陰山北麓地區(qū)降水特性和作物需水耦合關(guān)系分析
——以武川縣為例

康文欽，杜 磊，于利峰，侯智惠，許洪滔，趙俊利，侯安宏

（內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來多方面的影響，使農(nóng)區(qū)水熱資源時空分布發(fā)生變化，進而影響作物種植制度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、病蟲害發(fā)生以及產(chǎn)量和品質(zhì)，從而影響糧食安全，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展形成障礙[1]。在全球氣候變暖的大背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水的研究成為一個重要議題[2]。旱作農(nóng)業(yè)區(qū)作物種植模式是內(nèi)蒙古主要的生產(chǎn)模式，主要依靠天然降水維持作物生長，生產(chǎn)能力低而不穩(wěn)，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[3]。解決旱作農(nóng)業(yè)水資源短缺問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的一條重要路徑是高效利用降水資源[4]。因此，分析降水特征與作物生育期需水特征，探討降水與作物需水關(guān)系，是建立量水種植模型的關(guān)鍵，是科學(xué)高效利用降水資源、提高灌溉水利用效率的基礎(chǔ)。

內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)處于干旱、半干旱過渡地帶，氣候冷涼，為典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，具有對氣候變化響應(yīng)敏感和生態(tài)環(huán)境脆弱的特點，干旱缺水與水土流失并存是制約該區(qū)經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，也是導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)脆弱的關(guān)鍵原因[5-6]。內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)種植結(jié)構(gòu)單一，是馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)，武川縣馬鈴薯種植面積占武川縣糧食作物種植面積的63.4%[7]。武川縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以旱作為主，農(nóng)作物產(chǎn)量受降水量影響較明顯，且當?shù)氐乇韽搅魃?，地下水資源短缺。有關(guān)陰山北麓地區(qū)旱作馬鈴薯、春小麥需水量特征、補灌時期的研究較多，對于降水與需水的耦合分析研究相對較少，因此，本研究試圖利用武川縣2000—2019年逐日監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)，分析武川縣降水量特征和馬鈴薯、春小麥在各生育時期的需水特征，計算降水和主要作物需水的耦合程度，并提出應(yīng)對策略，為旱作農(nóng)業(yè)充分利用有限水資源和提高水分利用效率提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

武川縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，北緯40°47′～41°23′、東經(jīng)110°31′～111°53′，總面積4 885 km2，為典型的陰山北麓地區(qū)。武川縣屬于中溫帶大陸性季風氣候區(qū)，日照充足，晝夜溫差較大，年平均氣溫3.0℃，年極端最低氣溫-37.0℃，年極端最高氣溫36.2℃，最冷月為1月，平均氣溫-14.8℃，最熱月為7月，平均氣溫18.8℃，≥0℃年積溫平均為2 578.5℃，無霜期124 d。年蒸發(fā)量1 993～2 753 mm，降水量為250.0～360.0 mm，年平均降水量為354.1 mm，降水主要集中在6—9月，占年降水量的82%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究利用典型陰山北麓地區(qū)武川縣2000—2019年逐日監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要包括大氣溫度、日平均相對濕度、日平均風速、日照時數(shù)，并利用2000—2019年馬鈴薯和春小麥生育期的數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 作物需水量計算 馬鈴薯、春小麥需水量利用式（1）計算，利用已有文獻獲取2種作物的作物系數(shù)[8]，作物系數(shù)具體見表1。

作物需水量，計算公式為

式中，ETc為蒸騰量（mm/d）；kc為作物系數(shù)。

ET0為參考作物蒸騰量（mm）[9]，計算公式為

式中，Rn為冠層表面凈輻射[MJ/（m2·d）]；G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）]，G=0；T為平均氣溫（℃）；Δ為飽和水汽壓溫度曲線的斜率（kPa/℃）；μ2為高度2.0 m 處風速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）；γ為濕度計常數(shù)（kPa/℃）。

1.3.2 主要作物需水與降水的耦合度 有效降水量采用下式計算

式中，Pe為有效降水量（mm）；P為降水量（mm）。

作物在某個生育時期需水與降水的耦合度計算方法為

式中，λ為作物在某個生育時期作物需水與降水的耦合度，數(shù)值變化范圍0～1，λ 越接近1，表明降水滿足作物需水的程度越高；Pe為相應(yīng)生育時期的有效降水量（mm）；ETc為相應(yīng)生育時期的作物需水量（mm）。

1.3.3 馬鈴薯和春小麥生育時期 馬鈴薯生育時期分為發(fā)芽期、苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期；春小麥生育時期分為播種期、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期和收獲期。武川縣當?shù)伛R鈴薯、春小麥生育時期見表2和表3。

表2 2000—2019年馬鈴薯生育時期

1.4 統(tǒng)計分析

借助Excel 2010 進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要作物生育期需水量與降水量

2.1.1 主要作物生育期需水量 由圖1可知，馬鈴薯、春小麥全生育期需水量分別為337.70和315.30 mm，馬鈴薯需水量在整個生育期高于春小麥。

由表4可知，馬鈴薯在塊莖膨大期需水量均值達108.64 mm，是其他生育時期的1.21～3.80 倍，占全生育期總需水量的32.17%，是馬鈴薯的需水量最大時期；馬鈴薯在苗期、塊莖形成期、淀粉積累期需水量均值分別為76.54、70.21、47.22 mm，分別占總需水量的22.67%、20.79%和13.98%。

表3 2000—2019年春小麥生育時期

由表5可知，春小麥在不同生育時期需水量為30.40～80.60 mm，需水量在拔節(jié)期為80.60 mm，占全生育期需水量的25.56%，需水量在抽穗期為67.10 mm，占全生育期需水量的21.28%，拔節(jié)-抽穗期是春小麥需水量最大的時期，春小麥開始進入拔節(jié)-抽穗期，需水量明顯增加，這一階段是春小麥生長需水的關(guān)鍵期，如果水分不足將直接影響小麥的產(chǎn)量。

2.1.2 主要作物各月份降水量 由圖2、圖3可知，2000—2019年年均降水量為400.87 mm，年降水量呈現(xiàn)增加趨勢（斜率為5.598 4），降水主要集中在4—9月，主要作物生育期4—9月降水量總和為353.59 mm，占全年降水量的88.21%，4—9月有效降水量總和只有138.38 mm，占4—9月總降水量的39.14%，因降水集中出現(xiàn)大面積土壤流失現(xiàn)象，能夠被作物可利用的有效降水量有限。其中，7月降水量最高，月均降水量為95.29 mm。

表5 春小麥不同生育時期需水情況

2.2 主要作物各月份內(nèi)降水與需水耦合程度

由表6可知，馬鈴薯需水與降水的耦合度在5月為0.33，在7月為0.45，在8月為0.34，馬鈴薯需水與降水耦合度在6月最??；春小麥的需水與降水的耦合度在5月為0.14，在7月為0.31；春小麥需水與降水的耦合度在6月為0.33，是馬鈴薯需水與降水的耦合度的1.14 倍，春小麥需水與降水耦合度在7月為0.31，在5月最小。在作物全生育期內(nèi)，除春小麥8月外，降水均無法滿足作物需水量（λ＜1），如果需要保證較高的產(chǎn)量，需要采取補灌等措施為作物補充生長所需的水分。

此外，馬鈴薯需水與降水的耦合度與月份呈3次多項式關(guān)系，決定系數(shù)（R2）為0.694 1（圖4a）；春小麥需水與降水的耦合度與月份表現(xiàn)出良好的3次多項式關(guān)系，擬合程度較高，決定系數(shù)（R2）為0.934 3（圖4b）。

3 結(jié)論與討論

陰山北麓地區(qū)農(nóng)作物所需水分主要來源于降水，2000—2019年年均降水量為400.87 mm，主要作物全生育期（4—9月）降水量為353.59 mm，4—9月有效降水量總和為138.38 mm，占4—9月總降水量的39.14%（圖3），馬鈴薯、春小麥全生育期需水量分別為337.70和315.30 mm，馬鈴薯需水量在整個生育期高于春小麥。馬鈴薯在塊莖膨大期需水量最大，均值達108.64 mm，占全生育期需水量的32.17%，馬鈴薯全生育期需水與降水的耦合度為0.33～0.58，降水無法滿足作物需水量。春小麥拔節(jié)、抽穗期需水量最大，分別占各自全生育期需水量的25.56%和21.28%，春小麥的需水與降水的耦合度在4—7月為0.14～0.33，在作物全生育期內(nèi)，除春小麥8月外，降水均無法滿足作物需水量（λ＜1）。春小麥需水與降水的耦合度與月份表現(xiàn)出良好的3次多項式關(guān)系，擬合程度較高，決定系數(shù)（R2）為0.934 3。本研究結(jié)果表明不同作物在不同生育時期對水資源需求是不同的，不同作物在不同生育時期需水與當?shù)亟邓鸟詈隙鹊?，降水結(jié)構(gòu)和時空差異是造成耦合度低的主要原因。為了提升陰山北麓旱作農(nóng)業(yè)區(qū)作物生產(chǎn)需水與降水之間的匹配程度，一是選擇種植與當?shù)亟邓┙o及其他資源條件相適應(yīng)的農(nóng)作物；二是通過對農(nóng)作物需水關(guān)鍵期的確定，從而采取耕作或農(nóng)藝措施加以調(diào)節(jié)；三是依據(jù)農(nóng)作物關(guān)鍵生育時期對水資源的需求，采取精量補灌或其他農(nóng)藝措施解決匹配程度不高的問題，推動旱作農(nóng)業(yè)區(qū)水資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。

表6 主要作物各月份內(nèi)需水與降水的耦合度

水資源有效供給不足是限制旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的突出因素，如何最大限度充分利用降水資源、科學(xué)高效利用降水是北方旱作農(nóng)業(yè)面臨的重大課題[10-12]。水資源供給和作物需求通過耦合反映匹配程度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中解決作物關(guān)鍵需水時期水資源的供需矛盾，實施精準化生產(chǎn)控制是陰山北麓旱作區(qū)實現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。解決旱作農(nóng)業(yè)水資源嚴重不足的重要途徑之一是在作物水分虧缺期，及時采用集雨補灌技術(shù)，此技術(shù)可對天然降水在時間和空間上進行調(diào)節(jié)，是提高水資源利用效率和解決降水與作物需水出現(xiàn)供需錯位問題行之有效的措施[13-14]。通過灌溉措施補充作物土壤水分，特別是在作物需水關(guān)鍵期進行充分灌溉，提升土壤水分，以滿足作物對水分的需求。溝壟覆蓋種植技術(shù)能增加有效降水，抑制土壤蒸發(fā)，溝內(nèi)側(cè)滲的水分儲存于壟下，可改善土壤水熱狀況，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[15-16]，建議采用集雨補灌和溝壟覆蓋種植技術(shù)相結(jié)合的栽培技術(shù)。

此外，結(jié)合陰山北麓地區(qū)天然降水特性調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，種植作物生長期間需水量與天然降水時間吻合的作物，使作物需水期與有效降水期相適宜，從而達到充分利用雨水資源的目的，可減少農(nóng)業(yè)用水，減少開采地下水資源。在此基礎(chǔ)上，以作物經(jīng)濟效益、水分利用效益為目標函數(shù)，建立適合陰山北麓地區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水種植結(jié)構(gòu)勢在必行。