麦生育期需水 量呈显著减少趋势. 2.3.2夏玉米 夏玉米需水量与平均风速表现为显著正相关, 与13最高温和13照时数呈不显著正相关,与最低温 度呈显著负相关,与平均温度和相对湿度呈不显著 负相关.气象因子对夏玉米需水量的影响顺序为:平 均风速>13最低温>Et最高温>平均温度>相对湿 度>日照时数.平均风速的降低趋势是导致夏玉米 需水量显著减少的主要原因. 2.3.3棉花 棉花需水量与平均风速主要表现为显著正相 关,与日照时数、相对湿度呈不显著正相关,与最低 温度表现为显著负相关,与平均温度、最高温度呈不 显著负相关.气象因子对花生需水量的影响顺序为: 平均风速>13最低温>平均温度>相对湿度>日照 时数>13最高温.棉花生育期内相对湿度、平均风速 和Et照时数呈降低趋势,其他气象因子均为升高趋 势.由于相对湿度和平均风速的降低幅度较大,而其 降低幅度比平均气温等带来的作物需水量增加的幅 度大,最终导致棉花生育期需水量显著减少,平均风 速的较大幅度降低是导致棉花生育期需水量显著减 少的主要原因. 2.3.4花生 花生需水量与平均风速主要表现为显著正相关, 与平均温度、13最高温和日照时数呈不显著相关,与 最低温度、相对湿度呈不显著相关.气象因子对花生 需水量的影响顺序为:平均风速>13最低温>13最高 温>相对湿度>日照时数>平均温度.花生生育期 内平均温度和最低温度呈增加趋势,其他气象因子 均为降低趋势.与以上3种作物相同,由最低气温和 平均气温所引起的需水量增幅不大,而风速的降低 引起花生生育期需水量大幅较低. 3 结论 近40年来,河南省参考作物蒸散量都在6月达 到全年的最高值,在11或12月降至全年的最低值. 1—6月E 持续上升,6—11月E 持续下降.冬小 麦、夏玉米、棉花和花生的需水量都表现为减少趋 势.需水量减少最多的是棉花,其次分别是小麦、花 生和玉米. 近40年来,河南省内相对湿度、平均风速和日 照时数呈降低趋势,而平均温度、最高温度和最低温 度均呈不同程度的升高趋势.平均风速与主要作物 需水量呈显著正相关关系.由于平均风速的降低幅 度较大,从而在很大程度上抵消了其他因子变化造 成的需水量增加,最终造成冬小麦、夏玉米、棉花和 花生生育期需水量的减少.因此,平均风速的降低是 导致河南省主要作物需水量减少的主要原因. 参考文献 References [1] IPCC.Climate change 2007:The physical science basis [M]∥Contribution of Working Group I to the Fouth As- sessment Report of the Intergovemmental Panel on Cli— mate Change.Cambridge,United Kingdom and New York,NY,USA:Cambridge University Press,2007: 236—336 [2] 中国科学院学部.关于气候变化对我国的影响与防灾 对策建议[J].中国科学院院刊,2008,23(3):229—234 Academic Divisions of the Chinese Academy of Sciences. 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Key words climate change;crop water requirement;meteorological factors;Henan province